認(rèn)知負(fù)荷理論在高校材料專業(yè)實驗課程教學(xué)中的應(yīng)用

＊譚連江

（上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 上海 201418）

材料科學(xué)與工程是很多綜合性高校和工科類高校都會開設(shè)的專業(yè)，專門培養(yǎng)掌握金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料、復(fù)合材料等領(lǐng)域的專業(yè)知識，既具備扎實的理論基礎(chǔ)，又擁有較強的工程實踐和創(chuàng)新能力，能在材料制備、成型、加工等領(lǐng)域從事科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、工藝和設(shè)備設(shè)計、生產(chǎn)及經(jīng)營管理等方面工作的工程技術(shù)人才。

實驗教學(xué)在材料科學(xué)與工程專業(yè)的教學(xué)中處于重要的地位，在課程體系中是不可或缺的一環(huán)。通過材料合成與制備、材料成型工藝與設(shè)備、材料性能與表征等一系列實驗的教學(xué)，能夠使學(xué)生了解常見材料的制備方法和加工工藝，掌握影響材料物理化學(xué)性能的因素和原理。近年來隨著新工科、卓越工程師培養(yǎng)的提出，眾多高校越來越重視實驗實踐方面的教學(xué)，重視提高大學(xué)生的工程實踐能力和核心素養(yǎng)。

目前，高校的實驗實踐教學(xué)體系還存在著一些問題，比如相關(guān)資源的利用不夠充分合理；實驗教學(xué)內(nèi)容陳舊落后，與科學(xué)研究脫節(jié)；教學(xué)形式單一，缺乏創(chuàng)新，難以充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生探索科學(xué)的興趣和欲望。鑒于此，作者提出利用認(rèn)知負(fù)荷理論來指導(dǎo)實驗教學(xué)的改進和提升，通過優(yōu)化教學(xué)形式、鼓勵自主探究、創(chuàng)造實驗情境等方式來調(diào)整學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，達到提高實驗課程教學(xué)質(zhì)量的目的。

1.認(rèn)知負(fù)荷理論的應(yīng)用

認(rèn)知負(fù)荷指的是學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)知識或解決問題的時候?qū)π畔⑦M行加工處理所需要耗費的認(rèn)知資源[1-2]。認(rèn)知負(fù)荷理論認(rèn)為，人類的工作記憶是有限的，而長時記憶容量卻是幾乎無限的。在學(xué)習(xí)和解決問題的過程中，當(dāng)所需的認(rèn)知資源總量超過工作記憶資源總量時，就會導(dǎo)致認(rèn)知超載，使學(xué)習(xí)或解決問題的效率變得低下。認(rèn)知負(fù)荷理論的運用能夠降低認(rèn)知超載出現(xiàn)的可能性，具有重要的實踐指導(dǎo)意義，其在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越多，正在逐漸成為重要的教育理論之一。

認(rèn)知負(fù)荷可以分為三種，即內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷、外在認(rèn)知負(fù)荷以及相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷[3]。內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷同時受到學(xué)習(xí)者已有知識和學(xué)習(xí)材料的影響；外在認(rèn)知負(fù)荷主要由學(xué)習(xí)方法和教學(xué)方式?jīng)Q定；相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷是學(xué)習(xí)材料的組織和呈現(xiàn)方式引起的促進學(xué)習(xí)的認(rèn)知負(fù)荷[4]。

（1）優(yōu)化教學(xué)形式以降低外在認(rèn)知負(fù)荷。外在認(rèn)知負(fù)荷與學(xué)習(xí)材料的組織形式和呈現(xiàn)方式密切相關(guān)[5]，在材料專業(yè)實驗教學(xué)中主要體現(xiàn)在實驗儀器的配置、實驗環(huán)境的布置以及教學(xué)內(nèi)容的具體呈現(xiàn)形式。以認(rèn)知負(fù)荷理論為依據(jù)，教師在材料實驗教學(xué)中應(yīng)合理利用現(xiàn)有的實驗室資源，在實驗硬件的布局和網(wǎng)絡(luò)、多媒體手段的選用上有效降低外在認(rèn)知負(fù)荷。

①合理選用實驗儀器

實驗儀器是材料實驗教學(xué)的載體和平臺，是決定實驗教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。合理選擇實驗儀器，可以使教師在進行演示實驗的時候獲得更直觀清晰的結(jié)果，能夠讓學(xué)生在自己動手做實驗的時候更加順暢和高效，從而有效降低認(rèn)知負(fù)荷，提高教學(xué)質(zhì)量。在選擇教學(xué)實驗儀器的時候，需要注意以下兩點。

第一，緊扣基本原理。材料專業(yè)實驗教學(xué)的目標(biāo)除了培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和工程實踐能力以外，還要讓學(xué)生在動手做實驗的過程中進一步加深對材料科學(xué)原理的理解，把相關(guān)的專業(yè)知識掌握得更加牢固。教學(xué)過程中，教師以教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向，在選擇實驗儀器的時候需充分考慮該儀器的使用能否幫助學(xué)生更好地理解實驗原理，把實驗現(xiàn)象與實驗原理關(guān)聯(lián)起來。例如，高分子材料綜合實驗課程中的“聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的測定”實驗，選用差示掃描量熱儀，在合適的升溫或降溫速率下對目標(biāo)材料試樣進行測試，學(xué)生在測試過程中通過觀察儀器實時顯示的結(jié)果來監(jiān)測聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變。由于聚合物在玻璃態(tài)和高彈態(tài)具有不同的恒壓熱容，當(dāng)以恒定升溫速率對樣品進行加熱時，差示掃描量熱儀記錄樣品的熱容隨溫度的變化曲線，在曲線轉(zhuǎn)折處的溫度就是玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。使用高精度的差示掃描量熱儀測試聚合物樣品，學(xué)生能夠直觀地觀察到樣品的玻璃化轉(zhuǎn)變，并且能夠直接將玻璃化轉(zhuǎn)變與材料熱容的變化聯(lián)系在一起，既鞏固了對相關(guān)實驗原理的掌握，又加深了對實驗現(xiàn)象的理解。

第二，緊跟科學(xué)前沿。在條件允許的情況下，盡量選用較為先進的實驗儀器開展材料專業(yè)實驗課程的教學(xué)。先進的儀器設(shè)備性能更為強大，具有更高的靈敏度和精密度，且往往整合了數(shù)據(jù)處理軟件，無論在實驗樣品的測試還是實驗數(shù)據(jù)的分析處理方面都具有明顯的優(yōu)勢。依托先進的實驗儀器，可以開展一些材料科學(xué)前沿的、比較復(fù)雜的實驗教學(xué)，讓學(xué)生有機會接觸本學(xué)科領(lǐng)域的最新研究進展，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和科研熱情，有效降低外在認(rèn)知負(fù)荷。例如，熱點材料石墨烯的改性和應(yīng)用方面有一些實驗在擁有較先進儀器的情況下可以讓學(xué)生在實驗課上自己動手嘗試。能夠直接接觸處于研究前沿的熱點材料，對激勵學(xué)生的科學(xué)探索精神是非常有效的。

②靈活運用教學(xué)工具

多媒體教學(xué)早已成為高校教師課程教學(xué)的主要手段。對于材料實驗教學(xué)來說，實驗過程視頻演示、實驗原理動圖展示等對提升實驗教學(xué)效果起到了積極的作用。近年來，虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展為材料實驗教學(xué)注入了新的動力[6]。虛擬仿真實驗教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實驗。虛擬仿真實驗教學(xué)可實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能。在涉及不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗實驗，大型或綜合訓(xùn)練等情況時，虛擬仿真技術(shù)可以提供可靠、安全和經(jīng)濟的實驗項目。例如，金剛石的晶體生長過程是在高溫高壓狀態(tài)的極端條件下進行的，學(xué)生無法通過真實的實驗直觀地觀察晶體的生長過程，因此難以僅僅通過合成的晶體來想象和判斷其中的動態(tài)變化過程。通過虛擬仿真實驗，設(shè)定合適的工藝參數(shù)，將實際實驗中難以展現(xiàn)過程變成可以在短時間和三維空間中實現(xiàn)的虛擬實驗，極大地降低了學(xué)生的外在認(rèn)知負(fù)荷，加深對金剛石單晶成核與生長規(guī)律的了解。

對于常規(guī)的實驗教學(xué)，虛擬仿真實驗既可以作為實驗預(yù)習(xí)模式下的優(yōu)質(zhì)素材，學(xué)生可以在系統(tǒng)的引導(dǎo)下學(xué)習(xí)基本的實驗流程；也可以作為課后復(fù)習(xí)的有力工具，實際實驗操作中沒有涉及到的環(huán)節(jié)可以通過虛擬仿真實驗來實現(xiàn)。例如，富勒烯與丙氨酸反應(yīng)合成富勒烯吡咯烷衍生物的實驗，所需的熱反應(yīng)條件比較苛刻，反應(yīng)后處理操作復(fù)雜，流程長。學(xué)生在上課之前可以在虛擬仿真系統(tǒng)里預(yù)先學(xué)習(xí)該實驗的基本原理和主要步驟，對實驗的流程有一個初步的了解。對于這種內(nèi)容復(fù)雜、耗時長的實驗，往往無法做到每個學(xué)生都能動手操作。在課后，學(xué)生可以進入虛擬仿真系統(tǒng)，復(fù)習(xí)實驗內(nèi)容，對課堂上沒有動手操作的內(nèi)容進行重點復(fù)習(xí)，進一步掌握實驗細節(jié)。

（2）鼓勵自主探究以減少外在認(rèn)知負(fù)荷。內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷是由所學(xué)課程內(nèi)容本身的復(fù)雜程度和難度決定的，具有固有性[7]。材料科學(xué)與工程作為一門交叉學(xué)科，需要物理、化學(xué)甚至生物學(xué)的知識儲備，需要一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，以及較強的邏輯思維能力。因此，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中會有較高的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷。教師在設(shè)計教案時，要考慮適當(dāng)降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。在講授材料學(xué)實驗課程時，如果只是一味地照搬實驗教材的內(nèi)容，缺乏合理的取舍，學(xué)生就需要更多的信息加工資源，內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷就會增加，學(xué)習(xí)難度提高。如果講授的實驗本身難度就比較大，學(xué)習(xí)困難就無法避免了。

材料學(xué)實驗涉及到的原理越多、越復(fù)雜，信息加工資源的消耗就越大。在實驗教學(xué)過程中，鼓勵學(xué)生在對實驗有了初步了解的基礎(chǔ)上自主探索實驗方案，選擇適合自己的方式來開展實驗，從而減少學(xué)生的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷。例如，納米二氧化鈦粉體的制備實驗，制備方法包括液相沉淀法、溶膠-凝膠法、醇鹽水解法等，不同的方法有其特定的機理和實驗條件。教師可以讓學(xué)生根據(jù)自己的知識儲備情況和興趣點來選擇二氧化鈦粉體的制備方法，選擇同種制備方法的學(xué)生可以分小組討論，以教材為基礎(chǔ)共同制定具體的實驗方案。如此不但可以做到因材施教，提高實驗操作的成功率，還可以使學(xué)生通過自主設(shè)計實驗方案降低實驗難度，減少內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷。

（3）創(chuàng)造實驗情境以增加關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷。關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷是指在處理信息以及導(dǎo)圖結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的認(rèn)知負(fù)荷[8]，反映了組織不同類別的信息及其關(guān)系的思維模式，對學(xué)習(xí)具有促進作用。在材料實驗教學(xué)中，教師能否激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，是促進學(xué)生更好地掌握教學(xué)內(nèi)容，達成課程目標(biāo)的關(guān)鍵。教師要注意加強知識點之間的聯(lián)系，可借助思維導(dǎo)圖幫助學(xué)生將零散的知識邏輯性地關(guān)聯(lián)起來，增加關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷[9-10]，使學(xué)生對所學(xué)知識的掌握更加牢固。

例如“陶瓷成型與燒結(jié)”實驗的教學(xué)，制備陶瓷材料的典型工藝流程包括配方計算、稱量、混料、篩分、造粒、成型、排塑、燒結(jié)、加工、性能測試等。如果在學(xué)生進行實驗操作之前，教師只是機械地講授實驗流程，學(xué)生可能會缺乏代入感，無法深刻體會實驗流程各個環(huán)節(jié)之間的內(nèi)在聯(lián)系和邏輯相關(guān)性。教師可以幫助學(xué)生創(chuàng)建陶瓷材料制備工藝流程的關(guān)聯(lián)圖式，并且列舉典型實例，給出示例性的材料配方、參數(shù)和實驗情境，引導(dǎo)學(xué)生變被動為主動，探索實驗中相關(guān)的知識和原理，增加關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷。在其后的實驗操作階段，學(xué)生就能夠更高效地完成任務(wù)，獲得更好的學(xué)習(xí)效果。又例如，“玻璃的熔制和析晶”實驗，其原理是根據(jù)玻璃制品的性能要求，設(shè)計玻璃的化學(xué)組成，并以此為主要依據(jù)進行配料，制備好的配合料在高溫下加熱，發(fā)生一系列物理、化學(xué)變化，使各種原料的混合物變成復(fù)雜的熔融物，然后均勻降溫形成玻璃。在講授該實驗時，教師可以以某種生活中常見的玻璃為研究對象，創(chuàng)建實驗情境，引導(dǎo)學(xué)生利用在無機非金屬材料相關(guān)課程中學(xué)到的知識，探索該種玻璃的配方設(shè)計和成型過程，包括硅酸鹽形成、玻璃形成、澄清、均化和冷卻等，將這些步驟用流程圖表達出來，使學(xué)生加深對玻璃生產(chǎn)配方和工藝的了解。玻璃是一種過冷液體，它具有熔體遠程無序的結(jié)構(gòu)特征。從熱力學(xué)觀點看，玻璃態(tài)物質(zhì)的內(nèi)能高于晶態(tài)物質(zhì)，因而它的結(jié)構(gòu)是亞穩(wěn)相；但從動力學(xué)觀點看，熔體冷卻過程中黏度增加很快，致使質(zhì)點擴散達不到形成晶格的速度而形成無定形結(jié)構(gòu)。學(xué)生在探索和學(xué)習(xí)玻璃的成型過程時，教師應(yīng)指導(dǎo)其充分結(jié)合玻璃形成的微觀原理，將重要知識點滲透進流程圖中，增加關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷，在掌握該實驗操作的同時鞏固已學(xué)的知識。

2.總結(jié)

作為一門工科專業(yè)，材料學(xué)的課程體系中實驗教學(xué)占有非常重要的地位。認(rèn)知負(fù)荷理論可以指導(dǎo)材料專業(yè)實驗教學(xué)，為提升教學(xué)效果和質(zhì)量指明方向和途徑?；谡J(rèn)知負(fù)荷理論，教師可以通過合理選用實驗儀器、靈活運用教學(xué)工具等途徑優(yōu)化教學(xué)形式，降低外在認(rèn)知負(fù)荷；通過鼓勵學(xué)生自主探究來減少外在認(rèn)知負(fù)荷；通過創(chuàng)造實驗情境來增加關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷。高校材料類專業(yè)的教師應(yīng)在實驗課程的教學(xué)中充分運用認(rèn)知負(fù)荷理論，根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知特點來整合教學(xué)資源和實驗條件，讓學(xué)生能夠以較少的認(rèn)知消耗來獲得更好的學(xué)習(xí)效果。