認知負荷理論視角下的教材編寫特點研究

陳芊伶 萬莉 江強

摘要： 根據認知負荷理論建構分析模型，以魯科版教材中氧化還原反應部分內容為研究對象，分析教材編寫對學生認知負荷的影響，為教師正確分析教材提供啟示，并提出教材使用的“兩降一增”策略。

關鍵詞： 認知負荷理論; 教材分析; 氧化還原反應

文章編號： 10056629（2022）07001307

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 認知負荷理論

1.1 認知

Neisser將認知定義為感覺輸入的變換、減少、解釋、貯存、恢復和使用等所有過程[1]。這是一個極其復雜的心理過程，包括知覺、注意、記憶、推理、決策等多種心理活動，各種心理活動相互依賴和影響，不同認知成分或過程在知識的獲得與應用中各有分工，共同作用構成一個完整的認知過程。

1.2 認知負荷

Sweller[2]認為認知負荷是處理被給信息所需要的心智能量的水平;賴日生[3]等人認為認知負荷是在某種場合下施加到工作記憶中的智力活動總數量;曹寶龍[4]等人認為認知負荷指在一個事例中智力活動強加給工作記憶的總數;楊心德[5]等人認為認知負荷是為完成某項任務而在工作記憶上所進行的心智活動所需的全部心智能量。可見，不同學者對認知負荷的定義都包含“為完成某項工作或活動”和“所需的心智能量”。

1.3 認知負荷理論

最早對認知負荷理論進行研究的是美國心理學家Miller[6]，澳大利亞認知心理學家Sweller以Miller的早期研究為基礎，結合美國心理學家Atkinson和Shiffrin的記憶貯存過程劃分標準記憶儲存劃分為三部分： 感覺記憶、工作記憶和長時記憶。，于1988年首次提出認知負荷理論。

Sweller認為人的認知結構由有限的工作記憶和廣泛的長時記憶等多個記憶庫組成，而認知負荷就是工作記憶負荷，是由學習者完成認知任務所需的工作記憶資源決定的[7]，認知負荷分為內在負荷、外在負荷和密切負荷，總的認知負荷等于三種負荷相加[8]，其內涵和影響因素如表1所示。

內在負荷與學習材料內部各元素的相關性水平和學生的學習經驗相關，元素交互性“交互”的顯著功效在于能增強主體與主體、主體與客體之間的相互協作、相互認知，而交互性是對交互動態性活動的屬性描述。高低與產生的內在認知負荷高低呈正相關;密切負荷在總的認知負荷中起“正向”影響，適當增加學習者的密切負荷可降低總的認知負荷。

認知負荷的影響因素是研究的重點，Yeung[9]認為認知負荷受分裂注意效應和情態效應影響;Kalguya[10]認為認知負荷的影響因素還包括專業水平反轉效應。在總認知負荷中，外在負荷的影響非常大，Sweller通過分析認知負荷影響因素提出了降低學習者的外在負荷策略[11]： 注意力分散效應;樣例效應;形式效應;指導隱退效應;想象效應;目標自由效應;完成問題效應;元素交互效應;變式效應;冗余效應[12]。從學生學習角度出發，前5個效應更適用于解讀教材的組織和呈現方式，具體內涵如表2所示。

Sweller等人20多年的研究使認知負荷理論不斷完善，受到業界絕大專家學者的認同，具有一定權威性。因此，本研究框架以Sweller所提出的理論作為界定標準。

2 基于認知負荷理論的教材分析框架

基于認知負荷理論，以魯科版教材中氧化還原反應為研究對象，選取了氧化還原反應概念、特征、本質以及氧化劑和還原劑等內容進行分析。

2.1 氧化還原反應教材研究現狀

自認知負荷理論提出，就廣泛用于教學指導，早在2005年，賴日生[13]、常欣[14]等人就提出認知負荷理論對于教學設計的指導價值。多數研究者將認知負荷理論用在指導教學設計以降低學習者的外在負荷，應用在教材分析中的研究明顯缺失。

關于氧化還原反應教材分析，胡久華[15]以氧化還原反應為例，從課程標準中的內容標準到不同教材對氧化還原反應知識的呈現逐一分析，總結出實施高中新課程教學設計工作的基本思路;周娜[16]等比較中美高中教材中的氧化還原反應的內容設置，得出美國教材更注重揭示概念的內涵、應用的多方面和化學實驗，并對中國教材編寫和教師教學產生啟發;何春蘭[17]等論述氧化還原反應的知識發展順序、教材編排順序、學生學習順序;王瑞政[18]等對比分析4個版本教材中氧化還原反應的編寫特點。現有研究缺乏從降低學習難度的視角解讀教材，從認知負荷理論的視角出發對氧化還原反應內容開展研究，有助于降低學生學習難度，提高教學效果。

2.2 基于認知負荷理論的教材分析框架

從認知負荷理論視角出發解讀教材，涵蓋內在負荷、外在負荷和密切負荷： 內在負荷涉及學習材料內部的高低交互性;外在負荷主要是學習材料的組織呈現方式，具體包含注意力分散效應、樣例效應、形式效應、指導隱退效應和想象效應，這些效應在教材中的體現有利于降低認知負荷;密切負荷有助于提升學習效率，從而減輕學生的認知負荷，主要包括教材吸引度和模型建構。從以上視角出發，構建的分析框架如圖1所示。

根據圖1所建構的分析框架，可以由內在負荷到外在負荷再到密切負荷解讀教材，從三個不同的視角逐一分析，理解教材編寫會對學生認知負荷產生影響，從而建構基于學生中心的課堂教學活動。

3 魯科版氧化還原反應內容呈現簡述

3.1 內容結構

氧化還原反應內容位于魯科版必修第一冊第2章第3節，共有三大標題： 認識氧化還原反應、氧化劑與還原劑和氧化還原反應的應用。如圖2所示，教材的知識結構按照學習進階順序依次展開，從活動線、知識線和素養線三個角度，依據低階、中階、高階逐漸推進。

3.2 呈現方式

教材中的知識主要有四種呈現方式：

（1） 文本： 描述概念，比如氧化還原反應等概念;解釋說明，比如反應實質等結論。

（2） 活動欄目： 呈現了豐富的活動欄目，比如“聯想質疑”利用物質價態變化等問題銜接新舊知識點，引發思考;“方法引導”呈現學習方式，幫助學生對知識進行結構化處理;“化學與技術”將氧化還原與科學技術相結合，體現社會價值等。

（3） 圖片： 實驗類圖片與文字相結合，由現象概括物質發生的變化，進而分析元素價態變化;生活類圖片彰顯社會價值。

（4） 模型： 建構多種模型，例如從價態角度建構氧化還原反應特征分析及判斷的雙線橋模型，提升學生解決實際問題的能力。

4 基于認知負荷理論的教材編寫特點分析

4.1 教材編寫對內在認知負荷的影響

內在認知負荷與教材各元素相關性水平有關，將不能獨立存在、關聯性高的知識點劃分為高交互性，以此為判斷依據分析《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標”）對氧化還原反應內容[19]的要求可知，從定義到特征再到本質，以及常見的氧化劑和還原劑，知識具有高元素交互性。高交互性知識可通過設計先備知識來降低內在負荷，魯科版在“聯想質疑”欄目呈現了“銅及其化合物的化學變化”，如圖3所示。

在初中階段我們學習過一些關于銅及其化化物的化學變化： 銅在加熱條件下可以與氧氣反應生成氧化銅;氫氣可以把氧化銅還原為銅;金屬鐵能從CuSO4溶液中將銅置換出來;NaOH溶液與CuSO4溶液反應能生成氫氧化銅沉淀。

首先，以文字形式直接引出初中階段學習的銅及其化合物的化學反應，涉及氧化還原反應，增加新舊知識關聯度，有效降低內在負荷;其次，教材提供了氧化還原反應的正例（Cu與O2、 H2與CuO以及Fe與CuSO4反應）和反例（NaOH與CuSO4反應），從概念形成策略來看，有利于學生理解概念。

4.2 教材編寫對外在認知負荷的影響

外在認知負荷受多個效應影響，主要分析注意力分散效應、樣例效應、形式效應、指導隱退效應和想象效應。

4.2.1 注意力分散效應呈現情況

注意力分散效應指氧化還原反應的知識體系內容整合，將不同知識點以整合形式出現的歸納為注意力分散效應在教材呈現上的體現。魯科版通過知識體系整合幫助學生聚焦核心知識，進而降低外在負荷，具體內容詳見圖4、圖5。

如圖4和圖5所示，教材注重對知識的整合，圖4將元素化合價變化、得失電子和發生的反應相結合，從宏觀微觀宏觀，深化學生對氧化還原反應的認知;圖5列舉了2個方程式并利用圖4方法進行解讀，采用兩種不同模型建構方式，將化學事實與理論模型相匹配，運用理論模型解釋物質的性質和變化，利于學生掌握知識框架。

4.2.2 樣例效應呈現情況

樣例效應指用解決的樣例代替問題，在教材中凡是學過或是已給的方程式都屬于樣例效應的體現，將從數量、內容和分布分析樣例效應體現的程度。在氧化還原反應中呈現學生已經解決的方程式，在此基礎上進行模型建構可以降低學生的外在負荷，具體分析如圖6所示。

在氧化還原反應特征中，教材羅列了“Cu與O2、 H2與CuO、 Fe與CuSO4和CuSO4與NaOH反應”4個樣例;在反應實質中，列舉了“Na與Cl2和Fe與CuSO4反應”2個樣例;在氧化劑與還原劑中，利用了“Cu與O2、 H2與CuO和CO與Fe2O3反應”3個樣例，并具體分析“H2與CuO反應”。教材通過樣例呈現氧化還原反應，體現出以下特征：

（1） 樣例數量： 共12個樣例，除去重復的實際樣例數為6，樣例重復率高;

（2） 樣例內容： 教材選取的樣例較為簡單，能滿足學生對認識氧化還原反應、理解反應實質和判斷氧化劑與還原劑等基礎的考查，但是不利于由低階到高階的過渡，比如根據實驗現象能否寫出復雜方程式或結合方程能否進行相關計算。

（3） 樣例分布： 存在不均現象。反應特征內容簡單，學生只需通過是否有價態變化就可以判斷反應是否為氧化還原反應，但教材這部分包括的樣例數最多;反應實質需要轉變為微觀角度進行分析，學生理解難度加大，但樣例數目偏少;氧化劑和還原劑的判斷需更加具體，且應用廣泛，教材中的樣例數也偏少。

4.2.3 指導隱退效應呈現情況

隨著學生對氧化還原反應特征、實質等的掌握，知識應用能力逐漸增強，教材設計課堂教學評價應該逐漸加大知識遷移的力度。指導隱退效應在教材中呈現清晰，且具有一定梯度，理論知識指導逐漸隱退，學生解決問題的能力不斷提高，有效降低外在負荷。

以化合價判斷為例，教材指導隱退效應的體現如圖7所示。

從給出具體方程和判斷到給出方程式自行找出價態變化元素，最后讓學生獨立完成方程式和判斷價態變化，教材的指導逐漸隱退，學生遷移運用能力增強。

4.2.4 形式效應呈現情況

知識點的呈現方式多樣，文字、圖片、思維模型、欄目和實驗等是形式效應在教材中的體現。教材采用思維模型和文字描述等多形式呈現氧化還原反應特征、實質以及氧化劑和還原劑等內容，能夠降低學生外在負荷，詳見表3。

用思維模型和文字描述呈現反應特征，借助這兩種方式描述概念，直觀具體;而反應實質和氧化劑與還原劑的呈現還包含“方法導引”和“交流研討”活動欄目，使文字描述多樣化，實驗探究和實驗圖增加學生參與度，更能降低學生學習難度。

4.2.5 想象效應呈現情況

想象效應可以采取文字、圖片和實驗等不同方法激發學生想象力，但教材呈現越具體，對想象力的激發程度越深，因此實驗的效果強于圖片更強于文字。想象力能促進理解氧化還原反應實質等高交互性知識，因此教材涉及與電子轉移有關的實驗來激發學生想象力，有利于學生的理解，降低外在負荷，具體如圖8所示。

在圖8中，教材構建“Fe與CuSO4反應”原電池，將看不到的電子轉移可視化，學生分析電流表指針的偏轉原因，從微觀角度解讀氧化還原反應，得出反應實質是電子的轉移。教材并非直述知識點，而是利用了學生的想象效應，能夠有效降低認知負荷。

4.3 教材編寫對密切負荷的影響

圖片、知識圖式建構與密切負荷息息相關，提高學生的密切負荷更益于降低總認知負荷，教材氧化還原反應體現的密切負荷分析如表4所示。

教材利用實驗現象圖呈現“銅及其化合物的反應”，利于學生新知識的學習;利用“Fe與CuSO4”組合的原電池反應現象圖，幫助理解反應實質;利用“酸性KMnO4和KI反應”實驗現象來判斷氧化劑與還原劑;呈現吸引興趣的STSE類圖片，將氧化還原反應與生產生活相結合，提升學生科學態度與社會責任素養;呈現能幫助學生構建氧化還原反應知識的認知模型，有助于培養證據推理與模型認知素養，同時提高密切負荷，有效降低學習難度。

5 結論與建議

5.1 結論

用圖1所示的教材分析框架分析魯科版教材中氧化還原反應知識，能夠在一定程度上得出教材編寫特點對于學生認知負荷的影響。

（1） 降低內在認知負荷。氧化還原反應知識點具有高交互性，教材在編寫時呈現先備知識，降低了知識的元素交互性，利于后續的學習。

（2） 降低外在認知負荷，教材內容的組織和呈現方式影響較大。分析教材時注意力分散效應、樣例效應、形式效應、指導隱退效應、想象效應尤為重要。氧化還原反應知識點整合性強，注意力分散效應在教材中有涉及，減少學生進一步整合所需要的心智能量;樣例效應雖有涉及，但重復樣例過多，分布不均且難度較低，教師教學時可以補充新的、具有進階難度的樣例讓學生更好地掌握知識點，進一步擴展思維;形式效應通過思維建構、文字描述、圖片和欄目等呈現;指導隱退效應的呈現具體，知識的遷移環環相扣且力度逐漸增加;想象效應體現在標題“氧化還原反應的實質”中的“交流研討”活動欄目，呈現了由Fe與CuSO4組成的原電池實驗現象圖，教師要將其歸納為想象效應的呈現，讓學生發揮想象，建構出反應實質是電子轉移。

（3） 增加密切認知負荷。教材借助圖片和模型輔助教學，使學生更好理解知識點，但實驗圖居多，生活類圖片過少，教師可以補充更多關于氧化還原反應的生活類圖片，比如蘋果腐敗、植物的光合作用和燃料的燃燒等，更貼近生活實際并利于教學的展開。

5.2 建議

教材是指導教和學的重要工具，如何正確分析使用教材成為了教師開展教學的重要環節，結合認知負荷理論，教師在分析和使用教材進行教學時，應該重視“兩降一增”，降低學生的總認知負荷，提升學習效率。

5.2.1 整合教學資源

以認知負荷理論出發，通過分析發現魯科版在氧化還原反應章節的組織與編寫上能夠降低學生的總認知負荷。對使用不同版本教材教學的教師而言，“兩降一增”也是切實可行的： 目前高中化學教科書有不同版本，教師可以利用圖1框架分析不同版本教材，發現不同教材編寫中的亮點，結合學情整合教學資源。這樣不僅豐富了教學內容，降低認知負荷且利于培養學生的學科核心素養。

5.2.2 利用先備知識，降低內在負荷

判斷知識點之間的元素交互性強弱，對于高交互性知識，教師應該合理利用教材呈現的先備知識來降低學習難度，從而使內在負荷降低。例如蘇教版用“溫故知新： 設計制備氯化鐵的實驗方案，寫出可能的反應路徑和有關反應的化學方程式”[20]活動引出鐵章節知識點，雖然提供了先備知識，但呈現方式單一，實驗設計難度較大，不能有效喚起學生的回憶，不能降低內在負荷。在實際教學中，教師可以展示相關實驗類圖片，給學生提供設計思路，從而降低學習難度，起到降低內在負荷的目的。

5.2.3 運用影響效應，降低外在負荷

分析注意力分散效應、樣例效應、形式效應、指導隱退效應和想象效應在教材中的應用情況，如果有效應用，學生的外在負荷會有所下降，反之需要教師補充一些活動來彌補教材編寫的不足，以便降低學習難度。

例如解讀人教版氧化還原反應的指導隱退效應發現，人教版只設計了兩個知識遷移活動，其一在新課導入的“思考與討論”欄目引導學生分析反應前后元素價態變化;其二在本節末尾創設汽車尾氣情境題考查整體。兩個環節跨度太大，指導隱退效應體現不明顯，教師可以在兩個遷移活動之間結合知識點進階順序設計新的活動，比如呈現幾個具有進階難度的方程式考查對氧化劑和還原劑的辨別，從指導演練過渡到獨立分析，有利于學生掌握從新的視角研究物質的方法。

5.2.4 加強知識模型建構，增加密切負荷

教材應加強知識的模型建構增加吸引性，增加密切負荷，提升學生的學習興趣;否則教師應對教材內容進行模型建構和圖片補充，使學習難度減小，總的認知負荷降低。

如圖9所示，魯科版構建了硫及其化合物的“價類”二維圖模型，將硫的不同化合價和物質類別以二維圖方式呈現，學生通過此圖能夠從不同角度對硫及其化合物進行分類，并更好掌握它們之間的轉化路徑，有效增加密切負荷，不僅如此，學生在學習其他元素時可以自行建構“價類”二維圖，實現知識的遷移運用。

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