一直以來，我們都在思考這樣一個問題，許多學生對化學實驗的興趣很大，可為什么化學實驗的教學效果卻常常不盡如人意呢？通過對已有文獻的分析，我們發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的許多有關(guān)化學實驗的研究往往只關(guān)注如何“教”，而忽視從學生的視角去研究如何“學”。筆者認為這是導致化學實驗教學低效的一個重要原因?；谝陨纤伎迹陆l(fā)展起來的、關(guān)注學生個體認知特征的認知負荷理論為我們提供了一個嶄新的化學實驗教學研究視角。
    一、認知負荷理論簡介
    所謂的認知負荷就是在一定學習情境下施加到學習者工作記憶中的智力活動的總和。認知負荷理論是由澳大利亞心理學家約翰·斯威勒(John Sweller)在總結(jié)和借鑒前人有關(guān)“注意”和“工作記憶”相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，于1988年創(chuàng)造性地提出的。根據(jù)認知負荷理論，認知負荷主要可以分為三類：內(nèi)部認知負荷、外部認知負荷和關(guān)聯(lián)認知負荷。
    由于學習材料的本質(zhì)與學習者專業(yè)知識之間的交互而產(chǎn)生的認知負荷稱為內(nèi)部認知負荷。外部認知負荷是超越內(nèi)部認知負荷的額外負荷，主要是由不當?shù)慕虒W設(shè)計引起。關(guān)聯(lián)認知負荷是指與促進圖式構(gòu)建和自動化過程相關(guān)的認知負荷。三種類型的認知負荷是相互疊加的。
    為了促進有效學習的發(fā)生，在教學過程中應(yīng)盡可能減少外部認知負荷，增加關(guān)聯(lián)認知負荷，并且使總的認知負荷不超出學習者個體能承受的認知負荷。
    二、化學實驗與認知負荷的關(guān)系
從某種意義上說，化學實驗的教學目的主要分為兩大塊：一是鞏固所學知識，二是訓練實驗技能。由于這樣的雙重教學目標，化學實驗教學的環(huán)境較常規(guī)課堂教學更加復雜。而化學實驗教學的內(nèi)容又具有很強的實踐性，由認知負荷理論可知，學生在進行化學實驗的過程中，內(nèi)部認知負荷和外部認知負荷都較大。同時，學生對化學實驗的興趣和熱情也會增大相關(guān)認知負荷。這樣很容易使得他們的認知負荷總量超標，從而降低化學實驗教學的效果。
    因此，為了提高化學實驗教學的效果，對學習者在化學實驗教學過程中產(chǎn)生的認知負荷總量進行控制和調(diào)整就顯得尤為重要。為了更好地調(diào)控學習者在化學實驗過程中產(chǎn)生的認知負荷總量，避免因負荷超標而影響實驗教學的效果，同時也促進他們實驗技能和理論水平的同步提高，以下幾個方面值得我們加以思考。
      三、認知負荷理論在化學實驗教學中的應(yīng)用
    研究表明，在充分考慮學生已有知識的情況下，圖表等整合性的內(nèi)容呈現(xiàn)方式可以在一定程度上降低學生學習時的認知負荷。因此，我們可以在加強課前預(yù)習、合理設(shè)計試驗手冊和適時借助模擬前實驗等方面來提高化學實驗教學的效果。
    1. 密切聯(lián)系學生的前知識
學習者是從已有知識中建構(gòu)概念的。他們利用已有知識從各種外部呈現(xiàn)方式中選擇相關(guān)信息，然后將所選信息與已有知識相結(jié)合，并最終形成自己的知識結(jié)構(gòu)。因此，研究學習者已有知識的差異對于提高實驗教學的效果尤為重要。
    由于學生在化學實驗的過程中會同時產(chǎn)生較高的內(nèi)部、外部和相關(guān)認知負荷，從而使得認知負荷的總量很容易超標。然而，學生對化學實驗普遍存在著較強的學習熱情，我們很難降低他們在實驗過程中產(chǎn)生的相關(guān)認知負荷，因此，使得總認知負荷不超標的最好辦法就是降低內(nèi)部和外部認知負荷。
    加強實驗課前預(yù)習就是幫助學生通過強化已有知識和完善知識結(jié)構(gòu)來降低他們在實驗過程中產(chǎn)生的內(nèi)部和外部認知負荷。例如，有研究發(fā)現(xiàn)，包括理論回顧和技能提示的實驗前預(yù)習可以明顯降低實驗過程中提出低水平問題的學生比例，同時有助于改善他們在后續(xù)實驗中的表現(xiàn)（Jonstone，1997）。由此可見，我們可以通過加強實驗前的預(yù)習和練習來提高化學實驗的教學效果。
     2. 合理設(shè)計實驗手冊
     在化學實驗室中，學生不但要在短時間內(nèi)學習概念及其應(yīng)用，同時還要學習新技能、新設(shè)備，并進行實驗操作。對于一般學習者來說，這種要求同時理解化學實驗活動的理論意義并精通化學實驗操作的各種技巧的教學目標幾乎是不可能實現(xiàn)的。為了完成這樣的教學目標，我們設(shè)計了一些實驗手冊來幫助學習者提高在化學實驗中的學習效率。但是，常規(guī)的以文本說明為主的化學實驗手冊由于呈現(xiàn)給學生太多不加整合的新信息，從而使得學生的認知負荷處于超載狀態(tài)，降低了它對學生實驗的指導和幫助作用。為了盡可能降低實驗手冊給學生帶來的認知負荷，我們可以利用圖表等視覺表征來整合信息。
    Precharn Dechsri等人曾經(jīng)對不同類型的化學實驗手冊的教學效果進行過對比研究。研究發(fā)現(xiàn)把課文與圖表整合在一起的整合圖表型實驗手冊（包括用圖片和表格描述新設(shè)備、儀器結(jié)構(gòu)的正確使用過程與實驗先后步驟）有助于學生在學業(yè)成就測試和操作技能測試中取得高分，同時，也能夠激活學生對化學實驗活動的積極態(tài)度。
    由此可見，在文本中整合圖片和表格等視覺表征形式來輔助設(shè)計出的化學實驗手冊可以通過降低學生工作記憶中的信息量來降低學生的外部認知負荷，這樣學生就可以從化學實驗中獲得更多的知識和能力。
    3. 適時借助模擬前實驗
    由于化學實驗過程中，學生的各種認知負荷都較大，而在實驗室復雜的條件下，外部認知負荷通常很難操作，因此在實驗的理論方面降低內(nèi)部認知負荷可以改善學習效果，這是因為內(nèi)部認知負荷主要依賴于學習者圖式的結(jié)構(gòu)。很多時候，由于繁重的教學任務(wù)，我們很少有時間在實驗前訓練相關(guān)的實驗技能，而模擬就是一個很好的改變這種現(xiàn)狀的方法。T. Mikael Winberg 等人曾對電腦模擬前實驗對化學實驗教學的輔助效果進行過研究。
研究結(jié)果表明，模擬前實驗組在提出與實驗相關(guān)問題的數(shù)量和質(zhì)量，以及實驗技能的提升方面都優(yōu)于對照組。由此可見，模擬前實驗可以幫助學生整合知識圖式。這將有利于他們有更多的認知空間去思考，同時也能為他們在實驗過程中找到學習和思考的方向。
    而與此同時，整合多種表征形式的電腦模擬也可以引起學生在實驗中更多地關(guān)注理論問題。也就是說，用電腦模擬前實驗將有助于學生形成更多的結(jié)構(gòu)性圖式，降低他們在實驗過程中產(chǎn)生的認知負荷，從而提高化學實驗教學的實踐和理論效果。
    四、啟示
    認知負荷理論自從其誕生以來，就對教育教學產(chǎn)生了深遠的影響。由于化學教育自身的“實驗”性，很容易讓學習者在學習時產(chǎn)生較高的認知負荷水平，從而影響我們教學效果。那么，如何將二者有機結(jié)合呢？
    我們在化學實驗教學的組織過程中，首先要充分考慮每一個學習者已有的，與實驗相關(guān)的前知識水平和結(jié)構(gòu)。這將在很大程度上幫助我們從宏觀上充分了解和控制學生在化學實驗教學過程中產(chǎn)生的認知負荷，以免出現(xiàn)負荷超標而影響實驗教學的效果。
其次，要讓學生通過預(yù)習和實地參觀等方式在實驗前充分熟悉即將參與實驗學習的環(huán)境，從而盡量減少復雜實驗環(huán)境給他們帶來的過量外部認知負荷。也就是說，在實驗開始時，引起學生注意的應(yīng)該是實驗內(nèi)容本身，而非其他的東西。
    最后，我們可以通過整合有圖表的整合型實驗手冊的設(shè)計和通過前實驗的計算機模擬來幫助學生在實驗過程中盡可能減少產(chǎn)生的與理論知識有關(guān)的內(nèi)部認知負荷。只有這樣，化學實驗教學才能真正實現(xiàn)既訓練學生動手能力，又能讓他們通過實驗檢驗和發(fā)展理論知識的目的。