降低認(rèn)知負(fù)荷的結(jié)構(gòu)化情境創(chuàng)設(shè)

張仁波 黃丹青

摘要：從認(rèn)知負(fù)荷與學(xué)習(xí)效率的關(guān)系提出降低認(rèn)知負(fù)荷需要科學(xué)處理好學(xué)習(xí)材料的組織、學(xué)習(xí)任務(wù)的呈現(xiàn)和已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)三者間的關(guān)系;從認(rèn)知負(fù)荷與學(xué)習(xí)情境的關(guān)系提出從結(jié)構(gòu)化視角創(chuàng)設(shè)基于情境的學(xué)習(xí)活動(dòng)，有利于增進(jìn)學(xué)科理解;通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)化和情境的分析，提出使學(xué)習(xí)情境結(jié)構(gòu)化并應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐中，以實(shí)現(xiàn)學(xué)科價(jià)值

關(guān)鍵詞：認(rèn)知負(fù)荷;學(xué)習(xí)效率;結(jié)構(gòu)化情境創(chuàng)設(shè);教學(xué)實(shí)踐

文章編號(hào)：1008-0546（2021）08-0002-04

中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2021.08.001

一、厘清認(rèn)知負(fù)荷、學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)情境的關(guān)系

1.認(rèn)知負(fù)荷與學(xué)習(xí)效率

學(xué)習(xí)活動(dòng)是學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)材料加工理解的認(rèn)知過(guò)程，如果把學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)中克服認(rèn)知障礙的心理需要、心理資源或心理能量理解為認(rèn)知負(fù)荷，提高學(xué)習(xí)效率就應(yīng)該降低因各種認(rèn)知障礙帶來(lái)的認(rèn)知負(fù)荷。根據(jù)心理學(xué)家約翰·斯威勒（John Sweller）的認(rèn)知負(fù)荷理論，對(duì)具體的學(xué)習(xí)活動(dòng)而言，學(xué)習(xí)材料的復(fù)雜性、學(xué)習(xí)材料的組織和呈現(xiàn)方式、學(xué)生的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)是決定認(rèn)知負(fù)荷高低的主要因素，降低認(rèn)知負(fù)荷需要學(xué)生科學(xué)處理好這三者的關(guān)系，以提高學(xué)習(xí)效率。

2.認(rèn)知負(fù)荷與學(xué)習(xí)情境

中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系中的“四層”（考查內(nèi)容）和“四翼”（考查要求）是通過(guò)情境與情境活動(dòng)兩類(lèi)載體實(shí)現(xiàn)的[1]。情境是一個(gè)人在進(jìn)行某種行動(dòng)時(shí)所處的社會(huì)環(huán)境[2]。學(xué)習(xí)情境是一種以情感調(diào)節(jié)為手段，以學(xué)生的生活實(shí)際為基礎(chǔ)，以促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)參與、整體發(fā)展為目的優(yōu)化了的學(xué)習(xí)環(huán)境[3]。情境因時(shí)、因事而變，學(xué)習(xí)情境也因人的學(xué)識(shí)、學(xué)習(xí)要求、認(rèn)識(shí)方式改變而改變，境之所到，情有所為，即為情境。“物質(zhì)多樣、規(guī)律深藏、概念抽象、表達(dá)非凡”的化學(xué)學(xué)科特點(diǎn)是學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)過(guò)程中難以獲得成就感的因素之一，面對(duì)客觀(guān)真實(shí)的物質(zhì)世界，這些特點(diǎn)又成為發(fā)展學(xué)生能力和學(xué)科素養(yǎng)的必然存在，而在化學(xué)學(xué)科學(xué)習(xí)過(guò)程培育的能力和素養(yǎng)又是探索科學(xué)世界的應(yīng)然要求。因此，化不利為有利，高質(zhì)量的化學(xué)學(xué)習(xí)需要教師根據(jù)學(xué)生的已有經(jīng)驗(yàn)或生活感知，科學(xué)地組織和呈現(xiàn)學(xué)習(xí)材料，從結(jié)構(gòu)化視角創(chuàng)設(shè)與學(xué)習(xí)內(nèi)容相關(guān)、又貼近生活實(shí)際的學(xué)習(xí)情境，開(kāi)展情境活動(dòng)，讓情境參與學(xué)生的認(rèn)知過(guò)程或?qū)W生的認(rèn)知在情境巾展開(kāi)（如圖1）。在結(jié)構(gòu)化情境的氛圍巾，降解認(rèn)知過(guò)程的總負(fù)荷，使學(xué)生的學(xué)習(xí)由生活感知（或經(jīng)驗(yàn)理解）漸進(jìn)式地發(fā)展到知識(shí)感悟，再到學(xué)科理解（如圖2），使學(xué)生在學(xué)習(xí)的全過(guò)程中保持興趣，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)價(jià)值。

二、創(chuàng)設(shè)結(jié)構(gòu)化情境的整體思路

情境學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)不僅是個(gè)體意義建構(gòu)的心理過(guò)程，更是以差異資源為中介的社會(huì)性、實(shí)踐性過(guò)程。結(jié)構(gòu)是指事物的組成要素或單元依據(jù)一定的規(guī)則連結(jié)而成的整體架構(gòu)，這一逐步形成的動(dòng)態(tài)過(guò)程稱(chēng)之為“結(jié)構(gòu)化”。結(jié)構(gòu)化有狹義的“結(jié)構(gòu)化思維”“結(jié)構(gòu)化意識(shí)”之意[4]，也蘊(yùn)含“使之結(jié)構(gòu)化”和“結(jié)構(gòu)不斷生成”的過(guò)程涵義。知識(shí)是在學(xué)習(xí)者和學(xué)習(xí)情境的互動(dòng)、學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)者之間的互動(dòng)過(guò)程中生成的，基于結(jié)構(gòu)化情境的學(xué)習(xí)是指在要學(xué)習(xí)的知識(shí)、技能的應(yīng)用情境中進(jìn)行學(xué)習(xí)的方式。結(jié)合化學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，欲提升學(xué)生的學(xué)習(xí)成就，不僅要有結(jié)構(gòu)化意識(shí)和結(jié)構(gòu)化思維，更需要在情境的結(jié)構(gòu)化過(guò)程中“結(jié)構(gòu)不斷生成”，以及在結(jié)構(gòu)化情境中設(shè)計(jì)問(wèn)題結(jié)構(gòu)從而使“知識(shí)點(diǎn)”向“知識(shí)結(jié)構(gòu)”轉(zhuǎn)化。

結(jié)構(gòu)化學(xué)習(xí)情境的創(chuàng)設(shè)應(yīng)該致力于將學(xué)生的身份和角色意識(shí)、完整的生活經(jīng)驗(yàn)、以及認(rèn)知性任務(wù)重新回歸到真實(shí)的、融合的狀態(tài)，力圖降解傳統(tǒng)學(xué)習(xí)的去自我、去情境的弊端。因此，創(chuàng)設(shè)結(jié)構(gòu)化情境的整體思路是通過(guò)結(jié)構(gòu)化的分析聯(lián)結(jié)，把具體生活、生產(chǎn)中的思維模型遷移到科學(xué)世界中，完善對(duì)化學(xué)學(xué)科知識(shí)的理解。基于情境活動(dòng)的教學(xué)方案設(shè)計(jì)，以基本層面的問(wèn)題情境、綜合層面的問(wèn)題情境、生活實(shí)踐問(wèn)題情境（或?qū)W習(xí)探索問(wèn)題情境）、開(kāi)放性的問(wèn)題情境為載體，要求學(xué)生從“調(diào)動(dòng)單一的知識(shí)（或技能）解決問(wèn)題”到要求學(xué)生在正確思想觀(guān)念引導(dǎo)下“綜合運(yùn)用多種知識(shí)（或技能）解決問(wèn)題”，進(jìn)而“綜合運(yùn)用多種知識(shí)（或技能）來(lái)解決生活實(shí)踐中的應(yīng)用性問(wèn)題”，再到“在開(kāi)放性的綜合情境中創(chuàng)造性地解決問(wèn)題，形成創(chuàng)造性的結(jié)果或結(jié)論”。其中，生活實(shí)踐問(wèn)題情境一般沒(méi)有明顯的學(xué)科知識(shí)特征，間接含有與知識(shí)相關(guān)聯(lián)的情境要素，具有較大的包容性;學(xué)習(xí)探索問(wèn)題情境本身具有學(xué)科知識(shí)或與學(xué)習(xí)內(nèi)容明顯關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)要素，通過(guò)情境的解析推進(jìn)，發(fā)散出不同內(nèi)容、不同水平學(xué)科素養(yǎng)的多個(gè)要點(diǎn)，常見(jiàn)于“微項(xiàng)目”或“主題項(xiàng)目”的實(shí)施過(guò)程巾。如：“價(jià)類(lèi)二維坐標(biāo)圖的應(yīng)用”情境，其學(xué)科結(jié)構(gòu)化特征比較明顯，從“類(lèi)”的宏觀(guān)和“電子轉(zhuǎn)移”的微觀(guān)認(rèn)識(shí)元素的轉(zhuǎn)化規(guī)律，形成元素觀(guān)、分類(lèi)觀(guān)、變化觀(guān)和守恒觀(guān)，形成學(xué)習(xí)和研究元素化合物的結(jié)構(gòu)化思維。因此，筆者從認(rèn)知負(fù)荷與學(xué)習(xí)情境的關(guān)系提出從結(jié)構(gòu)化視角創(chuàng)設(shè)基于情境的學(xué)習(xí)活動(dòng)，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)化和情境的分析，提出在化學(xué)新課程教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)行結(jié)構(gòu)化學(xué)習(xí)情境的創(chuàng)設(shè)，有利于增進(jìn)學(xué)科理解，提高學(xué)習(xí)效率，發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)。

三、結(jié)構(gòu)化視角的情境創(chuàng)設(shè)

1.在情境的結(jié)構(gòu)化中建立概念的思維模型，增進(jìn)學(xué)科理解

學(xué)習(xí)是一個(gè)社會(huì)性、動(dòng)態(tài)性、發(fā)展性的過(guò)程，知識(shí)在這個(gè)過(guò)程中是由師生共同建構(gòu)的?；瘜W(xué)學(xué)科概念專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)，外延規(guī)范，內(nèi)涵豐富，化學(xué)學(xué)習(xí)不能被簡(jiǎn)單地理解為教師把抽象的、去情境化的知識(shí)傳遞給學(xué)生，理解抽象概念需要較高的認(rèn)知負(fù)荷，需要情境結(jié)構(gòu)化分散負(fù)荷，使學(xué)習(xí)處于一個(gè)特定的、滲透社會(huì)和自然環(huán)境的科學(xué)情境中，逐步形成概念的結(jié)構(gòu)化認(rèn)識(shí)。一般說(shuō)來(lái)，認(rèn)識(shí)抽象概念的情境結(jié)構(gòu)化活動(dòng)一般包含圖3所示環(huán)節(jié)。

（l）創(chuàng)設(shè)情境的結(jié)構(gòu)化活動(dòng)類(lèi)比遷移認(rèn)識(shí)模型，理解概念內(nèi)涵

【例l】“化學(xué)反應(yīng)的方向”教學(xué)中的概念建構(gòu)

[教學(xué)思路分析]認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)的方向判據(jù)是化學(xué)熱力學(xué)到動(dòng)力學(xué)的過(guò)渡之旅，概念溫和，但相對(duì)陌生，需要把生活中的常見(jiàn)模型遷移到學(xué)習(xí)內(nèi)容中建構(gòu)相關(guān)概念;而對(duì)反應(yīng)方向的判據(jù)的理解和運(yùn)用需要在情境的結(jié)構(gòu)化中綜合形成。

[情境選擇和應(yīng)用]分析化學(xué)反應(yīng)的方向的概念要素：自發(fā)、焓變、熵。學(xué)生在化學(xué)學(xué)科首次遇到“自發(fā)”一詞，宜從生活情境人手降低認(rèn)知負(fù)荷，建構(gòu)相關(guān)概念。因此，以“人口、資源、環(huán)境”三大主題引出永動(dòng)機(jī)及汽車(chē)尾氣的轉(zhuǎn)化問(wèn)題為背景提出能量在生活中的變化問(wèn)題。以高山流水、山石滾落、斜拋運(yùn)動(dòng)等視頻作為自發(fā)概念的情境模型，認(rèn)識(shí)能量與自發(fā)的關(guān)系。把“自發(fā)一般是能量降低的過(guò)程”遷移到具體反應(yīng)中認(rèn)識(shí)焓變與自發(fā)的關(guān)系。借“火柴散落、墨水?dāng)U散、物態(tài)變化”等自然現(xiàn)象，認(rèn)識(shí)熵增也是影響自發(fā)的因素。綜合上述情境的過(guò)程結(jié)構(gòu)，結(jié)合各個(gè)維度的化學(xué)反應(yīng)實(shí)例，在肯定、否定、肯定的結(jié)構(gòu)化過(guò)程中建構(gòu)化學(xué)反應(yīng)方向的判據(jù)。

（2）創(chuàng)設(shè)情境的結(jié)構(gòu)化活動(dòng)遷移思維模型，認(rèn)同和建構(gòu)概念群

【例2】“物質(zhì)的量”單元概念群的概念認(rèn)同及建構(gòu)

[教學(xué)思路分析]“物質(zhì)的量”的相關(guān)要素有阿伏伽德羅常數(shù)、物質(zhì)的量、摩爾質(zhì)量、氣體摩爾體積、物質(zhì)的量濃度及其溶液的配制。“物質(zhì)的量”是高中學(xué)習(xí)化學(xué)的分水嶺，對(duì)學(xué)生而言，概念“特殊”：拗口難懂、多且雜，學(xué)生難以接受。因此，依托情境結(jié)構(gòu)化，認(rèn)同概念，建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停档驼J(rèn)知負(fù)荷，是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。

[情境選擇和應(yīng)用]比較發(fā)現(xiàn)，清點(diǎn)硬幣涉及清點(diǎn)方法、樣本選擇、質(zhì)地規(guī)格、操作誤差等系列問(wèn)題，這些問(wèn)題的解決有助于單元中相關(guān)概念的構(gòu)建（含配制溶液過(guò)程中的誤差思考），組織清點(diǎn)硬幣的方法探索的情境結(jié)構(gòu)化活動(dòng)有利于在思維模型的遷移中建構(gòu)單元概念群。提供新聞視頻：“某市市民存款20萬(wàn)元硬幣，銀行20名員工清點(diǎn)一周”。提出問(wèn)題：如何清點(diǎn)可以縮短時(shí)間？哪種方案最好？在學(xué)生解決問(wèn)題的活動(dòng)中，獲得固定幣數(shù)的三種主要的方法：質(zhì)量法、高度法、體積法，并抽象出三種方法的具體樣本模型（如圖4），進(jìn)而利用其思維模型認(rèn)同建構(gòu)概念：“物質(zhì)的量”和“阿伏伽德羅常數(shù)”。

多元的思維往往會(huì)帶來(lái)意外的驚喜。過(guò)程中，學(xué)生從樣本要求、操作程序、精細(xì)要求、堆積空隙、誤差影響等角度出發(fā)，認(rèn)為水位測(cè)定體積法最佳，如果水位量取科學(xué)，儀器設(shè)計(jì)巧妙，誤差可以忽略。對(duì)一些方法提出了減少誤差的措施：質(zhì)量法需要洗滌烘干，減少操作次數(shù)，儀器盡量精密;分類(lèi)稱(chēng)重與排水量取法相結(jié)合可以發(fā)現(xiàn)是否有假幣。

引導(dǎo)學(xué)生借助經(jīng)驗(yàn)和數(shù)理知識(shí)初步形成分類(lèi)建模、樣本建模、單元建?；蚣辖５难芯炕蚪鉀Q問(wèn)題的思維方式，一方面激發(fā)了興趣，更為本單元的概念群及濃度配制提供了思維基礎(chǔ)。其具體關(guān)聯(lián)的遷移關(guān)系如表l所示。

清點(diǎn)硬幣意在達(dá)成概念的心理認(rèn)同，但情境的結(jié)構(gòu)化活動(dòng)卻為后續(xù)摩爾質(zhì)量、摩爾體積等概念的教學(xué)、配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液的精準(zhǔn)要求等內(nèi)容的學(xué)習(xí)打開(kāi)了一扇窗。

2.利用結(jié)構(gòu)化情境開(kāi)展主題式學(xué)習(xí)，發(fā)展學(xué)科素兼

主題單元教學(xué)有利于知識(shí)結(jié)構(gòu)化，形成知識(shí)點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系。結(jié)構(gòu)化情境可以利用其聚焦、發(fā)散和收斂的功能，通過(guò)學(xué)生的演繹和歸納，建立單元結(jié)構(gòu)體系，提升學(xué)習(xí)層次，發(fā)展學(xué)科素養(yǎng)。

（1）利用結(jié)構(gòu)化情境建構(gòu)概念，開(kāi)展主題單元學(xué)習(xí)

【例3】燃燒概念及“燃燒與滅火”主題單元體系的建立

[教學(xué)思路分析]分析燃燒概念的內(nèi)涵，提煉結(jié)構(gòu)要素：可燃物、氧氣、發(fā)光發(fā)熱、著火點(diǎn)、化學(xué)反應(yīng)。眾多燃燒的生活、實(shí)踐情境巾，基于打開(kāi)閥門(mén)供氣、調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)、按壓旋鈕打火等過(guò)程結(jié)構(gòu)的可視化操作與燃燒概念的結(jié)構(gòu)要素高度相關(guān)，自帶學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)的“液化氣灶烹飪”作為學(xué)習(xí)情境脫穎而出。

[情境選擇和應(yīng)用]提供精心準(zhǔn)備的“液化氣灶烹飪”視頻。提出問(wèn)題：打開(kāi)閥門(mén)、壓轉(zhuǎn)旋鈕、調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)的目的是什么？有什么現(xiàn)象？天然氣燃燒的化學(xué)方程式？什么是燃燒？在對(duì)過(guò)程結(jié)構(gòu)化操作的觀(guān)察、問(wèn)題思考、表達(dá)、補(bǔ)充、完善中，學(xué)生順利建構(gòu)概念，發(fā)展邏輯思維。

對(duì)燃?xì)庠畈僮鬟^(guò)程的正逆向分析，隨著燃?xì)庠钕ɑ稹⒂湾佒鹋c滅火、充分燃燒、燃料來(lái)源、燃料替代等問(wèn)題的持續(xù)挖掘，為探究燃燒條件、滅火、化石燃料、碳中和、能量利用與能源開(kāi)發(fā)等主題單元學(xué)習(xí)提供了很好的情境支撐。

（2）利用結(jié)構(gòu)化情境建構(gòu)概念，開(kāi)展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是結(jié)構(gòu)化情境應(yīng)用于教學(xué)的典型代表，對(duì)知識(shí)儲(chǔ)備和能力要求高，需要較高的認(rèn)知負(fù)荷，有利于提高學(xué)生的認(rèn)知層次，發(fā)展辨析預(yù)測(cè)、證據(jù)推理、遷移應(yīng)用等能力，是化學(xué)科發(fā)展五大核心素養(yǎng)的集中營(yíng)地。保護(hù)學(xué)生興趣，降解認(rèn)知負(fù)荷是項(xiàng)目式學(xué)習(xí)需要關(guān)注的綠色要素，教學(xué)巾需要根據(jù)學(xué)生認(rèn)知水平，在學(xué)生的認(rèn)知范圍選擇結(jié)構(gòu)化情境作為項(xiàng)目，才有利于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的順利開(kāi)展。

【例4】開(kāi)展“化學(xué)與社會(huì)”的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)

[教學(xué)思路分析]項(xiàng)目是問(wèn)題的緣起，也是要達(dá)成的終極目標(biāo)，項(xiàng)目包含擬解決的問(wèn)題要素。高中“化學(xué)與社會(huì)”系列，圍繞課程標(biāo)準(zhǔn)中“化學(xué)與技術(shù)”的主題要求，在“碳中和”等綠色化學(xué)思想框架下，查找資料，根據(jù)學(xué)生的熟悉物質(zhì)，選擇氮?dú)夂投趸紴樵虾铣赡蛩氐捻?xiàng)目式學(xué)習(xí)。

[情境選擇和應(yīng)用]以糧食保障、降低成本、碳巾和等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題為背景，提出“氮?dú)馀c二氧化碳合成尿素”的項(xiàng)目要求，讓學(xué)生在問(wèn)題情境中提出擬解決的問(wèn)題，綜合整理形成統(tǒng)一的問(wèn)題：“誰(shuí)發(fā)現(xiàn)了尿素？最早的尿素是誰(shuí)合成的？怎么合成？理論上，氮?dú)馀c二氧化碳是否可以合成尿素？實(shí)踐中，氮?dú)馀c二氧化碳合成尿素還需要考慮哪些因素？”等系列結(jié)構(gòu)化問(wèn)題。教學(xué)過(guò)程中，協(xié)調(diào)應(yīng)用綜合思維，通過(guò)系列問(wèn)題的解決，學(xué)生經(jīng)歷“合成史的探訪(fǎng)一價(jià)類(lèi)二維的分析一合成路線(xiàn)的討論與選擇一熱力學(xué)中蓋斯定律、吉布斯白由能的計(jì)算一化學(xué)動(dòng)力學(xué)的分析一電化學(xué)在合成中的創(chuàng)新應(yīng)用”等過(guò)程，感受工業(yè)合成中理想到現(xiàn)實(shí)的科學(xué)思路，發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)。

人類(lèi)總是在認(rèn)識(shí)自然，模擬自然，超越自然的過(guò)程中使科學(xué)不斷發(fā)展。重視情境教學(xué)，開(kāi)展情境教學(xué)，讓情境結(jié)構(gòu)化與結(jié)構(gòu)化情境在教學(xué)中并肩前行，在情境中認(rèn)識(shí)，情境中模擬，情境教學(xué)播下的種子必將為科學(xué)發(fā)展結(jié)出豐碩的果實(shí)。

參考文獻(xiàn)

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本文系福建省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度教育科學(xué)改革專(zhuān)項(xiàng)課題“‘四層‘四翼引領(lǐng)化學(xué)教學(xué)的實(shí)踐研究”（立項(xiàng)批準(zhǔn)號(hào)：Fjjgzx20-119）研究成果。