基于認知負荷理論的小學科學課堂教學設計

惠浩　劉國良

澳大利亞心理學家約翰·斯威勒于上世紀80年代提出了認知負荷理論，其核心內(nèi)容是，人們在認知加工過程中要投入一定的心理努力，占用一定的認知資源，承載一定的負荷。認知負荷是由學習材料的組織和呈現(xiàn)方式、學習材料內(nèi)在本質(zhì)特征以及學習者先前的知識經(jīng)驗三個因素所決定的。認知負荷有三種，即內(nèi)在認知負荷、外在認知負荷和有效認知負荷，三種類型的認知負荷是相互疊加的，構成了學習者在認知活動中總的認知負荷量。學習活動的效果與效率，都與學習活動產(chǎn)生認知負荷的量能有關。學習者在學習過程中的認知負荷總量與記憶容量不相匹配，就會導致認知資源的不足，或者抑制學習者的認知意愿，嚴重影響學習者進行意義建構。

改進課堂教學方法，提高課堂教學效率，是課堂教學改革追求的永恒主題，科學合理的課堂教學設計則是提高課堂教學效率的關鍵。認知心理學研究認為，課堂學習材料的編排、呈現(xiàn)的形式、學習任務的難度等都會影響學生工作記憶的認知負荷。合理的教學設計重視控制學生在學習活動中所產(chǎn)生的各種負荷，讓認知負荷的量處于學生認知資源及其能力的恰當區(qū)間，并使學生有限的認知資源能夠投入到概念意義的建構、概念圖式化的形成和圖式的自動化之中。因此，認知負荷理論對小學科學課堂教學的設計有著重要的啟示作用。

合理呈現(xiàn)實驗器材，有效控制外在認知負荷

外在認知負荷是一種無效認知負荷，主要由學習材料的組織和呈現(xiàn)方式不恰當以及讓學生進行的認知活動不恰當所引起。在小學科學教學中，教師應當通過對實驗器材的精心規(guī)劃，實現(xiàn)對學習材料的合理組織和呈現(xiàn)，排除無效的教學信息，從而達到有效控制不必要的外在認知負荷的目的，提高課堂教學效果。

1.精選實驗器材，排除信息冗余

實驗器材是小學科學探究活動的重要載體。典型而完備的實驗器材，能有效支撐學生的探究活動，合理引導學生的思維，使其順利地建構概念、建立圖式。過多過雜的實驗器材常常會干擾學生的思維，增加不必要的外在認知負荷。

例如在建立“毛細現(xiàn)象”這一概念時，很多老師會提供很多的器材給學生進行檢測。這些實驗器材如果沒有遵循分類原則，就會導致活動器材數(shù)量的嚴重超標，致使學生在活動時將大量的認知資源投放到操作器材之中，使探究活動變?yōu)楹唵蔚膭邮植僮鳌Ｔ诶蠋熃o定的實驗時間內(nèi)，有的學生甚至連動手操作都來不及完成。有的老師還會為學生準備一些不常見的材料，如裝在吸管中的活性炭顆粒，由于很多學生第一次見到這種材料，他們會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)生毛細現(xiàn)象材料的共同特征”這一核心任務。有的老師為增加實驗的趣味性，在操作材料中增加了“切片面包”這種材料，也常常將學生的操作實驗引向品嘗面包的趣味體驗中。顯然，這些干擾學生的冗余信息，會讓學生將有限的認知資源投入到對無效信息的處理之中，導致認知資源的大量消耗，使工作記憶過早耗盡，從而使認知資源不能有效地作用在概念建構中。

2.合理組織呈現(xiàn)，促進信息理解

精選實驗器材并不是一味地減少器材，而是要將實驗器材經(jīng)過一定的組織，在合適的時機合理地呈現(xiàn)給學生。例如，某教師在引導學生探究毛細現(xiàn)象時，準備了紙巾條、布條、粉筆、海綿、吸管、玻璃片、紅藍兩色的花以及毛細現(xiàn)象演示器等實驗材料。課堂上教師首先出示“紅藍兩色的花”以引起學生的學習興趣，接著將紙巾條、布條、粉筆、海綿、吸管、玻璃片組合成一組材料，讓學生在檢測這些物品是否產(chǎn)生毛細現(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，要求學生在玻璃片、吸管上構造狹縫、孔隙來驗證形成的假設，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。在學生發(fā)現(xiàn)狹縫產(chǎn)生毛細現(xiàn)象規(guī)律的基礎上，出示“毛細現(xiàn)象演示器”，向?qū)W生演示毛細現(xiàn)象的典型規(guī)律。在探究過程中，教師引導學生先后多次使用這些材料組合，其實質(zhì)是為學生的探究搭建“腳手架”，將他們的外在認知負荷在操作過程中始終控制在一個比較合理的范圍，從而將認知資源盡可能多地投入到構造狹縫、驗證假設、形成圖式、建構概念這些更有思維價值的活動之中，有效地降低了學生的認知負荷，促進了科學概念的意義建構。

巧妙搭建認知支架，適度降低內(nèi)在認知負荷

內(nèi)在認知負荷是指因?qū)W習內(nèi)容包含的信息元素數(shù)量及其交互水平的復雜性給工作記憶帶來的負荷。內(nèi)在負荷從某種意義上反映了學習內(nèi)容的難度，但是學習內(nèi)容是否復雜且具有難度還取決于學生已有的知識和經(jīng)驗（圖式數(shù)量）。減少內(nèi)在負荷的關鍵在于減少學習內(nèi)容包含的元素及其交互性。教學設計則需要根據(jù)學生的經(jīng)驗和水平，設置符合學生能力的認知任務和學習內(nèi)容，或降低學習目標的難度，或分步達成較為復雜的學習目標。因此，搭建認知支架，有助于減少學生在學習過程中的內(nèi)在認知負荷。

1.合理設置目標，重構學習內(nèi)容

課程標準為學習內(nèi)容的選擇和學習目標的制定提供了可供參考的基準。但是，有些教師往往置課程標準和學生水平于不顧，一味地在教學中安排不符合學生認知水平的學習內(nèi)容，設置不恰當?shù)慕虒W目標。

如小學中年級“物體沉浮”的內(nèi)容，很多課堂會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中不進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，組成一個內(nèi)在認知負荷超量的研究課題。這樣的學習內(nèi)容帶來的負荷遠遠超出了學生的工作記憶所能承載的極限，學習中必然大量占據(jù)學生所有的記憶資源，從而阻塞其他認知通道，導致學習任務無法完成。

沉浮現(xiàn)象是重力和浮力兩個量之間的關系決定的，小學生在認識沉浮現(xiàn)象之后，應選擇“重力與浮力差”作為深入探討沉浮現(xiàn)象的重要關系，無論是借助測力計進行重力和浮力的測量，還是用數(shù)學方法進行兩者之差的計算，這些都落在學生的能力閾值之內(nèi)。這樣，學生就可以將節(jié)約出來的認知資源，投放在建構沉浮現(xiàn)象和“重力與浮力差”的關系中。

此例中，學習內(nèi)容的信息元素被嚴格控制在清晰的兩個變量之中，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，既尊重了學科的邏輯，又遵循了學生的認知規(guī)律，使得學生自主建構概念和形成“圖式”成為可能。

2.搭建任務支架，逐步突破目標

當學習的內(nèi)容相對于學生的認知水平略為復雜時，教學設計必須將學習內(nèi)容或者任務分解成若干個子任務，在依次完成子任務、構建認知支架的基礎上，實現(xiàn)對教學整體任務的突破。教學中，要注意分解任務的合理性及其各子任務排列的有序性，如對“物體的沉浮”這一問題的探究，可以將“物體的重量影響物體的沉浮”這個概念的學習任務分成若干子任務。

子任務1：從漂流瓶的“浮”入手，引出“如何讓漂流瓶沉到水里去”這個話題，引導學生在假設和實驗驗證后，初步發(fā)現(xiàn)“沉”的原理（加重使浮的物體下沉）。

子任務2：應用剛發(fā)現(xiàn)的原理進行解釋，進一步提出“如何讓瓶子（潛水艇）懸在水中”，揭開“懸”的奧秘（加重，物體下沉;減重，物體上浮）。

子任務3：要求學生制作“不需要補給設備的潛水艇”（沉浮子）。

這樣，每個子任務的有序排列，使得整體認知目標的元素、難度和復雜度都被降低。子任務的分解和排列環(huán)環(huán)相扣，循著“由易到難”的內(nèi)在邏輯螺旋上升，形成一個結(jié)構優(yōu)良的認知支架，為學生完成整體目標鋪設階梯，把概念的建構逐步引向深入，促進學生對沉浮的意義進行建構，并引起學生對“沉浮原理”產(chǎn)生“圖式自動化”，最后順利完成整體學習任務。

優(yōu)化概念圖式結(jié)構，提高相關認知負荷

相關認知負荷是指工作記憶對認知任務進行實質(zhì)性認知操作而承受的負荷。有研究表明，當一個學習任務的外在認知負荷及內(nèi)在認知負荷都被有效降低到很恰當?shù)乃綍r，學生對問題的解決和概念的遷移依然可能沒有如期發(fā)生改變，這是因為學生并沒有或者不愿意將富余的認知資源投入到學習活動中去。所以，激發(fā)學生的學習興趣、喚醒學生的認知意愿是提高相關認知負荷的基礎。

1.借用可視圖示，優(yōu)化概念圖式建構

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

在建立“物體的重量影響物體的沉浮”這個概念的學習中，當學生借助動手操作，建立了對“加重可以使漂流瓶下沉，減重可以使漂流瓶上浮”的形象認識后，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，可以要求學生借助“畫圖”的方式，把“潛水艇”發(fā)生沉浮運動的原理，運用“圖示”可視化地表達出來，從而促進概念和“圖式”的個性化建構。

2.巧用變式訓練，促進概念圖式自動化

認知負荷理論認為，提供變式的訓練是增加相關認知負荷的一個有效途徑。當概念及其圖式建構之后，學生利用“圖式”進行變式的訓練，能夠有效促進圖式的自動化。圖式及其自動化能降低后續(xù)學習的認知負荷，讓富余的認知資源作用在新的概念和新的圖式的建構中，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，我們可以加入“重量”特征發(fā)生變化的多種變式，這些變式可以為學生提供辨認“概念圖式”中相似特征的機會，擴展“概念圖式”適用范圍，從而促進或增強圖式發(fā)展、遷移和自動化。

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)構無關的變式，促使學生將已有圖式中的相似特征，與變式中的無關特征進行區(qū)分，增進學生對概念和圖式的甄別，促進學生對圖式進一步理解。

綜上所述，小學科學課堂教學設計應設置合理的認知負荷，將學生有限的認知資源作用于有意義的認知加工過程，促進學生在課堂學習中的科學概念建構。借助“圖式”建構及相關活動，促進認知結(jié)構的良性循環(huán)是促進概念建構的有效方法和途徑。