認知負荷理論在高校材料專業實驗課程教學中的應用

＊譚連江

（上海應用技術大學材料科學與工程學院 上海 201418）

材料科學與工程是很多綜合性高校和工科類高校都會開設的專業，專門培養掌握金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料、復合材料等領域的專業知識，既具備扎實的理論基礎，又擁有較強的工程實踐和創新能力，能在材料制備、成型、加工等領域從事科學研究、技術開發、工藝和設備設計、生產及經營管理等方面工作的工程技術人才。

實驗教學在材料科學與工程專業的教學中處于重要的地位，在課程體系中是不可或缺的一環。通過材料合成與制備、材料成型工藝與設備、材料性能與表征等一系列實驗的教學，能夠使學生了解常見材料的制備方法和加工工藝，掌握影響材料物理化學性能的因素和原理。近年來隨著新工科、卓越工程師培養的提出，眾多高校越來越重視實驗實踐方面的教學，重視提高大學生的工程實踐能力和核心素養。

目前，高校的實驗實踐教學體系還存在著一些問題，比如相關資源的利用不夠充分合理；實驗教學內容陳舊落后，與科學研究脫節；教學形式單一，缺乏創新，難以充分調動學生的學習積極性，激發學生探索科學的興趣和欲望。鑒于此，作者提出利用認知負荷理論來指導實驗教學的改進和提升，通過優化教學形式、鼓勵自主探究、創造實驗情境等方式來調整學生的認知負荷，達到提高實驗課程教學質量的目的。

1.認知負荷理論的應用

認知負荷指的是學習者在學習知識或解決問題的時候對信息進行加工處理所需要耗費的認知資源[1-2]。認知負荷理論認為，人類的工作記憶是有限的，而長時記憶容量卻是幾乎無限的。在學習和解決問題的過程中，當所需的認知資源總量超過工作記憶資源總量時，就會導致認知超載，使學習或解決問題的效率變得低下。認知負荷理論的運用能夠降低認知超載出現的可能性，具有重要的實踐指導意義，其在教育領域中的應用越來越多，正在逐漸成為重要的教育理論之一。

認知負荷可以分為三種，即內在認知負荷、外在認知負荷以及相關認知負荷[3]。內在認知負荷同時受到學習者已有知識和學習材料的影響；外在認知負荷主要由學習方法和教學方式決定；相關認知負荷是學習材料的組織和呈現方式引起的促進學習的認知負荷[4]。

（1）優化教學形式以降低外在認知負荷。外在認知負荷與學習材料的組織形式和呈現方式密切相關[5]，在材料專業實驗教學中主要體現在實驗儀器的配置、實驗環境的布置以及教學內容的具體呈現形式。以認知負荷理論為依據，教師在材料實驗教學中應合理利用現有的實驗室資源，在實驗硬件的布局和網絡、多媒體手段的選用上有效降低外在認知負荷。

①合理選用實驗儀器

實驗儀器是材料實驗教學的載體和平臺，是決定實驗教學質量的關鍵因素之一。合理選擇實驗儀器，可以使教師在進行演示實驗的時候獲得更直觀清晰的結果，能夠讓學生在自己動手做實驗的時候更加順暢和高效，從而有效降低認知負荷，提高教學質量。在選擇教學實驗儀器的時候，需要注意以下兩點。

第一，緊扣基本原理。材料專業實驗教學的目標除了培養學生的動手能力和工程實踐能力以外，還要讓學生在動手做實驗的過程中進一步加深對材料科學原理的理解，把相關的專業知識掌握得更加牢固。教學過程中，教師以教學目標為導向，在選擇實驗儀器的時候需充分考慮該儀器的使用能否幫助學生更好地理解實驗原理，把實驗現象與實驗原理關聯起來。例如，高分子材料綜合實驗課程中的“聚合物玻璃化轉變溫度的測定”實驗，選用差示掃描量熱儀，在合適的升溫或降溫速率下對目標材料試樣進行測試，學生在測試過程中通過觀察儀器實時顯示的結果來監測聚合物的玻璃化轉變。由于聚合物在玻璃態和高彈態具有不同的恒壓熱容，當以恒定升溫速率對樣品進行加熱時，差示掃描量熱儀記錄樣品的熱容隨溫度的變化曲線，在曲線轉折處的溫度就是玻璃化轉變溫度。使用高精度的差示掃描量熱儀測試聚合物樣品，學生能夠直觀地觀察到樣品的玻璃化轉變，并且能夠直接將玻璃化轉變與材料熱容的變化聯系在一起，既鞏固了對相關實驗原理的掌握，又加深了對實驗現象的理解。

第二，緊跟科學前沿。在條件允許的情況下，盡量選用較為先進的實驗儀器開展材料專業實驗課程的教學。先進的儀器設備性能更為強大，具有更高的靈敏度和精密度，且往往整合了數據處理軟件，無論在實驗樣品的測試還是實驗數據的分析處理方面都具有明顯的優勢。依托先進的實驗儀器，可以開展一些材料科學前沿的、比較復雜的實驗教學，讓學生有機會接觸本學科領域的最新研究進展，激發他們的學習興趣和科研熱情，有效降低外在認知負荷。例如，熱點材料石墨烯的改性和應用方面有一些實驗在擁有較先進儀器的情況下可以讓學生在實驗課上自己動手嘗試。能夠直接接觸處于研究前沿的熱點材料，對激勵學生的科學探索精神是非常有效的。

②靈活運用教學工具

多媒體教學早已成為高校教師課程教學的主要手段。對于材料實驗教學來說，實驗過程視頻演示、實驗原理動圖展示等對提升實驗教學效果起到了積極的作用。近年來，虛擬仿真技術的發展為材料實驗教學注入了新的動力[6]。虛擬仿真實驗教學依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，學生在虛擬環境中開展實驗。虛擬仿真實驗教學可實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能。在涉及不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗實驗，大型或綜合訓練等情況時，虛擬仿真技術可以提供可靠、安全和經濟的實驗項目。例如，金剛石的晶體生長過程是在高溫高壓狀態的極端條件下進行的，學生無法通過真實的實驗直觀地觀察晶體的生長過程，因此難以僅僅通過合成的晶體來想象和判斷其中的動態變化過程。通過虛擬仿真實驗，設定合適的工藝參數，將實際實驗中難以展現過程變成可以在短時間和三維空間中實現的虛擬實驗，極大地降低了學生的外在認知負荷，加深對金剛石單晶成核與生長規律的了解。

對于常規的實驗教學，虛擬仿真實驗既可以作為實驗預習模式下的優質素材，學生可以在系統的引導下學習基本的實驗流程；也可以作為課后復習的有力工具，實際實驗操作中沒有涉及到的環節可以通過虛擬仿真實驗來實現。例如，富勒烯與丙氨酸反應合成富勒烯吡咯烷衍生物的實驗，所需的熱反應條件比較苛刻，反應后處理操作復雜，流程長。學生在上課之前可以在虛擬仿真系統里預先學習該實驗的基本原理和主要步驟，對實驗的流程有一個初步的了解。對于這種內容復雜、耗時長的實驗，往往無法做到每個學生都能動手操作。在課后，學生可以進入虛擬仿真系統，復習實驗內容，對課堂上沒有動手操作的內容進行重點復習，進一步掌握實驗細節。

（2）鼓勵自主探究以減少外在認知負荷。內在認知負荷是由所學課程內容本身的復雜程度和難度決定的，具有固有性[7]。材料科學與工程作為一門交叉學科，需要物理、化學甚至生物學的知識儲備，需要一定的數學基礎，以及較強的邏輯思維能力。因此，學生在學習過程中會有較高的內在認知負荷。教師在設計教案時，要考慮適當降低學生的學習難度。在講授材料學實驗課程時，如果只是一味地照搬實驗教材的內容，缺乏合理的取舍，學生就需要更多的信息加工資源，內在認知負荷就會增加，學習難度提高。如果講授的實驗本身難度就比較大，學習困難就無法避免了。

材料學實驗涉及到的原理越多、越復雜，信息加工資源的消耗就越大。在實驗教學過程中，鼓勵學生在對實驗有了初步了解的基礎上自主探索實驗方案，選擇適合自己的方式來開展實驗，從而減少學生的內在認知負荷。例如，納米二氧化鈦粉體的制備實驗，制備方法包括液相沉淀法、溶膠-凝膠法、醇鹽水解法等，不同的方法有其特定的機理和實驗條件。教師可以讓學生根據自己的知識儲備情況和興趣點來選擇二氧化鈦粉體的制備方法，選擇同種制備方法的學生可以分小組討論，以教材為基礎共同制定具體的實驗方案。如此不但可以做到因材施教，提高實驗操作的成功率，還可以使學生通過自主設計實驗方案降低實驗難度，減少內在認知負荷。

（3）創造實驗情境以增加關聯認知負荷。關聯認知負荷是指在處理信息以及導圖結構中產生的認知負荷[8]，反映了組織不同類別的信息及其關系的思維模式，對學習具有促進作用。在材料實驗教學中，教師能否激發學生的學習欲望，是促進學生更好地掌握教學內容，達成課程目標的關鍵。教師要注意加強知識點之間的聯系，可借助思維導圖幫助學生將零散的知識邏輯性地關聯起來，增加關聯認知負荷[9-10]，使學生對所學知識的掌握更加牢固。

例如“陶瓷成型與燒結”實驗的教學，制備陶瓷材料的典型工藝流程包括配方計算、稱量、混料、篩分、造粒、成型、排塑、燒結、加工、性能測試等。如果在學生進行實驗操作之前，教師只是機械地講授實驗流程，學生可能會缺乏代入感，無法深刻體會實驗流程各個環節之間的內在聯系和邏輯相關性。教師可以幫助學生創建陶瓷材料制備工藝流程的關聯圖式，并且列舉典型實例，給出示例性的材料配方、參數和實驗情境，引導學生變被動為主動，探索實驗中相關的知識和原理，增加關聯認知負荷。在其后的實驗操作階段，學生就能夠更高效地完成任務，獲得更好的學習效果。又例如，“玻璃的熔制和析晶”實驗，其原理是根據玻璃制品的性能要求，設計玻璃的化學組成，并以此為主要依據進行配料，制備好的配合料在高溫下加熱，發生一系列物理、化學變化，使各種原料的混合物變成復雜的熔融物，然后均勻降溫形成玻璃。在講授該實驗時，教師可以以某種生活中常見的玻璃為研究對象，創建實驗情境，引導學生利用在無機非金屬材料相關課程中學到的知識，探索該種玻璃的配方設計和成型過程，包括硅酸鹽形成、玻璃形成、澄清、均化和冷卻等，將這些步驟用流程圖表達出來，使學生加深對玻璃生產配方和工藝的了解。玻璃是一種過冷液體，它具有熔體遠程無序的結構特征。從熱力學觀點看，玻璃態物質的內能高于晶態物質，因而它的結構是亞穩相；但從動力學觀點看，熔體冷卻過程中黏度增加很快，致使質點擴散達不到形成晶格的速度而形成無定形結構。學生在探索和學習玻璃的成型過程時，教師應指導其充分結合玻璃形成的微觀原理，將重要知識點滲透進流程圖中，增加關聯認知負荷，在掌握該實驗操作的同時鞏固已學的知識。

2.總結

作為一門工科專業，材料學的課程體系中實驗教學占有非常重要的地位。認知負荷理論可以指導材料專業實驗教學，為提升教學效果和質量指明方向和途徑。基于認知負荷理論，教師可以通過合理選用實驗儀器、靈活運用教學工具等途徑優化教學形式，降低外在認知負荷；通過鼓勵學生自主探究來減少外在認知負荷；通過創造實驗情境來增加關聯認知負荷。高校材料類專業的教師應在實驗課程的教學中充分運用認知負荷理論，根據學生的認知特點來整合教學資源和實驗條件，讓學生能夠以較少的認知消耗來獲得更好的學習效果。