馮文俊　柯志超

摘要：在尋求概念本質(zhì)的教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)用認(rèn)知負(fù)荷理論分析教學(xué)模型，探尋以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的思維臺(tái)階搭建，達(dá)成教學(xué)的認(rèn)知目標(biāo)。并通過(guò)對(duì) “離子反應(yīng)”概念教學(xué)中探究實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，提出一種具有普遍意義的概念教學(xué)設(shè)計(jì)思路與結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知負(fù)荷；概念教學(xué)；思維臺(tái)階

文章編號(hào)：1008-0546（2017）06-0013-03 中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.06.003

化學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，課堂上教師在展示化學(xué)教學(xué)魅力的時(shí)候，常常以實(shí)驗(yàn)為背景進(jìn)行學(xué)科思維的構(gòu)建，充分體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的特點(diǎn)。在概念教學(xué)中通過(guò)化學(xué)實(shí)驗(yàn)探索概念的形成，更能提升學(xué)生對(duì)化學(xué)概念本質(zhì)的理解。但并不是所有的課堂實(shí)驗(yàn)都能順利地引導(dǎo)學(xué)生思維，有的實(shí)驗(yàn)思維臺(tái)階過(guò)高，超過(guò)聽(tīng)課學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，使學(xué)生的思維能力不能跨上教師設(shè)置的臺(tái)階，就會(huì)讓本應(yīng)是學(xué)生發(fā)揮的課堂尷尬地成為教師個(gè)人的演講臺(tái)，本應(yīng)是概念探索的過(guò)程生硬地成為記憶的流程。為了更好地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)在概念學(xué)習(xí)過(guò)程中的作用，應(yīng)用認(rèn)知負(fù)荷理論，通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)思維臺(tái)階，減低課堂無(wú)效認(rèn)知負(fù)荷，提升有效認(rèn)知負(fù)荷，達(dá)成思維能力目標(biāo)，無(wú)疑是一種很好的嘗試。

一、認(rèn)知負(fù)荷理論與教學(xué)的相關(guān)性

認(rèn)知負(fù)荷理論（Cognitiive Load Theory）是由澳大利亞新南威爾士大學(xué)的認(rèn)知心理學(xué)家John Sweller于1988年首先提出來(lái)的。所謂的認(rèn)知負(fù)荷是指學(xué)習(xí)過(guò)程中學(xué)生完成所給認(rèn)知任務(wù)而需要的心理資源的數(shù)量，即工作記憶必須注意和處理的信息總和[1]。認(rèn)知負(fù)荷在教學(xué)中的指向關(guān)系如表1所示。

三種類(lèi)型的認(rèn)知負(fù)荷是相互疊加的，使總的認(rèn)知負(fù)荷不超出學(xué)習(xí)者個(gè)體能承受的認(rèn)知負(fù)荷，在準(zhǔn)確分析內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷的基礎(chǔ)上，實(shí)施教學(xué)的過(guò)程中增加合理的教學(xué)設(shè)計(jì)，可以盡可能減少外在認(rèn)知負(fù)荷，增加相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功效。上述過(guò)程如圖1所示。

二、概念教學(xué)中實(shí)驗(yàn)思維臺(tái)階策略分析

從認(rèn)知負(fù)荷理論的有效負(fù)荷來(lái)看，教學(xué)過(guò)程中需要提升相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，因此，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程能夠運(yùn)用合理的化學(xué)符號(hào)進(jìn)行連續(xù)完整地描述，是實(shí)驗(yàn)思維訓(xùn)練的重要目標(biāo)之一。當(dāng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與學(xué)生的已有認(rèn)知差距較大時(shí)，作為教學(xué)的設(shè)計(jì)者，就應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)搭建思維的臺(tái)階，讓學(xué)生能夠順利完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程的連續(xù)性思維。

在概念教學(xué)中通過(guò)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行解析，是探索概念本質(zhì)的重要方式?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中是與其他教學(xué)目標(biāo)共存的，實(shí)驗(yàn)教學(xué)除了支持物質(zhì)性質(zhì)的學(xué)習(xí)，以及達(dá)成某一實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)進(jìn)行的技能訓(xùn)練，還需要承載著學(xué)科思維品質(zhì)的訓(xùn)練功能。實(shí)驗(yàn)思維不單是對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察、對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的模仿式操作、對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的記憶，更應(yīng)該包括對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的設(shè)計(jì)和推演，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的合理預(yù)測(cè)和驗(yàn)證，其完整性、科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性能夠反映出學(xué)生實(shí)驗(yàn)思維能力的真實(shí)水平。概念的本質(zhì)在實(shí)驗(yàn)思維的訓(xùn)練中自然建構(gòu)形成，而能否在新的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中應(yīng)用學(xué)到的知識(shí)是檢驗(yàn)概念的內(nèi)化效果，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)取決于相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷的形成。如果前一環(huán)節(jié)未達(dá)成相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷的思維終點(diǎn)，就會(huì)對(duì)下 一環(huán)節(jié)的知識(shí)提取造成影響。因此，以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的概念教學(xué)應(yīng)經(jīng)過(guò)創(chuàng)設(shè)環(huán)境、探尋本質(zhì)、內(nèi)化提升三個(gè)環(huán)節(jié)，并且反復(fù)提升，如圖2所示。

三、教學(xué)案例分析

離子反應(yīng)是蘇教版“從海水中獲得的化學(xué)物質(zhì)”中的內(nèi)容，海水是一種水溶液環(huán)境，水溶液環(huán)境是中學(xué)實(shí)驗(yàn)最重要的反應(yīng)環(huán)境，在水溶液中，離子是微粒的主要存在形式，因此，掌握好離子反應(yīng)的概念，是學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)實(shí)質(zhì)的完善和鞏固，也對(duì)學(xué)生后續(xù)的學(xué)習(xí)（特別是水溶液中的化學(xué)反應(yīng)）打下了重要的理論基礎(chǔ)。更重要的，本節(jié)課是學(xué)生構(gòu)建微粒觀的重要契機(jī)。同時(shí)離子反應(yīng)及其方程式的書(shū)寫(xiě)是重要的化學(xué)用語(yǔ)，貫穿于中學(xué)化學(xué)教材的始終。因此，在高中化學(xué)的核心概念中，離子反應(yīng)占有非常重要的地位。

1. 教學(xué)目標(biāo)分層——明晰內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷

內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷是指工作記憶對(duì)認(rèn)知任務(wù)本身所包含的信息元素（如概念、 規(guī)則的基本成分的數(shù)量）及其交互性進(jìn)行認(rèn)知加工活動(dòng)所產(chǎn)生的負(fù)荷。內(nèi)在負(fù)荷源于認(rèn)知任務(wù)本身[2]。

本節(jié)課的認(rèn)知任務(wù)有三個(gè)層面：

（1）基礎(chǔ)知識(shí)層：能區(qū)分強(qiáng)弱電解質(zhì)，并能書(shū)寫(xiě)電離方程式；知道離子反應(yīng)的本質(zhì)，學(xué)會(huì)用離子方程式表示溶液中的離子反應(yīng)。

（2）問(wèn)題解決層：通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，對(duì)物質(zhì)的變化進(jìn)行預(yù)測(cè)、分析、解釋。用語(yǔ)言、圖式、符號(hào)表達(dá)自己的觀點(diǎn)。

（3）學(xué)科思維層：建立宏觀——微觀——符號(hào)的思維模型。

在認(rèn)知難點(diǎn)上除了弱電解質(zhì)和離子反應(yīng)這兩大概念外，宏觀——微觀——符號(hào)之間的聯(lián)系也是貫穿整節(jié)課的思維主線。即使高一的學(xué)生已經(jīng)具備一定的分析問(wèn)題能力和一定的實(shí)驗(yàn)探究能力，但抽象思維能力仍較薄弱，同時(shí)這些知識(shí)元素交互性很強(qiáng)，因而在教學(xué)初期需要減少這些元素的交互活動(dòng)。

2. 多臺(tái)階思維鏈——降低外部認(rèn)知負(fù)荷

外部認(rèn)知負(fù)荷是屬于無(wú)效負(fù)荷，在實(shí)際教學(xué)中過(guò)高的外部認(rèn)知負(fù)荷會(huì)嚴(yán)重降低學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，依據(jù)Sweller 等人研究總結(jié)的6 個(gè)效應(yīng)以及本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容，為有效降低外在負(fù)荷的教學(xué)設(shè)計(jì)，綜合考慮其中的自由目標(biāo)效應(yīng)、樣例效應(yīng)、注意分散效應(yīng)，通過(guò)教學(xué)設(shè)計(jì)的優(yōu)化、知識(shí)信息的重組，搭建多思維臺(tái)階鏈，分解復(fù)雜認(rèn)知任務(wù)，簡(jiǎn)化學(xué)生認(rèn)知加工，降低外部認(rèn)知負(fù)荷。

本節(jié)課需要在學(xué)生比較困難的宏觀與微觀之間的思維轉(zhuǎn)換上，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，促進(jìn)學(xué)生關(guān)注實(shí)驗(yàn)過(guò)程的狀態(tài)和思維角度的選擇，在實(shí)驗(yàn)結(jié)論交流中歸納出思維模型，作為學(xué)生思考的樣例，以形成宏觀——微觀——符號(hào)的三重表征主線。

例如，在溶液導(dǎo)電能力與離子濃度大小的關(guān)系上，由教材的一個(gè)實(shí)驗(yàn)拆為3個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別將溶液中的離子是溶液導(dǎo)電的原因、燈泡亮度反應(yīng)出溶液的導(dǎo)電能力、溶液的離子濃度大小影響著溶液導(dǎo)電能力這三個(gè)問(wèn)題用實(shí)驗(yàn)的方式呈現(xiàn)出來(lái)；在溶液中離子的反應(yīng)關(guān)系上，設(shè)計(jì)pH和電導(dǎo)率的手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)離子變化可見(jiàn)，讓學(xué)生從實(shí)驗(yàn)過(guò)程性數(shù)據(jù)曲線分析離子的變化。

3. 強(qiáng)化連續(xù)思維——提升相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷

相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷有利于學(xué)生把大量復(fù)雜無(wú)序的信息組合成簡(jiǎn)單有序的知識(shí)體系， 實(shí)現(xiàn)學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的優(yōu)化， 有效降低工作記憶的認(rèn)知負(fù)荷。 相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷的增加還有利于意義的建構(gòu)[3]。在高中，多數(shù)學(xué)生能夠很快地接受物質(zhì)、方程式等簡(jiǎn)單的化學(xué)符號(hào)，但是連續(xù)性描述過(guò)程還是顯得困難。在過(guò)程的應(yīng)用中，各種成分間的交互關(guān)系增強(qiáng)，對(duì)知識(shí)意義的認(rèn)知超過(guò)對(duì)知識(shí)內(nèi)容的記憶。對(duì)知識(shí)意義的加工是一種能力，需要學(xué)生自身的悟性，也需要學(xué)習(xí)過(guò)程的訓(xùn)練。

形成相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷是思維臺(tái)階的目標(biāo)，每一個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)在經(jīng)過(guò)多個(gè)思維臺(tái)階，形成多個(gè)已有知識(shí)和現(xiàn)有現(xiàn)象之間的聯(lián)系之后，需要整理無(wú)序的知識(shí)碎片，借助樣例效應(yīng)，建立有序的連貫性思維。本節(jié)課有“兩概念一思路”需要通過(guò)相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷的建立進(jìn)行建構(gòu)和鞏固，兩概念指強(qiáng)弱電解質(zhì)的概念和離子反應(yīng)概念，一思路指宏觀——微觀——符號(hào)思維主線。

例如關(guān)于強(qiáng)弱電解質(zhì)的概念有三個(gè)相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷提升點(diǎn)，一是借助等濃度的氨水和NaOH溶液導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)對(duì)比，從宏觀——微觀——符號(hào)說(shuō)明強(qiáng)弱電解質(zhì)的概念；二是借助等濃度的醋酸溶液和鹽酸導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)對(duì)比，再次從宏觀——微觀——符號(hào)鞏固強(qiáng)弱電解質(zhì)的概念；三是在氨水與鹽酸反應(yīng)的pH和電導(dǎo)率變化圖像的預(yù)測(cè)、分析、推演中，應(yīng)用強(qiáng)弱電解質(zhì)的概念。

四、搭建思維臺(tái)階的教學(xué)設(shè)計(jì)

基于以上分析，在本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)優(yōu)化之后，創(chuàng)設(shè)“三環(huán)節(jié)六實(shí)驗(yàn)一討論”的思維臺(tái)階，逐級(jí)增加材料元素的交互性，降低學(xué)生對(duì)認(rèn)知加工的壓力，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)微粒觀的認(rèn)識(shí)，從本質(zhì)上理解離子反應(yīng)的概念，提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)思維品質(zhì)。

五、案例反思

1. 認(rèn)知負(fù)荷理論與思維臺(tái)階整合教學(xué)效率

實(shí)驗(yàn)是直觀的，但是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的思考才是課堂交流的重點(diǎn)，課堂的交流就是教師與學(xué)生思維的對(duì)接，思維跨度就是學(xué)生外在認(rèn)知負(fù)荷主要體現(xiàn)，合理的課堂交流能夠引導(dǎo)學(xué)生的思維一步步地達(dá)到能力目標(biāo)。當(dāng)前課堂上學(xué)生注意力的重心是在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和實(shí)驗(yàn)操作細(xì)節(jié)的掌握，而忽視實(shí)驗(yàn)整體思維能力的塑造，我們應(yīng)該反思如何有效培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的思維能力。因此，必要的思維臺(tái)階能夠幫助學(xué)生形成正確的實(shí)驗(yàn)探究觀念。搭建思維臺(tái)階的方式有多種，閱讀、語(yǔ)言、文字、視頻、動(dòng)畫(huà)、實(shí)驗(yàn)都能成為思維的臺(tái)階，它們都能發(fā)揮各自不同的教學(xué)功能，達(dá)成學(xué)習(xí)的知識(shí)目標(biāo)，但是從整體實(shí)驗(yàn)思維能力的培養(yǎng)角度來(lái)看，動(dòng)手實(shí)驗(yàn)有其檢驗(yàn)的真實(shí)性，無(wú)疑是解決實(shí)驗(yàn)思維的最好辦法。

2. 重視概念的建構(gòu)與應(yīng)用過(guò)程

概念不是簡(jiǎn)單的記憶，應(yīng)該是一個(gè)思維探索的過(guò)程。北京師范大學(xué)的姜忠提出利用探究實(shí)驗(yàn)建構(gòu)概念的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)應(yīng)包括4個(gè)部分：以新概念為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、學(xué)生以原有概念去解釋實(shí)驗(yàn)、利用認(rèn)知沖突探究實(shí)驗(yàn)、利用探究結(jié)果形成新概念。這一結(jié)構(gòu)能夠加深學(xué)生對(duì)概念形成過(guò)程的體驗(yàn)，能夠使學(xué)生更加深刻地體會(huì)概念的含義[4]。

3. 重視相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷的形成

教學(xué)的過(guò)程中往往產(chǎn)生很多的知識(shí)碎片，學(xué)生需要從中獲取有助于形成實(shí)驗(yàn)探究整體思維的部分，教師應(yīng)當(dāng)增加學(xué)生在這一過(guò)程的認(rèn)知負(fù)荷，在課內(nèi)或者課外，培養(yǎng)學(xué)生形成連續(xù)性思維的能力，這是實(shí)驗(yàn)思維臺(tái)階搭建的最終目標(biāo)。提升相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷可以在階段知識(shí)的小結(jié)或者是概念建構(gòu)的小結(jié)中，還可以在知識(shí)或思維模型的應(yīng)用中，以檢驗(yàn)學(xué)生的認(rèn)知目標(biāo)是否達(dá)成。

實(shí)驗(yàn)既是引發(fā)學(xué)科興趣的基礎(chǔ)，也是引發(fā)學(xué)生思維的起點(diǎn)，概念是思維達(dá)到一定階段的精華概括，教師需要引導(dǎo)學(xué)生從知識(shí)表面的認(rèn)識(shí)到知識(shí)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。充分利用認(rèn)知負(fù)荷理論將實(shí)驗(yàn)作為概念教學(xué)的思維情景，設(shè)計(jì)合理的思維臺(tái)階，是能夠符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，順利達(dá)成概念的建構(gòu)和思維能力培養(yǎng)的目標(biāo)的。

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