降低认知负荷的结构化情境创设

张仁波 黄丹青

摘要：从认知负荷与学习效率的关系提出降低认知负荷需要科学处理好学习材料的组织、学习任务的呈现和已有知识经验三者间的关系;从认知负荷与学习情境的关系提出从结构化视角创设基于情境的学习活动，有利于增进学科理解;通过对结构化和情境的分析，提出使学习情境结构化并应用于教学实践中，以实现学科价值

关键词：认知负荷;学习效率;结构化情境创设;教学实践

文章编号：1008-0546（2021）08-0002-04

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2021.08.001

一、厘清认知负荷、学习效率和学习情境的关系

1.认知负荷与学习效率

学习活动是学生对学习材料加工理解的认知过程，如果把学生学习活动中克服认知障碍的心理需要、心理资源或心理能量理解为认知负荷，提高学习效率就应该降低因各种认知障碍带来的认知负荷。根据心理学家约翰·斯威勒（John Sweller）的认知负荷理论，对具体的学习活动而言，学习材料的复杂性、学习材料的组织和呈现方式、学生的知识经验是决定认知负荷高低的主要因素，降低认知负荷需要学生科学处理好这三者的关系，以提高学习效率。

2.认知负荷与学习情境

中国高考评价体系中的“四层”（考查内容）和“四翼”（考查要求）是通过情境与情境活动两类载体实现的[1]。情境是一个人在进行某种行动时所处的社会环境[2]。学习情境是一种以情感调节为手段，以学生的生活实际为基础，以促进学生主动参与、整体发展为目的优化了的学习环境[3]。情境因时、因事而变，学习情境也因人的学识、学习要求、认识方式改变而改变，境之所到，情有所为，即为情境。“物质多样、规律深藏、概念抽象、表达非凡”的化学学科特点是学生学习化学过程中难以获得成就感的因素之一，面对客观真实的物质世界，这些特点又成为发展学生能力和学科素养的必然存在，而在化学学科学习过程培育的能力和素养又是探索科学世界的应然要求。因此，化不利为有利，高质量的化学学习需要教师根据学生的已有经验或生活感知，科学地组织和呈现学习材料，从结构化视角创设与学习内容相关、又贴近生活实际的学习情境，开展情境活动，让情境参与学生的认知过程或学生的认知在情境巾展开（如图1）。在结构化情境的氛围巾，降解认知过程的总负荷，使学生的学习由生活感知（或经验理解）渐进式地发展到知识感悟，再到学科理解（如图2），使学生在学习的全过程中保持兴趣，进而实现学习价值。

二、创设结构化情境的整体思路

情境学习理论认为，学习不仅是个体意义建构的心理过程，更是以差异资源为中介的社会性、实践性过程。结构是指事物的组成要素或单元依据一定的规则连结而成的整体架构，这一逐步形成的动态过程称之为“结构化”。结构化有狭义的“结构化思维”“结构化意识”之意[4]，也蕴含“使之结构化”和“结构不断生成”的过程涵义。知识是在学习者和学习情境的互动、学习者与学习者之间的互动过程中生成的，基于结构化情境的学习是指在要学习的知识、技能的应用情境中进行学习的方式。结合化学学科的学习特点，欲提升学生的学习成就，不仅要有结构化意识和结构化思维，更需要在情境的结构化过程中“结构不断生成”，以及在结构化情境中设计问题结构从而使“知识点”向“知识结构”转化。

结构化学习情境的创设应该致力于将学生的身份和角色意识、完整的生活经验、以及认知性任务重新回归到真实的、融合的状态，力图降解传统学习的去自我、去情境的弊端。因此，创设结构化情境的整体思路是通过结构化的分析联结，把具体生活、生产中的思维模型迁移到科学世界中，完善对化学学科知识的理解。基于情境活动的教学方案设计，以基本层面的问题情境、综合层面的问题情境、生活实践问题情境（或学习探索问题情境）、开放性的问题情境为载体，要求学生从“调动单一的知识（或技能）解决问题”到要求学生在正确思想观念引导下“综合运用多种知识（或技能）解决问题”，进而“综合运用多种知识（或技能）来解决生活实践中的应用性问题”，再到“在开放性的综合情境中创造性地解决问题，形成创造性的结果或结论”。其中，生活实践问题情境一般没有明显的学科知识特征，间接含有与知识相关联的情境要素，具有较大的包容性;学习探索问题情境本身具有学科知识或与学习内容明显关联的结构要素，通过情境的解析推进，发散出不同内容、不同水平学科素养的多个要点，常见于“微项目”或“主题项目”的实施过程巾。如：“价类二维坐标图的应用”情境，其学科结构化特征比较明显，从“类”的宏观和“电子转移”的微观认识元素的转化规律，形成元素观、分类观、变化观和守恒观，形成学习和研究元素化合物的结构化思维。因此，笔者从认知负荷与学习情境的关系提出从结构化视角创设基于情境的学习活动，通过对结构化和情境的分析，提出在化学新课程教学实践中进行结构化学习情境的创设，有利于增进学科理解，提高学习效率，发展学科核心素养。

三、结构化视角的情境创设

1.在情境的结构化中建立概念的思维模型，增进学科理解

学习是一个社会性、动态性、发展性的过程，知识在这个过程中是由师生共同建构的。化学学科概念专业性强，外延规范，内涵丰富，化学学习不能被简单地理解为教师把抽象的、去情境化的知识传递给学生，理解抽象概念需要较高的认知负荷，需要情境结构化分散负荷，使学习处于一个特定的、渗透社会和自然环境的科学情境中，逐步形成概念的结构化认识。一般说来，认识抽象概念的情境结构化活动一般包含图3所示环节。

（l）创设情境的结构化活动类比迁移认识模型，理解概念内涵

【例l】“化学反应的方向”教学中的概念建构

[教学思路分析]认识化学反应的方向判据是化学热力學到动力学的过渡之旅，概念温和，但相对陌生，需要把生活中的常见模型迁移到学习内容中建构相关概念;而对反应方向的判据的理解和运用需要在情境的结构化中综合形成。

[情境选择和应用]分析化学反应的方向的概念要素：自发、焓变、熵。学生在化学学科首次遇到“自发”一词，宜从生活情境人手降低认知负荷，建构相关概念。因此，以“人口、资源、环境”三大主题引出永动机及汽车尾气的转化问题为背景提出能量在生活中的变化问题。以高山流水、山石滚落、斜抛运动等视频作为自发概念的情境模型，认识能量与自发的关系。把“自发一般是能量降低的过程”迁移到具体反应中认识焓变与自发的关系。借“火柴散落、墨水扩散、物态变化”等自然现象，认识熵增也是影响自发的因素。综合上述情境的过程结构，结合各个维度的化学反应实例，在肯定、否定、肯定的结构化过程中建构化学反应方向的判据。

（2）创设情境的结构化活动迁移思维模型，认同和建构概念群

【例2】“物质的量”单元概念群的概念认同及建构

[教学思路分析]“物质的量”的相关要素有阿伏伽德罗常数、物质的量、摩尔质量、气体摩尔体积、物质的量浓度及其溶液的配制。“物质的量”是高中学习化学的分水岭，对学生而言，概念“特殊”：拗口难懂、多且杂，学生难以接受。因此，依托情境结构化，认同概念，建立经验模型，降低认知负荷，是解决这一问题的关键。

[情境选择和应用]比较发现，清点硬币涉及清点方法、样本选择、质地规格、操作误差等系列问题，这些问题的解决有助于单元中相关概念的构建（含配制溶液过程中的误差思考），组织清点硬币的方法探索的情境结构化活动有利于在思维模型的迁移中建构单元概念群。提供新闻视频：“某市市民存款20万元硬币，银行20名员工清点一周”。提出问题：如何清点可以缩短时间？哪种方案最好？在学生解决问题的活动中，获得固定币数的三种主要的方法：质量法、高度法、体积法，并抽象出三种方法的具体样本模型（如图4），进而利用其思维模型认同建构概念：“物质的量”和“阿伏伽德罗常数”。

多元的思维往往会带来意外的惊喜。过程中，学生从样本要求、操作程序、精细要求、堆积空隙、误差影响等角度出发，认为水位测定体积法最佳，如果水位量取科学，仪器设计巧妙，误差可以忽略。对一些方法提出了减少误差的措施：质量法需要洗涤烘干，减少操作次数，仪器尽量精密;分类称重与排水量取法相结合可以发现是否有假币。

引导学生借助经验和数理知识初步形成分类建模、样本建模、单元建模或集合建模的研究或解决问题的思维方式，一方面激发了兴趣，更为本单元的概念群及浓度配制提供了思维基础。其具体关联的迁移关系如表l所示。

清点硬币意在达成概念的心理认同，但情境的结构化活动却为后续摩尔质量、摩尔体积等概念的教学、配制一定物质的量浓度的溶液的精准要求等内容的学习打开了一扇窗。

2.利用结构化情境开展主题式学习，發展学科素兼

主题单元教学有利于知识结构化，形成知识点之间的逻辑关系。结构化情境可以利用其聚焦、发散和收敛的功能，通过学生的演绎和归纳，建立单元结构体系，提升学习层次，发展学科素养。

（1）利用结构化情境建构概念，开展主题单元学习

【例3】燃烧概念及“燃烧与灭火”主题单元体系的建立

[教学思路分析]分析燃烧概念的内涵，提炼结构要素：可燃物、氧气、发光发热、着火点、化学反应。众多燃烧的生活、实践情境巾，基于打开阀门供气、调节风门、按压旋钮打火等过程结构的可视化操作与燃烧概念的结构要素高度相关，自带学科知识结构的“液化气灶烹饪”作为学习情境脱颖而出。

[情境选择和应用]提供精心准备的“液化气灶烹饪”视频。提出问题：打开阀门、压转旋钮、调节风门的目的是什么？有什么现象？天然气燃烧的化学方程式？什么是燃烧？在对过程结构化操作的观察、问题思考、表达、补充、完善中，学生顺利建构概念，发展逻辑思维。

对燃气灶操作过程的正逆向分析，随着燃气灶熄火、油锅着火与灭火、充分燃烧、燃料来源、燃料替代等问题的持续挖掘，为探究燃烧条件、灭火、化石燃料、碳中和、能量利用与能源开发等主题单元学习提供了很好的情境支撑。

（2）利用结构化情境建构概念，开展项目式学习

项目式学习是结构化情境应用于教学的典型代表，对知识储备和能力要求高，需要较高的认知负荷，有利于提高学生的认知层次，发展辨析预测、证据推理、迁移应用等能力，是化学科发展五大核心素养的集中营地。保护学生兴趣，降解认知负荷是项目式学习需要关注的绿色要素，教学巾需要根据学生认知水平，在学生的认知范围选择结构化情境作为项目，才有利于项目式学习的顺利开展。

【例4】开展“化学与社会”的项目式学习

[教学思路分析]项目是问题的缘起，也是要达成的终极目标，项目包含拟解决的问题要素。高中“化学与社会”系列，围绕课程标准中“化学与技术”的主题要求，在“碳中和”等绿色化学思想框架下，查找资料，根据学生的熟悉物质，选择氮气和二氧化碳为原料合成尿素的项目式学习。

[情境选择和应用]以粮食保障、降低成本、碳巾和等现实问题为背景，提出“氮气与二氧化碳合成尿素”的项目要求，让学生在问题情境中提出拟解决的问题，综合整理形成统一的问题：“谁发现了尿素？最早的尿素是谁合成的？怎么合成？理论上，氮气与二氧化碳是否可以合成尿素？实践中，氮气与二氧化碳合成尿素还需要考虑哪些因素？”等系列结构化问题。教学过程中，协调应用综合思维，通过系列问题的解决，学生经历“合成史的探访一价类二维的分析一合成路线的讨论与选择一热力学中盖斯定律、吉布斯白由能的计算一化学动力学的分析一电化学在合成中的创新应用”等过程，感受工业合成中理想到现实的科学思路，发展学科核心素养。

人类总是在认识自然，模拟自然，超越自然的过程中使科学不断发展。重视情境教学，开展情境教学，让情境结构化与结构化情境在教学中并肩前行，在情境中认识，情境中模拟，情境教学播下的种子必将为科学发展结出丰硕的果实。

参考文献

[1]教育部考试中心.中国高考评价体系说明[M].北京：人民教育出版社，2019：36

[2]夏小刚，汪秉彝.数学情境的创设与数学问题的提出[J]数学教育学报，2003（1）：29-32

[3]阎乃胜.深度学习视野下的课堂情境[J]教育发展研究，2013（12）：76-79

[4]王力争.结构化教学模型建构与分析[J].当代教育与文化，2020（3）：45-51

本文系福建省教育科学“十三五”规划2020年度教育科学改革专项课题“‘四层‘四翼引领化学教学的实践研究”（立项批准号：Fjjgzx20-119）研究成果。