基于CLT理論的初中化學概念教學探索

李軍

摘要：CLT理論（認知負荷理論）是在信息加工理論、認知資源有限理論與圖式理論基礎上形成的學習理論，認知負荷是指人在信息加工過程中所需的認知資源總量，包括外部認知負荷、內部認知負荷與相關認知負荷三種類型，外部認知負荷與內部認知負荷越低，相關認知負荷越高，學生的學習效率越高。概念教學既是中學化學教學的重點，又是難點，將CLT理論應用于概念教學，對于提高學生概念學習的有效性、促進學生的深度學習具有重要價值。

關鍵詞：CLT理論;概念教學

文章編號：1008-0546（2019） 11-0033-06

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2019. 11.009

一、CLT理論及其研究概述

1.CLT理論的提出

CLT是認知負荷理論（Cognitive Load Theory）的簡稱，該理論由澳大利亞著名心理學家J·Sweller于1988年首先提出。該理論以信息加工理論為基礎，基于認知資源有限理論與圖式理論，它假設人類的認知結構由工作記憶和長時記憶組成，而學習是將工作記憶積極地用于理解和處理教學材料，并把即將習得的信息編碼以儲存在長時記憶中。它同時認為工作記憶容量有限，通常每次只能存儲5-9個基本信息模塊，而且，由于元素之間的交互也占據工作記憶空間，因此，實際處理信息時，工作記憶一次只能處理兩到三個信息模塊。在問題解決或學習過程中，各種認知加工活動均需占據工作記憶容量、消耗認知資源，如果這種消耗超過個體所擁有的認知資源總量，就會引起資源分配不足，進而影響學習效率。而這種在復雜任務學習中，對一項特定認知活動進行信息加工所耗費的認知資源總量通常被認為是認知負荷。

2.認知負荷的類型

J·Sweller在研究中提出了三種認知負荷：內部認知負荷、外部認知負荷和相關認知負荷。內部認知負荷是指由信息元素的數量及其之間的相互作用所引起的認知負荷，取決于所要學習的材料的本質與學習者的專業知識之間的交互，通常反映為學習材料的數量、難度與復雜度，以及學習者的知識水平等。外部認知負荷是指認知過程中的額外負荷，它主要來自于教學設計與實施中出現的失誤。相關認知負荷是工作記憶用于處理內部認知負荷時所占用的認知資源，是與促進圖式構建和圖式自動化過程相關的認知負荷，它通過合理的教學策略與教學活動，可以有效促進圖式建構或程序自動化。

目前，國內學者普遍認為學習者在學習過程中的全部認知負荷是三種負荷的加和，且對于特定的學習者來說，它通常被描述為一個恒量，因此，當同時進行多項認知活動時將產生認知資源競爭，此時資源就會根據此多彼少的原則進行分配。

3.認知負荷效應

CLT理論對教學的啟示是：在具有一定困難度與復雜度的學習過程中，使用更富有結構性、邏輯性的學習材料，采用更符合學生認知風格、認知規律與學習特點的教學方式，從而降低外部認知負荷，使得總的認知負荷不超出學習者能承受的認知負荷，也使得用于處理內部認知負荷時所占用的認知資源更為充足，將有利于提高學生的學習效益，使學習達到最優化。研究者還進一步發現了會導致眾多不同的認知負荷的學習效應：樣例效應、注意分割效應、感覺通道效應、冗余效應等，并提出了一些可操作的認知負荷管理策略。

二、基于CLT理論的初中化學概念教學現狀分析

1.初中化學學習中的概念體系

化學概念是化學思維的結晶，是化學科學的“原子”，更是化學學習的基石，它是人們對物質及其變化基本屬性的認識，深刻反映了化學過程最本質的特征。只有深入地認識與深刻地理解化學概念，才能系統地、全面地、結構化地掌握化學雙基，進而揭示化學變化的規律。因此，化學概念不僅是化學學習的重要領域，也是學習化學的重要支柱，在化學學習過程中具有基礎性與構建性作用。

中學化學中的概念體系大致包括關于物質的組成和結構、物質的性質和變化、化學量、化學用語、化學實驗技能以及化學計算等方面的概念，它們之間既相對獨立，同時又相互聯系、互為補充，從而構成了一個相對完整的結構系統。

2.基于CLT理論的初中化學概念教學建構

（1）初中化學概念教學中的內部認知負荷來源

根據CLT理論，概念教學的內部認知負荷主要來自于概念自身的特性，這些特性包括如下方面：

化學概念的抽象性。無論是具體概念、定義性概念、還是抽象概念，都是對化學專有名詞用精煉嚴謹的文字凝練出來的總結性語言，它將化學學科知識體系中難理解、易混淆的事物和現象的本質提取出來，進行分類，通過由個性到共性、由具體到抽象的過程，并加以高度抽象概括與表征。初中階段學生的心理特點處于幼稚向成熟轉化的時期，其思維活動仍以經驗性思維為主，同時具有形象思維與抽象思維的成分。因此，他們在化學概念的學習中，無意識記還表現得較為明顯，缺乏必要的目的性與必需的技巧性，往往習慣于概念表面形式的記憶，而不了解其本質的意義和關系，機械學習、簡單學習的特點較為明顯，這就大大增加了概念學習中的內部認知負荷。

化學概念的復雜性。化學概念的復雜性往往來自于兩個方面。第一個方面，化學概念可能往往同時具有多個屬性，其中一些為關鍵屬性，而另一些則為可變屬性。學生在學習中，當某個概念具有多個屬性時，往往不能很清晰地區分關鍵屬性與可變屬性，易將兩者相混淆，從而導致概念學習的障礙。第二個方面，概念不是獨立的，彼此之間具有關聯，這種關聯我們通常稱之為上位概念、下位概念和平行概念，這種概念的結構依賴于關鍵屬性與可變屬性的判斷識別，如果學生對這種結構認識不清，也將增大學生的內部認知負荷。

化學概念的迷思性。學生在概念學習之前，都擁有獨特的生活體驗和學習經驗，也具有獨特的認知視角和思維模式。這些本體論認識和經驗思維模式，一方面可能為學生認知與掌握化學概念提供經驗性基礎;另一方面，前概念又是基于學生個人經驗總結出來的、對于化學知識粗淺的、表象型和非本質的認識，沒有去蕪存菁、去偽存真，未經科學抽象與概括，所以有很多前概念與化學概念存在偏差，甚至完全相悖。因此，前概念又會以其廣泛性、差異性、隱蔽性、頑固性的特點，在一定程度上給學生科學、準確地認知化學概念造成沖擊，使學生輕易地基于對概念的粗淺感受做出主觀武斷的判斷，從而產生概念迷思。這種迷思同樣增加了學生的內部認知負荷。

（2）初中化學概念教學中的外部認知負荷來源

導致概念教學中學生外部認知負荷增加或過重的原因主要包括三個方面：

第一個方面來自于對學生認知的不到位。學生在進行概念學習時，頭腦里并不是一片空白，更不是一無所知，生活中積累的各種知識、經驗已使他們形成了對所要學習概念的獨特理解與潛在看法，并建立起了相對穩定的個人觀點及思維方式。但是，一些教師在概念教學中卻忽視學生在其他學段、其他學科的學習中所習得的知識經驗，忽視學生的生活閱歷與生活體驗所形成的前概念，將學生視為空白的知識容器進行概念教學。

第二個方面來自于對概念的解析不到位。教師在概念教學中忽視對概念的文本解讀，教師教學時對化學概念不嚴謹的講解或者教師自身對知識點的錯誤理解會造成學生錯誤的理解甚至是思維定勢;教師在概念教學中忽視對概念內涵與外延的深刻理解，導致學生只注重教學資料上的范例與實例，造成對概念認知的片面化;教師在概念教學中忽視概念中的上位概念與下位概念等概念的內在聯系，從而造成概念學習的孤立化與靜態化，學生對概念的習得呈現出碎片化與零散化的狀態。

第三個方面來自于對教學方法選擇的不合理。教師在概念教學中，忽視學生在學習中的主體地位，忽視學生在概念學習中的主動建構，忽視概念教學的本質特征，教學模式僵化，教學方式單一，只強調概念的死記硬背與生搬硬套，而忽略了概念的理解與應用。

三、基于CLT理論的初中化學概念教學——以溶解度教學為例

溶解度屬于物質的性質類的化學概念，它以定量的方式描述了溶質在溶劑中的溶解能力。這個概念一方面是對溶液的組成——溶質與溶劑相互之間的關系的再認識，以及外界條件對溶液組成的影響的再認識;另一方面，也是對從定性研究走向定量研究，對溶質在溶劑中具體溶解數量進行探討，為學生學會在具體的生活情境中選擇和使用溶質與溶劑，在真實的生產情境中進行物質的分離與提純等奠定基礎。在學習這一概念之前，學生已經對溶解的概念、溶液的組成、溶解性、飽和溶液與不飽和溶液有了一定的認識，但是對于從量的角度認識溶質在溶劑中的溶解能力還只是基于生活經驗，處在定性或半定量的階段，還未建立起從定量的層面認識溶解現象的思維角度與方法。因此，這一概念的學習，其重難點在于理解溶解度的概念，并能應用溶解度的概念解決生產與生活巾的實際問題。

固體物質的溶解度是一個較為抽象的概念，難以在直觀的情景、現象或實驗中得到明顯的體現;而它的復雜性在于其包含了四個關鍵屬性：“一定溫度”“100g溶劑”“達到飽和狀態”“溶解的質量，單位通常為g”，這四個關鍵屬性就表象而言，缺乏明顯的邏輯關系，相對獨立;同時，學生在該概念學習上的經驗并不豐富，已有的經驗并不足以幫助學生進行概念的深度理解。因此，學生在該概念的學習上出現了比較大的困難，往往依靠機械記憶的方法認識溶解度這一概念，從而導致對概念認識的片面性、淺層性。

1.建構合理認知序列，降低內部認知負荷

對于確定的學習者而言，內部認知負荷主要取決于學習任務本身，即學習任務所涉及的元素數量及各元素間的交互性，因此，想要降低概念學習的內部認知負荷，必須盡量減少概念本身的元素數量及各元素間的交互性。但問題是，對于溶解度概念而言，其四個關鍵屬性是確定的，如何才能達到減少的目標呢？

其一是整合，即通過一些中間概念（同位概念或下位概念等）將這些關鍵屬性進行重整，使其中一些關鍵屬性被分配到已被掌握得較好的一個或若干個概念中去，并以這些中間概念為基礎，通過比較、分析、拓展逐步形成新概念。如與溶解度非常相關的概念是飽和溶液，它包括與溶解度相近的三個關鍵屬性：“一定溫度”“一定量的溶劑”以及“飽和”自身，因此可以將飽和溶液作為中間概念進行教學，溶解度的關鍵屬性就由四個縮減為兩個，學生的內部認知負荷顯著降低。

其二是由分而整，即將學習任務按照學生的可接受程度，分割成若干個操作性強且實效性高的子任務或子目標，然后將其按照一定的邏輯順序呈現并加以解決。現行滬教版教材在學習內容的編排上就采取了這種策略。它將溶解度概念學習分為三個模塊，分別是“影響物質溶解性的因素”“飽和溶液與不飽和溶液”以及“溶解性的定量表示”，這三個模塊就是溶解度學習的三個子任務。在第一個子任務巾，學生要解決的問題是對物質溶解性的初步認識，了解溫度、溶質種類、溶劑種類等因素對物質溶解性的影響，從而確立溶解度概念的理解必須考慮到物質外在環境與物質內在性質的影響，為溶解度的學習奠定第一個基礎;在第二個子任務中，學生要解決的問題是對“飽和”的認知，知道“飽和”是相對的，它既受到外在因素（溫度）的影響，同時在溶質與溶劑種類確定的情況下，還受到溶劑質量的影響，從而明確溶解度的學習必須引入定量研究的方法，溶解度體現在特定的數量關系中，為溶解度的學習奠定第二個基礎;在第三個子任務中，學生要解決的問題是，基于對溶解性的認識與對“飽和”的認識，全面認識溶解度概念的關鍵屬性，對前兩個任務中還不夠明晰透徹的問題進行細節的補充與要素的完善，從而真正構建起對溶解度的深度理解。

其三是先簡后繁，該方法采取的是學習任務二次呈現策略，即第一次通過壓縮或簡化學習任務所包含的元素，呈現“簡縮版”學習任務，在學生已經掌握了學習任務完成的思維模式建構與學習方式建構后，再呈現“完整版”學習任務供學生進行學習。由于學習任務的一次學習使學生建立了認知圖式（可視作一個先行組織者），當學生進行二次學習時，就大大降低了內部認知負荷，從而也降低了學習難度。如在溶解度概念的學習中，應先強調溶解性的學習，將溶解性學習作為溶解度學習的先行組織者，因為溶解性的學習可以看作是溶解度學習的簡縮版。在鞏固溶解性概念及其影響因素的基礎上，逐步引入定量的觀念，逐漸引導學生借鑒物質熔沸點等的學習方式與思維方式，從而形成對溶解度的科學認知。

2.創設合理學習任務，降低外部認知負荷

常見的“溶解度”的教學中，教師通常采用的教學程序是：首先，呈現溶解度的概念，對照概念提出溶解度的四個關鍵屬性，并對溶解度的表示方法、溶解度的意義等概念的內涵作出說明;然后，通過一組例題對溶解度的概念從各角度進行辨析，要求學生能從中發現描述溶解度必須滿足的條件;最后，以知識點小結的形式再次強調溶解度的概念及其關鍵屬性。教師通常采用的教學方法為講授法與習題講評法。在上述教學過程中，可以發現，教師在教學設計與實施巾，存在以下幾個問題。第一，教師對溶解度概念學習所需的學習資源提供不夠充分，學生幾乎只依賴于教材文本進行學習，而各版本的化學教材文本對溶解度的描述大都比較籠統，處理也比較簡單，這就造成學生難以通過更豐富的學習素材或生活經驗對溶解度的理解奠定基礎。第二，教師對學習材料缺乏必要的理解與整合，只是就事論事地進行溶解度的概念教學，既沒有把其放置于整個溶解現象的知識體系中，充分考慮該知識體系中與溶解度相關的知識點及其相互聯系，也沒有從把握學科特質與特有研究方式的前提下，充分考慮溶解度這一概念的形成過程與產生方式。第三，教學活動的組織形式較為簡單，語言講解與文本關注只是淺層次地調動學生的聽覺與視覺，且兩者間未形成有機的結合，因此，學生接受信息的渠道比較單一，處理信息的方式比較簡化，因此也難以對概念形成深入有效的理解。以下是利用CLT理論中的自由目標效應進行的課堂教學案例。

【案例】應用自由目標效應的“溶解度”教學案例

師：如何才能比較硝酸鉀和氯化鈉兩種物質溶解性的強弱？

生1：做實驗。

師：應該采用怎樣的方法設計實驗，才能比較準確地比較它們溶解性的強弱？

生2：控制變量，通過對比實驗來進行比較。

師：根據我們已經學習過的關于物質溶解性的知識，你覺得在設計對比實驗時，可能要控制哪些變量呢？理由是什么？

生3：控制溫度，溫度影響物質的溶解性。

生4：必須使用同一種溶劑，同一種溶質在不同溶劑中的溶解性不同。

師：如果都使用水作為溶劑，你覺得還需要控制其他變量嗎？

生4：使用水的量也應該一樣，就像跑步，要比較兩個人誰跑得快，應該讓他們跑相同的路程，看誰使用的時間少，或者跑相同的時間，看誰跑的路程多。

師：解釋得非常好！但是我還有一個疑問，采用你剛才說的第二種方法進行比較，讓你和劉翔跑相同的時間，但是你盡全力跑，劉翔用龜速跑，結果你跑得路程多，這能說明你比劉翔的跑步能力強嗎？

生4：不能，大家都必須用全力跑，才能進行比較，不然不公平。

師：所以，在比較硝酸鉀與食鹽的溶解性大小時，除了要做到溫度相同、溶劑和溶劑的量相同，還應做到？

生5：都要溶解到不能再溶解，即達到溶解的最大數值。

師：這種狀態在化學中稱為？

生5：飽和狀態。

師：通過以上討論，同學們已經對如何比較氯化鈉和硝酸鉀的溶解性有了基本的認識，現在請大家根據提供的儀器與試劑進行實驗，并記錄你所測得的結果。（所提供的主要儀器與試劑：硝酸鉀固體、氯化鈉固體、蒸餾水、酒精燈、溫度計、天平、量筒、滴管、藥匙）

生：完成實驗，展示匯報實驗結果與實驗結論。

師：在剛才的實驗中，我發現兩組同學的實驗記錄是這樣的（展示下表）：

師：根據這張表格，能獲得哪些結論？

生6：兩組的實驗都表明：20℃時，硝酸鉀的溶解性沒有氯化鈉強。

生7：兩組的實驗還表明：20℃時，硝酸鉀最多溶解的質量是相同的，氯化鈉也一樣。

師：你是怎么知道20℃時，硝酸鉀最多溶解的質量是相同的？

生7：通過最小公倍數的方法，可以知道它們在100g水巾，最多溶解的質量都是30g。

師：分析得很好。在剛才的學習過程中，我們通過控制變量的對比實驗確定了硝酸鉀和氯化鈉的溶解性強弱。但如果每次要比較不同物質的溶解性都要做實驗，是否很麻煩？因此化學上提出了用溶解度來定量表示物質溶解性的大小，就像物質的熔沸點一樣。而剛才同學們比較硝酸鉀和氯化鈉溶解性的實驗過程，就是溶解度測定的方法。請同學們再次回顧這個過程，總結溶解度的測定過程，并提出溶解度的概念……

【案例分析】自由目標效應是CLT理論中有效降低外部認知負荷的重要策略。自由目標是指目標不確定，它可以防止因手段——目標分析策略的使用，造成的大量認知資源消耗，而形成較大的外部認知負荷。在上述案例中，執教教師并沒有直接提出溶解度這個概念，而是應用自由目標效應提出了一個驅動性任務——如何比較硝酸鉀和氯化鈉兩種物質溶解性的強弱。圍繞該任務，師生提出了以控制變量為核心的對比實驗方案，而控制變量的探討，正是溶解度概念中四個關鍵屬性的認知與強化過程。由于這些關鍵屬性是在解決問題的過程中逐步得出和逐步深化，因此在每個關鍵屬性的學習中，學生的外部認知負荷比較小，使得學生能留有更多的工作記憶空間進行溶解度概念的整體學習。

在溶解度的教學中，還可以應用感覺通道效應優化教學設計，根據工作記憶中聽覺加工和視覺加工等不同加工方式相對獨立的規律，將以文字與圖片呈現的學習信息、以語言講解呈現的學習信息及以實踐操作呈現的學習信息結合起來，讓具有不同認知風格的學習者都能獲得深度學習的機會，以自己最擅長的學習方式進行學習，同時也有效減少僅以視覺、聽覺或觸覺單一通道加工信息所造成的較大的認知負荷，促進學生的學習。同時，在教學過程中，還應注意信息供給的簡約性，以免造成冗余效應。

3.優化學習展開過程，提升相關認知負荷

相關認知負荷有利于圖式的獲得和自動化，并且常常通過加大學生的認知投入、激發學生的學習興趣、提升學生的學習動機、引發學生的高階思維、促進學生的深度學習得以實現。因此，在教學設計與實施中，應該加強學生學習策略的研究，注重情境與問題的創設，關注先行組織者的建構，培育學生的自主學習能力，以提升學習者在學習進程巾的相關認知負荷。

（1）創設生活情境，增加學生有意注意

在有限的課堂教學時間中，牢牢抓住學生的有意注意，使其專注于學習任務，是有效學習的關鍵。因此，在教學設計中，應加強真實情景的創設，激發學生的學習興趣，使學生認識到學習的價值，并為學習提供可能的感性認知。在“溶解度”教學中，可以采用以下三種教學情境作為課堂教學的引入。

情境一：呈現雞尾酒圖片，吸引學生的注意力，告知學生用化學試劑也能調制化學“雞尾酒”，然后呈現以碘的乙酸乙酯溶液、硫酸銅溶液、碘的四氯化碳溶液配制的化學“雞尾酒”（如圖1），并設置懸疑——化學“雞尾酒”的制作除了與所用液體的密度有關，還包含了哪些化學知識呢？

情境二：呈現天氣瓶圖片，以及如下文字信息：“1834～1836年，海軍上將羅伯特·菲茨羅伊參與查爾斯·達爾義的探險。除了海軍的工作，菲茨羅伊也是氣象學的先驅，他發明了“風暴瓶”。“風暴瓶”又叫“天氣瓶”，是一種用來指示天氣的設備，本體為一個裝滿溶液的密封玻璃瓶，使用者可以通過查看瓶子里溶液的情況來預測天氣。瓶子里的溶液是幾種物質的混合溶液，通常包括蒸餾水、乙醇、硝酸鉀、氯化銨和樟腦。”并設置懸疑——天氣瓶是利用什么原理制作的？它真的能預測天氣嗎？它預測天氣的原理是什么呢？

情境三：呈現硫酸鎂溶液試劑瓶（標注質量分數為50%）圖片，并提出以下問題：硫酸鎂俗稱瀉鹽，醫療上常用溶質質量分數為50%的硫酸鎂溶液進行消腫、止痛等，而醫院里通常是將硫酸鎂固體溶于水來配制所需的硫酸鎂溶液。那么，將硫酸鎂固體溶于水，真的能配制得到溶質質量分數為50%的硫酸鎂溶液嗎？

（2）創設活動情境，增強學生主動參與

學生的學習效率取決于學生參與學習活動的深度與廣度，而具有合理開放性、復雜性、綜合性的學生活動則能使學生更自覺、更深入地投入到學習中去。實驗既是化學學習的重要內容，更是化學學習的重要方法，它體現了化學學科的基本特質與核心特征，因此，科學創設實驗活動是提高化學學習相關認知負荷的重要方法。在溶解度教學中，可以補充如下實驗活動來幫助學生增加對溶解度的體驗。

【活動設計說明】氯化鈉、硝酸鉀、熟石灰在農業生產中具有重要作用，分別可以用作選種、復合肥、防凍防蟲等，那么這三種物質的溶解性誰強誰弱呢？通過討論，師生制訂了如表1所示的實驗方案來開展探究。

在這個實驗活動中，執教教師在溶解度概念的教學設計中，并未直接呈現溶解度的概念，也未面向概念同時強調溶解度概念的各個關鍵屬性，而是將其中三個關鍵屬性作為三個學習子目標，分別創設基于“達到飽和狀態”“100g溶劑”以及“一定溫度”的三個學生實驗，引導學生在探究三種物質溶解性差異的具體實踐操作中，通過確立觀測點——固體是否完全溶解、激發思考點——實驗中的控制變量、基于實驗現象的實驗推論，獲得對溶解度概念的感性認識，并最終將這些具體感知與習得經驗整合起來，形成對溶解度的完整認知，從而加深了學生對溶解度的理解。

將CLT理論用于指導初中化學概念教學設計實施，可以有效改善課堂的教學生態，優化教師的教學行為，變革學生的學習方式，培育學生的高階思維，促進深度學習的發生，從而提升課堂教學效率。

參考文獻

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