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一直以来，我们都在思考这样一个问题，许多学生对化学实验的兴趣很大，可为什么化学实验的教学效果却常常不尽如人意呢？通过对已有文献的分析，我们发现，现有的许多有关化学实验的研究往往只关注如何“教”，而忽视从学生的视角去研究如何“学”。笔者认为这是导致化学实验教学低效的一个重要原因。基于以上思考，新近发展起来的、关注学生个体认知特征的认知负荷理论为我们提供了一个崭新的化学实验教学研究视角。
一、认知负荷理论简介
所谓的认知负荷就是在一定学习情境下施加到学习者工作记忆中的智力活动的总和。认知负荷理论是由澳大利亚心理学家约翰·斯威勒(John Sweller)在总结和借鉴前人有关“注意”和“工作记忆”相关研究成果的基础上，于1988年创造性地提出的。根据认知负荷理论，认知负荷主要可以分为三类：内部认知负荷、外部认知负荷和关联认知负荷。
由于学习材料的本质与学习者专业知识之间的交互而产生的认知负荷称为内部认知负荷。外部认知负荷是超越内部认知负荷的额外负荷，主要是由不当的教学设计引起。关联认知负荷是指与促进图式构建和自动化过程相关的认知负荷。三种类型的认知负荷是相互叠加的。
为了促进有效学习的发生，在教学过程中应尽可能减少外部认知负荷，增加关联认知负荷，并且使总的认知负荷不超出学习者个体能承受的认知负荷。
二、化学实验与认知负荷的关系
从某种意义上说，化学实验的教学目的主要分为两大块：一是巩固所学知识，二是训练实验技能。由于这样的双重教学目标，化学实验教学的环境较常规课堂教学更加复杂。而化学实验教学的内容又具有很强的实践性，由认知负荷理论可知，学生在进行化学实验的过程中，内部认知负荷和外部认知负荷都较大。同时，学生对化学实验的兴趣和热情也会增大相关认知负荷。这样很容易使得他们的认知负荷总量超标，从而降低化学实验教学的效果。
因此，为了提高化学实验教学的效果，对学习者在化学实验教学过程中产生的认知负荷总量进行控制和调整就显得尤为重要。为了更好地调控学习者在化学实验过程中产生的认知负荷总量，避免因负荷超标而影响实验教学的效果，同时也促进他们实验技能和理论水平的同步提高，以下几个方面值得我们加以思考。
三、认知负荷理论在化学实验教学中的应用
研究表明，在充分考虑学生已有知识的情况下，图表等整合性的内容呈现方式可以在一定程度上降低学生学习时的认知负荷。因此，我们可以在加强课前预习、合理设计试验手册和适时借助模拟前实验等方面来提高化学实验教学的效果。
1. 密切联系学生的前知识
学习者是从已有知识中建构概念的。他们利用已有知识从各种外部呈现方式中选择相关信息，然后将所选信息与已有知识相结合，并最终形成自己的知识结构。因此，研究学习者已有知识的差异对于提高实验教学的效果尤为重要。
由于学生在化学实验的过程中会同时产生较高的内部、外部和相关认知负荷，从而使得认知负荷的总量很容易超标。然而，学生对化学实验普遍存在着较强的学习热情，我们很难降低他们在实验过程中产生的相关认知负荷，因此，使得总认知负荷不超标的最好办法就是降低内部和外部认知负荷。
加强实验课前预习就是帮助学生通过强化已有知识和完善知识结构来降低他们在实验过程中产生的内部和外部认知负荷。例如，有研究发现，包括理论回顾和技能提示的实验前预习可以明显降低实验过程中提出低水平问题的学生比例，同时有助于改善他们在后续实验中的表现（Jonstone，1997）。由此可见，我们可以通过加强实验前的预习和练习来提高化学实验的教学效果。
2. 合理设计实验手册
在化学实验室中，学生不但要在短时间内学习概念及其应用，同时还要学习新技能、新设备，并进行实验操作。对于一般学习者来说，这种要求同时理解化学实验活动的理论意义并精通化学实验操作的各种技巧的教学目标几乎是不可能实现的。为了完成这样的教学目标，我们设计了一些实验手册来帮助学习者提高在化学实验中的学习效率。但是，常规的以文本说明为主的化学实验手册由于呈现给学生太多不加整合的新信息，从而使得学生的认知负荷处于超载状态，降低了它对学生实验的指导和帮助作用。为了尽可能降低实验手册给学生带来的认知负荷，我们可以利用图表等视觉表征来整合信息。
Precharn Dechsri等人曾经对不同类型的化学实验手册的教学效果进行过对比研究。研究发现把课文与图表整合在一起的整合图表型实验手册（包括用图片和表格描述新设备、仪器结构的正确使用过程与实验先后步骤）有助于学生在学业成就测试和操作技能测试中取得高分，同时，也能够激活学生对化学实验活动的积极态度。
由此可见，在文本中整合图片和表格等视觉表征形式来辅助设计出的化学实验手册可以通过降低学生工作记忆中的信息量来降低学生的外部认知负荷，这样学生就可以从化学实验中获得更多的知识和能力。
3. 适时借助模拟前实验
由于化学实验过程中，学生的各种认知负荷都较大，而在实验室复杂的条件下，外部认知负荷通常很难操作，因此在实验的理论方面降低内部认知负荷可以改善学习效果，这是因为内部认知负荷主要依赖于学习者图式的结构。很多时候，由于繁重的教学任务，我们很少有时间在实验前训练相关的实验技能，而模拟就是一个很好的改变这种现状的方法。T. Mikael Winberg 等人曾对电脑模拟前实验对化学实验教学的辅助效果进行过研究。
研究结果表明，模拟前实验组在提出与实验相关问题的数量和质量，以及实验技能的提升方面都优于对照组。由此可见，模拟前实验可以帮助学生整合知识图式。这将有利于他们有更多的认知空间去思考，同时也能为他们在实验过程中找到学习和思考的方向。
而与此同时，整合多种表征形式的电脑模拟也可以引起学生在实验中更多地关注理论问题。也就是说，用电脑模拟前实验将有助于学生形成更多的结构性图式，降低他们在实验过程中产生的认知负荷，从而提高化学实验教学的实践和理论效果。
四、启示
认知负荷理论自从其诞生以来，就对教育教学产生了深远的影响。由于化学教育自身的“实验”性，很容易让学习者在学习时产生较高的认知负荷水平，从而影响我们教学效果。那么，如何将二者有机结合呢？
我们在化学实验教学的组织过程中，首先要充分考虑每一个学习者已有的，与实验相关的前知识水平和结构。这将在很大程度上帮助我们从宏观上充分了解和控制学生在化学实验教学过程中产生的认知负荷，以免出现负荷超标而影响实验教学的效果。
其次，要让学生通过预习和实地参观等方式在实验前充分熟悉即将参与实验学习的环境，从而尽量减少复杂实验环境给他们带来的过量外部认知负荷。也就是说，在实验开始时，引起学生注意的应该是实验内容本身，而非其他的东西。
最后，我们可以通过整合有图表的整合型实验手册的设计和通过前实验的计算机模拟来帮助学生在实验过程中尽可能减少产生的与理论知识有关的内部认知负荷。只有这样，化学实验教学才能真正实现既训练学生动手能力，又能让他们通过实验检验和发展理论知识的目的。
责任编辑潘孟良
一、认知负荷理论简介
所谓的认知负荷就是在一定学习情境下施加到学习者工作记忆中的智力活动的总和。认知负荷理论是由澳大利亚心理学家约翰·斯威勒(John Sweller)在总结和借鉴前人有关“注意”和“工作记忆”相关研究成果的基础上，于1988年创造性地提出的。根据认知负荷理论，认知负荷主要可以分为三类：内部认知负荷、外部认知负荷和关联认知负荷。
由于学习材料的本质与学习者专业知识之间的交互而产生的认知负荷称为内部认知负荷。外部认知负荷是超越内部认知负荷的额外负荷，主要是由不当的教学设计引起。关联认知负荷是指与促进图式构建和自动化过程相关的认知负荷。三种类型的认知负荷是相互叠加的。
为了促进有效学习的发生，在教学过程中应尽可能减少外部认知负荷，增加关联认知负荷，并且使总的认知负荷不超出学习者个体能承受的认知负荷。
二、化学实验与认知负荷的关系
从某种意义上说，化学实验的教学目的主要分为两大块：一是巩固所学知识，二是训练实验技能。由于这样的双重教学目标，化学实验教学的环境较常规课堂教学更加复杂。而化学实验教学的内容又具有很强的实践性，由认知负荷理论可知，学生在进行化学实验的过程中，内部认知负荷和外部认知负荷都较大。同时，学生对化学实验的兴趣和热情也会增大相关认知负荷。这样很容易使得他们的认知负荷总量超标，从而降低化学实验教学的效果。
因此，为了提高化学实验教学的效果，对学习者在化学实验教学过程中产生的认知负荷总量进行控制和调整就显得尤为重要。为了更好地调控学习者在化学实验过程中产生的认知负荷总量，避免因负荷超标而影响实验教学的效果，同时也促进他们实验技能和理论水平的同步提高，以下几个方面值得我们加以思考。
三、认知负荷理论在化学实验教学中的应用
研究表明，在充分考虑学生已有知识的情况下，图表等整合性的内容呈现方式可以在一定程度上降低学生学习时的认知负荷。因此，我们可以在加强课前预习、合理设计试验手册和适时借助模拟前实验等方面来提高化学实验教学的效果。
1. 密切联系学生的前知识
学习者是从已有知识中建构概念的。他们利用已有知识从各种外部呈现方式中选择相关信息，然后将所选信息与已有知识相结合，并最终形成自己的知识结构。因此，研究学习者已有知识的差异对于提高实验教学的效果尤为重要。
由于学生在化学实验的过程中会同时产生较高的内部、外部和相关认知负荷，从而使得认知负荷的总量很容易超标。然而，学生对化学实验普遍存在着较强的学习热情，我们很难降低他们在实验过程中产生的相关认知负荷，因此，使得总认知负荷不超标的最好办法就是降低内部和外部认知负荷。
加强实验课前预习就是帮助学生通过强化已有知识和完善知识结构来降低他们在实验过程中产生的内部和外部认知负荷。例如，有研究发现，包括理论回顾和技能提示的实验前预习可以明显降低实验过程中提出低水平问题的学生比例，同时有助于改善他们在后续实验中的表现（Jonstone，1997）。由此可见，我们可以通过加强实验前的预习和练习来提高化学实验的教学效果。
2. 合理设计实验手册
在化学实验室中，学生不但要在短时间内学习概念及其应用，同时还要学习新技能、新设备，并进行实验操作。对于一般学习者来说，这种要求同时理解化学实验活动的理论意义并精通化学实验操作的各种技巧的教学目标几乎是不可能实现的。为了完成这样的教学目标，我们设计了一些实验手册来帮助学习者提高在化学实验中的学习效率。但是，常规的以文本说明为主的化学实验手册由于呈现给学生太多不加整合的新信息，从而使得学生的认知负荷处于超载状态，降低了它对学生实验的指导和帮助作用。为了尽可能降低实验手册给学生带来的认知负荷，我们可以利用图表等视觉表征来整合信息。
Precharn Dechsri等人曾经对不同类型的化学实验手册的教学效果进行过对比研究。研究发现把课文与图表整合在一起的整合图表型实验手册（包括用图片和表格描述新设备、仪器结构的正确使用过程与实验先后步骤）有助于学生在学业成就测试和操作技能测试中取得高分，同时，也能够激活学生对化学实验活动的积极态度。
由此可见，在文本中整合图片和表格等视觉表征形式来辅助设计出的化学实验手册可以通过降低学生工作记忆中的信息量来降低学生的外部认知负荷，这样学生就可以从化学实验中获得更多的知识和能力。
3. 适时借助模拟前实验
由于化学实验过程中，学生的各种认知负荷都较大，而在实验室复杂的条件下，外部认知负荷通常很难操作，因此在实验的理论方面降低内部认知负荷可以改善学习效果，这是因为内部认知负荷主要依赖于学习者图式的结构。很多时候，由于繁重的教学任务，我们很少有时间在实验前训练相关的实验技能，而模拟就是一个很好的改变这种现状的方法。T. Mikael Winberg 等人曾对电脑模拟前实验对化学实验教学的辅助效果进行过研究。
研究结果表明，模拟前实验组在提出与实验相关问题的数量和质量，以及实验技能的提升方面都优于对照组。由此可见，模拟前实验可以帮助学生整合知识图式。这将有利于他们有更多的认知空间去思考，同时也能为他们在实验过程中找到学习和思考的方向。
而与此同时，整合多种表征形式的电脑模拟也可以引起学生在实验中更多地关注理论问题。也就是说，用电脑模拟前实验将有助于学生形成更多的结构性图式，降低他们在实验过程中产生的认知负荷，从而提高化学实验教学的实践和理论效果。
四、启示
认知负荷理论自从其诞生以来，就对教育教学产生了深远的影响。由于化学教育自身的“实验”性，很容易让学习者在学习时产生较高的认知负荷水平，从而影响我们教学效果。那么，如何将二者有机结合呢？
我们在化学实验教学的组织过程中，首先要充分考虑每一个学习者已有的，与实验相关的前知识水平和结构。这将在很大程度上帮助我们从宏观上充分了解和控制学生在化学实验教学过程中产生的认知负荷，以免出现负荷超标而影响实验教学的效果。
其次，要让学生通过预习和实地参观等方式在实验前充分熟悉即将参与实验学习的环境，从而尽量减少复杂实验环境给他们带来的过量外部认知负荷。也就是说，在实验开始时，引起学生注意的应该是实验内容本身，而非其他的东西。
最后，我们可以通过整合有图表的整合型实验手册的设计和通过前实验的计算机模拟来帮助学生在实验过程中尽可能减少产生的与理论知识有关的内部认知负荷。只有这样，化学实验教学才能真正实现既训练学生动手能力，又能让他们通过实验检验和发展理论知识的目的。
责任编辑潘孟良