認知負荷理論下高中生物學單元教學設計

【摘 要】認知負荷理論是一種基于“學習的本質(zhì)”設計教學活動的理論，它強調(diào)教學設計需要考慮學習者認知結(jié)構(gòu)的限制和實現(xiàn)知識的遷移，與核心素養(yǎng)為導向的單元教學設計相契合。為解決認知負荷過高或過低影響學生有效學習生物學的問題，文章以“遺傳基本規(guī)律”這一單元為例，以知識內(nèi)容結(jié)構(gòu)化、學生自身發(fā)展化、認知負荷均衡化、圖式構(gòu)建自動化為目標，探討認知負荷理論指導下的單元教學設計。

【關(guān)鍵詞】認知負荷 高中生物學 單元設計

【中圖分類號】G633.91" " 【文獻標識碼】A" 【文章編號】1002-3275（2024）15-63-05

一、研究背景

在高中生物學課堂教學過程中，由于知識量較多、知識結(jié)構(gòu)較復雜，學生容易出現(xiàn)迷茫和缺乏學習興趣。《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》強調(diào)：“課程的設計和實施追求‘少而精’的原則”，“內(nèi)容聚焦大概念，精簡容量、突出重點、切合年齡特點、明確學習要求”。對此，教師要進行教學內(nèi)容精選和教學方法優(yōu)化。

認知負荷理論是一種結(jié)合記憶理論、認知加工理論、圖示理論，基于“學習的本質(zhì)”設計教學活動的理論，它強調(diào)教學設計需要考慮學習者認知結(jié)構(gòu)的限制。本文嘗試從認知負荷理論視角，進行指導高中生物學單元教學設計的研究，以期為學生高效學習、促進核心素養(yǎng)的發(fā)展提供指導。

二、認知負荷理論指導單元教學設計的理論基礎(chǔ)

在課程改革的背景下，學科大概念的提出使得大單元教學成為促進知識結(jié)構(gòu)化和落實學生核心素養(yǎng)的主要教學方式。［1］首先，單元教學將教學內(nèi)容組織成相對獨立的單元，每一個單元都包含一系列的知識和技能，旨在幫助學生系統(tǒng)地掌握知識，促進學生深度學習和學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。其次，單元教學強調(diào)教學內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化，注重知識的系統(tǒng)性和單元的連貫性。再次，單元教學以學生為中心，強調(diào)學習過程的重要性，鼓勵學生主動參與，通過探索、實踐、反思來學習。因此，單元教學作為一種教學策略，其核心在于通過精心設計的單元來促進學生進行全面深入的學習。

認知負荷理論是一種教育心理學理論，它專注于如何設計教學活動以優(yōu)化學習者的認知資源使用，從而提高學習效率。認知負荷理論認為，學習過程中的認知負荷是由工作記憶的有限容量所決定的，工作記憶是處理新信息和臨時存儲信息的系統(tǒng)，而長時記憶則是知識存儲的場所［2］，可通過教學設計來減少工作記憶的負擔，以便更有效地將信息轉(zhuǎn)移到長時記憶中。一般來說，認知負荷分為三種類型，即內(nèi)在認知負荷、外在認知負荷、相關(guān)認知負荷。內(nèi)在認知負荷是由學習材料的本質(zhì)和學習者的現(xiàn)有知識水平?jīng)Q定的，教學設計者難以直接控制；外在認知負荷是由教學設計不當引起的額外認知負荷，如復雜或混亂的信息呈現(xiàn)方式；相關(guān)認知負荷是與促進圖式構(gòu)建和自動化過程相關(guān)的負荷，可以通過教學設計來增加。［3］此外，認知負荷理論涉及一系列教學設計原則，這些原則可以產(chǎn)生特定的學習效應，幫助學生減少認知負荷并提高學習效率，例如樣例效應、完成問題效應、注意分散效應、形式效應、獨立交互元素效應、冗余效應、指導隱退效應等。

由此看來，認知負荷理論提供了一套關(guān)于如何優(yōu)化學習者認知資源使用的原則和策略，為教學設計提供了一個很好的框架，將認知負荷理論的原則應用于單元教學設計，教師可以更有效地組織教學內(nèi)容，優(yōu)化學習過程，幫助學生有效地管理認知資源，激發(fā)他們的學習興趣和動力，以促進學生深度學習和形成長期記憶。

三、認知負荷理論指導單元教學設計實踐例析

單元教學是一種以單元為基本單位來組織教學內(nèi)容和活動的方法。其一般流程如下：教師在明確學習主題或概念之后，圍繞中心主題或概念，在課程標準、教材和學生學情的基礎(chǔ)上分析單元學習內(nèi)容，明確單元學習目標，創(chuàng)設單元學習活動，設計單元評價目標。將認知負荷理論應用于指導單元教學設計，以實現(xiàn)知識內(nèi)容結(jié)構(gòu)化、學生自身發(fā)展化、認知負荷均衡化、圖式構(gòu)建自動化為目標，完善單元教學設計，提升單元教學的有效性。筆者在梳理課程標準、人教版高中生物學必修2教材、學生學情的基礎(chǔ)上，擬定了“遺傳基本規(guī)律”單元，本文以此為例來探討認知負荷理論指導下的單元教學設計。

（一）基于知識內(nèi)容結(jié)構(gòu)化目標，分析單元學習內(nèi)容

知識內(nèi)容結(jié)構(gòu)化是指以一種有序和系統(tǒng)化的方式組織知識，使其易于存儲、檢索、應用的過程。認知負荷理論認為，人類的工作記憶（即處理信息的短期記憶）容量有限，當學習者面對大量未結(jié)構(gòu)化的信息時，他們需要在工作記憶中同時處理多個信息片段，這可能導致認知負荷過重。結(jié)構(gòu)化的知識可以幫助學習者過濾掉無關(guān)或冗余的信息，使學習者能夠?qū)Ｗ⒂诤诵母拍詈完P(guān)鍵信息，從而減少認知負荷。同時當知識以結(jié)構(gòu)化的方式呈現(xiàn)時，因為信息的組織方式更符合邏輯和直覺，減少了學習者在工作記憶中收集信息所需的認知資源，他們更容易將新信息與已有知識聯(lián)系起來，進行有效的信息編碼。知識內(nèi)容結(jié)構(gòu)設計由教師完成，教師應在課程標準、教材、學生的基礎(chǔ)上，通過分析知識整體、知識個體、知識間的相互關(guān)系，將離散的知識進行整理，使知識呈現(xiàn)出清晰的結(jié)構(gòu)。

“遺傳基本規(guī)律”是人教版高中生物學必修２《遺傳與進化》的重要內(nèi)容。從知識整體來說，“遺傳基本規(guī)律”這一單元旨在幫助學生建立起遺傳學的基礎(chǔ)框架，理解遺傳現(xiàn)象的本質(zhì)，掌握遺傳學的基本概念和原理，并能夠?qū)⑦@些知識應用于解決實際問題。同時，這一單元也注重培養(yǎng)學生的科學探究能力和批判性思維。從知識個體來說，每個知識個體具有相對獨立性，它們構(gòu)成了遺傳基本規(guī)律的整體框架。具體而言，根據(jù)“孟德爾遺傳定律：分離定律和自由組合定律”的這一知識個體，理解單個基因在遺傳過程中的行為和多個基因在遺傳中的獨立性；根據(jù)基因在染色體上這一知識個體，理解基因在染色體上的分布和行為，認識到遺傳因子是具有物質(zhì)性的實體；根據(jù)伴性遺傳這一知識個體，理解基因控制的形狀在遺傳上總是和性別相關(guān)聯(lián)。從知識間的相互關(guān)系來說，“遺傳基本規(guī)律”表現(xiàn)出分子與個體、理論與實踐、基礎(chǔ)與應用等相互關(guān)系，以及與其他學科之間的聯(lián)系。

通過上述分析，可以發(fā)現(xiàn)“遺傳基本規(guī)律”這一單元是一個多層次、多維度的知識體系。它不僅包括基礎(chǔ)的遺傳概念，而且涵蓋這些概念如何相互作用和應用的復雜網(wǎng)絡。理解和掌握這一單元，需要從整體上把握遺傳學的理論框架，同時也要深入理解各個知識點及其相互關(guān)系。

（二）基于自由目標效應，確定單元學習目標

認知負荷理論的自由目標效應的核心觀點是不設置明確任務目標，可以降低認知負荷，并且更有利于學習者實現(xiàn)知識的遷移和培養(yǎng)解決問題的能力。根據(jù)自由目標效應，認知負荷會影響人的工作記憶，而工作記憶容量是有限的，明確的任務目標狀態(tài)會使得個體偏重于解決問題本身，而較少關(guān)注“為什么會這樣解決”這一理論立場，因此給予學習方向而沒有明確任務目標時，個體的學習效果更好。［4］在自由目標情境中，學生可以根據(jù)自己的興趣和需求進行自主學習，這有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和解決問題的能力。同時，沒有明確目標的學習任務還能激發(fā)學生的好奇心和求知欲，促使他們更加主動地探索和學習，從而促進學生的全面發(fā)展。

單元學習目標是指導單元學習活動和單元學習評價的基礎(chǔ)，為學生明確了他們應該達成的學習成果。素養(yǎng)為導向的單元學習目標與基于認知的自由目標效應相契合，都旨在實現(xiàn)學習者通過完成任務和解決問題來促進自身發(fā)展。基于此，可以通過以下原則來設計單元學習目標：以學科核心素養(yǎng)為導向，設置可操作性和可評價的非具體任務目標；提供學習任務的情境背景，鼓勵學生自主探索；在學生探索過程中提供適度的指導，幫助他們聚焦學習單元的核心概念；通過小組合作的形式，讓學生在學習過程中共同探索學習目標。

以“遺傳基本規(guī)律”為例，可以設置以下單元學習目標。

一是生命觀念素養(yǎng)層面：通過循著科學家的腳步來探究遺傳的經(jīng)典實驗，能夠構(gòu)建心理圖式，理解性狀、基因和染色體等概念之間的關(guān)系，從基因和染色體層面闡明性狀遺傳中所表現(xiàn)出的分離、自由組合等現(xiàn)象的實質(zhì)，以小組合作形式構(gòu)建“遺傳基本規(guī)律”單元概念圖，通過書面或口頭進行交流，深化核心概念的理解。

二是科學思維素養(yǎng)層面：通過孟德爾豌豆雜交實驗，分析假說—演繹法的基本思路，并嘗試運用該方法批判性地分析遺傳學案例研究，以小組合作形式歸納概括遺傳學的一般規(guī)律，并嘗試在以后的學習和生活中運用該方法解決問題。

三是科學探究素養(yǎng)層面：通過重溫科學家的實驗過程，能夠制作和解釋遺傳圖解，并學習科學家縝密、大膽想象、創(chuàng)新等科學精神，認同將跨學科、提出新概念、應用新符號等方法應用于探究實踐中，進一步提升科學探究能力。

四是社會責任素養(yǎng)層面：通過資料分析和問題探討等多種途徑，關(guān)注伴性遺傳理論和相關(guān)技術(shù)在生產(chǎn)實踐中的應用，認識到科學知識對于社會進步的重要性，建立起科學知識與社會責任之間的聯(lián)系，培養(yǎng)學生成為有責任感的社會公民。

（三）基于認知負荷均衡化目標，創(chuàng)設單元學習活動

認知負荷是指在執(zhí)行特定任務或?qū)W習新知識時，個體的工作記憶所承受的總認知需求，主要用于描述在特定認知活動中，大腦需要處理的信息量對個體認知資源的需求和消耗。認知負荷理論強調(diào)，為了促進有效學習，教學設計應盡量減少不必要的外在認知負荷，優(yōu)化內(nèi)在認知負荷，并增加相關(guān)認知負荷，同時確保總的認知負荷不超過學習者的工作記憶容量。因為認知負荷理論提出的各種教學效應與某種負荷并不是一一對應的關(guān)系，并且他們之間相互聯(lián)系。［5］因此，在創(chuàng)設單元學習活動時，應當融合認知負荷理論的各種效應和策略。例如情境干擾策略結(jié)合完成問題效應，整體任務策略結(jié)合獨立交互元素效應，通道效應結(jié)合注意分散（空間臨近或時間臨近）效應等，來設計學習材料的信息呈現(xiàn)，控制工作記憶的信息加工數(shù)量，實現(xiàn)認知資源的合理使用，從而均衡認知負荷。

單元學習活動的設計以“情境—核心任務—活動”為主線展開，它強調(diào)將學習置于真實的或模擬的情境中，通過讓學生解決核心問題或完成任務來驅(qū)動學習活動。基于上述設計模式，并結(jié)合認知負荷理論的教學效應，單元學習活動能夠更加貼近真實世界，使學生在參與和體驗中學習，提高學習動機和效果。教師的角色更多地轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑д吆蛥f(xié)助者，而學生則成為主動的學習者。以“遺傳基本規(guī)律”為例，舉例說明認知負荷理論如何指導單元學習活動的設置。

第一，以情境干擾策略結(jié)合完成問題效應，創(chuàng)設學習情境。情境干擾策略可以增強學生的學習動機，促使他們投入更多的注意和努力。另外，沉浸式的情境可以使知識遷移效果更好，同時結(jié)合完成問題效應，可以使學生努力應付外在負荷的心理努力轉(zhuǎn)化為有效負荷，從而促進圖式的形成。例如對于“遺傳基本規(guī)律”內(nèi)容的學習，教師可以通過描述一系列相關(guān)生物現(xiàn)象，同時結(jié)合學生自身的遺傳特點，來激發(fā)學生興趣，引導學生進入學習情境。同時提出“發(fā)生遺傳的物質(zhì)是什么？生物遺傳后所表現(xiàn)出來的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、生理生化特征叫什么？遺傳物質(zhì)與性狀之間有什么關(guān)系？”一系列問題。

第二，整體任務策略結(jié)合獨立交互元素效應。整體任務策略是指將任務以元素的形式，形成信息單元呈現(xiàn)給學生，與獨立交互元素效應相結(jié)合，則可以分為兩個階段呈現(xiàn)任務，第一階段先介紹獨立元素，呈現(xiàn)簡版信息單元任務，第二階段逐步呈現(xiàn)完整材料任務。例如在“遺傳基本規(guī)律”單元學習中，獨立元素包括遺傳規(guī)律的核心概念（基因、性狀等）、孟德爾豌豆雜交實驗、孟德爾遺傳定律（分離定律、自由組合定律）、假說—演繹法、薩頓的假說、摩爾根的果蠅雜交實驗、伴性遺傳等。第一階段呈現(xiàn)遺傳規(guī)律的核心概念（基因、性狀等）、孟德爾豌豆雜交實驗、假說—演繹法等任務，使學生對遺傳規(guī)律形成一個基本圖式。第二階段呈現(xiàn)完整任務，雖然元素增加了，但是因為學生已經(jīng)形成遺傳規(guī)律基本圖式，在這基礎(chǔ)上同化整體任務，形成復雜圖式。

第三，以通道效應結(jié)合注意分散（空間臨近或時間臨近）效應，開展單元學習活動。通道效應是指信息通過不同感官通道（視覺、聽覺等）呈現(xiàn)對認知負荷的影響，強調(diào)信息以與其自然加工通道相匹配的形式呈現(xiàn)，可以減少工作記憶的負擔。注意分散效應強調(diào)教學設計中信息呈現(xiàn)的重要性，在使用多個信息源呈現(xiàn)信息時，要注意在空間或時間上臨近，使學習材料更加整合。兩者結(jié)合可將不同通道的信息整合到連貫的學習體驗中，以促進學習者實現(xiàn)深度學習和理解。例如在學習孟德爾豌豆雜交實驗時，通常結(jié)合圖式進行講解，同時通過視覺和聽覺感官通道，以及相應的信息源（文本、圖像、動畫等）呈現(xiàn)信息，這個過程需要文本與圖像或動畫在時間上臨近，且與聲音在空間上臨近，因此通常會用多媒體來進行教學設計。

（四）基于圖式構(gòu)建自動化目標，設計單元評價目標

圖式是長時記憶中組織化的知識結(jié)構(gòu)，它們是圍繞特定主題相互聯(lián)系的知識單元，可以是簡單的概念、復雜的理論，或一系列相關(guān)的技能。學習新信息時，學習者嘗試將新信息與長時記憶中已有的圖式聯(lián)系起來的過程稱為同化。如果新信息與現(xiàn)有圖式不符，則可能需要順應，即調(diào)整或創(chuàng)建新的圖式來適應新信息。當學習者遇到不熟悉的概念時，他們需要在工作記憶中同時調(diào)動和處理多個信息片段，這可能導致高認知負荷。通過逐步構(gòu)建圖式，學習者可以將信息從工作記憶轉(zhuǎn)移到長時記憶中，減少工作記憶的負荷。隨著練習和重復，學生對特定的圖式的識別更加自動化，這意味著它們可以在不需要消耗大量工作記憶資源的情況下被快速和準確地調(diào)用。自動化的圖式可以釋放工作記憶空間，使學習者能夠處理更復雜的任務。“遺傳基本規(guī)律”單元學習持續(xù)性評價方案如表1所示。

在認知負荷理論下，如果以圖式構(gòu)建自動化為目標，那么單元評價目標的設計應當確保它們能夠反映和促進學習者在長時記憶中對知識的組織化、自動化，并能有效地使用有限的工作記憶資源。基于此，本文提出評價目標設計原則和建議：

第一，設計評價目標以檢測學習者是否能夠成功構(gòu)建必要的圖式，包括對概念、原理、過程的理解；第二，評價目標應能衡量學習者對已構(gòu)建圖式的自動化程度，即他們能否在消耗較少的認知資源的情況下快速準確地調(diào)用知識；第三，評價目標能評估學習者將所學知識遷移到新情境的能力，這是圖式構(gòu)建自動化的重要指標；第四，評價目標應包括對學習者元認知技能的評估（如他們?nèi)绾伪O(jiān)控自己的理解和學習進度）；第五，設計形成性評價目標以提供及時反饋，幫助學習者在學習過程中調(diào)整策略，同時設計總結(jié)性評價目標以評估學習成果。

【參考文獻】

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