基于認(rèn)知負(fù)荷理論的實驗思維臺階搭建策略研究？鄢

馮文俊　柯志超

摘要：在尋求概念本質(zhì)的教學(xué)過程中，應(yīng)用認(rèn)知負(fù)荷理論分析教學(xué)模型，探尋以實驗為基礎(chǔ)的思維臺階搭建，達(dá)成教學(xué)的認(rèn)知目標(biāo)。并通過對 “離子反應(yīng)”概念教學(xué)中探究實驗的設(shè)計，提出一種具有普遍意義的概念教學(xué)設(shè)計思路與結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知負(fù)荷；概念教學(xué)；思維臺階

文章編號：1008-0546（2017）06-0013-03 中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.06.003

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，課堂上教師在展示化學(xué)教學(xué)魅力的時候，常常以實驗為背景進(jìn)行學(xué)科思維的構(gòu)建，充分體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的特點。在概念教學(xué)中通過化學(xué)實驗探索概念的形成，更能提升學(xué)生對化學(xué)概念本質(zhì)的理解。但并不是所有的課堂實驗都能順利地引導(dǎo)學(xué)生思維，有的實驗思維臺階過高，超過聽課學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，使學(xué)生的思維能力不能跨上教師設(shè)置的臺階，就會讓本應(yīng)是學(xué)生發(fā)揮的課堂尷尬地成為教師個人的演講臺，本應(yīng)是概念探索的過程生硬地成為記憶的流程。為了更好地發(fā)揮實驗在概念學(xué)習(xí)過程中的作用，應(yīng)用認(rèn)知負(fù)荷理論，通過搭建實驗思維臺階，減低課堂無效認(rèn)知負(fù)荷，提升有效認(rèn)知負(fù)荷，達(dá)成思維能力目標(biāo)，無疑是一種很好的嘗試。

一、認(rèn)知負(fù)荷理論與教學(xué)的相關(guān)性

認(rèn)知負(fù)荷理論（Cognitiive Load Theory）是由澳大利亞新南威爾士大學(xué)的認(rèn)知心理學(xué)家John Sweller于1988年首先提出來的。所謂的認(rèn)知負(fù)荷是指學(xué)習(xí)過程中學(xué)生完成所給認(rèn)知任務(wù)而需要的心理資源的數(shù)量，即工作記憶必須注意和處理的信息總和[1]。認(rèn)知負(fù)荷在教學(xué)中的指向關(guān)系如表1所示。

三種類型的認(rèn)知負(fù)荷是相互疊加的，使總的認(rèn)知負(fù)荷不超出學(xué)習(xí)者個體能承受的認(rèn)知負(fù)荷，在準(zhǔn)確分析內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷的基礎(chǔ)上，實施教學(xué)的過程中增加合理的教學(xué)設(shè)計，可以盡可能減少外在認(rèn)知負(fù)荷，增加相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，提升實驗教學(xué)的功效。上述過程如圖1所示。

二、概念教學(xué)中實驗思維臺階策略分析

從認(rèn)知負(fù)荷理論的有效負(fù)荷來看，教學(xué)過程中需要提升相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，因此，對實驗過程能夠運用合理的化學(xué)符號進(jìn)行連續(xù)完整地描述，是實驗思維訓(xùn)練的重要目標(biāo)之一。當(dāng)實驗內(nèi)容與學(xué)生的已有認(rèn)知差距較大時，作為教學(xué)的設(shè)計者，就應(yīng)當(dāng)設(shè)計搭建思維的臺階，讓學(xué)生能夠順利完成實驗過程的連續(xù)性思維。

在概念教學(xué)中通過化學(xué)實驗的方式進(jìn)行解析，是探索概念本質(zhì)的重要方式?；瘜W(xué)實驗在教學(xué)中是與其他教學(xué)目標(biāo)共存的，實驗教學(xué)除了支持物質(zhì)性質(zhì)的學(xué)習(xí)，以及達(dá)成某一實驗?zāi)繕?biāo)進(jìn)行的技能訓(xùn)練，還需要承載著學(xué)科思維品質(zhì)的訓(xùn)練功能。實驗思維不單是對實驗現(xiàn)象的觀察、對實驗過程的模仿式操作、對實驗結(jié)論的記憶，更應(yīng)該包括對實驗過程的設(shè)計和推演，對實驗結(jié)論的合理預(yù)測和驗證，其完整性、科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性能夠反映出學(xué)生實驗思維能力的真實水平。概念的本質(zhì)在實驗思維的訓(xùn)練中自然建構(gòu)形成，而能否在新的實驗環(huán)境中應(yīng)用學(xué)到的知識是檢驗概念的內(nèi)化效果，這一目標(biāo)的實現(xiàn)取決于相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷的形成。如果前一環(huán)節(jié)未達(dá)成相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷的思維終點，就會對下 一環(huán)節(jié)的知識提取造成影響。因此，以實驗為基礎(chǔ)的概念教學(xué)應(yīng)經(jīng)過創(chuàng)設(shè)環(huán)境、探尋本質(zhì)、內(nèi)化提升三個環(huán)節(jié)，并且反復(fù)提升，如圖2所示。

三、教學(xué)案例分析

離子反應(yīng)是蘇教版“從海水中獲得的化學(xué)物質(zhì)”中的內(nèi)容，海水是一種水溶液環(huán)境，水溶液環(huán)境是中學(xué)實驗最重要的反應(yīng)環(huán)境，在水溶液中，離子是微粒的主要存在形式，因此，掌握好離子反應(yīng)的概念，是學(xué)生認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)實質(zhì)的完善和鞏固，也對學(xué)生后續(xù)的學(xué)習(xí)（特別是水溶液中的化學(xué)反應(yīng)）打下了重要的理論基礎(chǔ)。更重要的，本節(jié)課是學(xué)生構(gòu)建微粒觀的重要契機(jī)。同時離子反應(yīng)及其方程式的書寫是重要的化學(xué)用語，貫穿于中學(xué)化學(xué)教材的始終。因此，在高中化學(xué)的核心概念中，離子反應(yīng)占有非常重要的地位。

1. 教學(xué)目標(biāo)分層——明晰內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷

內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷是指工作記憶對認(rèn)知任務(wù)本身所包含的信息元素（如概念、 規(guī)則的基本成分的數(shù)量）及其交互性進(jìn)行認(rèn)知加工活動所產(chǎn)生的負(fù)荷。內(nèi)在負(fù)荷源于認(rèn)知任務(wù)本身[2]。

本節(jié)課的認(rèn)知任務(wù)有三個層面：

（1）基礎(chǔ)知識層：能區(qū)分強(qiáng)弱電解質(zhì)，并能書寫電離方程式；知道離子反應(yīng)的本質(zhì)，學(xué)會用離子方程式表示溶液中的離子反應(yīng)。

（2）問題解決層：通過觀察實驗的現(xiàn)象，對物質(zhì)的變化進(jìn)行預(yù)測、分析、解釋。用語言、圖式、符號表達(dá)自己的觀點。

（3）學(xué)科思維層：建立宏觀——微觀——符號的思維模型。

在認(rèn)知難點上除了弱電解質(zhì)和離子反應(yīng)這兩大概念外，宏觀——微觀——符號之間的聯(lián)系也是貫穿整節(jié)課的思維主線。即使高一的學(xué)生已經(jīng)具備一定的分析問題能力和一定的實驗探究能力，但抽象思維能力仍較薄弱，同時這些知識元素交互性很強(qiáng)，因而在教學(xué)初期需要減少這些元素的交互活動。

2. 多臺階思維鏈——降低外部認(rèn)知負(fù)荷

外部認(rèn)知負(fù)荷是屬于無效負(fù)荷，在實際教學(xué)中過高的外部認(rèn)知負(fù)荷會嚴(yán)重降低學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，依據(jù)Sweller 等人研究總結(jié)的6 個效應(yīng)以及本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容，為有效降低外在負(fù)荷的教學(xué)設(shè)計，綜合考慮其中的自由目標(biāo)效應(yīng)、樣例效應(yīng)、注意分散效應(yīng)，通過教學(xué)設(shè)計的優(yōu)化、知識信息的重組，搭建多思維臺階鏈，分解復(fù)雜認(rèn)知任務(wù)，簡化學(xué)生認(rèn)知加工，降低外部認(rèn)知負(fù)荷。

本節(jié)課需要在學(xué)生比較困難的宏觀與微觀之間的思維轉(zhuǎn)換上，明確實驗?zāi)繕?biāo)，促進(jìn)學(xué)生關(guān)注實驗過程的狀態(tài)和思維角度的選擇，在實驗結(jié)論交流中歸納出思維模型，作為學(xué)生思考的樣例，以形成宏觀——微觀——符號的三重表征主線。

例如，在溶液導(dǎo)電能力與離子濃度大小的關(guān)系上，由教材的一個實驗拆為3個實驗，分別將溶液中的離子是溶液導(dǎo)電的原因、燈泡亮度反應(yīng)出溶液的導(dǎo)電能力、溶液的離子濃度大小影響著溶液導(dǎo)電能力這三個問題用實驗的方式呈現(xiàn)出來；在溶液中離子的反應(yīng)關(guān)系上，設(shè)計pH和電導(dǎo)率的手持技術(shù)實驗，通過技術(shù)實現(xiàn)離子變化可見，讓學(xué)生從實驗過程性數(shù)據(jù)曲線分析離子的變化。

3. 強(qiáng)化連續(xù)思維——提升相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷

相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷有利于學(xué)生把大量復(fù)雜無序的信息組合成簡單有序的知識體系， 實現(xiàn)學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的優(yōu)化， 有效降低工作記憶的認(rèn)知負(fù)荷。 相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷的增加還有利于意義的建構(gòu)[3]。在高中，多數(shù)學(xué)生能夠很快地接受物質(zhì)、方程式等簡單的化學(xué)符號，但是連續(xù)性描述過程還是顯得困難。在過程的應(yīng)用中，各種成分間的交互關(guān)系增強(qiáng)，對知識意義的認(rèn)知超過對知識內(nèi)容的記憶。對知識意義的加工是一種能力，需要學(xué)生自身的悟性，也需要學(xué)習(xí)過程的訓(xùn)練。

形成相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷是思維臺階的目標(biāo)，每一個重要的知識點在經(jīng)過多個思維臺階，形成多個已有知識和現(xiàn)有現(xiàn)象之間的聯(lián)系之后，需要整理無序的知識碎片，借助樣例效應(yīng)，建立有序的連貫性思維。本節(jié)課有“兩概念一思路”需要通過相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷的建立進(jìn)行建構(gòu)和鞏固，兩概念指強(qiáng)弱電解質(zhì)的概念和離子反應(yīng)概念，一思路指宏觀——微觀——符號思維主線。

例如關(guān)于強(qiáng)弱電解質(zhì)的概念有三個相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷提升點，一是借助等濃度的氨水和NaOH溶液導(dǎo)電性實驗對比，從宏觀——微觀——符號說明強(qiáng)弱電解質(zhì)的概念；二是借助等濃度的醋酸溶液和鹽酸導(dǎo)電性實驗對比，再次從宏觀——微觀——符號鞏固強(qiáng)弱電解質(zhì)的概念；三是在氨水與鹽酸反應(yīng)的pH和電導(dǎo)率變化圖像的預(yù)測、分析、推演中，應(yīng)用強(qiáng)弱電解質(zhì)的概念。

四、搭建思維臺階的教學(xué)設(shè)計

基于以上分析，在本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計優(yōu)化之后，創(chuàng)設(shè)“三環(huán)節(jié)六實驗一討論”的思維臺階，逐級增加材料元素的交互性，降低學(xué)生對認(rèn)知加工的壓力，增強(qiáng)學(xué)生對微粒觀的認(rèn)識，從本質(zhì)上理解離子反應(yīng)的概念，提升學(xué)生實驗思維品質(zhì)。

五、案例反思

1. 認(rèn)知負(fù)荷理論與思維臺階整合教學(xué)效率

實驗是直觀的，但是實驗現(xiàn)象背后的思考才是課堂交流的重點，課堂的交流就是教師與學(xué)生思維的對接，思維跨度就是學(xué)生外在認(rèn)知負(fù)荷主要體現(xiàn)，合理的課堂交流能夠引導(dǎo)學(xué)生的思維一步步地達(dá)到能力目標(biāo)。當(dāng)前課堂上學(xué)生注意力的重心是在實驗現(xiàn)象的觀察和實驗操作細(xì)節(jié)的掌握，而忽視實驗整體思維能力的塑造，我們應(yīng)該反思如何有效培養(yǎng)學(xué)生在實驗中的思維能力。因此，必要的思維臺階能夠幫助學(xué)生形成正確的實驗探究觀念。搭建思維臺階的方式有多種，閱讀、語言、文字、視頻、動畫、實驗都能成為思維的臺階，它們都能發(fā)揮各自不同的教學(xué)功能，達(dá)成學(xué)習(xí)的知識目標(biāo)，但是從整體實驗思維能力的培養(yǎng)角度來看，動手實驗有其檢驗的真實性，無疑是解決實驗思維的最好辦法。

2. 重視概念的建構(gòu)與應(yīng)用過程

概念不是簡單的記憶，應(yīng)該是一個思維探索的過程。北京師范大學(xué)的姜忠提出利用探究實驗建構(gòu)概念的設(shè)計結(jié)構(gòu)應(yīng)包括4個部分：以新概念為基礎(chǔ)設(shè)計實驗、學(xué)生以原有概念去解釋實驗、利用認(rèn)知沖突探究實驗、利用探究結(jié)果形成新概念。這一結(jié)構(gòu)能夠加深學(xué)生對概念形成過程的體驗，能夠使學(xué)生更加深刻地體會概念的含義[4]。

3. 重視相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷的形成

教學(xué)的過程中往往產(chǎn)生很多的知識碎片，學(xué)生需要從中獲取有助于形成實驗探究整體思維的部分，教師應(yīng)當(dāng)增加學(xué)生在這一過程的認(rèn)知負(fù)荷，在課內(nèi)或者課外，培養(yǎng)學(xué)生形成連續(xù)性思維的能力，這是實驗思維臺階搭建的最終目標(biāo)。提升相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷可以在階段知識的小結(jié)或者是概念建構(gòu)的小結(jié)中，還可以在知識或思維模型的應(yīng)用中，以檢驗學(xué)生的認(rèn)知目標(biāo)是否達(dá)成。

實驗既是引發(fā)學(xué)科興趣的基礎(chǔ)，也是引發(fā)學(xué)生思維的起點，概念是思維達(dá)到一定階段的精華概括，教師需要引導(dǎo)學(xué)生從知識表面的認(rèn)識到知識本質(zhì)的認(rèn)識。充分利用認(rèn)知負(fù)荷理論將實驗作為概念教學(xué)的思維情景，設(shè)計合理的思維臺階，是能夠符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，順利達(dá)成概念的建構(gòu)和思維能力培養(yǎng)的目標(biāo)的。

參考文獻(xiàn)

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[4] 姜忠，歐陽津.概念同化教學(xué)中探究實驗設(shè)計研究[J].化學(xué)教育，2016（13）：20-23