教學(xué)設(shè)計中認(rèn)知負(fù)荷的控制
——以“減數(shù)分裂”教學(xué)為例

林修愚

（福州市教育研究院，福建 福州 350001）

教學(xué)設(shè)計中認(rèn)知負(fù)荷的控制
——以“減數(shù)分裂”教學(xué)為例

林修愚

（福州市教育研究院，福建 福州 350001）

根據(jù)認(rèn)知負(fù)荷理論有關(guān)“認(rèn)知內(nèi)在負(fù)荷源決定于學(xué)習(xí)內(nèi)容的性質(zhì)，外在負(fù)荷與知識呈現(xiàn)方式等因素有關(guān)，不當(dāng)?shù)慕虒W(xué)設(shè)計會增加外在負(fù)荷”的觀點，以“減數(shù)分裂”教學(xué)為例，通過對內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷的處理、關(guān)注教學(xué)方法與教學(xué)內(nèi)容的適切性、以恰當(dāng)?shù)姆绞匠尸F(xiàn)知識內(nèi)容等，控制學(xué)習(xí)過程總負(fù)荷，以提升教學(xué)效益。

工作記憶；長時記憶；內(nèi)在負(fù)荷；外在負(fù)荷

依據(jù)認(rèn)知負(fù)荷理論，課堂活動方式或教學(xué)方法過多，可能導(dǎo)致“注意分散效應(yīng)”的產(chǎn)生，課件視頻情境過“炫”、或文字與音頻、視頻不能有機(jī)融合，可能產(chǎn)生“冗余效應(yīng)”，導(dǎo)致外在認(rèn)知負(fù)荷增加，因此認(rèn)知負(fù)荷理論對教學(xué)設(shè)計有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。

一、認(rèn)知負(fù)荷理論概述

信息加工理論認(rèn)為人類的認(rèn)知結(jié)構(gòu)包含工作記憶和長時記憶，知識以圖式的形式存儲于長時記憶中，圖式是知識的組織和存儲機(jī)制。［1］在該理論基礎(chǔ)上，澳大利亞認(rèn)知心理學(xué)家斯威勒（Sweller）于20世紀(jì)80年代提出認(rèn)知負(fù)荷理論（cognitive load theory），認(rèn)知負(fù)荷理論有兩個基本假設(shè)：（1）工作記憶的容量有限，長時記憶具有無限的貯存容量；（2）根據(jù)來源認(rèn)知負(fù)荷分為兩類，即內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷和外在認(rèn)知負(fù)荷。內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷來源于材料本身的特性如復(fù)雜程度等，外在認(rèn)知負(fù)荷來源于教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計與呈現(xiàn)方式或教學(xué)活動本身。［2］由于學(xué)生的學(xué)習(xí)效率主要受限于“工作記憶”的容量和“注意”的選擇性，因此有效教學(xué)基本原則是學(xué)習(xí)者的負(fù)擔(dān)不能超過其認(rèn)知負(fù)荷。

二、“減數(shù)分裂”教學(xué)設(shè)計示例

1.“減數(shù)分裂”教學(xué)存在的問題

“減數(shù)分裂”是遺傳學(xué)的重要概念和主干內(nèi)容，教學(xué)中師生都投入了較多的時間和精力，但往往未能達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。依據(jù)認(rèn)知負(fù)荷理論分析，原因主要有以下兩個方面：一是內(nèi)在負(fù)荷較大，該內(nèi)容涉及的認(rèn)知元素多，僅專業(yè)術(shù)語方面，就涉及原始生殖細(xì)胞、初級精（卵）母細(xì)胞、次級精（卵）母細(xì)胞、精（卵）細(xì)胞等重要術(shù)語或名詞，同時該知識所包含的元素間存在復(fù)雜的交互關(guān)系，如同源染色體、染色體、染色單體、DNA分子間的關(guān)系，分裂過程中染色體行為與遺傳定律的關(guān)系等。二是一些不當(dāng)教學(xué)設(shè)計產(chǎn)生較大的外在負(fù)荷，削弱了教學(xué)效果，常見的問題有：①導(dǎo)入過程引入許多復(fù)雜的問題或信息量極大的視頻，分散了對核心問題的關(guān)注。②每一教學(xué)環(huán)節(jié)中同時呈現(xiàn)過多的元素，如關(guān)于減數(shù)分裂過程的教學(xué)，本應(yīng)重點突出染色體行為變化，但部分教師講解過程中過早要求學(xué)生區(qū)分各時期細(xì)胞的名稱、區(qū)分染色體、染色單體、DNA分子含義及各期相應(yīng)的數(shù)目變化等，過早地進(jìn)行減數(shù)分裂與有絲分裂、精卵形成過程的異同比較，造成工作記憶負(fù)荷過大。③教學(xué)方法運(yùn)用龐雜，未能根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，突出思維引導(dǎo)，未能有選擇地使用多媒體課件、模型制作等方法，多種方法互相干擾，產(chǎn)生“注意力分散效應(yīng)”。④未能合理分配第1、2課時教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)，或過早進(jìn)行習(xí)題訓(xùn)練等等。

針對上述問題，下文呈現(xiàn)減數(shù)分裂第1課時教學(xué)過程設(shè)計，旨在運(yùn)用認(rèn)知負(fù)荷理論，合理分配各教學(xué)環(huán)節(jié)認(rèn)知負(fù)荷，以適當(dāng)方式呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)學(xué)生知識的內(nèi)化。

2.“減數(shù)分裂”教學(xué)過程設(shè)計

（1）討論生殖細(xì)胞內(nèi)染色體數(shù)目為何必須減半

教師以黑板畫方式，逐步呈現(xiàn)圖1，提出問題：①人體細(xì)胞有46條染色體，人類精、卵細(xì)胞染色體數(shù)目應(yīng)該是多少？②精、卵細(xì)胞的染色體在形態(tài)、大小、遺傳信息上是否相同或相近？學(xué)生運(yùn)用已學(xué)的知識，進(jìn)行推理、論證精、卵產(chǎn)生過程染色體數(shù)目必須減半，否則不能保證生物遺傳的穩(wěn)定，同時初步了解同源染色概念。

圖1 體細(xì)胞與精子

（2）推測減數(shù)分裂染色體數(shù)目減半的的機(jī)制，教師結(jié)合圖1，講解“不復(fù)制，分裂產(chǎn)生”或“復(fù)制一次連續(xù)分裂兩次”兩種可能性，并指出薩頓等科學(xué)家通過實驗觀察確定生物采用后者方式進(jìn)行減數(shù)分裂。

（3）減數(shù)分裂基本過程

利用黑板畫或課件，講解一對同源染色體的減數(shù)分裂過程（如圖2），引導(dǎo)學(xué)生建立最簡約的減數(shù)分裂概念模型；然后結(jié)合黑板畫或課件，引導(dǎo)學(xué)生推測兩對同源染色體的減數(shù)分裂過程，完成概念模型（如圖3）的學(xué)習(xí)。這部分的教學(xué)先不涉及細(xì)胞名稱，不強(qiáng)調(diào)染色體、單體、DNA分子數(shù)目區(qū)別及數(shù)目變化，重點關(guān)注同源染色體行為。在此基礎(chǔ)上要求學(xué)生完成圖4內(nèi)容的學(xué)習(xí)，確立“減數(shù)分裂過程中同源染色體分離，非同源染色體自由組合”的概念，構(gòu)建較完整的概念模型。

圖2 減數(shù)分裂圖（一對同源染色體）

圖3 減數(shù)分裂（兩對同源染色體）

（4）概念提升

展示多媒體課件，課件的圖示中減數(shù)分裂各時期的順序打亂，要求學(xué)生正確排出分裂進(jìn)程，并用標(biāo)注細(xì)胞名稱，描述各時期染色體行為及其相關(guān)變化，歸納減數(shù)分裂過程染色體行為變化要點，理解“精子（卵細(xì)胞）染色體數(shù)目減半，但包含每對同源染色體中的一條”的遺傳意義。

三、“減數(shù)分裂”教學(xué)設(shè)計說明

1.對內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷的處理

當(dāng)教學(xué)內(nèi)容的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷太大時，教師應(yīng)將復(fù)雜的教學(xué)任務(wù)分解為若干部分，依邏輯關(guān)系逐步展開，使各環(huán)節(jié)的內(nèi)在負(fù)荷合理分布。先以一對同源染色體為例，學(xué)習(xí)減數(shù)分裂過程，建立概念模型，進(jìn)而學(xué)習(xí)涉及兩對、多對同源染色體的減數(shù)分裂過程，使概念模型依次發(fā)展，逐步完善。其次每一教學(xué)環(huán)節(jié)要突出重點，如學(xué)習(xí)過程中要求學(xué)生重點關(guān)注染色體行為變化，先不涉及相關(guān)細(xì)胞名稱、染色體和DNA數(shù)目變化等內(nèi)容的講解，學(xué)生對減數(shù)分裂過程中染色體的變化有一定認(rèn)識后，再學(xué)習(xí)相關(guān)細(xì)胞名稱、染色體和DNA數(shù)目變化等內(nèi)容，目的在于避免學(xué)習(xí)過程中同時呈現(xiàn)過多的元素，影響工作記憶的操作。

2.關(guān)注教學(xué)方法與教學(xué)內(nèi)容的適切性

教學(xué)實踐中，某些章節(jié)內(nèi)容若以“自主學(xué)習(xí)”“探究性學(xué)習(xí)”形式呈現(xiàn)，課堂看似熱鬧，但實際效果不佳。相關(guān)研究結(jié)果表明，對內(nèi)在負(fù)荷較大的學(xué)習(xí)內(nèi)容，自主學(xué)習(xí)或探究性學(xué)習(xí)會形成了過高的認(rèn)知負(fù)荷［3］，如果缺乏必要基礎(chǔ)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)或探究性學(xué)習(xí)，學(xué)生可能找不到清晰的學(xué)習(xí)目標(biāo)和手段，影響教學(xué)效果。因此上述教學(xué)設(shè)計中，“同源染色體”“減數(shù)分裂中染色體的行為”等關(guān)鍵問題的學(xué)習(xí)，主要以教師提出問題引導(dǎo)學(xué)生思考，在學(xué)生回答的基礎(chǔ)上深入講解的方式進(jìn)行，以減少外在認(rèn)知負(fù)荷。教學(xué)中通過設(shè)置“同源染色體在外觀上的相同或相似，它們所包含的遺傳因子是否相同或相似？”“精細(xì)胞的染色體數(shù)目減半，其染色體種類有什么變化？”等問題，引導(dǎo)學(xué)生有深入思考。

3.以恰當(dāng)?shù)姆绞匠尸F(xiàn)知識內(nèi)容

認(rèn)知負(fù)荷理論認(rèn)為，知識的基本表征形式是圖式，長時記憶中的圖式是一種知識框架，在學(xué)習(xí)新材料時，如果能從長時記憶中提取圖式，材料就可以從圖式所提供的方法進(jìn)行學(xué)習(xí)。相關(guān)研究表明，難度較大的教學(xué)內(nèi)容，運(yùn)用圖表能有效降低認(rèn)知負(fù)荷。［4］上述“減數(shù)分裂”教學(xué)特別重視運(yùn)用模式圖的形式表示分裂過程中染色體的行為變化，以黑板畫或多媒體課件方式呈現(xiàn)，有機(jī)結(jié)合文字和圖像信息，能降低無關(guān)信息干擾，有利于概念模型的逐步完善，幫助學(xué)生形成良好的認(rèn)知體系。

綜上所述，認(rèn)知負(fù)荷理論對教學(xué)方法的選擇、教學(xué)內(nèi)容和學(xué)習(xí)材料的設(shè)計，都有較好的指導(dǎo)意義。減數(shù)分裂第2課時教學(xué)可進(jìn)行模型構(gòu)建，強(qiáng)調(diào)概念對構(gòu)建實物模型的指導(dǎo)作用，同時通過實物模型鞏固、提升學(xué)生對減數(shù)分裂染色體行為變化的認(rèn)識，選擇典型例題進(jìn)行“樣例學(xué)習(xí)”，進(jìn)行能力訓(xùn)練與鞏固，避免過早過多的習(xí)題訓(xùn)練。

［1］陳巧芬.認(rèn)知負(fù)荷理論及其發(fā)展［J］.現(xiàn)代教育技術(shù)，2009（9）.

［2］張同柏.認(rèn)知負(fù)荷理論的問題挑戰(zhàn)與融合超越［J］.外國教育研究，2012（11）.

［3］辛自強(qiáng)，林崇德.認(rèn)知負(fù)荷理論與認(rèn)知技能和圖式獲得的關(guān)系及其教學(xué)意義［J］.外國教育研究，2002（4）.

［4］吳先強(qiáng)，韋斯林.國外認(rèn)知理論與有關(guān)效教學(xué)的研究進(jìn)展及啟示［J］.全球教育展望，2009（2）.

2016年福建省基礎(chǔ)教育課程教學(xué)研究課題“科學(xué)課程教學(xué)‘習(xí)題化’的成因及糾正策略——基于高中生物教學(xué)實證研究”（項目編號：MJYKT2016-180）。

（責(zé)任編輯：陳欣）