認(rèn)知負(fù)荷理論在儀器分析教學(xué)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

吳 蓉，程樂(lè)華

（巢湖學(xué)院 化學(xué)與材料科學(xué)系,安徽 巢湖 238000）

認(rèn)知負(fù)荷理論在儀器分析教學(xué)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

吳 蓉，程樂(lè)華

（巢湖學(xué)院 化學(xué)與材料科學(xué)系,安徽 巢湖 238000）

在儀器分析教學(xué)中，由于對(duì)認(rèn)知負(fù)荷的考慮不足，常常使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中發(fā)生認(rèn)知超載，一定程度上影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。根據(jù)認(rèn)知負(fù)荷理論，從降低外在認(rèn)知負(fù)荷、降低內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷及增加相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷三方面對(duì)儀器分析課程教學(xué)設(shè)計(jì)展開(kāi)研究，提出相應(yīng)教學(xué)設(shè)計(jì)策略。

認(rèn)知負(fù)荷理論；儀器分析；教學(xué)設(shè)計(jì)

儀器分析課程是高校化學(xué)、化工類專業(yè)一門(mén)重要的實(shí)踐性極強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課。在傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程中，儀器分析課程多數(shù)缺乏對(duì)學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷的考慮，從而導(dǎo)致了學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生認(rèn)知超載，嚴(yán)重影響了學(xué)習(xí)效率。因此在儀器分析教學(xué)過(guò)程中有機(jī)融合認(rèn)知負(fù)荷理論，深入分析認(rèn)知負(fù)荷產(chǎn)生的原因，能使我們更深刻地理解學(xué)習(xí)過(guò)程，為課程的教學(xué)設(shè)計(jì)提供科學(xué)的理論指導(dǎo)。

1 認(rèn)知負(fù)荷理論

認(rèn)知負(fù)荷是指在完成任務(wù)過(guò)程中進(jìn)行信息加工所需要的認(rèn)知資源的總量。認(rèn)知負(fù)荷理論是由澳大利亞教育心理學(xué)家John Sweller等人提出，該理論的基本觀點(diǎn)是任何教學(xué)都會(huì)引起3種認(rèn)知負(fù)荷，即外在認(rèn)知負(fù)荷、內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷和相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷。外在認(rèn)知負(fù)荷與學(xué)習(xí)材料的組織和呈現(xiàn)方式有關(guān)，是由學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)學(xué)習(xí)沒(méi)有直接貢獻(xiàn)的心理活動(dòng)引起的。學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)計(jì)不合理，教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)不當(dāng)，都會(huì)導(dǎo)致工作記憶產(chǎn)生不必要的認(rèn)知，引起外在認(rèn)知負(fù)荷。內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷是指工作記憶對(duì)學(xué)習(xí)任務(wù)本身所包含的信息元素的數(shù)量及其交互性進(jìn)行認(rèn)知加工所承受的認(rèn)知負(fù)荷，與學(xué)習(xí)材料的復(fù)雜性和學(xué)習(xí)者專長(zhǎng)之間的關(guān)聯(lián)程度有關(guān)。如果學(xué)習(xí)材料較為復(fù)雜，且學(xué)習(xí)者在該領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)較為欠缺，就會(huì)增加工作記憶的負(fù)擔(dān)，產(chǎn)生較高的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷。相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，是指工作記憶對(duì)學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)行實(shí)質(zhì)性認(rèn)知而承受的負(fù)荷。它產(chǎn)生于學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)某一個(gè)任務(wù)未用完所有的認(rèn)知資源時(shí)，這時(shí)學(xué)習(xí)者便可以把剩余的認(rèn)知資源用到與學(xué)習(xí)有直接相關(guān)的加工(比如圖式構(gòu)建)中去。[1]

2 認(rèn)知負(fù)荷理論在儀器分析教學(xué)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

由于認(rèn)知負(fù)荷是建立在工作記憶容量基礎(chǔ)之上的，所以3種負(fù)荷之間是一種此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。教師在教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)考慮到3種負(fù)荷之間的相互關(guān)聯(lián)，進(jìn)行最優(yōu)化的教學(xué)設(shè)計(jì)。由于內(nèi)在和外在認(rèn)知負(fù)荷對(duì)學(xué)習(xí)都有阻礙作用，而相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷對(duì)學(xué)習(xí)有促進(jìn)作用，所以教學(xué)設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮降低外在認(rèn)知負(fù)荷和內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷，增加相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷。

2.1 降低外在認(rèn)知負(fù)荷

降低外在認(rèn)知負(fù)荷主要是減少學(xué)習(xí)者所需要加工的與學(xué)習(xí)目標(biāo)無(wú)關(guān)的信息，最大限度地呈現(xiàn)直接達(dá)到學(xué)習(xí)目的的內(nèi)容。盡管外在認(rèn)知負(fù)荷都來(lái)自于材料的組織和呈現(xiàn)方式，但具體的來(lái)源有所區(qū)別，比如，有的外在認(rèn)知負(fù)荷是由于過(guò)多額外的與學(xué)習(xí)目標(biāo)無(wú)關(guān)的材料引起的；有時(shí)候則是由于材料安排混亂，導(dǎo)致學(xué)習(xí)者要花費(fèi)大量認(rèn)知資源用于整理材料。Kester等人認(rèn)為建立信息適時(shí)呈現(xiàn)模型，能有效降低外在認(rèn)知負(fù)荷，[2]Mayer等人以認(rèn)知負(fù)荷理論為基礎(chǔ)，提出并驗(yàn)證了多媒體教學(xué)設(shè)計(jì)的5個(gè)原則為多樣化的呈現(xiàn)原則、接近原則、一致性原則、通道原則和冗余原則。[3]這些研究對(duì)儀器分析課程的教學(xué)設(shè)計(jì)有著較好借鑒價(jià)值。

2.1.1 信息適時(shí)呈現(xiàn)

信息適時(shí)呈現(xiàn)就是指當(dāng)學(xué)習(xí)者在問(wèn)題解決中剛好需要某個(gè)信息時(shí)呈現(xiàn)該信息。在教學(xué)中，可在每一章節(jié)內(nèi)容介紹完后，提出一些問(wèn)題讓學(xué)生完成，減少學(xué)生在完成習(xí)題時(shí)的認(rèn)知負(fù)荷?；蛟诮榻B完某一知識(shí)點(diǎn)后安排一些問(wèn)題讓學(xué)生獨(dú)立思考，來(lái)進(jìn)一步提供有關(guān)操作的知識(shí)。例如在介紹完原子光譜的內(nèi)容后，提出“測(cè)定血清中的Zn、Cr，礦石中的Ha、Ce、Pr、Nd 以及廢水中的 Fe、Mn、Al、Cr， 應(yīng)選用哪一種原子光譜法？”，該問(wèn)題的回答需要應(yīng)用原子熒光、原子發(fā)射及原子吸收光譜分析法來(lái)解決，通過(guò)這一問(wèn)題的解答，可讓學(xué)生對(duì)原子光譜的幾種方法的特點(diǎn)及應(yīng)用有更清楚的認(rèn)識(shí)。

2.1.2 圖表的使用

多媒體教學(xué)在當(dāng)前的儀器分析教學(xué)中是一種很好的輔助手段，但常會(huì)由于一些不合理的操作造成學(xué)生的認(rèn)知超載，嚴(yán)重影響了學(xué)習(xí)的效率。而恰當(dāng)使用圖表，可有效降低外在認(rèn)知負(fù)荷。在圖表中所有的視覺(jué)元素都可以同時(shí)看到，這樣減少了在包括多個(gè)空間元素的協(xié)調(diào)任務(wù)中的視覺(jué)搜索。如在介紹原子發(fā)射光譜中的不同激發(fā)光源時(shí)，可通過(guò)列表比較不同光源的溫度、放電特性、火焰特點(diǎn)及應(yīng)用范圍等，而不需要學(xué)生消耗更多的認(rèn)知資源對(duì)其進(jìn)行整理和建構(gòu)，從而減輕了學(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)擔(dān)。再者，儀器分析內(nèi)容涉及許多數(shù)據(jù)、圖譜和儀器結(jié)構(gòu)，通過(guò)圖表的形式，把儀器結(jié)構(gòu)、部件特征和測(cè)定過(guò)程中的作用原理、工作流程圖等制作成圖片讓學(xué)生直觀感覺(jué)認(rèn)識(shí)，一目了然。

2.1.3 消除冗余材料

冗余發(fā)生在相同信息以不同的方式呈現(xiàn)或呈現(xiàn)不必要的額外信息時(shí)。如教學(xué)中，為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)機(jī)，教師會(huì)在設(shè)計(jì)課件時(shí)增加一些有趣鮮艷的插圖、聲音等裝飾性的無(wú)關(guān)材料。但這一做法常會(huì)分散學(xué)生對(duì)關(guān)鍵內(nèi)容的注意，干擾他們對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的組織和整合，實(shí)際上是增加了學(xué)生的外在認(rèn)知負(fù)荷，影響教學(xué)效果。消除冗余材料的方法包括：在自我解釋的圖像上不要添加文字；不要用文本和聲音同時(shí)描述圖像；避免呈現(xiàn)相同的文字和圖像；整合視、聽(tīng)信息，一次只呈現(xiàn)一種方式等，這些都可以有效地降低學(xué)生的外在認(rèn)知，提高學(xué)習(xí)效率。

2.2 減少內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷

由于內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷是由元素之間復(fù)雜的交互活動(dòng)引起的，因而減少內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷的主要方法就是減少元素間這樣的交互活動(dòng)。Pollock等人認(rèn)為，恰當(dāng)?shù)某尸F(xiàn)順序?qū)τ趯W(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)特別復(fù)雜的信息時(shí)可以減少認(rèn)知負(fù)荷，[4]Gerjets等人提出，模塊化的樣例對(duì)降低學(xué)習(xí)者的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷有很好的效果，[5]Renkl等人研究表明，在學(xué)習(xí)不完整樣例的過(guò)程中，隨著學(xué)習(xí)者知識(shí)水平的不斷提高，采用漸減方式呈現(xiàn)不完整樣例的解答步驟，到最后演變成問(wèn)題解決是一個(gè)較好的途徑。[6]將這些研究應(yīng)用于儀器分析教學(xué)中，對(duì)課程的優(yōu)化設(shè)計(jì)有著重要的指導(dǎo)作用。

2.2.1 按順序和分塊呈現(xiàn)課程內(nèi)容

在儀器分析課程中，需要學(xué)生掌握各種儀器分析方法的基本理論、儀器的基本結(jié)構(gòu)，要求學(xué)生具有選擇適宜分析方法的能力。依據(jù)所測(cè)物理量的原理不同，教學(xué)內(nèi)容主要分為光學(xué)分析、電化學(xué)分析、色譜分析3大部分。在教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要考慮內(nèi)容的呈現(xiàn)方式。如在“光學(xué)分析”章節(jié)中，先介紹3種原子光譜，然后比較原子光譜與分子光譜的異同，再介紹可見(jiàn)、紫外、紅外3種常見(jiàn)的分子光譜法。對(duì)于原子光譜，包括原子發(fā)射、原子吸收和原子熒光光譜法，課程內(nèi)容安排時(shí)可分成幾個(gè)模塊依次呈現(xiàn)，先介紹3種原子光譜法的基本原理，再依次介紹各方法的特點(diǎn)和儀器裝置及應(yīng)用，最后比較3種的異同。將核磁及質(zhì)譜法與可見(jiàn)、紫外、紅外3種分子光譜法作為一個(gè)模塊整體學(xué)習(xí)，一方面可把物質(zhì)結(jié)構(gòu)與波譜信息結(jié)合起來(lái)，另一方面也讓學(xué)生在學(xué)習(xí)光學(xué)分析法的同時(shí)掌握儀器分析中主要的定量分析方法。按順序和分塊呈現(xiàn)課程內(nèi)容，整個(gè)過(guò)程內(nèi)容緊湊、邏輯性強(qiáng)，學(xué)生易于接受和掌握，從而能有效降低內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷。

2.2.2 用漸減的方式呈現(xiàn)樣例

內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷不僅與學(xué)習(xí)材料的復(fù)雜性有關(guān)，還與學(xué)習(xí)者在該領(lǐng)域的專業(yè)水平有關(guān)。在實(shí)際教學(xué)中，教師可先對(duì)典型樣例進(jìn)行分析和講解，讓學(xué)生通過(guò)樣例學(xué)習(xí)，歸納解題思路和學(xué)習(xí)方法。教師在提供樣例時(shí)可以逐步減少樣例的解答步驟，最終以問(wèn)題解決的形式呈現(xiàn)，這樣能有效地減輕學(xué)習(xí)中的認(rèn)知負(fù)荷。如在講解紅外光譜定性分析法時(shí)，最重要的是讓學(xué)生掌握如何對(duì)譜圖進(jìn)行正確的解析。

2.3 增加相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷

增加相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷主要是通過(guò)激發(fā)學(xué)生的動(dòng)機(jī)或努力讓學(xué)生將更多的資源放在與學(xué)習(xí)有直接相關(guān)的加工中去，從而促進(jìn)學(xué)習(xí)。Paas等人的研究表明提供樣例的變式可有效的增加相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷。[7]龔德英認(rèn)為，歸納是增加學(xué)習(xí)者相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷的較好方式。[8]這些研究成果為儀器分析課程教學(xué)設(shè)計(jì)中增加相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷提供了指導(dǎo)。

2.3.1 注重提供樣例的變式

問(wèn)題情境的變式可以鼓勵(lì)學(xué)習(xí)者發(fā)展圖式，因?yàn)樗箤W(xué)習(xí)者更能把相似特征和相關(guān)特征與無(wú)關(guān)特征區(qū)分開(kāi)來(lái)，可以更好地促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)和遷移。如在講述了紅外光譜法原理及紅外光譜的應(yīng)用后，讓學(xué)生判斷幾種未知物質(zhì)能否通過(guò)紅外光譜法區(qū)別開(kāi)來(lái)。解決這一問(wèn)題的途徑，首先可以通過(guò)對(duì)理論的學(xué)習(xí)及物質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析得到正確的答案。另外，教師在教學(xué)設(shè)計(jì)中，還可通過(guò)找出這些未知物質(zhì)的紅外譜圖，比較分析譜圖，來(lái)得出問(wèn)題的答案。通過(guò)解決同一問(wèn)題的兩種不同方式的比較，進(jìn)而加深學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的掌握。

2.3.2 要求學(xué)生能適時(shí)歸納所學(xué)內(nèi)容

在學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行歸納不僅有利于梳理錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系，還有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，教師在完成每章節(jié)的講述后，設(shè)計(jì)一定數(shù)量的填空或問(wèn)答練習(xí)，以作業(yè)的形式要求學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行歸納，以使學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容有一個(gè)宏觀的了解。

3結(jié) 語(yǔ)

認(rèn)知負(fù)荷理論是在現(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)的研究成果中提出的一種先進(jìn)的教學(xué)設(shè)計(jì)理論，它豐富了教學(xué)設(shè)計(jì)的研究，也為實(shí)際教學(xué)工作提供了理論參考。本文將認(rèn)知負(fù)荷理論融合到儀器分析教學(xué)設(shè)計(jì)中，提出信息適時(shí)呈現(xiàn)、恰當(dāng)使用圖表、避免注意分散和消除冗余材料，可有效降低學(xué)生的外在認(rèn)知負(fù)荷。教學(xué)設(shè)計(jì)中按順序和分塊呈現(xiàn)課程內(nèi)容及用漸減的方式呈現(xiàn)樣例等，可減少內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷。同時(shí)課程設(shè)計(jì)中提供樣例的變式，要求學(xué)生適時(shí)歸納所學(xué)內(nèi)容等，能有效增加相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷。實(shí)踐證明將認(rèn)知負(fù)荷理論應(yīng)用到儀器分析教學(xué)設(shè)計(jì)中，可有效的促進(jìn)教學(xué)效果，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

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The Application of Cognitive Load Theory in the Teaching Design of Instrumental Analysis

Wu Rong,Cheng Lehua
(Department of Chemistry and Materials Science,Chaohu University,Chaohu 238000,China)

In the teaching of instrumental analysis,due to the lack of consideration about cognitive load,cognitive overload often occurs,which then affectsthestudents'learningefficiency.Based on Cognitive Load Theory,a study on the teaching design of instrument analysis has been carried out from the perspectives of reducing extraneous cognitive load,reducing intrinsic cognitive load and increasing germane cognitive load.The appropriate teaching design strategies have been proposed.

Cognitive Load Theory;instrumental analysis;teaching design

G642.3

A

1672-447X（2011）03-0121-003

2011-03-02

安徽省教育廳教學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（20100969）；巢湖學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目（jyxm201114)

吳蓉（1977-），安徽巢湖人，巢湖學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)系講師，碩士，研究方向?yàn)榉治龌瘜W(xué)。

胡德明