基于认知负荷理论的“食品原料学”系列微课设计——以“鲜肉的颜色”为例

陈美花，林学艺，蓝尉冰

（1. 北部湾大学食品工程学院，广西钦州 535011；2. 北部湾大学国际教育与外国语学院，广西钦州 535011）

微课短小精悍，是在线教学和混合式教学不可缺少的资源，在现代教育教学改革中扮演着重要角色。国内外混合式教学（Blended Learning） 经过近30 年的发展，不论是研究者、教学实践者，还是政府和教育机构，已基本达成了共识：混合式教学正在成为未来教育的“新常态”[1]。为了顺应这一新常态，有必要设计开发微课，提高混合式教学的效果。

然而，现有的相关微课大多数是基于教师的直觉制作的，往往是教材的简单搬家，较少应用相关理论从学习科学的视角进行设计，这样的微课学生往往不能坚持看完，有效学习通常很难发生[2]。因此，迫切需要加强相关理论在微课设计上的应用研究，使微课真正促进有效学习的发生。

1 认知负荷理论及其发展简介

认知负荷理论（Cognitive Load Theory，CLT） 由教育心理学家John Sweller 于20 世纪80 年代首先提出，现已成为学习与教学领域最有影响力的理论框架之一[3]。它以信息处理模型为基本参考依据，主张人类的记忆系统包括感官记忆、工作记忆和长时记忆3 种模式，3 种模式结合以处理各种信息[4-5]。工作记忆对新信息的保存时间1~2 min，故又称为短时记忆；外界信息在工作记忆中才能被认识和加工；但工作记忆的容量有限，只能存储7±2 条信息或信息组块或同时加工2~3 条信息组块[3]。新信息经过加工后以图式的形式存储于长时记忆中，长时记忆的容量无限，且储存的信息永远不会遗忘；长时记忆中内容的变化是学习发生的标志[3]。

认知负荷理论认为学习者在学习过程中的认知负荷有内在认知负荷、外在认知负荷和相关认知负荷3 种类型，内在认知负荷是由知识内容本身带来的，外在认知负荷是不当的信息组织方式和呈现方式带来的，相关认知负荷是指与促进图式构建和自动化相关的负荷[3]；只有将认知负荷控制在工作记忆所能承载的范围内，有效学习才能发生[6]。内在和外在认知负荷会阻碍学习，而相关认知负荷则会促进学习[2]。

诸多研究人员对认知负荷理论进行了丰富和拓展，2016 年Plass F 等人提出了多媒体学习认知-情感整合理论（Integrated Cognitive-Affective Theory of Learning with Media，ICATLM），认为学习时认知过程和情感过程是相互伴随且不可分割的，学习时感知到的情绪可以形成情绪图式并存在长时记忆里，激发情绪能提高内在动机和促进学习[7]。

“食品原料学”是食品加工、贮藏和质量控制的基础，是食品类专业的基础课，地位重要。肉类受到绝大多数消费者的青睐。肉的颜色是肉的生理、生化和微生物学变化的外部表现，虽然肉的颜色本身对肉的营养价值和风味并无多大影响，但却是评价肉品质量的一个重要指标，是消费者用以判断鲜肉货架期和可接受性的最常用标准，也是决定消费者购买欲的最主要的外观因素。因此，学习“肉的颜色”这一内容具有重要意义，是“食品原料学”课程的教学重点。但现有的微课无法促进有效学习的发生。

根据认知负荷理论，“肉的颜色”这一内容的教学效果之所以差，一是由于相关知识点之间关系错综复杂，内在认知负荷水平高；二是由于相关知识点的组织方式和呈现方式不当，增加了外在认知负荷；三是由于缺乏促进图式构建和自动化的相关认知负荷；四是由于忽略了情绪因素对认知加工的影响。因此，系列化微课在设计开发时需要四管齐下，在降低内在与外在认知负荷、增加相关认知负荷、激发学生情绪上下功夫。

2 基于认知负荷理论的系列微课设计

2.1 降低内在认知负荷

模块学习是指将知识内容作为一个整体（即模块） 来学习；模块化学习是指将知识内容分解为几个模块分别进行学习，然后再将这些模块整合在一起进行学习；认知负荷理论认为模块化学习能降低内在认知负荷，有效促进复杂性整体知识的学习[8]，其学习效果比模块学习的效果好。上述情形称为模块与模块化效应。

肉的颜色的相关知识点之间关系错综复杂，属于复杂性知识，传统教学设计下，学生进行的是模块学习，内在认知负荷太高，学习效果差。根据模块与模块化效应，在设计鲜肉的颜色系列微课时，首先在深入研究国际经典教材（Lawrie's Meat Science(Eighth Edition)， Chapter 11-The Eating Quality of Meat：I-Color）、学术前沿、科技动态及行业进展的基础上，对教学内容进行了补充、更新和重构，并把教材中“肉的颜色”这一主题改成了“鲜肉的颜色：现象 本质 控制”。

“鲜肉的颜色”教学内容的重构见图1。

图1 “鲜肉的颜色”教学内容的重构

由图1 可知，重构使教材中罗列式的、碎片化的、高交互的内容聚焦“如何控制肉的颜色”这一核心问题，将肉色的现象、本质和控制三者之间关联起来，由3 节（即3 个模块） 组成，层层递进。在这样的教学设计下，学生进行的是模块化的学习，大大降低了内在认知负荷。

2.2 降低外在认知负荷

2.2.1 情境创设

在微课的诸多环节，尤其是导入环节，注重通过精选图片、巧设问题来创设情境，使教学从具体到抽象，降低学生的外在认知负荷，具有易懂性。

在“鲜肉的颜色：现象本质控制”系列微课之一的“肌红蛋白（Mb） 的浓度、结构与氧化还原形式”的导入环节，以图2 所示的图片、文字结合“摆在你面前的是3 种不同颜色的肉，你愿意买哪种颜色的？”这一问题创设了情境。

图2 “鲜肉的颜色：现象本质控制”系列微课之一导入画面

“鲜肉的颜色：现象 本质 控制”系列微课之一导入画面见图2。

在“鲜肉的颜色：现象本质控制”系列微课之二的“影响肌红蛋白（Mb） 氧化还原稳定性的内因”的导入环节，展示了一张改编自英文文献的图片，这张图在系列微课之一中展示过，那时学习的侧重点是Mb 的氧化还原形式与肉色的表层关系，系列微课之二关注的是表层关系背后的深层原因，这与系列微课之二的重难点密切相关；展示图片的同时，提出“通过上一节的学习，我们知道了鲜切肉块垂直切面在贮藏期间的颜色及Mb 形式的变化动态，但其背后的原因是什么呢？”这一问题，创设情境，承上启下，将系列微课之一和之二联系起来，让学生更加明晰知识体系之间的关系。

“鲜肉的颜色：现象 本质 控制”系列微课之二导入画面见图3。

图3 “鲜肉的颜色：现象本质控制”系列微课之二导入画面

在“鲜肉的颜色：现象 本质 控制”系列微课之三的“影响肌红蛋白（Mb） 氧化还原稳定性的外因”的导入环节，以“有一位新开业的生鲜肉品超市负责人最近十分苦恼，所售生鲜肉颜色经常偏离消费者喜欢的鲜红色，销售业绩岌岌可危，怎样才能扭转这一局面呢？”这一问题，配合精选的图片，创设了情境。

“鲜肉的颜色：现象 本质 控制”系列微课之三导入画面见图4。

图4 “鲜肉的颜色：现象本质控制”系列微课之三导入画面

2.2.2 多媒体设计

Mayer 等人在认知负荷理论和双重编码理论的基础上提出了多媒体学习认知理论[3]，基于该理论，Mayer 提出了多条多媒体教学设计原则[9]。

在设计鲜肉的颜色系列微课的多媒体时，避免大段文字，提炼关键词，精选关系图和相关图片，遵循聚焦要义、提示结构、空间临近、时间临近、多种媒体、双重通道等原则，降低外在认知负荷。

“鲜肉的颜色：现象 本质 控制”系列微课多媒体的设计见图5。

图5 “鲜肉的颜色：现象本质控制”系列微课多媒体的设计

2.3 增加相关认知负荷

2.3.1 信息打包

为了增加相关认知负荷，提高教学的有效性，在“鲜肉的颜色：现象 本质 控制”系列微课的设计开发中，适时采用图表打包信息（学习内容），使信息化零为整。

“鲜肉的颜色：现象 本质 控制”系列微课采用的部分图形见图6。

图6 “鲜肉的颜色：现象本质控制”系列微课采用的部分图形

此外，还适时采用顺口溜等方式打包信息，使信息化零为整。如“鲜肉的颜色：现象 本质 控制”系列微课之三“影响肌红蛋白（Mb） 氧化还原稳定性的外因”在介绍第5 个外因“包装环境中的气体”时，为了帮助学生应用这一知识点选择合适的包装方式控制肉的颜色，编了几句顺口溜“短期要红选富O2，不怕紫时可真空，长期要红选新型，CO 有风险，禁止使用有道理”，这几句顺口溜将常见包装方式对于肉色保持的优缺点及其原因进行了高度概括，易于记忆。

2.3.2 知识可视化

在“鲜肉的颜色：现象本质控制”系列微课的设计开发中，特别注重知识的可视化，尤其是知识之间关系的可视化，引导学生注意关键和实质的信息。

“鲜肉的颜色：现象 本质 控制”系列微课采用的部分知识可视化见图7。

图7 “鲜肉的颜色：现象本质控制”系列微课采用的部分知识可视化

2.3.3 样例学习设计

样例学习是指从具有详细解答步骤的样例中归纳出隐含的抽象知识（解决问题的策略、方法） 来解决问题[10]。对于交互性强的复杂知识而言，样例学习化抽象为具体，能有效促进图式建构和自动化，通过增加相关认知负荷来减轻总的认知负荷，达到比直接通过解决问题来学习更好的学习效果。

“鲜肉的颜色：现象 本质 控制”系列微课包含的3 节微课，每节微课都是一个大的样例，每个大的样例中又嵌套小的样例，从肉的颜色现象出发，将肉的颜色现象与本质之间联系起来，详细地介绍了从3 个层面上如何控制肉的颜色，学生通过样例的学习，能归纳出解决“如何控制肉色”这个问题的步骤，即步骤1 了解肉色的动态变化现象，步骤2弄清现象背后的本质，步骤3 找出控制肉色的思路，步骤4 针对肉色的实际问题，设计解决方案。解决这个问题的步骤非常具有代表性，可迁移应用于其他原料学问题的解决。

如对系列微课之一中的“肌红蛋白的结构”之珠蛋白这一知识点的设计，首先借助图片展示熟肉的颜色不同于生肉这一现象，然后介绍这一现象背后的本质——珠蛋白的变性，再引导学生由珠蛋白与肉色之间的关系提出控制肉色的思路。

2.3.4 学生想象设计

与认知负荷有关的“想象”有2 种情形，一是对学习过的样例内容（包括问题、解题步骤和答案）进行想象，即对样例内容的回忆和再现；二是对当前所面临的新问题（尤其是近迁移问题） 的解题方案或解题步骤进行想象，即回忆出或再现出样例中的解题方案或步骤，并运用到新问题的解决上[8]。“想象”可以通过增加相关认知负荷促进学习[8]。

以上2 种“想象”的情形在“鲜肉的颜色：现象本质控制”系列微课的设计开发中均有涉及。构成系列微课的每一个微课均在“新知小结”环节要求学生暂停视频，对照学习目标，对微课内容进行总结回顾，手绘思维导图，给学生创设第一种情形的“想象”空间；在“新知展开”环节适时提出诸如“由珠蛋白与肉色之间的关系，你能提出控制肉色的思路吗”的问题，引导学生展开第二种情形的“想象”。

2.4 激发积极情绪

在“鲜肉的颜色：现象本质控制”系列微课的设计开发中，除了注意语速、语气、语调等的控制外，特别注重从与学生有关联的事物出发，通过科学设计问题来设置悬念、制造认知冲突等手段激发学生的积极情绪，下面举几个例子加以说明。

2.4.1 悬念设计

在“鲜肉的颜色：现象本质控制”系列微课的第1 个微课中，以图片结合“鸡肉、猪肉、牛肉的颜色为什么不一样”“熟肉的颜色为什么不同于生肉”等问题设置悬念，激活学生的旧知与已有经验，激发学生学习的兴趣，并做好学习的心理准备，快速进入学习状态。

2.4.2 认知冲突设计

在“鲜肉的颜色：现象本质控制”系列微课的第2 个微课中，根据影响肌红蛋白氧化还原稳定性的内因1 和内因3 与肉色的关系，分别介绍了肉色的控制思路1（抑制线粒体的活性） 和思路3（提高线粒体的活性），这时，教师通过语言“讲到这，细心的你一定发现了控制肉色的思路1 和思路3 存在矛盾”引导学生注意到这个认知冲突，产生强烈的好奇感；教师再通过问题“那这2 条思路之间有没有共同点呢？”引导学生思考并找到2 条思路的共同点：2 条思路本质上都降低了高铁肌红蛋白的含量，进而控制了肉色的恶化。不同的是，思路1 是通过抑制线粒体的活性从而减少高铁肌红蛋白的产生，思路3 是通过将已产生的高铁肌红蛋白还原从而减少高铁肌红蛋白的含量。不仅如此，还设问“这该如何是好？回避矛盾吗？”，进一步引导学生思考应该如何对待矛盾。

“鲜肉的颜色：现象 本质 控制”系列微课的第3 个微课在介绍影响肌红蛋白氧化还原稳定性的第2 个外因抗氧化剂时，提到维E 和维C 均有良好的抗氧化效果，在饲料中添加、宰前注射均有效，此时配合画面（见图8） 提问学生“使用抗氧化剂能否助这位负责人一臂之力呢？”，然后说“答案是肯定的！”“你可能会说不行不行！一个卖肉的超市，还能管得着饲料和屠宰吗？”，这时学生心中的认知冲突就产生了。因为在学生的已有经验中，销售和饲料生产、动物养殖、屠宰等环节是脱节的，销售过程已经错过了使用抗氧化剂有效控制肉色的时机。在认知冲突的基础上，介绍农业全产业链的国家政策、全产业链理念及做法，学生自然就理解了新知。

图8 抗氧化剂知识点认知冲突的有关画面

抗氧化剂知识点认知冲突的有关画面见图8。

“鲜肉的颜色：现象 本质 控制”系列微课的第3 个微课在介绍影响肌红蛋白氧化还原稳定性的第5 个外因包装环境中的气体时，配合画面（见图9）介绍了最近研发出的一种新型的真空包装方式——亚硝酸盐包埋包装，这种包装方式不仅具有传统真空包装的优点，还可使肉呈现消费者喜爱的鲜红色，其呈色机理是：亚硝酸钠被包埋在真空包装膜的密封层，与肉品表面接触时，亚硝酸盐转化为一氧化氮气体，并与肉中的肌红蛋白结合生成亚硝基肌红蛋白，使肉呈鲜红色。随后提问学生“众所周知，亚硝酸钠具有毒性，为什么这种新型的真空包装还能申请到专利呢？”，这时认知冲突就建立了。随后引导学生从毒性与剂量的关系上思考这一问题，并进一步强化创新意识，引导创新思维。

图9 包装环境中的气体认知冲突的有关画面

包装环境中的气体认知冲突的有关画面见图9。

制造的认知冲突能激发学生的积极情绪，使学生的学习兴趣浓、动机足，不但能达成知识目标，引导高阶思维训练，也能在不知不觉中达成课程思政目标，如前面所举的3 个认知冲突的例子就分别涉及到了“矛盾辩证看”“全产业链理念”和“创新意识”。

3 系列微课应用效果

基于认知负荷理论，设计开发的“鲜肉的颜色：现象本质控制”系列微课教学。

系列微课之一教学过程设计示意图见图10，系列微课之二教学过程设计示意图见图11，系列微课之三教学过程设计示意图见图12。

图10 系列微课之一教学过程设计示意图

图11 系列微课之二教学过程设计示意图

图12 系列微课之三教学过程设计示意图

针对肉的颜色这一教学内容，随机选择食品科学与工程专业学习能力相当的2 个平行班，每个平行班36 人，其中平行班（1） 学习基于传统教学设计的微课后完成满分为100 分的测试题，答题的平均分仅为75.56 分；平行班（2） 学习基于认知负荷理论设计的系列微课后完成同一套测试题，答题的平均分为91.65 分，比平行班（1） 高了约16 分。由此可见，基于认知负荷理论设计的系列微课确实促进了有效学习的发生。

通过网上匿名问卷调查学生对基于认知负荷理论设计的系列微课的看法，学生的意见整理如下。

（1） 满脑子都是肉的颜色。

（2） 很吸引人、很有趣。

（3） 每当打开微课，我都不由自主地、认认真真地边听边做起笔记来。

（4） 微课让我充分、直观地了解每一个术语、每一个现象，让我感觉好像教师就在教室里与我面对面地在交流……

（5） 很好地了解了学的知识怎样运用到实际中。

（6） 很善于举例。

（7） 肉的颜色背后居然有那么大的学问，但是那么多知识点，一点都没有零散的感觉，几个样例就妥妥地厘清了。

学生的反馈表明基于认知负荷理论设计的系列微课是成功的，学生观看学习时的体验很好。基于认知负荷理论设计的系列微课获得了第二十届广西高校教育教学信息化大赛的二等奖，这表明该设计也得到了专家、同行们的认可。

4 结语

混合式教学设计是成功开展混合式教学的关键，而系列微课是混合式教学设计的重要内容，基于认知负荷理论的系列微课设计实际上是将设计视角由教学设计转变成了学习设计，设计理念由知识传递的设计转变成了“价值塑造、能力培养、知识传授”三位一体的设计，体现了“学生中心”的教育教学理念，能达成“促进有效学习，促进高效学习”这一根本目标。

以鲜肉的颜色系列微课为例，从降低内在认知负荷、降低外在认知负荷、增加相关认知负荷和激发积极情绪4 个方面介绍了认知负荷理论在系列微课设计上的应用，这些应用方法可操作性强，适用范围广，可广泛应用于各类课程系列微课的设计上，尤其适用于信息元素间交互性强的复杂性整体知识的系列微课设计。