認知負荷理論的解讀及啟示

學術交流 2009-03-07 20:04:28 閱讀50 評論0 字型大小：大中小

摘要：在闡述認知負荷理論的基本觀點基礎上，分析了教學中學生認知負荷的結構，從提高課堂教學效果的角度，對優化教學中學生認知負荷結構提出了具體的建議：控制內在認知負荷；降低外在認知負荷；提高相關認知負荷。

關鍵詞：認知負荷理論認知負荷結構課堂教學效果教學設計

1988年，澳大利亞新南威爾士大學的心理學家J.Sweller在現代認知心理學研究成果的基礎上，從認知資源分配的角度正式提出「認知負荷理論」（CognitiveLoadTheory，簡稱CLT）。隨後認知負荷理論開始在實踐教學領域被廣泛研究，並取得了一定的研究成果。諸多研究證明，認知負荷理論為研究教學過程中的認知處理提供了一種新的理論框架，對教學實踐具有極其現實的指導意義。正如Alexander(1997)所論證,認知負荷被看作是教學活動設計的一個重要因素,教學活動是否有效取決於(或部分取決於)它能否減少不必要的認知負荷。[1]

一、認知負荷理論的基本觀點

認知負荷理論是基於人腦工作記憶（workingmemory）的有限性發展起來的。在人的信息加工系統中，短時記憶(short-termMemory)是一種工作記憶，主要處理從感覺記憶(sensorymemory)和長時記憶(long-termmemory)中提取出來的信息，在整個信息加工系統中起著支配信息加工系統中信息流的作用，對認知活動的順利開展有著至關重要的作用。認知負荷理論十分關注學習過程中的工作記憶的作用，其基本觀點可概括為：（1）工作記憶的容量是極其有限的，長時記憶的容量在本質上是無限的，所有的信息在進入長時記憶之前，必須在工作記憶中進行信息加工；（2）學習過程要求將工作記憶積極地用於理解(和處理)材料並對即將習得的信息進行編碼以儲存在長時記憶中；（3）如果學習者所要加工的信息容量超出了學習者的工作記憶所能加工的信息容量，那麼學習將變得無效。在此基礎上，J.Sweller等人認為，問題解決和學習過程中的各種認知加工活動均需消耗認知資源，產生一定的認知負荷，若所有活動所需的資源總量超過了工作記憶的容量，就會引起資源分配的不足，從而影響個體學習或問題解決的效率，這種情況被稱為認知超載(cognitiveoverload)。

二、認知負荷的概念及其結構

自20世紀80年代認知負荷理論問世以來,人們對認知負荷(cognitiveload)概念的理解一直是眾說紛紜。如Cooper(1990)認為認知負荷是指加工特定數量信息所要求的心理能量水平；J.Sweller等（1998）認為認知負荷就是將特定工作加之於學習者認知系統時所產生的負荷；辛自強等（2002)認為認知負荷可被視作是加工特定數量信息所要求的腦力勞動,隨著加工的信息數量的增加,認知負荷也增加；林崇德等(2005)認為認知負荷指的是一個事例中智力活動強加給工作記憶的數量；賴日生等(2005)認為認知負荷指的是在某種場合施加到工作記憶中的智力活動的總的數量；楊心德等（2007）認為認知負荷是完成某項任務而在工作記憶上所進行的心智活動所需的全部心智能量。結合以上不同解釋，筆者認為，認知負荷是人們為順利完成特定工作任務，實際投入到工作記憶中去的認知資源的總和，包括必需的和不必需的。

從結構上來看，認知負荷由內在認知負荷(IntrinsicCognitiveLoad)、外在認知負荷(ExtraneousCognitiveLoad)和相關認知負荷(GermaneCognitiveLoad)組成：（1）內在認知負荷由材料本身的固有特性（如難度和複雜度)和學習者原有的知識水平，以及這兩者的交互作用決定，一般認為內在認知負荷是相對固定的，不能被教學設計(InstructionDesign)所改變，但近來也有學者認為內在認知負荷是可以改變的（Pollocketal，2002；Peteretal,2004)；（2）外在認知負荷來源於教學材料的呈現方式和教學設計，一般與教學內容的不合理組織和設計有關，能通過教學內容的重新組織和設計進行調整；（3）相關認知負荷是與學習者主觀領域相關的信息,指學習者在圖式(Schema)建構和自動化過程中意欲投入的認知資源的數量[2]，它與學生的認知努力有關，提高學生的相關認知負荷，可以引導學生利用剩餘認知資源進行深層次的圖式建構，因此，Bannert(2002)將其看作圖式建構和自動化的工具[3]。

三、認知負荷理論對教學工作的啟示

為避免教學中學生認知負荷總量超過其工作記憶容量，認知負荷理論的教學原理就是：儘可能降低學生的內在認知負荷和外在認知負荷；並在確保工作記憶資源有所盈餘的前提下，適當引導學生投入更多的心理努力（MentalEffort），提高其相關認知負荷，實現圖式的獲得與規則的自動化。如前所述，教學活動中學生內在認知負荷與教學材料的特點和學生的認知水平有關，外在認知負荷與教學材料的呈現方式和教學設計水平有關，相關認知負荷與學生的認知努力（MentalEffort）有關。為此，我們可以從以下幾個方面來優化教學活動中學生的認知負荷結構，提高教學效果。

（一）控制內在認知負荷：充分考慮教材特點與學生認知水平及其交互作用

一般認為內在認知負荷是由學習材料的本質所決定的，不能通過教學設計的改變而改變，但Pollocketal(2002)和Peteretal(2004)的實驗提出了異議。[4]兩個實驗共同點在於利用材料的信息排序原理降低內在認知負荷。Pollocketal首先向學生分批展示學習材料,然後一次性地全部展示，這種學習材料排序法,尤其是對初學者而言,能更好地促進對學習材料的深層次理解(引自Bannert,2002)。而Peteretal改變了傳統樣例教學(ExampleInstruction)方式,把樣例分解成幾個能單獨理解的成分，他的五個實驗最終結果一致表明，新的樣例呈現方式降低了材料給學生帶來的內在認知負荷。

TracyClarke,PaulAyres與JohnSweller也在他們的「TheImpactofSequencingandPriorKnowledgeonLearningMathematics：ThroughSpreadsheetApplications」一書中研究了一種改變固有認知負荷的漸進方法。他們使用Spreadsheet軟體來形成學生的數學技能。學生被分為兩類。一類學生對Spreadsheet不怎麼熟悉，另一類學生對Spreadsheet有較好的了解。每一類學生又一分為二，分別接受兩種先訓練：一種訓練是先使用Spreadsheet軟體，再訓練利用這種軟體發展數學技能；另一種訓練是練習Spreadsheet軟體技能與練習數學技能同時進行。結果顯示對於事先不熟悉Spreadsheet的學生來說,順序呈現優於並發呈現,測驗成績也更高；但對於事先已了解Spreadsheet的學生來說，情況正好相反。這說明，對於知識技能水平低的學生來說，採用「先學習技能後學習特定內容領域的概念」這種策略能提升他們的學習；對他們來說，技術內容很可能具有高元素交互性，如果同時學習技術技能和特定學科領域的概念，內在認知負荷可能會增加[5]。而對技能水平低的學生來說，技術內容不具備高元素交互性，同時學習技術技能和特定學科領域的概念，內在認知負荷不會增加。在決定順序策略時，學生的技術技能水平以及內容的元素交互性水平,是至為關鍵的變數（Kalyuga等,2003；VanMerrienboer,Kirschner&Kester,2003）。

（二）降低外在認知負荷：優化教學材料呈現方式，提高教學設計水平

降低外在認知負荷是「教學的認知負荷理論研究」重點關注的對象。對降低教學中學生外在認知負荷的途徑，眾多的研究者紛紛從不同的角度提出了自己的看法。筆者在參閱眾多文獻的基礎上，認為可以總結為一句話，即優化教學材料呈現方式，提高教學設計水平。下面試舉幾例，以資說明。

1、按鄰近原則呈現教學材料，減少注意分散和表徵保存。即教學中的教學材料呈現應儘可能在時空上保持鄰近。凡涉及多來源的信息應該在物理上被整合,以降低對有限的工作記憶的壓力，並釋放出認知容量進行其他的信息處理。[6]以圖像和解釋性文本的呈現為例。在空間上，解釋性文本應儘可能被整合到圖像中去；在時間上則應該同時而非連續呈現，形成一個整體。這樣，學習者就可以以最短的視覺搜索找到相應的視覺與語詞信息,容易在它們之間建立聯繫而促進信息整合。否則，圖像和解釋性文本分離呈現，「學習者傾向於先看文字部分,接著看對應的圖表」(Hegart&Judt,1989)，在看完文本後，一方面需要一部分認知資源來保存文本表徵，形成表徵保存；另一方面還要耗費一定認知資源來搜尋對應的圖像信息，形成注意分散，從而帶來額外的認知負荷。因此，「文字和圖像的完整呈現比文字和圖像分離呈現更有利於學習者的學習(Moreno&Mayer,1999;Mayer,2001)」。

2、清除多餘信息，避免冗餘效應(RedundancyEffects)發生。多餘信息，就是對教學目標達成來說是沒有必要的那些信息，也稱為冗餘信息。PaulChandler和JohnSwe11er用實驗證明：冗餘的信息並非中性的,它們會對學習和理解造成消極的效應。[7]冗餘信息的存在往往迫使學生不得不去關注一些本可以不去關注的信息，從而浪費寶貴的工作記憶資源。因此，它會給工作記憶帶來額外的負擔，從而增加學生的外在認知負荷。Moreno和Mayer也認為「當文字以敘述方式單獨呈現時,學習者對呈現材料的理解要比同時以敘述和屏幕文本方式呈現要好」[8]，這裡以屏幕方式呈現的文本信息就是多餘的，應該被清除掉。

3、運用先行組織者(AdvanceOrganizer)策略，改變學生的認知準備狀態。人們對新知識的理解總是建立在自身原有的認知結構(CognitiveConstruction)的基礎上的，當原有認知結構對新知識有支撐作用時，人們就相對容易理解新知識；相反，如果原有認知結構中缺乏支撐新知識的內容或原有認知結構中的相關知識未被激活，人們對新知識的理解將變得相對困難。教師應該通過先行組織者策略，在新的學習任務開始之前，呈現給學生比當前學習任務更高一層的抽象性和包攝性的引導性材料，從而激活其認知結構中與新知識相關的知識內容，為學習新知識做好認知準備，這樣就避免了在學習新知識的同時，還要到長時記憶中去搜索相關知識的認知負擔，從而減輕外在認知負荷。

此外，通過分離視聽信息，拓展工作記憶容量；信息呈現條理化，減少學生認知搜索；抽象信息形象化，降低學生認知難度；複雜信息簡單化（如使用圖表），簡化學生認知加工；控制教學材料呈現速度，留給學生足夠的認知加工時間；教給學生認知策略(cognitivestrategies)，提高學生認知效率；分化複雜任務，防止學生認知負荷超載；採用樣例（worked-example）教學，簡化認知技能獲取過程等都能從不同角度減輕學生的外在認知負荷。

（三）提高相關認知負荷：激發學生學習動機，引導其加大認知努力

相關認知負荷是指學習者在圖式建構和自動化過程中意欲投入的認知資源的數量，它有利於圖式的獲得和規則的自動化，實現學生認知結構的優化，把大量複雜無序的信息組合成簡單有序的知識體系，有效降低了工作記憶的認知負荷，從而節省有限的工作記憶資源；規則的自動化還允許我們以最少的工作記憶容量去處理信息，降低工作記憶負擔。不僅如此，相關認知負荷的增加還有利於意義的建構，幫助學生更好的理解和掌握所學知識。由此可見，在確保總的認知負荷不超載的情況下，適當增加學生的相關認知負荷對教學是有益的。

提高學生的相關認知負荷，關鍵是要激發學生的學習動機（尤其是內部動機），使學生加大自身的認知努力。為此，教育者要通過多種途徑和手段，把社會和教育者向學生提出的學習要求轉化為學習者內在的學習需要。比如：培養和激發學生的學習興趣；進行學習目的性教育；採用啟發式教學；建立合理的獎勵機制等等。

參考文獻：

[1]．Alexander.Seeshing&Yeungeta1.CognitiveLoadandLearnerExpertise：Split--AttentionandRedundancyEffectsinReadingwithExplanatoryNotes[J].ContemporaryEducationalPsychology,1998,23(1):1--21.

[2]．Jeroen,J.G.,Van.Merrienboer.&PaulAyres.ResearchonCognitiveLoadTheoryandItsDesignImplicationsforE--Learning[J].EducationalTechnologyResearchandDevelopment,2005,53(3):6--8.

[3]．Bannert,M.Managingcognitiveload:Recenttrendsincognitiveloadtheory[J].LearningandInstruction,2002,12(1):139--146.

[4]．高俊霞，吳劍麗．認知負荷理論在英語教學中的管理途徑[J]．廈門教育學院學報，2007，9(1)：55-57．

[5]．陳光耀，汪義風．認知負荷理論及其在E-learning中的應用[J]．教育技術導刊，2007，（2）：4—6．

[6]．賴日生，曾曉青，陳美榮．從認知負荷理論看教學設計[J]．江西教育學院學報(社會科學)，2005，26（1）：52—55，63．

[7]．Chandler,P.&Sweller,J.Cognitiveloadtheoryandtheformatofintroduction[J].CognitionandInstruction,1991,8(4):293--332.

[8]．Moreno,R.&Mayer,R.E.Verbalredundancyinmultimedialearning:Whenreadinghelpslistening[J].JournalofEducationalPsychology,2002,94(1):156-163.

------摘自:煤炭高等教育,2009年第1