在科学教学中减轻学生认知负荷的策略

认知负荷是指学习者在对学习任务进行认知加工的过程中所承受的一定的负担，可以分为内在认知负荷和外在认知负荷。外在认知负荷是与学习者目标达成的信息加工过程没有直接关联的工作负荷；内在认知负荷是指学习者加工新知识时所必须承载的工作负荷。学习者的工作记忆所能承受的认知负荷总量是有限，我们的科学教学目标就是要让学生避免外在认知负荷，在有效组织新信息的前提下尽量降低内在认知负荷，为新旧知识的整合腾出记忆空间。

而目前的小学科学教学中，许多教师为践行新课程倡导的自主、合作、探究的学习方式，把科学课当成了实验操作课，以为动手操作就是“探究”，用大量的操作替代了对科学概念的分析、理解、梳理、总结。因此，学生对科学知识的学习是零散、紊乱的，对科学概念更是缺少整体把握。由此带来的后果：平时热热闹闹的实验课给学生增加了大量的无关学习资源，造成学生工作记忆被外在认知负荷占领，无法进行有效的认知加工；复习阶段大量概念知识的呈现占满学生工作记忆的空间，大大加重了学生检索和加工信息的负担，使学生负荷超载。

那么，怎样才能减轻小学生学习科学的认知负荷呢？我们的做法是：

一、减轻小学生学习科学外在认知负荷的策略

（一）“先行组织者”――提前准备策略

学生在学习中，有时认知结构中缺乏与新知识建立联系的适当观念，或是虽有适当的观念，但是由于它不稳定、不清晰，难以成为新知识的固定点。在这种情况下，新旧知识的同化就会受到阻碍，这个时候学生往往采用死记硬背的方式进行新知识的学习。为了避免这种机械学习的情况出现，在学习新知识前，教师可以先向学生介绍一些抽象概括水平普遍高于新知识，但又是学生容易接受的引导性材料。将最能与新知识建立联系的高度概括的观念“移植”到学生的认知结构中去，使学生能顺利地利用这些观念来掌握新知识，确保新旧知识间建立实质性的、非人为的联系。由于这种引导性材料呈现在学习新知识之前，并能帮助学生把新知识纳入认知结构中，所以我们将这样利用先行组织者进行的教学策略称为提前准备策略。

例如有这样一个涉及两种不同液体中三个小球受浮力情况的教学内容（见图1）。为了帮助学生解决问题，教师根据教学内容设计出下列的概念图（见图2），使学生认知结构中新旧知识相互作用达到认知结构渐进分化和融会贯通的目的，使学生一目了然、心领神会地了解所要学习的内容及与过去所学知识的联系。

（二）“树形图”、“气泡图”和“网状图”――学习组织策略

小学生的思维正处在由形象思维向抽象思维发展的阶段，过于抽象的学习内容，对他们来说，存在着很大的理解困难。因此借助可视化图示，可以帮助学生对知识进行意义加工，使学习中的思维过程外显可现，使学生对知识的组织更为便捷；同时活用可视化图示，对知识进行分类整理，理清概念之间的联系，有助于学生对知识的意义建构。

1.运用“气泡图”和“网状图”辅助整理旧知，探求新知

使用气泡图和网状图都有助于学生整理加工已知的信息，要注意的是，它们各有侧重点。气泡图中记录的内容应当是学生切实观察、检测到的，因此，气泡图更注重于学生对即时观察的信息的整理和反馈；网状图可以帮助学生围绕中心词作尽可能的联想，由此教师可以了解到哪些知识是学生已经知道的，为进一步探求新知确定起点。

教学六上科学“形状与结构”单元《建高塔》一课，可以利用气泡图来组织对高塔结构的了解。在建高塔活动结束后，总结出高塔稳固的特点，一幅由师生共同完成的气泡图就诞生了（见图3）。使用气泡图便于学生及时整理和反馈探究活动中获取的信息，有利于直觉思维的形成，促进对整个知识架构的掌握。

图3 《建高塔》一课概念建构的气泡图

网状图出现在三上“水和空气”单元第一课《水》的教学中。本课的第一个教学内容即是学生运用网状图交流有关水的已有认识。教师的任务就是帮助学生把这些零散的、支离破碎的点进行归纳，并用圆圈和直线穿起来形成一张有结构的网状图。帮助学生围绕“水”主题作尽可能多的联想，并确定探求新知的起点，降低因不良教学设计引发的无关认知负荷，促进学生形成准确的科学概念。

2.运用 “树形图”提升概括知识的能力

树形图常常应用于描述事物整体与部分的关系，利用树形图，能够清晰地反映事物整体与部分存在的关系。如六上“生物多样性”单元对动物进行分类总结有助于学生更好地理清动物分类之间的关系，提升他们应用分类方法的能力与水平。

图4 动物分类树形图

（三）“知识地图”――资源导航策略

作为小学科学，当前普遍采用的复习方法是：教师把一册书中能够挖掘的科学知识点和科学实验过程不辞辛苦地整理出来印发给学生，要求学生读背。按照这种方法，学生头脑里的知识都是零散的、混乱的。相应增加了认知负荷。

对于科学课的复习需要一种系统、整体的复习方法，把每节课的知识形成概念图，将相关内容以结构化的方式组织起来，构建成“知识地图”。学生通过“知识地图”，可以迅速了解本单元的学习内容，避免其耗费大量的认知资源，为加工整合信息腾出尽可能多的认知空间，从而大大降低了外在认知负荷。图5是学生根据五上第二三元“光”的认识结构，利用概念图所做的一个“知识地图”的实例。

图5 “光”单元知识地图

二、降低小学生学习科学内在认知负荷的策略

内在认知负荷与学习材料的复杂性和学生认知水平的相关程度有关。如果学习材料比较复杂，而学生又没有这方面的知识储备，那么理解所要学习的学习材料就必须同时调取多种信息，这些信息同时在工作记忆中进行加工，势必增加了工作记忆的负担，产生较高的内在认知负荷。相反，如果学生对学习内容有相关的知识储备，那么他们在学习相同的材料时就会产生较少的内在认知负荷。因此，要降低学生的内在认知负荷就需要减少学习材料的复杂性并且考虑学生的知识水平。

（一）“维恩图”――学习内容整理策略

维恩图是表示事物之间区别和联系的图形，也叫文式图。它在选择、分类和比较信息时用处非常大。使用维恩图时，学生能够记录他们观察的结果，在两个圆中呈现不同的信息。

如在学习六年级上册“电和磁”单元时，了解磁铁和电磁铁两者概念的区别，对于掌握电磁铁的特性是十分重要的。而利用维恩图的方式，对于还主要运用形象思维方式的学生来说，比较适合。可以事先让学生将磁铁和电磁铁各自的特点分别记录在两个圆中，而将它们的共同特征记录在交叉的部分（见图6）。通过维恩图对学生原有磁铁认识的了解，我们就能在教学时有效利用学生的这些前概念信息，重点比较观察两者的联系与区别，从而对电磁铁有个明确的认识。

图6 “磁铁和电磁铁”的维恩图

利用维恩图分类比较信息的方式使得实验观察及汇报交流活动，变得十分有条理，不同事物之间的联系和区别一目了然。

（二）“图示模型・概念发展流程图” ――学习资源整合策略

根据以往教学发现，学生老是把音强与音高混淆，发一个响亮的音，他们就认为这个音声调高，听到低音却会认为声音小、弱。音调与响度是声音的两个不同特征，但是对初学声音的学生来说是两个很容易混淆的概念。从语文的角度看“强弱”与“高低”是近义词。有些学生就会思索，响度、音调怎么还反映声音的两个不同特征呢，从而就一头雾水。故此，需要将音强和音高在实际的物品中让学生体验，并通过建立音量与音高的不同模型，从本质上来认识它们的不同。

首先，在观察描述的基础上建立不同振动状态的模型（见图7），通过图式可以清晰地让学生理解声音的强弱由振动的幅度决定，声音的高低由振动的速度决定这个概念。接着可以用两个音叉上标注的不同频率来强化：频率快，声音高；频率慢，声音低。

图7 “音量与音高”模型图

其次，通过建立概念发展流程图（见图8），将音高和音量两个概念间的区别用非常形象化的方式呈现，扫清了学生对于理解音高和音量的障碍，帮助学生深刻理解振动、振幅、频率、音量、音高等概念之间的关系，降低了学生的内在认知负荷。

综上所述，在小学科学教学中，我们运用上述策略，有效减轻了学生信息加工过程中的认知负荷，促进了学生对科学概念的掌握和探究能力的提升。从这里我们可以看出， 这些策略很好地体现了认知负荷的理论，同时通过让学生制作某些图式也可以让学生隐性的认知结构外显，使教育者更好地了解学生现有的知识水平，使学习的新内容建立在学生现有的水平之上， 有效地降低了认知负荷， 从而达到最佳的学习效果。