认知负荷理论在高中生物学概念教学中的应用

黄惠妮 李镕灵 黄秋燕

【摘 要】本文简介认知负荷理论，论述生物学概念学习中的认知负荷，提出教学中优化学生认知负荷的策略，以提高课堂教学效率。

【关键词】生物学概念 认知负荷 教学策略

【中图分类号】G  【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2019）01B-0148-02

生物学概念是构成生物学知识的基本单位，是学生建立起坚固的生物学知识体系和促进学生能力发展的基础。然而，由于生物学概念的抽象性，学生学习起来具有一定的困难。同时，我国在课堂教学中依然没有真正做到以学生为主体。认知负荷理论关注学生的认知结构，优化学习中的认知负荷，提高学习效率，体现了以学生为主体的教育理论。因此，笔者认为认知负荷理论在生物学概念教学中的应用具有重要意义。

一、认知负荷理论概述

认知负荷理论是澳大利亚心理学家斯威勒（J.Sweller）于 1988 年提出，解释了为何教学中即使以学生的认知结构为教学起点并根据学习过程来设计教学，也仍无可避免学生在学习中出现认知困难。其基本观点是：工作记忆和长时记忆构成了人类的认知结构，其中工作记忆所能加工的信息数量是有限的，工作记忆若要加工更多的信息则可通过图式的建构和自动化来实现;倘若个体要处理的信息超过了工作记忆可以处理的信息容量，则无法进行有效的信息處理，学习效果不佳。

认知负荷是指真正投入在工作记忆中以成功完成特定学习任务的必需和非必需认知资源的总和。其来源主要为学习材料的性质、表达方法和学习者的现有经验。根据来源是否有助于图式的建构将认知负荷分为以下三类：外在认知负荷、内在认知负荷、关联认知负荷。内在认知负荷是由学习材料的性质和学习者的经验水平所带来的，不易通过教学设计减少。外在认知负荷是由不恰当的学习材料呈现方式、教学设计所带来的，可通过改进教学设计来减少。关联认知负荷是建构图式过程中不必要但投入后能促进图式建构的负荷。良好的教学设计，可适度地增加关联认知负荷，促进图式建构。这三种负荷累加起来超出了总的工作记忆容量，将无法成功完成相应的学习。相反，若这三者的总和远低于工作记忆容量将会导致认知资源的浪费。因此，只有将总的认知负荷控制在适当的水平才会实现高效学习。

二、生物学概念学习中的认知负荷

在概念学习中只有保证工作记忆中有充足的认知资源用以加工概念，学习才会有效。以下通过分析生物学概念学习中的外在认知负荷、内在认知负荷、关联认知负荷，给概念教学的设计提供相应的依据。

概念固有的复杂性和难度、学生现有的经验，及两者间的交互程度会给学生的学习带来一定的内在认知负荷。如概念“光合作用”较为复杂，包含着叶绿体、光反应、暗反应等下位概念。下位概念“光反应”包括诸如光合色素、光吸收、光的水解等子概念，“暗反应”包含如 CO2 的固定、C 的还原等子概念。学习该概念时需要理解其所包含的下位概念及其子概念，该概念的交互性高。这时如果学生的原有知识中包含了这些子概念，那么就有利于概念的同化与顺应，降低了内在认知负荷，否则产生较高的内在认知负荷。

概念的呈现顺序和方式不当会产生外在认知负荷。例如，在学习概念“遗传信息的表达”时，由于这个概念包含多个下位概念，要学习的信息元素间的交互性较高。若仅仅通过教师的口头讲解或展示纯文本，那么会给学生的学习带来很高的外在认知负荷，这使学生很难理解这个概念。如果使用视频或动画并使用画外音解释教学，那么就能使学生的视觉和听觉通道同时运作起来，这样就充分地利用认知资源，减少了外在认知负荷。

学习者学习的动机、风格、知识水平、自我监控能力等也影响概念学习中的关联认知负荷。适当的动机水平可以使学生在学习上投入更多的努力，良好的认知风格能够增加关联认知负荷，更好地理解和掌握概念。认知水平高的学习者能够更好地将认知资源投入到关联认知负荷当中，自我监控能力强的学生在学习过程中能够更好地监控和调节自身的学习，从而促进有效学习。

教学过程中要合理控制学生的认知负荷总量，降低内在认知负荷和外在认知负荷，适当增加关联认知负荷，促进学生对概念的顺应和同化，提高学习效率。

三、认知负荷理论在高中生物学概念教学中的应用策略

（一）渐进式问题解决教学法—— 降低内在认知负荷

根据认知负荷效应中的分离关联元素效应，分离关联性的信息元素并相继呈现可以促进学习，不要一次性呈现所有信息元素。研究表明，在学习者缺乏相关背景知识的情况下，采用分离关联元素教学方法会得到更佳的教学效果。

渐进式问题解决教学法就是基于分离关联元素效应提出的一种降低内在认知负荷的教学方法。即以问题解决作为教学主线，结合学生的生活体验创设情境，引出学生感兴趣的问题，提出基本问题，围绕基本问题提出并解决相关问题，最后生成概念。这样，将所要学习的信息元素分离并通过问题的形式逐一呈现，让学生在解决循序渐进的问题中构建知识。该教学方法能够帮助学生对概念进行顺利建构，深化对概念的理解。

例如，在“有丝分裂”的学习中，以“复制后如何确保染色体准确均匀地分布在两个子细胞中”为基本问题，然后围绕这一基本问题提出以下相关问题：

（1）为何染色体在间期复制，在中期缩短变粗？

（2）前期核仁为何要消失，核膜为何要解体？

（3）纺锤丝或星射线出现并形成纺锤体有何意义？

（4）纺锤丝牵引染色体以着丝点在赤道板上有规律排列有何作用？

（5）着丝点先分裂，纺锤丝后牵引染色体到达细胞两极有何意义？

（6）末期出现细胞板或细胞凹陷缢裂并重新出现核仁、核膜有何意义？

这样通过逐一解决这些问题，使学生逐步构建起“有丝分裂”的概念，并对这一概念形成深刻的认识，更深地理解。

（二）根据概念特点，合理选择呈现方式—— 降低外在认知负荷

生物学概念繁多，不同类型的概念具有不同的特点。在教学中应根据概念的特点，选择恰当的呈现方式。如对“线粒体”“叶绿体”这类具体概念，采用直观教学法和讲授法便可使学生理解掌握。而在“有絲分裂”的学习中，由于有丝分裂是一个微观、抽象的过程，若仅以纯文本的方式展示和口头讲解该过程，则学生的学习将产生很高的外在认知负荷，学习起来就会感到晦涩难懂。根据认知负荷效应中的通道效应：综合运用各种信息表现形式，可以增加工作记忆的使用，增强学习效果。对此，教师可采用播放视频动画并配以讲解的形式呈现有丝分裂的过程，同时利用学习者的视觉和听觉通道，使认知资源不至于闲置，提高学习效率。同时，视频中的文字要去除或简约化呈现，避免出现多余的信息，导致学生注意力分散，干扰学生对信息的加工，降低学习质量。

此外，在多媒体课件设计中，要尽量保证学生的视觉和听觉通道得到均衡使用，从而充分利用工作记忆容量，实现有效教学;在设置文字和图片时，文字和图片应置于同一张幻灯片上，避免出现注意分离效应;不能为了美观而添加与学习无关的动画或图片，以避免信息冗余，造成外在认知负荷增多。

（三）以例激趣，增强认知努力—— 增加关联认知负荷

根据认知负荷理论，在认知资源充足的情况下，可适当增加关联认知负荷以促进对概念的学习。关联认知负荷与学习者的学习动机、学习兴趣等有着密切的联系，因此在概念教学中，以背景导入或情境导入的方式导入概念，能够激发学生的求知欲，让学生主动参与到学习中来，使长时记忆中的相关图式得以调用，从而增加关联认知负荷以促进对概念的学习。如学习“遗传信息的携带者—— 核酸”时，可创设情境列举 DNA 指纹法在案件侦破工作中的作用，并提出问题：DNA 是一种什么样的物质？为什么 DNA 能够提供犯罪嫌疑人的信息？这样从日常生活出发，根据学生的生活经历提出相关问题，可以激发学生对新知识的渴望，调动学生的积极性和主动性，增加关联认知负荷，促进新概念的建构。此外，在概念学习前画出概念的关键词，学习中听课记笔记，适当地补充相应的例子，均可增加关联认知负荷，有利于学生构建概念。

概念教学是高中生物教学中的重要内容之一，在教学中要时刻牢记“以学生为本”的教育理念，摒弃“一言堂”的授课方式，以认识负荷理论为指导，关注学生的认知结构，从学生的学习角度出发，优化学习中的认知负荷，打造高效的生物学课堂。此外，生物学概念学习是一项长期且复杂的学习任务，随着学习的进行，学生掌握的概念逐渐增多，认知结构也会不断变化，教师要懂得对学生的认知负荷进行评定以调整教学方案，同时要提供给学生建构概念图式的空间与机会。

【参考文献】

[1]郝兆杰.认知负荷理论在中小学信息技术教学中的应用研究[J].中国教育信息化，2007（24）

[2]李志专.认知负荷理论的解读及启示[J].煤炭高等教育，2009（1）

[3]庞维国.认知负荷理论及其教学涵义[J].当代教育科学，2011（12）

[4]周 莹，陈吉利.认知负荷理论在E-learning教学设计中的应用[J].软件导刊·教育技术，2010（7）

[5]陶忠华.基于认知负荷理论的生物学核心概念教学——以浙科版“遗传信息的表达”为例[J].中学生物学，2016（8）

[6]阮德松.认知负荷理论在高中历史教学中的运用[D].扬州：扬州大学，2016

[7]李 芸.基于认知负荷理论的高中化学教学设计研究[D].桂林：广西师范大学，2013

[8]徐正龙.高中生物概念教学难点与突破策略[J].安庆师范学院学报（自然科学版），2016（1）

【作者简介】黄惠妮（1993— ），女，汉族，广西人，广西师范大学生命科学学院在读硕士研究生，学习方向为学科教学。

（责编 卢建龙）