劉麗

（江西中醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校，江西 撫州）

隨著科技的進步，互聯(lián)網(wǎng)的普及，知識更新日新月異，對于認知個體來說“漁”比“魚”顯得更加重要，知識管理水平是個體獲得知識的有效手段：可以組織和集中重要的信息并將信息碎片轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)性應(yīng)用的知識，使其成為自己知識基礎(chǔ)的一部分，擴展個體知識水平，建立個人知識庫。是否能有效地篩選、組織、加工重要的信息主要取決于信息量、難易程度與個體認知水平的差異，差異越大，個體承受的認知負載就越大。知識的累積是記憶這種心理活動在時間上延續(xù)的結(jié)果，分為長時記憶和短時記憶。長時記憶信息儲存的時間及容量都比短時記憶要大得多。對新知識產(chǎn)生認知：是使新知識變成被掌握的知識而實現(xiàn)長時記憶。認知的過程實際上是舊知識到新知識的遷移，根據(jù)梅多耶[1]的多媒體學(xué)習(xí)生成理論的模型[2]，其中已有知識的長時記憶和感覺記憶都作用于工作記憶，最終由工作記憶完成整合，實現(xiàn)舊到新知識的遷移。而工作記憶是短時記憶，1956 年美國心理學(xué)家G.米勒發(fā)表了一篇題為《神奇數(shù)7 加減2：我們加工信息的能力的某種限制》的論文，揭示了人的短時記憶的容量是有限的，當(dāng)記憶系統(tǒng)要處理大量的信息時，就會產(chǎn)生認知負荷[3]。傳統(tǒng)教學(xué)實踐中存在著這樣一種現(xiàn)象：要在有限的時間內(nèi)盡可能提供多的信息，教學(xué)就成了灌輸。因此，教學(xué)一定要調(diào)整個體在認知活動中的工作記憶負荷。

一 理論依據(jù)和研究背景

（一）認知負荷理論

澳大利亞認知心理學(xué)家John Sweller 于1988 年首先提出認知負荷理論(Cognitive Load Theory，CLT)[3]定義認知負荷：個體在認知活動中工作記憶的負荷，等于特定作業(yè)時間內(nèi)施加于個體認知系統(tǒng)的心理活動總量。CLT 認為有三種的認知負荷[4]：內(nèi)部認知負荷，外部認知負荷和相關(guān)認知負荷。

內(nèi)部認知負荷是學(xué)生利用已有的知識、認知習(xí)慣學(xué)習(xí)教材所需的固有認知任務(wù)而產(chǎn)生的認知負荷，取決于知識的本質(zhì)（難易程度）和學(xué)生已有知識水平，是教學(xué)過程中不可控的認知負荷，教學(xué)設(shè)計者不能對它產(chǎn)生直接的影響。

外部認知負荷是高于學(xué)生認知水平的額外認知任務(wù)產(chǎn)生的，它超越內(nèi)部認知負荷，是由教學(xué)設(shè)計不當(dāng)所引起的。比如：教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)太零散、知識的呈現(xiàn)形態(tài)繁雜、課件界面不簡潔、課件里太多的與教學(xué)主題無關(guān)的內(nèi)容修飾元等，信息冗余對學(xué)生造成干擾，增加認知負荷，妨礙學(xué)生對新知識的認知。

相關(guān)認知負荷是教學(xué)設(shè)計者為了使學(xué)生完成對新知識的認知而設(shè)計的額外認知任務(wù)而產(chǎn)生的認知負荷，它是可以組織不同類別的信息及其之間關(guān)系的思維模式，這種思維模式的水平越高，學(xué)生就越容易把現(xiàn)有知識映射到新的知識上，能大大降低認知負荷，有助于學(xué)生理解和掌握，促進新知識的生成。

由此可見，外部認知負荷和相關(guān)認知負荷都直接受控于教學(xué)設(shè)計者。而認知負荷其實是學(xué)生在應(yīng)對知識遷移而呈現(xiàn)出的心智負荷與心理努力的負載狀態(tài)，也可以看作是認知任務(wù)的難度在認知過程中對學(xué)生的映射。因此，為了促進有效學(xué)習(xí)的發(fā)生，教學(xué)設(shè)計者要盡可能地降低外部認知負荷，增加相關(guān)認知負荷，并使認知負荷總和不超出學(xué)生能承受的最大認知負荷，以促進知識的掌握和提高學(xué)生知識管理水平。

（二）知識可視化

1.知識可視化的定義

趙國慶[5]將知識可視化定義為：知識可視化是研究如何應(yīng)用視覺表征改進兩個或兩個以上人之間復(fù)雜的知識創(chuàng)造與傳遞的學(xué)科。其本質(zhì)正是：利用建構(gòu)和圖解的手段對知識進行視覺表征，使知識、概念或過程以視覺形式呈現(xiàn)，認知個體或群體基于圖形的可視化，通過視覺體驗和想象發(fā)生新的認知情感，以優(yōu)化知識的管理、傳播和創(chuàng)新。

2.知識可視化與認知負荷的關(guān)系

a“抽象知識、概念”就是指教材或信息等學(xué)習(xí)材料，是“內(nèi)部認知負荷”。

b“視覺表征”，就是材料和內(nèi)容的組織形式和呈現(xiàn)方式，是一種手段，目的是為了學(xué)材以低水平的“外部認知負荷”形態(tài)呈現(xiàn)。

c“視覺體驗和想象”是與新知識相關(guān)的“相關(guān)認知負荷”，是為了使學(xué)生掌握新知識，而額外增加的知識任務(wù)，或記憶任務(wù)等。

d“新的認知情感”，是知識可視化使新知識的理解、記憶、掌握的難度降低，降低了學(xué)生的認知負荷，促進新知識的內(nèi)化。

顯然，知識可視化是基于人們對圖形快速識別的能力，將知識圖解為形象化的視覺形式，以便于解讀，相對語言、文字等其他表征手段而言，這種形象化的視覺形式具有減輕認知負荷的作用[6]。

3.知識可視化在教學(xué)中用的作用

教學(xué)過程是教師將知識外化，經(jīng)過傳播，學(xué)生獲得知識并將其內(nèi)化的過程。在教學(xué)過程中，知識可視化豐富了知識的表達方式，知識可視化也可作為個人知識管理和群體間知識傳播的手段[7]。第一，作為個人知識管理。知識可視化是教師將知識外顯化、生動化、通俗化的有效手段。知識可視化也是學(xué)生知識管理、學(xué)習(xí)、輔助思維的工具，有助于個體知識的內(nèi)化。第二，作為群體間的知識傳播手段。知識可視化表征是知識外顯化的過程，可使認知群體對新知識的認知負荷降低、同時增強了知識傳播生動性，使得知識以視覺傳達的方式在群體間傳播和分享。

（三）研究背景和思路

課件作為教師一種常用的可視化教學(xué)手段，使用廣泛，但存在很多問題，飽受詬病[8]?，F(xiàn)有的多媒體教學(xué)，依然存在課堂惰性，課堂生態(tài)不平衡[9]。潘國石主編《分析化學(xué)》，是我校藥學(xué)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課所用教材，內(nèi)容多、知識點抽象、理論性很強，同時學(xué)生的化學(xué)基礎(chǔ)比較薄弱。因此，教師應(yīng)利用可視化表征手段對知識進行準確、有效地加工，將知識形象化，通俗化，使知識以低水平的“外部認知負荷”形態(tài)傳播給學(xué)生，通過教學(xué)設(shè)計使用“相關(guān)認知負荷”使學(xué)生有效地利用現(xiàn)有知識完成到新的知識的遷移，使學(xué)生的認知行為得以鍛煉和增強，完善和提高學(xué)生的知識管理水平。

二 知識可視化在“分析化學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用

（一）降低外在認知負荷

1.教學(xué)內(nèi)容的可視化呈現(xiàn)

認知負荷理論認為信息的表達方式對學(xué)習(xí)者接受信息有著積極的影響。課件內(nèi)容設(shè)計時要依據(jù)內(nèi)容自身的結(jié)構(gòu)及分類等關(guān)系，利用可視化的手段對知識進行“圖解”表征，同時避免課件界面的信息冗余，避免過多的靜態(tài)文字組塊在PPT 的界面中出現(xiàn)，形成系列化、整體化、簡潔化的課件界面呈現(xiàn)給學(xué)生。要在教學(xué)過程中經(jīng)常用到的可視化表征手段有：啟發(fā)式草圖、概念圖表、思維導(dǎo)圖、實驗流程圖等。

2.教學(xué)雙通道的可視化表達

第一，增關(guān)減外雙通道。即減少外在認知任務(wù)，增加相關(guān)認知任務(wù)（圖1）。教學(xué)內(nèi)容可視化后，以簡潔的、清晰的、統(tǒng)一的界面呈現(xiàn)，降低了外在認知負荷，同時為了更好地理解掌握，增加額外的相關(guān)認知任務(wù)。

例如，在氧化還原反應(yīng)的滴定突越范圍的記憶中，利用可視化表征手段的同時，增加了相關(guān)的認知任務(wù)1和2，同時用過可視化的手段將內(nèi)在認知任務(wù)和相關(guān)認知任務(wù)關(guān)聯(lián)（圖2），可視化呈現(xiàn)以后，再觀察內(nèi)在認知任務(wù)本身，不難發(fā)現(xiàn)：加減的分式的分式相同，只是分母為n，且下標與Ψ 的對應(yīng)，所以可以總結(jié)為：大滴小，小數(shù)加，大數(shù)減，分子同，下標應(yīng)。這樣可以大大降低認負荷，更方便記憶。

第二，視聽雙通道。利用語言和視覺的雙重刺激增加學(xué)生有效學(xué)習(xí)記憶，降低認知負荷。認知科學(xué)認為記憶至少需要兩個信息處理器參與工作，分別是視覺處理和聽覺處理。因此視聽結(jié)合的教與學(xué)的形式，對認知有著積極的作用，所以利用視聽雙通道可以有效促進知識的加工和認知的完成。

（二）提高相關(guān)的認知負荷

1.建立可視化樣例——遷移

認知負荷理論認為“樣例效應(yīng)”是重要的教學(xué)設(shè)計原則，樣例教學(xué)可以增加學(xué)習(xí)者的相關(guān)認知資源，減少錯誤，促進知識遷移。斯威勒曾通過一系列實驗證明了樣例技術(shù)對促進以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)內(nèi)容的廣泛領(lǐng)域內(nèi)的學(xué)習(xí)非常有效。遷移產(chǎn)生的實質(zhì)是個體對事物間關(guān)系的理解。習(xí)得的經(jīng)驗?zāi)芊襁w移，取決于能否理解各個要素之間形成的整體關(guān)系，教學(xué)中應(yīng)利用可視化體現(xiàn)新舊情境中的交叉或重疊，相同與不同，使學(xué)生能具體地分析當(dāng)前的學(xué)習(xí)情境，從中找出哪些是可以利用已有知識和策略學(xué)習(xí)和解決新的問題，實現(xiàn)知識的應(yīng)用性。

例如：滴定計算教學(xué)中，通過思維草圖、流程圖等可視化方法對滴定過程解讀，以找到滴定液和被測物質(zhì)的直接或間接的關(guān)系，然后列式，代入數(shù)據(jù)，化單位，進行計算。通過樣例的分析流程可視化，使學(xué)生建立基本的滴定計算的思維模式，并遷移到新的問題情境中。

2.增創(chuàng)理論—實驗的遷移情境

將理論知識和實訓(xùn)內(nèi)容整合為“理實一體”項目群，基于真實的任務(wù)，讓學(xué)生在“學(xué)中做，做中學(xué)”，提高學(xué)生的主體地位，促進學(xué)生的理實融合。例如：酸堿滴定法的教學(xué)中引入“布洛芬含量的測定”，首先通過labview 軟件模擬滴定曲線，通過設(shè)置不同的pKa 值,觀察“滴定突越”大小的動態(tài)變化，教師引導(dǎo)學(xué)生得到一元酸準確滴定的條件，理解直接酸堿滴定法的原理，隨后遷移情境到實驗原理的教學(xué)中，通過知識可視化的手段，使學(xué)生從死背公式，到自己動手得到結(jié)論。

（三）培養(yǎng)可視化認知習(xí)慣

學(xué)習(xí)能力是認知個體在認知過程中最重要的能力，對新知識的解讀能力越高，越容易對新知識產(chǎn)生認知。在教學(xué)過程中，幫助學(xué)生學(xué)會利用“可視化”知識管理手段，對教學(xué)也有著積極的作用。在整過的教學(xué)過程中從課件的可視化呈現(xiàn)，到雙通道的應(yīng)用，以及樣例的教學(xué)過程中都是教師作為知識解讀主體，因此從樣例到新問題的遷移中，要求學(xué)生完成思維草圖和流程圖；在每節(jié)每章結(jié)束學(xué)生形成思維導(dǎo)圖，教師并對其做出評價，促進知識解讀、加工能力的培養(yǎng)。

三 結(jié)語

教學(xué)中要有效地使學(xué)生完成知識認知，一定要利用可視化的手段設(shè)計生動形象的知識呈現(xiàn)形態(tài)，設(shè)計關(guān)聯(lián)度高的相關(guān)認知任務(wù)，使認知負荷降低，通過知識可視化，使學(xué)生變更淺層化的學(xué)習(xí)模式，促進自我效能感的提升，同時應(yīng)該注意培養(yǎng)學(xué)生的知識加工能力，新舊知識的遷移能力，使學(xué)生可以效仿教師的知識解讀行為，對新知識進行加工處理，正確歸納并補償不足，促進“漁技”（知識管理水平）的提高，并形成獨立的自學(xué)能力。