認知負荷視域下“分析化學”知識可視化的建構路徑

劉麗

（江西中醫藥高等專科學校，江西 撫州）

隨著科技的進步，互聯網的普及，知識更新日新月異，對于認知個體來說“漁”比“魚”顯得更加重要，知識管理水平是個體獲得知識的有效手段：可以組織和集中重要的信息并將信息碎片轉化為系統性應用的知識，使其成為自己知識基礎的一部分，擴展個體知識水平，建立個人知識庫。是否能有效地篩選、組織、加工重要的信息主要取決于信息量、難易程度與個體認知水平的差異，差異越大，個體承受的認知負載就越大。知識的累積是記憶這種心理活動在時間上延續的結果，分為長時記憶和短時記憶。長時記憶信息儲存的時間及容量都比短時記憶要大得多。對新知識產生認知：是使新知識變成被掌握的知識而實現長時記憶。認知的過程實際上是舊知識到新知識的遷移，根據梅多耶[1]的多媒體學習生成理論的模型[2]，其中已有知識的長時記憶和感覺記憶都作用于工作記憶，最終由工作記憶完成整合，實現舊到新知識的遷移。而工作記憶是短時記憶，1956 年美國心理學家G.米勒發表了一篇題為《神奇數7 加減2：我們加工信息的能力的某種限制》的論文，揭示了人的短時記憶的容量是有限的，當記憶系統要處理大量的信息時，就會產生認知負荷[3]。傳統教學實踐中存在著這樣一種現象：要在有限的時間內盡可能提供多的信息，教學就成了灌輸。因此，教學一定要調整個體在認知活動中的工作記憶負荷。

一 理論依據和研究背景

（一）認知負荷理論

澳大利亞認知心理學家John Sweller 于1988 年首先提出認知負荷理論(Cognitive Load Theory，CLT)[3]定義認知負荷：個體在認知活動中工作記憶的負荷，等于特定作業時間內施加于個體認知系統的心理活動總量。CLT 認為有三種的認知負荷[4]：內部認知負荷，外部認知負荷和相關認知負荷。

內部認知負荷是學生利用已有的知識、認知習慣學習教材所需的固有認知任務而產生的認知負荷，取決于知識的本質（難易程度）和學生已有知識水平，是教學過程中不可控的認知負荷，教學設計者不能對它產生直接的影響。

外部認知負荷是高于學生認知水平的額外認知任務產生的，它超越內部認知負荷，是由教學設計不當所引起的。比如：教學內容呈現太零散、知識的呈現形態繁雜、課件界面不簡潔、課件里太多的與教學主題無關的內容修飾元等，信息冗余對學生造成干擾，增加認知負荷，妨礙學生對新知識的認知。

相關認知負荷是教學設計者為了使學生完成對新知識的認知而設計的額外認知任務而產生的認知負荷，它是可以組織不同類別的信息及其之間關系的思維模式，這種思維模式的水平越高，學生就越容易把現有知識映射到新的知識上，能大大降低認知負荷，有助于學生理解和掌握，促進新知識的生成。

由此可見，外部認知負荷和相關認知負荷都直接受控于教學設計者。而認知負荷其實是學生在應對知識遷移而呈現出的心智負荷與心理努力的負載狀態，也可以看作是認知任務的難度在認知過程中對學生的映射。因此，為了促進有效學習的發生，教學設計者要盡可能地降低外部認知負荷，增加相關認知負荷，并使認知負荷總和不超出學生能承受的最大認知負荷，以促進知識的掌握和提高學生知識管理水平。

（二）知識可視化

1.知識可視化的定義

趙國慶[5]將知識可視化定義為：知識可視化是研究如何應用視覺表征改進兩個或兩個以上人之間復雜的知識創造與傳遞的學科。其本質正是：利用建構和圖解的手段對知識進行視覺表征，使知識、概念或過程以視覺形式呈現，認知個體或群體基于圖形的可視化，通過視覺體驗和想象發生新的認知情感，以優化知識的管理、傳播和創新。

2.知識可視化與認知負荷的關系

a“抽象知識、概念”就是指教材或信息等學習材料，是“內部認知負荷”。

b“視覺表征”，就是材料和內容的組織形式和呈現方式，是一種手段，目的是為了學材以低水平的“外部認知負荷”形態呈現。

c“視覺體驗和想象”是與新知識相關的“相關認知負荷”，是為了使學生掌握新知識，而額外增加的知識任務，或記憶任務等。

d“新的認知情感”，是知識可視化使新知識的理解、記憶、掌握的難度降低，降低了學生的認知負荷，促進新知識的內化。

顯然，知識可視化是基于人們對圖形快速識別的能力，將知識圖解為形象化的視覺形式，以便于解讀，相對語言、文字等其他表征手段而言，這種形象化的視覺形式具有減輕認知負荷的作用[6]。

3.知識可視化在教學中用的作用

教學過程是教師將知識外化，經過傳播，學生獲得知識并將其內化的過程。在教學過程中，知識可視化豐富了知識的表達方式，知識可視化也可作為個人知識管理和群體間知識傳播的手段[7]。第一，作為個人知識管理。知識可視化是教師將知識外顯化、生動化、通俗化的有效手段。知識可視化也是學生知識管理、學習、輔助思維的工具，有助于個體知識的內化。第二，作為群體間的知識傳播手段。知識可視化表征是知識外顯化的過程，可使認知群體對新知識的認知負荷降低、同時增強了知識傳播生動性，使得知識以視覺傳達的方式在群體間傳播和分享。

（三）研究背景和思路

課件作為教師一種常用的可視化教學手段，使用廣泛，但存在很多問題，飽受詬病[8]。現有的多媒體教學，依然存在課堂惰性，課堂生態不平衡[9]。潘國石主編《分析化學》，是我校藥學專業的一門專業基礎課所用教材，內容多、知識點抽象、理論性很強，同時學生的化學基礎比較薄弱。因此，教師應利用可視化表征手段對知識進行準確、有效地加工，將知識形象化，通俗化，使知識以低水平的“外部認知負荷”形態傳播給學生，通過教學設計使用“相關認知負荷”使學生有效地利用現有知識完成到新的知識的遷移，使學生的認知行為得以鍛煉和增強，完善和提高學生的知識管理水平。

二 知識可視化在“分析化學”教學中的應用

（一）降低外在認知負荷

1.教學內容的可視化呈現

認知負荷理論認為信息的表達方式對學習者接受信息有著積極的影響。課件內容設計時要依據內容自身的結構及分類等關系，利用可視化的手段對知識進行“圖解”表征，同時避免課件界面的信息冗余，避免過多的靜態文字組塊在PPT 的界面中出現，形成系列化、整體化、簡潔化的課件界面呈現給學生。要在教學過程中經常用到的可視化表征手段有：啟發式草圖、概念圖表、思維導圖、實驗流程圖等。

2.教學雙通道的可視化表達

第一，增關減外雙通道。即減少外在認知任務，增加相關認知任務（圖1）。教學內容可視化后，以簡潔的、清晰的、統一的界面呈現，降低了外在認知負荷，同時為了更好地理解掌握，增加額外的相關認知任務。

例如，在氧化還原反應的滴定突越范圍的記憶中，利用可視化表征手段的同時，增加了相關的認知任務1和2，同時用過可視化的手段將內在認知任務和相關認知任務關聯（圖2），可視化呈現以后，再觀察內在認知任務本身，不難發現：加減的分式的分式相同，只是分母為n，且下標與Ψ 的對應，所以可以總結為：大滴小，小數加，大數減，分子同，下標應。這樣可以大大降低認負荷，更方便記憶。

第二，視聽雙通道。利用語言和視覺的雙重刺激增加學生有效學習記憶，降低認知負荷。認知科學認為記憶至少需要兩個信息處理器參與工作，分別是視覺處理和聽覺處理。因此視聽結合的教與學的形式，對認知有著積極的作用，所以利用視聽雙通道可以有效促進知識的加工和認知的完成。

（二）提高相關的認知負荷

1.建立可視化樣例——遷移

認知負荷理論認為“樣例效應”是重要的教學設計原則，樣例教學可以增加學習者的相關認知資源，減少錯誤，促進知識遷移。斯威勒曾通過一系列實驗證明了樣例技術對促進以數學為基礎內容的廣泛領域內的學習非常有效。遷移產生的實質是個體對事物間關系的理解。習得的經驗能否遷移，取決于能否理解各個要素之間形成的整體關系，教學中應利用可視化體現新舊情境中的交叉或重疊，相同與不同，使學生能具體地分析當前的學習情境，從中找出哪些是可以利用已有知識和策略學習和解決新的問題，實現知識的應用性。

例如：滴定計算教學中，通過思維草圖、流程圖等可視化方法對滴定過程解讀，以找到滴定液和被測物質的直接或間接的關系，然后列式，代入數據，化單位，進行計算。通過樣例的分析流程可視化，使學生建立基本的滴定計算的思維模式，并遷移到新的問題情境中。

2.增創理論—實驗的遷移情境

將理論知識和實訓內容整合為“理實一體”項目群，基于真實的任務，讓學生在“學中做，做中學”，提高學生的主體地位，促進學生的理實融合。例如：酸堿滴定法的教學中引入“布洛芬含量的測定”，首先通過labview 軟件模擬滴定曲線，通過設置不同的pKa 值,觀察“滴定突越”大小的動態變化，教師引導學生得到一元酸準確滴定的條件，理解直接酸堿滴定法的原理，隨后遷移情境到實驗原理的教學中，通過知識可視化的手段，使學生從死背公式，到自己動手得到結論。

（三）培養可視化認知習慣

學習能力是認知個體在認知過程中最重要的能力，對新知識的解讀能力越高，越容易對新知識產生認知。在教學過程中，幫助學生學會利用“可視化”知識管理手段，對教學也有著積極的作用。在整過的教學過程中從課件的可視化呈現，到雙通道的應用，以及樣例的教學過程中都是教師作為知識解讀主體，因此從樣例到新問題的遷移中，要求學生完成思維草圖和流程圖；在每節每章結束學生形成思維導圖，教師并對其做出評價，促進知識解讀、加工能力的培養。

三 結語

教學中要有效地使學生完成知識認知，一定要利用可視化的手段設計生動形象的知識呈現形態，設計關聯度高的相關認知任務，使認知負荷降低，通過知識可視化，使學生變更淺層化的學習模式，促進自我效能感的提升，同時應該注意培養學生的知識加工能力，新舊知識的遷移能力，使學生可以效仿教師的知識解讀行為，對新知識進行加工處理，正確歸納并補償不足，促進“漁技”（知識管理水平）的提高，并形成獨立的自學能力。