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澳大利亚心理学家约翰·斯威勒于上世纪80年代提出了认知负荷理论，其核心内容是，人们在认知加工过程中要投入一定的心理努力，占用一定的认知资源，承载一定的负荷。认知负荷是由学习材料的组织和呈现方式、学习材料内在本质特征以及学习者先前的知识经验三个因素所决定的。认知负荷有三种，即内在认知负荷、外在认知负荷和有效认知负荷，三种类型的认知负荷是相互叠加的，构成了学习者在认知活动中总的认知负荷量。学习活动的效果与效率，都与学习活动产生认知负荷的量能有关。学习者在学习过程中的认知负荷总量与记忆容量不相匹配，就会导致认知资源的不足，或者抑制学习者的认知意愿，严重影响学习者进行意义建构。
改进课堂教学方法，提高课堂教学效率，是课堂教学改革追求的永恒主题，科学合理的课堂教学设计则是提高课堂教学效率的关键。认知心理学研究认为，课堂学习材料的编排、呈现的形式、学习任务的难度等都会影响学生工作记忆的认知负荷。合理的教学设计重视控制学生在学习活动中所产生的各种负荷，让认知负荷的量处于学生认知资源及其能力的恰当区间，并使学生有限的认知资源能够投入到概念意义的建构、概念图式化的形成和图式的自动化之中。因此，认知负荷理论对小学科学课堂教学的设计有着重要的启示作用。
合理呈现实验器材，有效控制外在认知负荷
外在认知负荷是一种无效认知负荷，主要由學习材料的组织和呈现方式不恰当以及让学生进行的认知活动不恰当所引起。在小学科学教学中，教师应当通过对实验器材的精心规划，实现对学习材料的合理组织和呈现，排除无效的教学信息，从而达到有效控制不必要的外在认知负荷的目的，提高课堂教学效果。
1.精选实验器材，排除信息冗余
实验器材是小学科学探究活动的重要载体。典型而完备的实验器材，能有效支撑学生的探究活动，合理引导学生的思维，使其顺利地建构概念、建立图式。过多过杂的实验器材常常会干扰学生的思维，增加不必要的外在认知负荷。
例如在建立“毛细现象”这一概念时，很多老师会提供很多的器材给学生进行检测。这些实验器材如果没有遵循分类原则，就会导致活动器材数量的严重超标，致使学生在活动时将大量的认知资源投放到操作器材之中，使探究活动变为简单的动手操作。在老师给定的实验时间内，有的学生甚至连动手操作都来不及完成。有的老师还会为学生准备一些不常见的材料，如装在吸管中的活性炭颗粒，由于很多学生第一次见到这种材料，他们会将大量的注意力集中在这一材料上，而忽视了“发现产生毛细现象材料的共同特征”这一核心任务。有的老师为增加实验的趣味性，在操作材料中增加了“切片面包”这种材料，也常常将学生的操作实验引向品尝面包的趣味体验中。显然，这些干扰学生的冗余信息，会让学生将有限的认知资源投入到对无效信息的处理之中，导致认知资源的大量消耗，使工作记忆过早耗尽，从而使认知资源不能有效地作用在概念建构中。
2.合理组织呈现，促进信息理解
精选实验器材并不是一味地减少器材，而是要将实验器材经过一定的组织，在合适的时机合理地呈现给学生。例如，某教师在引导学生探究毛细现象时，准备了纸巾条、布条、粉笔、海绵、吸管、玻璃片、红蓝两色的花以及毛细现象演示器等实验材料。课堂上教师首先出示“红蓝两色的花”以引起学生的学习兴趣，接着将纸巾条、布条、粉笔、海绵、吸管、玻璃片组合成一组材料，让学生在检测这些物品是否产生毛细现象后，得到“狭缝、孔隙能够让水升高”的初步结论。然后再使用这组材料，要求学生在玻璃片、吸管上构造狭缝、孔隙来验证形成的假设，即两根吸管之间可以形成狭缝，湿透的纸巾、海绵等物品置于两块玻璃之间，也能形成一条由宽到窄的狭缝。在学生发现狭缝产生毛细现象规律的基础上，出示“毛细现象演示器”，向学生演示毛细现象的典型规律。在探究过程中，教师引导学生先后多次使用这些材料组合，其实质是为学生的探究搭建“脚手架”，将他们的外在认知负荷在操作过程中始终控制在一个比较合理的范围，从而将认知资源尽可能多地投入到构造狭缝、验证假设、形成图式、建构概念这些更有思维价值的活动之中，有效地降低了学生的认知负荷，促进了科学概念的意义建构。
巧妙搭建认知支架，适度降低内在认知负荷
内在认知负荷是指因学习内容包含的信息元素数量及其交互水平的复杂性给工作记忆带来的负荷。内在负荷从某种意义上反映了学习内容的难度，但是学习内容是否复杂且具有难度还取决于学生已有的知识和经验（图式数量）。减少内在负荷的关键在于减少学习内容包含的元素及其交互性。教学设计则需要根据学生的经验和水平，设置符合学生能力的认知任务和学习内容，或降低学习目标的难度，或分步达成较为复杂的学习目标。因此，搭建认知支架，有助于减少学生在学习过程中的内在认知负荷。
1.合理设置目标，重构学习内容
课程标准为学习内容的选择和学习目标的制定提供了可供参考的基准。但是，有些教师往往置课程标准和学生水平于不顾，一味地在教学中安排不符合学生认知水平的学习内容，设置不恰当的教学目标。
如小学中年级“物体沉浮”的内容，很多课堂会把沉浮原因的探讨深入至液体密度、排水体积的层次。有的课堂在探究活动中不进行变量的分离和控制，直接将所有变量，如物体的重量、液体的密度、排水的体积与漂浮、悬浮、下沉等状态杂糅在一起，组成一个内在认知负荷超量的研究课题。这样的学习内容带来的负荷远远超出了学生的工作记忆所能承载的极限，学习中必然大量占据学生所有的记忆资源，从而阻塞其他认知通道，导致学习任务无法完成。
沉浮现象是重力和浮力两个量之间的关系决定的，小学生在认识沉浮现象之后，应选择“重力与浮力差”作为深入探讨沉浮现象的重要关系，无论是借助测力计进行重力和浮力的测量，还是用数学方法进行两者之差的计算，这些都落在学生的能力阈值之内。这样，学生就可以将节约出来的认知资源，投放在建构沉浮现象和“重力与浮力差”的关系中。 此例中，学习内容的信息元素被严格控制在清晰的两个变量之中，且由于重力因素基本不发生改变，要素之间的交互作用也被限制在浮力的改变引起的沉浮变化之中。这样，既尊重了学科的逻辑，又遵循了学生的认知规律，使得学生自主建构概念和形成“图式”成为可能。
2.搭建任務支架，逐步突破目标
当学习的内容相对于学生的认知水平略为复杂时，教学设计必须将学习内容或者任务分解成若干个子任务，在依次完成子任务、构建认知支架的基础上，实现对教学整体任务的突破。教学中，要注意分解任务的合理性及其各子任务排列的有序性，如对“物体的沉浮”这一问题的探究，可以将“物体的重量影响物体的沉浮”这个概念的学习任务分成若干子任务。
子任务1：从漂流瓶的“浮”入手，引出“如何让漂流瓶沉到水里去”这个话题，引导学生在假设和实验验证后，初步发现“沉”的原理（加重使浮的物体下沉）。
子任务2：应用刚发现的原理进行解释，进一步提出“如何让瓶子（潜水艇）悬在水中”，揭开“悬”的奥秘（加重，物体下沉;减重，物体上浮）。
子任务3：要求学生制作“不需要补给设备的潜水艇”（沉浮子）。
这样，每个子任务的有序排列，使得整体认知目标的元素、难度和复杂度都被降低。子任务的分解和排列环环相扣，循着“由易到难”的内在逻辑螺旋上升，形成一个结构优良的认知支架，为学生完成整体目标铺设阶梯，把概念的建构逐步引向深入，促进学生对沉浮的意义进行建构，并引起学生对“沉浮原理”产生“图式自动化”，最后顺利完成整体学习任务。
优化概念图式结构，提高相关认知负荷
相关认知负荷是指工作记忆对认知任务进行实质性认知操作而承受的负荷。有研究表明，当一个学习任务的外在认知负荷及内在认知负荷都被有效降低到很恰当的水平时，学生对问题的解决和概念的迁移依然可能没有如期发生改变，这是因为学生并没有或者不愿意将富余的认知资源投入到学习活动中去。所以，激发学生的学习兴趣、唤醒学生的认知意愿是提高相关认知负荷的基础。
1.借用可视图示，优化概念图式建构
图示是学生形象思维向抽象思维过渡的重要载体，运用图示进行表达和思维，是学生思维从感性向理性逐步发展的重要环节。可视化图示教学的本质，是将抽象的思维材料“图式化”，具体就是将问题展现、概念形成、规律探索等思维过程直观地呈现出来。学生制作图示的过程则是他们个性化建构概念图式的重要演练方式，能够促进图式的建构与优化。
在建立“物体的重量影响物体的沉浮”这个概念的学习中，当学生借助动手操作，建立了对“加重可以使漂流瓶下沉，减重可以使漂流瓶上浮”的形象认识后，可利用水槽、水、漂流瓶、橡皮泥等操作器材的“图示”，完成概念图式的建构和优化。在发现“潜水艇上浮和下沉”的秘密后，可以要求学生借助“画图”的方式，把“潜水艇”发生沉浮运动的原理，运用“图示”可视化地表达出来，从而促进概念和“图式”的个性化建构。
2.巧用变式训练，促进概念图式自动化
认知负荷理论认为，提供变式的训练是增加相关认知负荷的一个有效途径。当概念及其图式建构之后，学生利用“图式”进行变式的训练，能够有效促进图式的自动化。图式及其自动化能降低后续学习的认知负荷，让富余的认知资源作用在新的概念和新的图式的建构中，形成良性循环。
在利用“物体的重量影响物体的沉浮”这一规律解释现象时，我们可以加入“重量”特征发生变化的多种变式，这些变式可以为学生提供辨认“概念图式”中相似特征的机会，扩展“概念图式”适用范围，从而促进或增强图式发展、迁移和自动化。
此外，教师也可以提供“排水体积变化形成的沉浮”或“液体密度引起的沉浮”这些与已有图式结构无关的变式，促使学生将已有图式中的相似特征，与变式中的无关特征进行区分，增进学生对概念和图式的甄别，促进学生对图式进一步理解。
综上所述，小学科学课堂教学设计应设置合理的认知负荷，将学生有限的认知资源作用于有意义的认知加工过程，促进学生在课堂学习中的科学概念建构。借助“图式”建构及相关活动，促进认知结构的良性循环是促进概念建构的有效方法和途径。
改进课堂教学方法，提高课堂教学效率，是课堂教学改革追求的永恒主题，科学合理的课堂教学设计则是提高课堂教学效率的关键。认知心理学研究认为，课堂学习材料的编排、呈现的形式、学习任务的难度等都会影响学生工作记忆的认知负荷。合理的教学设计重视控制学生在学习活动中所产生的各种负荷，让认知负荷的量处于学生认知资源及其能力的恰当区间，并使学生有限的认知资源能够投入到概念意义的建构、概念图式化的形成和图式的自动化之中。因此，认知负荷理论对小学科学课堂教学的设计有着重要的启示作用。
合理呈现实验器材，有效控制外在认知负荷
外在认知负荷是一种无效认知负荷，主要由學习材料的组织和呈现方式不恰当以及让学生进行的认知活动不恰当所引起。在小学科学教学中，教师应当通过对实验器材的精心规划，实现对学习材料的合理组织和呈现，排除无效的教学信息，从而达到有效控制不必要的外在认知负荷的目的，提高课堂教学效果。
1.精选实验器材，排除信息冗余
实验器材是小学科学探究活动的重要载体。典型而完备的实验器材，能有效支撑学生的探究活动，合理引导学生的思维，使其顺利地建构概念、建立图式。过多过杂的实验器材常常会干扰学生的思维，增加不必要的外在认知负荷。
例如在建立“毛细现象”这一概念时，很多老师会提供很多的器材给学生进行检测。这些实验器材如果没有遵循分类原则，就会导致活动器材数量的严重超标，致使学生在活动时将大量的认知资源投放到操作器材之中，使探究活动变为简单的动手操作。在老师给定的实验时间内，有的学生甚至连动手操作都来不及完成。有的老师还会为学生准备一些不常见的材料，如装在吸管中的活性炭颗粒，由于很多学生第一次见到这种材料，他们会将大量的注意力集中在这一材料上，而忽视了“发现产生毛细现象材料的共同特征”这一核心任务。有的老师为增加实验的趣味性，在操作材料中增加了“切片面包”这种材料，也常常将学生的操作实验引向品尝面包的趣味体验中。显然，这些干扰学生的冗余信息，会让学生将有限的认知资源投入到对无效信息的处理之中，导致认知资源的大量消耗，使工作记忆过早耗尽，从而使认知资源不能有效地作用在概念建构中。
2.合理组织呈现，促进信息理解
精选实验器材并不是一味地减少器材，而是要将实验器材经过一定的组织，在合适的时机合理地呈现给学生。例如，某教师在引导学生探究毛细现象时，准备了纸巾条、布条、粉笔、海绵、吸管、玻璃片、红蓝两色的花以及毛细现象演示器等实验材料。课堂上教师首先出示“红蓝两色的花”以引起学生的学习兴趣，接着将纸巾条、布条、粉笔、海绵、吸管、玻璃片组合成一组材料，让学生在检测这些物品是否产生毛细现象后，得到“狭缝、孔隙能够让水升高”的初步结论。然后再使用这组材料，要求学生在玻璃片、吸管上构造狭缝、孔隙来验证形成的假设，即两根吸管之间可以形成狭缝，湿透的纸巾、海绵等物品置于两块玻璃之间，也能形成一条由宽到窄的狭缝。在学生发现狭缝产生毛细现象规律的基础上，出示“毛细现象演示器”，向学生演示毛细现象的典型规律。在探究过程中，教师引导学生先后多次使用这些材料组合，其实质是为学生的探究搭建“脚手架”，将他们的外在认知负荷在操作过程中始终控制在一个比较合理的范围，从而将认知资源尽可能多地投入到构造狭缝、验证假设、形成图式、建构概念这些更有思维价值的活动之中，有效地降低了学生的认知负荷，促进了科学概念的意义建构。
巧妙搭建认知支架，适度降低内在认知负荷
内在认知负荷是指因学习内容包含的信息元素数量及其交互水平的复杂性给工作记忆带来的负荷。内在负荷从某种意义上反映了学习内容的难度，但是学习内容是否复杂且具有难度还取决于学生已有的知识和经验（图式数量）。减少内在负荷的关键在于减少学习内容包含的元素及其交互性。教学设计则需要根据学生的经验和水平，设置符合学生能力的认知任务和学习内容，或降低学习目标的难度，或分步达成较为复杂的学习目标。因此，搭建认知支架，有助于减少学生在学习过程中的内在认知负荷。
1.合理设置目标，重构学习内容
课程标准为学习内容的选择和学习目标的制定提供了可供参考的基准。但是，有些教师往往置课程标准和学生水平于不顾，一味地在教学中安排不符合学生认知水平的学习内容，设置不恰当的教学目标。
如小学中年级“物体沉浮”的内容，很多课堂会把沉浮原因的探讨深入至液体密度、排水体积的层次。有的课堂在探究活动中不进行变量的分离和控制，直接将所有变量，如物体的重量、液体的密度、排水的体积与漂浮、悬浮、下沉等状态杂糅在一起，组成一个内在认知负荷超量的研究课题。这样的学习内容带来的负荷远远超出了学生的工作记忆所能承载的极限，学习中必然大量占据学生所有的记忆资源，从而阻塞其他认知通道，导致学习任务无法完成。
沉浮现象是重力和浮力两个量之间的关系决定的，小学生在认识沉浮现象之后，应选择“重力与浮力差”作为深入探讨沉浮现象的重要关系，无论是借助测力计进行重力和浮力的测量，还是用数学方法进行两者之差的计算，这些都落在学生的能力阈值之内。这样，学生就可以将节约出来的认知资源，投放在建构沉浮现象和“重力与浮力差”的关系中。 此例中，学习内容的信息元素被严格控制在清晰的两个变量之中，且由于重力因素基本不发生改变，要素之间的交互作用也被限制在浮力的改变引起的沉浮变化之中。这样，既尊重了学科的逻辑，又遵循了学生的认知规律，使得学生自主建构概念和形成“图式”成为可能。
2.搭建任務支架，逐步突破目标
当学习的内容相对于学生的认知水平略为复杂时，教学设计必须将学习内容或者任务分解成若干个子任务，在依次完成子任务、构建认知支架的基础上，实现对教学整体任务的突破。教学中，要注意分解任务的合理性及其各子任务排列的有序性，如对“物体的沉浮”这一问题的探究，可以将“物体的重量影响物体的沉浮”这个概念的学习任务分成若干子任务。
子任务1：从漂流瓶的“浮”入手，引出“如何让漂流瓶沉到水里去”这个话题，引导学生在假设和实验验证后，初步发现“沉”的原理（加重使浮的物体下沉）。
子任务2：应用刚发现的原理进行解释，进一步提出“如何让瓶子（潜水艇）悬在水中”，揭开“悬”的奥秘（加重，物体下沉;减重，物体上浮）。
子任务3：要求学生制作“不需要补给设备的潜水艇”（沉浮子）。
这样，每个子任务的有序排列，使得整体认知目标的元素、难度和复杂度都被降低。子任务的分解和排列环环相扣，循着“由易到难”的内在逻辑螺旋上升，形成一个结构优良的认知支架，为学生完成整体目标铺设阶梯，把概念的建构逐步引向深入，促进学生对沉浮的意义进行建构，并引起学生对“沉浮原理”产生“图式自动化”，最后顺利完成整体学习任务。
优化概念图式结构，提高相关认知负荷
相关认知负荷是指工作记忆对认知任务进行实质性认知操作而承受的负荷。有研究表明，当一个学习任务的外在认知负荷及内在认知负荷都被有效降低到很恰当的水平时，学生对问题的解决和概念的迁移依然可能没有如期发生改变，这是因为学生并没有或者不愿意将富余的认知资源投入到学习活动中去。所以，激发学生的学习兴趣、唤醒学生的认知意愿是提高相关认知负荷的基础。
1.借用可视图示，优化概念图式建构
图示是学生形象思维向抽象思维过渡的重要载体，运用图示进行表达和思维，是学生思维从感性向理性逐步发展的重要环节。可视化图示教学的本质，是将抽象的思维材料“图式化”，具体就是将问题展现、概念形成、规律探索等思维过程直观地呈现出来。学生制作图示的过程则是他们个性化建构概念图式的重要演练方式，能够促进图式的建构与优化。
在建立“物体的重量影响物体的沉浮”这个概念的学习中，当学生借助动手操作，建立了对“加重可以使漂流瓶下沉，减重可以使漂流瓶上浮”的形象认识后，可利用水槽、水、漂流瓶、橡皮泥等操作器材的“图示”，完成概念图式的建构和优化。在发现“潜水艇上浮和下沉”的秘密后，可以要求学生借助“画图”的方式，把“潜水艇”发生沉浮运动的原理，运用“图示”可视化地表达出来，从而促进概念和“图式”的个性化建构。
2.巧用变式训练，促进概念图式自动化
认知负荷理论认为，提供变式的训练是增加相关认知负荷的一个有效途径。当概念及其图式建构之后，学生利用“图式”进行变式的训练，能够有效促进图式的自动化。图式及其自动化能降低后续学习的认知负荷，让富余的认知资源作用在新的概念和新的图式的建构中，形成良性循环。
在利用“物体的重量影响物体的沉浮”这一规律解释现象时，我们可以加入“重量”特征发生变化的多种变式，这些变式可以为学生提供辨认“概念图式”中相似特征的机会，扩展“概念图式”适用范围，从而促进或增强图式发展、迁移和自动化。
此外，教师也可以提供“排水体积变化形成的沉浮”或“液体密度引起的沉浮”这些与已有图式结构无关的变式，促使学生将已有图式中的相似特征，与变式中的无关特征进行区分，增进学生对概念和图式的甄别，促进学生对图式进一步理解。
综上所述，小学科学课堂教学设计应设置合理的认知负荷，将学生有限的认知资源作用于有意义的认知加工过程，促进学生在课堂学习中的科学概念建构。借助“图式”建构及相关活动，促进认知结构的良性循环是促进概念建构的有效方法和途径。