陶忠华（浙江省杭州市富阳中学浙江杭州 311400）

认知负荷理论视阈下的生物学错误分析及教学启示

陶忠华（浙江省杭州市富阳中学浙江杭州 311400）

从认知负荷理论的角度分析学生产生错误的原因，并提出相应的教学策略，以减少学生在材料学习与问题解决过程中的错误。

认知负荷理论 元认知 生物学教学

文件编号：1003－7586（2017）01－0017－04

在平常检测中，学生总会出现一些看起来似乎很低级的错误：题目没看清、题目信息遗漏、知识混淆、知识想不起来等。教师通常认为这些错误是学生大意、基础不扎实引起，然后采取课堂强调、落实基础、错题训练等方式，但收效甚微。表面上看，错误是学生在问题解决过程中运用生物学知识或技能的一种体验。从认知负荷的角度看，学生产生这些错误的根源主要有：在生物学知识学习过程中没有合理地构建图式，在问题解决过程中认知资源不足以及没有对认知负荷进行有效监控。

1 认知负荷理论

认知负荷理论是由澳大利亚教育心理学家约翰·斯威勒在认知资源理论的基础上发展提出的。他认为：容量有限的工作记忆和容量无限的长时记忆构成了人类的认知结构。工作记忆负责对认知资源进行短时的信息处理，并将其加工成图式存贮在长时记忆中。

在材料学习或问题解决过程中，学生通过对当前材料或情境的识别，将相关信息从长时记忆中提取出来并在工作记忆中进行操作。当材料或情境很复杂导致加工任务繁重时，如果没有适宜的处理策略与有效的监控方式，学生就会耗用较多的认知资源，导致工作记忆超载，解决问题效率较低。当然，如果长时记忆中的知识没有以良好的图式存储，往往会导致所需要应用的知识在提取时出现“断链”或“错位”而引发错误。

2 基于认知负荷理论的生物学错误例析

2.1 工作记忆容量的有限性与生物学错误

工作记忆容量的有限性可以用来解释学生在问题解决过程中对有关信息的遗漏而引发的错误。例如对“脱落酸的作用”创设如下情境考查，错误率会很高。

【例1】某科研小组用不同浓度的脱落酸处理同种水稻种子，在相同条件下培养后测得秧苗的干重和鲜重情况如图1所示。下列有关叙述正确的是（）

图1 脱落酸处理后，秧苗的干重和鲜重示意

A．0.1 mg/L脱落酸对秧苗有机物的积累有促进作用

B．0.3 mg/L脱落酸处理后秧苗的干重与鲜重相等

C．0.5 mg/L脱落酸对秧苗的生长有促进作用

D．1.0 mg/L脱落酸处理后的秧苗将不能生长

在该情境中，部分学生选B项的原因是工作记忆同时需要获取脱落酸的知识并对柱状图进行加工，产生了较高的认知负荷，因而对于柱状图中左右两纵坐标的数值不同这一信息，工作记忆没有足够的认知资源将其纳入并进行加工。对于此类情况，教师可以要求学生在分析具体情境时，将有关信息圈出来标记，并根据目标去搜索相关信息，以便富余更多的认知资源去整合原有知识与当前信息的联系，有效降低错误的发生。

工作记忆容量有限造成认知超负荷而引起错误，也可以解释图文分离类情境中知识的运用。这是由于材料的复杂程度、材料的呈现形式使学生产生较高的认知负荷，由于学生的认知资源有限，因而从长时记忆中提取出来的相关知识难以进入工作记忆中加工处理。例如下题是要求学生运用细胞分裂的相关知识的情境题。

【例2】图2是某二倍体动物体内细胞分裂的示意图，曲线图分别表示该动物细胞中一条染色体上DNA的含量变化及一个细胞中染色体组的变化。下列有关叙述正确的是（）

图2 某二倍体动物体内细胞分裂的示意图

A．bc段和hj可能对应同一细胞分裂图

B．乙图可对应于de段和hj段

C．甲、乙细胞中仍有遗传信息的传递

D．基因重组的过程可发生在bc段和jk段

学生能清晰正确地认识每个图，但考查两个图之间的联系时，由于认知负荷较高而易出错。在这种情况下，教师提示学生在每个图上标注相关文字信息，通过整合、捆绑信息来降低认知负荷。如在甲图旁注明有丝分裂中期，乙图旁注明后期Ⅱ，在曲线bc、de、hj、jk段分别注明相应的时期，学生在作答时，只需比较两图的文字信息就可以了。

由此看来，由于工作记忆容量有限引发的错误并不是学生没有学好生物学知识，而是因为在新情境中，产生的高认知负荷造成的信息加工出错。

2.2 长时记忆中的图式构建与生物学错误

图式的构建能使松散的知识有机组块，而降低工作记忆的负担。高中生物学习过程中涉及大量的概念与原理，如果没有将其建构成图式结构，学生容易造成概念的混淆与遗忘。例如，学生很容易混淆细胞质与细胞器之间的从属关系。

图式的构建也会影响在问题解决过程中有关知识的遗忘和顺利提取。如在下面情境中，学生如果对高尔基体具有良好的认知结构，则会显得很简单。

【例3】采用一定手段破坏细胞中的高尔基体，下列各项受影响最小的手段是（）

A．效应B细胞合成并分泌抗体

B．植物细胞进行有丝分裂

C．呼吸酶的合成

D．兴奋在突触处的传递

图式的构建甚至可以影响学生对生物学原理的运用与策略的合理选择。如下题是对孟德尔定律应用的考查：

【例4】果蝇直刚毛对卷刚毛为显性，控制这对相对性状的基因位于X染色体。果蝇缺失1条IV号染色体仍能正常生存和繁殖，缺失2条则致死。若缺失1条IV号染色体的直刚毛雄果蝇与缺失1条IV号染色体的杂合直刚毛雌果蝇杂交得到F1。下列叙述正确的是（）

A．F1雄果蝇中染色体数正常的卷刚毛占1/8

B．F1雌果蝇中缺失1条IV号染色体的直刚毛占1/2

C．F1中染色体数正常的直刚毛果蝇占1/8

D．F1中缺失1条IV号染色体的卷刚毛果蝇占1/6

通过比较学生（新手）和教师（专家）的解题过程，发现：学生往往是将F1所有个体的基因型都写出来，并计算出每种基因型个体所占的比例，然后找出符合问题的那个个体。而教师则是根据问题，写出求解的目标个体的基因型，再利用题目所给信息，算出该基因型的个体所占的比例。认知负荷理论认为：在新情境中，专家是通过图式驱动来进行问题解决，而新手对情境的认知与问题解决则是基于知识与技能的数目来驱动的。因此，要发展学生的问题解决能力，教师必须让学生经历图式建构过程与建构的自动化。

3 对生物学教学的启示

学生的错误可以指导教师的课堂教学。根据认知负荷理论，教师可以在课堂教学中采取以下策略来减少错误的产生。

3.1 采用图式教学

对于具有高度交互性的复杂内容的学习，教师应该努力让学生构建图式，以利于学生对整体内容的同化。例如“光合作用”所具有的知识点多，包括光合作用的概念及下属概念、过程、实质、影响因素等，而且这些知识相互联系密切，给学生的学习带来较高的认知负荷。教师可以分步来处理这个内容：①向学生简单呈现光合作用的知识框架，使学生对整体内容有简明完整的认知；②教师根据知识框架将光合作用的学习内容有机分割成几个学习组块，明确其中所包含的知识点，使学生在学习过程中知道自己“在哪儿了”，并将要“去哪里”（表1）；③当学生完成每个组块内容的学习后，要求学生丰富光合作用的知识框架，并以图式展示学习成果（图3），以加强知识间的联系。

表1 “光合作用”知识框架与学习组块表

对于含有多个知识内容的综合复习，教师可以指导学生以概念为节点，理清概念之间的关系（从属关系、因果关系、并列关系等），建构概念图；可以某一知识或某一科学研究方法为核心建立知识网络图；也可以某一观念去统整生物学知识等这都有助于学生在问题解决过程中提取和迁移知识。如可以“高尔基体的功能”为核心归纳形成知识网络图以降低例3中错误的发生（图3）。

图3 以“高尔基体功能”为核心的知识网络图

图式教学不仅可以用于对学习内容的处理、加工，还可以作为样例用于指导学生解决问题。例如，在学习“基因的自由组合定律”时，教师将每对性状分开来思考的分析思路可以为学生在面对多对相对性状的遗传分析提供问题解决的样例，从而有效降低因分析高度交互的各对性状的遗传所造成的对工作记忆的负荷，减少错误的发生。

3.2 优化学习内容的呈现方式

在生物学教学过程中，教师经常会使用图像、动画、实验实践等教学手段来呈现学习内容，将抽象、静态、枯燥的生物学知识与技能处理得形象、有趣，以减轻学生的工作记忆负荷，增加关联认知负荷，促进学生对知识与技能的理解与掌握。但需要注意的是，教师在采用图像进行教学时，需将文字信息和图像捆绑在一起，否则会因图像与文字在时空上的分离而产生注意分散效应，增加学生的认知负荷，造成其学习困难。如在学习各种植物激素的产生（存在）部位与功能时，可以呈现一个植物，然后在该植物的根、茎、叶等器官（部位）上标注相应的激素。

迈耶对多媒体教学中减少认知负荷提出了他的建议：采用视觉和听觉双通道；剔除与学习内容无关的有趣材料，尽量使学习内容的呈现简洁、明了、有条理；对关键信息进行字体和颜色的选择等。例如在学习“动物细胞的有丝分裂”时，教师利用多媒体展示动画并讲解，在动画中对“染色体”“着丝粒”“各时期名称”等关键信息进行闪烁标记。讲解完毕后，要求学生在动画下方写出细胞分裂各时期的典型特征。

3.3 培养学生对认知负荷的元认知监控能力

根据瓦尔克的观点，元认知监控是用来监控图式构建和存贮的元认知活动，是关联认知负荷的一种，能显著提高学生对原理的掌握及知识的迁移。在复杂内容的学习过程中，教师可以通过设置一些元认知的提示性问题来实现对认知负荷的元认知监控。如在学习“遗传信息的表达”后，教师可让学生对以下问题进行自我检查：我能用简洁的语言描述遗传信息的表达过程吗？（用来考查学生对知识的掌握情况）我在学习过程中有新的问题产生或没有完全理解的内容吗？（用来考查学生质疑、探究的能力）是什么原因使自己没有理解？接下来我应该怎么行动？（用来考查学生的问题解决能力）

在问题解决过程中，对认知负荷的元认知监控可以有效地减少因认知资源不足而产生的错误。教师也同样可以设置一些元认知的提示性问题来实现问题解决过程中对认知负荷的元认知监控。例如：我有没有将相关信息标注于图中？（避免注意分散效应）我有没有将关键信息用颜色或下划线等手段将其标记？（标记效应）在有许多干扰信息时，我将无关信息剔除了吗？我用什么知识来解决问题？……

对认知负荷的元认知监控能控制学生的工作记忆负荷，增加关联认知负荷，实现学生对材料的学习与具体问题解决过程进行有意识的监控活动。

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