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基于认知负荷理论的“打比方”教学策略
作者：林秀銮张贤金吴新建
中小学教学研究 2015年08期
基础教育课程改革极力倡导减轻学生学业负担，但现状不容乐观。高中化学课堂教学中普遍存在学生学业负担过重、课堂低效的现象。很多教师忽视高中生认知发展特点，在课堂教学中只要求学生记忆某些概念、原理、物质的性质、实验现象等知识，然后通过大量的练习来巩固、提升对知识的理解。在这种模式的学习中，学生外在认知负荷高，教学效果很不理想，导致很多学生认为化学就是死记硬背、枯燥无味的学科，对化学的学习失去兴趣。因此，我们有必要从减轻学生外在认知负荷的角度来改进我们的化学课堂教学，笔者以认知负荷理论为指导，尝试在教学中巧用生活化“打比方”进行教学，取得了较好的成效。
一、认知负荷理论简介
澳大利亚新南威尔士大学的认知心理学家约翰·斯威勒（John Swdler）于1988年首先提出认知负荷理论（Cognitive Load Theroy，简称CLT）。认知是指对信息的加工过程。负荷是指在认知过程中所需要的认知资源的总和。认知负荷理论在教学实践领域的研究取得了一定的成果，对教学实践具有重要的现实指导意义。
认知负荷的生成因素有两类，一类是由学习材料本身的复杂性所引起的，称为内在认知负荷，内在认知负荷的高低取决于学习材料的复杂性和学习者已有的认知经验；另一类是由学习材料的组织和呈现形式所引起的，可分为无效认知负荷和有效认知负荷。无效认知负荷不利于信息加工与获得，也称为外在认知负荷；有效认知负荷有利于信息加工与获得，促进图式构建和图式自动化过程，也称为相关认知负荷[3]。
对于特定的学生个体而言，其认知负荷总量是一定的，三种认知负荷是一种此消彼长的关系。作为教学的组织者，要优化教学设计，在相同的内在认知负荷情况下，尽量减少学习者的外在认知负荷，提升相关认知负荷。
二、基于认知负荷理论巧用“打比方”的教学案例分析
案例1：强酸、弱酸溶液中的行为
强酸、弱酸分别与金属反应产生氢气的量与速率的大小关系的比较，是很多学生认识理解上的一个难点。教学中笔者把强酸与弱酸比作“两个不一样的大富翁”，就是他们所拥有的“货币”。强酸是一个把所有的货币都带在身上的富翁，相当于强酸完全电离；而弱酸是一个只把极少数货币带在身上，而绝大部分都存在银行的富翁，相当于弱酸部分电离。
当等物质的量浓度等体积的盐酸与醋酸分别与足量的表面积相等的锌粒完全反应时，由于盐酸、醋酸都是一元酸，二者的物质的量相等，相当于盐酸与醋酸这两个富翁所拥有的货币总量一样。因为盐酸把所有的货币都带在身上，所以他想买东西时，可以直接付款，更方便，因而反应速率更快；而醋酸只带极少量的货币在身上，而且每次只能从银行里取出一小部分，因此想要买更多东西时，就要多次提取，需要更多的程序，因而反应速率更慢。但是由于两个富翁的货币总量一样多，因此当把全部货币都用来买相同产品时，买到的产品数量应是一样多，即反应中产生的氢气总量相等。
通过这个生活化比方，原来对这个问题毫无头绪的学生有了顿悟的喜悦，一下子理解了醋酸溶液中由于存在电离平衡而与盐酸表现出不同的性质。接着笔者又提出下面的问题：当等pH等体积的盐酸与醋酸分别与足量的表面积相等的锌粒完全反应时，二者反应的速率与产生氢气的总量关系如何？这个问题既可作为当前学习的一种巩固，也是一个提升。
短暂的思考之后，学生就七嘴八舌地讨论起来了，一个个显得胸有成竹，纷纷地说出各自的见解。当然，一部分对pH的概念理解不够透彻的学生还在犹豫之中。我们可以让已经领悟的同学，用刚才的比方来分析它们的反应过程。很快他们就做出如下的分析：两种酸的pH相同，即二者电离出来的浓度相同。此时，相当于盐酸与醋酸这两个富翁带在身上的货币一样多，但是盐酸没有储蓄，而醋酸还有很多的储蓄，这就意味着醋酸货币总量要比盐酸多得多。当带在身上的钱用完时，醋酸还可以再去银行取，可以在相对一段时间内都能保持比较旺盛的购买力，而且由于资产雄厚，可以购买更多的产品。而盐酸所有的家当都带在身上，购买力明显比醋酸小。即等pH等体积的盐酸与醋酸分别与足量的表面积相等的锌粒完全反应时，醋酸的反应速率比盐酸大，并且产生的氢气的量也更多。此时，原先还在疑惑中的学生一听，也都会心地点着头，表示理解。
通过这个生活化比方，把一个内在认知负荷非常高的知识点轻易地突破了。很多学生在高中毕业多年后告诉笔者，已经好几年没有接触化学了，但是当时关于“两个不一样的富翁”的比方，现在还记忆犹新。显然通过这个方式处理教材，已让学生真正地领悟了知识。
在案例1的学习中，学生需要准备的前知识有：电离、强弱电解质的区别、溶液pH的含义、金属与酸反应速率的影响因素、电离平衡等，其中任何一个前知识的缺失或是不清晰都会影响对案例1的学习。在问题的分析过程中需要对这些前知识进行综合应用。这些因素是造成学生内在认知负荷高的主要原因，我们应在课前多与学生沟通，以适当控制内在认知负荷。富翁是否有存款，把强弱电解质的关系体现得淋漓尽致。存款的量与身上的现金的比例体现了弱电解质的电离程度。学生一旦认可、接受这个比方，外在认知负荷明显降低。
案例2：加聚反应
加聚反应是有机化学反应的一种重要类型。在必修2的学习阶段，学生刚刚接触有机化学，对于加聚反应如何能形成高分子存在认识上的障碍。在对加聚反应概念进行分析时，我们可以通过一个互动来实现。先让同桌的两个学生面对面手牵手坐好，每个学生把自己想象成一个碳原子，紧紧牵住的双手，就像是碳原子之间形成的双键，一对学生就是一个乙烯分子。现在我们松开牵着的一只手，另一只仍紧握对方，这就好比在催化剂的作用下，乙烯分子断开双键中的一个键。现在邻桌之间的两个学生牵起手，这样全班学生都可以牵起手来了，如果有更多的学生，我们也可以一起牵起手来。这就好比乙烯分子断键后重新连接形成高分子聚乙烯的过程。通过这个互动不仅活跃了课堂的气氛，而且让学生对加聚反应的概念有了深入的理解。
案例2教学的亮点是通过肢体活动体会加聚反应的实质，这些肢体活动不仅容易在头脑中形成稳固的图示，而且可以唤醒学生对学习的美好回忆，极大地提高了相关认知负荷。教学中，教师引导学生建立以下几个对应关系：学生与碳原子、牵手与化学键、分手与断键、同桌数与聚合度……在学生领悟了加聚反应的实质之后，根据必修模块的有机知识的阶段性，引导学生构建常见有机化学反应，如取代反应、加成反应、酯化反应、水解反应、聚合反应，并能根据反应特点初步判断反应类型。选修阶段的学习中，可以在已建构好的体系中进行补充，形成更完整的知识体系，便于学生随时提取。
案例3：核外电子的跃迁
在鲁科版高中化学选修《物质结构与性质》的第一章“原子结构”的第一节“原子结构模型”中，玻尔原子结构模型的基本观点中有这样的描述：在不同轨道上运动的电子具有不同的能量，而且能量是量子化的，即轨道能量是“一份一份”的，不能连续变化而只能取某些不连续的数值。只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，才会辐射或吸收能量。如果辐射或吸收的能量以光的形式表现出来并被记录下来，就形成了光谱。
教材中的这些描述很晦涩，尤其是“量子化”“一份一份”“跃迁”这些词更是让学生不知所云。如何在教学中减轻学生的外在认知负荷呢？经过一番实践，笔者用爬梯子来“打比方”，以上问题得到很好的解释。
我们把电子的跃迁比作电子在爬梯子[4]。原子中的电子在不同能级之间的运动就像在爬梯子。如果你要上下梯子，就必须一档一档地爬。爬的时候，你的脚只能落在梯子的横档上，这就好比电子只能处在一定的能级上，并具有一定的能量，而不能处于两个能级之间。当电子吸收了一定能量后，就可以跃迁到较高能级上，这个能量就是这两个能级之间的能量差。当电子返回到较低能级时，就以光的形式将两个能级之间的能量差释放出来。
在教学中，分别对两个平行班级采用不同的教学方式。一个班级作为对照组，另一个班级为实验组，采用“打比方”的方式进行教学。在对焰色反应、霓虹灯发光现象的解释中，实验组学生的成绩明显高于控制组。这也说明采用“打比方”进行教学，减轻学生的外在认知负荷，使学生通过“打比方”产生联想，从而建构知识网络，提高教学效率。
原子核外电子的运动具有特殊性，我们无法用感官来感知它的存在和运动，教材也没有一目了然地描述电子的跃迁过程，这就造成学生内在认知负荷强度高。通过“打比方”把这个抽象的问题形象化，通过对比分析使学生正确地进行信息转换和推理形成图式，减少外在认知负荷的同时增加了相关认知负荷。在教学中，教师要把握住以下几个核心点进行对比分析：梯子横档与能级、横档的高度与能级所具有的能量、上下梯子与电子跃迁、梯子横档的高度差与能级之间的能量差……当学生真正地领悟了它们之间的对应关系，才能实现知识的迁移，学生就能顺着这把“梯子”提升到一定的高度。如果分析过程中对应关系混乱、或是把学生的注意力引到了梯子的其他特征方面，学生就会被这个“梯子”绊倒。
三、基于认知负荷理论进行“打比方”教学的建议
（一）课前调查、研究教材，控制内在认知负荷
学生已有的认知结构水平与学习材料的数量和交互性对新知识的学习起决定作用[5]。教师在进行“打比方”教学前应从课前调查与研究教材两个方面入手，以控制内在认知负荷。
课前调查的内容主要是针对即将学习的材料需要学生准备好的一些前知识。例如，在案例1的教学前笔者了解到学生对强弱电解质的概念已背得滚瓜烂熟，但是对弱电解质的电离程度的理解却很模糊。所谓部分电离，是电离90%，50%，10%，还是小于1%？很多学生并不理解。我们就要敏锐地抓住这些信息，并有针对性地进行指导。课前调查可以采用访谈式、问卷调查式、试卷分析式……对学生的前知识掌握情况进行了解，分析形成的原因，尽可能在学习之前得到解决，这样就可以大大地减少学生在学习中的内在认知负荷。
每个教师教学时所用的教材版本是固定的，因此呈现在学生面前的知识体系、内容线索、知识密度、前后知识的对应关系、教材的图表等已经固定，它对学生引起的内在认知负荷已确定，但是教师可以根据学生的实际认知情况对以上因素进行调整，以控制学生的内在认知负荷。如果材料数量较多，应精选教材中已有的学习材料，适当进行删减，必要时可以借鉴其他版本的学习材料。对于交互性比较强的学习材料，可以考虑分阶段或分块呈现。这些措施都可以适当调控由于教学材料引起的内在认知负荷。其实，教材中有很多知识点是以“打比方”的形式呈现的，教学中要予以充分利用。例如，在鲁科版高中化学《化学反应原理》中关于反应焓变的描述用登山来“打比方”。用“山的高度与登山途径无关”来说明“对于一个化学反应，无论是一步完成还是分几步完成，其反应焓变都是一样的”。再如，在原子结构模型中提到汤姆逊的“葡萄干布丁”模型，介绍“碰撞理论”时，可以采用课改前人教版的“投篮”来“打比方”。
（二）贴近生活、启迪思考，减少外在认知负荷
教师一定要选用学生所熟悉的、感兴趣的“打比方”素材，它能丰富想象、引起联想、启发思考。当学生在百思不得其解时，可以从这个生活化比方中获得灵感，有所领悟，从而找到解决问题的突破口。
例如，在物质的量的教学中，为什么要引入“物质的量”这个概念？它是一个什么样的物理量？这些问题都会困扰学生，具有较高的内在和外在认知负荷。我们可以选用生活中熟悉的物理量来“打比方”，如一箱啤酒、一瓶药片、一盒粉笔、一袋米……当在生活中引入这些表示含有一定数量集体的概念时，可以给我们带来很多方便，这就顺理成章地说明引入“物质的量”的重要性，使学生对“物质的量”这个陌生又带有几分拗口的概念有了几分感性的认识。
又如，在分析“相同状况下，不同气体的气体摩尔体积为什么相同？”时，我们可以用100位相扑运动员与幼儿园小朋友在操场上排队来“打比方”。当要求排成紧密方阵时，由于相扑运动员体型肥硕，所占的空间明显要大得多。如果按照每两个人之间间距10米散开，则所占的空间几乎相当。学生对相扑运动员比较感兴趣，这样可以激起他们参与思考的热情。通过“打比方”，学生深刻体会到对于固体、液体来说，构成它们的微粒间的距离非常小，它们的体积主要取决于微粒的大小；对于气体，分子间距离比分子的直径大得多，因此气体体积主要取决于气体分子间的平均距离。在相同状况下，由于1mol任何气体所含有的分子数目相同，分子之间平均距离相同，所以它们的体积基本相同。
（三）把握核心、对比分析，降低外在认知负荷
教师在进行“打比方”分析时一定要抓住核心点，即知识点与“打比方”素材间的对应关系。分析时语言要精练，避免因为描述的繁复或是重点缺失造成外在认知负荷增大，影响学习的有效性。
例如，在用“投篮”来“打比方”进行“碰撞理论”的教学中，我们要把握好以下几个核心点进行对比分析：篮球与原子、篮球的高度与原子所具有的能量、投篮的方向与碰撞的角度、投篮成功与原子间发生反应……学生在教师的对比分析中，回顾曾经的投篮经验，发现并不是每次的投篮都能成功，只有当篮球具有一定的高度、适当的角度才能进球，赢得喝彩。这时学生就能领会并不是每次碰撞都能成功，要想发生有效碰撞必须具备一定的条件。分析时教师不能为了渲染课堂气氛而侃侃而谈篮球的球技、篮球的魅力等而分散学生的注意力，造成认知负荷资源浪费，教学效率降低。
（四）拓展提升、形成图式，提高相关认知负荷
图式的建构与自动化可以增加相关认知负荷。通过“打比方”教学激发学生的学习兴趣，这些“打比方”的素材在新知识的学习中起到的支架作用，我们不能满足于此，应趁热打铁，对相关的知识进行拓展提升，归纳出本质特点，纳入已建构好的知识体系中形成图式。
例如，在案例1的分析之后，可以让学生讨论如下问题：
（1）等物质的量浓度（或等pH）等体积的氨水与氢氧化钠溶液分别与盐酸中和时，消耗盐酸的量。
（2）等物质的量浓度（或等pH）等体积的硫酸与醋酸溶液分别与足量的表面积相等的锌粒完全反应时，产生氢气的量与速率的关系。
这两个问题似曾相识，处于学生认识的最近发展区，这可以激发他们的思维，有助于增加相关认知负荷。两个问题讨论后，我们要引导学生归纳出这类问题的解题思路，并把它纳入“化学平衡”的知识体系中，形成“化学平衡”的概念群。
他山之石，可以攻玉。在化学学习中，有很多深奥的知识，可通过巧用生活常识“打比方”，从而化抽象为形象、变模糊为深刻、转沟堑为通途，减轻学生的外在认知负荷，提升教学质量，值得广大的一线化学教师不断地研究探索。
作者介绍：林秀銮（1975-），女，福建古田人，福建省永安市第一中学高级教师，研究方向：中学化学教育教学（福建 三明 366000）；张贤金（1985-），男，福建南安人，福建教育学院化学教育研究所讲师，硕士，研究方向：中学化学教育教学（福建 福州 350025）；吴新建（1966-），男，福建永定人，福建教育学院化学教育研究所所长，教授，硕士，研究方向：中学化学教育教学（福建 福州 350025）。
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