基于認知負荷理論的實驗思維臺階搭建策略研究？鄢

馮文俊　柯志超

摘要：在尋求概念本質的教學過程中，應用認知負荷理論分析教學模型，探尋以實驗為基礎的思維臺階搭建，達成教學的認知目標。并通過對 “離子反應”概念教學中探究實驗的設計，提出一種具有普遍意義的概念教學設計思路與結構。

關鍵詞：認知負荷；概念教學；思維臺階

文章編號：1008-0546（2017）06-0013-03 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.06.003

化學是一門以實驗為基礎的自然學科，課堂上教師在展示化學教學魅力的時候，常常以實驗為背景進行學科思維的構建，充分體現化學學科的特點。在概念教學中通過化學實驗探索概念的形成，更能提升學生對化學概念本質的理解。但并不是所有的課堂實驗都能順利地引導學生思維，有的實驗思維臺階過高，超過聽課學生的認知負荷，使學生的思維能力不能跨上教師設置的臺階，就會讓本應是學生發揮的課堂尷尬地成為教師個人的演講臺，本應是概念探索的過程生硬地成為記憶的流程。為了更好地發揮實驗在概念學習過程中的作用，應用認知負荷理論，通過搭建實驗思維臺階，減低課堂無效認知負荷，提升有效認知負荷，達成思維能力目標，無疑是一種很好的嘗試。

一、認知負荷理論與教學的相關性

認知負荷理論（Cognitiive Load Theory）是由澳大利亞新南威爾士大學的認知心理學家John Sweller于1988年首先提出來的。所謂的認知負荷是指學習過程中學生完成所給認知任務而需要的心理資源的數量，即工作記憶必須注意和處理的信息總和[1]。認知負荷在教學中的指向關系如表1所示。

三種類型的認知負荷是相互疊加的，使總的認知負荷不超出學習者個體能承受的認知負荷，在準確分析內部認知負荷的基礎上，實施教學的過程中增加合理的教學設計，可以盡可能減少外在認知負荷，增加相關認知負荷，提升實驗教學的功效。上述過程如圖1所示。

二、概念教學中實驗思維臺階策略分析

從認知負荷理論的有效負荷來看，教學過程中需要提升相關認知負荷，因此，對實驗過程能夠運用合理的化學符號進行連續完整地描述，是實驗思維訓練的重要目標之一。當實驗內容與學生的已有認知差距較大時，作為教學的設計者，就應當設計搭建思維的臺階，讓學生能夠順利完成實驗過程的連續性思維。

在概念教學中通過化學實驗的方式進行解析，是探索概念本質的重要方式?；瘜W實驗在教學中是與其他教學目標共存的，實驗教學除了支持物質性質的學習，以及達成某一實驗目標進行的技能訓練，還需要承載著學科思維品質的訓練功能。實驗思維不單是對實驗現象的觀察、對實驗過程的模仿式操作、對實驗結論的記憶，更應該包括對實驗過程的設計和推演，對實驗結論的合理預測和驗證，其完整性、科學性和嚴謹性能夠反映出學生實驗思維能力的真實水平。概念的本質在實驗思維的訓練中自然建構形成，而能否在新的實驗環境中應用學到的知識是檢驗概念的內化效果，這一目標的實現取決于相關認知負荷的形成。如果前一環節未達成相關認知負荷的思維終點，就會對下 一環節的知識提取造成影響。因此，以實驗為基礎的概念教學應經過創設環境、探尋本質、內化提升三個環節，并且反復提升，如圖2所示。

三、教學案例分析

離子反應是蘇教版“從海水中獲得的化學物質”中的內容，海水是一種水溶液環境，水溶液環境是中學實驗最重要的反應環境，在水溶液中，離子是微粒的主要存在形式，因此，掌握好離子反應的概念，是學生認識化學反應實質的完善和鞏固，也對學生后續的學習（特別是水溶液中的化學反應）打下了重要的理論基礎。更重要的，本節課是學生構建微粒觀的重要契機。同時離子反應及其方程式的書寫是重要的化學用語，貫穿于中學化學教材的始終。因此，在高中化學的核心概念中，離子反應占有非常重要的地位。

1. 教學目標分層——明晰內部認知負荷

內部認知負荷是指工作記憶對認知任務本身所包含的信息元素（如概念、 規則的基本成分的數量）及其交互性進行認知加工活動所產生的負荷。內在負荷源于認知任務本身[2]。

本節課的認知任務有三個層面：

（1）基礎知識層：能區分強弱電解質，并能書寫電離方程式；知道離子反應的本質，學會用離子方程式表示溶液中的離子反應。

（2）問題解決層：通過觀察實驗的現象，對物質的變化進行預測、分析、解釋。用語言、圖式、符號表達自己的觀點。

（3）學科思維層：建立宏觀——微觀——符號的思維模型。

在認知難點上除了弱電解質和離子反應這兩大概念外，宏觀——微觀——符號之間的聯系也是貫穿整節課的思維主線。即使高一的學生已經具備一定的分析問題能力和一定的實驗探究能力，但抽象思維能力仍較薄弱，同時這些知識元素交互性很強，因而在教學初期需要減少這些元素的交互活動。

2. 多臺階思維鏈——降低外部認知負荷

外部認知負荷是屬于無效負荷，在實際教學中過高的外部認知負荷會嚴重降低學生的學習效率，依據Sweller 等人研究總結的6 個效應以及本節課的教學內容，為有效降低外在負荷的教學設計，綜合考慮其中的自由目標效應、樣例效應、注意分散效應，通過教學設計的優化、知識信息的重組，搭建多思維臺階鏈，分解復雜認知任務，簡化學生認知加工，降低外部認知負荷。

本節課需要在學生比較困難的宏觀與微觀之間的思維轉換上，明確實驗目標，促進學生關注實驗過程的狀態和思維角度的選擇，在實驗結論交流中歸納出思維模型，作為學生思考的樣例，以形成宏觀——微觀——符號的三重表征主線。

例如，在溶液導電能力與離子濃度大小的關系上，由教材的一個實驗拆為3個實驗，分別將溶液中的離子是溶液導電的原因、燈泡亮度反應出溶液的導電能力、溶液的離子濃度大小影響著溶液導電能力這三個問題用實驗的方式呈現出來；在溶液中離子的反應關系上，設計pH和電導率的手持技術實驗，通過技術實現離子變化可見，讓學生從實驗過程性數據曲線分析離子的變化。

3. 強化連續思維——提升相關認知負荷

相關認知負荷有利于學生把大量復雜無序的信息組合成簡單有序的知識體系， 實現學生認知結構的優化， 有效降低工作記憶的認知負荷。 相關認知負荷的增加還有利于意義的建構[3]。在高中，多數學生能夠很快地接受物質、方程式等簡單的化學符號，但是連續性描述過程還是顯得困難。在過程的應用中，各種成分間的交互關系增強，對知識意義的認知超過對知識內容的記憶。對知識意義的加工是一種能力，需要學生自身的悟性，也需要學習過程的訓練。

形成相關認知負荷是思維臺階的目標，每一個重要的知識點在經過多個思維臺階，形成多個已有知識和現有現象之間的聯系之后，需要整理無序的知識碎片，借助樣例效應，建立有序的連貫性思維。本節課有“兩概念一思路”需要通過相關認知負荷的建立進行建構和鞏固，兩概念指強弱電解質的概念和離子反應概念，一思路指宏觀——微觀——符號思維主線。

例如關于強弱電解質的概念有三個相關認知負荷提升點，一是借助等濃度的氨水和NaOH溶液導電性實驗對比，從宏觀——微觀——符號說明強弱電解質的概念；二是借助等濃度的醋酸溶液和鹽酸導電性實驗對比，再次從宏觀——微觀——符號鞏固強弱電解質的概念；三是在氨水與鹽酸反應的pH和電導率變化圖像的預測、分析、推演中，應用強弱電解質的概念。

四、搭建思維臺階的教學設計

基于以上分析，在本節課的教學設計優化之后，創設“三環節六實驗一討論”的思維臺階，逐級增加材料元素的交互性，降低學生對認知加工的壓力，增強學生對微粒觀的認識，從本質上理解離子反應的概念，提升學生實驗思維品質。

五、案例反思

1. 認知負荷理論與思維臺階整合教學效率

實驗是直觀的，但是實驗現象背后的思考才是課堂交流的重點，課堂的交流就是教師與學生思維的對接，思維跨度就是學生外在認知負荷主要體現，合理的課堂交流能夠引導學生的思維一步步地達到能力目標。當前課堂上學生注意力的重心是在實驗現象的觀察和實驗操作細節的掌握，而忽視實驗整體思維能力的塑造，我們應該反思如何有效培養學生在實驗中的思維能力。因此，必要的思維臺階能夠幫助學生形成正確的實驗探究觀念。搭建思維臺階的方式有多種，閱讀、語言、文字、視頻、動畫、實驗都能成為思維的臺階，它們都能發揮各自不同的教學功能，達成學習的知識目標，但是從整體實驗思維能力的培養角度來看，動手實驗有其檢驗的真實性，無疑是解決實驗思維的最好辦法。

2. 重視概念的建構與應用過程

概念不是簡單的記憶，應該是一個思維探索的過程。北京師范大學的姜忠提出利用探究實驗建構概念的設計結構應包括4個部分：以新概念為基礎設計實驗、學生以原有概念去解釋實驗、利用認知沖突探究實驗、利用探究結果形成新概念。這一結構能夠加深學生對概念形成過程的體驗，能夠使學生更加深刻地體會概念的含義[4]。

3. 重視相關認知負荷的形成

教學的過程中往往產生很多的知識碎片，學生需要從中獲取有助于形成實驗探究整體思維的部分，教師應當增加學生在這一過程的認知負荷，在課內或者課外，培養學生形成連續性思維的能力，這是實驗思維臺階搭建的最終目標。提升相關認知負荷可以在階段知識的小結或者是概念建構的小結中，還可以在知識或思維模型的應用中，以檢驗學生的認知目標是否達成。

實驗既是引發學科興趣的基礎，也是引發學生思維的起點，概念是思維達到一定階段的精華概括，教師需要引導學生從知識表面的認識到知識本質的認識。充分利用認知負荷理論將實驗作為概念教學的思維情景，設計合理的思維臺階，是能夠符合學生的認知發展規律，順利達成概念的建構和思維能力培養的目標的。

參考文獻

[1] 陳穎，胡志剛，李盼盼.基于認知負荷理論探討化學高效教學的策略[J].化學教學，2014（6）：19-22

[2] 唐劍嵐，周瑩.認知負荷理論及其研究的進展與思考[J].廣西師范大學學報，2008（4）：75-83

[3] 胡君.基于認知負荷理論的 “質量守恒定律”微課教學設計[J].課程教學研究，2014（9）：47-51

[4] 姜忠，歐陽津.概念同化教學中探究實驗設計研究[J].化學教育，2016（13）：20-23