认知负荷理论在仪器分析教学设计中的应用

吴 蓉，程乐华

（巢湖学院 化学与材料科学系,安徽 巢湖 238000）

认知负荷理论在仪器分析教学设计中的应用

吴 蓉，程乐华

（巢湖学院 化学与材料科学系,安徽 巢湖 238000）

在仪器分析教学中，由于对认知负荷的考虑不足，常常使学生在学习过程中发生认知超载，一定程度上影响了学生的学习效率。根据认知负荷理论，从降低外在认知负荷、降低内在认知负荷及增加相关认知负荷三方面对仪器分析课程教学设计展开研究，提出相应教学设计策略。

认知负荷理论；仪器分析；教学设计

仪器分析课程是高校化学、化工类专业一门重要的实践性极强的专业基础课。在传统的教学过程中，仪器分析课程多数缺乏对学生认知负荷的考虑，从而导致了学生在学习过程中经常发生认知超载，严重影响了学习效率。因此在仪器分析教学过程中有机融合认知负荷理论，深入分析认知负荷产生的原因，能使我们更深刻地理解学习过程，为课程的教学设计提供科学的理论指导。

1 认知负荷理论

认知负荷是指在完成任务过程中进行信息加工所需要的认知资源的总量。认知负荷理论是由澳大利亚教育心理学家John Sweller等人提出，该理论的基本观点是任何教学都会引起3种认知负荷，即外在认知负荷、内在认知负荷和相关认知负荷。外在认知负荷与学习材料的组织和呈现方式有关，是由学习过程中对学习没有直接贡献的心理活动引起的。学习任务设计不合理，教学活动设计不当，都会导致工作记忆产生不必要的认知，引起外在认知负荷。内在认知负荷是指工作记忆对学习任务本身所包含的信息元素的数量及其交互性进行认知加工所承受的认知负荷，与学习材料的复杂性和学习者专长之间的关联程度有关。如果学习材料较为复杂，且学习者在该领域的专业知识较为欠缺，就会增加工作记忆的负担，产生较高的内在认知负荷。相关认知负荷，是指工作记忆对学习任务进行实质性认知而承受的负荷。它产生于学习者在学习某一个任务未用完所有的认知资源时，这时学习者便可以把剩余的认知资源用到与学习有直接相关的加工(比如图式构建)中去。[1]

2 认知负荷理论在仪器分析教学设计中的应用

由于认知负荷是建立在工作记忆容量基础之上的，所以3种负荷之间是一种此消彼长的关系。教师在教学过程中，应当考虑到3种负荷之间的相互关联，进行最优化的教学设计。由于内在和外在认知负荷对学习都有阻碍作用，而相关认知负荷对学习有促进作用，所以教学设计中，应考虑降低外在认知负荷和内在认知负荷，增加相关认知负荷。

2.1 降低外在认知负荷

降低外在认知负荷主要是减少学习者所需要加工的与学习目标无关的信息，最大限度地呈现直接达到学习目的的内容。尽管外在认知负荷都来自于材料的组织和呈现方式，但具体的来源有所区别，比如，有的外在认知负荷是由于过多额外的与学习目标无关的材料引起的；有时候则是由于材料安排混乱，导致学习者要花费大量认知资源用于整理材料。Kester等人认为建立信息适时呈现模型，能有效降低外在认知负荷，[2]Mayer等人以认知负荷理论为基础，提出并验证了多媒体教学设计的5个原则为多样化的呈现原则、接近原则、一致性原则、通道原则和冗余原则。[3]这些研究对仪器分析课程的教学设计有着较好借鉴价值。

2.1.1 信息适时呈现

信息适时呈现就是指当学习者在问题解决中刚好需要某个信息时呈现该信息。在教学中，可在每一章节内容介绍完后，提出一些问题让学生完成，减少学生在完成习题时的认知负荷。或在介绍完某一知识点后安排一些问题让学生独立思考，来进一步提供有关操作的知识。例如在介绍完原子光谱的内容后，提出“测定血清中的Zn、Cr，矿石中的Ha、Ce、Pr、Nd 以及废水中的 Fe、Mn、Al、Cr， 应选用哪一种原子光谱法？”，该问题的回答需要应用原子荧光、原子发射及原子吸收光谱分析法来解决，通过这一问题的解答，可让学生对原子光谱的几种方法的特点及应用有更清楚的认识。

2.1.2 图表的使用

多媒体教学在当前的仪器分析教学中是一种很好的辅助手段，但常会由于一些不合理的操作造成学生的认知超载，严重影响了学习的效率。而恰当使用图表，可有效降低外在认知负荷。在图表中所有的视觉元素都可以同时看到，这样减少了在包括多个空间元素的协调任务中的视觉搜索。如在介绍原子发射光谱中的不同激发光源时，可通过列表比较不同光源的温度、放电特性、火焰特点及应用范围等，而不需要学生消耗更多的认知资源对其进行整理和建构，从而减轻了学习者的认知负担。再者，仪器分析内容涉及许多数据、图谱和仪器结构，通过图表的形式，把仪器结构、部件特征和测定过程中的作用原理、工作流程图等制作成图片让学生直观感觉认识，一目了然。

2.1.3 消除冗余材料

冗余发生在相同信息以不同的方式呈现或呈现不必要的额外信息时。如教学中，为了激发学生学习的动机，教师会在设计课件时增加一些有趣鲜艳的插图、声音等装饰性的无关材料。但这一做法常会分散学生对关键内容的注意，干扰他们对学习内容的组织和整合，实际上是增加了学生的外在认知负荷，影响教学效果。消除冗余材料的方法包括：在自我解释的图像上不要添加文字；不要用文本和声音同时描述图像；避免呈现相同的文字和图像；整合视、听信息，一次只呈现一种方式等，这些都可以有效地降低学生的外在认知，提高学习效率。

2.2 减少内在认知负荷

由于内在认知负荷是由元素之间复杂的交互活动引起的，因而减少内在认知负荷的主要方法就是减少元素间这样的交互活动。Pollock等人认为，恰当的呈现顺序对于学习者在学习特别复杂的信息时可以减少认知负荷，[4]Gerjets等人提出，模块化的样例对降低学习者的内在认知负荷有很好的效果，[5]Renkl等人研究表明，在学习不完整样例的过程中，随着学习者知识水平的不断提高，采用渐减方式呈现不完整样例的解答步骤，到最后演变成问题解决是一个较好的途径。[6]将这些研究应用于仪器分析教学中，对课程的优化设计有着重要的指导作用。

2.2.1 按顺序和分块呈现课程内容

在仪器分析课程中，需要学生掌握各种仪器分析方法的基本理论、仪器的基本结构，要求学生具有选择适宜分析方法的能力。依据所测物理量的原理不同，教学内容主要分为光学分析、电化学分析、色谱分析3大部分。在教学设计过程中，主要考虑内容的呈现方式。如在“光学分析”章节中，先介绍3种原子光谱，然后比较原子光谱与分子光谱的异同，再介绍可见、紫外、红外3种常见的分子光谱法。对于原子光谱，包括原子发射、原子吸收和原子荧光光谱法，课程内容安排时可分成几个模块依次呈现，先介绍3种原子光谱法的基本原理，再依次介绍各方法的特点和仪器装置及应用，最后比较3种的异同。将核磁及质谱法与可见、紫外、红外3种分子光谱法作为一个模块整体学习，一方面可把物质结构与波谱信息结合起来，另一方面也让学生在学习光学分析法的同时掌握仪器分析中主要的定量分析方法。按顺序和分块呈现课程内容，整个过程内容紧凑、逻辑性强，学生易于接受和掌握，从而能有效降低内在认知负荷。

2.2.2 用渐减的方式呈现样例

内在认知负荷不仅与学习材料的复杂性有关，还与学习者在该领域的专业水平有关。在实际教学中，教师可先对典型样例进行分析和讲解，让学生通过样例学习，归纳解题思路和学习方法。教师在提供样例时可以逐步减少样例的解答步骤，最终以问题解决的形式呈现，这样能有效地减轻学习中的认知负荷。如在讲解红外光谱定性分析法时，最重要的是让学生掌握如何对谱图进行正确的解析。

2.3 增加相关认知负荷

增加相关认知负荷主要是通过激发学生的动机或努力让学生将更多的资源放在与学习有直接相关的加工中去，从而促进学习。Paas等人的研究表明提供样例的变式可有效的增加相关认知负荷。[7]龚德英认为，归纳是增加学习者相关认知负荷的较好方式。[8]这些研究成果为仪器分析课程教学设计中增加相关认知负荷提供了指导。

2.3.1 注重提供样例的变式

问题情境的变式可以鼓励学习者发展图式，因为它使学习者更能把相似特征和相关特征与无关特征区分开来，可以更好地促进学生的学习和迁移。如在讲述了红外光谱法原理及红外光谱的应用后，让学生判断几种未知物质能否通过红外光谱法区别开来。解决这一问题的途径，首先可以通过对理论的学习及物质结构的分析得到正确的答案。另外，教师在教学设计中，还可通过找出这些未知物质的红外谱图，比较分析谱图，来得出问题的答案。通过解决同一问题的两种不同方式的比较，进而加深学生对该知识点的掌握。

2.3.2 要求学生能适时归纳所学内容

在学习过程中对学习内容进行归纳不仅有利于梳理错综复杂的关系，还有利于学生对知识的理解。实际教学过程中，教师在完成每章节的讲述后，设计一定数量的填空或问答练习，以作业的形式要求学生对所学内容进行归纳，以使学生对课程内容有一个宏观的了解。

3结 语

认知负荷理论是在现代认知心理学的研究成果中提出的一种先进的教学设计理论，它丰富了教学设计的研究，也为实际教学工作提供了理论参考。本文将认知负荷理论融合到仪器分析教学设计中，提出信息适时呈现、恰当使用图表、避免注意分散和消除冗余材料，可有效降低学生的外在认知负荷。教学设计中按顺序和分块呈现课程内容及用渐减的方式呈现样例等，可减少内在认知负荷。同时课程设计中提供样例的变式，要求学生适时归纳所学内容等，能有效增加相关认知负荷。实践证明将认知负荷理论应用到仪器分析教学设计中，可有效的促进教学效果，提高学生的学习效率。

[1]Sweller J,Merrienboer J J G,Paas G W C.Cognitive architecture and instructional design[J].Educational Psychology Review,1998,10(3):251-296.

[2]Kester L,Kirschner P A,Van Merrienboer J J G,Baumer A.Justin-time information presentation and the acquisition of complex cognitive skills[J].Computers in Human Behavior,2001,17(4):373-391.

[3]Mayer R E,Mereno R.Aids to computer-based multimedia learning[J].Learning and Instruction,2002,12(1):107-119.

[4]Pollock E,Chandler P,Sweller J.Assimilating complex information[J].Learning and Instruction,2002,12:61-86.

[5]Gerjets P,Scheiter K,Catrambone R.Designing instructional examples to reduce intrinsic cognitive load:Molar versus modular presentation of solutionprocedures[J].InstructionalScience,2004,32:33-58.

[6]Renkl A,Atkinson R K,Gunther C.How fading worked-out solution steps works-A cognitive load perspective[J].Instructional Science,2004,32(1,2):59-82.

[7]Pass F,Van Merrienboer J J G.Variability of worked example and transfer of geometrical problem solving skills:A cognitive load approach[J].Journal of Education Psychology,1994,86:122-133.

[8]龚德英.多媒体学习中认知负荷的优化控制[D].重庆：西南大学硕士论文,2009.

The Application of Cognitive Load Theory in the Teaching Design of Instrumental Analysis

Wu Rong,Cheng Lehua
(Department of Chemistry and Materials Science,Chaohu University,Chaohu 238000,China)

In the teaching of instrumental analysis,due to the lack of consideration about cognitive load,cognitive overload often occurs,which then affectsthestudents'learningefficiency.Based on Cognitive Load Theory,a study on the teaching design of instrument analysis has been carried out from the perspectives of reducing extraneous cognitive load,reducing intrinsic cognitive load and increasing germane cognitive load.The appropriate teaching design strategies have been proposed.

Cognitive Load Theory;instrumental analysis;teaching design

G642.3

A

1672-447X（2011）03-0121-003

2011-03-02

安徽省教育厅教学研究重点项目（20100969）；巢湖学院教学研究项目（jyxm201114)

吴蓉（1977-），安徽巢湖人，巢湖学院化学与材料科学系讲师，硕士，研究方向为分析化学。

胡德明