基于认知负荷理论的_质量守恒定律_微课教学设计_胡君.pdf

2014年第9期现象透视课 程 教 学 研 究 · Journal of Curriculum and Instrution“质量守恒定律 ” 知识在初中化学教材中起着承前启后的作用 ， 既是教学的重点 ， 也是教学的难点 很多教师从不同的角度尝试过突破它的方法 比如 ， 有的教师试图通过采用探究式教学来激发学生的兴趣 ， 有的教师试图通过改变实验方案来降低学习的难度 本文尝试从认知负荷理论的角度分析 “质量守恒定律 ” 的学习 ， 并利用“微课 ” 教学模式设计 “质量守恒定律 ” 的教学 ，从而达到突破这一难点的目的 一 、认知负荷理论概述认知负荷理论 （Cognitive Load Theory， 简称CLT） 最早由澳大利亚教育心理学家 J． Sweller 于20 世纪 80 年代提出 他认为 ， 认知负荷就是将特定工作加之于学习者认知系统时所产生的负荷 这一理论以认知信息加工理论为基础 ， 基本观点如下 ①工作记忆的容量是很有限的 ， 一次只能存储 5~9 条基本信息或信息块 ， 长时记忆的容量本质上是无限的 ， 其中存储的信息既可以是小的 、零碎的一些事实 ， 也可以是大的 、 复杂交互 、 序列化的信息 。

②所有的信息在进入长时记忆之前 ，必须在工作记忆中进行加工 ③学习过程要求将工作记忆积极地用于理解和处理所学材料 ， 并对即将习得的信息进行编码以图式的形式储存在长时记忆中 ， 图式根据信息元素的使用方式来组织信息 ， 提供知识组织和存储的机制 ， 可以减少工作记忆负荷 ④如果所要加工的信息容量超出了学习者工作记忆的容量 ， 那么学习将变得无效 CLT 认为 ， 认知负荷可以分为内在认知负荷 、外在认知负荷和相关认知负荷 ①内在认知负荷由材料本身的固有特性 （如难度和复杂度 ） 和学习者原有的知识水平以及这两者的交互作用决定 一般认为内在认知负荷是学习的主体与客体本身所具有的 ， 是相对固定的 ， 不能被教学干预所改变的 虽然由外部因素 （学习材料具有的元素数量 、 种类 、复杂性 ） 引起的内在认知负荷无法改变 ， 但由学习者内部因素引起的内在认知负荷是可以降低的 如果学习者头脑中具有与学习材料相关联的图式 ， 那么 ， 学习者就会产生相对较少的内在认知负荷 ②外在认知负荷主要来源于教学材料的呈现方式和教学过程的组织方式 ， 一般是由教学设计或教学活动的不当所造成的额外的认知加工引起的 。

外在认知负荷对学习起干扰作用 ， 通过合理的教学设计和教学活动 ， 可以减少或消除 ③相关认知负荷是由学习者主观领域的心理努力引发的 ， 是指学习者在图式 （Schema） 建构和自动化过程中意欲投入的认知资源的数量 相关认知负荷对学习起促进作用 ， 提高相关认知负荷 ， 可以引导学习者利用剩余认知资源进行深层次的图式建构和自动化 CLT 对教学的贡献 ， 在于它提出一系列可指导基于认知负荷理论的 “质量守恒定律 ”微课教学设计*胡 君□ 摘 要 从认知负荷理论角度分析质量守恒定律的教学过程中难点的形成原因，并根据微课视频制作 “短小精悍 ”的特点，通过三种不同的教学策略，尝试提出降低认知负荷的质量守恒定律微课教学设计 □ 关 键 词 微课；认知负荷理论；教学设计；质量守恒定律□ 作者简介 胡君，江苏省常州外国语学校中学高级教师，教育硕士472014年第9期现象透视Journal of Curriculum and Instrution · 课 程 教 学 研 究教学的教学效应 比如 ， 目标自由效应 、 样例效应 、 完成问题效应 、 分散注意力效应 、 形式效应 、想象效应 、 独立交互元素效应 、 元素交互效应 、 变式效应 、 专业知识反效应 、 指导隐退效应 、 冗余效应等 。

根据 CLT， 为了帮助学习者顺利 、 高效地开展学习活动 ， 并用最少的心理资源获取最多的知识 ，在教学过程中 ， 应尽可能减少外在认知负荷 ， 增加相关认知负荷 同时 ， 既要使内在认知负荷尽量大一些 ， 又要使总的认知负荷不超出学习者个体所能承受的范围 因此 ， 教学的理想模式是学习者可以不受干扰 、 尽心竭力地满负荷学习 二 、基于认知负荷理论的微课教学模式概述张一春教授认为 ， 微课是指为使学习者自主学习获得最佳效果 ， 经过精心的信息化教学设计 ， 以流媒体形式展示的围绕某个知识点或教学环节开展的简短 、 完整的教学活动 微课的核心组成内容是课堂教学视频 （课例片段 ）， 同时还包含与该教学主题相关的教学设计 、 素材课件 、 教学反思 、 练习测试及学生反馈 、 教师点评等辅助性教学资源 ， 它们以一定的组织关系和呈现方式共同 “营造 ” 了一个半结构化 、 主题式的资源单元应用 “小环境 ”微课的主要特点包括 ， ①教学时间较短 ②教学内容较少 ③主题突出 ， 内容具体 ④自由研究 ， 趣味创作 ⑤成果简化 ， 使用方便 ⑥反馈及时 ， 针对性强 张一春教授总结了微课的 “四微 ”。

① “位微不卑 ” 微课虽然短小 ， 比不上一般课程宏大丰富 ， 但是它意义非凡 ， 效果明显 ， 是一个非常重要的教学资源 ② “课微不小 ” 微课虽然短小 ， 但它的知识内涵和教学意义非常巨大 ， 有时一个短小微课比几十节课都有用 ③ “步微不慢 ”微课都是小步子原则 ， 一个微课讲解一两个知识点 ， 看似很慢 ， 但稳步推进 ， 实际效果并不慢 ④“效微不薄 ” 微课有积少成多 、 聚沙成塔的作用 ，通过不断的微知识 、 微学习 ， 从而达到大道理 、 大智慧 微课是一种较好地应用了认知负荷理论并体现了 “为学而教 ”、 “以生为本 ” 教学思想的教学模式 微课这种 “短小精悍 ” 的教学资源开发整合方式 ， 可以较好地解决认知负荷理论中学习者的问题 既可以消除因认知负荷过低而浪费时间的现象 ， 又能够降低因认知负荷过高而带来的信息加工难度 ， 同时 ， 去除了教学过程中一些不必要的无效知识 ， 减少了外在认知负荷 ， 激发学生的学习动机 ， 提高了相关认知负荷 因此 ， 微课的教学设计关键就是要从教学目标制定 、 学习心理分析 、 教学内容分析 、 教学媒体选择等方面入手 ， 按邻近和联系原则由简单到复杂 、分批分层 、 渐进地呈现教学材料 ， 并合理清除多余信息 ， 适当运用先行组织者 ， 以简洁清晰有序地呈现知识体系 ， 同时用真实的情境和具体的问题引导 、 激发学生 ， 从而帮助学生有效控制内在认知负荷 ， 降低外在认知负荷 ， 增加相关认知负荷 ， 更好地促进意义建构 ， 优化认知结构 。

这样才能符合“让教师在较短的时间内运用最恰当教学方法和策略讲清讲透一个知识点 ， 让学生在最短的时间内自己完全掌握和理解一个有价值的知识点 ” 的微课设计制作理念 ， 确保微课能够满足学习者的实用 、 易用和想用的直接需求 ， 使学习者达到比较理想的学习状态 三 、“质量守恒定律 ”微课设计现行的化学教材中都是先通过对具体化学反应中反应物及生成物质量的实验测定 ， 引导学生发现质量守衡定律 ， 再通过对化学反应实质的分析 ， 引导学生认识在化学反应中各反应物质量总和与各生成物质量总和相等的原因的 在学习这一内容之前 ， 学生对化学反应中物质发生了质的变化已经有了一定的认识 ， 但对化学反应中物质的质量及质量和是否改变还缺乏认识 ， 从量的角度认识化学反应的观念还有待建立 因此 ， 这一内容学习的难点是质量守恒定律的微观本质及含义的理解和应用 另外 ， 质量守恒定律的基本表述为在化学反应中 ， 参加反应的各物质的质量总和等于反应后生成的各物质的质量总和 其中 ， “在化学反应中 ”、 “参加 ”、 “质量总和 ” 等限制条件及它们之间的关系 ，也使学生难于深刻理解质量守恒定律的意义 。

这些学习元素都抬高了学生的内在认知负荷 ， 增加了学生学习的难度 1. 创设实验情境 ， 降低由学习者内部因素引起的内在认知负荷由于内在认知负荷是由元素之间复杂的交互活482014年第9期现象透视课 程 教 学 研 究 · Journal of Curriculum and Instrution动引起的 ， 因而减少因由学习者内部因素引起的内在认知负荷的主要方法就是减少元素间的交互活动 新的样例呈现方式降低了材料给学生带来的内在认知负荷 在微课视频中我们加入了两个实验视频 ， 一是白磷在空气中燃烧实验 ， 二是二氧化锰和过氧化氢溶液反应 这两个实验视频是本节课的核心 ，两者有着明显的共性 ， 内部元素的交互性水平较高 培养了学生的想象力 ， 提高了他们的创造性思维 2. 优化教学设计 ， 降低外在认知负荷由于外在认知负荷主要是由学习材料的组织和呈现方式引起的 ， 所以可以通过优化教学设计 ， 重新组织信息和材料来降低外在认知负荷 下列方法和原则都能从不同角度减轻学生的外在认知负荷 ，按邻近原则呈现材料 ， 避免注意力分散 ； 清除多余信息 ， 避免冗余效应发生 ； 通过双通道效应分离视听信息 ， 拓展工作记忆容量 ； 信息呈现条理化 ， 减少学生认知搜索 ； 抽象信息形象化 ， 降低学生认知难度 ； 复杂信息简单化 （如使用图表 ）， 简化学生认知加工 ； 分化复杂任务 ， 防止学生认知负荷超载 。

在呈现 “质量守恒定律 ” 的内容时 ， 可以将定律中三个关键元素提取出来 ， 对 “在化学反应中 ”、“参加 ”、 “质量总和 ” 加以分析 ， 并同时辅以相关样例来加以说明 在化学反应中 ”， 一切化学反应均遵循质量守恒定律 请解释镁条在空气中燃烧后 ， 生成的白色粉末的质量比原来镁条的质量大 参加 ”， 在化学反应中未参加反应的物质质量不算在内 已知 1gH2与 8gO2能恰好完全反应生成9g 水 则若将 2gH2与 8gO2混合点燃 ， 反应后生成多少克水 ？“质量总和 ” 有两层意思 ， 即 ① “总和 ” 意味着把各种状态的反应物和生成物都算在内 ， 如肉眼看不见的气体也应考虑 ②参加化学反应的各物质的质量总和并不是各物质的任意质量之和 ， 不参加反应的物质的质量不能计算在内 在讲授质量守恒定律的微观实质时 ， 应采用多媒体动画来辅助教学 通过将图形与相关文本描述整合在一起 ， 可以减少外在认知负荷 许多研究表明 ， 当信息以实际的物理整合方式呈现 ， 而不是靠心力去整合时 ， 可以去除注意力的分散 将教学内容用动画呈现再配上解说 ， 使教学更加直观明了（图 1）。

通过双重形式来呈现教学内容 ， 扩大工作记忆容量 ， 减少学习者总的认知负荷 （图 2）3. 创设由简单到复杂的情境和问题 ， 提高了相关认知负荷相关认知负荷是指学习者在图式建构和自动化过程中意欲投入的认知资源的数量 ， 它有利于学生把大量复杂无序的信息组合成简单有序的知识体系 ， 实现学生认知结构的优化 ， 有效降低工作记忆的认知负荷 相关认知负荷的增加还有利于意义的建构 帮助学生更好地理解和掌握所学知识 提高学生的相关认知负荷 ， 关键是要激发学生的学习动机 （尤其是内部动机 ）， 使学生加大自身的认知努力 在课堂教学中 ， 可以通过创设生动活泼的学习情境来激发学生的学习动机 ， 提高学生的相关认知负荷 生动活泼的学习情境能够帮助学习者在较为真实的情境中解决问题 ， 引起学生持续探索的兴趣 ， 既能降低外在认知负荷 ， 又能提高相关认知负荷 ， 唤醒学生长时记忆中的有关图式或知识 ， 多角度 、 多侧面地认识和解释问题 ， 完成对知识的意义建构 在本节课中 ， 我们创设了四个教学情境来激发学生强烈的探究兴趣和学习注意力 情境 1 （PPT 投影 ）：图 1 电解水的过程动画图 2 质量守恒定律中的 “变 ”。