降低認(rèn)知負(fù)荷促進(jìn)小學(xué)生科學(xué)知識(shí)建構(gòu)

教育心理學(xué)研究表明，有意義的學(xué)習(xí)是選擇、組織和整合信息（認(rèn)知加工）的過程。認(rèn)知負(fù)荷是指學(xué)習(xí)者在對(duì)學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)行認(rèn)知加工的過程中所承受的一定的負(fù)擔(dān)，可以分為無關(guān)認(rèn)知負(fù)荷、必要認(rèn)知負(fù)荷和生成認(rèn)知負(fù)荷[1]。無關(guān)認(rèn)知負(fù)荷是指與學(xué)習(xí)者目標(biāo)達(dá)成的信息加工過程沒有直接關(guān)聯(lián)的工作負(fù)荷，必要認(rèn)知負(fù)荷是指學(xué)習(xí)者加工新知識(shí)時(shí)所必須承載的工作負(fù)荷[2]，生成認(rèn)知負(fù)荷則是指?jìng)€(gè)體把新舊知識(shí)融合、形成個(gè)性化理解所帶來的加工任務(wù)。學(xué)習(xí)者的工作記憶僅能承受有限的認(rèn)知負(fù)荷，小學(xué)科學(xué)教學(xué)的方向就是要避免產(chǎn)生無關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，在高效組織新信息內(nèi)部聯(lián)系的前提下善用必要的認(rèn)知負(fù)荷，騰出記憶空間，促使新舊知識(shí)的整合。

當(dāng)前小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一些教師為實(shí)施新課程倡導(dǎo)的自主、合作、探究的學(xué)習(xí)方式，把科學(xué)課上成實(shí)驗(yàn)操作課，認(rèn)為讓學(xué)生動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)就是在“探究”，運(yùn)用大量的實(shí)驗(yàn)替代對(duì)科學(xué)概念的理解和科學(xué)知識(shí)的掌握。由此造成的結(jié)果是，學(xué)生學(xué)的科學(xué)知識(shí)是零散、紊亂的，他們對(duì)科學(xué)概念的把握也會(huì)出現(xiàn)混亂和偏差?？此茻釤狒[鬧的科學(xué)課卻給學(xué)生增加許多無關(guān)的學(xué)習(xí)資源，導(dǎo)致無關(guān)認(rèn)知負(fù)荷充滿他們的工作記憶空間，無法進(jìn)行有效的認(rèn)知加工，且在復(fù)習(xí)階段大量概念知識(shí)的呈現(xiàn)會(huì)占滿學(xué)生工作記憶的空間，大大加重他們檢索和加工信息的負(fù)擔(dān)，使學(xué)生負(fù)荷超載[3]。因此，為了降低小學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的認(rèn)知負(fù)荷，我們可以在信息選擇階段，合理取舍材料，避免學(xué)生受無關(guān)信息干擾;信息組織階段，切塊呈現(xiàn)信息，降低信息組織難度;信息整合階段，借用圖示表征，提高信息整合能力。

一、合理取舍材料，避免無關(guān)信息干擾

取舍材料要以教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容為依據(jù)，精心選擇與學(xué)習(xí)內(nèi)容相關(guān)的教材、練習(xí)、探究工具等教與學(xué)的材料，要在收集整理材料的基礎(chǔ)上，通過比較研究，對(duì)教材、練習(xí)、工具等進(jìn)行合理取舍，避免學(xué)生在課堂教學(xué)中被無關(guān)信息干擾，從而降低認(rèn)知負(fù)荷，減輕學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，提高學(xué)習(xí)效率。

1.精選工具

學(xué)習(xí)科學(xué)時(shí)，通常需要用探究工具來幫助建構(gòu)學(xué)習(xí)內(nèi)容。教師要精心準(zhǔn)備有關(guān)的教學(xué)工具，工具必須充足和典型，從而輔助學(xué)生進(jìn)行思維活動(dòng)，使其能順利地發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、獲取新知，相反，過多、過雜或不合理的工具會(huì)干擾學(xué)生的思維，增加其無關(guān)認(rèn)知負(fù)荷。

以科學(xué)實(shí)驗(yàn)器材的精選為例，教師在進(jìn)行科學(xué)教學(xué)時(shí)要合理選擇實(shí)驗(yàn)工具。例如，在講授“空氣的熱脹冷縮”一課時(shí)，教師要提供小燒瓶、燒杯、試管、有孔橡皮塞、大小不同的氣球、癟的乒乓球等實(shí)驗(yàn)材料，讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明空氣的熱脹冷縮。其中，大氣球最能奪人眼球，大多數(shù)學(xué)生會(huì)選擇利用大氣球來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。有的會(huì)把大氣球封口后架在裝熱水的燒杯上，期待氣球的進(jìn)一步脹大;有的會(huì)把大氣球套在小燒瓶的瓶口上，再把燒瓶放入熱水中，但由于氣球太大，燒瓶又太小，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)常?？床坏矫黠@的現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)時(shí)間快結(jié)束時(shí)，可能會(huì)有比較性急的學(xué)生將氣球吹大套到燒瓶上……其實(shí)，這堂課給教師的教訓(xùn)或者建議就是精選實(shí)驗(yàn)材料，如果去掉大氣球，學(xué)生的注意力就會(huì)集中到其他材料上，如試管、吸管、有孔橡皮塞、小氣球。顯然，這種干擾學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷的“雞肋式”材料，教師教學(xué)時(shí)要堅(jiān)決果斷地予以舍棄。

當(dāng)然，精選工具并不是一味地減少工具，也有必要增加一定的工具。例如，教學(xué)“像火箭那樣驅(qū)動(dòng)小車”一課時(shí)，如果只按教材中提供的氣球驅(qū)動(dòng)小車，學(xué)生對(duì)反沖力的理解就會(huì)比較片面，不利于建立科學(xué)概念。此時(shí)，教師要增加一些實(shí)驗(yàn)材料，如噴氣能飛的氣球、噴氣能跑的小車、噴氣前進(jìn)的模型船、噴水能打轉(zhuǎn)的礦泉水瓶。這組材料中有氣球、小船、瓶子、小車，看似彼此毫無關(guān)聯(lián)，但因?yàn)榻處煹木脑O(shè)計(jì)使其集合在一起就具有了結(jié)構(gòu)。學(xué)生在操作中發(fā)現(xiàn)，在發(fā)現(xiàn)中歸納，對(duì)“反沖”這一現(xiàn)象就會(huì)有科學(xué)的認(rèn)識(shí)和理解，從而形成科學(xué)概念[4]。

2.精選練習(xí)

練習(xí)是學(xué)生掌握知識(shí)的非常重要的手段。很多教師和家長(zhǎng)都認(rèn)為練習(xí)做得越多，知識(shí)就會(huì)越鞏固，而且當(dāng)前市場(chǎng)中的教輔練習(xí)多如牛毛，以致很多學(xué)生陷入題海戰(zhàn)術(shù)的深淵。事實(shí)上，作為以實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)為特質(zhì)的小學(xué)科學(xué)，單純的紙筆練習(xí)凸顯出一定的局限性，好比是駕駛員考駕照，只考理論，我們很難看到學(xué)生在學(xué)完科學(xué)后是否有應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。因此，少而精的非紙筆練習(xí)的實(shí)驗(yàn)操作練習(xí)應(yīng)運(yùn)而生。它不僅可以達(dá)到鞏固知識(shí)的目的，還會(huì)提高學(xué)生的動(dòng)手能力，真正讓他們?cè)趯W(xué)習(xí)中解決實(shí)際問題，從而減輕認(rèn)知負(fù)荷。

例如，教師講完“磁鐵”單元后，為了檢測(cè)學(xué)生是否形成有關(guān)磁鐵、磁極的認(rèn)識(shí)，通常會(huì)布置大量的紙筆習(xí)題，幫助他們鞏固知識(shí)。有判斷題，如磁鐵有指示南北方向的作用，對(duì)其判斷對(duì)錯(cuò)。有選擇題，如一塊條形磁鐵摔斷成A和B，那么下列說法中哪種正確。一是：A是南極或北極，二是：A和B都有南極和北極，三是：無法確定磁極的具體位置。有簡(jiǎn)答題，如請(qǐng)用兩種以上的方法判斷一塊條形磁鐵的磁極。這樣的練習(xí)，雖然可以檢測(cè)學(xué)生關(guān)于“磁鐵、磁極”的認(rèn)識(shí)，也從不同角度關(guān)注了他們掌握知識(shí)的程度，但小學(xué)生在這類紙筆練習(xí)下，依舊不能利用已有知識(shí)解決實(shí)際問題，且由于內(nèi)容繁多，容易干擾他們正確掌握信息。

因此，為了凸顯科學(xué)課的特質(zhì)，幫助學(xué)生真正掌握所學(xué)的科學(xué)內(nèi)容，教師要精心設(shè)計(jì)，將上述紙筆練習(xí)題轉(zhuǎn)換成實(shí)驗(yàn)操作探究題，準(zhǔn)備一定的材料，例如，一個(gè)沒有標(biāo)明南北極但有顏色區(qū)別的小磁針、一個(gè)支撐磁針轉(zhuǎn)動(dòng)的支架、一塊較大的條形磁鐵、兩張小貼紙，要求學(xué)生利用已有材料，判斷條形磁鐵的南北極，并標(biāo)注在貼紙上，貼到條形磁鐵的相應(yīng)位置。

我們可以看到，這樣的練習(xí)，其材料簡(jiǎn)潔，問題清晰，而且學(xué)生在完成操作時(shí)也培養(yǎng)了他們解決實(shí)際問題的能力，能運(yùn)用磁針指示方向，分清現(xiàn)實(shí)生活中的南北方向，能利用“磁鐵同極相斥，異極相吸”的原理判斷條形磁鐵的南北極，也運(yùn)用了兩種判斷磁鐵、磁極的方法。這就使得在達(dá)到教材要求的目標(biāo)的同時(shí)，并不只是讓學(xué)生對(duì)知識(shí)概念進(jìn)行識(shí)記和回憶，不再只是以文字為主要方式的認(rèn)知重現(xiàn)，而是強(qiáng)調(diào)用實(shí)驗(yàn)操作的方式展示和表達(dá)他們對(duì)知識(shí)、概念以及綜合運(yùn)用的能力，更有針對(duì)性，讓學(xué)生在較少的單位時(shí)間內(nèi)獲得最大的收益。

所以，在深化新課改之際，面對(duì)多種版本的教材，面對(duì)紛繁復(fù)雜的習(xí)題集，面對(duì)形式多樣的實(shí)驗(yàn)探究材料，只有精心選擇材料，比較研究材料間的優(yōu)劣，選擇適合學(xué)生的材料，才能促進(jìn)學(xué)生對(duì)信息的有效選擇。

二、切塊呈現(xiàn)材料，降低信息組織難度

切塊呈現(xiàn)是指通過片段化呈現(xiàn)的方式，讓學(xué)習(xí)者在完成當(dāng)前片段所需要的認(rèn)知加工后，再去學(xué)習(xí)下一片段，最終以步步推進(jìn)的方式完成知識(shí)建構(gòu)所需要的全部認(rèn)知加工[5]。與連續(xù)單元的形式相比，這種按照學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)進(jìn)度分塊呈現(xiàn)的形式能更好地應(yīng)對(duì)由學(xué)習(xí)材料本身的復(fù)雜性所造成的認(rèn)知超載。要達(dá)到不同的學(xué)習(xí)結(jié)果，切塊呈現(xiàn)的形式也要有所區(qū)分。我們主要以科學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)以及探究材料的呈現(xiàn)為例闡述切塊呈現(xiàn)的具體操作。

1.切分內(nèi)容

當(dāng)新授的知識(shí)內(nèi)容過于復(fù)雜時(shí)，教師要將學(xué)習(xí)材料或任務(wù)分解，再依序呈現(xiàn)片段內(nèi)容。只有合理切塊，有序呈現(xiàn)，復(fù)雜的新信息才能逐一被理解、組織。例如，“制作一個(gè)一分鐘計(jì)時(shí)器”一課的目標(biāo)是讓學(xué)生了解擺鐘的原理，并學(xué)會(huì)制作計(jì)時(shí)器，但由于學(xué)生往往不知道擺鐘的各部分名稱，對(duì)其核心原理更是不了解，所以教師教學(xué)伊始不能只呈現(xiàn)擺鐘整體的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖，不對(duì)其各部件及運(yùn)作原理做出解釋。因此，教師就可以采取切塊呈現(xiàn)的策略，進(jìn)行下列具體操作：第一，學(xué)習(xí)擺鐘各零部件的名稱，如齒輪操縱器、擺錘、垂體、齒輪等。第二， 分系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，將工作原理分成三幅分解的圖來說明。第一幅圖呈現(xiàn)擺鐘初始狀態(tài);第二幅圖呈現(xiàn)鐘擺擺動(dòng)到最左邊的狀態(tài)，此時(shí)長(zhǎng)針部分的操縱器倒鉤松開，垂體拉力讓齒輪往前轉(zhuǎn)動(dòng)一齒;第三幅圖呈現(xiàn)的是當(dāng)鐘擺往右擺動(dòng)時(shí)，右邊的齒輪前進(jìn)一齒。第三，動(dòng)手操作組裝計(jì)時(shí)器模型。組裝過程中，要求學(xué)生仔細(xì)觀察擺錘與齒輪操縱器的運(yùn)作過程，從中理解擺鐘的工作原理。第四，調(diào)節(jié)擺長(zhǎng)，完成一分鐘計(jì)時(shí)器。

通過上述的學(xué)習(xí)活動(dòng)，學(xué)生會(huì)在探索擺鐘系統(tǒng)整體運(yùn)行原理前，逐步了解各部件的名稱、功能及分系統(tǒng)的運(yùn)行。這種層層推進(jìn)式的內(nèi)容呈現(xiàn)，會(huì)為學(xué)生的認(rèn)知加工提供很好的定向指導(dǎo)作用。

2.器材組合

在科學(xué)教學(xué)中，我們常常需要用許多實(shí)驗(yàn)器材幫助建構(gòu)學(xué)習(xí)內(nèi)容。在教學(xué)材料較多的情況下，過早地一次性呈現(xiàn)所有材料會(huì)造成學(xué)生注意力的分散，干擾他們的思維或增加無關(guān)認(rèn)知負(fù)荷。教師為學(xué)生活動(dòng)準(zhǔn)備的學(xué)具，要有嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)[6]。把有結(jié)構(gòu)的材料放在一起，它們之間會(huì)存在一定的相互關(guān)系，不同的組合會(huì)使學(xué)生得到不同的探究結(jié)果。一缸水、一個(gè)木塊、一個(gè)小墊圈，這樣一組材料會(huì)讓學(xué)生得出什么結(jié)論？有學(xué)生會(huì)說鐵塊在水中是沉的，木塊在水中是浮的。由于材料結(jié)構(gòu)太過簡(jiǎn)單，很難讓學(xué)生形成規(guī)律性的科學(xué)概念。但如果提供另一組器材，如一盆水、相同體積的圓柱體（木、鐵、塑料、橡膠），學(xué)生的探究結(jié)果又會(huì)是怎樣的？因?yàn)椴牧现g的強(qiáng)烈對(duì)比性，學(xué)生會(huì)得到一個(gè)規(guī)律性的認(rèn)識(shí)：相同體積的物體，重的容易沉，輕的容易浮。

例如，以“物體在水中是沉還是浮”為例，教師在教學(xué)時(shí)需要遵循嚴(yán)密的邏輯關(guān)系，先要讓學(xué)生隱約地感覺到物體的沉浮與輕重、大小是有關(guān)的，再讓他們感受到沉浮與輕重、大小又似乎沒有關(guān)系，最后察覺到與輕重、大小又有一定聯(lián)系。要讓學(xué)生經(jīng)歷從模糊到清晰、從肯定到否定再到肯定的過程，這依賴于有結(jié)構(gòu)的材料，即相同體積不同重量的球以及相同重量不同體積的立方體。教師要試圖通過這組材料，讓學(xué)生探究影響沉浮的因素，獲得關(guān)于物體沉浮的規(guī)律。而這些有結(jié)構(gòu)的材料也只有隨著學(xué)生思維的步步深入而依次提供，才能引導(dǎo)他們體會(huì)到科學(xué)探究的過程與樂趣，使探究活動(dòng)循序漸進(jìn)[7]。

三、圖示表征信息，提高信息整合能力

圖示表征是指運(yùn)用直觀圖示幫助學(xué)生組織、整合信息。利用可視化圖示教學(xué)，其本質(zhì)是將相對(duì)抽象的思考對(duì)象“圖示化”，把問題、情境、概念理解、規(guī)律探索等思考過程變得直觀可視，使抽象變形象、內(nèi)隱化外顯[8]。作為小學(xué)生，他們學(xué)習(xí)過于抽象的內(nèi)容是很困難的，這源于他們的思維還處在由形象思維向抽象思維過渡的階段。然而，如果能使用可視化圖示，使新知識(shí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與原有知識(shí)間的聯(lián)系外顯可視，就可以幫助學(xué)生完成新舊知識(shí)的整合。圖示表征可使學(xué)生學(xué)習(xí)中的思維過程外顯可現(xiàn)，使他們對(duì)知識(shí)的整合更為便捷。

1.知識(shí)樹

有意義的學(xué)習(xí)依賴于學(xué)習(xí)者的積極認(rèn)知加工或知識(shí)建構(gòu)，只有將新舊知識(shí)密切地聯(lián)系起來，學(xué)生才能較輕松地記住這些知識(shí)。圖示可以對(duì)教學(xué)內(nèi)容起深化和補(bǔ)充說明的作用，用以幫助學(xué)生理解文字所描述的概念、規(guī)則間的相互關(guān)系，形成知識(shí)的體系[9]，這在一定程度上能夠幫助學(xué)生學(xué)會(huì)怎樣學(xué)習(xí)。知識(shí)樹能很好地促進(jìn)學(xué)生新舊知識(shí)的聯(lián)結(jié)。

知識(shí)樹是學(xué)生快速檢索知識(shí)的地圖，其本質(zhì)上是一個(gè)層級(jí)式知識(shí)圖，是為實(shí)現(xiàn)某一學(xué)習(xí)目標(biāo)而建立的所有相關(guān)知識(shí)間的因果關(guān)系或從屬關(guān)系的知識(shí)框架。用形象直觀的知識(shí)樹來梳理知識(shí)結(jié)構(gòu)，是一種很有效的學(xué)習(xí)方法。在學(xué)習(xí)中，學(xué)生常常會(huì)注意教師每一節(jié)課的知識(shí)，卻會(huì)忽略知識(shí)與知識(shí)之間的聯(lián)結(jié)，很少?gòu)恼w上思考知識(shí)結(jié)構(gòu)，更不會(huì)思考這些知識(shí)點(diǎn)由何而來，學(xué)習(xí)知識(shí)的目的要到哪里去，久而久之，就容易形成“一葉障目，不見泰山”的局面。特別是到期末總復(fù)習(xí)時(shí)，學(xué)生滿腦子都是些零零碎碎的知識(shí)點(diǎn)，混亂無序。然而，借助“知識(shí)樹”，可以迅速地讓學(xué)生回憶起單元的學(xué)習(xí)內(nèi)容，避免其耗費(fèi)大量的認(rèn)知資源梳理學(xué)習(xí)材料，為加工整合信息騰出盡可能多的認(rèn)知空間。

由于畫知識(shí)樹具有很高的統(tǒng)整性，對(duì)學(xué)生而言有一定難度，教師可以先提供一個(gè)不完整的知識(shí)樹讓學(xué)生填空，幫助他們掌握它的結(jié)構(gòu)，適當(dāng)降低難度。然后，再放手讓學(xué)生自己畫完整的知識(shí)樹，也可鼓勵(lì)學(xué)生用多種形式來創(chuàng)作。例如，在講授完“生物與環(huán)境”單元后，教師可以給學(xué)生展示一張留有空白節(jié)點(diǎn)的知識(shí)樹（見圖1），要求學(xué)生獨(dú)立完成空白部分，檢測(cè)他們能否理清從“個(gè)體”到“生物圈”的關(guān)系。如果學(xué)生能順利完成，這說明他們對(duì)本單元的新舊知識(shí)概念已經(jīng)掌握，也對(duì)知識(shí)樹有了感性的認(rèn)識(shí)，并會(huì)嘗試通過畫知識(shí)樹來整理

知識(shí)。

2.維恩圖

小學(xué)階段，學(xué)生會(huì)認(rèn)識(shí)很多概念，其中有些概念會(huì)相互聯(lián)系，還有些概念是很容易混淆的。如果不弄清它們之間的關(guān)系，學(xué)生就容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。維恩圖是表示事物之間區(qū)別和聯(lián)系的圖形，可用于選擇、分類和比較信息。在科學(xué)課上，我們可以利用維恩圖促進(jìn)學(xué)生比較信息，梳理概念，優(yōu)化知識(shí)組織結(jié)構(gòu)。維恩圖用兩個(gè)圓來呈現(xiàn)事物的不同信息，將事物各自的特征分別記在兩個(gè)圓中，它們的共同特征則應(yīng)填入兩個(gè)圓的交叉部分。借助維恩圖，教師可以在教學(xué)中指導(dǎo)學(xué)生重點(diǎn)比較觀察兩個(gè)事物（或概念）的聯(lián)系與區(qū)別，從而對(duì)比較的事物有個(gè)明確的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，利用維恩圖，讓學(xué)生將所學(xué)知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行歸納整理，也是一個(gè)有效的方法。

美國(guó)心理學(xué)家喬納森曾指出，當(dāng)學(xué)生試圖用圖示的方法表征事物時(shí)，他們的思維往往正處于最佳狀態(tài)，教師也可通過圖示來評(píng)價(jià)他們的理解程度。事實(shí)確實(shí)如此，分類圖、維恩圖等可以將內(nèi)隱的思維過程予以形象化的外顯，從而使學(xué)生準(zhǔn)確地理解概念、把握規(guī)則[10]。

在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，運(yùn)用精選材料、切塊呈現(xiàn)、圖示加工等策略，有效地降低學(xué)生信息加工過程中的認(rèn)知負(fù)荷，促進(jìn)他們對(duì)科學(xué)概念理解和探究能力的提升，不失為科學(xué)有效的教學(xué)策略，也取得了比較明顯的效果。但如何進(jìn)一步減輕學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，這一任務(wù)任重而道遠(yuǎn)！

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（作者單位： 浙江省杭州時(shí)代小學(xué)）

（責(zé)任編輯：孫建輝）