教学设计中认知负荷的控制——以“减数分裂”教学为例

林修愚

（福州市教育研究院，福建 福州 350001）

教学设计中认知负荷的控制
——以“减数分裂”教学为例

林修愚

（福州市教育研究院，福建 福州 350001）

根据认知负荷理论有关“认知内在负荷源决定于学习内容的性质，外在负荷与知识呈现方式等因素有关，不当的教学设计会增加外在负荷”的观点，以“减数分裂”教学为例，通过对内在认知负荷的处理、关注教学方法与教学内容的适切性、以恰当的方式呈现知识内容等，控制学习过程总负荷，以提升教学效益。

工作记忆；长时记忆；内在负荷；外在负荷

依据认知负荷理论，课堂活动方式或教学方法过多，可能导致“注意分散效应”的产生，课件视频情境过“炫”、或文字与音频、视频不能有机融合，可能产生“冗余效应”，导致外在认知负荷增加，因此认知负荷理论对教学设计有现实的指导意义。

一、认知负荷理论概述

信息加工理论认为人类的认知结构包含工作记忆和长时记忆，知识以图式的形式存储于长时记忆中，图式是知识的组织和存储机制。［1］在该理论基础上，澳大利亚认知心理学家斯威勒（Sweller）于20世纪80年代提出认知负荷理论（cognitive load theory），认知负荷理论有两个基本假设：（1）工作记忆的容量有限，长时记忆具有无限的贮存容量；（2）根据来源认知负荷分为两类，即内在认知负荷和外在认知负荷。内在认知负荷来源于材料本身的特性如复杂程度等，外在认知负荷来源于教学内容的设计与呈现方式或教学活动本身。［2］由于学生的学习效率主要受限于“工作记忆”的容量和“注意”的选择性，因此有效教学基本原则是学习者的负担不能超过其认知负荷。

二、“减数分裂”教学设计示例

1.“减数分裂”教学存在的问题

“减数分裂”是遗传学的重要概念和主干内容，教学中师生都投入了较多的时间和精力，但往往未能达到预期的教学效果。依据认知负荷理论分析，原因主要有以下两个方面：一是内在负荷较大，该内容涉及的认知元素多，仅专业术语方面，就涉及原始生殖细胞、初级精（卵）母细胞、次级精（卵）母细胞、精（卵）细胞等重要术语或名词，同时该知识所包含的元素间存在复杂的交互关系，如同源染色体、染色体、染色单体、DNA分子间的关系，分裂过程中染色体行为与遗传定律的关系等。二是一些不当教学设计产生较大的外在负荷，削弱了教学效果，常见的问题有：①导入过程引入许多复杂的问题或信息量极大的视频，分散了对核心问题的关注。②每一教学环节中同时呈现过多的元素，如关于减数分裂过程的教学，本应重点突出染色体行为变化，但部分教师讲解过程中过早要求学生区分各时期细胞的名称、区分染色体、染色单体、DNA分子含义及各期相应的数目变化等，过早地进行减数分裂与有丝分裂、精卵形成过程的异同比较，造成工作记忆负荷过大。③教学方法运用庞杂，未能根据教学目标，突出思维引导，未能有选择地使用多媒体课件、模型制作等方法，多种方法互相干扰，产生“注意力分散效应”。④未能合理分配第1、2课时教学内容和目标，或过早进行习题训练等等。

针对上述问题，下文呈现减数分裂第1课时教学过程设计，旨在运用认知负荷理论，合理分配各教学环节认知负荷，以适当方式呈现教学内容，促进学生知识的内化。

2.“减数分裂”教学过程设计

（1）讨论生殖细胞内染色体数目为何必须减半

教师以黑板画方式，逐步呈现图1，提出问题：①人体细胞有46条染色体，人类精、卵细胞染色体数目应该是多少？②精、卵细胞的染色体在形态、大小、遗传信息上是否相同或相近？学生运用已学的知识，进行推理、论证精、卵产生过程染色体数目必须减半，否则不能保证生物遗传的稳定，同时初步了解同源染色概念。

图1 体细胞与精子

（2）推测减数分裂染色体数目减半的的机制，教师结合图1，讲解“不复制，分裂产生”或“复制一次连续分裂两次”两种可能性，并指出萨顿等科学家通过实验观察确定生物采用后者方式进行减数分裂。

（3）减数分裂基本过程

利用黑板画或课件，讲解一对同源染色体的减数分裂过程（如图2），引导学生建立最简约的减数分裂概念模型；然后结合黑板画或课件，引导学生推测两对同源染色体的减数分裂过程，完成概念模型（如图3）的学习。这部分的教学先不涉及细胞名称，不强调染色体、单体、DNA分子数目区别及数目变化，重点关注同源染色体行为。在此基础上要求学生完成图4内容的学习，确立“减数分裂过程中同源染色体分离，非同源染色体自由组合”的概念，构建较完整的概念模型。

图2 减数分裂图（一对同源染色体）

图3 减数分裂（两对同源染色体）

（4）概念提升

展示多媒体课件，课件的图示中减数分裂各时期的顺序打乱，要求学生正确排出分裂进程，并用标注细胞名称，描述各时期染色体行为及其相关变化，归纳减数分裂过程染色体行为变化要点，理解“精子（卵细胞）染色体数目减半，但包含每对同源染色体中的一条”的遗传意义。

三、“减数分裂”教学设计说明

1.对内在认知负荷的处理

当教学内容的内在认知负荷太大时，教师应将复杂的教学任务分解为若干部分，依逻辑关系逐步展开，使各环节的内在负荷合理分布。先以一对同源染色体为例，学习减数分裂过程，建立概念模型，进而学习涉及两对、多对同源染色体的减数分裂过程，使概念模型依次发展，逐步完善。其次每一教学环节要突出重点，如学习过程中要求学生重点关注染色体行为变化，先不涉及相关细胞名称、染色体和DNA数目变化等内容的讲解，学生对减数分裂过程中染色体的变化有一定认识后，再学习相关细胞名称、染色体和DNA数目变化等内容，目的在于避免学习过程中同时呈现过多的元素，影响工作记忆的操作。

2.关注教学方法与教学内容的适切性

教学实践中，某些章节内容若以“自主学习”“探究性学习”形式呈现，课堂看似热闹，但实际效果不佳。相关研究结果表明，对内在负荷较大的学习内容，自主学习或探究性学习会形成了过高的认知负荷［3］，如果缺乏必要基础进行自主学习或探究性学习，学生可能找不到清晰的学习目标和手段，影响教学效果。因此上述教学设计中，“同源染色体”“减数分裂中染色体的行为”等关键问题的学习，主要以教师提出问题引导学生思考，在学生回答的基础上深入讲解的方式进行，以减少外在认知负荷。教学中通过设置“同源染色体在外观上的相同或相似，它们所包含的遗传因子是否相同或相似？”“精细胞的染色体数目减半，其染色体种类有什么变化？”等问题，引导学生有深入思考。

3.以恰当的方式呈现知识内容

认知负荷理论认为，知识的基本表征形式是图式，长时记忆中的图式是一种知识框架，在学习新材料时，如果能从长时记忆中提取图式，材料就可以从图式所提供的方法进行学习。相关研究表明，难度较大的教学内容，运用图表能有效降低认知负荷。［4］上述“减数分裂”教学特别重视运用模式图的形式表示分裂过程中染色体的行为变化，以黑板画或多媒体课件方式呈现，有机结合文字和图像信息，能降低无关信息干扰，有利于概念模型的逐步完善，帮助学生形成良好的认知体系。

综上所述，认知负荷理论对教学方法的选择、教学内容和学习材料的设计，都有较好的指导意义。减数分裂第2课时教学可进行模型构建，强调概念对构建实物模型的指导作用，同时通过实物模型巩固、提升学生对减数分裂染色体行为变化的认识，选择典型例题进行“样例学习”，进行能力训练与巩固，避免过早过多的习题训练。

［1］陈巧芬.认知负荷理论及其发展［J］.现代教育技术，2009（9）.

［2］张同柏.认知负荷理论的问题挑战与融合超越［J］.外国教育研究，2012（11）.

［3］辛自强，林崇德.认知负荷理论与认知技能和图式获得的关系及其教学意义［J］.外国教育研究，2002（4）.

［4］吴先强，韦斯林.国外认知理论与有关效教学的研究进展及启示［J］.全球教育展望，2009（2）.

2016年福建省基础教育课程教学研究课题“科学课程教学‘习题化’的成因及纠正策略——基于高中生物教学实证研究”（项目编号：MJYKT2016-180）。

（责任编辑：陈欣）