認(rèn)知負(fù)荷理論在高中生物學(xué)概念教學(xué)中的應(yīng)用

黃惠妮 李镕靈 黃秋燕

【摘 要】本文簡介認(rèn)知負(fù)荷理論，論述生物學(xué)概念學(xué)習(xí)中的認(rèn)知負(fù)荷，提出教學(xué)中優(yōu)化學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷的策略，以提高課堂教學(xué)效率。

【關(guān)鍵詞】生物學(xué)概念 認(rèn)知負(fù)荷 教學(xué)策略

【中圖分類號】G? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2019）01B-0148-02

生物學(xué)概念是構(gòu)成生物學(xué)知識的基本單位，是學(xué)生建立起堅固的生物學(xué)知識體系和促進(jìn)學(xué)生能力發(fā)展的基礎(chǔ)。然而，由于生物學(xué)概念的抽象性，學(xué)生學(xué)習(xí)起來具有一定的困難。同時，我國在課堂教學(xué)中依然沒有真正做到以學(xué)生為主體。認(rèn)知負(fù)荷理論關(guān)注學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，優(yōu)化學(xué)習(xí)中的認(rèn)知負(fù)荷，提高學(xué)習(xí)效率，體現(xiàn)了以學(xué)生為主體的教育理論。因此，筆者認(rèn)為認(rèn)知負(fù)荷理論在生物學(xué)概念教學(xué)中的應(yīng)用具有重要意義。

一、認(rèn)知負(fù)荷理論概述

認(rèn)知負(fù)荷理論是澳大利亞心理學(xué)家斯威勒（J.Sweller）于 1988 年提出，解釋了為何教學(xué)中即使以學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)為教學(xué)起點并根據(jù)學(xué)習(xí)過程來設(shè)計教學(xué)，也仍無可避免學(xué)生在學(xué)習(xí)中出現(xiàn)認(rèn)知困難。其基本觀點是：工作記憶和長時記憶構(gòu)成了人類的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，其中工作記憶所能加工的信息數(shù)量是有限的，工作記憶若要加工更多的信息則可通過圖式的建構(gòu)和自動化來實現(xiàn);倘若個體要處理的信息超過了工作記憶可以處理的信息容量，則無法進(jìn)行有效的信息處理，學(xué)習(xí)效果不佳。

認(rèn)知負(fù)荷是指真正投入在工作記憶中以成功完成特定學(xué)習(xí)任務(wù)的必需和非必需認(rèn)知資源的總和。其來源主要為學(xué)習(xí)材料的性質(zhì)、表達(dá)方法和學(xué)習(xí)者的現(xiàn)有經(jīng)驗。根據(jù)來源是否有助于圖式的建構(gòu)將認(rèn)知負(fù)荷分為以下三類：外在認(rèn)知負(fù)荷、內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷、關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷。內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷是由學(xué)習(xí)材料的性質(zhì)和學(xué)習(xí)者的經(jīng)驗水平所帶來的，不易通過教學(xué)設(shè)計減少。外在認(rèn)知負(fù)荷是由不恰當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)材料呈現(xiàn)方式、教學(xué)設(shè)計所帶來的，可通過改進(jìn)教學(xué)設(shè)計來減少。關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷是建構(gòu)圖式過程中不必要但投入后能促進(jìn)圖式建構(gòu)的負(fù)荷。良好的教學(xué)設(shè)計，可適度地增加關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷，促進(jìn)圖式建構(gòu)。這三種負(fù)荷累加起來超出了總的工作記憶容量，將無法成功完成相應(yīng)的學(xué)習(xí)。相反，若這三者的總和遠(yuǎn)低于工作記憶容量將會導(dǎo)致認(rèn)知資源的浪費。因此，只有將總的認(rèn)知負(fù)荷控制在適當(dāng)?shù)乃讲艜崿F(xiàn)高效學(xué)習(xí)。

二、生物學(xué)概念學(xué)習(xí)中的認(rèn)知負(fù)荷

在概念學(xué)習(xí)中只有保證工作記憶中有充足的認(rèn)知資源用以加工概念，學(xué)習(xí)才會有效。以下通過分析生物學(xué)概念學(xué)習(xí)中的外在認(rèn)知負(fù)荷、內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷、關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷，給概念教學(xué)的設(shè)計提供相應(yīng)的依據(jù)。

概念固有的復(fù)雜性和難度、學(xué)生現(xiàn)有的經(jīng)驗，及兩者間的交互程度會給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來一定的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷。如概念“光合作用”較為復(fù)雜，包含著葉綠體、光反應(yīng)、暗反應(yīng)等下位概念。下位概念“光反應(yīng)”包括諸如光合色素、光吸收、光的水解等子概念，“暗反應(yīng)”包含如 CO2 的固定、C 的還原等子概念。學(xué)習(xí)該概念時需要理解其所包含的下位概念及其子概念，該概念的交互性高。這時如果學(xué)生的原有知識中包含了這些子概念，那么就有利于概念的同化與順應(yīng)，降低了內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷，否則產(chǎn)生較高的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷。

概念的呈現(xiàn)順序和方式不當(dāng)會產(chǎn)生外在認(rèn)知負(fù)荷。例如，在學(xué)習(xí)概念“遺傳信息的表達(dá)”時，由于這個概念包含多個下位概念，要學(xué)習(xí)的信息元素間的交互性較高。若僅僅通過教師的口頭講解或展示純文本，那么會給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來很高的外在認(rèn)知負(fù)荷，這使學(xué)生很難理解這個概念。如果使用視頻或動畫并使用畫外音解釋教學(xué)，那么就能使學(xué)生的視覺和聽覺通道同時運作起來，這樣就充分地利用認(rèn)知資源，減少了外在認(rèn)知負(fù)荷。

學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的動機(jī)、風(fēng)格、知識水平、自我監(jiān)控能力等也影響概念學(xué)習(xí)中的關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷。適當(dāng)?shù)膭訖C(jī)水平可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)上投入更多的努力，良好的認(rèn)知風(fēng)格能夠增加關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷，更好地理解和掌握概念。認(rèn)知水平高的學(xué)習(xí)者能夠更好地將認(rèn)知資源投入到關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷當(dāng)中，自我監(jiān)控能力強(qiáng)的學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能夠更好地監(jiān)控和調(diào)節(jié)自身的學(xué)習(xí)，從而促進(jìn)有效學(xué)習(xí)。

教學(xué)過程中要合理控制學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷總量，降低內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷和外在認(rèn)知負(fù)荷，適當(dāng)增加關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷，促進(jìn)學(xué)生對概念的順應(yīng)和同化，提高學(xué)習(xí)效率。

三、認(rèn)知負(fù)荷理論在高中生物學(xué)概念教學(xué)中的應(yīng)用策略

（一）漸進(jìn)式問題解決教學(xué)法—— 降低內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷

根據(jù)認(rèn)知負(fù)荷效應(yīng)中的分離關(guān)聯(lián)元素效應(yīng)，分離關(guān)聯(lián)性的信息元素并相繼呈現(xiàn)可以促進(jìn)學(xué)習(xí)，不要一次性呈現(xiàn)所有信息元素。研究表明，在學(xué)習(xí)者缺乏相關(guān)背景知識的情況下，采用分離關(guān)聯(lián)元素教學(xué)方法會得到更佳的教學(xué)效果。

漸進(jìn)式問題解決教學(xué)法就是基于分離關(guān)聯(lián)元素效應(yīng)提出的一種降低內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷的教學(xué)方法。即以問題解決作為教學(xué)主線，結(jié)合學(xué)生的生活體驗創(chuàng)設(shè)情境，引出學(xué)生感興趣的問題，提出基本問題，圍繞基本問題提出并解決相關(guān)問題，最后生成概念。這樣，將所要學(xué)習(xí)的信息元素分離并通過問題的形式逐一呈現(xiàn)，讓學(xué)生在解決循序漸進(jìn)的問題中構(gòu)建知識。該教學(xué)方法能夠幫助學(xué)生對概念進(jìn)行順利建構(gòu)，深化對概念的理解。

例如，在“有絲分裂”的學(xué)習(xí)中，以“復(fù)制后如何確保染色體準(zhǔn)確均勻地分布在兩個子細(xì)胞中”為基本問題，然后圍繞這一基本問題提出以下相關(guān)問題：

（1）為何染色體在間期復(fù)制，在中期縮短變粗？

（2）前期核仁為何要消失，核膜為何要解體？

（3）紡錘絲或星射線出現(xiàn)并形成紡錘體有何意義？

（4）紡錘絲牽引染色體以著絲點在赤道板上有規(guī)律排列有何作用？

（5）著絲點先分裂，紡錘絲后牽引染色體到達(dá)細(xì)胞兩極有何意義？

（6）末期出現(xiàn)細(xì)胞板或細(xì)胞凹陷縊裂并重新出現(xiàn)核仁、核膜有何意義？

這樣通過逐一解決這些問題，使學(xué)生逐步構(gòu)建起“有絲分裂”的概念，并對這一概念形成深刻的認(rèn)識，更深地理解。

（二）根據(jù)概念特點，合理選擇呈現(xiàn)方式—— 降低外在認(rèn)知負(fù)荷

生物學(xué)概念繁多，不同類型的概念具有不同的特點。在教學(xué)中應(yīng)根據(jù)概念的特點，選擇恰當(dāng)?shù)某尸F(xiàn)方式。如對“線粒體”“葉綠體”這類具體概念，采用直觀教學(xué)法和講授法便可使學(xué)生理解掌握。而在“有絲分裂”的學(xué)習(xí)中，由于有絲分裂是一個微觀、抽象的過程，若僅以純文本的方式展示和口頭講解該過程，則學(xué)生的學(xué)習(xí)將產(chǎn)生很高的外在認(rèn)知負(fù)荷，學(xué)習(xí)起來就會感到晦澀難懂。根據(jù)認(rèn)知負(fù)荷效應(yīng)中的通道效應(yīng)：綜合運用各種信息表現(xiàn)形式，可以增加工作記憶的使用，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。對此，教師可采用播放視頻動畫并配以講解的形式呈現(xiàn)有絲分裂的過程，同時利用學(xué)習(xí)者的視覺和聽覺通道，使認(rèn)知資源不至于閑置，提高學(xué)習(xí)效率。同時，視頻中的文字要去除或簡約化呈現(xiàn)，避免出現(xiàn)多余的信息，導(dǎo)致學(xué)生注意力分散，干擾學(xué)生對信息的加工，降低學(xué)習(xí)質(zhì)量。

此外，在多媒體課件設(shè)計中，要盡量保證學(xué)生的視覺和聽覺通道得到均衡使用，從而充分利用工作記憶容量，實現(xiàn)有效教學(xué);在設(shè)置文字和圖片時，文字和圖片應(yīng)置于同一張幻燈片上，避免出現(xiàn)注意分離效應(yīng);不能為了美觀而添加與學(xué)習(xí)無關(guān)的動畫或圖片，以避免信息冗余，造成外在認(rèn)知負(fù)荷增多。

（三）以例激趣，增強(qiáng)認(rèn)知努力—— 增加關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷

根據(jù)認(rèn)知負(fù)荷理論，在認(rèn)知資源充足的情況下，可適當(dāng)增加關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷以促進(jìn)對概念的學(xué)習(xí)。關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷與學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動機(jī)、學(xué)習(xí)興趣等有著密切的聯(lián)系，因此在概念教學(xué)中，以背景導(dǎo)入或情境導(dǎo)入的方式導(dǎo)入概念，能夠激發(fā)學(xué)生的求知欲，讓學(xué)生主動參與到學(xué)習(xí)中來，使長時記憶中的相關(guān)圖式得以調(diào)用，從而增加關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷以促進(jìn)對概念的學(xué)習(xí)。如學(xué)習(xí)“遺傳信息的攜帶者—— 核酸”時，可創(chuàng)設(shè)情境列舉 DNA 指紋法在案件偵破工作中的作用，并提出問題：DNA 是一種什么樣的物質(zhì)？為什么 DNA 能夠提供犯罪嫌疑人的信息？這樣從日常生活出發(fā)，根據(jù)學(xué)生的生活經(jīng)歷提出相關(guān)問題，可以激發(fā)學(xué)生對新知識的渴望，調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性，增加關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷，促進(jìn)新概念的建構(gòu)。此外，在概念學(xué)習(xí)前畫出概念的關(guān)鍵詞，學(xué)習(xí)中聽課記筆記，適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)充相應(yīng)的例子，均可增加關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷，有利于學(xué)生構(gòu)建概念。

概念教學(xué)是高中生物教學(xué)中的重要內(nèi)容之一，在教學(xué)中要時刻牢記“以學(xué)生為本”的教育理念，摒棄“一言堂”的授課方式，以認(rèn)識負(fù)荷理論為指導(dǎo)，關(guān)注學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，從學(xué)生的學(xué)習(xí)角度出發(fā)，優(yōu)化學(xué)習(xí)中的認(rèn)知負(fù)荷，打造高效的生物學(xué)課堂。此外，生物學(xué)概念學(xué)習(xí)是一項長期且復(fù)雜的學(xué)習(xí)任務(wù)，隨著學(xué)習(xí)的進(jìn)行，學(xué)生掌握的概念逐漸增多，認(rèn)知結(jié)構(gòu)也會不斷變化，教師要懂得對學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷進(jìn)行評定以調(diào)整教學(xué)方案，同時要提供給學(xué)生建構(gòu)概念圖式的空間與機(jī)會。

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【作者簡介】黃惠妮（1993— ），女，漢族，廣西人，廣西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院在讀碩士研究生，學(xué)習(xí)方向為學(xué)科教學(xué)。

（責(zé)編 盧建龍）