基于認知負荷理論的“食品原料學”系列微課設計
——以“鮮肉的顏色”為例

陳美花，林學藝，藍尉冰

（1. 北部灣大學食品工程學院，廣西欽州 535011；2. 北部灣大學國際教育與外國語學院，廣西欽州 535011）

微課短小精悍，是在線教學和混合式教學不可缺少的資源，在現代教育教學改革中扮演著重要角色。國內外混合式教學（Blended Learning） 經過近30 年的發展，不論是研究者、教學實踐者，還是政府和教育機構，已基本達成了共識：混合式教學正在成為未來教育的“新常態”[1]。為了順應這一新常態，有必要設計開發微課，提高混合式教學的效果。

然而，現有的相關微課大多數是基于教師的直覺制作的，往往是教材的簡單搬家，較少應用相關理論從學習科學的視角進行設計，這樣的微課學生往往不能堅持看完，有效學習通常很難發生[2]。因此，迫切需要加強相關理論在微課設計上的應用研究，使微課真正促進有效學習的發生。

1 認知負荷理論及其發展簡介

認知負荷理論（Cognitive Load Theory，CLT） 由教育心理學家John Sweller 于20 世紀80 年代首先提出，現已成為學習與教學領域最有影響力的理論框架之一[3]。它以信息處理模型為基本參考依據，主張人類的記憶系統包括感官記憶、工作記憶和長時記憶3 種模式，3 種模式結合以處理各種信息[4-5]。工作記憶對新信息的保存時間1~2 min，故又稱為短時記憶；外界信息在工作記憶中才能被認識和加工；但工作記憶的容量有限，只能存儲7±2 條信息或信息組塊或同時加工2~3 條信息組塊[3]。新信息經過加工后以圖式的形式存儲于長時記憶中，長時記憶的容量無限，且儲存的信息永遠不會遺忘；長時記憶中內容的變化是學習發生的標志[3]。

認知負荷理論認為學習者在學習過程中的認知負荷有內在認知負荷、外在認知負荷和相關認知負荷3 種類型，內在認知負荷是由知識內容本身帶來的，外在認知負荷是不當的信息組織方式和呈現方式帶來的，相關認知負荷是指與促進圖式構建和自動化相關的負荷[3]；只有將認知負荷控制在工作記憶所能承載的范圍內，有效學習才能發生[6]。內在和外在認知負荷會阻礙學習，而相關認知負荷則會促進學習[2]。

諸多研究人員對認知負荷理論進行了豐富和拓展，2016 年Plass F 等人提出了多媒體學習認知-情感整合理論（Integrated Cognitive-Affective Theory of Learning with Media，ICATLM），認為學習時認知過程和情感過程是相互伴隨且不可分割的，學習時感知到的情緒可以形成情緒圖式并存在長時記憶里，激發情緒能提高內在動機和促進學習[7]。

“食品原料學”是食品加工、貯藏和質量控制的基礎，是食品類專業的基礎課，地位重要。肉類受到絕大多數消費者的青睞。肉的顏色是肉的生理、生化和微生物學變化的外部表現，雖然肉的顏色本身對肉的營養價值和風味并無多大影響，但卻是評價肉品質量的一個重要指標，是消費者用以判斷鮮肉貨架期和可接受性的最常用標準，也是決定消費者購買欲的最主要的外觀因素。因此，學習“肉的顏色”這一內容具有重要意義，是“食品原料學”課程的教學重點。但現有的微課無法促進有效學習的發生。

根據認知負荷理論，“肉的顏色”這一內容的教學效果之所以差，一是由于相關知識點之間關系錯綜復雜，內在認知負荷水平高；二是由于相關知識點的組織方式和呈現方式不當，增加了外在認知負荷；三是由于缺乏促進圖式構建和自動化的相關認知負荷；四是由于忽略了情緒因素對認知加工的影響。因此，系列化微課在設計開發時需要四管齊下，在降低內在與外在認知負荷、增加相關認知負荷、激發學生情緒上下功夫。

2 基于認知負荷理論的系列微課設計

2.1 降低內在認知負荷

模塊學習是指將知識內容作為一個整體（即模塊） 來學習；模塊化學習是指將知識內容分解為幾個模塊分別進行學習，然后再將這些模塊整合在一起進行學習；認知負荷理論認為模塊化學習能降低內在認知負荷，有效促進復雜性整體知識的學習[8]，其學習效果比模塊學習的效果好。上述情形稱為模塊與模塊化效應。

肉的顏色的相關知識點之間關系錯綜復雜，屬于復雜性知識，傳統教學設計下，學生進行的是模塊學習，內在認知負荷太高，學習效果差。根據模塊與模塊化效應，在設計鮮肉的顏色系列微課時，首先在深入研究國際經典教材（Lawrie's Meat Science(Eighth Edition)， Chapter 11-The Eating Quality of Meat：I-Color）、學術前沿、科技動態及行業進展的基礎上，對教學內容進行了補充、更新和重構，并把教材中“肉的顏色”這一主題改成了“鮮肉的顏色：現象 本質 控制”。

“鮮肉的顏色”教學內容的重構見圖1。

圖1 “鮮肉的顏色”教學內容的重構

由圖1 可知，重構使教材中羅列式的、碎片化的、高交互的內容聚焦“如何控制肉的顏色”這一核心問題，將肉色的現象、本質和控制三者之間關聯起來，由3 節（即3 個模塊） 組成，層層遞進。在這樣的教學設計下，學生進行的是模塊化的學習，大大降低了內在認知負荷。

2.2 降低外在認知負荷

2.2.1 情境創設

在微課的諸多環節，尤其是導入環節，注重通過精選圖片、巧設問題來創設情境，使教學從具體到抽象，降低學生的外在認知負荷，具有易懂性。

在“鮮肉的顏色：現象本質控制”系列微課之一的“肌紅蛋白（Mb） 的濃度、結構與氧化還原形式”的導入環節，以圖2 所示的圖片、文字結合“擺在你面前的是3 種不同顏色的肉，你愿意買哪種顏色的？”這一問題創設了情境。

圖2 “鮮肉的顏色：現象本質控制”系列微課之一導入畫面

“鮮肉的顏色：現象 本質 控制”系列微課之一導入畫面見圖2。

在“鮮肉的顏色：現象本質控制”系列微課之二的“影響肌紅蛋白（Mb） 氧化還原穩定性的內因”的導入環節，展示了一張改編自英文文獻的圖片，這張圖在系列微課之一中展示過，那時學習的側重點是Mb 的氧化還原形式與肉色的表層關系，系列微課之二關注的是表層關系背后的深層原因，這與系列微課之二的重難點密切相關；展示圖片的同時，提出“通過上一節的學習，我們知道了鮮切肉塊垂直切面在貯藏期間的顏色及Mb 形式的變化動態，但其背后的原因是什么呢？”這一問題，創設情境，承上啟下，將系列微課之一和之二聯系起來，讓學生更加明晰知識體系之間的關系。

“鮮肉的顏色：現象 本質 控制”系列微課之二導入畫面見圖3。

圖3 “鮮肉的顏色：現象本質控制”系列微課之二導入畫面

在“鮮肉的顏色：現象 本質 控制”系列微課之三的“影響肌紅蛋白（Mb） 氧化還原穩定性的外因”的導入環節，以“有一位新開業的生鮮肉品超市負責人最近十分苦惱，所售生鮮肉顏色經常偏離消費者喜歡的鮮紅色，銷售業績岌岌可危，怎樣才能扭轉這一局面呢？”這一問題，配合精選的圖片，創設了情境。

“鮮肉的顏色：現象 本質 控制”系列微課之三導入畫面見圖4。

圖4 “鮮肉的顏色：現象本質控制”系列微課之三導入畫面

2.2.2 多媒體設計

Mayer 等人在認知負荷理論和雙重編碼理論的基礎上提出了多媒體學習認知理論[3]，基于該理論，Mayer 提出了多條多媒體教學設計原則[9]。

在設計鮮肉的顏色系列微課的多媒體時，避免大段文字，提煉關鍵詞，精選關系圖和相關圖片，遵循聚焦要義、提示結構、空間臨近、時間臨近、多種媒體、雙重通道等原則，降低外在認知負荷。

“鮮肉的顏色：現象 本質 控制”系列微課多媒體的設計見圖5。

圖5 “鮮肉的顏色：現象本質控制”系列微課多媒體的設計

2.3 增加相關認知負荷

2.3.1 信息打包

為了增加相關認知負荷，提高教學的有效性，在“鮮肉的顏色：現象 本質 控制”系列微課的設計開發中，適時采用圖表打包信息（學習內容），使信息化零為整。

“鮮肉的顏色：現象 本質 控制”系列微課采用的部分圖形見圖6。

圖6 “鮮肉的顏色：現象本質控制”系列微課采用的部分圖形

此外，還適時采用順口溜等方式打包信息，使信息化零為整。如“鮮肉的顏色：現象 本質 控制”系列微課之三“影響肌紅蛋白（Mb） 氧化還原穩定性的外因”在介紹第5 個外因“包裝環境中的氣體”時，為了幫助學生應用這一知識點選擇合適的包裝方式控制肉的顏色，編了幾句順口溜“短期要紅選富O2，不怕紫時可真空，長期要紅選新型，CO 有風險，禁止使用有道理”，這幾句順口溜將常見包裝方式對于肉色保持的優缺點及其原因進行了高度概括，易于記憶。

2.3.2 知識可視化

在“鮮肉的顏色：現象本質控制”系列微課的設計開發中，特別注重知識的可視化，尤其是知識之間關系的可視化，引導學生注意關鍵和實質的信息。

“鮮肉的顏色：現象 本質 控制”系列微課采用的部分知識可視化見圖7。

圖7 “鮮肉的顏色：現象本質控制”系列微課采用的部分知識可視化

2.3.3 樣例學習設計

樣例學習是指從具有詳細解答步驟的樣例中歸納出隱含的抽象知識（解決問題的策略、方法） 來解決問題[10]。對于交互性強的復雜知識而言，樣例學習化抽象為具體，能有效促進圖式建構和自動化，通過增加相關認知負荷來減輕總的認知負荷，達到比直接通過解決問題來學習更好的學習效果。

“鮮肉的顏色：現象 本質 控制”系列微課包含的3 節微課，每節微課都是一個大的樣例，每個大的樣例中又嵌套小的樣例，從肉的顏色現象出發，將肉的顏色現象與本質之間聯系起來，詳細地介紹了從3 個層面上如何控制肉的顏色，學生通過樣例的學習，能歸納出解決“如何控制肉色”這個問題的步驟，即步驟1 了解肉色的動態變化現象，步驟2弄清現象背后的本質，步驟3 找出控制肉色的思路，步驟4 針對肉色的實際問題，設計解決方案。解決這個問題的步驟非常具有代表性，可遷移應用于其他原料學問題的解決。

如對系列微課之一中的“肌紅蛋白的結構”之珠蛋白這一知識點的設計，首先借助圖片展示熟肉的顏色不同于生肉這一現象，然后介紹這一現象背后的本質——珠蛋白的變性，再引導學生由珠蛋白與肉色之間的關系提出控制肉色的思路。

2.3.4 學生想象設計

與認知負荷有關的“想象”有2 種情形，一是對學習過的樣例內容（包括問題、解題步驟和答案）進行想象，即對樣例內容的回憶和再現；二是對當前所面臨的新問題（尤其是近遷移問題） 的解題方案或解題步驟進行想象，即回憶出或再現出樣例中的解題方案或步驟，并運用到新問題的解決上[8]。“想象”可以通過增加相關認知負荷促進學習[8]。

以上2 種“想象”的情形在“鮮肉的顏色：現象本質控制”系列微課的設計開發中均有涉及。構成系列微課的每一個微課均在“新知小結”環節要求學生暫停視頻，對照學習目標，對微課內容進行總結回顧，手繪思維導圖，給學生創設第一種情形的“想象”空間；在“新知展開”環節適時提出諸如“由珠蛋白與肉色之間的關系，你能提出控制肉色的思路嗎”的問題，引導學生展開第二種情形的“想象”。

2.4 激發積極情緒

在“鮮肉的顏色：現象本質控制”系列微課的設計開發中，除了注意語速、語氣、語調等的控制外，特別注重從與學生有關聯的事物出發，通過科學設計問題來設置懸念、制造認知沖突等手段激發學生的積極情緒，下面舉幾個例子加以說明。

2.4.1 懸念設計

在“鮮肉的顏色：現象本質控制”系列微課的第1 個微課中，以圖片結合“雞肉、豬肉、牛肉的顏色為什么不一樣”“熟肉的顏色為什么不同于生肉”等問題設置懸念，激活學生的舊知與已有經驗，激發學生學習的興趣，并做好學習的心理準備，快速進入學習狀態。

2.4.2 認知沖突設計

在“鮮肉的顏色：現象本質控制”系列微課的第2 個微課中，根據影響肌紅蛋白氧化還原穩定性的內因1 和內因3 與肉色的關系，分別介紹了肉色的控制思路1（抑制線粒體的活性） 和思路3（提高線粒體的活性），這時，教師通過語言“講到這，細心的你一定發現了控制肉色的思路1 和思路3 存在矛盾”引導學生注意到這個認知沖突，產生強烈的好奇感；教師再通過問題“那這2 條思路之間有沒有共同點呢？”引導學生思考并找到2 條思路的共同點：2 條思路本質上都降低了高鐵肌紅蛋白的含量，進而控制了肉色的惡化。不同的是，思路1 是通過抑制線粒體的活性從而減少高鐵肌紅蛋白的產生，思路3 是通過將已產生的高鐵肌紅蛋白還原從而減少高鐵肌紅蛋白的含量。不僅如此，還設問“這該如何是好？回避矛盾嗎？”，進一步引導學生思考應該如何對待矛盾。

“鮮肉的顏色：現象 本質 控制”系列微課的第3 個微課在介紹影響肌紅蛋白氧化還原穩定性的第2 個外因抗氧化劑時，提到維E 和維C 均有良好的抗氧化效果，在飼料中添加、宰前注射均有效，此時配合畫面（見圖8） 提問學生“使用抗氧化劑能否助這位負責人一臂之力呢？”，然后說“答案是肯定的！”“你可能會說不行不行！一個賣肉的超市，還能管得著飼料和屠宰嗎？”，這時學生心中的認知沖突就產生了。因為在學生的已有經驗中，銷售和飼料生產、動物養殖、屠宰等環節是脫節的，銷售過程已經錯過了使用抗氧化劑有效控制肉色的時機。在認知沖突的基礎上，介紹農業全產業鏈的國家政策、全產業鏈理念及做法，學生自然就理解了新知。

圖8 抗氧化劑知識點認知沖突的有關畫面

抗氧化劑知識點認知沖突的有關畫面見圖8。

“鮮肉的顏色：現象 本質 控制”系列微課的第3 個微課在介紹影響肌紅蛋白氧化還原穩定性的第5 個外因包裝環境中的氣體時，配合畫面（見圖9）介紹了最近研發出的一種新型的真空包裝方式——亞硝酸鹽包埋包裝，這種包裝方式不僅具有傳統真空包裝的優點，還可使肉呈現消費者喜愛的鮮紅色，其呈色機理是：亞硝酸鈉被包埋在真空包裝膜的密封層，與肉品表面接觸時，亞硝酸鹽轉化為一氧化氮氣體，并與肉中的肌紅蛋白結合生成亞硝基肌紅蛋白，使肉呈鮮紅色。隨后提問學生“眾所周知，亞硝酸鈉具有毒性，為什么這種新型的真空包裝還能申請到專利呢？”，這時認知沖突就建立了。隨后引導學生從毒性與劑量的關系上思考這一問題，并進一步強化創新意識，引導創新思維。

圖9 包裝環境中的氣體認知沖突的有關畫面

包裝環境中的氣體認知沖突的有關畫面見圖9。

制造的認知沖突能激發學生的積極情緒，使學生的學習興趣濃、動機足，不但能達成知識目標，引導高階思維訓練，也能在不知不覺中達成課程思政目標，如前面所舉的3 個認知沖突的例子就分別涉及到了“矛盾辯證看”“全產業鏈理念”和“創新意識”。

3 系列微課應用效果

基于認知負荷理論，設計開發的“鮮肉的顏色：現象本質控制”系列微課教學。

系列微課之一教學過程設計示意圖見圖10，系列微課之二教學過程設計示意圖見圖11，系列微課之三教學過程設計示意圖見圖12。

圖10 系列微課之一教學過程設計示意圖

圖11 系列微課之二教學過程設計示意圖

圖12 系列微課之三教學過程設計示意圖

針對肉的顏色這一教學內容，隨機選擇食品科學與工程專業學習能力相當的2 個平行班，每個平行班36 人，其中平行班（1） 學習基于傳統教學設計的微課后完成滿分為100 分的測試題，答題的平均分僅為75.56 分；平行班（2） 學習基于認知負荷理論設計的系列微課后完成同一套測試題，答題的平均分為91.65 分，比平行班（1） 高了約16 分。由此可見，基于認知負荷理論設計的系列微課確實促進了有效學習的發生。

通過網上匿名問卷調查學生對基于認知負荷理論設計的系列微課的看法，學生的意見整理如下。

（1） 滿腦子都是肉的顏色。

（2） 很吸引人、很有趣。

（3） 每當打開微課，我都不由自主地、認認真真地邊聽邊做起筆記來。

（4） 微課讓我充分、直觀地了解每一個術語、每一個現象，讓我感覺好像教師就在教室里與我面對面地在交流……

（5） 很好地了解了學的知識怎樣運用到實際中。

（6） 很善于舉例。

（7） 肉的顏色背后居然有那么大的學問，但是那么多知識點，一點都沒有零散的感覺，幾個樣例就妥妥地厘清了。

學生的反饋表明基于認知負荷理論設計的系列微課是成功的，學生觀看學習時的體驗很好。基于認知負荷理論設計的系列微課獲得了第二十屆廣西高校教育教學信息化大賽的二等獎，這表明該設計也得到了專家、同行們的認可。

4 結語

混合式教學設計是成功開展混合式教學的關鍵，而系列微課是混合式教學設計的重要內容，基于認知負荷理論的系列微課設計實際上是將設計視角由教學設計轉變成了學習設計，設計理念由知識傳遞的設計轉變成了“價值塑造、能力培養、知識傳授”三位一體的設計，體現了“學生中心”的教育教學理念，能達成“促進有效學習，促進高效學習”這一根本目標。

以鮮肉的顏色系列微課為例，從降低內在認知負荷、降低外在認知負荷、增加相關認知負荷和激發積極情緒4 個方面介紹了認知負荷理論在系列微課設計上的應用，這些應用方法可操作性強，適用范圍廣，可廣泛應用于各類課程系列微課的設計上，尤其適用于信息元素間交互性強的復雜性整體知識的系列微課設計。