基于認(rèn)知負(fù)荷理論的小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

惠浩　劉國(guó)良

澳大利亞心理學(xué)家約翰·斯威勒于上世紀(jì)80年代提出了認(rèn)知負(fù)荷理論，其核心內(nèi)容是，人們?cè)谡J(rèn)知加工過(guò)程中要投入一定的心理努力，占用一定的認(rèn)知資源，承載一定的負(fù)荷。認(rèn)知負(fù)荷是由學(xué)習(xí)材料的組織和呈現(xiàn)方式、學(xué)習(xí)材料內(nèi)在本質(zhì)特征以及學(xué)習(xí)者先前的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)三個(gè)因素所決定的。認(rèn)知負(fù)荷有三種，即內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷、外在認(rèn)知負(fù)荷和有效認(rèn)知負(fù)荷，三種類型的認(rèn)知負(fù)荷是相互疊加的，構(gòu)成了學(xué)習(xí)者在認(rèn)知活動(dòng)中總的認(rèn)知負(fù)荷量。學(xué)習(xí)活動(dòng)的效果與效率，都與學(xué)習(xí)活動(dòng)產(chǎn)生認(rèn)知負(fù)荷的量能有關(guān)。學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過(guò)程中的認(rèn)知負(fù)荷總量與記憶容量不相匹配，就會(huì)導(dǎo)致認(rèn)知資源的不足，或者抑制學(xué)習(xí)者的認(rèn)知意愿，嚴(yán)重影響學(xué)習(xí)者進(jìn)行意義建構(gòu)。

改進(jìn)課堂教學(xué)方法，提高課堂教學(xué)效率，是課堂教學(xué)改革追求的永恒主題，科學(xué)合理的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)則是提高課堂教學(xué)效率的關(guān)鍵。認(rèn)知心理學(xué)研究認(rèn)為，課堂學(xué)習(xí)材料的編排、呈現(xiàn)的形式、學(xué)習(xí)任務(wù)的難度等都會(huì)影響學(xué)生工作記憶的認(rèn)知負(fù)荷。合理的教學(xué)設(shè)計(jì)重視控制學(xué)生在學(xué)習(xí)活動(dòng)中所產(chǎn)生的各種負(fù)荷，讓認(rèn)知負(fù)荷的量處于學(xué)生認(rèn)知資源及其能力的恰當(dāng)區(qū)間，并使學(xué)生有限的認(rèn)知資源能夠投入到概念意義的建構(gòu)、概念圖式化的形成和圖式的自動(dòng)化之中。因此，認(rèn)知負(fù)荷理論對(duì)小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)的設(shè)計(jì)有著重要的啟示作用。

合理呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)器材，有效控制外在認(rèn)知負(fù)荷

外在認(rèn)知負(fù)荷是一種無(wú)效認(rèn)知負(fù)荷，主要由學(xué)習(xí)材料的組織和呈現(xiàn)方式不恰當(dāng)以及讓學(xué)生進(jìn)行的認(rèn)知活動(dòng)不恰當(dāng)所引起。在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，教師應(yīng)當(dāng)通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)器材的精心規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)材料的合理組織和呈現(xiàn)，排除無(wú)效的教學(xué)信息，從而達(dá)到有效控制不必要的外在認(rèn)知負(fù)荷的目的，提高課堂教學(xué)效果。

1.精選實(shí)驗(yàn)器材，排除信息冗余

實(shí)驗(yàn)器材是小學(xué)科學(xué)探究活動(dòng)的重要載體。典型而完備的實(shí)驗(yàn)器材，能有效支撐學(xué)生的探究活動(dòng)，合理引導(dǎo)學(xué)生的思維，使其順利地建構(gòu)概念、建立圖式。過(guò)多過(guò)雜的實(shí)驗(yàn)器材常常會(huì)干擾學(xué)生的思維，增加不必要的外在認(rèn)知負(fù)荷。

例如在建立“毛細(xì)現(xiàn)象”這一概念時(shí)，很多老師會(huì)提供很多的器材給學(xué)生進(jìn)行檢測(cè)。這些實(shí)驗(yàn)器材如果沒(méi)有遵循分類原則，就會(huì)導(dǎo)致活動(dòng)器材數(shù)量的嚴(yán)重超標(biāo)，致使學(xué)生在活動(dòng)時(shí)將大量的認(rèn)知資源投放到操作器材之中，使探究活動(dòng)變?yōu)楹?jiǎn)單的動(dòng)手操作。在老師給定的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，有的學(xué)生甚至連動(dòng)手操作都來(lái)不及完成。有的老師還會(huì)為學(xué)生準(zhǔn)備一些不常見(jiàn)的材料，如裝在吸管中的活性炭顆粒，由于很多學(xué)生第一次見(jiàn)到這種材料，他們會(huì)將大量的注意力集中在這一材料上，而忽視了“發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象材料的共同特征”這一核心任務(wù)。有的老師為增加實(shí)驗(yàn)的趣味性，在操作材料中增加了“切片面包”這種材料，也常常將學(xué)生的操作實(shí)驗(yàn)引向品嘗面包的趣味體驗(yàn)中。顯然，這些干擾學(xué)生的冗余信息，會(huì)讓學(xué)生將有限的認(rèn)知資源投入到對(duì)無(wú)效信息的處理之中，導(dǎo)致認(rèn)知資源的大量消耗，使工作記憶過(guò)早耗盡，從而使認(rèn)知資源不能有效地作用在概念建構(gòu)中。

2.合理組織呈現(xiàn)，促進(jìn)信息理解

精選實(shí)驗(yàn)器材并不是一味地減少器材，而是要將實(shí)驗(yàn)器材經(jīng)過(guò)一定的組織，在合適的時(shí)機(jī)合理地呈現(xiàn)給學(xué)生。例如，某教師在引導(dǎo)學(xué)生探究毛細(xì)現(xiàn)象時(shí)，準(zhǔn)備了紙巾?xiàng)l、布條、粉筆、海綿、吸管、玻璃片、紅藍(lán)兩色的花以及毛細(xì)現(xiàn)象演示器等實(shí)驗(yàn)材料。課堂上教師首先出示“紅藍(lán)兩色的花”以引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，接著將紙巾?xiàng)l、布條、粉筆、海綿、吸管、玻璃片組合成一組材料，讓學(xué)生在檢測(cè)這些物品是否產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象后，得到“狹縫、孔隙能夠讓水升高”的初步結(jié)論。然后再使用這組材料，要求學(xué)生在玻璃片、吸管上構(gòu)造狹縫、孔隙來(lái)驗(yàn)證形成的假設(shè)，即兩根吸管之間可以形成狹縫，濕透的紙巾、海綿等物品置于兩塊玻璃之間，也能形成一條由寬到窄的狹縫。在學(xué)生發(fā)現(xiàn)狹縫產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象規(guī)律的基礎(chǔ)上，出示“毛細(xì)現(xiàn)象演示器”，向?qū)W生演示毛細(xì)現(xiàn)象的典型規(guī)律。在探究過(guò)程中，教師引導(dǎo)學(xué)生先后多次使用這些材料組合，其實(shí)質(zhì)是為學(xué)生的探究搭建“腳手架”，將他們的外在認(rèn)知負(fù)荷在操作過(guò)程中始終控制在一個(gè)比較合理的范圍，從而將認(rèn)知資源盡可能多地投入到構(gòu)造狹縫、驗(yàn)證假設(shè)、形成圖式、建構(gòu)概念這些更有思維價(jià)值的活動(dòng)之中，有效地降低了學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，促進(jìn)了科學(xué)概念的意義建構(gòu)。

巧妙搭建認(rèn)知支架，適度降低內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷

內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷是指因?qū)W習(xí)內(nèi)容包含的信息元素?cái)?shù)量及其交互水平的復(fù)雜性給工作記憶帶來(lái)的負(fù)荷。內(nèi)在負(fù)荷從某種意義上反映了學(xué)習(xí)內(nèi)容的難度，但是學(xué)習(xí)內(nèi)容是否復(fù)雜且具有難度還取決于學(xué)生已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)（圖式數(shù)量）。減少內(nèi)在負(fù)荷的關(guān)鍵在于減少學(xué)習(xí)內(nèi)容包含的元素及其交互性。教學(xué)設(shè)計(jì)則需要根據(jù)學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)和水平，設(shè)置符合學(xué)生能力的認(rèn)知任務(wù)和學(xué)習(xí)內(nèi)容，或降低學(xué)習(xí)目標(biāo)的難度，或分步達(dá)成較為復(fù)雜的學(xué)習(xí)目標(biāo)。因此，搭建認(rèn)知支架，有助于減少學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷。

1.合理設(shè)置目標(biāo)，重構(gòu)學(xué)習(xí)內(nèi)容

課程標(biāo)準(zhǔn)為學(xué)習(xí)內(nèi)容的選擇和學(xué)習(xí)目標(biāo)的制定提供了可供參考的基準(zhǔn)。但是，有些教師往往置課程標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)生水平于不顧，一味地在教學(xué)中安排不符合學(xué)生認(rèn)知水平的學(xué)習(xí)內(nèi)容，設(shè)置不恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)目標(biāo)。

如小學(xué)中年級(jí)“物體沉浮”的內(nèi)容，很多課堂會(huì)把沉浮原因的探討深入至液體密度、排水體積的層次。有的課堂在探究活動(dòng)中不進(jìn)行變量的分離和控制，直接將所有變量，如物體的重量、液體的密度、排水的體積與漂浮、懸浮、下沉等狀態(tài)雜糅在一起，組成一個(gè)內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷超量的研究課題。這樣的學(xué)習(xí)內(nèi)容帶來(lái)的負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了學(xué)生的工作記憶所能承載的極限，學(xué)習(xí)中必然大量占據(jù)學(xué)生所有的記憶資源，從而阻塞其他認(rèn)知通道，導(dǎo)致學(xué)習(xí)任務(wù)無(wú)法完成。

沉浮現(xiàn)象是重力和浮力兩個(gè)量之間的關(guān)系決定的，小學(xué)生在認(rèn)識(shí)沉浮現(xiàn)象之后，應(yīng)選擇“重力與浮力差”作為深入探討沉浮現(xiàn)象的重要關(guān)系，無(wú)論是借助測(cè)力計(jì)進(jìn)行重力和浮力的測(cè)量，還是用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行兩者之差的計(jì)算，這些都落在學(xué)生的能力閾值之內(nèi)。這樣，學(xué)生就可以將節(jié)約出來(lái)的認(rèn)知資源，投放在建構(gòu)沉浮現(xiàn)象和“重力與浮力差”的關(guān)系中。

此例中，學(xué)習(xí)內(nèi)容的信息元素被嚴(yán)格控制在清晰的兩個(gè)變量之中，且由于重力因素基本不發(fā)生改變，要素之間的交互作用也被限制在浮力的改變引起的沉浮變化之中。這樣，既尊重了學(xué)科的邏輯，又遵循了學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，使得學(xué)生自主建構(gòu)概念和形成“圖式”成為可能。

2.搭建任務(wù)支架，逐步突破目標(biāo)

當(dāng)學(xué)習(xí)的內(nèi)容相對(duì)于學(xué)生的認(rèn)知水平略為復(fù)雜時(shí)，教學(xué)設(shè)計(jì)必須將學(xué)習(xí)內(nèi)容或者任務(wù)分解成若干個(gè)子任務(wù)，在依次完成子任務(wù)、構(gòu)建認(rèn)知支架的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)整體任務(wù)的突破。教學(xué)中，要注意分解任務(wù)的合理性及其各子任務(wù)排列的有序性，如對(duì)“物體的沉浮”這一問(wèn)題的探究，可以將“物體的重量影響物體的沉浮”這個(gè)概念的學(xué)習(xí)任務(wù)分成若干子任務(wù)。

子任務(wù)1：從漂流瓶的“浮”入手，引出“如何讓漂流瓶沉到水里去”這個(gè)話題，引導(dǎo)學(xué)生在假設(shè)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，初步發(fā)現(xiàn)“沉”的原理（加重使浮的物體下沉）。

子任務(wù)2：應(yīng)用剛發(fā)現(xiàn)的原理進(jìn)行解釋，進(jìn)一步提出“如何讓瓶子（潛水艇）懸在水中”，揭開(kāi)“懸”的奧秘（加重，物體下沉;減重，物體上浮）。

子任務(wù)3：要求學(xué)生制作“不需要補(bǔ)給設(shè)備的潛水艇”（沉浮子）。

這樣，每個(gè)子任務(wù)的有序排列，使得整體認(rèn)知目標(biāo)的元素、難度和復(fù)雜度都被降低。子任務(wù)的分解和排列環(huán)環(huán)相扣，循著“由易到難”的內(nèi)在邏輯螺旋上升，形成一個(gè)結(jié)構(gòu)優(yōu)良的認(rèn)知支架，為學(xué)生完成整體目標(biāo)鋪設(shè)階梯，把概念的建構(gòu)逐步引向深入，促進(jìn)學(xué)生對(duì)沉浮的意義進(jìn)行建構(gòu)，并引起學(xué)生對(duì)“沉浮原理”產(chǎn)生“圖式自動(dòng)化”，最后順利完成整體學(xué)習(xí)任務(wù)。

優(yōu)化概念圖式結(jié)構(gòu)，提高相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷

相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷是指工作記憶對(duì)認(rèn)知任務(wù)進(jìn)行實(shí)質(zhì)性認(rèn)知操作而承受的負(fù)荷。有研究表明，當(dāng)一個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)的外在認(rèn)知負(fù)荷及內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷都被有效降低到很恰當(dāng)?shù)乃綍r(shí)，學(xué)生對(duì)問(wèn)題的解決和概念的遷移依然可能沒(méi)有如期發(fā)生改變，這是因?yàn)閷W(xué)生并沒(méi)有或者不愿意將富余的認(rèn)知資源投入到學(xué)習(xí)活動(dòng)中去。所以，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、喚醒學(xué)生的認(rèn)知意愿是提高相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷的基礎(chǔ)。

1.借用可視圖示，優(yōu)化概念圖式建構(gòu)

圖示是學(xué)生形象思維向抽象思維過(guò)渡的重要載體，運(yùn)用圖示進(jìn)行表達(dá)和思維，是學(xué)生思維從感性向理性逐步發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。可視化圖示教學(xué)的本質(zhì)，是將抽象的思維材料“圖式化”，具體就是將問(wèn)題展現(xiàn)、概念形成、規(guī)律探索等思維過(guò)程直觀地呈現(xiàn)出來(lái)。學(xué)生制作圖示的過(guò)程則是他們個(gè)性化建構(gòu)概念圖式的重要演練方式，能夠促進(jìn)圖式的建構(gòu)與優(yōu)化。

在建立“物體的重量影響物體的沉浮”這個(gè)概念的學(xué)習(xí)中，當(dāng)學(xué)生借助動(dòng)手操作，建立了對(duì)“加重可以使漂流瓶下沉，減重可以使漂流瓶上浮”的形象認(rèn)識(shí)后，可利用水槽、水、漂流瓶、橡皮泥等操作器材的“圖示”，完成概念圖式的建構(gòu)和優(yōu)化。在發(fā)現(xiàn)“潛水艇上浮和下沉”的秘密后，可以要求學(xué)生借助“畫(huà)圖”的方式，把“潛水艇”發(fā)生沉浮運(yùn)動(dòng)的原理，運(yùn)用“圖示”可視化地表達(dá)出來(lái)，從而促進(jìn)概念和“圖式”的個(gè)性化建構(gòu)。

2.巧用變式訓(xùn)練，促進(jìn)概念圖式自動(dòng)化

認(rèn)知負(fù)荷理論認(rèn)為，提供變式的訓(xùn)練是增加相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷的一個(gè)有效途徑。當(dāng)概念及其圖式建構(gòu)之后，學(xué)生利用“圖式”進(jìn)行變式的訓(xùn)練，能夠有效促進(jìn)圖式的自動(dòng)化。圖式及其自動(dòng)化能降低后續(xù)學(xué)習(xí)的認(rèn)知負(fù)荷，讓富余的認(rèn)知資源作用在新的概念和新的圖式的建構(gòu)中，形成良性循環(huán)。

在利用“物體的重量影響物體的沉浮”這一規(guī)律解釋現(xiàn)象時(shí)，我們可以加入“重量”特征發(fā)生變化的多種變式，這些變式可以為學(xué)生提供辨認(rèn)“概念圖式”中相似特征的機(jī)會(huì)，擴(kuò)展“概念圖式”適用范圍，從而促進(jìn)或增強(qiáng)圖式發(fā)展、遷移和自動(dòng)化。

此外，教師也可以提供“排水體積變化形成的沉浮”或“液體密度引起的沉浮”這些與已有圖式結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的變式，促使學(xué)生將已有圖式中的相似特征，與變式中的無(wú)關(guān)特征進(jìn)行區(qū)分，增進(jìn)學(xué)生對(duì)概念和圖式的甄別，促進(jìn)學(xué)生對(duì)圖式進(jìn)一步理解。

綜上所述，小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)設(shè)置合理的認(rèn)知負(fù)荷，將學(xué)生有限的認(rèn)知資源作用于有意義的認(rèn)知加工過(guò)程，促進(jìn)學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中的科學(xué)概念建構(gòu)。借助“圖式”建構(gòu)及相關(guān)活動(dòng)，促進(jìn)認(rèn)知結(jié)構(gòu)的良性循環(huán)是促進(jìn)概念建構(gòu)的有效方法和途徑。