認知負荷理論在高中生物學概念教學中的應用

黃惠妮 李镕靈 黃秋燕

【摘 要】本文簡介認知負荷理論，論述生物學概念學習中的認知負荷，提出教學中優化學生認知負荷的策略，以提高課堂教學效率。

【關鍵詞】生物學概念 認知負荷 教學策略

【中圖分類號】G? 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2019）01B-0148-02

生物學概念是構成生物學知識的基本單位，是學生建立起堅固的生物學知識體系和促進學生能力發展的基礎。然而，由于生物學概念的抽象性，學生學習起來具有一定的困難。同時，我國在課堂教學中依然沒有真正做到以學生為主體。認知負荷理論關注學生的認知結構，優化學習中的認知負荷，提高學習效率，體現了以學生為主體的教育理論。因此，筆者認為認知負荷理論在生物學概念教學中的應用具有重要意義。

一、認知負荷理論概述

認知負荷理論是澳大利亞心理學家斯威勒（J.Sweller）于 1988 年提出，解釋了為何教學中即使以學生的認知結構為教學起點并根據學習過程來設計教學，也仍無可避免學生在學習中出現認知困難。其基本觀點是：工作記憶和長時記憶構成了人類的認知結構，其中工作記憶所能加工的信息數量是有限的，工作記憶若要加工更多的信息則可通過圖式的建構和自動化來實現;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，則無法進行有效的信息處理，學習效果不佳。

認知負荷是指真正投入在工作記憶中以成功完成特定學習任務的必需和非必需認知資源的總和。其來源主要為學習材料的性質、表達方法和學習者的現有經驗。根據來源是否有助于圖式的建構將認知負荷分為以下三類：外在認知負荷、內在認知負荷、關聯認知負荷。內在認知負荷是由學習材料的性質和學習者的經驗水平所帶來的，不易通過教學設計減少。外在認知負荷是由不恰當的學習材料呈現方式、教學設計所帶來的，可通過改進教學設計來減少。關聯認知負荷是建構圖式過程中不必要但投入后能促進圖式建構的負荷。良好的教學設計，可適度地增加關聯認知負荷，促進圖式建構。這三種負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的學習。相反，若這三者的總和遠低于工作記憶容量將會導致認知資源的浪費。因此，只有將總的認知負荷控制在適當的水平才會實現高效學習。

二、生物學概念學習中的認知負荷

在概念學習中只有保證工作記憶中有充足的認知資源用以加工概念，學習才會有效。以下通過分析生物學概念學習中的外在認知負荷、內在認知負荷、關聯認知負荷，給概念教學的設計提供相應的依據。

概念固有的復雜性和難度、學生現有的經驗，及兩者間的交互程度會給學生的學習帶來一定的內在認知負荷。如概念“光合作用”較為復雜，包含著葉綠體、光反應、暗反應等下位概念。下位概念“光反應”包括諸如光合色素、光吸收、光的水解等子概念，“暗反應”包含如 CO2 的固定、C 的還原等子概念。學習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，降低了內在認知負荷，否則產生較高的內在認知負荷。

概念的呈現順序和方式不當會產生外在認知負荷。例如，在學習概念“遺傳信息的表達”時，由于這個概念包含多個下位概念，要學習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，那么會給學生的學習帶來很高的外在認知負荷，這使學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，那么就能使學生的視覺和聽覺通道同時運作起來，這樣就充分地利用認知資源，減少了外在認知負荷。

學習者學習的動機、風格、知識水平、自我監控能力等也影響概念學習中的關聯認知負荷。適當的動機水平可以使學生在學習上投入更多的努力，良好的認知風格能夠增加關聯認知負荷，更好地理解和掌握概念。認知水平高的學習者能夠更好地將認知資源投入到關聯認知負荷當中，自我監控能力強的學生在學習過程中能夠更好地監控和調節自身的學習，從而促進有效學習。

教學過程中要合理控制學生的認知負荷總量，降低內在認知負荷和外在認知負荷，適當增加關聯認知負荷，促進學生對概念的順應和同化，提高學習效率。

三、認知負荷理論在高中生物學概念教學中的應用策略

（一）漸進式問題解決教學法—— 降低內在認知負荷

根據認知負荷效應中的分離關聯元素效應，分離關聯性的信息元素并相繼呈現可以促進學習，不要一次性呈現所有信息元素。研究表明，在學習者缺乏相關背景知識的情況下，采用分離關聯元素教學方法會得到更佳的教學效果。

漸進式問題解決教學法就是基于分離關聯元素效應提出的一種降低內在認知負荷的教學方法。即以問題解決作為教學主線，結合學生的生活體驗創設情境，引出學生感興趣的問題，提出基本問題，圍繞基本問題提出并解決相關問題，最后生成概念。這樣，將所要學習的信息元素分離并通過問題的形式逐一呈現，讓學生在解決循序漸進的問題中構建知識。該教學方法能夠幫助學生對概念進行順利建構，深化對概念的理解。

例如，在“有絲分裂”的學習中，以“復制后如何確保染色體準確均勻地分布在兩個子細胞中”為基本問題，然后圍繞這一基本問題提出以下相關問題：

（1）為何染色體在間期復制，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細胞兩極有何意義？

（6）末期出現細胞板或細胞凹陷縊裂并重新出現核仁、核膜有何意義？

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

（二）根據概念特點，合理選擇呈現方式—— 降低外在認知負荷

生物學概念繁多，不同類型的概念具有不同的特點。在教學中應根據概念的特點，選擇恰當的呈現方式。如對“線粒體”“葉綠體”這類具體概念，采用直觀教學法和講授法便可使學生理解掌握。而在“有絲分裂”的學習中，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，則學生的學習將產生很高的外在認知負荷，學習起來就會感到晦澀難懂。根據認知負荷效應中的通道效應：綜合運用各種信息表現形式，可以增加工作記憶的使用，增強學習效果。對此，教師可采用播放視頻動畫并配以講解的形式呈現有絲分裂的過程，同時利用學習者的視覺和聽覺通道，使認知資源不至于閑置，提高學習效率。同時，視頻中的文字要去除或簡約化呈現，避免出現多余的信息，導致學生注意力分散，干擾學生對信息的加工，降低學習質量。

此外，在多媒體課件設計中，要盡量保證學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，實現有效教學;在設置文字和圖片時，文字和圖片應置于同一張幻燈片上，避免出現注意分離效應;不能為了美觀而添加與學習無關的動畫或圖片，以避免信息冗余，造成外在認知負荷增多。

（三）以例激趣，增強認知努力—— 增加關聯認知負荷

根據認知負荷理論，在認知資源充足的情況下，可適當增加關聯認知負荷以促進對概念的學習。關聯認知負荷與學習者的學習動機、學習興趣等有著密切的聯系，因此在概念教學中，以背景導入或情境導入的方式導入概念，能夠激發學生的求知欲，讓學生主動參與到學習中來，使長時記憶中的相關圖式得以調用，從而增加關聯認知負荷以促進對概念的學習。如學習“遺傳信息的攜帶者—— 核酸”時，可創設情境列舉 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？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，根據學生的生活經歷提出相關問題，可以激發學生對新知識的渴望，調動學生的積極性和主動性，增加關聯認知負荷，促進新概念的建構。此外，在概念學習前畫出概念的關鍵詞，學習中聽課記筆記，適當地補充相應的例子，均可增加關聯認知負荷，有利于學生構建概念。

概念教學是高中生物教學中的重要內容之一，在教學中要時刻牢記“以學生為本”的教育理念，摒棄“一言堂”的授課方式，以認識負荷理論為指導，關注學生的認知結構，從學生的學習角度出發，優化學習中的認知負荷，打造高效的生物學課堂。此外，生物學概念學習是一項長期且復雜的學習任務，隨著學習的進行，學生掌握的概念逐漸增多，認知結構也會不斷變化，教師要懂得對學生的認知負荷進行評定以調整教學方案，同時要提供給學生建構概念圖式的空間與機會。

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【作者簡介】黃惠妮（1993— ），女，漢族，廣西人，廣西師范大學生命科學學院在讀碩士研究生，學習方向為學科教學。

（責編 盧建龍）