基于CLT理论的初中化学概念教学探索

李军

摘要：CLT理论（认知负荷理论）是在信息加工理论、认知资源有限理论与图式理论基础上形成的学习理论，认知负荷是指人在信息加工过程中所需的认知资源总量，包括外部认知负荷、内部认知负荷与相关认知负荷三种类型，外部认知负荷与内部认知负荷越低，相关认知负荷越高，学生的学习效率越高。概念教学既是中学化学教学的重点，又是难点，将CLT理论应用于概念教学，对于提高学生概念学习的有效性、促进学生的深度学习具有重要价值。

关键词：CLT理论;概念教学

文章编号：1008-0546（2019） 11-0033-06

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2019. 11.009

一、CLT理论及其研究概述

1.CLT理论的提出

CLT是认知负荷理论（Cognitive Load Theory）的简称，该理论由澳大利亚著名心理学家J·Sweller于1988年首先提出。该理论以信息加工理论为基础，基于认知资源有限理论与图式理论，它假设人类的认知结构由工作记忆和长时记忆组成，而学习是将工作记忆积极地用于理解和处理教学材料，并把即将习得的信息编码以储存在长时记忆中。它同时认为工作记忆容量有限，通常每次只能存储5-9个基本信息模块，而且，由于元素之间的交互也占据工作记忆空间，因此，实际处理信息时，工作记忆一次只能处理两到三个信息模块。在问题解决或学习过程中，各种认知加工活动均需占据工作记忆容量、消耗认知资源，如果这种消耗超过个体所拥有的认知资源总量，就会引起资源分配不足，进而影响学习效率。而这种在复杂任务学习中，对一项特定认知活动进行信息加工所耗费的认知资源总量通常被认为是认知负荷。

2.认知负荷的类型

J·Sweller在研究中提出了三种认知负荷：内部认知负荷、外部认知负荷和相关认知负荷。内部认知负荷是指由信息元素的数量及其之间的相互作用所引起的认知负荷，取决于所要学习的材料的本质与学习者的专业知识之间的交互，通常反映为学习材料的数量、难度与复杂度，以及学习者的知识水平等。外部认知负荷是指认知过程中的额外负荷，它主要来自于教学设计与实施中出现的失误。相关认知负荷是工作记忆用于处理内部认知负荷时所占用的认知资源，是与促进图式构建和图式自动化过程相关的认知负荷，它通过合理的教学策略与教学活动，可以有效促进图式建构或程序自动化。

目前，国内学者普遍认为学习者在学习过程中的全部认知负荷是三种负荷的加和，且对于特定的学习者来说，它通常被描述为一个恒量，因此，当同时进行多项认知活动时将产生认知资源竞争，此时资源就会根据此多彼少的原则进行分配。

3.认知负荷效应

CLT理论对教学的启示是：在具有一定困难度与复杂度的学习过程中，使用更富有结构性、逻辑性的学习材料，采用更符合学生认知风格、认知规律与学习特点的教学方式，从而降低外部认知负荷，使得总的认知负荷不超出学习者能承受的认知负荷，也使得用于处理内部认知负荷时所占用的认知资源更为充足，将有利于提高学生的学习效益，使学习达到最优化。研究者还进一步发现了会导致众多不同的认知负荷的學习效应：样例效应、注意分割效应、感觉通道效应、冗余效应等，并提出了一些可操作的认知负荷管理策略。

二、基于CLT理论的初中化学概念教学现状分析

1.初中化学学习中的概念体系

化学概念是化学思维的结晶，是化学科学的“原子”，更是化学学习的基石，它是人们对物质及其变化基本属性的认识，深刻反映了化学过程最本质的特征。只有深入地认识与深刻地理解化学概念，才能系统地、全面地、结构化地掌握化学双基，进而揭示化学变化的规律。因此，化学概念不仅是化学学习的重要领域，也是学习化学的重要支柱，在化学学习过程中具有基础性与构建性作用。

中学化学中的概念体系大致包括关于物质的组成和结构、物质的性质和变化、化学量、化学用语、化学实验技能以及化学计算等方面的概念，它们之间既相对独立，同时又相互联系、互为补充，从而构成了一个相对完整的结构系统。

2.基于CLT理论的初中化学概念教学建构

（1）初中化学概念教学中的内部认知负荷来源

根据CLT理论，概念教学的内部认知负荷主要来自于概念自身的特性，这些特性包括如下方面：

化学概念的抽象性。无论是具体概念、定义性概念、还是抽象概念，都是对化学专有名词用精炼严谨的文字凝练出来的总结性语言，它将化学学科知识体系中难理解、易混淆的事物和现象的本质提取出来，进行分类，通过由个性到共性、由具体到抽象的过程，并加以高度抽象概括与表征。初中阶段学生的心理特点处于幼稚向成熟转化的时期，其思维活动仍以经验性思维为主，同时具有形象思维与抽象思维的成分。因此，他们在化学概念的学习中，无意识记还表现得较为明显，缺乏必要的目的性与必需的技巧性，往往习惯于概念表面形式的记忆，而不了解其本质的意义和关系，机械学习、简单学习的特点较为明显，这就大大增加了概念学习中的内部认知负荷。

化学概念的复杂性。化学概念的复杂性往往来自于两个方面。第一个方面，化学概念可能往往同时具有多个属性，其中一些为关键属性，而另一些则为可变属性。学生在学习中，当某个概念具有多个属性时，往往不能很清晰地区分关键属性与可变属性，易将两者相混淆，从而导致概念学习的障碍。第二个方面，概念不是独立的，彼此之间具有关联，这种关联我们通常称之为上位概念、下位概念和平行概念，这种概念的结构依赖于关键属性与可变属性的判断识别，如果学生对这种结构认识不清，也将增大学生的内部认知负荷。

化学概念的迷思性。学生在概念学习之前，都拥有独特的生活体验和学习经验，也具有独特的认知视角和思维模式。这些本体论认识和经验思维模式，一方面可能为学生认知与掌握化学概念提供经验性基础;另一方面，前概念又是基于学生个人经验总结出来的、对于化学知识粗浅的、表象型和非本质的认识，没有去芜存菁、去伪存真，未经科学抽象与概括，所以有很多前概念与化学概念存在偏差，甚至完全相悖。因此，前概念又会以其广泛性、差异性、隐蔽性、顽固性的特点，在一定程度上给学生科学、准确地认知化学概念造成冲击，使学生轻易地基于对概念的粗浅感受做出主观武断的判断，从而产生概念迷思。这种迷思同样增加了学生的内部认知负荷。

（2）初中化学概念教学中的外部认知负荷来源

导致概念教学中学生外部认知负荷增加或过重的原因主要包括三个方面：

第一个方面来自于对学生认知的不到位。学生在进行概念学习时，头脑里并不是一片空白，更不是一无所知，生活中积累的各种知识、经验已使他们形成了对所要学习概念的独特理解与潜在看法，并建立起了相对稳定的个人观点及思维方式。但是，一些教师在概念教学中却忽视学生在其他学段、其他学科的学习中所习得的知识经验，忽视学生的生活阅历与生活体验所形成的前概念，将学生视为空白的知识容器进行概念教学。

第二个方面来自于对概念的解析不到位。教师在概念教学中忽视对概念的文本解读，教师教学时对化学概念不严谨的讲解或者教师自身对知识点的错误理解会造成学生错误的理解甚至是思维定势;教师在概念教学中忽视对概念内涵与外延的深刻理解，导致学生只注重教学资料上的范例与实例，造成对概念认知的片面化;教师在概念教学中忽视概念中的上位概念与下位概念等概念的内在联系，从而造成概念学习的孤立化与静态化，学生对概念的习得呈现出碎片化与零散化的状态。

第三个方面来自于对教学方法选择的不合理。教师在概念教学中，忽视学生在学习中的主体地位，忽视学生在概念学习中的主动建构，忽视概念教学的本质特征，教学模式僵化，教学方式单一，只强调概念的死记硬背与生搬硬套，而忽略了概念的理解与应用。

三、基于CLT理论的初中化学概念教学——以溶解度教学为例

溶解度属于物质的性质类的化学概念，它以定量的方式描述了溶质在溶剂中的溶解能力。这个概念一方面是对溶液的组成——溶质与溶剂相互之间的关系的再认识，以及外界条件对溶液组成的影响的再认识;另一方面，也是对从定性研究走向定量研究，对溶质在溶剂中具体溶解数量进行探讨，为学生学会在具体的生活情境中选择和使用溶质与溶剂，在真实的生产情境中进行物质的分离与提纯等奠定基础。在学习这一概念之前，学生已经对溶解的概念、溶液的组成、溶解性、饱和溶液与不饱和溶液有了一定的认识，但是对于从量的角度认识溶质在溶剂中的溶解能力还只是基于生活经验，处在定性或半定量的阶段，还未建立起从定量的层面认识溶解现象的思维角度与方法。因此，这一概念的学习，其重难点在于理解溶解度的概念，并能应用溶解度的概念解决生产与生活巾的实际问题。

固体物质的溶解度是一个较为抽象的概念，难以在直观的情景、现象或实验中得到明显的体现;而它的复杂性在于其包含了四个关键属性：“一定温度”“100g溶剂”“达到饱和状态”“溶解的质量，单位通常为g”，这四个关键属性就表象而言，缺乏明显的逻辑关系，相对独立;同时，学生在该概念学习上的经验并不丰富，已有的经验并不足以帮助学生进行概念的深度理解。因此，学生在该概念的学习上出现了比较大的困难，往往依靠机械记忆的方法认识溶解度这一概念，从而导致对概念认识的片面性、浅层性。

1.建构合理认知序列，降低内部认知负荷

对于确定的学习者而言，内部认知负荷主要取决于学习任务本身，即学习任务所涉及的元素数量及各元素间的交互性，因此，想要降低概念学习的内部认知负荷，必须尽量减少概念本身的元素数量及各元素间的交互性。但问题是，对于溶解度概念而言，其四个关键属性是确定的，如何才能达到减少的目标呢？

其一是整合，即通过一些中间概念（同位概念或下位概念等）将这些关键属性进行重整，使其中一些关键属性被分配到已被掌握得较好的一个或若干个概念中去，并以这些中间概念为基础，通过比较、分析、拓展逐步形成新概念。如与溶解度非常相关的概念是饱和溶液，它包括与溶解度相近的三个关键属性：“一定温度”“一定量的溶剂”以及“饱和”自身，因此可以将饱和溶液作为中间概念进行教学，溶解度的关键属性就由四个缩减为两个，学生的内部认知负荷显著降低。

其二是由分而整，即将学习任务按照学生的可接受程度，分割成若干个操作性强且实效性高的子任务或子目標，然后将其按照一定的逻辑顺序呈现并加以解决。现行沪教版教材在学习内容的编排上就采取了这种策略。它将溶解度概念学习分为三个模块，分别是“影响物质溶解性的因素”“饱和溶液与不饱和溶液”以及“溶解性的定量表示”，这三个模块就是溶解度学习的三个子任务。在第一个子任务巾，学生要解决的问题是对物质溶解性的初步认识，了解温度、溶质种类、溶剂种类等因素对物质溶解性的影响，从而确立溶解度概念的理解必须考虑到物质外在环境与物质内在性质的影响，为溶解度的学习奠定第一个基础;在第二个子任务中，学生要解决的问题是对“饱和”的认知，知道“饱和”是相对的，它既受到外在因素（温度）的影响，同时在溶质与溶剂种类确定的情况下，还受到溶剂质量的影响，从而明确溶解度的学习必须引入定量研究的方法，溶解度体现在特定的数量关系中，为溶解度的学习奠定第二个基础;在第三个子任务中，学生要解决的问题是，基于对溶解性的认识与对“饱和”的认识，全面认识溶解度概念的关键属性，对前两个任务中还不够明晰透彻的问题进行细节的补充与要素的完善，从而真正构建起对溶解度的深度理解。

其三是先简后繁，该方法采取的是学习任务二次呈现策略，即第一次通过压缩或简化学习任务所包含的元素，呈现“简缩版”学习任务，在学生已经掌握了学习任务完成的思维模式建构与学习方式建构后，再呈现“完整版”学习任务供学生进行学习。由于学习任务的一次学习使学生建立了认知图式（可视作一个先行组织者），当学生进行二次学习时，就大大降低了内部认知负荷，从而也降低了学习难度。如在溶解度概念的学习中，应先强调溶解性的学习，将溶解性学习作为溶解度学习的先行组织者，因为溶解性的学习可以看作是溶解度学习的简缩版。在巩固溶解性概念及其影响因素的基础上，逐步引入定量的观念，逐渐引导学生借鉴物质熔沸点等的学习方式与思维方式，从而形成对溶解度的科学认知。

2.创设合理学习任务，降低外部认知负荷

常见的“溶解度”的教学中，教师通常采用的教学程序是：首先，呈现溶解度的概念，对照概念提出溶解度的四个关键属性，并对溶解度的表示方法、溶解度的意义等概念的内涵作出说明;然后，通过一组例题对溶解度的概念从各角度进行辨析，要求学生能从中发现描述溶解度必须满足的条件;最后，以知识点小结的形式再次强调溶解度的概念及其关键属性。教师通常采用的教学方法为讲授法与习题讲评法。在上述教学过程中，可以发现，教师在教学设计与实施巾，存在以下几个问题。第一，教师对溶解度概念学习所需的学习资源提供不够充分，学生几乎只依赖于教材文本进行学习，而各版本的化学教材文本对溶解度的描述大都比较笼统，处理也比较简单，这就造成学生难以通过更丰富的学习素材或生活经验对溶解度的理解奠定基础。第二，教师对学习材料缺乏必要的理解与整合，只是就事论事地进行溶解度的概念教学，既没有把其放置于整个溶解现象的知识体系中，充分考虑该知识体系中与溶解度相关的知识点及其相互联系，也没有从把握学科特质与特有研究方式的前提下，充分考虑溶解度这一概念的形成过程与产生方式。第三，教学活动的组织形式较为简单，语言讲解与文本关注只是浅层次地调动学生的听觉与视觉，且两者间未形成有机的结合，因此，学生接受信息的渠道比较单一，处理信息的方式比较简化，因此也难以对概念形成深入有效的理解。以下是利用CLT理论中的自由目标效应进行的课堂教学案例。

【案例】应用自由目标效应的“溶解度”教学案例

师：如何才能比较硝酸钾和氯化钠两种物质溶解性的强弱？

生1：做实验。

师：应该采用怎样的方法设计实验，才能比较准确地比较它们溶解性的强弱？

生2：控制变量，通过对比实验来进行比较。

师：根据我们已经学习过的关于物质溶解性的知识，你觉得在设计对比实验时，可能要控制哪些变量呢？理由是什么？

生3：控制溫度，温度影响物质的溶解性。

生4：必须使用同一种溶剂，同一种溶质在不同溶剂中的溶解性不同。

师：如果都使用水作为溶剂，你觉得还需要控制其他变量吗？

生4：使用水的量也应该一样，就像跑步，要比较两个人谁跑得快，应该让他们跑相同的路程，看谁使用的时间少，或者跑相同的时间，看谁跑的路程多。

师：解释得非常好！但是我还有一个疑问，采用你刚才说的第二种方法进行比较，让你和刘翔跑相同的时间，但是你尽全力跑，刘翔用龟速跑，结果你跑得路程多，这能说明你比刘翔的跑步能力强吗？

生4：不能，大家都必须用全力跑，才能进行比较，不然不公平。

师：所以，在比较硝酸钾与食盐的溶解性大小时，除了要做到温度相同、溶剂和溶剂的量相同，还应做到？

生5：都要溶解到不能再溶解，即达到溶解的最大数值。

师：这种状态在化学中称为？

生5：饱和状态。

师：通过以上讨论，同学们已经对如何比较氯化钠和硝酸钾的溶解性有了基本的认识，现在请大家根据提供的仪器与试剂进行实验，并记录你所测得的结果。（所提供的主要仪器与试剂：硝酸钾固体、氯化钠固体、蒸馏水、酒精灯、温度计、天平、量筒、滴管、药匙）

生：完成实验，展示汇报实验结果与实验结论。

师：在刚才的实验中，我发现两组同学的实验记录是这样的（展示下表）：

师：根据这张表格，能获得哪些结论？

生6：两组的实验都表明：20℃时，硝酸钾的溶解性没有氯化钠强。

生7：两组的实验还表明：20℃时，硝酸钾最多溶解的质量是相同的，氯化钠也一样。

师：你是怎么知道20℃时，硝酸钾最多溶解的质量是相同的？

生7：通过最小公倍数的方法，可以知道它们在100g水巾，最多溶解的质量都是30g。

师：分析得很好。在刚才的学习过程中，我们通过控制变量的对比实验确定了硝酸钾和氯化钠的溶解性强弱。但如果每次要比较不同物质的溶解性都要做实验，是否很麻烦？因此化学上提出了用溶解度来定量表示物质溶解性的大小，就像物质的熔沸点一样。而刚才同学们比较硝酸钾和氯化钠溶解性的实验过程，就是溶解度测定的方法。请同学们再次回顾这个过程，总结溶解度的测定过程，并提出溶解度的概念……

【案例分析】自由目标效应是CLT理论中有效降低外部认知负荷的重要策略。自由目标是指目标不确定，它可以防止因手段——目标分析策略的使用，造成的大量认知资源消耗，而形成较大的外部认知负荷。在上述案例中，执教教师并没有直接提出溶解度这个概念，而是应用自由目标效应提出了一个驱动性任务——如何比较硝酸钾和氯化钠两种物质溶解性的强弱。围绕该任务，师生提出了以控制变量为核心的对比实验方案，而控制变量的探讨，正是溶解度概念中四个关键属性的认知与强化过程。由于这些关键属性是在解决问题的过程中逐步得出和逐步深化，因此在每个关键属性的学习中，学生的外部认知负荷比较小，使得学生能留有更多的工作记忆空间进行溶解度概念的整体学习。

在溶解度的教学中，还可以应用感觉通道效应优化教学设计，根据工作记忆中听觉加工和视觉加工等不同加工方式相对独立的规律，将以文字与图片呈现的学习信息、以语言讲解呈现的学习信息及以实践操作呈现的学习信息结合起来，让具有不同认知风格的学习者都能获得深度学习的机会，以自己最擅长的学习方式进行学习，同时也有效减少仅以视觉、听觉或触觉单一通道加工信息所造成的较大的认知负荷，促进学生的学习。同时，在教学过程中，还应注意信息供给的简约性，以免造成冗余效应。

3.优化学习展开过程，提升相关认知负荷

相关认知负荷有利于图式的获得和自动化，并且常常通过加大学生的认知投入、激发学生的学习兴趣、提升学生的学习动机、引发学生的高阶思维、促进学生的深度学习得以实现。因此，在教学设计与实施中，应该加强学生学习策略的研究，注重情境与问题的创设，关注先行组织者的建构，培育学生的自主学习能力，以提升学习者在学习进程巾的相关认知负荷。

（1）创设生活情境，增加学生有意注意

在有限的课堂教学时间中，牢牢抓住学生的有意注意，使其专注于学习任务，是有效学习的关键。因此，在教学设计中，应加强真实情景的创设，激发学生的学习兴趣，使学生认识到学习的价值，并为学习提供可能的感性认知。在“溶解度”教学中，可以采用以下三种教学情境作为课堂教学的引入。

情境一：呈现鸡尾酒图片，吸引学生的注意力，告知学生用化学试剂也能调制化学“鸡尾酒”，然后呈现以碘的乙酸乙酯溶液、硫酸铜溶液、碘的四氯化碳溶液配制的化学“鸡尾酒”（如图1），并设置悬疑——化学“鸡尾酒”的制作除了与所用液体的密度有关，还包含了哪些化学知识呢？

情境二：呈现天气瓶图片，以及如下文字信息：“1834～1836年，海军上将罗伯特·菲茨罗伊参与查尔斯·达尔义的探险。除了海军的工作，菲茨罗伊也是气象学的先驱，他发明了“风暴瓶”。“风暴瓶”又叫“天气瓶”，是一种用来指示天气的设备，本体为一个装满溶液的密封玻璃瓶，使用者可以通过查看瓶子里溶液的情况来预测天气。瓶子里的溶液是几种物质的混合溶液，通常包括蒸馏水、乙醇、硝酸钾、氯化铵和樟脑。”并设置悬疑——天气瓶是利用什么原理制作的？它真的能预测天气吗？它预测天气的原理是什么呢？

情境三：呈现硫酸镁溶液试剂瓶（标注质量分数为50%）图片，并提出以下问题：硫酸镁俗称泻盐，医疗上常用溶质质量分数为50%的硫酸镁溶液进行消肿、止痛等，而医院里通常是将硫酸镁固体溶于水来配制所需的硫酸镁溶液。那么，将硫酸镁固体溶于水，真的能配制得到溶质质量分数为50%的硫酸镁溶液吗？

（2）创设活动情境，增强学生主动参与

学生的学习效率取决于学生参与学习活动的深度与广度，而具有合理开放性、复杂性、综合性的学生活动则能使学生更自觉、更深入地投入到学习中去。实验既是化学学习的重要内容，更是化学学习的重要方法，它体现了化学学科的基本特质与核心特征，因此，科学创设实验活动是提高化学学习相关认知负荷的重要方法。在溶解度教学中，可以补充如下实验活动来帮助学生增加对溶解度的体验。

【活动设计說明】氯化钠、硝酸钾、熟石灰在农业生产中具有重要作用，分别可以用作选种、复合肥、防冻防虫等，那么这三种物质的溶解性谁强谁弱呢？通过讨论，师生制订了如表1所示的实验方案来开展探究。

在这个实验活动中，执教教师在溶解度概念的教学设计中，并未直接呈现溶解度的概念，也未面向概念同时强调溶解度概念的各个关键属性，而是将其中三个关键属性作为三个学习子目标，分别创设基于“达到饱和状态”“100g溶剂”以及“一定温度”的三个学生实验，引导学生在探究三种物质溶解性差异的具体实践操作中，通过确立观测点——固体是否完全溶解、激发思考点——实验中的控制变量、基于实验现象的实验推论，获得对溶解度概念的感性认识，并最终将这些具体感知与习得经验整合起来，形成对溶解度的完整认知，从而加深了学生对溶解度的理解。

将CLT理论用于指导初中化学概念教学设计实施，可以有效改善课堂的教学生态，优化教师的教学行为，变革学生的学习方式，培育学生的高阶思维，促进深度学习的发生，从而提升课堂教学效率。

参考文献

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