基于认知负荷理论的高中生物综合性实验教学设计

杨冬琴

【摘 要】生物是高中的重要课程，生物实验是研究生物及生命本质的基本方法，在生物研究及教学中都有重要地位。在各种类型的生物试验中，综合性实验的难度都很大，要求学生具有扎实的专业知识和基础实验操作能力、创造性的实验设计能力以及良好的方案改进能力，对学生思维和技能的要求都较高。因此，高中教师在开展综合性生物实验时需要遵照科学的教育教学原则，依据认知负荷理论，合理设计教学方案，综合考虑多方面的因素，以减轻学生的内在认知负荷和外在认知负荷，提高相关认知负荷，尽可能减轻学生的认知负担，让学生更轻松、快乐、科学地进行综合性生物实验，提升学生的学习效果和对生物学科的兴趣。

【关键词】认知负荷理论;高中生物;综合性实验 ;教学设计;方法策略

由于学生普遍缺乏实验技能的训练，加之对实验的重视度不够，导致生物课程尤其是综合性实验课程对学生来说难度较大，很多学生无从下手或者有严重的畏惧心理。再加上综合性生物实验对学生的认知水平和能力要求较高，考察知识、思维、能力等综合素养，具有内容跨度大、储量丰富、实验方案多样、仪器和过程复杂等特点，往往涉及基础性实验和设计性实验的融合和改进，其具有发展学生思维、培养学生批判、创造能力的作用，对学生生物学科核心素养的形成和未来的发展具有重要的意义。

因此，高中生物教师在开展综合性生物实验教学时要进行科学、严密的规划、设计，要依据教育教学原则，以减轻学生的认知负荷，降低学生的认知难度。

一、认知负荷理论

认知负荷是指人在信息加工过程中所需要用的心理资源的总和，尤其是针对复杂的学习任务，关于认知负荷的意义目前没有明确的说法，不同的研究者可能会选择不同的研究角度进行定义，目前普遍接受的定义是：学生对学习任务、责任及时间压力的知觉和体验，学生感受到的心理负担。

人的工作记忆容量是有限的，信息加工理论指出，短时记忆中能同时接受和处理7±2个信息组块，过多的信息资源会加重学生的认知负担，如果信息之间的交互作用比较强时也会加重认知负担。

认知负荷理论包括三个方面，内在认知负荷，外在认知负荷，关联认知负荷。内在认知负荷与学习材料的复杂程度、学生自身专业知识和二者的交互程度有关，外部认知负荷超越了学习材料和学生自身水平的限制，主要是由于设计不当、不科学、不符合学生水平的教学。相关认知负荷是指促进图式构建和图式自动化过程的负荷。

这三种类型的负荷是交互作用的，为了减轻生物综合性实验的难度和认知压力，教师要综合考虑这三个方面的负荷，在教学过程中尽可能降低内部认知负荷和外部认知负荷，增加关联认知负荷，还要保证总的认知负荷不超出个体的认知限度。

二、基于认知负荷理论的高中生物综合性实验教学设计

科学、高效的教学能降低学生学习的难度，提升学生的学习效果和满意度，尤其是对于难度较大的综合性生物实验，教师更应该基于认知负荷理论进行教学设计，使实验难度、知识量适合学生的认知水平，促进学生的认知过程和信息加工过程。

（一）降低内在认知负荷

根据内在认知负荷理论，内在认知负荷包括三个方面的内容，学习材料本身的难度、复杂性、知识丰富性，学习者自身的知识基础和认知能力，二者的交互作用。如果能降低学习材料的复杂性，使其具有较强的逻辑关系或者提升学生自身的水平，那么就能有效减少认知负荷。因此，可以通过实验方案的设计，降低实验项目的难度和实验材料的复杂性以减少认知负荷。

方法一：充分考虑学生的认知水平和兴趣爱好，设计难度适宜的综合性实验。综合性实验应该是基于学生已经接触过的并比较熟悉的实驗操作设计的，对学生来说有一定的难度但又能够通过自身的努力完成;实验具有一定的开放性，对学生有较强的吸引力;还可在原有的实验基础上增添一些维度和考察角度，以某一个生活中的问题为切入点，让学生发散思维，创新性地尝试不同的路径和解决方案。例如，基于叶老化的生物综合性实验：

这样的综合性实验既考察了学生对多个实验的掌握，又减少了认知压力，降低了认知负荷，由一个简单的、生活化的实际问题引入，降低了实验材料本身的复杂性和认知难度，而且能调动学生探究的兴趣，吸引学生积极主动的参与，综合了影响内在认知负荷的三个因素，切实降低了综合性实验的内在认知负荷。

方法二：根据综合性实验自身的难易程度选择性地设计实验方案和数据分析方法。对于难度比较大、学生不太熟悉的综合性实验，比如某种奶粉含氮量的测定实验，这类问题难度相对较大，具有一定的挑战性，教师可以引导学生利用相对简单的实验方法和数据分析方法以降低内部认知负荷，可以利用对比实验和随机区组实验、小组合作实验;而对于学生较熟悉的实验可以采用较有挑战性的实验方案，如正交实验，可以用更系统全面的数据分析方法，如方差分析、回归分析等。

方法三：将综合性实验模块化，并用多媒体加以辅助。对于一些难度极大的、学生无从下手的实验教师可以将实验进行分解，引导学生一步一步循序渐进地向前走，在这个过程中教师要给学生提供一些辅助资料，比如资料卡片、相关的实验视频、数据处理原理等。

（二）降低外在认知负荷

外在认知负荷主要是由于教学内容的呈现形式和教学过程的实施形式引起的，因此教师在开展综合性生物实验时要尽可能优化信息呈现形式，精简材料信息，避免给学生造成不必要的认知负担。

方法一：利用图表简化内容，巧用多种形式传达信息。综合性生物实验往往给学生呈现了很长的语言介绍、很多数据信息、实验仪器的种类等，而教学实践证实纯粹的大段语言叙述会让学生觉得疲乏，而且学生在阅读这些信息过程中常常因为信息太长太难理解而倍感压力，会打击学生成功完成实验的自信心。因此，教师要尝试用图、表、动态的视频等呈现信息，图和表能将大段的信息变得清晰醒目，逻辑清楚，可以减少阅读和理解的障碍，而视频动画比图和表的呈现效果更好，更加形象生动，能够调动学生的视觉和听觉系统，更有利于学生理解信息、表征信息。

方法二：教师在呈现信息时要精简，设计的教学过程要高度衔接、吻合。教师在进行教学设计时应尽可能将信息精简化，将有用的信息呈现给学生，一些无用的、冗长的介绍可以适当删减。另外，教师给学生准备的实验讲义也要重视排版问题，尽量减少装饰性和干扰性图标，避免图表和表格的跨行、跨页。减少学生在实验讲义上花费的心思和精力。

（三）增加关联认知负荷

关联认知负荷是指学生发自内心愿意自主参与实验活动，愿意付诸努力以构建知识体系的全部资源。关联认知负荷主要由学生自身的学习兴趣、学习动机、自主学习、合作学习及学习管理能力等几个方面共同决定。

方法一：吸引学生兴趣，激发学生参与综合性实验的强烈动机。教师可以选择学生感兴趣的实验主题和原材料，吸引学生的注意力，让学生从主观上积极主动地探究，比如研究植物细胞质壁分离及复原的实验，教师可以给学生提供一些生活中常见的、熟悉的材料，以吸引学生。

方法二：教师应该建立一定的奖励机制。适当的奖励、有效而及时的反馈可以强化学生参与课堂活动的动机，可提高学生完成任务的决心和毅力，以表扬和激励为主，可有效激发学生的荣誉感和探究欲望。

方法三：加强与学生的互动，增强学生的自我效能感。教师的鼓励和支持，教师对学生寄予的厚望能有效激发学生的效能感，增强学生的自信心和好胜心，可以给学生强大的精神动力。

三、结束语

综上所述，开展综合性生物实驗时，教师要基于认知负荷理论，从多个方面降低内在认知负荷和外在认知负荷，增强关联认知负荷，从影响学生学习的各个方面着手，切实关注学生的认知特点和学习方式，尽可能提升学生对生物综合性实验的探究兴趣及探究能力，提升生物综合性实验的课堂教学效果。

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