基于认知负荷理论的化学虚拟实验评析研究

卢文静

（华东师范大学 教师教育学院，上海 200062）

一、前言

（一）虚拟实验

虚拟实验这一概念是由弗吉尼亚大学 (University of Virginia)的William Wulf教授在1989年最早提出的。基于现代虚拟现实技术（Virtual Reality technology）的虚拟实验室（Virtual Laboratory）是模拟真实实验形成三维的虚拟环境，学习者可以访问虚拟空间模拟真实实验过程，伴有真实的体验感，具有感知性、沉浸感、交互性，是一种新型认知学习工具，是仿真技术、多媒体技术、传感技术等多种技术的集合体现。

近年来，虚拟实验的开发与应用在国内外获得非常大的关注，从最初的2DFlash交互式的虚拟实验构建，到现在3D的基于Java、VRML、MATLab、QuickTime VR技术的虚拟仿真实验室构建，虚拟实验也引起教育界的广泛关注，这跟其自身的优势具有密不可分的关系。虚拟实验的优势如下：（1）灵活性，在传统实验教学中，经常由于时间和地点的限制，实验课程开展会受阻，而虚拟实验则不受时间和空间的限制，学生可以在家或者在学校进行虚拟实验。（2）节约性，传统化学实验某些仪器和药品昂贵，实验无法普及，如果要进行重复实验，需要消耗大量药品，成本高。虚拟实验的设置，让学生利用电脑等资源可以进行无限次重复实验，减少实验仪器和药品的损耗。（3）安全性，传统的实验室的安全性难以保障，特别是使用到腐蚀性、剧毒性的药品，这些化学实验存在一定的安全隐患。用虚拟实验来模拟实验的操作以及现象，可以确保师生的生命安全。（4）效率高，学生在进行虚拟实验时，可以加快实验操作的步骤与减少实际反应所需要的时间，并且能直接利用计算机，将实验的结果进行数据处理，是数据变得可视化，提高学习的效率，减轻教师的教学负担。

国内外现在正在尝试将虚拟实验用于化学实验教学，对于其教学效果，不同的研究产生不同的结果，具有正面的作用或者反作用。因此，要想将虚拟实验切实推广于真正的教学实践中，并且满足教学要求，需要理论指导虚拟实验设计以及教学过程的实施。本研究将从认知负荷的理论角度分析虚拟实验用于教学实验的适用性，探讨认知负荷如何影响化学虚拟实验。

（二）认知负荷理论

澳大利亚Sweller等人根据认知负荷的来源，将认知负荷分为内在认知负荷、外在认知负荷和关联认知负荷。内在认知负荷来源于学习内容本质与学习者专业水平之间的相互作用，不能被教学设计所改变。外部认知负荷来源于教学设计不当引起的。认知负荷理论认为学习过程中所经历的总认知负荷是由这三种负荷类型叠加而成的，当学习过程中这三种类型的认知负荷总和超过工作记忆的限制时，就会出现认知超载，学习将受到抑制。

虚拟实验作为一种新型实验教学的手段，其设计及应用需要考虑学生的认知负荷情况。传统的实验教学由于实验时间有限，无法多次重复进行实验，学生在规定的时间内对实验内容的认知负荷较高。虚拟实验的视觉媒体技术教学是解决认知问题的一种切实可行的方法。有研究表明，使用影片指令等视觉化的途径的虚拟实验的学生，其知识保留率更高，也就是说使用视觉化的指导可以减少学生的外部认知负荷，增加了对知识的理解记忆。有研究利用多媒体增强互动型虚拟实验室（MEIVLs）进行研究，使用虚拟实验室的学生的学业成就普遍比未使用的要高，这是因为虚拟实验融合了视觉、听觉、图像以及互动模式，因此学生对内容的掌握更加容易，减少了认知负荷。

二、虚拟实验中的认知负荷

从认知负荷的角度分析虚拟实验，虚拟实验中的认知负荷具有两面性，一方面虚拟实验通过微观过程可视化以及将化学抽象概念用动画、图片等模拟出来，让学生更易于理解化学的微观过程和化学概念，并通过称量反应过程的数据，运用图表定量曲线表征，从而让学生更加直观地理解化学规律变化，降低学生学习的认知负荷；另一方面，学生对于虚拟环境和进行虚拟实验的电脑操作过程的不熟悉以及实验仿真程度不够，例如实验误差，虚拟实验以及真实实验之间的差异会引起学生的抵触情绪，从而增加学生的认知负荷。

图1 宏观—微观—符号表征与虚拟实验的交互作用

（一）虚拟实验如何减少认知负荷

1.通过可视化减少认知负荷

化学学习一般都会从三重表征的层面出发，宏观—微观—符号，而学生在化学学习过程中，宏观表象可以通过感官直接体验，而抽象的微观层面知识以及抽象的化学概念，例如微观粒子组成与结构、运动过程及相互作用、反应机理和原子、电子、化合物和分子等概念通常无法直观体验，已经超出学生已有的经验，学生在认知上存在一定困难，因为他们无法将它们与适当的心理模型关联匹配。这些微观层面的概念本质上的内在认知负荷就比较大，而在传统的教学当中难以将微观概念清楚地解释清楚。随着信息技术的发展，将抽象的物质如分子、原子、晶体网络结构利用图片、视频、动画等方式将其进行可视化操作，这减少了学生的认知负担。国外许多实证研究证明使用虚拟实验室作为一种可视化教学工具，可以帮助学生学习化学，减少认知负担。在虚拟实验室中进行实验，通常可以对一个概念进行宏观—微观—符号三个层面的呈现（见图1），也可以将化学概念理解、过程可视化和模拟三个层次有机地结合起来，从而提高化学教学质量。

相对于传统的图片静态的可视化，虚拟实验的过程本身可以看做是一种动态的可视化，可以将宏观世界与微观世界动态可视化展现出来。如在进行《物质性质及其变化》教学时，虚拟实验使用动态模型过程，将微观层面的化学反应过程动态化地呈现，同时又展现宏观现象，再加上符号表征，可以同时实现三个层面的可视化，可以促进学生在微观水平上心理模型的形成。虚拟实验将微观抽象物质与过程动态可视化地展现，对化学反应过程进行模拟，降低了学生的认知负荷，为抽象化学知识的理解与学习，提供了一种新的教育途径。

2.通过曲线表征减少认知负荷

在化学实验中，经常需要测量实验数据，通过图表显示其实验规律，传统的实验操作中对于实验现象只能做宏观的记录，或者简单地记录数据，但过程比较繁琐。应用虚拟实验室，其系统的程序设定可以记录相应的数据，并且将其以图表的形式表示出来，通过图像的曲线表征，学生可以直观明了地观测某一变量随着另一变量的变化，以及理解其中蕴含的化学规律，从而更好地理解抽象的数据。

例如：在中学化学研究化学反应速率，利用镁条与盐酸反应时，学生在虚拟实验室从屏幕菜单中选择HCl溶液浓度和镁金属带长度来控制反应条件，并通过控制温度计选择反应温度。在实验的过程中通过屏幕截图记录实验现象。化学反应速率受多个因素影响，例如温度、浓度、固体的表面积等，在本实验中可以探究温度、浓度、固体的表面积等影响化学反应速率的因素，通过记录收集的氢气体积随时间的变化的数据，同时记录不同实验条件，可以定量地画出气体体积与温度、浓度在各个时间点的关系图，学生可以直观明了地理解温度、反应物的浓度对化学反应速率的影响，学生易于接受，可减少学生的认知负担。同时该实验具有连贯性，可以同时探究不同的实验条件，可以从整体层面理解与把握化学反应速率的影响因素，形成较为系统的知识网络结构，而不是零碎化的知识。虚拟实验能够对实验中变化的物理量与时间关系的所有点的集合所构成的曲线进行表征。

3.通过个性化学习减少认知负荷

虚拟实验的开设，可以满足不同层次学生的个性化学习。传统的物理实验室要求学生在规定的时间内完成实验，但是由于学生实验能力水平不同，不可能所有学生都能在同一时间内完成实验并且理解实验的过程和现象，这对于总认知负荷量较少的学生来说，很容易超出他们的认知负荷。虚拟实验由于不受时间和空间的限制，如果没有得到满意的实验结果或者没有理解实验内容，学生可以重复进行实验，甚至可以通过远程控制在家利用计算机进行模拟实验。另外，虚拟实验室也可以作为预习和复习的工具，满足不同层次学生的认知需求。

（二）虚拟实验如何增加认知负荷

认知负荷是指学习的记忆容量是有限的，所以，学习者的记忆容量最好是针对学习的内容，而不是被无关的内容占据。虚拟实验界面设计不当，或者引入过多的无关知识，会分散学生的注意力。当使用虚拟实验进行实验时，不可避免地是学生必须学会如何操纵电脑或者虚拟软件，学习如何使用虚拟实验，但是这通常与实验无关。这些操作增加了学生的认知负担，如果相关知识比较难掌握，则会容易使学生产生挫败感，消退学习兴趣。虚拟界面信息呈现的数量、活动的复杂性和繁复的实验程序设计可能会占用学习者宝贵的工作记忆资源，影响学习效果，从而阻碍更深层次的学习。

另外，虚拟实验自问世以来，技术不断发展提高，使得虚拟实验从二维走向三维层。目前，大多数的虚拟实验室仍然停留在基于电脑和鼠标操作的软件式的虚拟实验，并不能真正地动手操作，缺乏真实体验，这是相对于真实实验的最大的认知障碍。国外许多研究表明，可以通过增加一些程序性的辅助认知工具以及通过技术改进提高仿真性来避免增加学生的认知负荷。主要从下面两个方面改进。

1.通过程序指导避免增加认知负荷

虚拟实验的界面越简单明了，指导性越强，越能够降低学生的注意力分散，产生的认知负荷越低。所以，在设计虚拟实验程序系统时，需要考虑用户的信息技术水平，设计出简便明了、易于操作的系统。例如，可以在虚拟环境中提供各种认知辅助工具（诸如颜色的改变，箭头、有关任务过程的文本信息等）以帮助用户完成任务，这些辅助工具可以提高用户的性能，降低用户的认知负荷。另外，学习者在开始使用虚拟实验时，对虚拟实验环境的不熟悉会增加学生的认知负担，所以，在使用虚拟实验室之前，必须进行相关操作的培训指导。

2.通过技术支持避免增加认知负荷

由于真实实验与虚拟实验之间实验体验感的差异造成的认知负荷差异可以通过技术的支持来解决。虚拟现实技术的提升，使得虚拟实验的真实感在不断提升，国外开发虚拟实验室使用自然用户界面（Natural User Interfaces、NUI）、借助Leap motion控制器和手势识别器，在实验操作的过程中可以根据手势以及动作就可以完成实验操作，模拟真实实验中的动手操作过程，并且研究表明使用NUI界面或者Leap motion控制器的虚拟实验相对于其他传统软件式的虚拟实验，学生的实验体验效果更好，实验自我效能以及实验意愿更强。在国外开发得比较成熟的中学化学Second Life（SL）虚拟实验室中（如图2），学生能够在虚拟的空间拥有自己的实验空间资源，通过控制他们的化身来收集数据，并且能够支持社交行为，如同真实世界中同伴之间的相互交流，增加了同伴共同学习交流的理念。

图2 SL虚拟实验室截图

虚拟现实技术的提高，是通过以下四个方面来增加学生使用虚拟实验室的真实感，从而避免增加学生的认知负担。（1）确保实验结果取决于学生的行为，跳过程序步骤将改变实验的结果。如果某一步骤出现小错误，实验不会因此停止或失败，但学生得到的实验结果可能会不太准确。（2）实验数据是通过算法确定的，但计算机代码会对数据引入小的随机误差（±2%）。即使重复完全相同的初始条件的实验也可能产生不同的实验结果。这种数据结果使得数据更加接近于真实实验的数据结果。（3）实验室工作台附近的化身可以参加实验，所以，学生在虚拟实验室中一起做实验就像在真实的实验室里一样。同一实验室内的化身只能看到位于同一实验室的其他化身，并且可以用语音聊天或者文字功能与之通信。（4）在虚拟实验室学生必须以与现实世界实验室学生相同的方式观察实验现象，可以选择在实验室讲义中记录数据，进行计算和分析结果。每个实验室站点的重置按钮允许学生在出错时重新开始实验。技术的提高，增加了虚拟实验的真实体验，也减少了因虚拟实验与真实实验之间的差异而引起的认知负担。

三、虚拟实验室的未来发展与建议

（一）提升技术，增加真实感，减少认知负荷

当前的虚拟实验技术仍然需要提高，通过技术改进使得虚拟实验室更加契合教学要求以及学生的认知水平，减少认知障碍，促进学习。

虚拟实验“限制了学生犯错误的能力”，同时虚拟环境也限制了他们识别错误来源的能力。通常，学生将错误来源归结于所使用的技术而不是实验操作。学生在现实世界实验室中执行实验操作时往往会产生一些错误，可能会出现许多意外的结果。虽然虚拟实验也引入了一些随机误差，但是对于真实实验操作可能出现的结果，模拟得不尽完善，这仍然需要技术的提升与完善虚拟环境的真实性，增加学生“犯错误”的机会。

对于教师来说，在虚拟实验室中，教师无法观测到每个学生实验进展的情况，无法了解学生犯错误的情况，未来在设计虚拟实验室时应考虑这些问题，使得教师能够监控每个学生进行实验的情况，提供更加广泛便捷的师生互动交流方式，以及创建个人实验行动的数据库，教师可以查看动作列表，找到学生错误执行的步骤。通过技术提升，完善现在的虚拟实验室中可能增加学生认知负担的因素，增加虚拟实验的真实感。

（二）兼顾虚拟实验和真实实验

随着现在虚拟实验技术的提高以及推广应用，导致真实实验的作用被忽视。虚拟实验不能代替真实实验，但虚拟实验能补充真实实验不能涉及的地方。对于如何处理真实实验与虚拟实验的关系，必须认清虚拟实验与真实实验之间的主次关系，将真实实验与虚拟实验相结合，相辅相成，形成混合的实验教学模式。学生预习时可以在虚拟实验室进行实验预习和操作演练，接着再进行真实实验，以确保真实实验的成功性，也节约了实验时间与成本。在课后复习时，学生也可以利用虚拟实验平台进行实验操作、原理、现象等方面的回顾。“真实”与“虚拟”实验的使用需要遵循一定的原则，要根据学科特点、知识顺序、实验的类型、实验的可操作性来整合真实实验与虚拟实验。在真实实验过程中，也可以结合虚拟实验进行操作，模拟微观现象，将虚拟实验当作是实验教学的辅助手段，真正做到优势互补。信息技术的发展，在一定程度上改变了教学观念，在实验教学中，传统的物理实验室有着不可替代的地位，技术只能融合到现实实验中，成为一种辅助手段，让真实实验教学更加地科学高效，同时也可以弥补真实实验室的不足之处。

总的来说，本文从认知负荷理论出发，对虚拟实验在化学实验教学中的适用价值进行探讨。虚拟实验中的认知负荷具有两面性：一方面，虚拟实验通过过程可视化和定量曲线表征降低学生学习的认知负荷；另一方面，对虚拟环境的不熟悉以及实验仿真程度不够会增加学生的认知负荷。并探讨了通过技术支持和增加程序性指导来改善此问题，虚拟实验未来的发展还需要考虑学科特点以及用户特点。