基于认知负荷理论的教学设计

发布者：杨心德\常经营\王小康  发布时间：2007-7-3 8:55:00
内容摘要
本文在论述认知负荷主要内容的基础上，着重揭示三种认知负荷所产生的不同效应，并阐述减少外部认知负荷、内部认知负荷以及增加有效认知负荷的教学设计策略，从而使认知负荷理论成为教学设计的重要理论基础，为有效的教学设计提供了心理学依据。
正文
文字大小：大中 小
1认知负荷理论的主要观点
澳大利亚心理学家sweller在20世纪80年代提出的认知负荷理论主要吸收和应用了认知心理学关于短时记忆和注意的研究成果。认知负荷理论习惯上把注意称为“认知资源”，而且认为人在进行认知活动时，注意的资源是有限的。因此，人在某一特定时间内只能有效地完成一种任务。如果在同一时间内要完成多种任务，就必须将有限的资源合理地分配这些任务中去。
同认知负荷相关的另一方面研究是短时记忆容量问题。从认知心理学的观点来看，认知是对信息进行选择性注意、编码、储存和提取等加工的过程。人的信息加工系统包括感觉记忆、短时记忆（又叫工作记忆）、长时记忆。感觉记忆被用于感知进入认知加工系统的视觉或听觉信息，信息在这里只停留几分之一秒，然后要么进入短时记忆，要么消退或消失。短时记忆是一种工作记忆，用于处理来自于感觉登记和长时记忆中提取出来的信息，工作记忆的容量是相当有限的，只能在很短的时间内储存一些信息项目，一般认为工作记忆的容量是7±2个组块。[2] 因此，在信息加工过程中，如果要求保持在短时记忆中的信息达到一定的数量，就会超过短时记忆的容量，从而使信息加工效率受到影响，甚至使加工不可能正常进行。所以人们常把短时记忆称为“认知容量”。[1]它的中心思想可以概括为在意识控制下的信息加工过程中认知资源与认知容量之间的高度协调和互助作用。如果超过了工作记忆的资源限度，学习是无效的。相反，长时记忆的容量在本质上是无限的。无限的长时记忆被用于储存很长时间的、巨大数量的信息，信息以图式的形式储存在长时记忆之中。图式无论多大或多复杂，在工作记忆中都被作为一个单一个体来处理。图式可以自动化并且可以在无意识下自动进行处理，而不需要工作记忆的有意识参与，因此降低了工作记忆容量。
Sweller综合考虑了注意与短时记忆的研究成果而提出认知负荷理论。他认为，注意与短时记忆在信息加工过程中是一种共生的关系。当加工一个对象时，短时记忆中的目标信息很少，人就可以将注意集中于这个对象上。而当同时加工多个对象时，短时记忆中的目标信息就会增加，从而导致短时记忆的超载，对每个对象的注意也就分配不足了。
近年来，心理学家们进一步将认知负荷分为内在认知负荷(intrinsic cognitive load )、外在认知负荷(extraneous\ineffective cognitive load )和有效认知负荷(germane\effective cognitive load )等三种类型（Kirschner, 2002; Pass, F , Alexander, Renkl, & Sweller, J, 2003）[4，5]。当任务环境作用于学习者的时候，通过这三种认知负荷与学习者原有的知识发生相互作用。因而，这三种认知负荷在教学设计中便产生不同的效应，对学习和教学具有积极的促进作用或消极的阻碍作用。三种形式的认知负荷两两之间的关系是不对称的。在资源被分配用于处理内部认知负荷之后，所剩余的工作记忆容量再被分配用于处理外部认知负荷和有效认知负荷。这些工作有先后次序，例如，利用更有效教学设计降低了外在认知负荷，释放出能量以提高有效认知负荷。如果通过降低外在认知负荷的教学设计改进了学习，进步可能已经发生，因为通过降低外在认知负荷而释放出附加的工作记忆容量，被分配给有效认知负荷。学习的结果是通过图式的获得和自动化，内在认知负荷是减少的。内在认知负荷的减少降低了总的认知负荷，因此，释放了工作记忆容量。释放的工作记忆容量允许学习者利用新学的材料形成更高级图式。一个新的循环开始。经历多个循环，便获得更高级知识和能力[4]。外部认知负荷与内部认知负荷、有效认知负荷相加就是总的负荷量，当总的负荷量不超过认知资源总量时，学习活动就可以顺利进行。基于这些认识的研究，产生了很多目的为减少外部认知负荷或操纵内部负荷，或增加有效认知负荷的教学设计方法[6]。
最后，认知负荷理论认为学习过程要求将工作记忆积极地用于理解和处理教学材料，并把即将习得的信息进行编码，储存在长时记忆中。Sweller及其同事正是在考察认知心理学关于人们怎样学习和获得知识的理论基础上，提出了关注工作记忆负荷的教学设计理论——认知负荷理论。由于认知负荷的三种类型会产生不同的效应，有效的教学设计便有必要认真考虑这些效应，使教学设计更加科学化，以利于促进学生的学习。
2减少外部认知负荷的教学设计
外在认知负荷(extraneous\ineffective cognitive load )是指由教学设计（如材料呈现方式和要求学生从事的活动）引起的工作记忆负荷。在通常情况下，外在认知负荷有可能加重学习者的心理能量，降低学习效率。但是如果改变教学材料的呈现方式或学习者的活动，也可降低外在认知负荷，从而促进学习。认知负荷理论家们花费大量的时间以设计可选择的教学设计和程序，与常规教学程序相比较，更能降低外在认知负荷。
2.1自由目标效应
“手段——目标”分析是对具体问题类型不熟悉的人们所广泛运用于解决传统问题的一种问题解决策略，它是建立在减少问题的当前状态和目标状态的差距的原理之上。在实践中，这种方法常常导致问题解决者从问题的目标状态向前操作至问题的初始状态[8]。虽然这种策略在达到问题解决上(即对目标状态赋值)是有效的，但是，由于这种策略要求注意同时指向问题的当前状态、目标状态、两种状态之间的差异、减少这些差异的方法以及任何可能导致问题解决的子目标上，因而，也导致了一个必然的结果，即产生高水平的认知负荷。自由目标就可以避免或者减少这种负面效应。自由目标效应(Goal - f ree Effect) 指学习目标并不十分明确或者设置多个任务目标时,学习者自已确定目标完成任务对学习效果的影响。如在解决代数方程问题时,不要求学生求出某个特定值,而是要求“求出尽可能多的值”。Sweller 等人通过大量实验研究发现：当运用自由目标问题或降低目标的明确性时,可提高学生学习和迁移的成绩[9]。自由目标对高水平写作者而言,有促进作用[10]。
2.2有解样例效应（worked example）
样例技术对促进以数学为基础的内容的广泛领域内的学习非常有效。一些为学生提供有详细解答步骤的样例的教学设计方法对于图式元素的抽取和加工可能是非常有效的[11]。样例以直接告知的、逐步的方式呈现给学生解决不同问题类型所需的程序，它包含等同于图式和自动化的清晰信息。也就是说，促进知识和技能获得的样例需要：确定问题所在的类型，回忆解决每一特定类型所需的步骤(序列的)，最后准确无误的执行每一步骤。由于学习样例所需的注意每一次只用于两个问题状态和与它们相关的转换(规则算子)上，因此给工作记忆施加了很低的认知负荷[12]。考虑到样例的特征和目的，这可能是一个可供选择的策略。强调样例的成功的方法是以交互的形式跟传统问题一起呈现样例的(即样例A，问题A；样例B,问题B??)。告诉学生成对材料的特征，并要求认真学习每一样例，因为他们一旦开始学习相关的问题时，将不允许回过头去看样例。这样学生将集中注意力于问题的类型和问题的相关步骤(即图式)上[8]。在解决相关的传统问题时，他们检验判断自己是否已学得这些程序。这可能是一种更加真实的练习问题解决的方式。当然，呈现的样例——问题对的数量、呈现的样例的范围、呈现的问题类型及速度等取决于相对于学习者的专门知识的材料的复杂性。相对的专门知识越多，问题类型的步骤的增加就越快。从实践的含义来说，对于一种新方法，教学者不能指望学习者通过试误的方法来学习怎样使用它，因为这样会产生很重的认知负担，同时也是一种无效的学习策略，最好是构建一个说明怎样使用这种方法的样例或指南。样例对低水平学生的写作成绩有很大的促进作用[10]。莫雷，谢丽娟等的研究也表明了样例在图式获得过程中有着积极的作用[13，14]。样例对先前知识不足的学习者来说是减少外部认知负荷的有效方法。
2.3注意分散效应
当学习者必须同时注意两个或多个来源的信息或活动时都会产生注意分散。因此，涉及多来源的信息应该在物理上被整合，以降低对有限的工作记忆的压力并释放出认知容量进行其他的信息处理[15]。许多教学材料既包含文字又包含图片，传统的教科书是把文字放在图片的上方或下方或者两侧，更有甚者两者放在不同的页码上。这种教学呈现就导致了注意分散效应，学生不得不同时注意图片和文字，因为仅仅图片或文字都没有提供足够让学生理解的信息，学生只有在智力上整合了这些多来源的信息后才能理解材料。而学习过程中需要用于整合这些图片和文字的短时记忆部分是很难完成的，这就给短时记忆施加了不必要的负荷，影响了学习的效果。在实际教学过程中，信息呈现应注意以下几点：尽可能的把图标的文字整合到图表中；尽可能的把相关的材料放在同一版面上；不同版面的材料尽可能的不迫使学习者回忆前一个版面的内容，如果需要可以在该版面作简要的回顾。
2.4冗余效应
把需要学习的信息以简洁的精确的形式呈现给学习者，避免重复或相似的说法。Paul Chandler和John Sweller[16]用实验证明,冗余的信息并非中性的,它们会对学习和理解造成消极的效应。因此,如果信息对理解不是有用的——即是冗余的,最好能把这些信息省略掉。在包含文字和图片的教学中，当文字或图片其中单独一种就能提供足够的理解时，应该仅运用一种来源的教学(或图片或文字)就足够了。在这种情况下，单独来源的教学比整合的形式(把文字整合到图片)或双重形式(平行使用文字和图片)都能获得更高的学习水平。从认知负荷理论角度来看，处理非有用信息会耗尽珍贵的认知资源，从而不利于学习。冗余效应对现实的信息呈现的含义表现如下：（1）最小限度的、剥离其中所有不必要的信息的计算机向导比常规的向导(这种向导显著的更长)要好；(2)屏幕应设计成仅包含有用的信息，多余的语言文字和图表应消除；(3)对于网站，导航信息应该在任一屏幕只出现一次，多余的应被抛弃；(4)为找到所需要的信息，网站导航不应迫使使用者不得不阅读多余的或不必要的信息页[8]。从以上陈述可以看出，分散注意和冗余效应的相互作用。当然，信息是必要的还是冗余的取决于材料的特征和学习者专门知识的水平，在实际的设计中，当使用者的知识水平是未知的时，最好假定使用者是低知识水平的，同时在物理上整合相关的材料(而不是省略它们)。
2.5阶段效应
在解多步骤问题时，错误更多地出现于子目标实现处而非目标实现处，特别是与目标邻近的那个子目标出[17]。Sweller等认为阶段效应表明了子目标处的认知负荷最大。因为在实现子目标时，工作记忆中新建了一个子目标变量，另外解题该阶段还不能提供完整地的答案，多条产生式可被激活，这些都会增加学习者的认知负荷。设计学习材料时为了消除阶段效应，应将新知识或难度较大的知识点置于目标处，若见其置于子目标处则会认为的增加学习材料的难度，对学习产生不好的影响。
2.6图表效应
把复杂的内容以图表的形式呈现，监会减低短时记忆的认知负荷。因为他们帮助在问题的成分之间建立更加具体的和清楚的联系；帮助减少搜索相关信息；但当外部记忆，这样帮助我们很快形成该问题的整体框架；用具体的形式描述成分之间的复杂关系；消除不必要的的信息以集中注意于对理解有意义的部分[8]。
3控制内部认知负荷的教学设计
内在认知负荷(intrinsic cognitive load )，属于整合思想或理解概念，反映所学材料内在的、本质的关系所需的认知负荷。学习的材料对工作记忆容量的要求是内在的，并随学习材料中的元素间相互作用的水平不同而不同，因此内在认知负荷也不能因教学操作而改变。一些较简单学习任务，元素间相互作用水平低，在选择忽略一些相互作用元素后，可以降低内在负荷。但是对于复杂的、高元素相互作用的学习任务，忽略会造成对相互作用元素的表面理解(忽略也可能是不可避免的)，直到被忽略元素随后被考虑到（尽管有高内在认知负荷），并且只有在同时认识到所有基本元素及其相互关系，理解才能发生，而对于学习仅仅是个开始。对学习材料产生ICL的控制是一个全新的受人关注的领域，这不仅是由于它是由CLT之父提出来的，也是由于他否认了早期的假设[6]。在前期的研究当中，认为内部认知负荷是无法控制的，因为它是由材料信息之间的相互关系造成的。近年来对内部认知负荷的探讨越来越受到关注，产生一些操纵内部认知负荷的教学设计方法。
3.1通道效应
尽管材料之间的关系我们无法改变，我们可以扩展工作记忆。Pavio和Baddeley[18]的研究表明，短时记忆是处理视觉和听觉部分的信息的相分离的处理器，至少其中的一些部分似乎具有感官模式上的特殊性。也就是说，工作记忆的一些部分仅专注于视觉信息(特别是图表信息)，而另一些部分专注于听觉信息(特别是口头言语信息)。因此，分离所学的信息，如图表信息以视觉形式呈现，另一些信息如文字信息以听觉形式呈现能促进学习。[从认知负荷理论看教学设计]通道效应对现实教学设计的含义表现如下：(1)视听材料是一种最有用的减少注意分散效应的方法，如用听觉的形式呈现多来源信息的文字成份；(2)在计算机界面的环境下，听觉是呈现错误信息的一种方式(再三重复提供这些信息)，然而，如果信息同时以听觉的和视觉的形式呈现，视觉的成份就变为多余的了；(3)应避免过多的或过复杂的听觉成份，以避免产生过高的认知负荷；(4)听觉材料应适时安排；(5)为了普遍的获得(如全面获得相关知识)有时需要呈现冗余信息。这样，什么是适宜的设计取决于学习者团体的组成。该种方法经常用于多媒体教学中[19，20]
3.2增加内部认知负荷同时减少外部认知负荷
ICL也能够人为的减少，方法就是通过信息次序的合理编排呈现。在针对缺乏基础图式的初学者设计的教学程序中，把大量的信息一次性地呈现给学习者，尽管在开始阶段他们不能很好的理解，但是在第二阶段出现了良好的学习和迁移效果。也就是说，在高ICL情况，通过足够的减少ELT,或者人为减少ICL下，CLT练习形成的效果才会出现，不过学习材料究竟是否引起高ICL,只有考虑先前经验才能确定[6][21]。
3.3不完整样例效应
对于不完整样例来说就是在样例呈现过程中把一些步骤以填空的形式要求学习者自己解决。Gerjets等人也证明了通过呈现模块化的样例可以降低学习者的内在认知负荷。他们综合自己和他人的研究，得出结论认为：当把要学习的例题访问结成意义完整地、可以单独呈现的模块化例题时，可以使学习者的内在认知负荷降低，并使学习者用于样例的时间减少，而学习成绩提高。Renkl等认为在认知技能或得初期，学习不完整样例是一个非常有效的途径。随着学习者知识水平的提高，用尖尖的方式呈现不完整样例的解答步骤，最后演变成问题解决得一个有效途径[21]。实验表明这种方法可以更有效的促进迁移的产生[22]。
4增加有效认知负荷的教学设计
有效认知负荷(germane\effective cognitive load )是指与图式建构和获得以及图式自动化过程的努力程度有关的认知负荷[6]。学生在学习中由新手转变为专家，不断形成新图式，以及工作记忆处理新信息进入更高级、更复杂的图式，这些处理都发生在工作记忆并增加了工作记忆的负荷，这种认知负荷就被称为有效认知负荷。当前关于认知负荷的研究趋势是增加GLT，即在许可范围内或降低ICL或减少ECL而使CL总量保持不变。在这种情况下那些释放出的工作记忆容量可以用于图式的建构或自动加工。这可以通过增加GLT来实现，也就是刺激学习者更深层的认识学习材料。
4.1重新引导注意分配
CLT研究领域的最近一个趋势是减少ECL的同时在练习策略中增加GLT两者联合起来，因此，重新引导学习者的注意从庞杂的外部认识过程中转向相关的图式建构的理想过程中Van merrienboer等演示了这个想法，即重新引导学习者的注意分配，主要是基于同时控制ELT和GLT而作的[23]。在两个实验中，他首先分析了ECL和GLT各自的主效应，在第一个实验中，他们发现当呈现有解样例时，高的练习成绩就出现了，这可以解释为减少ECL，第二实验中，通过学习内部高相关的知识来增加GLT正如预期的，这种方法明显产生了高CL (与内容相关低的知识相比)和产生高位迁移的趋势。最后，通过第三个试验，van等试图重新引导学习者的注意从无目的到目标明确，方法是把以上两者结合起来应用到一个实验中。与他们假设相一致时的，结果出现了两者联合产生了更高的学习效果，不过没有出现高的迁移行为。
以上提到没有出现高的迁移结果（在两个实验中）可以总结出使GLT增加（尤其与ELT减少联合时）必须有严格的指导。因此，在以后的研究中，同样的材料应该用于所有的实验当中。如果仅仅在减少ELT或增加GLT情况下获得迁移的改变，在联合试验重新分配注意情况下，需要对学习者的注意分配重新进行测验，这样才能使结果更准确。
4.2增加元认知
元认知负荷是有效认知负荷的一部分，因此在学习者学习过程中，帮助学习者进行归纳总结，从而形成策略性知识，成为元认知知识的一部分；另外帮助学生进行元认知监控，增加有效认知负荷[21]。
参考文献：
1 张义泉，许远理．认知负荷测量模型简介．信阳师范学院学报．1997，17（4）：59-62
2 王甦，汪安圣．认知心理学．第一版．北京：北京大学出版社，1992．137-146
3 Dr．Graham. Cooper．Research into Cognitive Load Theory and Instructional Design at UNSW．School of Education Studies．The University of New South Wales，Sydney，NSW 2052，Australia，1998，11
4 Pass F，Alexander Renkl，Sweller J．Cognitive Load Theory and Instructional Design：Recent Developments．Educational Psychology，2003，38(1)：1-4
5 A Kirschner P．Cognitive Load Theory：implications of Cognitive Load Theory on the design of learning．Learning and Instruction，2002，12(1)：1-10
6 Maria Bannert．Managing cognitive load—recent trends in cognitive load theory．Learning and Instruction，2002，12: 139–146
7 Martin Valcke．Cognitive Load:Updating The Theory? ．Learning and Instruction,2002,12:147-154
8赖日生，曾晓青，陈美荣．从认知负荷理论看教学设计．江西教育学院学报（社会科学），2005，26：（1）：52～55
9 Sweller J．Why some material is difficult to learn．Cognitive and Instruction，1994，12：185 -233
10 朱晓斌，张积家．自由目标效应与样例效应对学生写作成绩影响．心理科学，2005，28(5)：1139-1143
11 连四清．认知负荷理论与数学教学样例设计．数学通报，2005，44（11）：22-24
12 Roxana Moreno.When worked examples don’t work：Is cognitive load theory at an Impasse? .Learning and Instruction，2006，16 ：170-181
13 莫雷，邹艳春，金素萍．材料模式与认知负荷对小学生类比学习的影响．心理科学，2000，23（4）：385-389
14谢丽娟，陈焕文，谢光荣．认知负荷与材料模式对学生类比推理迁移影响的再研究．湖南师范大学教育科学学报，2005，4(1)：115-118
15 Moreno R，Mayer R. E．Cognitive principles of multimedia design：the role of modality and contiguity．Journal of Educational Psychology，1999，91：358-368
16 Chandler P，Sweller J．Cognitive Load Theroy and The Format of Instrution ．Cognition and Instruction，1991，8：293-332
17 张慧，张凡．认知负荷理论综述．教育研究与实验，1999，（4）：45-47
18 Baddeley A D．Working Memory．Science，1992，255：556-559
19 张彤，赵翠霞，郑锡恩．基于认知理论的多媒体教学界面设计研究．心理科学，2004，27(6)：1502-1505
20 Ttabbers H K，Martens R L，van Merrienboer J J G．Multimedia Instructions and Cognitive Load Theory: Effects of Modality and Cueing．British Journal of Educational Psychology，2004，74(1)：71-81
21龚德英.多媒体学习中增加相关认知负荷影响学生学习的实验研究，硕士论文.重庆：西南师范大学，2005
22 Renkl A， Atkinson R K，Maier U H，等．From Example Study to Problem Solving: Smooth Transitions Help Learning ．Journal of Experimental Education，2002，70(4)：293-315
23 Van Merrienboer J J G，Schuurman J G，De Croock M B M，等．.Redirecting learners’ attention during training：effects on cognitive load, transfer testperformance and training efficiency.Learning and Instruction，2002，12：11–37