翻转课堂在化学实验教学中对学生认知负荷影响的研究

娄珀瑜，吴雪梅，韩 权

(西安文理学院 化学工程学院，西安 710065)

化学实验室不但可以为学生提供将理论知识融入化学实验有意义的学习环境，还可以帮助他们学习科学方法论并培养实践技能。然而，很多研究表明，学生在实验过程中往往关注实验操作的细节，而没有将基础理论与实验内容联系起来。[1]学生在实验过程中的认知活动是非常关键的问题，因为他们需要从众多的实验信息中提炼辨别重要信息并能够以有意义的方式对其进行处理。这就使得化学实验给学生带来较高认知负担的可能性较大[2]，学生通常被期望在实验过程中进一步理解理论知识，同时提升实践技能，这两项任务被认为是认知负荷潜在的来源。

认知负荷是处理具体任务时加在学习者认知系统上的负荷的多维结构。Bannert认为认知负荷可以分为三种类型：内在认知负荷(ICL)、外来认知负荷(ECL)和关联认知负荷(GCL)。[3]内在认知负荷取决于所要学习材料的本质与学习者的专业知识之间的交互，教学设计者不能对它产生直接的影响；外来认知负荷是超越内部认知负荷的额外负荷；关联认知负荷是指与促进图式构建和图式自动化过程相关的负荷，因此被视为与学习直接相关的认知负荷。

在实验室环境中，实验计划和组织实施工作以及学生的实验操纵技能是实验高效完成的一个重要方面。此外，学生已经掌握的理论知识对实验前做出理论上的预测以及实验后分析同样十分重要。由诸如实验室设备损坏、残缺等因素引起外来认知负荷则是实验顺利完成的第三个重要方面。这些都使得实验过程中的总认知负荷非常高。因此，如何促进学生有效学习，降低实验期间的认知负荷，增加学生对知识的理解是十分必要的。

从认知负荷研究中，我们知道学生先验知识的数量和质量决定了他们对学到的化学知识进行概述、筛选和处理相关信息的能力。[4]在实验室环境中，外来认知负荷的降低是无法控制的，可以通过降低内在认知负荷来改善学习效果，实现实验过程中理论知识的进一步理解，增强学生对焦点的关注。

翻转课堂起源于美国，这种教学模式近年来在我国迅速普及并成为研究的热点之一。本研究以翻转课堂教学模式为切入点，选用实验视频作为干预手段，通过测量与访谈研究其对学生认知负荷的影响，并讨论实验的内容知识对学习效果的影响，分析实验过程中实验组和对照组认知负荷之间的差异。

一、研究设计

(一)研究对象

本研究选择陕西省某公立省级标准化高中高二年级学生为研究对象，在平行班中随机选择一个班作为实验组和另一个班作为对照组，共计75人。实验组采用实验前通过视频干预的预习方式，共计36人；对照组采用常规预习的方式，共计39人。

这两个班的化学教师为同一名教师，且实验课程同样由该老师进行讲授和辅导。平行分班中学生入校时的先前知识差异较小，且由准实验研究开始前最近一次学业成绩发现所选两个班化学成绩均值相差3.7分，说明被试具有较好的同质性。访谈时根据实验报告完成情况，在实验组和对照组中分别从A、B、C三档成绩中，每档随机抽选两位学生，共计12位学生进行访谈。

(二)研究过程

人教版高中化学选修4中学生实验实践活动共两个，分别是“中和反应反应热的测定”(以下记为“实验1”)和“实验测定酸碱滴定曲线”(以下记为“实验2”)[5]。实验组预习时要求学生通过教材和教师提供的实验视频，回答布置的思考题；对照组仅要求学生通过教材预习回答思考题。每次实验结束后均立即安排简短的访谈，以避免实验报告书写过程中对知识点巩固而对研究结论产生影响。

二、编码模型的构建

John stone提出的学生无意义问题的频率可以作为学生在实验过程中认知负荷的一个指标。[2]虽然这种方法可能提供“实验室工作是否会有成为学生认知负荷的可能”的调查结果，但它并没有透露哪些方面确实会成为他们的认知负荷。因此，Berg，Bergendahl，Lundberg 和Tibell等学者通过观察学生在实验过程中提出的问题主要集中在实验相关的理论或实践方面，以及他们的问题是否具有反思性或自发性等内容对John stone的观点进行扩展。Berg等学者认为学生提出问题的特征取决于他们是否在实验过程中得到了具有说明性的实验指导，这为该方法进行预测的有效性提供了初步证据[6]。后来，他们进一步研究表明，学生在实验期间向老师提出的问题确实反映了学生的认知负荷，他们需要老师的帮助去减轻负荷。[7]

在实验过程中，学生心理努力的重点和程度与教师对学生所在小组实验观察情况相关。根据这些研究结果和类似研究[8]，Berg认为学生实验中提出的问题具有评价性质，这些问题可以作为他们认知负荷的指标[7]。该方法完全适用于正常实验教学过程中，可以由教师在指导实验的过程中进行数据收集，从而实现其常态化。为了清楚起见，本研究对学生问题的特征仅用于评估学生在实际实验过程中所关注的内容，即学生认为自身无法解决的问题。根据认知负荷的分类，结合实验过程和访谈的文本实录的内容，将学生的认知负荷具体化为学生的问题，并将其分为实验中产生的问题、反思实验产生的问题、实验原理的问题和反思涉及其他理论的问题。

使用定性分析的方法对实验过程及访谈记录进行分析，确定被认为包含学生内容知识信息的段落。最初将学生实验过程文本实录及访谈内容中的内容分为21个指标，随着对其内容的分析及对编码内容的完善，指标总数最终确定为7个，分别是表达理解有误、描述实验步骤、陈述相关概念或想法、评论实验现象、运用单个概念、综合运用多个概念、利用课外知识理解概念。根据其所在类别的文本内容的条目数，进行赋值，每条文本内容赋值1分。下面以“实验测定酸碱滴定曲线”实验中对话的文本为例，对7个指标的编码进行说明。

(一)表达理解有误

对于实验中蕴含的化学的概念存在明显的混淆或存在表述上明显的错误。例如学生将“碳酸钠”表述为“碳酸氢钠”就是明显的错误。在访谈中有如下的表述：

Q1：如果你有另外的足够的时间可以自己完成这个主题的实验，你会做什么?

S1：……我想我会尝试找到更多的能够测量溶液pH值的解决方案，也就是说去了解一下不同溶液的pH值，我觉得那个很有趣。

显然，这位学生认为他想要完成的实验是测量pH值的不同方法。本实验中使用的是指示剂判定pH值的范围，而不是对准确的pH值进行测定，所以该文本应在表达理解有误的编码范畴。

(二)描述实验步骤

此编码类别在某种情况下会与其他编码类别相重叠，也就是说拟编码的文本包括了两种或者两种以上的编码内容。例如，学生在为同学或者教师描述实验过程中的情况时，会涉及诸如缓冲溶液等相关概念的表达，因此这种情况的编码在“描述实验步骤”和“运用单个概念”中均有得分。

(三)陈述相关概念或想法

该类别是对文本中涉及概念内容的陈述。例如在请完成实验的同学提出意见的访谈中，学生S6说：“由于指示剂变色范围的原因，我们不能称取一定量的碱然后用算跟它滴定反应看算消耗了多少酸，而应该先测酸再用碱滴定”。

(四)评论实验现象

这是指学生对得到的实验现象的评论，它里面包含部分对实验现象的解释。例如实验过程中一位学生注意到：“如果将酸加入溶液中，pH值会下降”，这是对实验现象的一个正确的描述，但它不是对实验现象的评论。

(五)运用单个概念

学生S4对缓冲溶液进行表述时，介绍了实验中添加酸或碱时表述为：“系统仅对pH的微小变化做出反应”，这就是对单个概念的运用。

(六)综合运用多个概念

诸如学生将溶液缓冲能力与弱酸及其相应碱的类型和浓度联系起来，就属于对多个概念的综合运用。

(七)利用课外知识理解概念

在学生S10对她滴定的样品反应的推理中，发现在滴定终点的时候溶液由无色变为粉色，她的口头推理中，提到了如果把这个指示剂改成甲基橙，那就可以看到从红色变成橙色了。

对于文本的编码主要是基于对学生陈述的有意义内容的定性判断，这通常需要考虑更为广泛的背景。例如，如果学生已经通过实验证明了的内容，虽然没有较多的证据表明学生理解所讨论的概念，但可以被归属于相对较高的类别。

三、数据分析

运用构建的编码规则对实验中实验组和对照组学生二次实验中对话及访谈内容进行文本分析，完成文本编码之后，对不同意见的编码进行讨论，直到确定共同的观点。大约20%～25%的文本需要通过讨论完成编码。

在7种类型的编码描述中可以看出，类别1和类别6是负相关的，呈现了编码系统的有效性，及其对定性数据分析的真实性。在考虑对访谈中各个类别进行编码统计时，会出现不同学生自身对内容知识使用的不同方式，其中最显著地反映在该知识的可用性程度上。

表1列出了访谈中各类别出现的总次数及访谈使用的时间。同时，使用卡方检验对不同学生组之间的模式进行统计学比较。

表1 编码基本情况统计表

(一)实验过程中的认知负荷

在实验1中，实验组提出的有关“反思涉及其他理论的问题”比例高于对照组，如图1所示(见60页)。卡方值为7.620，df=3，p=0.052，由此可以看出：学生实验中的问题在按照编码类型进行分类时，在5%的水平上差异分布不显著。实验组和对照组的学生实验过程相互讨论时提出问题总数分别为69和61，每名学生平均提出1.9和1.6个问题。

图1 实验1和实验2实验过程中问题类型的分布图

在实验2中，实验组和对照组在实验中的问题在按照编码类型进行分类时，在5%的水平上存在显著差异，卡方值为31.254，df=3，p=0.000，主要差异是由于实验组在“实验中产生的问题”数量较低而“实验原理的问题”和“反思涉及其他理论的问题”数量较高。与实验1相同，实验2中实验组的“反思涉及其他理论的问题”数量高于对照组，与此同时,“实验原理的问题”和“反思实验产生的问题”数量较高。实验组的问题总数为74，平均每名学生提出2.1个问题；对照组的问题总数111，平均每名学生提出2.8个问题。

(二)知识运用情况

实验1结束后共有12名学生接受了访谈，实验组和对照组各有6名学生。将学生按照由A-L的顺序依次编号，实验组每名学生的平均编码数为13.5，对照组每名学生的平均编码数为9.4。

由表2可以看出，实验组学生在类别6(综合运用多个概念)和类别7(利用课外知识理解概念)中表现出较低比例的编码数，而在类别3(陈述相关概念或想法)方面呈现较高比例的编码数；对照组学生在实验1中明显比实验2中类别1(表达理解有误)的编码数高得多，由此可以推断实验组在实验1中对类别1的内容缺乏是卡方结果不显著的原因。

表2 实验1及实验2中编码数统计情况

四、讨论

从以上数据中我们可以发现：

(一)实验组在化学理论方面表现出更高频率反思

实验组与对照组相比，在交流中能够较频繁地使用显性化学知识，并且能够通过各种方式，正确地与实验联系在一起。此外，实验组的学生在类别1(表达理解有误)中编码度较低，意味着有视频干预的学生在实验讨论时更多地使用正确化学概念进行表达，实验组的学生认知负荷更多地表现在学生对概念的反思上面。

(二)视频干预在促使学生在真实实验中引发更多的认知负荷

对照组和实验组学生认知负荷的不同主要是由于学生实验预习过程中的预习方式不同引起的。但是对于具有相似经历的学生，在化学理论的反思方面呈现持续性的情况表明，视频干预对学生实验过程中认知负荷是有较大影响的。学生在观看实验视频的过程中会将视频中明显的化学理论内容与随后的实验室实验进行联系，因此他们在理论上的认知负荷比在实验过程中引起的认知负荷要多。

(三)实验1和实验2的结论都表明学生在实验过程中更注重理论的现实呈现

无论是实验组还是对照组的学生，在实验1和实验2的实验过程中，都对化学原理解释实验现象的问题十分重视。由此可以说明，无论是否进行视频干预，在预习环节学生获得的先前知识对实验中认知负荷程度的影响较大。实验的预习环节是为了让学生利用现有知识来改进认知模式，而不是为了促使学生获得关于新的事实知识，因此学生对理论解释现实问题方面的认知负荷均较高，学生的先前知识则对认知负荷的高低起着重要的作用，先验知识会影响学生的认知负荷。

五、结论

化学实验中的复杂任务会在学生实验过程中产生潜在的高认知负荷，这在很大程度上会成为学生学习的阻碍。因此，在复杂化学实验过程中选择有效的策略开展认知负荷的管理是十分重要的。学生实验过程中的认知负荷可以看做是对实验涉及的化学原理问题的反思和实践应用而产生的，从某种程度上可以归因为他们的一些工作记忆的释放。因此在开展翻转课堂教学活动时，应对其干预方式进行关注，可以看作干预方式是学生引发更多认知负荷的途径，教师不仅需要考虑在实验室如何促进学生实验的顺利开展，还要考虑实验的预习过程对实验开展过程中学生感知目标的影响。