认知负荷视域下“分析化学”知识可视化的建构路径

刘丽

（江西中医药高等专科学校，江西 抚州）

随着科技的进步，互联网的普及，知识更新日新月异，对于认知个体来说“渔”比“鱼”显得更加重要，知识管理水平是个体获得知识的有效手段：可以组织和集中重要的信息并将信息碎片转化为系统性应用的知识，使其成为自己知识基础的一部分，扩展个体知识水平，建立个人知识库。是否能有效地筛选、组织、加工重要的信息主要取决于信息量、难易程度与个体认知水平的差异，差异越大，个体承受的认知负载就越大。知识的累积是记忆这种心理活动在时间上延续的结果，分为长时记忆和短时记忆。长时记忆信息储存的时间及容量都比短时记忆要大得多。对新知识产生认知：是使新知识变成被掌握的知识而实现长时记忆。认知的过程实际上是旧知识到新知识的迁移，根据梅多耶[1]的多媒体学习生成理论的模型[2]，其中已有知识的长时记忆和感觉记忆都作用于工作记忆，最终由工作记忆完成整合，实现旧到新知识的迁移。而工作记忆是短时记忆，1956 年美国心理学家G.米勒发表了一篇题为《神奇数7 加减2：我们加工信息的能力的某种限制》的论文，揭示了人的短时记忆的容量是有限的，当记忆系统要处理大量的信息时，就会产生认知负荷[3]。传统教学实践中存在着这样一种现象：要在有限的时间内尽可能提供多的信息，教学就成了灌输。因此，教学一定要调整个体在认知活动中的工作记忆负荷。

一 理论依据和研究背景

（一）认知负荷理论

澳大利亚认知心理学家John Sweller 于1988 年首先提出认知负荷理论(Cognitive Load Theory，CLT)[3]定义认知负荷：个体在认知活动中工作记忆的负荷，等于特定作业时间内施加于个体认知系统的心理活动总量。CLT 认为有三种的认知负荷[4]：内部认知负荷，外部认知负荷和相关认知负荷。

内部认知负荷是学生利用已有的知识、认知习惯学习教材所需的固有认知任务而产生的认知负荷，取决于知识的本质（难易程度）和学生已有知识水平，是教学过程中不可控的认知负荷，教学设计者不能对它产生直接的影响。

外部认知负荷是高于学生认知水平的额外认知任务产生的，它超越内部认知负荷，是由教学设计不当所引起的。比如：教学内容呈现太零散、知识的呈现形态繁杂、课件界面不简洁、课件里太多的与教学主题无关的内容修饰元等，信息冗余对学生造成干扰，增加认知负荷，妨碍学生对新知识的认知。

相关认知负荷是教学设计者为了使学生完成对新知识的认知而设计的额外认知任务而产生的认知负荷，它是可以组织不同类别的信息及其之间关系的思维模式，这种思维模式的水平越高，学生就越容易把现有知识映射到新的知识上，能大大降低认知负荷，有助于学生理解和掌握，促进新知识的生成。

由此可见，外部认知负荷和相关认知负荷都直接受控于教学设计者。而认知负荷其实是学生在应对知识迁移而呈现出的心智负荷与心理努力的负载状态，也可以看作是认知任务的难度在认知过程中对学生的映射。因此，为了促进有效学习的发生，教学设计者要尽可能地降低外部认知负荷，增加相关认知负荷，并使认知负荷总和不超出学生能承受的最大认知负荷，以促进知识的掌握和提高学生知识管理水平。

（二）知识可视化

1.知识可视化的定义

赵国庆[5]将知识可视化定义为：知识可视化是研究如何应用视觉表征改进两个或两个以上人之间复杂的知识创造与传递的学科。其本质正是：利用建构和图解的手段对知识进行视觉表征，使知识、概念或过程以视觉形式呈现，认知个体或群体基于图形的可视化，通过视觉体验和想象发生新的认知情感，以优化知识的管理、传播和创新。

2.知识可视化与认知负荷的关系

a“抽象知识、概念”就是指教材或信息等学习材料，是“内部认知负荷”。

b“视觉表征”，就是材料和内容的组织形式和呈现方式，是一种手段，目的是为了学材以低水平的“外部认知负荷”形态呈现。

c“视觉体验和想象”是与新知识相关的“相关认知负荷”，是为了使学生掌握新知识，而额外增加的知识任务，或记忆任务等。

d“新的认知情感”，是知识可视化使新知识的理解、记忆、掌握的难度降低，降低了学生的认知负荷，促进新知识的内化。

显然，知识可视化是基于人们对图形快速识别的能力，将知识图解为形象化的视觉形式，以便于解读，相对语言、文字等其他表征手段而言，这种形象化的视觉形式具有减轻认知负荷的作用[6]。

3.知识可视化在教学中用的作用

教学过程是教师将知识外化，经过传播，学生获得知识并将其内化的过程。在教学过程中，知识可视化丰富了知识的表达方式，知识可视化也可作为个人知识管理和群体间知识传播的手段[7]。第一，作为个人知识管理。知识可视化是教师将知识外显化、生动化、通俗化的有效手段。知识可视化也是学生知识管理、学习、辅助思维的工具，有助于个体知识的内化。第二，作为群体间的知识传播手段。知识可视化表征是知识外显化的过程，可使认知群体对新知识的认知负荷降低、同时增强了知识传播生动性，使得知识以视觉传达的方式在群体间传播和分享。

（三）研究背景和思路

课件作为教师一种常用的可视化教学手段，使用广泛，但存在很多问题，饱受诟病[8]。现有的多媒体教学，依然存在课堂惰性，课堂生态不平衡[9]。潘国石主编《分析化学》，是我校药学专业的一门专业基础课所用教材，内容多、知识点抽象、理论性很强，同时学生的化学基础比较薄弱。因此，教师应利用可视化表征手段对知识进行准确、有效地加工，将知识形象化，通俗化，使知识以低水平的“外部认知负荷”形态传播给学生，通过教学设计使用“相关认知负荷”使学生有效地利用现有知识完成到新的知识的迁移，使学生的认知行为得以锻炼和增强，完善和提高学生的知识管理水平。

二 知识可视化在“分析化学”教学中的应用

（一）降低外在认知负荷

1.教学内容的可视化呈现

认知负荷理论认为信息的表达方式对学习者接受信息有着积极的影响。课件内容设计时要依据内容自身的结构及分类等关系，利用可视化的手段对知识进行“图解”表征，同时避免课件界面的信息冗余，避免过多的静态文字组块在PPT 的界面中出现，形成系列化、整体化、简洁化的课件界面呈现给学生。要在教学过程中经常用到的可视化表征手段有：启发式草图、概念图表、思维导图、实验流程图等。

2.教学双通道的可视化表达

第一，增关减外双通道。即减少外在认知任务，增加相关认知任务（图1）。教学内容可视化后，以简洁的、清晰的、统一的界面呈现，降低了外在认知负荷，同时为了更好地理解掌握，增加额外的相关认知任务。

例如，在氧化还原反应的滴定突越范围的记忆中，利用可视化表征手段的同时，增加了相关的认知任务1和2，同时用过可视化的手段将内在认知任务和相关认知任务关联（图2），可视化呈现以后，再观察内在认知任务本身，不难发现：加减的分式的分式相同，只是分母为n，且下标与Ψ 的对应，所以可以总结为：大滴小，小数加，大数减，分子同，下标应。这样可以大大降低认负荷，更方便记忆。

第二，视听双通道。利用语言和视觉的双重刺激增加学生有效学习记忆，降低认知负荷。认知科学认为记忆至少需要两个信息处理器参与工作，分别是视觉处理和听觉处理。因此视听结合的教与学的形式，对认知有着积极的作用，所以利用视听双通道可以有效促进知识的加工和认知的完成。

（二）提高相关的认知负荷

1.建立可视化样例——迁移

认知负荷理论认为“样例效应”是重要的教学设计原则，样例教学可以增加学习者的相关认知资源，减少错误，促进知识迁移。斯威勒曾通过一系列实验证明了样例技术对促进以数学为基础内容的广泛领域内的学习非常有效。迁移产生的实质是个体对事物间关系的理解。习得的经验能否迁移，取决于能否理解各个要素之间形成的整体关系，教学中应利用可视化体现新旧情境中的交叉或重叠，相同与不同，使学生能具体地分析当前的学习情境，从中找出哪些是可以利用已有知识和策略学习和解决新的问题，实现知识的应用性。

例如：滴定计算教学中，通过思维草图、流程图等可视化方法对滴定过程解读，以找到滴定液和被测物质的直接或间接的关系，然后列式，代入数据，化单位，进行计算。通过样例的分析流程可视化，使学生建立基本的滴定计算的思维模式，并迁移到新的问题情境中。

2.增创理论—实验的迁移情境

将理论知识和实训内容整合为“理实一体”项目群，基于真实的任务，让学生在“学中做，做中学”，提高学生的主体地位，促进学生的理实融合。例如：酸碱滴定法的教学中引入“布洛芬含量的测定”，首先通过labview 软件模拟滴定曲线，通过设置不同的pKa 值,观察“滴定突越”大小的动态变化，教师引导学生得到一元酸准确滴定的条件，理解直接酸碱滴定法的原理，随后迁移情境到实验原理的教学中，通过知识可视化的手段，使学生从死背公式，到自己动手得到结论。

（三）培养可视化认知习惯

学习能力是认知个体在认知过程中最重要的能力，对新知识的解读能力越高，越容易对新知识产生认知。在教学过程中，帮助学生学会利用“可视化”知识管理手段，对教学也有着积极的作用。在整过的教学过程中从课件的可视化呈现，到双通道的应用，以及样例的教学过程中都是教师作为知识解读主体，因此从样例到新问题的迁移中，要求学生完成思维草图和流程图；在每节每章结束学生形成思维导图，教师并对其做出评价，促进知识解读、加工能力的培养。

三 结语

教学中要有效地使学生完成知识认知，一定要利用可视化的手段设计生动形象的知识呈现形态，设计关联度高的相关认知任务，使认知负荷降低，通过知识可视化，使学生变更浅层化的学习模式，促进自我效能感的提升，同时应该注意培养学生的知识加工能力，新旧知识的迁移能力，使学生可以效仿教师的知识解读行为，对新知识进行加工处理，正确归纳并补偿不足，促进“渔技”（知识管理水平）的提高，并形成独立的自学能力。