【内容摘要】本研究以小学生为研究对象，研究了在教学实践中，通过“先行组织者”的提前准备策略、“树形图、气泡图 、网状图”的学习组织策略和“知识地图”的资源导航策略来减轻外在认知负荷，通过“图示模型·概念发展流程图”的学习资源整合策略和“维恩图”的学习内容整理策略来降低内在认知负荷等减轻学生在学习小学科学时的认知负荷的策略。通过这些策略，使教育者更好地了解学生现有知识的水平，使学习的新内容建立在学生现有的水平之上, 降低了认知负荷, 从而达到最佳的学习效果。
【关键词】小学科学 认知负荷 策略
新课程实施以来，以科学探究活动为中心的教学方式已逐渐被掌握和熟悉，教师精心设计科学探究活动，让学生们在探究活动中“玩”、“学”，通过动手实践和操作，掌握科学研究的方式方法，形成准确具体的科学概念，逐渐地提高自身的科学素养。然而，为了让学生能够通过探究活动掌握科学概念，虽然老师绞尽脑汁，效果却总不能如意。究其原因，除了自身教学能力与水平的问题，更重要的是我们不了解学生原有的科学认知水平。科学教学过程中我们常常循循善诱，层层深入，巧妙设置各种问题进行过渡和衔接，然而，面对不同层次水平的学生，常常出现有些问题学生能够轻易回答，有些问题多数“无动于衷”，从而造成教学中的尴尬局面。或将学生视为“知识容器”，对学生的原有认知结构没有进行了解的情况下灌输知识，让学生强记无序组织的知识。在这样的教学环境下，学生往往掌握不了学习的方法，以无意义学习的方式进行学习。这致使学生的学习负担重、学习效率低，许多学生因“苦”学而变得厌学，减轻学生的课业负担已经成了教育界迫在眉睫的大事。
学生是学习的主体，教学过程中教师所传授的知识，对学生而言只是信息，外部信息只有经过学习者的内部加工，才有可能转化为系统性的知识，实现真正意义的知识掌握。也就是说，教学应该以学生能够建构知识为目的。这样的话，学生的认知负担必然会减轻，学习效率会提高，就能达成“轻负高质”的目的。
一、学习者认知负荷基本理论阐释
认知负荷理论由澳大利亚心理学家约翰•斯威勒（John Swelter）于20世纪80年代末90年代初提出。该理论的中心要点是人的认知资源（工作记忆）容量是有限的。在学习过程中，内在认知负荷、外在认知负荷的总量应该限制在工作记忆容量的范围之内。否则学习会受到阻碍，无法继续进行下去。
认知负荷指的是在某种场合下施加到工作记忆中的智力活动的总的数量，对认知负荷起作用的主要因素是工作记忆必须注意的内容的数量。按认知负荷的不同来源，可以把认知负荷分为两类：内在的认知负荷和外在的认知负荷。
内在的认知负荷以正在加工处理的材料的类型的结果存在，单独来源于将要学习的内容的内在特征(如难度), 材料由于它们的智力复杂程度各不相同，因而各自的认知负荷各不相同，不能被教学设计所改变。如具有很高的相互作用的内容，不管其呈现方式如何，其内在认知负荷依然很高。涉及同时处理大量信息的作业比每一次能处理一个信息成份的作业具有更高的智力复杂性。
外在的认知负荷源于用于呈现信息给学生的教学材料，以教学设计的结果的形式存在，可通过重新组织信息来改变。如关于大陆漂流概念的教学材料, 如果适当的运用图表将比只呈现文字更加有效。因此，通过改变呈现给学生的教学材料，可以改变外在的认知负荷，从而促进学习。
二、小学生科学学习过程中常见认知负荷分析
（一）学生的内在认知负荷
学生的内在认知负荷来自干学习材料本身。目前，小学科学追求知识的深度，在单元安排体系上看，涉及了一些初中才学习的内容，这无疑给学生的学习增加了难度。在概念方面，学生需要在工作记忆中同时处理大量的信息片断，以获得对概念的理解；在技能方面，需要在工作记忆中同时协调各种各样的技能，以获得连贯一致的表现。这些都是学生在科学学习时面临的内在认知负荷的表现。
（二）学生的外在认知负荷
首先，学习资源的过剩会带给学生外在认知负荷。在科学学习中，由学生自行探究获得的信息会非常多，容易使之陷入知识信息的海洋。另外，复习阶段大量的复习资料有很多会成为冗余信息而占用学生工作记忆的空间，加重学生检索和获取信息的负担。其次，学生并不是脑袋空空地进入学习情境的。他们在接受正式教育之前，就已经对日常生活中的事物和现象有了自己的理解和认识。这些先入为主的概念，对于他们的学习，有相当大的干扰。当新学习的概念与他们先前存有的概念相冲突时，自然而然会产生一股抗衡力量，而两相冲突之下，当然会对学习的成效有所不利，产生认知负荷。例如“轻轻碰撞没有产生声音”，对于“声音是物体振动产生的”概念的建立是错误的，干扰了学生对于上位概念的建立。
三、小学科学教学中减轻学生认知负荷的基本方式
（一）减轻小学生学习科学外在认知负荷的策略
1.“先行组织者”——提前准备策略
“对于任何学科的学习和理解都不像在白纸上画画，都要涉及学生原有的认知结构，人们总是以其自身的知识和经验来组织和理解新的知识和信息。”在学生学习新知识之前，将其认知结构中与新知识相关的原有知识激活，为学习新知识做好认知准备，就可使其在学习过程中及时获得已有相关知识的支撑，避免了在加工整合新知识的同时，再到长时记忆中搜寻相关知识的认知负担，从而降低外在认知负荷。先行组织者就是这样一种帮助学生做好准备的认知策略，作为“在安排学习任务之前呈现给学生的引导性材料，它比学习任务本身具有更高一层的抽象性和包摄性。”利用概念图来呈现先行组织者，可以直接将先行组织者表征为与认知结构相似的认识框架，帮助学生快速、准确地搜索集中相关知识，并使其清晰、稳固，为新知识的整合加工提供附着点。
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知识的联系。
2.“树形图”、“气泡图”和“网状图”——学习组织策略
在多媒体信息组织上应该同时而不是相继地(时间接近性)，应该邻近而不是远离地(空间接近性)，呈现相应的词与图信息。按多媒体学习认知理论，当学习者能够在工作记忆中在相应的视觉和语词表征之间建立联系时就出现了有意义学习。如果两个概念之间在时间上是协调的，学习者就更可能同时把相应的视觉和语言表征保持在工作记忆中。对比之下，在相继呈现条件下，工作记忆能量的有限性使相应的视觉表征和语词表征不能同时出现在工作记忆中，从而会影响到两者的信息整合。同样，当各种相关的概念不能用一定的方式组织起来，学习者在进行区别时，就不能建立联系而促进信息整合，从而增加外部认知负荷。
（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已知信息的整理和反馈；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（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。
网状图出现在三上“水和空气”单元第一课《水》的教学活动中。本课时开门见山的第一个教学活动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。使用网状图可以帮助学生围绕“水”主题作尽可能多的联想，由此教师通过这一项活动将有机会评估学生在本单元学习前有关水的原有知识，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时，将动物按有无脊椎分成脊椎动物和无脊椎动物，脊椎动物包括鸟类、鱼类、爬行类等，无脊椎动物包括节肢类、线形类、环节类等等，从而让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。
3.“ 知识地图”——资源导航策略
作为小学科学，也面临期末复习的任务。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，要求学生利用科学课和课余时间读背。按照上面的常规复习法，学生头脑里都是零散的知识，所有的知识都是混乱的。因为数量庞大的复习资料很容易使还没有很好掌握学习方法的学生迷航，使学生对学习失去兴趣，增加了外在的认知负荷。
对于科学课的单元复习需要一种系统、整体的复习方法，不但可以让学生在这一节课的复习中，把整个单元每节课的知识形成知识网络。利用概念图，可以将相关内容以结构化的方式组织起来，构建成“知识地图”。借助此图，可以一目了然地呈现这个单元学习的内容，表现学习内容的层级结构，体现不同层级之间的关系。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来梳理学习内容，为加工整合信息腾出尽可能多的认知空间。学生学习科学就犹如利用地图寻找自己想去的地方一样，大大降低了外在认知负荷。图5是学生根据五上“光”学习结构，利用概念图所做的一个“知识地图”的实例。
（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专业水平之间的关联程度有关。如果学习材料比较复杂,而学生在这方面的专业知识又比较欠缺,那么理解所要学习的学习材料就必须同时注意多个不同的元素,这些元素同时在工作记忆中进行加工,从而增加了工作记忆的负担,产生高的内在认知负荷。相反,如果学生在这一领域有较丰富的专业知识,那么他在学习相同的材料时就会比专业知识欠缺的学生产生更少的内在认知负荷。因此,要降低学生在学习过程中的内在认知负荷就需要减少学习内容元素之间的交互作用并且考虑学生的知识水平。
1.“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明显。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的各自特点先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。通过利用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。同时，让学生利用维恩图将所学知识内容进行归纳整理也是一个有效方法。
运用“维恩图”分类比较信息，梳理概念，在小学阶段运用十分普遍，例如三年级的植物、动物领域内的比较，以及扩展到生物类群的时候将动植物进行区别比较，四年级的几种不同岩石的比较等等。
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，科学素养得以进一步提升。
2.“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”是两近义词。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，从而就一头污水。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。
在观察描述的基础上建立不同振动状态的模型（见图7）：
通过图式法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。
再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。
以上所探讨的减轻学生学习小学科学的认知负荷的策略，都是基于一个共同的基础，即利用与认知结构的相似性，借助于可视化的呈现策略来帮助学生减轻认知负荷，包括通过“先行组织者”的提前准备策略、“树形图、气泡图 、网状图”的学习组织策略和“知识地图”的资源导航策略来减轻外在认知负荷，通过 “图示模型•概念发展流程图”的学习资源整合策略和“维恩图”的学习内容整理策略来降低内在认知负荷等减轻学生在学习小学科学时的认知负荷的策略。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或概念图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知识的水平，使学习的新内容建立在学生现有的水平之上, 降低了认知负荷, 从而达到最佳的学习效果。