認知負荷理論視閥下同儕互助教學模式重構化工熱力學課程的實踐探索

中圖分類號：G640 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2025）26-0023-（

Abstract：ThisstudyadressthecognitiveoverloadcausedbytheteachingdificultiesintheChemicalEnginering Thermodynamicscourse，namelythestudents’accessandefortsinunderstanding，memorizingandmasteringlotsofconcepts， formulas，andcalculations.Tosolvetheproblems，thisstudyimplementedaPeer-AsistedLearning（PAL）model which reconstructstheteachingparadigmbasedonconstructivismandcognitiveloadtheory.Throughknowledgesharing，collaborative inquiryandfielagusioalfmeokiteating\"mtoolboratiiteactio，i dimensionalmodalities\"，and\"leaingmanagement-lasroompresentationcolaborativeoptiizatio\"wasdeveloped，alogside mechanismsfortaskdecomposition，cognitiveconfictmedition，anddynamicloadregulation.Comparativeanalysisbetweethe experimental group （30 students）and control group （36 students）revealed a 6.88-point increase inaverage scores （ P =0.000 027）， with high-tier performance （good+excellent） reaching 46.7%（ 19.5% in controls）. Self-regulated learning capabilities significantly improved in planning （△+O.59），behavioral control （Δ+0.45） ，and self-reflection（ Δ? +0.64），while over 97% of students affirmed enhancedcompetency，engagement，andinterest.ThefindingsdemonstratethatPALoptimizesknowledgeinternalzationand higher-orderthinkingbyreducingintrinsic/extrinsiccognitiveloadsandactivatinggermanecognitiveresources，oferinga referenceforengineringeducationreform.FutureresearchmayintegrateAI-drivenpersonalizationandlong-temfficacy validation.

Keywords：Peer-AssistedLearningModels；ChemicalEngineringThermodynamics；constructivism;CognitiveLoadTheory; autonomous learning capabilities

化工熱力學作為化學工程與工藝專業的核心課程，承擔著培養學生工程應用能力的重要使命。然而，該課程長期面臨“三多三難\"的教學困境一概念多、公式多、計算多，理解難、記憶難、掌握難，導致學生普遍出現認知超載現象。從認知負荷理論視角分析，抽象概念與復雜公式顯著增加了內在認知負荷，而教材信息組織不足和計算實踐的高注意力需求進一步推高外在認知負荷，致使學生難以有效分配認知資源，阻礙知識內化與遷移應用。傳統教學模式以教師單向講授為主，過度依賴標準化知識傳遞，忽視學生認知結構的主動建構，導致學習效能低下。

針對上述問題，本研究創新性地引入同儕互助教學模式（Peer-AssistedLearning，PAL），基于建構主義與認知負荷理論，重構教學范式。通過知識共享、協作探究與反思性學習，構建“指導型-協作型互助\"雙模態及“線上-線下四維交互\"的立體化框架，輔以任務分解、認知沖突調解與動態負荷調控機制，優化學習效能，為破解工科課程認知超載難題提供了可復制的實踐路徑。

課程特點與存在問題

化工熱力學作為化學工程與工藝專業的基礎核心課程，在培養學生工程應用能力方面具有關鍵作用[1-2]。課程構建了“三位一體”的教學目標體系，涵蓋知識獲取、能力培養與價值塑造三個維度。然而該課程顯著的“三多三難\"特點客觀上形成了較高的學習門檻。從認知負荷理論視角分析：首先，學科概念的抽象性與非直觀性顯著增加了內在認知負荷；其次，龐雜的公式體系既需理解物理內涵又需掌握數學推導，進一步加重內在認知負荷，而教材對復雜公式的信息組織不足，又迫使學生在信息整合中產生額外外在認知負荷；最后，大量計算實踐消耗的注意力資源持續推高外在認知負荷[3-4]。在多重負荷擠壓下，學生難以有效分配認知資源進行知識重構，導致相關認知負荷不足，阻礙知識內化與遷移應用，形成理論與實踐的斷層。教學實踐表明，“三多三難”的課程特質易引發認知超載，導致自主學習效能下降與學習困境（圖1）。針對這一教學現狀，課程團隊創新性地將同儕互助教學模式引入課堂教學改革。

二基于同儕互助的教學模式構建

同儕互助是一種以學生間合作互助為核心的教學模式，其核心理念在于通過同伴間的知識共享與協作交流促進學習成效，而非單純依賴教師單向指導[5-7。該模式打破傳統師生間的等級關系，學習者以平等身份開展互助學習，通過小組討論、同伴輔導、團隊合作等多元協作形式共同完成學習任務。在互動過程中，參與者通過闡釋自身理解、示范思維過程、分享學習經驗等方式，實現知識體系的深度建構與內化。研究表明，這種雙向互動的學習機制具有顯著的互惠效應：知識輸出者在教授過程中深化認知，受助者在同伴指導下突破學習瓶頸，雙方在協作過程中共同提升批判性思維、溝通能力及自我導向學習能力，從而有效構建起可持續的自主學習機制[8-9]。傳統教學模式作為工業化時代教育體系的產物，其核心特征表現為教師中心主義的單向知識傳遞結構。這種以知識灌輸為主導的教學方法將學生置于被動接受者的位置，形成“教師講-學生聽\"的機械循環，其認知過程主要停留在記憶、復述等低階思維層面。這種教學模式客觀上促進了標準化知識體系的構建，但其弊端在于過度強調知識傳遞效率的同時，忽視了學習者認知結構的主動建構過程。同儕互助教學模式相較于傳統教學模式，更符合建構主義對知識建構的核心主張。在這一過程中，學生A和B基于各自不同的初始理解產生認知沖突，隨后通過討論、質疑和辯論等協作方式對知識進行整合，逐步構建起更完整的認知框架。最終通過知識輸出與遷移實現深度內化：當學生A向同伴闡釋知識時，其自身理解得到系統性強化；而學生B在接收同伴解釋的過程中，通過反思性學習突破原有認知局限。這種互動機制不僅促進了知識結構的優化重組，更重要的是培養了學習者的自主探究能力。該模式的理論基礎呈現多維度支撐：首先，認知沖突理論揭示了學習動力的來源一—不同觀點的碰撞迫使學習者重新檢驗原有假設，推動認知向更高平衡狀態發展[10-1;其次，分布式認知理論解釋了協作增效的機制一一群體成員的差異化認知通過互動形成超越個體局限的復合知識網絡[12-14];最后，最近發展區理論闡明了互教互學的價值一一同伴通過提供適切的“認知腳手架”，幫助雙方共同突破獨立解決問題的能力邊界[15。同儕互助學習不僅深化了知識建構的深度和持久性，更有效培養了學生的自主學習能力，充分體現了建構主義“知識通過社會協商主動建構\"的核心要義（圖2）。

三同儕互助教學模式的具體實踐

（一） 同儕互助類型

在教學實踐中，將同儕互助劃分為兩種典型范式：指導型互助（同濟指導者-組員）與協作型互助（組員間互動）。在指導型互助中，具備知識優勢的指導者發揮組織協調功能，其核心職責包括：統籌協調互助流程、實施任務分解與分工管理、通過激勵策略調動參與主體的學習內驅力，以及進行時間資源配置與進度控制。

協作型互助則體現為學習共同體的平等交互模式，其運行機制表現為：通過協商機制確保學習目標的有效達成，具體涵蓋認知偏差識別與修正、學習內容的結構化拓展、多模態對話中的觀點補充，以及應對非常規情境的團隊協作決策。兩種互助模式分別通過垂直指導與水平協作機制，構建差異化的知識建構路徑。

（二） 同儕互助方式

在教學實踐中，基于時空維度將同儕互助劃分為四類交互模態：線上同步互助、線上異步互助、線下同步互助及線下異步互助（表1）。

圖2基于建構主義學習機制的同儕互助教學模式

表1基于四類交互模態的同儕互助方式

該分類體系通過時空維度與交互強度的矩陣組合，構建了立體化的互助學習生態系統，其運行機制覆蓋從即時認知協同到長效教學改進的全周期閉環。

（三） 同儕互助內容

同儕互助作為協作學習的重要形式，其核心內容可系統歸納為以下三個維度。

1）學習過程管理維度：重點涵蓋組員對學習任務的理解深度、知識體系的系統化掌握，以及認知差異導致的多元化解讀、學習目標的階段化分解、任務分工的合理性評估、時間的統籌規劃、學習積極性的激發策略、后進學生的個性化幫扶，以及團隊協作效能的持續優化。

2）課堂展示專項維度：主要包括展示素材的學術嚴謹性、知識架構的完整性及表達邏輯的清晰度、展示前的心理建設與預案準備、展示中的互動討論與即時補充、語言組織的條理性、非語言表達的恰當性及臨場應變能力培養。

3協作關系優化維度：在任務分配環節，應建立科學的組員評估機制，包括學科基礎水平、信息技術應用能力及既往合作經驗、成員性格特質、溝通風格及抗壓能力、語言表達能力、批判性思維及創新潛質的培養。

實施過程中應遵循漸進原則，建立正向激勵機制，通過“任務階梯式分解”和“成長型反饋\"策略，有效控制認知負荷，營造互助共進的團隊氛圍[17-18]。特別要注重保護成員心理安全邊界，通過“優勢互補”的協作模式，使各成員在適宜的發展區獲得成長支持。

（四） 同儕互助實施過程

基于長期教學實踐積累，本研究構建了系統化的同儕互助實施路徑[19-20]。教師通過專業指導，協助同儕指導者精準定位知識模塊的核心難點與重點，科學選擇適配性學習策略，并運用任務分解技術實現知識結構的可操作化轉化。在此過程中，同儕指導者與學習小組成員協同開展對學習任務的分解、認領、完成、討論、完善、展示和共享的全流程互動，其中任務分解與自主認領環節通過責任分擔機制有效降低外在認知負荷，任務實施階段的互惠性解釋與協作討論顯著優化內在認知負荷，而成果完善與共享環節則通過認知沖突調解、即時糾錯機制及情感支持網絡實現相關認知負荷的動態平衡。教師通過系統采集課堂觀察數據（包括任務參與度、互動質量、成果達成度等）分析生生互評記錄、診斷學習困惑點，持續積累實踐性知識，形成“觀察—診斷一改進\"的螺旋式提升機制，為迭代優化同儕互助教學模式提供實證支撐。這一閉環系統通過精準調控三類認知負荷的配比關系，在保證學習深度的同時維持了認知系統的整體穩定性。同儕互助教學模式如圖3所示。

圖3同儕互助實施流程簡圖

1）選擇同儕互助指導者。本研究通過重構“以學為主”的教學范式，利用同儕趨眾效應與同儕壓力機制，有效激活學生的認知參與度與學習內驅力。鑒于同儕群體在認知發展水平、知識表征方式及心理認同維度的高度契合性，指導者輸出的知識信息相較于教師講授更易實現認知同頻共振。基于此，研究團隊聯合四大化學課程（無機化學、有機化學、物理化學、分析化學）的授課教師及班級輔導員，構建多維勝任力評估模型，從自主學習能力（學業排名前 30% ）、溝通效能（班干部任職經歷）團隊領導力（項目合作經驗）責任意識（課堂出勤率大于 95% ）及榮譽感知度（學科競賽獲獎）五個核心維度展開綜合評議，經候選人自主申報與評審組結構化面試，最終遴選出4名具備知識傳遞能力與情感支持特質的同儕指導者，其選拔結果直接關聯后續同儕互助學習的效果達成度與知識遷移效率。

2）培訓同儕指導者。研究者對同儕指導者進行培訓，培訓時長為2小時，分2～3次完成，主要內容包括：介紹同儕互助指導方案的總體框架和目標；明確同儕指導者的具體工作職責，包括他們在指導過程中的角色定位、任務范圍，以及與學員的互動方式；講解如何在組內進行合理的任務分工，以確保每位成員都能充分發揮自己的優勢；如何評價并完善學習任務的方法，指導同儕指導者如何根據學員的反饋和實際需求，對學習任務進行調整和優化，以提高學習效果。在團隊協作方面，組內與組間如何開展深入討論、如何引導討論、如何激發成員的思考及如何促進不同觀點的交流與碰撞。同時，著重分享如何調動組員的學習積極性與主動性，包括激勵機制的建立、興趣點的挖掘及如何營造積極的學習氛圍。最后是如何合理安排時間，幫助同儕指導者掌握時間管理技巧，確保各項任務能夠高效完成，同時避免學員感到過度壓力。

3）實施同儕互助學習。每次的同儕互助學習過程都包含以下9個環節： ① 確定學習內容，即章節知識；② 同儕指導者對學習內容進行切割分配； ③ 同儕指導者生成同儕互助學習過程記錄表； ④ 小組成員認領并完成學習任務； ⑤ 實體課堂進行成果展示并開展討論；⑥ 根據課堂討論情況完善學習成果并進行分享； ⑦ 同儕指導者組織小組座談會分享心得體會； ⑧ 教師觀察、記錄、總結同儕互助過程，及時發現問題并解決問題；⑨ 師生、生生間進行評價，對評價結果進行反思、總結、持續改進并指導下一輪次的同儕互助學習。具體案例如下。

第一步，明確學習內容。第二章流體的P-V-T關系。第二步，同儕互助學習開展前兩天，4名同儕指導者與任課教師一起就第二章的內容進行知識切割，將其分為4個知識板塊，同儕指導者選擇其中一個知識板塊作為同儕互助學習內容，如第二章中的“狀態方程”。第三步，針對狀態方程這一內容確定知識難點、知識重點、學習方法和時間安排，并將該部分內容分解為五個學習任務： ① 結合線上平臺和教材內容制作關于“狀態方程”的思維導圖，發至小組學習群與小組成員進行分享、交流和完善。 ② 前修課程物理化學中也涉及狀態方程的知識，對其進行對比分析，找出異同點；③ 狀態方程的推導涉及很多數學公式，整理高等數學課程中與此部分相關的數學公式，特別是微分知識，發至小組學習群與小組成員討論，查漏補缺、溫故知新。④ 針對知識的難點和重點，整理8～10道雨課堂練習題，發至學習群與小組成員一起練習、鞏固、討論和提高。 ⑤ “狀態方程”，特別是“立方型狀態方程”，形式多樣，各方程之間的區別和聯系是什么？如何選擇合適的“狀態方程\"進行應用，制作一個PPT進行介紹，并與小組成員討論完善。圍繞“狀態方程\"的知識難點、知識重點、學習方法、時間安排和學習任務，構成了同儕互助學習過程記錄表的基本要素。第四步，小組成員認領并完成學習任務，期間與小組成員進行協同交流、不斷完善。第五步，認領了學習任務的組員在實體課堂進行課堂展示，分享學習成果，與其他小組成員相互討論。第六步，根據課堂討論的結果完善學習成果并將最終完善后的成果進行分享。第七步，同儕指導者組織開展小組座談會，分享此次小組同儕互助學習的學習心得與體會。第八步，任課教師結合對本次同儕互助學習過程的觀察、發現的問題生成同儕互助學習觀察表，對可以即時解決的問題提出解決方法，對需要改進的問題提出改進方案并反饋給同儕指導者。第九步，對本次同儕互助學習進行師生和生生評價，具體評價任務完成情況、學生的學習獲得感、團隊合作能力及自主學習能力等;根據評價結果進行總結、反思、持續改進并用于下一輪次的同儕互助學習。

四同儕互助教學模式的實踐效果

（一） 自主學習能力評價數據

本次教學實踐與研究以化學工程與工藝專業大三年級2個自然班共66名學生為研究對象，其中實驗班30人實施同儕互助教學模式，對照班36人采用傳統教師講授模式。經獨立樣本t檢驗顯示，兩組學生在年齡、性別及前期學業成績上均無統計學差異（所有維度Pgt;0.1 ），具備實驗可比性。采用基于Zimmerman自主學習理論構建的《大學生自主學習能力調查問卷》，整合Laura等的維度框架與朱祖德等量表條目，形成三維測評體系：計劃階段（20項，含目標設置、時間規劃等）行為控制階段（21項，含專注力、自我調控等）及自我反思階段（13項，含因果歸因、適應性反應等）。量表采用Likert5級評分，Cronbach‘s ∝ 系數為0.83，通過問卷星平臺進行前測（干預前）和后測（干預3個月后）兩次匿名調查，有效回收率 100% 。

基線數據（表2）顯示，實驗班與對照班在前測中各維度均值均處于 3.20～3.57 區間（5分制），獨立樣本t檢驗結果（計劃階段 t=-0.303，P=0.763 ；行為控制階段 t=-0.289，P=0.774 ；自我反思階段 t=-0.825，P= 0.412）證實兩組初始水平無顯著差異。

表2實驗班和對照班實驗前自主學習能力各維度的平均分及差異分析

經過一學期教學干預，后測數據（表3）呈現顯著組間差異：實驗班在計劃階段（實驗后3.98對比實驗前3.39）、行為控制階段（實驗后3.65對比實驗前3.20）自我反思階段（實驗后4.06對比實驗前3.42）3個維度的提升幅度（ Δ+0.59.Δ+0.45.Δ+0.64 均顯著高于對照班 （Δ+0.23，Δ+0.16，Δ+0.06） 。方差分析顯示組間差異達統計學顯著水平（計劃階段 ；行為控制階段 P=0.078 ；自我反思階段 ），其中自我反思階段的差異最為顯著（ t=-2.884 。

表3實驗班和對照班實驗后自主學習能力各維度的平均分及差異分析

（二） 客觀學習效果數據

基于同儕互助的化工熱力學課程實踐中實驗班與對照班的考試數據對比見表4，可以看出：實驗班平均成績為81.38分，顯著高于對照班的74.5分，分差達6.88分，表明實驗班整體學習效果更優。實驗班成績分布更集中于中高分段，而對照班存在明顯的低分拖累現象（如不及格率）。實驗班在良好（ 36.70% ）和優秀（ 10.00% ）兩檔占比合計 46.7% ，遠高于對照班的 19.5% （良好16.70% +優秀 2.80% ）。對照班優秀率僅為實驗班的28% ，凸顯實驗班在高階能力培養上的優勢。

表4化工熱力學課程實驗班與對照班的考試成績對比

為驗證同儕互助教學模式是否顯著提高了教學效果，需對實驗班和對照班考試成績是否具有顯著性差異進行檢驗：根據表5中化工熱力學課程實驗班與對照班的顯著性檢驗結果，獨立樣本t檢驗顯示，兩班平均成績差異的檢驗統計量 χ_t 值為4.521，對應 P 值為0.000027（遠小于顯著性水平0.05），且均值差的 95% 置信區間為[3.851，9.949]，未包含零值，表明實驗班與對照班的考試成績存在統計學上的顯著性差異。這一結果從統計層面驗證了實驗班采用的同儕互助教學模式相較于傳統教學模式，對提升學生成績具有顯著效果，支持實驗班教學策略的有效性假設。

表5化工熱力學課程實驗班與對照班考試數據的顯著性檢驗

（三） 主觀滿意度調查

為系統評估同儕互助教學模式的學生接受度及其教育價值，課程教學團隊在實驗周期結束后對實驗班開展專項調研。本次調查采用匿名非評價機制（即問卷結果不計入課程成績），通過“問卷星\"平臺收集學生對教學模式的主觀反饋，重點考察學習體驗、能力發展等維度，所得數據僅作頻次統計分析，為教學策略迭代提供實證依據。如表6所示，教學滿意度呈現多維度提升特征：在“學習互助\"維度中，全體學生（ 100% 認可該模式有效促進課堂參與度，典型表述如“組內互評讓我更敢于表達觀點”；“能力提升\"與“興趣提升\"雙維度均獲97% 高滿意率，其中22名學生 73.3% ）強烈認同“案例分析訓練顯著提高了解決工程問題的能力”；“目標達成”與“品質培養\"維度分別達到 93% 和 97% 滿意率，數據顯示19名學生（ 63.3% ）對“階段性自標設置幫助我建立學習節奏\"給予高度評價。這些質性數據與量化結果形成三角互證，為優化教學設計提供了雙重依據。

表6實驗班對同儕互助教學模式的滿意度結果

五結束語

在化工熱力學課程教學改革的探索中，本研究通過引入同儕互助教學模式，系統性地回應了課程“三多三難\"（概念多、公式多、計算多，理解難、記憶難、掌握難）引發的認知超載困境。教學實踐表明，基于建構主義與認知沖突理論的同儕互助機制，有效重構了傳統課堂的師生互動范式，通過知識共享、協作探究與反思性學習，顯著降低了學生的內在與外在認知負荷，同時激活了相關認知負荷的優化配置。未來研究可探索跨學科推廣的適應性，結合人工智能技術開發個性化互助支持系統，并深化對認知負荷動態平衡機制的理論建模。總體而言，本實踐為破解工科課程高階能力培養難題提供了可復制的路徑參考，通過社會協商激活學習者的主體性，突破傳統教學的效能瓶頸，真正實現“教\"與“學\"的共生共進。

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