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摘要：以认知负荷理论为基础，应用实验研究方法，着重探测演示前实验对高中生理论化学知识学习的影响。研究结果表明，演示前实验可以有效降低学生理论化学知识学习过程中的认知负荷，从而提高他们通过化学实验学习理论化学知识的能力。
关键词：认知负荷理论；前实验；理论化学；学习效果
文章编号：1005-6629（2013）2-0016-03
中图分类号：G633.8
文献标识码：B
实验是化学教育的基础，是掌握科学方法、养成科学态度的有效途径，是培养探究能力的必由之路。在帮助学生学习理论化学知识等高中化学教学的难点时，教师往往由化学实验人手，冀望借助实验的强大功能促进知识的掌握与能力的发展。然而，学生在实验过程中往往更加关注有关操作和过程的细节知识，而不是考虑与实验有关的化学理论。如何更好地发挥化学实验在学生理论化学学习过程中的作用，“前实验”研究无疑是一种很好的尝试。
1 研究背景
“前实验（prelab）”是和“后实验（postlab）”相对应的，是指在进入实验室实验之前，学习者所做的与实验相关的一切知识和技能方面的准备。人们对前实验的研究主要建立在认知负荷理论（Cognitive Load Theory，简称CLT）基础上（见表1）。
国内对“前实验”的相关研究极少，而国外有关“前实验”的研究主要体现在“书面”和“模拟”两个方面。
Jonstone等人（1997）研究发现，包括相关化学理论知识回顾和实验操作技能提示的书面（纸笔练习）前实验训练可以明显降低学生在化学实验过程中提出简单问题学生的比例，同时有助于改善学生在后续真实实验中的操作技能和学业成就方面的表现。这是因为，书面前实验可以通过降低学生在实验学习和操作过程中所产生的内部和外部认知负荷，从而有助于提高学生在实验过程中的学习效果。
与书面前实验相似，有研究（Winberg，2007）表明，用计算机模拟的前实验有助于学生图式发展，引起学生在实验中更多地关注理论问题，因而可以促进学习者的学习；模拟前实验有助于形成更多的结构性图式，从而降低学生的认知负荷，这使得他们有更多的工作记忆来思考并处理与实验有关的化学理论性问题。
书面前实验简单但略显抽象，模拟前实验复杂但实效性强，二者各有所长。根据国内当前的教学实际，可以将二者的优点结合起来，通过演示前实验的方法来促进学生的化学理论学习。所谓的演示前实验就是在书面提示相关核心知识的前提下，教师在学习之前对与学习内容相关实验的关键步骤和操作进行演示。这样的演示可以有效降低学生在化学实验过程中的内部认知负荷，从而提高他们通过化学实验学习理论化学的能力。
2 研究过程
本研究着眼于将前实验的相关研究成果应用于现行“人教版”化学教材《化学反应原理》的教学中，希望通过实验教学加强学生对化学理论的深刻理解，通过理论学习促进学生对化学实验的运用能力，以提升化学学习效果。
2.1 研究目的
在《化学反应原理》的教学过程中发现，许多学生的学习状态是被动和低效的。很多时候，学生对于理论化学的学习往往采取记忆、推理和演算的方式，很容易造成认知负荷超标，以及化学学习的低效和倦怠。为了改变这种现状，本研究以认知负荷理论为理论基础，以“酸碱中和滴定”为研究主题，着重探究演示前实验在优化学生认知负荷，提升理论化学学习效果的影响和作用。
2.2 研究设计
本研究随机抽取高二年级的两个班进行对比研究。这两个班级的学生总数、男女生比例和学业成就水平相当。将两个被试班级随机分为对照班和实验班，具体的研究设计见表2。
本研究从认知负荷和学习效果两方面进行评价。“酸碱中和滴定”实验认知负荷测量表共包含5道试题，主要调查操作难度与成功体验。采用国际上通用的认知负荷测量方法，要求就所进行的实验操作的难度做出评价。采用7点量表，从“非常容易”到“非常困难”。
采用与专家教师“分别出题，找出同题，多人研讨确定异题”的方式合编学习效果测试题。测试题由10道单项选择题构成，每一道测试题测查一个核心知识点。选对计“1”，选错计“0”，10道题的总得分记为被测试者的学习效果。
3 研究结果
比较实验班和对照班认知负荷测量和学习效果测验的结果，发现无论在付出的认知负荷方面，还是在解决复杂问题的学习效果方面，实验组都明显优于对照组。
3.1 学习态度比较
对认知负荷测验的第一个问题“动手探究这个实验，你获得成功体验的情况如何”（主要测量学生的学习态度）的数据分析结果如图1所示。分析可知，实验组学生的学习态度明显较对照组积极。究其原因，对于实验组的学生来说，教师在课堂上的演示前实验可以在很大程度上增加学生相关认知负荷，从而激发他们顺利完成实验的兴趣和意志。
3.2 学习能力
分析认知负荷测验中的其他4个问题（见表3），发现实验组无论在数据处理、滴定操作，还是在终点判断等学习能力方面都显著优于对照组。而就“数据处理”能力来说，两组学生表现相差较小。这可能是因为两组学生的数学能力相当，且足以能够解决较为容易的中和滴定计算问题。从问题2的调查结果可以看出，实验组学生普遍表示教师的课堂教学内容在帮助自己顺利完成实验方面帮助较大。这就说明，演示前实验可以有效地降低学生在实验操作过程中的内部认知负荷，从而促进了他们顺利完成实验和学习相关理论化学知识。
3.3 学习效果
两组学生学习效果测验的得分情况如表4所示。分析可知，实验组的学习效果明显优于对照组（p<0.05）。尤其值得一提的是，实验组学生的学业表现相对均衡（标准差只有1.18，明显小于对照组的5.16）。
关键词：认知负荷理论；前实验；理论化学；学习效果
文章编号：1005-6629（2013）2-0016-03
中图分类号：G633.8
文献标识码：B
实验是化学教育的基础，是掌握科学方法、养成科学态度的有效途径，是培养探究能力的必由之路。在帮助学生学习理论化学知识等高中化学教学的难点时，教师往往由化学实验人手，冀望借助实验的强大功能促进知识的掌握与能力的发展。然而，学生在实验过程中往往更加关注有关操作和过程的细节知识，而不是考虑与实验有关的化学理论。如何更好地发挥化学实验在学生理论化学学习过程中的作用，“前实验”研究无疑是一种很好的尝试。
1 研究背景
“前实验（prelab）”是和“后实验（postlab）”相对应的，是指在进入实验室实验之前，学习者所做的与实验相关的一切知识和技能方面的准备。人们对前实验的研究主要建立在认知负荷理论（Cognitive Load Theory，简称CLT）基础上（见表1）。
国内对“前实验”的相关研究极少，而国外有关“前实验”的研究主要体现在“书面”和“模拟”两个方面。
Jonstone等人（1997）研究发现，包括相关化学理论知识回顾和实验操作技能提示的书面（纸笔练习）前实验训练可以明显降低学生在化学实验过程中提出简单问题学生的比例，同时有助于改善学生在后续真实实验中的操作技能和学业成就方面的表现。这是因为，书面前实验可以通过降低学生在实验学习和操作过程中所产生的内部和外部认知负荷，从而有助于提高学生在实验过程中的学习效果。
与书面前实验相似，有研究（Winberg，2007）表明，用计算机模拟的前实验有助于学生图式发展，引起学生在实验中更多地关注理论问题，因而可以促进学习者的学习；模拟前实验有助于形成更多的结构性图式，从而降低学生的认知负荷，这使得他们有更多的工作记忆来思考并处理与实验有关的化学理论性问题。
书面前实验简单但略显抽象，模拟前实验复杂但实效性强，二者各有所长。根据国内当前的教学实际，可以将二者的优点结合起来，通过演示前实验的方法来促进学生的化学理论学习。所谓的演示前实验就是在书面提示相关核心知识的前提下，教师在学习之前对与学习内容相关实验的关键步骤和操作进行演示。这样的演示可以有效降低学生在化学实验过程中的内部认知负荷，从而提高他们通过化学实验学习理论化学的能力。
2 研究过程
本研究着眼于将前实验的相关研究成果应用于现行“人教版”化学教材《化学反应原理》的教学中，希望通过实验教学加强学生对化学理论的深刻理解，通过理论学习促进学生对化学实验的运用能力，以提升化学学习效果。
2.1 研究目的
在《化学反应原理》的教学过程中发现，许多学生的学习状态是被动和低效的。很多时候，学生对于理论化学的学习往往采取记忆、推理和演算的方式，很容易造成认知负荷超标，以及化学学习的低效和倦怠。为了改变这种现状，本研究以认知负荷理论为理论基础，以“酸碱中和滴定”为研究主题，着重探究演示前实验在优化学生认知负荷，提升理论化学学习效果的影响和作用。
2.2 研究设计
本研究随机抽取高二年级的两个班进行对比研究。这两个班级的学生总数、男女生比例和学业成就水平相当。将两个被试班级随机分为对照班和实验班，具体的研究设计见表2。
本研究从认知负荷和学习效果两方面进行评价。“酸碱中和滴定”实验认知负荷测量表共包含5道试题，主要调查操作难度与成功体验。采用国际上通用的认知负荷测量方法，要求就所进行的实验操作的难度做出评价。采用7点量表，从“非常容易”到“非常困难”。
采用与专家教师“分别出题，找出同题，多人研讨确定异题”的方式合编学习效果测试题。测试题由10道单项选择题构成，每一道测试题测查一个核心知识点。选对计“1”，选错计“0”，10道题的总得分记为被测试者的学习效果。
3 研究结果
比较实验班和对照班认知负荷测量和学习效果测验的结果，发现无论在付出的认知负荷方面，还是在解决复杂问题的学习效果方面，实验组都明显优于对照组。
3.1 学习态度比较
对认知负荷测验的第一个问题“动手探究这个实验，你获得成功体验的情况如何”（主要测量学生的学习态度）的数据分析结果如图1所示。分析可知，实验组学生的学习态度明显较对照组积极。究其原因，对于实验组的学生来说，教师在课堂上的演示前实验可以在很大程度上增加学生相关认知负荷，从而激发他们顺利完成实验的兴趣和意志。
3.2 学习能力
分析认知负荷测验中的其他4个问题（见表3），发现实验组无论在数据处理、滴定操作，还是在终点判断等学习能力方面都显著优于对照组。而就“数据处理”能力来说，两组学生表现相差较小。这可能是因为两组学生的数学能力相当，且足以能够解决较为容易的中和滴定计算问题。从问题2的调查结果可以看出，实验组学生普遍表示教师的课堂教学内容在帮助自己顺利完成实验方面帮助较大。这就说明，演示前实验可以有效地降低学生在实验操作过程中的内部认知负荷，从而促进了他们顺利完成实验和学习相关理论化学知识。
3.3 学习效果
两组学生学习效果测验的得分情况如表4所示。分析可知，实验组的学习效果明显优于对照组（p<0.05）。尤其值得一提的是，实验组学生的学业表现相对均衡（标准差只有1.18，明显小于对照组的5.16）。