基于認(rèn)知負(fù)荷理論的高中生物綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

楊冬琴

【摘 要】生物是高中的重要課程，生物實(shí)驗(yàn)是研究生物及生命本質(zhì)的基本方法，在生物研究及教學(xué)中都有重要地位。在各種類型的生物試驗(yàn)中，綜合性實(shí)驗(yàn)的難度都很大，要求學(xué)生具有扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作能力、創(chuàng)造性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力以及良好的方案改進(jìn)能力，對(duì)學(xué)生思維和技能的要求都較高。因此，高中教師在開(kāi)展綜合性生物實(shí)驗(yàn)時(shí)需要遵照科學(xué)的教育教學(xué)原則，依據(jù)認(rèn)知負(fù)荷理論，合理設(shè)計(jì)教學(xué)方案，綜合考慮多方面的因素，以減輕學(xué)生的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷和外在認(rèn)知負(fù)荷，提高相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，盡可能減輕學(xué)生的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，讓學(xué)生更輕松、快樂(lè)、科學(xué)地進(jìn)行綜合性生物實(shí)驗(yàn)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和對(duì)生物學(xué)科的興趣。

【關(guān)鍵詞】認(rèn)知負(fù)荷理論;高中生物;綜合性實(shí)驗(yàn) ;教學(xué)設(shè)計(jì);方法策略

由于學(xué)生普遍缺乏實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練，加之對(duì)實(shí)驗(yàn)的重視度不夠，導(dǎo)致生物課程尤其是綜合性實(shí)驗(yàn)課程對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)難度較大，很多學(xué)生無(wú)從下手或者有嚴(yán)重的畏懼心理。再加上綜合性生物實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生的認(rèn)知水平和能力要求較高，考察知識(shí)、思維、能力等綜合素養(yǎng)，具有內(nèi)容跨度大、儲(chǔ)量豐富、實(shí)驗(yàn)方案多樣、儀器和過(guò)程復(fù)雜等特點(diǎn)，往往涉及基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的融合和改進(jìn)，其具有發(fā)展學(xué)生思維、培養(yǎng)學(xué)生批判、創(chuàng)造能力的作用，對(duì)學(xué)生生物學(xué)科核心素養(yǎng)的形成和未來(lái)的發(fā)展具有重要的意義。

因此，高中生物教師在開(kāi)展綜合性生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)要進(jìn)行科學(xué)、嚴(yán)密的規(guī)劃、設(shè)計(jì)，要依據(jù)教育教學(xué)原則，以減輕學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，降低學(xué)生的認(rèn)知難度。

一、認(rèn)知負(fù)荷理論

認(rèn)知負(fù)荷是指人在信息加工過(guò)程中所需要用的心理資源的總和，尤其是針對(duì)復(fù)雜的學(xué)習(xí)任務(wù)，關(guān)于認(rèn)知負(fù)荷的意義目前沒(méi)有明確的說(shuō)法，不同的研究者可能會(huì)選擇不同的研究角度進(jìn)行定義，目前普遍接受的定義是：學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)任務(wù)、責(zé)任及時(shí)間壓力的知覺(jué)和體驗(yàn)，學(xué)生感受到的心理負(fù)擔(dān)。

人的工作記憶容量是有限的，信息加工理論指出，短時(shí)記憶中能同時(shí)接受和處理7±2個(gè)信息組塊，過(guò)多的信息資源會(huì)加重學(xué)生的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，如果信息之間的交互作用比較強(qiáng)時(shí)也會(huì)加重認(rèn)知負(fù)擔(dān)。

認(rèn)知負(fù)荷理論包括三個(gè)方面，內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷，外在認(rèn)知負(fù)荷，關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷。內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷與學(xué)習(xí)材料的復(fù)雜程度、學(xué)生自身專業(yè)知識(shí)和二者的交互程度有關(guān)，外部認(rèn)知負(fù)荷超越了學(xué)習(xí)材料和學(xué)生自身水平的限制，主要是由于設(shè)計(jì)不當(dāng)、不科學(xué)、不符合學(xué)生水平的教學(xué)。相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷是指促進(jìn)圖式構(gòu)建和圖式自動(dòng)化過(guò)程的負(fù)荷。

這三種類型的負(fù)荷是交互作用的，為了減輕生物綜合性實(shí)驗(yàn)的難度和認(rèn)知壓力，教師要綜合考慮這三個(gè)方面的負(fù)荷，在教學(xué)過(guò)程中盡可能降低內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷和外部認(rèn)知負(fù)荷，增加關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷，還要保證總的認(rèn)知負(fù)荷不超出個(gè)體的認(rèn)知限度。

二、基于認(rèn)知負(fù)荷理論的高中生物綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

科學(xué)、高效的教學(xué)能降低學(xué)生學(xué)習(xí)的難度，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和滿意度，尤其是對(duì)于難度較大的綜合性生物實(shí)驗(yàn)，教師更應(yīng)該基于認(rèn)知負(fù)荷理論進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，使實(shí)驗(yàn)難度、知識(shí)量適合學(xué)生的認(rèn)知水平，促進(jìn)學(xué)生的認(rèn)知過(guò)程和信息加工過(guò)程。

（一）降低內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷

根據(jù)內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷理論，內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷包括三個(gè)方面的內(nèi)容，學(xué)習(xí)材料本身的難度、復(fù)雜性、知識(shí)豐富性，學(xué)習(xí)者自身的知識(shí)基礎(chǔ)和認(rèn)知能力，二者的交互作用。如果能降低學(xué)習(xí)材料的復(fù)雜性，使其具有較強(qiáng)的邏輯關(guān)系或者提升學(xué)生自身的水平，那么就能有效減少認(rèn)知負(fù)荷。因此，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，降低實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的難度和實(shí)驗(yàn)材料的復(fù)雜性以減少認(rèn)知負(fù)荷。

方法一：充分考慮學(xué)生的認(rèn)知水平和興趣愛(ài)好，設(shè)計(jì)難度適宜的綜合性實(shí)驗(yàn)。綜合性實(shí)驗(yàn)應(yīng)該是基于學(xué)生已經(jīng)接觸過(guò)的并比較熟悉的實(shí)驗(yàn)操作設(shè)計(jì)的，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)有一定的難度但又能夠通過(guò)自身的努力完成;實(shí)驗(yàn)具有一定的開(kāi)放性，對(duì)學(xué)生有較強(qiáng)的吸引力;還可在原有的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上增添一些維度和考察角度，以某一個(gè)生活中的問(wèn)題為切入點(diǎn)，讓學(xué)生發(fā)散思維，創(chuàng)新性地嘗試不同的路徑和解決方案。例如，基于葉老化的生物綜合性實(shí)驗(yàn)：

這樣的綜合性實(shí)驗(yàn)既考察了學(xué)生對(duì)多個(gè)實(shí)驗(yàn)的掌握，又減少了認(rèn)知壓力，降低了認(rèn)知負(fù)荷，由一個(gè)簡(jiǎn)單的、生活化的實(shí)際問(wèn)題引入，降低了實(shí)驗(yàn)材料本身的復(fù)雜性和認(rèn)知難度，而且能調(diào)動(dòng)學(xué)生探究的興趣，吸引學(xué)生積極主動(dòng)的參與，綜合了影響內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷的三個(gè)因素，切實(shí)降低了綜合性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷。

方法二：根據(jù)綜合性實(shí)驗(yàn)自身的難易程度選擇性地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和數(shù)據(jù)分析方法。對(duì)于難度比較大、學(xué)生不太熟悉的綜合性實(shí)驗(yàn)，比如某種奶粉含氮量的測(cè)定實(shí)驗(yàn)，這類問(wèn)題難度相對(duì)較大，具有一定的挑戰(zhàn)性，教師可以引導(dǎo)學(xué)生利用相對(duì)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)分析方法以降低內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷，可以利用對(duì)比實(shí)驗(yàn)和隨機(jī)區(qū)組實(shí)驗(yàn)、小組合作實(shí)驗(yàn);而對(duì)于學(xué)生較熟悉的實(shí)驗(yàn)可以采用較有挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)方案，如正交實(shí)驗(yàn)，可以用更系統(tǒng)全面的數(shù)據(jù)分析方法，如方差分析、回歸分析等。

方法三：將綜合性實(shí)驗(yàn)?zāi)K化，并用多媒體加以輔助。對(duì)于一些難度極大的、學(xué)生無(wú)從下手的實(shí)驗(yàn)教師可以將實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分解，引導(dǎo)學(xué)生一步一步循序漸進(jìn)地向前走，在這個(gè)過(guò)程中教師要給學(xué)生提供一些輔助資料，比如資料卡片、相關(guān)的實(shí)驗(yàn)視頻、數(shù)據(jù)處理原理等。

（二）降低外在認(rèn)知負(fù)荷

外在認(rèn)知負(fù)荷主要是由于教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)形式和教學(xué)過(guò)程的實(shí)施形式引起的，因此教師在開(kāi)展綜合性生物實(shí)驗(yàn)時(shí)要盡可能優(yōu)化信息呈現(xiàn)形式，精簡(jiǎn)材料信息，避免給學(xué)生造成不必要的認(rèn)知負(fù)擔(dān)。

方法一：利用圖表簡(jiǎn)化內(nèi)容，巧用多種形式傳達(dá)信息。綜合性生物實(shí)驗(yàn)往往給學(xué)生呈現(xiàn)了很長(zhǎng)的語(yǔ)言介紹、很多數(shù)據(jù)信息、實(shí)驗(yàn)儀器的種類等，而教學(xué)實(shí)踐證實(shí)純粹的大段語(yǔ)言敘述會(huì)讓學(xué)生覺(jué)得疲乏，而且學(xué)生在閱讀這些信息過(guò)程中常常因?yàn)樾畔⑻L(zhǎng)太難理解而倍感壓力，會(huì)打擊學(xué)生成功完成實(shí)驗(yàn)的自信心。因此，教師要嘗試用圖、表、動(dòng)態(tài)的視頻等呈現(xiàn)信息，圖和表能將大段的信息變得清晰醒目，邏輯清楚，可以減少閱讀和理解的障礙，而視頻動(dòng)畫比圖和表的呈現(xiàn)效果更好，更加形象生動(dòng)，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)，更有利于學(xué)生理解信息、表征信息。

方法二：教師在呈現(xiàn)信息時(shí)要精簡(jiǎn)，設(shè)計(jì)的教學(xué)過(guò)程要高度銜接、吻合。教師在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能將信息精簡(jiǎn)化，將有用的信息呈現(xiàn)給學(xué)生，一些無(wú)用的、冗長(zhǎng)的介紹可以適當(dāng)刪減。另外，教師給學(xué)生準(zhǔn)備的實(shí)驗(yàn)講義也要重視排版問(wèn)題，盡量減少裝飾性和干擾性圖標(biāo)，避免圖表和表格的跨行、跨頁(yè)。減少學(xué)生在實(shí)驗(yàn)講義上花費(fèi)的心思和精力。

（三）增加關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷

關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷是指學(xué)生發(fā)自內(nèi)心愿意自主參與實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，愿意付諸努力以構(gòu)建知識(shí)體系的全部資源。關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷主要由學(xué)生自身的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)及學(xué)習(xí)管理能力等幾個(gè)方面共同決定。

方法一：吸引學(xué)生興趣，激發(fā)學(xué)生參與綜合性實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)烈動(dòng)機(jī)。教師可以選擇學(xué)生感興趣的實(shí)驗(yàn)主題和原材料，吸引學(xué)生的注意力，讓學(xué)生從主觀上積極主動(dòng)地探究，比如研究植物細(xì)胞質(zhì)壁分離及復(fù)原的實(shí)驗(yàn)，教師可以給學(xué)生提供一些生活中常見(jiàn)的、熟悉的材料，以吸引學(xué)生。

方法二：教師應(yīng)該建立一定的獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制。適當(dāng)?shù)莫?jiǎng)勵(lì)、有效而及時(shí)的反饋可以強(qiáng)化學(xué)生參與課堂活動(dòng)的動(dòng)機(jī)，可提高學(xué)生完成任務(wù)的決心和毅力，以表?yè)P(yáng)和激勵(lì)為主，可有效激發(fā)學(xué)生的榮譽(yù)感和探究欲望。

方法三：加強(qiáng)與學(xué)生的互動(dòng)，增強(qiáng)學(xué)生的自我效能感。教師的鼓勵(lì)和支持，教師對(duì)學(xué)生寄予的厚望能有效激發(fā)學(xué)生的效能感，增強(qiáng)學(xué)生的自信心和好勝心，可以給學(xué)生強(qiáng)大的精神動(dòng)力。

三、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，開(kāi)展綜合性生物實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師要基于認(rèn)知負(fù)荷理論，從多個(gè)方面降低內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷和外在認(rèn)知負(fù)荷，增強(qiáng)關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷，從影響學(xué)生學(xué)習(xí)的各個(gè)方面著手，切實(shí)關(guān)注學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)和學(xué)習(xí)方式，盡可能提升學(xué)生對(duì)生物綜合性實(shí)驗(yàn)的探究興趣及探究能力，提升生物綜合性實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)效果。

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