基于認知負荷理論的高中生物綜合性實驗教學設計

楊冬琴

【摘 要】生物是高中的重要課程，生物實驗是研究生物及生命本質的基本方法，在生物研究及教學中都有重要地位。在各種類型的生物試驗中，綜合性實驗的難度都很大，要求學生具有扎實的專業知識和基礎實驗操作能力、創造性的實驗設計能力以及良好的方案改進能力，對學生思維和技能的要求都較高。因此，高中教師在開展綜合性生物實驗時需要遵照科學的教育教學原則，依據認知負荷理論，合理設計教學方案，綜合考慮多方面的因素，以減輕學生的內在認知負荷和外在認知負荷，提高相關認知負荷，盡可能減輕學生的認知負擔，讓學生更輕松、快樂、科學地進行綜合性生物實驗，提升學生的學習效果和對生物學科的興趣。

【關鍵詞】認知負荷理論;高中生物;綜合性實驗 ;教學設計;方法策略

由于學生普遍缺乏實驗技能的訓練，加之對實驗的重視度不夠，導致生物課程尤其是綜合性實驗課程對學生來說難度較大，很多學生無從下手或者有嚴重的畏懼心理。再加上綜合性生物實驗對學生的認知水平和能力要求較高，考察知識、思維、能力等綜合素養，具有內容跨度大、儲量豐富、實驗方案多樣、儀器和過程復雜等特點，往往涉及基礎性實驗和設計性實驗的融合和改進，其具有發展學生思維、培養學生批判、創造能力的作用，對學生生物學科核心素養的形成和未來的發展具有重要的意義。

因此，高中生物教師在開展綜合性生物實驗教學時要進行科學、嚴密的規劃、設計，要依據教育教學原則，以減輕學生的認知負荷，降低學生的認知難度。

一、認知負荷理論

認知負荷是指人在信息加工過程中所需要用的心理資源的總和，尤其是針對復雜的學習任務，關于認知負荷的意義目前沒有明確的說法，不同的研究者可能會選擇不同的研究角度進行定義，目前普遍接受的定義是：學生對學習任務、責任及時間壓力的知覺和體驗，學生感受到的心理負擔。

人的工作記憶容量是有限的，信息加工理論指出，短時記憶中能同時接受和處理7±2個信息組塊，過多的信息資源會加重學生的認知負擔，如果信息之間的交互作用比較強時也會加重認知負擔。

認知負荷理論包括三個方面，內在認知負荷，外在認知負荷，關聯認知負荷。內在認知負荷與學習材料的復雜程度、學生自身專業知識和二者的交互程度有關，外部認知負荷超越了學習材料和學生自身水平的限制，主要是由于設計不當、不科學、不符合學生水平的教學。相關認知負荷是指促進圖式構建和圖式自動化過程的負荷。

這三種類型的負荷是交互作用的，為了減輕生物綜合性實驗的難度和認知壓力，教師要綜合考慮這三個方面的負荷，在教學過程中盡可能降低內部認知負荷和外部認知負荷，增加關聯認知負荷，還要保證總的認知負荷不超出個體的認知限度。

二、基于認知負荷理論的高中生物綜合性實驗教學設計

科學、高效的教學能降低學生學習的難度，提升學生的學習效果和滿意度，尤其是對于難度較大的綜合性生物實驗，教師更應該基于認知負荷理論進行教學設計，使實驗難度、知識量適合學生的認知水平，促進學生的認知過程和信息加工過程。

（一）降低內在認知負荷

根據內在認知負荷理論，內在認知負荷包括三個方面的內容，學習材料本身的難度、復雜性、知識豐富性，學習者自身的知識基礎和認知能力，二者的交互作用。如果能降低學習材料的復雜性，使其具有較強的邏輯關系或者提升學生自身的水平，那么就能有效減少認知負荷。因此，可以通過實驗方案的設計，降低實驗項目的難度和實驗材料的復雜性以減少認知負荷。

方法一：充分考慮學生的認知水平和興趣愛好，設計難度適宜的綜合性實驗。綜合性實驗應該是基于學生已經接觸過的并比較熟悉的實驗操作設計的，對學生來說有一定的難度但又能夠通過自身的努力完成;實驗具有一定的開放性，對學生有較強的吸引力;還可在原有的實驗基礎上增添一些維度和考察角度，以某一個生活中的問題為切入點，讓學生發散思維，創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驗：

這樣的綜合性實驗既考察了學生對多個實驗的掌握，又減少了認知壓力，降低了認知負荷，由一個簡單的、生活化的實際問題引入，降低了實驗材料本身的復雜性和認知難度，而且能調動學生探究的興趣，吸引學生積極主動的參與，綜合了影響內在認知負荷的三個因素，切實降低了綜合性實驗的內在認知負荷。

方法二：根據綜合性實驗自身的難易程度選擇性地設計實驗方案和數據分析方法。對于難度比較大、學生不太熟悉的綜合性實驗，比如某種奶粉含氮量的測定實驗，這類問題難度相對較大，具有一定的挑戰性，教師可以引導學生利用相對簡單的實驗方法和數據分析方法以降低內部認知負荷，可以利用對比實驗和隨機區組實驗、小組合作實驗;而對于學生較熟悉的實驗可以采用較有挑戰性的實驗方案，如正交實驗，可以用更系統全面的數據分析方法，如方差分析、回歸分析等。

方法三：將綜合性實驗模塊化，并用多媒體加以輔助。對于一些難度極大的、學生無從下手的實驗教師可以將實驗進行分解，引導學生一步一步循序漸進地向前走，在這個過程中教師要給學生提供一些輔助資料，比如資料卡片、相關的實驗視頻、數據處理原理等。

（二）降低外在認知負荷

外在認知負荷主要是由于教學內容的呈現形式和教學過程的實施形式引起的，因此教師在開展綜合性生物實驗時要盡可能優化信息呈現形式，精簡材料信息，避免給學生造成不必要的認知負擔。

方法一：利用圖表簡化內容，巧用多種形式傳達信息。綜合性生物實驗往往給學生呈現了很長的語言介紹、很多數據信息、實驗儀器的種類等，而教學實踐證實純粹的大段語言敘述會讓學生覺得疲乏，而且學生在閱讀這些信息過程中常常因為信息太長太難理解而倍感壓力，會打擊學生成功完成實驗的自信心。因此，教師要嘗試用圖、表、動態的視頻等呈現信息，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，而視頻動畫比圖和表的呈現效果更好，更加形象生動，能夠調動學生的視覺和聽覺系統，更有利于學生理解信息、表征信息。

方法二：教師在呈現信息時要精簡，設計的教學過程要高度銜接、吻合。教師在進行教學設計時應盡可能將信息精簡化，將有用的信息呈現給學生，一些無用的、冗長的介紹可以適當刪減。另外，教師給學生準備的實驗講義也要重視排版問題，盡量減少裝飾性和干擾性圖標，避免圖表和表格的跨行、跨頁。減少學生在實驗講義上花費的心思和精力。

（三）增加關聯認知負荷

關聯認知負荷是指學生發自內心愿意自主參與實驗活動，愿意付諸努力以構建知識體系的全部資源。關聯認知負荷主要由學生自身的學習興趣、學習動機、自主學習、合作學習及學習管理能力等幾個方面共同決定。

方法一：吸引學生興趣，激發學生參與綜合性實驗的強烈動機。教師可以選擇學生感興趣的實驗主題和原材料，吸引學生的注意力，讓學生從主觀上積極主動地探究，比如研究植物細胞質壁分離及復原的實驗，教師可以給學生提供一些生活中常見的、熟悉的材料，以吸引學生。

方法二：教師應該建立一定的獎勵機制。適當的獎勵、有效而及時的反饋可以強化學生參與課堂活動的動機，可提高學生完成任務的決心和毅力，以表揚和激勵為主，可有效激發學生的榮譽感和探究欲望。

方法三：加強與學生的互動，增強學生的自我效能感。教師的鼓勵和支持，教師對學生寄予的厚望能有效激發學生的效能感，增強學生的自信心和好勝心，可以給學生強大的精神動力。

三、結束語

綜上所述，開展綜合性生物實驗時，教師要基于認知負荷理論，從多個方面降低內在認知負荷和外在認知負荷，增強關聯認知負荷，從影響學生學習的各個方面著手，切實關注學生的認知特點和學習方式，盡可能提升學生對生物綜合性實驗的探究興趣及探究能力，提升生物綜合性實驗的課堂教學效果。

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