摘要：以認(rèn)知負(fù)荷理論為基礎(chǔ)，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)研究方法，著重探測演示前實(shí)驗(yàn)對高中生理論化學(xué)知識學(xué)習(xí)的影響。研究結(jié)果表明，演示前實(shí)驗(yàn)可以有效降低學(xué)生理論化學(xué)知識學(xué)習(xí)過程中的認(rèn)知負(fù)荷，從而提高他們通過化學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)理論化學(xué)知識的能力。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知負(fù)荷理論；前實(shí)驗(yàn)；理論化學(xué)；學(xué)習(xí)效果

文章編號：1005-6629（2013）2-0016-03

中圖分類號：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

實(shí)驗(yàn)是化學(xué)教育的基礎(chǔ)，是掌握科學(xué)方法、養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度的有效途徑，是培養(yǎng)探究能力的必由之路。在幫助學(xué)生學(xué)習(xí)理論化學(xué)知識等高中化學(xué)教學(xué)的難點(diǎn)時(shí)，教師往往由化學(xué)實(shí)驗(yàn)人手，冀望借助實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)大功能促進(jìn)知識的掌握與能力的發(fā)展。然而，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中往往更加關(guān)注有關(guān)操作和過程的細(xì)節(jié)知識，而不是考慮與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的化學(xué)理論。如何更好地發(fā)揮化學(xué)實(shí)驗(yàn)在學(xué)生理論化學(xué)學(xué)習(xí)過程中的作用，“前實(shí)驗(yàn)”研究無疑是一種很好的嘗試。

1 研究背景

“前實(shí)驗(yàn)（prelab）”是和“后實(shí)驗(yàn)（postlab）”相對應(yīng)的，是指在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)之前，學(xué)習(xí)者所做的與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的一切知識和技能方面的準(zhǔn)備。人們對前實(shí)驗(yàn)的研究主要建立在認(rèn)知負(fù)荷理論（Cognitive Load Theory，簡稱CLT）基礎(chǔ)上（見表1）。

國內(nèi)對“前實(shí)驗(yàn)”的相關(guān)研究極少，而國外有關(guān)“前實(shí)驗(yàn)”的研究主要體現(xiàn)在“書面”和“模擬”兩個(gè)方面。

Jonstone等人（1997）研究發(fā)現(xiàn)，包括相關(guān)化學(xué)理論知識回顧和實(shí)驗(yàn)操作技能提示的書面（紙筆練習(xí)）前實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練可以明顯降低學(xué)生在化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中提出簡單問題學(xué)生的比例，同時(shí)有助于改善學(xué)生在后續(xù)真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的操作技能和學(xué)業(yè)成就方面的表現(xiàn)。這是因?yàn)?，書面前?shí)驗(yàn)可以通過降低學(xué)生在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)和操作過程中所產(chǎn)生的內(nèi)部和外部認(rèn)知負(fù)荷，從而有助于提高學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的學(xué)習(xí)效果。

與書面前實(shí)驗(yàn)相似，有研究（Winberg，2007）表明，用計(jì)算機(jī)模擬的前實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生圖式發(fā)展，引起學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中更多地關(guān)注理論問題，因而可以促進(jìn)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)；模擬前實(shí)驗(yàn)有助于形成更多的結(jié)構(gòu)性圖式，從而降低學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，這使得他們有更多的工作記憶來思考并處理與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的化學(xué)理論性問題。

書面前實(shí)驗(yàn)簡單但略顯抽象，模擬前實(shí)驗(yàn)復(fù)雜但實(shí)效性強(qiáng)，二者各有所長。根據(jù)國內(nèi)當(dāng)前的教學(xué)實(shí)際，可以將二者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，通過演示前實(shí)驗(yàn)的方法來促進(jìn)學(xué)生的化學(xué)理論學(xué)習(xí)。所謂的演示前實(shí)驗(yàn)就是在書面提示相關(guān)核心知識的前提下，教師在學(xué)習(xí)之前對與學(xué)習(xí)內(nèi)容相關(guān)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵步驟和操作進(jìn)行演示。這樣的演示可以有效降低學(xué)生在化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中的內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷，從而提高他們通過化學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)理論化學(xué)的能力。

2 研究過程

本研究著眼于將前實(shí)驗(yàn)的相關(guān)研究成果應(yīng)用于現(xiàn)行“人教版”化學(xué)教材《化學(xué)反應(yīng)原理》的教學(xué)中，希望通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)加強(qiáng)學(xué)生對化學(xué)理論的深刻理解，通過理論學(xué)習(xí)促進(jìn)學(xué)生對化學(xué)實(shí)驗(yàn)的運(yùn)用能力，以提升化學(xué)學(xué)習(xí)效果。

2.1 研究目的

在《化學(xué)反應(yīng)原理》的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，許多學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)是被動(dòng)和低效的。很多時(shí)候，學(xué)生對于理論化學(xué)的學(xué)習(xí)往往采取記憶、推理和演算的方式，很容易造成認(rèn)知負(fù)荷超標(biāo)，以及化學(xué)學(xué)習(xí)的低效和倦怠。為了改變這種現(xiàn)狀，本研究以認(rèn)知負(fù)荷理論為理論基礎(chǔ)，以“酸堿中和滴定”為研究主題，著重探究演示前實(shí)驗(yàn)在優(yōu)化學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷，提升理論化學(xué)學(xué)習(xí)效果的影響和作用。

2.2 研究設(shè)計(jì)

本研究隨機(jī)抽取高二年級的兩個(gè)班進(jìn)行對比研究。這兩個(gè)班級的學(xué)生總數(shù)、男女生比例和學(xué)業(yè)成就水平相當(dāng)。將兩個(gè)被試班級隨機(jī)分為對照班和實(shí)驗(yàn)班，具體的研究設(shè)計(jì)見表2。

本研究從認(rèn)知負(fù)荷和學(xué)習(xí)效果兩方面進(jìn)行評價(jià)。“酸堿中和滴定”實(shí)驗(yàn)認(rèn)知負(fù)荷測量表共包含5道試題，主要調(diào)查操作難度與成功體驗(yàn)。采用國際上通用的認(rèn)知負(fù)荷測量方法，要求就所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)操作的難度做出評價(jià)。采用7點(diǎn)量表，從“非常容易”到“非常困難”。

采用與專家教師“分別出題，找出同題，多人研討確定異題”的方式合編學(xué)習(xí)效果測試題。測試題由10道單項(xiàng)選擇題構(gòu)成，每一道測試題測查一個(gè)核心知識點(diǎn)。選對計(jì)“1”，選錯(cuò)計(jì)“0”，10道題的總得分記為被測試者的學(xué)習(xí)效果。

3 研究結(jié)果

比較實(shí)驗(yàn)班和對照班認(rèn)知負(fù)荷測量和學(xué)習(xí)效果測驗(yàn)的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)無論在付出的認(rèn)知負(fù)荷方面，還是在解決復(fù)雜問題的學(xué)習(xí)效果方面，實(shí)驗(yàn)組都明顯優(yōu)于對照組。

3.1 學(xué)習(xí)態(tài)度比較

對認(rèn)知負(fù)荷測驗(yàn)的第一個(gè)問題“動(dòng)手探究這個(gè)實(shí)驗(yàn)，你獲得成功體驗(yàn)的情況如何”（主要測量學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度）的數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖1所示。分析可知，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度明顯較對照組積極。究其原因，對于實(shí)驗(yàn)組的學(xué)生來說，教師在課堂上的演示前實(shí)驗(yàn)可以在很大程度上增加學(xué)生相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，從而激發(fā)他們順利完成實(shí)驗(yàn)的興趣和意志。

3.2 學(xué)習(xí)能力

分析認(rèn)知負(fù)荷測驗(yàn)中的其他4個(gè)問題（見表3），發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組無論在數(shù)據(jù)處理、滴定操作，還是在終點(diǎn)判斷等學(xué)習(xí)能力方面都顯著優(yōu)于對照組。而就“數(shù)據(jù)處理”能力來說，兩組學(xué)生表現(xiàn)相差較小。這可能是因?yàn)閮山M學(xué)生的數(shù)學(xué)能力相當(dāng)，且足以能夠解決較為容易的中和滴定計(jì)算問題。從問題2的調(diào)查結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生普遍表示教師的課堂教學(xué)內(nèi)容在幫助自己順利完成實(shí)驗(yàn)方面幫助較大。這就說明，演示前實(shí)驗(yàn)可以有效地降低學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作過程中的內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷，從而促進(jìn)了他們順利完成實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)相關(guān)理論化學(xué)知識。

3.3 學(xué)習(xí)效果

兩組學(xué)生學(xué)習(xí)效果測驗(yàn)的得分情況如表4所示。分析可知，實(shí)驗(yàn)組的學(xué)習(xí)效果明顯優(yōu)于對照組（p<0.05）。尤其值得一提的是，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的學(xué)業(yè)表現(xiàn)相對均衡（標(biāo)準(zhǔn)差只有1.18，明顯小于對照組的5.16）。

在分析數(shù)據(jù)的過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些意外情況。例如，在解決中和滴定“突躍”圖像問題時(shí)，兩組學(xué)生學(xué)習(xí)效果沒有顯著的差異，并且都表現(xiàn)不理想（題均得分實(shí)驗(yàn)組為0.35，對照組為0.31）。

對解決“突躍”圖像問題時(shí)的認(rèn)知負(fù)荷進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)兩組學(xué)生都普遍表示需要付出很高程度的心智努力才能解決問題。這說明學(xué)生對化學(xué)理論知識的“宏觀一微觀一符號”表征的能力水平將在很大程度上影響前實(shí)驗(yàn)對理論化學(xué)學(xué)習(xí)效果的作用。

4 研究結(jié)論與啟示

4.1 演示前實(shí)驗(yàn)有助于控制學(xué)生學(xué)習(xí)理論化學(xué)時(shí)的認(rèn)知負(fù)荷總量

演示前實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生在像“中和滴定”這樣理論抽象程度大、實(shí)驗(yàn)技能要求高的理論化學(xué)知識學(xué)習(xí)中更多地關(guān)注理論問題。這是因?yàn)檠菔厩皩?shí)驗(yàn)有助于學(xué)生形成更多的，有助于相關(guān)理論學(xué)習(xí)的結(jié)構(gòu)性圖式，從而降低他們的內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷，從而使得他們有更多的工作記憶來處理與思考與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的化學(xué)理論性問題。與此同時(shí)，真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和有趣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象又能夠增加他們的相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，從而激發(fā)他們學(xué)習(xí)的積極性，并且能夠主動(dòng)控制認(rèn)知負(fù)荷的總量，從而提高理論化學(xué)學(xué)習(xí)的效果。

4.2 演示前實(shí)驗(yàn)對絕大部分學(xué)生學(xué)習(xí)理論化學(xué)知識都有促進(jìn)作用

通過對學(xué)習(xí)效果的檢測和比較，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的合格率高達(dá)88%（遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對照組的42%），這說明演示前實(shí)驗(yàn)可以在很大程度上幫助絕大多數(shù)學(xué)生在較低的內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷條件下，把學(xué)習(xí)注意力更多地集中在理論概念之間的關(guān)系建構(gòu)上，而不是只注意單獨(dú)的概念或相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作。這將在很大程度上幫助他們構(gòu)建新的認(rèn)知圖式，從而內(nèi)化成自己的知識體系，提高他們的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)能力。

4.3 學(xué)生的相關(guān)前知識和“宏觀-微觀-符號”表征的能力水平很重要

由于理論化學(xué)的學(xué)習(xí)是建立在—定的數(shù)理計(jì)算能力和抽象思維能力基礎(chǔ)上的，學(xué)生已有的相關(guān)前知識和前能力將會(huì)在很大程度上影響到他們的學(xué)習(xí)效果。因此，后續(xù)研究在研究對象選取的過程中可以更加關(guān)注被試的已有相關(guān)知識和能力，以便研究得出更加精確和可靠的結(jié)論?；蛘邠Q一種思路，即便研究對象的已有水平不盡相同，也可以對他們進(jìn)行適當(dāng)?shù)募?xì)化分層，根據(jù)不同層次學(xué)生的具體情況有針對性地開發(fā)出適合他們各自學(xué)習(xí)的演示前實(shí)驗(yàn)類型，從而促進(jìn)他們的個(gè)性發(fā)展。

總之，高中生在學(xué)習(xí)理論化學(xué)知識時(shí)，他們的內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷很高，而相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷較小，這對他們的學(xué)習(xí)不利。化學(xué)實(shí)驗(yàn)則能引起學(xué)生很高水平的相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，有利于激發(fā)他們的化學(xué)學(xué)習(xí)興趣，提高他們的動(dòng)手探究能力。但如果把二者簡單地結(jié)合在一起，學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷總量就會(huì)嚴(yán)重超標(biāo)，反而抑制了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。如何將二者的優(yōu)勢結(jié)合起來，演示前實(shí)驗(yàn)起到了很好的“橋梁”和“過渡”的作用。這是因?yàn)檠菔厩皩?shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生整合已有知識，從而降低了他們化學(xué)理論知識學(xué)習(xí)時(shí)的內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷，而節(jié)約出來的認(rèn)知空間可以用來容納化學(xué)實(shí)驗(yàn)給他們帶來的相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，同時(shí)使得他們有更多的認(rèn)知空間去思考真實(shí)實(shí)驗(yàn)過程中的關(guān)鍵點(diǎn)。這樣不但可以激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，也可以利用化學(xué)實(shí)驗(yàn)來理解和深化相關(guān)的理論知識。無論是成功體驗(yàn)，還是知識水平，抑或是探究能力，學(xué)生都能得到很大程度的發(fā)展。