降低认知负荷促进小学生科学知识建构

教育心理学研究表明，有意义的学习是选择、组织和整合信息（认知加工）的过程。认知负荷是指学习者在对学习任务进行认知加工的过程中所承受的一定的负担，可以分为无关认知负荷、必要认知负荷和生成认知负荷[1]。无关认知负荷是指与学习者目标达成的信息加工过程没有直接关联的工作负荷，必要认知负荷是指学习者加工新知识时所必须承载的工作负荷[2]，生成认知负荷则是指个体把新旧知识融合、形成个性化理解所带来的加工任务。学习者的工作记忆仅能承受有限的认知负荷，小学科学教学的方向就是要避免产生无关认知负荷，在高效组织新信息内部联系的前提下善用必要的认知负荷，腾出记忆空间，促使新旧知识的整合。

当前小学科学教学中，我们会发现一些教师为实施新课程倡导的自主、合作、探究的学习方式，把科学课上成实验操作课，认为让学生动手做实验就是在“探究”，运用大量的实验替代对科学概念的理解和科学知识的掌握。由此造成的结果是，学生学的科学知识是零散、紊乱的，他们对科学概念的把握也会出现混乱和偏差。看似热热闹闹的科学课却给学生增加许多无关的学习资源，导致无关认知负荷充满他们的工作记忆空间，无法进行有效的认知加工，且在复习阶段大量概念知识的呈现会占满学生工作记忆的空间，大大加重他们检索和加工信息的负担，使学生负荷超载[3]。因此，为了降低小学生学习科学的认知负荷，我们可以在信息选择阶段，合理取舍材料，避免学生受无关信息干扰;信息组织阶段，切块呈现信息，降低信息组织难度;信息整合阶段，借用图示表征，提高信息整合能力。

一、合理取舍材料，避免无关信息干扰

取舍材料要以教学目标和内容为依据，精心选择与学习内容相关的教材、练习、探究工具等教与学的材料，要在收集整理材料的基础上，通过比较研究，对教材、练习、工具等进行合理取舍，避免学生在课堂教学中被无关信息干扰，从而降低认知负荷，减轻学习负担，提高学习效率。

1.精选工具

学习科学时，通常需要用探究工具来帮助建构学习内容。教师要精心准备有关的教学工具，工具必须充足和典型，从而辅助学生进行思维活动，使其能顺利地发现问题、解决问题、获取新知，相反，过多、过杂或不合理的工具会干扰学生的思维，增加其无关认知负荷。

以科学实验器材的精选为例，教师在进行科学教学时要合理选择实验工具。例如，在讲授“空气的热胀冷缩”一课时，教师要提供小烧瓶、烧杯、试管、有孔橡皮塞、大小不同的气球、瘪的乒乓球等实验材料，让学生自行设计实验证明空气的热胀冷缩。其中，大气球最能夺人眼球，大多数学生会选择利用大气球来设计实验方案。有的会把大气球封口后架在装热水的烧杯上，期待气球的进一步胀大;有的会把大气球套在小烧瓶的瓶口上，再把烧瓶放入热水中，但由于气球太大，烧瓶又太小，在进行实验时常常看不到明显的现象。在实验时间快结束时，可能会有比较性急的学生将气球吹大套到烧瓶上……其实，这堂课给教师的教训或者建议就是精选实验材料，如果去掉大气球，学生的注意力就会集中到其他材料上，如试管、吸管、有孔橡皮塞、小气球。显然，这种干扰学生认知负荷的“鸡肋式”材料，教师教学时要坚决果断地予以舍弃。

当然，精选工具并不是一味地减少工具，也有必要增加一定的工具。例如，教学“像火箭那样驱动小车”一课时，如果只按教材中提供的气球驱动小车，学生对反冲力的理解就会比较片面，不利于建立科学概念。此时，教师要增加一些实验材料，如喷气能飞的气球、喷气能跑的小车、喷气前进的模型船、喷水能打转的矿泉水瓶。这组材料中有气球、小船、瓶子、小车，看似彼此毫无关联，但因为教师的精心设计使其集合在一起就具有了结构。学生在操作中发现，在发现中归纳，对“反冲”这一现象就会有科学的认识和理解，从而形成科学概念[4]。

2.精选练习

练习是学生掌握知识的非常重要的手段。很多教师和家长都认为练习做得越多，知识就会越巩固，而且当前市场中的教辅练习多如牛毛，以致很多学生陷入题海战术的深渊。事实上，作为以实验探究教学为特质的小学科学，单纯的纸笔练习凸显出一定的局限性，好比是驾驶员考驾照，只考理论，我们很难看到学生在学完科学后是否有应用所学知识解决实际问题的能力。因此，少而精的非纸笔练习的实验操作练习应运而生。它不仅可以达到巩固知识的目的，还会提高学生的动手能力，真正让他们在学习中解决实际问题，从而减轻认知负荷。

例如，教师讲完“磁铁”单元后，为了检测学生是否形成有关磁铁、磁极的认识，通常会布置大量的纸笔习题，帮助他们巩固知识。有判断题，如磁铁有指示南北方向的作用，对其判断对错。有选择题，如一块条形磁铁摔断成A和B，那么下列说法中哪种正确。一是：A是南极或北极，二是：A和B都有南极和北极，三是：无法确定磁极的具体位置。有简答题，如请用两种以上的方法判断一块条形磁铁的磁极。这样的练习，虽然可以检测学生关于“磁铁、磁极”的认识，也从不同角度关注了他们掌握知识的程度，但小学生在这类纸笔练习下，依旧不能利用已有知识解决实际问题，且由于内容繁多，容易干扰他们正确掌握信息。

因此，为了凸显科学课的特质，帮助学生真正掌握所学的科学内容，教师要精心设计，将上述纸笔练习题转换成实验操作探究题，准备一定的材料，例如，一个没有标明南北极但有颜色区别的小磁针、一个支撑磁针转动的支架、一块较大的条形磁铁、两张小贴纸，要求学生利用已有材料，判断条形磁铁的南北极，并标注在贴纸上，贴到条形磁铁的相应位置。

我们可以看到，这样的练习，其材料简洁，问题清晰，而且学生在完成操作时也培养了他们解决实际问题的能力，能运用磁针指示方向，分清现实生活中的南北方向，能利用“磁铁同极相斥，异极相吸”的原理判断条形磁铁的南北极，也运用了两种判断磁铁、磁极的方法。这就使得在达到教材要求的目标的同时，并不只是让学生对知识概念进行识记和回忆，不再只是以文字为主要方式的认知重现，而是强调用实验操作的方式展示和表达他们对知识、概念以及综合运用的能力，更有针对性，让学生在较少的单位时间内获得最大的收益。

所以，在深化新课改之际，面对多种版本的教材，面对纷繁复杂的习题集，面对形式多样的实验探究材料，只有精心选择材料，比较研究材料间的优劣，选择适合学生的材料，才能促进学生对信息的有效选择。

二、切块呈现材料，降低信息组织难度

切块呈现是指通过片段化呈现的方式，让学习者在完成当前片段所需要的认知加工后，再去学习下一片段，最终以步步推进的方式完成知识建构所需要的全部认知加工[5]。与连续单元的形式相比，这种按照学习者的学习进度分块呈现的形式能更好地应对由学习材料本身的复杂性所造成的认知超载。要达到不同的学习结果，切块呈现的形式也要有所区分。我们主要以科学知识的学习以及探究材料的呈现为例阐述切块呈现的具体操作。

1.切分内容

当新授的知识内容过于复杂时，教师要将学习材料或任务分解，再依序呈现片段内容。只有合理切块，有序呈现，复杂的新信息才能逐一被理解、组织。例如，“制作一个一分钟计时器”一课的目标是让学生了解摆钟的原理，并学会制作计时器，但由于学生往往不知道摆钟的各部分名称，对其核心原理更是不了解，所以教师教学伊始不能只呈现摆钟整体的运动结构图，不对其各部件及运作原理做出解释。因此，教师就可以采取切块呈现的策略，进行下列具体操作：第一，学习摆钟各零部件的名称，如齿轮操纵器、摆锤、垂体、齿轮等。第二， 分系统认识，将工作原理分成三幅分解的图来说明。第一幅图呈现摆钟初始状态;第二幅图呈现钟摆摆动到最左边的状态，此时长针部分的操纵器倒钩松开，垂体拉力让齿轮往前转动一齿;第三幅图呈现的是当钟摆往右摆动时，右边的齿轮前进一齿。第三，动手操作组装计时器模型。组装过程中，要求学生仔细观察摆锤与齿轮操纵器的运作过程，从中理解摆钟的工作原理。第四，调节摆长，完成一分钟计时器。

通过上述的学习活动，学生会在探索摆钟系统整体运行原理前，逐步了解各部件的名称、功能及分系统的运行。这种层层推进式的内容呈现，会为学生的认知加工提供很好的定向指导作用。

2.器材组合

在科学教学中，我们常常需要用许多实验器材帮助建构学习内容。在教学材料较多的情况下，过早地一次性呈现所有材料会造成学生注意力的分散，干扰他们的思维或增加无关认知负荷。教师为学生活动准备的学具，要有严密的结构[6]。把有结构的材料放在一起，它们之间会存在一定的相互关系，不同的组合会使学生得到不同的探究结果。一缸水、一个木块、一个小垫圈，这样一组材料会让学生得出什么结论？有学生会说铁块在水中是沉的，木块在水中是浮的。由于材料结构太过简单，很难让学生形成规律性的科学概念。但如果提供另一组器材，如一盆水、相同体积的圆柱体（木、铁、塑料、橡胶），学生的探究结果又会是怎样的？因为材料之间的强烈对比性，学生会得到一个规律性的认识：相同体积的物体，重的容易沉，轻的容易浮。

例如，以“物体在水中是沉还是浮”为例，教师在教学时需要遵循严密的逻辑关系，先要让学生隐约地感觉到物体的沉浮与轻重、大小是有关的，再让他们感受到沉浮与轻重、大小又似乎没有关系，最后察觉到与轻重、大小又有一定联系。要让学生经历从模糊到清晰、从肯定到否定再到肯定的过程，这依赖于有结构的材料，即相同体积不同重量的球以及相同重量不同体积的立方体。教师要试图通过这组材料，让学生探究影响沉浮的因素，获得关于物体沉浮的规律。而这些有结构的材料也只有随着学生思维的步步深入而依次提供，才能引导他们体会到科学探究的过程与乐趣，使探究活动循序渐进[7]。

三、图示表征信息，提高信息整合能力

图示表征是指运用直观图示帮助学生组织、整合信息。利用可视化图示教学，其本质是将相对抽象的思考对象“图示化”，把问题、情境、概念理解、规律探索等思考过程变得直观可视，使抽象变形象、内隐化外显[8]。作为小学生，他们学习过于抽象的内容是很困难的，这源于他们的思维还处在由形象思维向抽象思维过渡的阶段。然而，如果能使用可视化图示，使新知识的内部结构与原有知识间的联系外显可视，就可以帮助学生完成新旧知识的整合。图示表征可使学生学习中的思维过程外显可现，使他们对知识的整合更为便捷。

1.知识树

有意义的学习依赖于学习者的积极认知加工或知识建构，只有将新旧知识密切地联系起来，学生才能较轻松地记住这些知识。图示可以对教学内容起深化和补充说明的作用，用以帮助学生理解文字所描述的概念、规则间的相互关系，形成知识的体系[9]，这在一定程度上能够帮助学生学会怎样学习。知识树能很好地促进学生新旧知识的联结。

知识树是学生快速检索知识的地图，其本质上是一个层级式知识图，是为实现某一学习目标而建立的所有相关知识间的因果关系或从属关系的知识框架。用形象直观的知识树来梳理知识结构，是一种很有效的学习方法。在学习中，学生常常会注意教师每一节课的知识，却会忽略知识与知识之间的联结，很少从整体上思考知识结构，更不会思考这些知识点由何而来，学习知识的目的要到哪里去，久而久之，就容易形成“一叶障目，不见泰山”的局面。特别是到期末总复习时，学生满脑子都是些零零碎碎的知识点，混乱无序。然而，借助“知识树”，可以迅速地让学生回忆起单元的学习内容，避免其耗费大量的认知资源梳理学习材料，为加工整合信息腾出尽可能多的认知空间。

由于画知识树具有很高的统整性，对学生而言有一定难度，教师可以先提供一个不完整的知识树让学生填空，帮助他们掌握它的结构，适当降低难度。然后，再放手让学生自己画完整的知识树，也可鼓励学生用多种形式来创作。例如，在讲授完“生物与环境”单元后，教师可以给学生展示一张留有空白节点的知识树（见图1），要求学生独立完成空白部分，检测他们能否理清从“个体”到“生物圈”的关系。如果学生能顺利完成，这说明他们对本单元的新旧知识概念已经掌握，也对知识树有了感性的认识，并会尝试通过画知识树来整理

知识。

2.维恩图

小学阶段，学生会认识很多概念，其中有些概念会相互联系，还有些概念是很容易混淆的。如果不弄清它们之间的关系，学生就容易出现错误。维恩图是表示事物之间区别和联系的图形，可用于选择、分类和比较信息。在科学课上，我们可以利用维恩图促进学生比较信息，梳理概念，优化知识组织结构。维恩图用两个圆来呈现事物的不同信息，将事物各自的特征分别记在两个圆中，它们的共同特征则应填入两个圆的交叉部分。借助维恩图，教师可以在教学中指导学生重点比较观察两个事物（或概念）的联系与区别，从而对比较的事物有个明确的认识。同时，利用维恩图，让学生将所学知识内容进行归纳整理，也是一个有效的方法。

美国心理学家乔纳森曾指出，当学生试图用图示的方法表征事物时，他们的思维往往正处于最佳状态，教师也可通过图示来评价他们的理解程度。事实确实如此，分类图、维恩图等可以将内隐的思维过程予以形象化的外显，从而使学生准确地理解概念、把握规则[10]。

在小学科学教学中，运用精选材料、切块呈现、图示加工等策略，有效地降低学生信息加工过程中的认知负荷，促进他们对科学概念理解和探究能力的提升，不失为科学有效的教学策略，也取得了比较明显的效果。但如何进一步减轻学生的认知负荷，提升学生的科学素养，这一任务任重而道远！

参考文献：

[1][2][3] 张忠华. 在科学教学中减轻学生认知负荷的策略[J]. 教学月刊小学版（综合），2013（11）.

[4] [6] 喻伯军. 小学科学教师专业能力必修[M]. 重庆：西南师范大学出版社，2013.

[5] 张丽，盛群力. 技术应如何致力于促进学习？─梅耶论多媒体学习与教学设计的原则[J]. 远程教育杂志，2009（2）.

[7] 陈梅娟. 浅谈小学科学实验材料的优化处理[EB/OL].http：//www.pep.com.cn/rjwk/xxkx/2010d3q/jxts/201010/t20101014_933743.htm.

[8][9]马兰，盛群力. 课堂教学设计—整体化取向[M]. 杭州：浙江教育出版社，2011.

[10]庄治新. 善用图式表征促进学生数学能力的深层建构[J]. 江苏教育研究，2013（7）.

（作者单位： 浙江省杭州时代小学）

（责任编辑：孙建辉）