基于认知负荷理论的实验思维台阶搭建策略研究？鄢

冯文俊　柯志超

摘要：在寻求概念本质的教学过程中，应用认知负荷理论分析教学模型，探寻以实验为基础的思维台阶搭建，达成教学的认知目标。并通过对 “离子反应”概念教学中探究实验的设计，提出一种具有普遍意义的概念教学设计思路与结构。

关键词：认知负荷；概念教学；思维台阶

文章编号：1008-0546（2017）06-0013-03 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.06.003

化学是一门以实验为基础的自然学科，课堂上教师在展示化学教学魅力的时候，常常以实验为背景进行学科思维的构建，充分体现化学学科的特点。在概念教学中通过化学实验探索概念的形成，更能提升学生对化学概念本质的理解。但并不是所有的课堂实验都能顺利地引导学生思维，有的实验思维台阶过高，超过听课学生的认知负荷，使学生的思维能力不能跨上教师设置的台阶，就会让本应是学生发挥的课堂尴尬地成为教师个人的演讲台，本应是概念探索的过程生硬地成为记忆的流程。为了更好地发挥实验在概念学习过程中的作用，应用认知负荷理论，通过搭建实验思维台阶，减低课堂无效认知负荷，提升有效认知负荷，达成思维能力目标，无疑是一种很好的尝试。

一、认知负荷理论与教学的相关性

认知负荷理论（Cognitiive Load Theory）是由澳大利亚新南威尔士大学的认知心理学家John Sweller于1988年首先提出来的。所谓的认知负荷是指学习过程中学生完成所给认知任务而需要的心理资源的数量，即工作记忆必须注意和处理的信息总和[1]。认知负荷在教学中的指向关系如表1所示。

三种类型的认知负荷是相互叠加的，使总的认知负荷不超出学习者个体能承受的认知负荷，在准确分析内部认知负荷的基础上，实施教学的过程中增加合理的教学设计，可以尽可能减少外在认知负荷，增加相关认知负荷，提升实验教学的功效。上述过程如图1所示。

二、概念教学中实验思维台阶策略分析

从认知负荷理论的有效负荷来看，教学过程中需要提升相关认知负荷，因此，对实验过程能够运用合理的化学符号进行连续完整地描述，是实验思维训练的重要目标之一。当实验内容与学生的已有认知差距较大时，作为教学的设计者，就应当设计搭建思维的台阶，让学生能够顺利完成实验过程的连续性思维。

在概念教学中通过化学实验的方式进行解析，是探索概念本质的重要方式。化学实验在教学中是与其他教学目标共存的，实验教学除了支持物质性质的学习，以及达成某一实验目标进行的技能训练，还需要承载着学科思维品质的训练功能。实验思维不单是对实验现象的观察、对实验过程的模仿式操作、对实验结论的记忆，更应该包括对实验过程的设计和推演，对实验结论的合理预测和验证，其完整性、科学性和严谨性能够反映出学生实验思维能力的真实水平。概念的本质在实验思维的训练中自然建构形成，而能否在新的实验环境中应用学到的知识是检验概念的内化效果，这一目标的实现取决于相关认知负荷的形成。如果前一环节未达成相关认知负荷的思维终点，就会对下 一环节的知识提取造成影响。因此，以实验为基础的概念教学应经过创设环境、探寻本质、内化提升三个环节，并且反复提升，如图2所示。

三、教学案例分析

离子反应是苏教版“从海水中获得的化学物质”中的内容，海水是一种水溶液环境，水溶液环境是中学实验最重要的反应环境，在水溶液中，离子是微粒的主要存在形式，因此，掌握好离子反应的概念，是学生认识化学反应实质的完善和巩固，也对学生后续的学习（特别是水溶液中的化学反应）打下了重要的理论基础。更重要的，本节课是学生构建微粒观的重要契机。同时离子反应及其方程式的书写是重要的化学用语，贯穿于中学化学教材的始终。因此，在高中化学的核心概念中，离子反应占有非常重要的地位。

1. 教学目标分层——明晰内部认知负荷

内部认知负荷是指工作记忆对认知任务本身所包含的信息元素（如概念、 规则的基本成分的数量）及其交互性进行认知加工活动所产生的负荷。内在负荷源于认知任务本身[2]。

本节课的认知任务有三个层面：

（1）基礎知识层：能区分强弱电解质，并能书写电离方程式；知道离子反应的本质，学会用离子方程式表示溶液中的离子反应。

（2）问题解决层：通过观察实验的现象，对物质的变化进行预测、分析、解释。用语言、图式、符号表达自己的观点。

（3）学科思维层：建立宏观——微观——符号的思维模型。

在认知难点上除了弱电解质和离子反应这两大概念外，宏观——微观——符号之间的联系也是贯穿整节课的思维主线。即使高一的学生已经具备一定的分析问题能力和一定的实验探究能力，但抽象思维能力仍较薄弱，同时这些知识元素交互性很强，因而在教学初期需要减少这些元素的交互活动。

2. 多台阶思维链——降低外部认知负荷

外部认知负荷是属于无效负荷，在实际教学中过高的外部认知负荷会严重降低学生的学习效率，依据Sweller 等人研究总结的6 个效应以及本节课的教学内容，为有效降低外在负荷的教学设计，综合考虑其中的自由目标效应、样例效应、注意分散效应，通过教学设计的优化、知识信息的重组，搭建多思维台阶链，分解复杂认知任务，简化学生认知加工，降低外部认知负荷。

本节课需要在学生比较困难的宏观与微观之间的思维转换上，明确实验目标，促进学生关注实验过程的状态和思维角度的选择，在实验结论交流中归纳出思维模型，作为学生思考的样例，以形成宏观——微观——符号的三重表征主线。

例如，在溶液导电能力与离子浓度大小的关系上，由教材的一个实验拆为3个实验，分别将溶液中的离子是溶液导电的原因、灯泡亮度反应出溶液的导电能力、溶液的离子浓度大小影响着溶液导电能力这三个问题用实验的方式呈现出来；在溶液中离子的反应关系上，设计pH和电导率的手持技术实验，通过技术实现离子变化可见，让学生从实验过程性数据曲线分析离子的变化。

3. 强化连续思维——提升相关认知负荷

相关认知负荷有利于学生把大量复杂无序的信息组合成简单有序的知识体系， 实现学生认知结构的优化， 有效降低工作记忆的认知负荷。 相关认知负荷的增加还有利于意义的建构[3]。在高中，多数学生能够很快地接受物质、方程式等简单的化学符号，但是连续性描述过程还是显得困难。在过程的应用中，各种成分间的交互关系增强，对知识意义的认知超过对知识内容的记忆。对知识意义的加工是一种能力，需要学生自身的悟性，也需要学习过程的训练。

形成相关认知负荷是思维台阶的目标，每一个重要的知识点在经过多个思维台阶，形成多个已有知识和现有现象之间的联系之后，需要整理无序的知识碎片，借助样例效应，建立有序的连贯性思维。本节课有“两概念一思路”需要通过相关认知负荷的建立进行建构和巩固，两概念指强弱电解质的概念和离子反应概念，一思路指宏观——微观——符号思维主线。

例如关于强弱电解质的概念有三个相关认知负荷提升点，一是借助等浓度的氨水和NaOH溶液导电性实验对比，从宏观——微观——符号说明强弱电解质的概念；二是借助等浓度的醋酸溶液和盐酸导电性实验对比，再次从宏观——微观——符号巩固强弱电解质的概念；三是在氨水与盐酸反应的pH和电导率变化图像的预测、分析、推演中，应用强弱电解质的概念。

四、搭建思维台阶的教学设计

基于以上分析，在本节课的教学设计优化之后，創设“三环节六实验一讨论”的思维台阶，逐级增加材料元素的交互性，降低学生对认知加工的压力，增强学生对微粒观的认识，从本质上理解离子反应的概念，提升学生实验思维品质。

五、案例反思

1. 认知负荷理论与思维台阶整合教学效率

实验是直观的，但是实验现象背后的思考才是课堂交流的重点，课堂的交流就是教师与学生思维的对接，思维跨度就是学生外在认知负荷主要体现，合理的课堂交流能够引导学生的思维一步步地达到能力目标。当前课堂上学生注意力的重心是在实验现象的观察和实验操作细节的掌握，而忽视实验整体思维能力的塑造，我们应该反思如何有效培养学生在实验中的思维能力。因此，必要的思维台阶能够帮助学生形成正确的实验探究观念。搭建思维台阶的方式有多种，阅读、语言、文字、视频、动画、实验都能成为思维的台阶，它们都能发挥各自不同的教学功能，达成学习的知识目标，但是从整体实验思维能力的培养角度来看，动手实验有其检验的真实性，无疑是解决实验思维的最好办法。

2. 重视概念的建构与应用过程

概念不是简单的记忆，应该是一个思维探索的过程。北京师范大学的姜忠提出利用探究实验建构概念的设计结构应包括4个部分：以新概念为基础设计实验、学生以原有概念去解释实验、利用认知冲突探究实验、利用探究结果形成新概念。这一结构能够加深学生对概念形成过程的体验，能够使学生更加深刻地体会概念的含义[4]。

3. 重视相关认知负荷的形成

教学的过程中往往产生很多的知识碎片，学生需要从中获取有助于形成实验探究整体思维的部分，教师应当增加学生在这一过程的认知负荷，在课内或者课外，培养学生形成连续性思维的能力，这是实验思维台阶搭建的最终目标。提升相关认知负荷可以在阶段知识的小结或者是概念建构的小结中，还可以在知识或思维模型的应用中，以检验学生的认知目标是否达成。

实验既是引发学科兴趣的基础，也是引发学生思维的起点，概念是思维达到一定阶段的精华概括，教师需要引导学生从知识表面的认识到知识本质的认识。充分利用认知负荷理论将实验作为概念教学的思维情景，设计合理的思维台阶，是能够符合学生的认知发展规律，顺利达成概念的建构和思维能力培养的目标的。

参考文献

[1] 陈颖，胡志刚，李盼盼.基于认知负荷理论探讨化学高效教学的策略[J].化学教学，2014（6）：19-22

[2] 唐剑岚，周莹.认知负荷理论及其研究的进展与思考[J].广西师范大学学报，2008（4）：75-83

[3] 胡君.基于认知负荷理论的 “质量守恒定律”微课教学设计[J].课程教学研究，2014（9）：47-51

[4] 姜忠，欧阳津.概念同化教学中探究实验设计研究[J].化学教育，2016（13）：20-23