促进有意义学习的小学科学课堂学习材料设计

[摘 要] 理解的意义学习要求教师帮助学生选择、组织和整合相关信息，因此，学习材料必须是有意义的才能促进理解的意义学习，而对学习者有意义的材料应当是能够降低无关认知负荷和原生认知负荷，同时提高相关认知负荷的信息。提出三种促进有意义学习的小学科学课堂学习材料设计策略：明确目标；控制冗余；聚焦要义、突出关键材料等。

[关键词] 意义学习；小学科学；学习材料

[中图分类号] G62 [文献标志码] A [文章编号] 1005-4634（2015）01-0010-04

0 引言

传统的教学要求学生依靠死记硬背、机械重复等被动无趣的学习方式掌握知识，导致学生对科学学习的兴趣不高，从事科学事业的意向较弱等，严重影响科学创新人才的输出。诺贝尔奖得主西蒙说过：“知识的意义已经从能够记忆和重复某些信息，转变为能够搜寻和使用信息。”随着全球化的进程和科技的发展，对新型工作人才的要求越来越趋向于批判性地思考和获取信息、创造性地解决问题和开发产品、反思与改进自己的工作等，这些高阶目标都要通过理解性的“有意义学习”来实现。意义学习立足于将新旧知识相互联系、相互作用，将要学习的新知识纳入原有的知识结构中，获得心理意义，建构或重构成自我稳定的心理品质。科学教学中加强有意义的学习将使学生的学习更加高效，对提升学生科学素养有一定的积极作用。本文就小学科学课堂教学中如何设计能够促进有意义学习的学习材料进行初步的探讨。

1 有意义学习与学习材料设计

学习是基于个人的经验带来的反映在行为变化上的相对持久的认知变化，为了促成学习者知识和行为的变化，教师为学生做出环境的安排即教学，加涅就曾将教学定义为“安排外部事件以激活和支持学习的内部过程”。教学过程中，环境（外部）事件的序列（包括学习材料的内容及其组织方式、教师的行为等教学干预）能帮助学生形成有用的知识结构。

在教育心理学里，学习被划分为有意义的学习和机械学习两种[1]。教育过程所包含的两个最基本目标是促进保持和迁移，保持体现为一种记忆能力，是指教学中所学到的材料能用相同的方式在后续的情境中加以运用；迁移是指运用所学的东西来解决新问题的能力，促进迁移的知识建构即体现为意义学习。“意义学习与目前倡导的建构学习是一致的，都重在帮助学习者领悟自身的经验。”[2]意义学习假设学习者在学习中是对所呈现的信息进行主动加工的主体，意义学习与机械学习的差异在于是否能够促进学习者积极开展基本加工和生成加工[3]。要促进有意义学习，必须满足三个重要的内部条件：教师必须帮助学习者选择、组织、整合相关信息（如图1），即：只有当学习者筛选和注意到了相关信息，将相关信息聚焦和添加到工作（短时）记忆中；并且将已选择的信息组织成一个有内在联系的整体，建立起有机的内在联系；再将经过组织的信息与学习者长时记忆中已有或熟悉的相关知识与图式之间建立起外部的联系，形成一个外部相关的整体；才能最终形成保持优良、迁移优良的理解性的有意义学习。从选择、组织和整合的学习过程中可以看出，促进有意义学习的前提条件是：学习材料本身必须是有意义的。只有学习材料对学生的学习是有意义的，才能使学习者在学习过程中聚焦相关学习信息进行有目的的选择性编码、选择性组合和选择性比较等认知加工活动。因此，在教学活动中应尽可能对学习材料进行充分设计，以促进理解的意义学习。

2 认知负荷理论与意义学习

认知负荷理论（Cognitive Load Theory，简称CLT）是由澳大利亚教育心理学家约翰斯威勒等人于20世纪80年代提出并加以发展的一种理论，其关注人类认知结构与外界信息结构交互作用，近年来在教学设计领域产生了越来越重要的影响。

认知负荷理论以资源有限理论和图式理论为基础。它认为：问题解决或学习过程中的各种认知活动均需消耗认知资源，若所有活动所需要的资源总量超过了个体所具有的资源总量，则存在资源分配不足的问题，从而影响学习或问题解决的效率。影响认知负荷的基本因素主要有三个：个体的先前经验、学习材料的内在本质特征、材料的组织和呈现方式[4]。先前经验是个体长时记忆中所具有的图式数量和质量，其因人而异；对特定个体来说，先前经验已确定，则认知负荷主要取决于学习材料的本质特征以及材料的组织和呈现方式。根据认知负荷的来源不同，将认知负荷分为原生性（内在）认知负荷、外在（无关）认知负荷和相关认知负荷。原生性认知负荷是由学习材料的复杂性和学生的知识水平造成的认知负荷[5]；外在认知负荷是指与学习无关的认知活动施加给工作记忆的认知负荷，主要是由教学设计的缺损造成的额外认知加工活动所致；相关认知负荷是指学习者进行与学习活动密切相关的认知操作而产生的认知负荷[6]。对于外在认知负荷与相关认知负荷的学习材料设计策略都旨在降低外在认知负荷、提高相关认知负荷。

意义学习理论和认知负荷理论都是基于认知加工理论发展起来的学习理论。意义学习要求教学能提供促进学习者积极认知加工的外部条件（如学习材料的内容和组织形式等），凡是能促进学习者积极的认知加工、减少认知负荷的教学都是主动的理解性有意义教学。因此，意义学习要限制外在认知负荷，以便能够将有限的工作记忆资源用于处理内在认知负荷和相关认知负荷。在促进意义学习时，将学习过程的三种心理运作方式——选择、组织、整合的策略与认知负荷理论的三种认知负荷对应起来，内在认知负荷承担了“选择”和适量地“组织”的学习过程，相关认知负荷是“组织”和“整合”的过程，外在认知负荷中的认知加工和达成学习目标间没有关系，不能促进意义学习过程。

3 促进意义学习的学习材料设计

意义学习理论和认知负荷理论均对学习材料有较多的研究，学习材料必须是有意义的才能促进理解的意义学习，而对学习者有意义的材料应当是能够降低无关认知负荷和原生认知负荷，同时提高相关认知负荷的信息。学习材料的准备是小学科学课堂教学的前提，要使小学科学课堂教学促成学生理解的意义学习，需要对学习材料进行设计，以下提出几个有效促进意义学习的学习材料设计策略。

3.1 明确目标，降低原生性认知负荷

一般认为，原生认知负荷是由教学材料内部元素的交互性水平和学生图式的数量与质量决定的，是教学设计所无法改变的[5，7]。但也有研究认为知识渐进与简单-复杂任务序列能简化学习内容，设计辅助信息的呈现类型和时机等策略能降低原生认知负荷[8]。尽管如此，现有研究还大多是在既定教学内容的基础上对教学材料进行简化处理，以降低原生认知负荷。然而，如果教师能够充分掌握确定目标的自主权，从教学目标出发精选学习材料，可使学习材料内部的交互水平得到有效控制，降低学习材料的原生认知负荷。

在科学教学中，教师如果从大概念的理念出发，以课程标准为教学设计的较高目标，跳出现有教材的内容框架，对教学过程进行逆向设计，将会有效降低原生认知负荷。如在《多种多样的植物》教学中，有教师将教学重点放在“认识”各种各样的植物，使用多媒体课件把教材上给出的所有植物一一进行了图文介绍[9]。教学过程中，学生走马观花地浏览了一些认识和不认识的植物，对呈现过的植物没有比教学活动开始前留下更多的信息。然而，如果教师不被禁锢在教材的内容框架中，从本节课的课标要求和大概念指向来看，围绕“生物多样性”来组织教学材料会事半功倍：教师不必再为找不到教材上介绍的植物而烦恼，学生不必增加认识没见过的植物带来的额外认知负荷。围绕教师自主设定的教学目标，选择学生身边的植物进行教学，便可降低原生性认知负荷，将更多的认知资源用于组织和整合信息，促进意义理解。

3.2 控制冗余，降低无关认知负荷

引起无关认知负荷的主要原因是不恰当的教学任务与呈现方式。常见的无关认知负荷来源主要是：过多的教学辅助信息产生的冗余效应和不恰当的信息呈现方式。因此，通过改进学习任务和材料的信息呈现方式，如将学习材料中的多种信息源整合于一体，剔除材料中的冗余信息等，可有效降低无关认知负荷。

小学科学教学中，为了加深学生对概念的理解，常常使用“证实”或“证伪”的研究方法，在教学材料设计时，常常出现冗余效应和注意分散效应。如《液体之间的溶解现象》一课的教学中[9]，需要学生通过探究来掌握的科学概念为“液体也能溶解在水里，形成均匀、透明、稳定的溶液”，教科书提供的参考探究活动是用胶水或洗发液探究以“发现”液体能溶解在水中，用醋、酒精和食用油探究以“证实”或“证伪”液体都能溶解在水中。教学过程中，洗发液溶解在水中可能会产生大量的泡沫，醋和酒精比较刺鼻，这些教学状况都会使学生的注意力分散；同时，胶水和洗发液在教学中的作用相似，都是为了让学生发现液体能够溶解在水中；醋和酒精亦有类似之处，醋和酒精可以让学生发现液体在溶解时气味和味道被均匀地稀释等，如果这些教学材料都同时出现，过多的教学辅助信息将对学生的认知加工产生冗余效应，造成过重的认知负荷。因此，在对教学材料进行设计时，可只选择胶水作为探究发现的信息源，用一种材料达到多种材料能够达到的目的，同时也控制了课堂上产生泡沫分散学生注意力的情况；把醋和酒精换成气味较温和且有颜色的液体（如酱油），既可以探究液体的气味、味道甚至颜色在溶解过程中的变化情况，又减少了气味的刺激反应，也减少了信息源，消除了冗余材料信息。可见，消除造成冗余信息和容易分散注意的材料可有效降低无关认知负荷，引导学习者进行正确的认知资源分配。

3.3 聚焦要义，突出关键材料，提高相关认知负荷

相关认知负荷用于图式的建构与图式自动化，是学习真正发生的过程[8]。有研究表明，在科学教学中，电脑模拟前实验的呈现方式使得学生更关注与实验相关的理论知识，而不是疲于应付具体的实验操作细节，有效地改善实验课的教学效果[10]。这主要是因为该呈现方式由教师有效地控制了无关认知负荷，降低了学习者对学习信息的选择和组织难度，将原生认知负荷聚焦到科学实验和探究的科学理论部分，从而能够将有限的认知资源用于思考和关注实验中的理论问题，促进自我解释，实现新的学习信息与原有认知结构和图式的整合，达成了理解的意义学习。

如在教科版《科学》四年级下册《各种各样的花》的教学中[9]，教师将学生带到了校园的各个角落对春天的各种花进行观察，引导学生比较各种花的构造，希望学生能够发现花的哪些部分与繁殖有关。这虽然能将学生带入真实的观察环境，但同时校园中众多的花使材料之间的交互因素增多，原生认知负荷和无关认知负荷过多，学生学习的认知负荷过载。虽然校园里的花种类很多，但学生观察到的花结构都差不多，并没有找到雌花和雄花，完全花和不完全花的概念也较模糊，无法有效地将观察到的花的结构信息整合到植物的繁殖概念模式中，辨认出花的哪部分与繁殖有关。要帮助学生了解是花的哪一部分膨大成果实、花发育成果实需要哪些要件等，则需要教师寻找更具体和更有意义的学习材料，聚焦主题和要义，突出关键材料，提高相关认知负荷。因此，在教学改进中，教师通过反思和深入研究校园里的植物，最终选定了正在“花果同树”的人工栽培观赏植物重瓣“杜鹃花”为引起学生认知冲突且有事实证据的理想材料：其雄蕊已瓣化失去花药，可视为不完全花；花朵凋零后子房并未膨大成果实，正好引导学生思考植物是不是只要会开花就一定会结果，如果没能结果可能和哪些因素有关，能够通过证据和推理发现花的哪些结构和繁殖有怎样的关系。通过对杜鹃花能否结果这一探究任务的精心设计，在降低无关认知负荷的同时，亦在探究活动中提高了相关认知负荷，促使学习者在真实实践中达成了概念模型的构建和迁移，实现理解的意义学习。

4 结束语

总之，对学习材料进行精心设计，能够使学习者的认知资源用于处理与真正的学习活动相关的认知负荷，提高教学的有效性。除明确目标、控制冗余、聚焦要义等针对学习材料的内容和组织呈现方式的设计策略外，还应加强教师教学活动的设计，对教师的教学帮助和对保持与迁移的测试进行有效设计，全面地实现科学教学理解的意义学习。

参考文献

[1]余文森，林振声.有意义学习——素质教育在课堂教学中的落脚点[J].中国教育学刊，1999，（2）：42-45.

[2]理查德梅耶.面向意义学习的认知过程[J].远程教育杂志，2007，（3）：16-20.

[3]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，2011：6.

[4]张慧，张凡.认知负荷理论综述[J].教育研究与实验，1999，（4）：45-47.

[5]张睆，辛自强.基于认知负荷理论的数学学优生教学[J].教育学报，2010，（3）：59-65.

[6]Sweller J，Merrienboer J，Pass F.Cognitive architecture and instructional design[J].Educational Psychology Review，1998，10（3）：251-296.

[7]张建波.认知负荷理论：教学设计研究的新视角[J].上海教育科研，2006，（11）：51-53.

[8]赵立影，吴庆麟.基于认知负荷理论的复杂学习教学设计[J].电化教育研究，2010，（4）：44-48.

[9]邵发仙，周朝勇，唐小为.小学科学课堂教学材料开发与利用研究[J].教育导刊，2013，（9）：79-81.

[10]吴先强，韦斯林.国外认知负荷理论与有效教学的研究进展及启示[J].全球教育展望，2009，（2）：28-31.