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基于認知負荷理論的“打比方”教學策略
作者：林秀鑾張賢金吳新建
中小學教學研究 2015年08期
基礎教育課程改革極力倡導減輕學生學業(yè)負擔，但現(xiàn)狀不容樂觀。高中化學課堂教學中普遍存在學生學業(yè)負擔過重、課堂低效的現(xiàn)象。很多教師忽視高中生認知發(fā)展特點，在課堂教學中只要求學生記憶某些概念、原理、物質(zhì)的性質(zhì)、實驗現(xiàn)象等知識，然后通過大量的練習來鞏固、提升對知識的理解。在這種模式的學習中，學生外在認知負荷高，教學效果很不理想，導致很多學生認為化學就是死記硬背、枯燥無味的學科，對化學的學習失去興趣。因此，我們有必要從減輕學生外在認知負荷的角度來改進我們的化學課堂教學，筆者以認知負荷理論為指導，嘗試在教學中巧用生活化“打比方”進行教學，取得了較好的成效。
一、認知負荷理論簡介
澳大利亞新南威爾士大學的認知心理學家約翰·斯威勒（John Swdler）于1988年首先提出認知負荷理論（Cognitive Load Theroy，簡稱CLT）。認知是指對信息的加工過程。負荷是指在認知過程中所需要的認知資源的總和。認知負荷理論在教學實踐領域的研究取得了一定的成果，對教學實踐具有重要的現(xiàn)實指導意義。
認知負荷的生成因素有兩類，一類是由學習材料本身的復雜性所引起的，稱為內(nèi)在認知負荷，內(nèi)在認知負荷的高低取決于學習材料的復雜性和學習者已有的認知經(jīng)驗；另一類是由學習材料的組織和呈現(xiàn)形式所引起的，可分為無效認知負荷和有效認知負荷。無效認知負荷不利于信息加工與獲得，也稱為外在認知負荷；有效認知負荷有利于信息加工與獲得，促進圖式構建和圖式自動化過程，也稱為相關認知負荷[3]。
對于特定的學生個體而言，其認知負荷總量是一定的，三種認知負荷是一種此消彼長的關系。作為教學的組織者，要優(yōu)化教學設計，在相同的內(nèi)在認知負荷情況下，盡量減少學習者的外在認知負荷，提升相關認知負荷。
二、基于認知負荷理論巧用“打比方”的教學案例分析
案例1：強酸、弱酸溶液中的行為
強酸、弱酸分別與金屬反應產(chǎn)生氫氣的量與速率的大小關系的比較，是很多學生認識理解上的一個難點。教學中筆者把強酸與弱酸比作“兩個不一樣的大富翁”，就是他們所擁有的“貨幣”。強酸是一個把所有的貨幣都帶在身上的富翁，相當于強酸完全電離；而弱酸是一個只把極少數(shù)貨幣帶在身上，而絕大部分都存在銀行的富翁，相當于弱酸部分電離。
當?shù)任镔|(zhì)的量濃度等體積的鹽酸與醋酸分別與足量的表面積相等的鋅粒完全反應時，由于鹽酸、醋酸都是一元酸，二者的物質(zhì)的量相等，相當于鹽酸與醋酸這兩個富翁所擁有的貨幣總量一樣。因為鹽酸把所有的貨幣都帶在身上，所以他想買東西時，可以直接付款，更方便，因而反應速率更快；而醋酸只帶極少量的貨幣在身上，而且每次只能從銀行里取出一小部分，因此想要買更多東西時，就要多次提取，需要更多的程序，因而反應速率更慢。但是由于兩個富翁的貨幣總量一樣多，因此當把全部貨幣都用來買相同產(chǎn)品時，買到的產(chǎn)品數(shù)量應是一樣多，即反應中產(chǎn)生的氫氣總量相等。
通過這個生活化比方，原來對這個問題毫無頭緒的學生有了頓悟的喜悅，一下子理解了醋酸溶液中由于存在電離平衡而與鹽酸表現(xiàn)出不同的性質(zhì)。接著筆者又提出下面的問題：當?shù)萷H等體積的鹽酸與醋酸分別與足量的表面積相等的鋅粒完全反應時，二者反應的速率與產(chǎn)生氫氣的總量關系如何？這個問題既可作為當前學習的一種鞏固，也是一個提升。
短暫的思考之后，學生就七嘴八舌地討論起來了，一個個顯得胸有成竹，紛紛地說出各自的見解。當然，一部分對pH的概念理解不夠透徹的學生還在猶豫之中。我們可以讓已經(jīng)領悟的同學，用剛才的比方來分析它們的反應過程。很快他們就做出如下的分析：兩種酸的pH相同，即二者電離出來的濃度相同。此時，相當于鹽酸與醋酸這兩個富翁帶在身上的貨幣一樣多，但是鹽酸沒有儲蓄，而醋酸還有很多的儲蓄，這就意味著醋酸貨幣總量要比鹽酸多得多。當帶在身上的錢用完時，醋酸還可以再去銀行取，可以在相對一段時間內(nèi)都能保持比較旺盛的購買力，而且由于資產(chǎn)雄厚，可以購買更多的產(chǎn)品。而鹽酸所有的家當都帶在身上，購買力明顯比醋酸小。即等pH等體積的鹽酸與醋酸分別與足量的表面積相等的鋅粒完全反應時，醋酸的反應速率比鹽酸大，并且產(chǎn)生的氫氣的量也更多。此時，原先還在疑惑中的學生一聽，也都會心地點著頭，表示理解。
通過這個生活化比方，把一個內(nèi)在認知負荷非常高的知識點輕易地突破了。很多學生在高中畢業(yè)多年后告訴筆者，已經(jīng)好幾年沒有接觸化學了，但是當時關于“兩個不一樣的富翁”的比方，現(xiàn)在還記憶猶新。顯然通過這個方式處理教材，已讓學生真正地領悟了知識。
在案例1的學習中，學生需要準備的前知識有：電離、強弱電解質(zhì)的區(qū)別、溶液pH的含義、金屬與酸反應速率的影響因素、電離平衡等，其中任何一個前知識的缺失或是不清晰都會影響對案例1的學習。在問題的分析過程中需要對這些前知識進行綜合應用。這些因素是造成學生內(nèi)在認知負荷高的主要原因，我們應在課前多與學生溝通，以適當控制內(nèi)在認知負荷。富翁是否有存款，把強弱電解質(zhì)的關系體現(xiàn)得淋漓盡致。存款的量與身上的現(xiàn)金的比例體現(xiàn)了弱電解質(zhì)的電離程度。學生一旦認可、接受這個比方，外在認知負荷明顯降低。
案例2：加聚反應
加聚反應是有機化學反應的一種重要類型。在必修2的學習階段，學生剛剛接觸有機化學，對于加聚反應如何能形成高分子存在認識上的障礙。在對加聚反應概念進行分析時，我們可以通過一個互動來實現(xiàn)。先讓同桌的兩個學生面對面手牽手坐好，每個學生把自己想象成一個碳原子，緊緊牽住的雙手，就像是碳原子之間形成的雙鍵，一對學生就是一個乙烯分子�，F(xiàn)在我們松開牽著的一只手，另一只仍緊握對方，這就好比在催化劑的作用下，乙烯分子斷開雙鍵中的一個鍵。現(xiàn)在鄰桌之間的兩個學生牽起手，這樣全班學生都可以牽起手來了，如果有更多的學生，我們也可以一起牽起手來。這就好比乙烯分子斷鍵后重新連接形成高分子聚乙烯的過程。通過這個互動不僅活躍了課堂的氣氛，而且讓學生對加聚反應的概念有了深入的理解。
案例2教學的亮點是通過肢體活動體會加聚反應的實質(zhì)，這些肢體活動不僅容易在頭腦中形成穩(wěn)固的圖示，而且可以喚醒學生對學習的美好回憶，極大地提高了相關認知負荷。教學中，教師引導學生建立以下幾個對應關系：學生與碳原子、牽手與化學鍵、分手與斷鍵、同桌數(shù)與聚合度……在學生領悟了加聚反應的實質(zhì)之后，根據(jù)必修模塊的有機知識的階段性，引導學生構建常見有機化學反應，如取代反應、加成反應、酯化反應、水解反應、聚合反應，并能根據(jù)反應特點初步判斷反應類型。選修階段的學習中，可以在已建構好的體系中進行補充，形成更完整的知識體系，便于學生隨時提取。
案例3：核外電子的躍遷
在魯科版高中化學選修《物質(zhì)結(jié)構與性質(zhì)》的第一章“原子結(jié)構”的第一節(jié)“原子結(jié)構模型”中，玻爾原子結(jié)構模型的基本觀點中有這樣的描述：在不同軌道上運動的電子具有不同的能量，而且能量是量子化的，即軌道能量是“一份一份”的，不能連續(xù)變化而只能取某些不連續(xù)的數(shù)值。只有當電子從一個軌道躍遷到另一個軌道時，才會輻射或吸收能量。如果輻射或吸收的能量以光的形式表現(xiàn)出來并被記錄下來，就形成了光譜。
教材中的這些描述很晦澀，尤其是“量子化”“一份一份”“躍遷”這些詞更是讓學生不知所云。如何在教學中減輕學生的外在認知負荷呢？經(jīng)過一番實踐，筆者用爬梯子來“打比方”，以上問題得到很好的解釋。
我們把電子的躍遷比作電子在爬梯子[4]。原子中的電子在不同能級之間的運動就像在爬梯子。如果你要上下梯子，就必須一檔一檔地爬。爬的時候，你的腳只能落在梯子的橫檔上，這就好比電子只能處在一定的能級上，并具有一定的能量，而不能處于兩個能級之間。當電子吸收了一定能量后，就可以躍遷到較高能級上，這個能量就是這兩個能級之間的能量差。當電子返回到較低能級時，就以光的形式將兩個能級之間的能量差釋放出來。
在教學中，分別對兩個平行班級采用不同的教學方式。一個班級作為對照組，另一個班級為實驗組，采用“打比方”的方式進行教學。在對焰色反應、霓虹燈發(fā)光現(xiàn)象的解釋中，實驗組學生的成績明顯高于控制組。這也說明采用“打比方”進行教學，減輕學生的外在認知負荷，使學生通過“打比方”產(chǎn)生聯(lián)想，從而建構知識網(wǎng)絡，提高教學效率。
原子核外電子的運動具有特殊性，我們無法用感官來感知它的存在和運動，教材也沒有一目了然地描述電子的躍遷過程，這就造成學生內(nèi)在認知負荷強度高。通過“打比方”把這個抽象的問題形象化，通過對比分析使學生正確地進行信息轉(zhuǎn)換和推理形成圖式，減少外在認知負荷的同時增加了相關認知負荷。在教學中，教師要把握住以下幾個核心點進行對比分析：梯子橫檔與能級、橫檔的高度與能級所具有的能量、上下梯子與電子躍遷、梯子橫檔的高度差與能級之間的能量差……當學生真正地領悟了它們之間的對應關系，才能實現(xiàn)知識的遷移，學生就能順著這把“梯子”提升到一定的高度。如果分析過程中對應關系混亂、或是把學生的注意力引到了梯子的其他特征方面，學生就會被這個“梯子”絆倒。
三、基于認知負荷理論進行“打比方”教學的建議
（一）課前調(diào)查、研究教材，控制內(nèi)在認知負荷
學生已有的認知結(jié)構水平與學習材料的數(shù)量和交互性對新知識的學習起決定作用[5]。教師在進行“打比方”教學前應從課前調(diào)查與研究教材兩個方面入手，以控制內(nèi)在認知負荷。
課前調(diào)查的內(nèi)容主要是針對即將學習的材料需要學生準備好的一些前知識。例如，在案例1的教學前筆者了解到學生對強弱電解質(zhì)的概念已背得滾瓜爛熟，但是對弱電解質(zhì)的電離程度的理解卻很模糊。所謂部分電離，是電離90%，50%，10%，還是小于1%？很多學生并不理解。我們就要敏銳地抓住這些信息，并有針對性地進行指導。課前調(diào)查可以采用訪談式、問卷調(diào)查式、試卷分析式……對學生的前知識掌握情況進行了解，分析形成的原因，盡可能在學習之前得到解決，這樣就可以大大地減少學生在學習中的內(nèi)在認知負荷。
每個教師教學時所用的教材版本是固定的，因此呈現(xiàn)在學生面前的知識體系、內(nèi)容線索、知識密度、前后知識的對應關系、教材的圖表等已經(jīng)固定，它對學生引起的內(nèi)在認知負荷已確定，但是教師可以根據(jù)學生的實際認知情況對以上因素進行調(diào)整，以控制學生的內(nèi)在認知負荷。如果材料數(shù)量較多，應精選教材中已有的學習材料，適當進行刪減，必要時可以借鑒其他版本的學習材料。對于交互性比較強的學習材料，可以考慮分階段或分塊呈現(xiàn)。這些措施都可以適當調(diào)控由于教學材料引起的內(nèi)在認知負荷。其實，教材中有很多知識點是以“打比方”的形式呈現(xiàn)的，教學中要予以充分利用。例如，在魯科版高中化學《化學反應原理》中關于反應焓變的描述用登山來“打比方”。用“山的高度與登山途徑無關”來說明“對于一個化學反應，無論是一步完成還是分幾步完成，其反應焓變都是一樣的”。再如，在原子結(jié)構模型中提到湯姆遜的“葡萄干布丁”模型，介紹“碰撞理論”時，可以采用課改前人教版的“投籃”來“打比方”。
（二）貼近生活、啟迪思考，減少外在認知負荷
教師一定要選用學生所熟悉的、感興趣的“打比方”素材，它能豐富想象、引起聯(lián)想、啟發(fā)思考。當學生在百思不得其解時，可以從這個生活化比方中獲得靈感，有所領悟，從而找到解決問題的突破口。
例如，在物質(zhì)的量的教學中，為什么要引入“物質(zhì)的量”這個概念？它是一個什么樣的物理量？這些問題都會困擾學生，具有較高的內(nèi)在和外在認知負荷。我們可以選用生活中熟悉的物理量來“打比方”，如一箱啤酒、一瓶藥片、一盒粉筆、一袋米……當在生活中引入這些表示含有一定數(shù)量集體的概念時，可以給我們帶來很多方便，這就順理成章地說明引入“物質(zhì)的量”的重要性，使學生對“物質(zhì)的量”這個陌生又帶有幾分拗口的概念有了幾分感性的認識。
又如，在分析“相同狀況下，不同氣體的氣體摩爾體積為什么相同？”時，我們可以用100位相撲運動員與幼兒園小朋友在操場上排隊來“打比方”。當要求排成緊密方陣時，由于相撲運動員體型肥碩，所占的空間明顯要大得多。如果按照每兩個人之間間距10米散開，則所占的空間幾乎相當。學生對相撲運動員比較感興趣，這樣可以激起他們參與思考的熱情。通過“打比方”，學生深刻體會到對于固體、液體來說，構成它們的微粒間的距離非常小，它們的體積主要取決于微粒的大小；對于氣體，分子間距離比分子的直徑大得多，因此氣體體積主要取決于氣體分子間的平均距離。在相同狀況下，由于1mol任何氣體所含有的分子數(shù)目相同，分子之間平均距離相同，所以它們的體積基本相同。
（三）把握核心、對比分析，降低外在認知負荷
教師在進行“打比方”分析時一定要抓住核心點，即知識點與“打比方”素材間的對應關系。分析時語言要精練，避免因為描述的繁復或是重點缺失造成外在認知負荷增大，影響學習的有效性。
例如，在用“投籃”來“打比方”進行“碰撞理論”的教學中，我們要把握好以下幾個核心點進行對比分析：籃球與原子、籃球的高度與原子所具有的能量、投籃的方向與碰撞的角度、投籃成功與原子間發(fā)生反應……學生在教師的對比分析中，回顧曾經(jīng)的投籃經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)并不是每次的投籃都能成功，只有當籃球具有一定的高度、適當?shù)慕嵌炔拍苓M球，贏得喝彩。這時學生就能領會并不是每次碰撞都能成功，要想發(fā)生有效碰撞必須具備一定的條件。分析時教師不能為了渲染課堂氣氛而侃侃而談籃球的球技、籃球的魅力等而分散學生的注意力，造成認知負荷資源浪費，教學效率降低。
（四）拓展提升、形成圖式，提高相關認知負荷
圖式的建構與自動化可以增加相關認知負荷。通過“打比方”教學激發(fā)學生的學習興趣，這些“打比方”的素材在新知識的學習中起到的支架作用，我們不能滿足于此，應趁熱打鐵，對相關的知識進行拓展提升，歸納出本質(zhì)特點，納入已建構好的知識體系中形成圖式。
例如，在案例1的分析之后，可以讓學生討論如下問題：
（1）等物質(zhì)的量濃度（或等pH）等體積的氨水與氫氧化鈉溶液分別與鹽酸中和時，消耗鹽酸的量。
（2）等物質(zhì)的量濃度（或等pH）等體積的硫酸與醋酸溶液分別與足量的表面積相等的鋅粒完全反應時，產(chǎn)生氫氣的量與速率的關系。
這兩個問題似曾相識，處于學生認識的最近發(fā)展區(qū)，這可以激發(fā)他們的思維，有助于增加相關認知負荷。兩個問題討論后，我們要引導學生歸納出這類問題的解題思路，并把它納入“化學平衡”的知識體系中，形成“化學平衡”的概念群。
他山之石，可以攻玉。在化學學習中，有很多深奧的知識，可通過巧用生活常識“打比方”，從而化抽象為形象、變模糊為深刻、轉(zhuǎn)溝塹為通途，減輕學生的外在認知負荷，提升教學質(zhì)量，值得廣大的一線化學教師不斷地研究探索。
作者介紹：林秀鑾（1975-），女，福建古田人，福建省永安市第一中學高級教師，研究方向：中學化學教育教學（福建 三明 366000）；張賢金（1985-），男，福建南安人，福建教育學院化學教育研究所講師，碩士，研究方向：中學化學教育教學（福建 福州 350025）；吳新建（1966-），男，福建永定人，福建教育學院化學教育研究所所長，教授，碩士，研究方向：中學化學教育教學（福建 福州 350025）。
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