认知负荷理论在高校材料专业实验课程教学中的应用

＊谭连江

（上海应用技术大学材料科学与工程学院 上海 201418）

材料科学与工程是很多综合性高校和工科类高校都会开设的专业，专门培养掌握金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料等领域的专业知识，既具备扎实的理论基础，又拥有较强的工程实践和创新能力，能在材料制备、成型、加工等领域从事科学研究、技术开发、工艺和设备设计、生产及经营管理等方面工作的工程技术人才。

实验教学在材料科学与工程专业的教学中处于重要的地位，在课程体系中是不可或缺的一环。通过材料合成与制备、材料成型工艺与设备、材料性能与表征等一系列实验的教学，能够使学生了解常见材料的制备方法和加工工艺，掌握影响材料物理化学性能的因素和原理。近年来随着新工科、卓越工程师培养的提出，众多高校越来越重视实验实践方面的教学，重视提高大学生的工程实践能力和核心素养。

目前，高校的实验实践教学体系还存在着一些问题，比如相关资源的利用不够充分合理；实验教学内容陈旧落后，与科学研究脱节；教学形式单一，缺乏创新，难以充分调动学生的学习积极性，激发学生探索科学的兴趣和欲望。鉴于此，作者提出利用认知负荷理论来指导实验教学的改进和提升，通过优化教学形式、鼓励自主探究、创造实验情境等方式来调整学生的认知负荷，达到提高实验课程教学质量的目的。

1.认知负荷理论的应用

认知负荷指的是学习者在学习知识或解决问题的时候对信息进行加工处理所需要耗费的认知资源[1-2]。认知负荷理论认为，人类的工作记忆是有限的，而长时记忆容量却是几乎无限的。在学习和解决问题的过程中，当所需的认知资源总量超过工作记忆资源总量时，就会导致认知超载，使学习或解决问题的效率变得低下。认知负荷理论的运用能够降低认知超载出现的可能性，具有重要的实践指导意义，其在教育领域中的应用越来越多，正在逐渐成为重要的教育理论之一。

认知负荷可以分为三种，即内在认知负荷、外在认知负荷以及相关认知负荷[3]。内在认知负荷同时受到学习者已有知识和学习材料的影响；外在认知负荷主要由学习方法和教学方式决定；相关认知负荷是学习材料的组织和呈现方式引起的促进学习的认知负荷[4]。

（1）优化教学形式以降低外在认知负荷。外在认知负荷与学习材料的组织形式和呈现方式密切相关[5]，在材料专业实验教学中主要体现在实验仪器的配置、实验环境的布置以及教学内容的具体呈现形式。以认知负荷理论为依据，教师在材料实验教学中应合理利用现有的实验室资源，在实验硬件的布局和网络、多媒体手段的选用上有效降低外在认知负荷。

①合理选用实验仪器

实验仪器是材料实验教学的载体和平台，是决定实验教学质量的关键因素之一。合理选择实验仪器，可以使教师在进行演示实验的时候获得更直观清晰的结果，能够让学生在自己动手做实验的时候更加顺畅和高效，从而有效降低认知负荷，提高教学质量。在选择教学实验仪器的时候，需要注意以下两点。

第一，紧扣基本原理。材料专业实验教学的目标除了培养学生的动手能力和工程实践能力以外，还要让学生在动手做实验的过程中进一步加深对材料科学原理的理解，把相关的专业知识掌握得更加牢固。教学过程中，教师以教学目标为导向，在选择实验仪器的时候需充分考虑该仪器的使用能否帮助学生更好地理解实验原理，把实验现象与实验原理关联起来。例如，高分子材料综合实验课程中的“聚合物玻璃化转变温度的测定”实验，选用差示扫描量热仪，在合适的升温或降温速率下对目标材料试样进行测试，学生在测试过程中通过观察仪器实时显示的结果来监测聚合物的玻璃化转变。由于聚合物在玻璃态和高弹态具有不同的恒压热容，当以恒定升温速率对样品进行加热时，差示扫描量热仪记录样品的热容随温度的变化曲线，在曲线转折处的温度就是玻璃化转变温度。使用高精度的差示扫描量热仪测试聚合物样品，学生能够直观地观察到样品的玻璃化转变，并且能够直接将玻璃化转变与材料热容的变化联系在一起，既巩固了对相关实验原理的掌握，又加深了对实验现象的理解。

第二，紧跟科学前沿。在条件允许的情况下，尽量选用较为先进的实验仪器开展材料专业实验课程的教学。先进的仪器设备性能更为强大，具有更高的灵敏度和精密度，且往往整合了数据处理软件，无论在实验样品的测试还是实验数据的分析处理方面都具有明显的优势。依托先进的实验仪器，可以开展一些材料科学前沿的、比较复杂的实验教学，让学生有机会接触本学科领域的最新研究进展，激发他们的学习兴趣和科研热情，有效降低外在认知负荷。例如，热点材料石墨烯的改性和应用方面有一些实验在拥有较先进仪器的情况下可以让学生在实验课上自己动手尝试。能够直接接触处于研究前沿的热点材料，对激励学生的科学探索精神是非常有效的。

②灵活运用教学工具

多媒体教学早已成为高校教师课程教学的主要手段。对于材料实验教学来说，实验过程视频演示、实验原理动图展示等对提升实验教学效果起到了积极的作用。近年来，虚拟仿真技术的发展为材料实验教学注入了新的动力[6]。虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验。虚拟仿真实验教学可实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。在涉及不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗实验，大型或综合训练等情况时，虚拟仿真技术可以提供可靠、安全和经济的实验项目。例如，金刚石的晶体生长过程是在高温高压状态的极端条件下进行的，学生无法通过真实的实验直观地观察晶体的生长过程，因此难以仅仅通过合成的晶体来想象和判断其中的动态变化过程。通过虚拟仿真实验，设定合适的工艺参数，将实际实验中难以展现过程变成可以在短时间和三维空间中实现的虚拟实验，极大地降低了学生的外在认知负荷，加深对金刚石单晶成核与生长规律的了解。

对于常规的实验教学，虚拟仿真实验既可以作为实验预习模式下的优质素材，学生可以在系统的引导下学习基本的实验流程；也可以作为课后复习的有力工具，实际实验操作中没有涉及到的环节可以通过虚拟仿真实验来实现。例如，富勒烯与丙氨酸反应合成富勒烯吡咯烷衍生物的实验，所需的热反应条件比较苛刻，反应后处理操作复杂，流程长。学生在上课之前可以在虚拟仿真系统里预先学习该实验的基本原理和主要步骤，对实验的流程有一个初步的了解。对于这种内容复杂、耗时长的实验，往往无法做到每个学生都能动手操作。在课后，学生可以进入虚拟仿真系统，复习实验内容，对课堂上没有动手操作的内容进行重点复习，进一步掌握实验细节。

（2）鼓励自主探究以减少外在认知负荷。内在认知负荷是由所学课程内容本身的复杂程度和难度决定的，具有固有性[7]。材料科学与工程作为一门交叉学科，需要物理、化学甚至生物学的知识储备，需要一定的数学基础，以及较强的逻辑思维能力。因此，学生在学习过程中会有较高的内在认知负荷。教师在设计教案时，要考虑适当降低学生的学习难度。在讲授材料学实验课程时，如果只是一味地照搬实验教材的内容，缺乏合理的取舍，学生就需要更多的信息加工资源，内在认知负荷就会增加，学习难度提高。如果讲授的实验本身难度就比较大，学习困难就无法避免了。

材料学实验涉及到的原理越多、越复杂，信息加工资源的消耗就越大。在实验教学过程中，鼓励学生在对实验有了初步了解的基础上自主探索实验方案，选择适合自己的方式来开展实验，从而减少学生的内在认知负荷。例如，纳米二氧化钛粉体的制备实验，制备方法包括液相沉淀法、溶胶-凝胶法、醇盐水解法等，不同的方法有其特定的机理和实验条件。教师可以让学生根据自己的知识储备情况和兴趣点来选择二氧化钛粉体的制备方法，选择同种制备方法的学生可以分小组讨论，以教材为基础共同制定具体的实验方案。如此不但可以做到因材施教，提高实验操作的成功率，还可以使学生通过自主设计实验方案降低实验难度，减少内在认知负荷。

（3）创造实验情境以增加关联认知负荷。关联认知负荷是指在处理信息以及导图结构中产生的认知负荷[8]，反映了组织不同类别的信息及其关系的思维模式，对学习具有促进作用。在材料实验教学中，教师能否激发学生的学习欲望，是促进学生更好地掌握教学内容，达成课程目标的关键。教师要注意加强知识点之间的联系，可借助思维导图帮助学生将零散的知识逻辑性地关联起来，增加关联认知负荷[9-10]，使学生对所学知识的掌握更加牢固。

例如“陶瓷成型与烧结”实验的教学，制备陶瓷材料的典型工艺流程包括配方计算、称量、混料、筛分、造粒、成型、排塑、烧结、加工、性能测试等。如果在学生进行实验操作之前，教师只是机械地讲授实验流程，学生可能会缺乏代入感，无法深刻体会实验流程各个环节之间的内在联系和逻辑相关性。教师可以帮助学生创建陶瓷材料制备工艺流程的关联图式，并且列举典型实例，给出示例性的材料配方、参数和实验情境，引导学生变被动为主动，探索实验中相关的知识和原理，增加关联认知负荷。在其后的实验操作阶段，学生就能够更高效地完成任务，获得更好的学习效果。又例如，“玻璃的熔制和析晶”实验，其原理是根据玻璃制品的性能要求，设计玻璃的化学组成，并以此为主要依据进行配料，制备好的配合料在高温下加热，发生一系列物理、化学变化，使各种原料的混合物变成复杂的熔融物，然后均匀降温形成玻璃。在讲授该实验时，教师可以以某种生活中常见的玻璃为研究对象，创建实验情境，引导学生利用在无机非金属材料相关课程中学到的知识，探索该种玻璃的配方设计和成型过程，包括硅酸盐形成、玻璃形成、澄清、均化和冷却等，将这些步骤用流程图表达出来，使学生加深对玻璃生产配方和工艺的了解。玻璃是一种过冷液体，它具有熔体远程无序的结构特征。从热力学观点看，玻璃态物质的内能高于晶态物质，因而它的结构是亚稳相；但从动力学观点看，熔体冷却过程中黏度增加很快，致使质点扩散达不到形成晶格的速度而形成无定形结构。学生在探索和学习玻璃的成型过程时，教师应指导其充分结合玻璃形成的微观原理，将重要知识点渗透进流程图中，增加关联认知负荷，在掌握该实验操作的同时巩固已学的知识。

2.总结

作为一门工科专业，材料学的课程体系中实验教学占有非常重要的地位。认知负荷理论可以指导材料专业实验教学，为提升教学效果和质量指明方向和途径。基于认知负荷理论，教师可以通过合理选用实验仪器、灵活运用教学工具等途径优化教学形式，降低外在认知负荷；通过鼓励学生自主探究来减少外在认知负荷；通过创造实验情境来增加关联认知负荷。高校材料类专业的教师应在实验课程的教学中充分运用认知负荷理论，根据学生的认知特点来整合教学资源和实验条件，让学生能够以较少的认知消耗来获得更好的学习效果。