认知负荷理论及其研究的进展与思考
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第
44卷 第
2期广西师范大学学报
:哲学社会科学版
Vol.44
No.2
2008年
4月
JournalofGuangxiNormalUniversity:
PhilosophyandSocialSciencesEditionApril,2008
[收稿日期
]20072
122
30
[基金项目
]新世纪广西高等教育教学改革工程“十一五”项目(
2006194)
;广西师范大学青年骨干教师科研项目(
[2006]
10)。
[作者简介
]唐剑岚(
1974-)
,男
,湖南永州人
,南京师范大学博士生
,广西师范大学副教授
,主要从事数学教育心理学研究。认知负荷理论及其研究的进展与思考
唐剑岚1,2
,周 莹2
(
11南京师范大学课程与教学研究所
,江苏南京
210097;21广西师范大学数学科学学院
,广西桂林
541004)
[摘 要
]认知负荷理论是基于人类认知结构与外界信息结构交互作用而决定教学设计的理论。认知
负荷理论的教学设计研究多集中在降低外在、内在负荷和增加有效负荷等方面。认知负何理论虽取得了巨大
的进展
,但也存在亟待解决的一些问题
,需要从理论本身和方法论两个层面进行思考。
[关键词
]工作记忆
;认知负荷
;教学设计
;负荷测量
;教学策略
[中图分类号
]
G42
[文献标识码
]
A
[文章编号
]10012
6597(
2008)
022
00752
09
认知负荷理论自
20世纪
80年代由澳大利亚
Sweller等学者提出以来
,在认知心理学、教育心理
学、教育技术等复杂性学习领域产生了十分广泛的
影响。从纵向发展看
,认知负荷理论及其研究主要经
历了两个阶段
:其一
,前
20年
,研究主要集中在如何
设计学习材料
,提高教学设计效果的实验研究。其
二
,2001年来
,研究有两条明显线索
:基于先前的实
验结果拓展了理论本身和加强了先前教学设计有效
性的研究。从横向发展看
,认知负荷研究的主题有两
个
:教学设计有效性的研究和认知负荷测量的研究。
本文沿着这条脉络
,基于国外相关文献
,首先梳理认
知负荷理论及其相关研究
,接着探讨研究进展与趋
势
,最后讨论研究存在的问题并提出思考所得。
一、认知负荷理论的基本假设与观点
(一)认知负荷理论的基本假设。
认知负荷理论是基于人类认知结构与外界信息
结构交互作用
,而决定教学设计的理论。基于人类认
知的信息加工理论
,该理论有两个基本假设[1-3]
:
1.长时记忆系统具有无限的贮存容量。
人类认知结构由工作记忆系统与长时记忆系统
构成。工作记忆系统的重要特点是同时加工新信息
的容量非常有限
,而且保持信息的时间短暂。这来自
Baddeley早期的工作记忆模型假设。相比工作记忆
系统
,人类长时记忆系统是对工作记忆系统加工过
的信息赋予意义和贮存的心理结构。绝大多数认知
心理学家认为长时记忆系统具有无限的贮存容量
,而且能够永久地保持来自工作记忆系统加工过的信
息。
2.工作记忆处理图式的能力是无限的。
贮存在长时记忆中的信息有各种各样的编码类
型
,如果编码是图式
,那么工作记忆加工信息所承受
的负荷较低。根据图式理论
,图式被看作是专家所拥
有的复杂记忆结构
,它是由许多信息元素编码而成
的组块或丰富意义的信息单元。工作记忆加工新信
息时
,需要对新信息进行编码
,需要从长时记忆中搜
索并提取与新信息相关的信息。
工作记忆加工信息的方式包括有意识的和自动
化的两种。有意识的加工会占用工作记忆许多资源
,
而自动化处理基本上不受意识所监控
,占用工作记
忆极少的资源。无论哪种加工方式
,图式作为信息组
块或丰富的信息单元容易被工作记忆搜索和提取
,
这样工作记忆的承受负荷就较低。如果图式被反复
应用
,结果形成自动化。自动化的图式更利于工作记
忆提取
,这时工作记忆就可以富余较多资源而加工
其他信息。从某种意义上说
,自动化的图式成了工作
记忆的中央控制
,无需工作记忆提取
,直接驱动行
为
,也就是说工作记忆处理图式的能力是无限的。专
家与新手的根本区别在于专家的认知是图式驱动
,
而新手的认知则基于知识与技能的数目驱动。因此
,
新手发展为专家
,必然经历图式建构与自动化。
(二)认知负荷理论的基本观点。
基于上述假设
,
Sweller等人通过
20多年的实
验证实和发展了认知负荷理论
,其基本观点为[1-3]
:
571.有效的教学设计必须有效管理三种认知负
荷。
认知负荷是指针对某一特定认知任务
,工作记
忆系统对其进行加工和保持信息过程中所承受的负
荷总量。认知负荷包括内在(
intrinsic)认知负荷、外
在(
extraneous)认知负荷和有效(
effective)认知负
荷三个基本成分。
内在认知负荷(以下简称内在负荷)是指工作记
忆对认知任务本身所包含的信息元素(如概念、规则
的基本成分)的数量及其交互性进行认知加工活动
所产生的负荷。内在负荷源于认知任务本身。工作
记忆在加工认知任务所包含的信息时
,一般需要对
所有元素以及元素间的交互作用同时加工
,才能整
体理解认知任务
,若有元素或其交互性不能同时被
加工
,则会对认知任务产生片面理解。认知任务所包
含的信息元素太多
,而且元素间的交互性很强
,即任
务难度很大
,那么工作记忆就很难启动认知加工。因
此
,内在负荷从某种意义上反映了任务的复杂性或
难度
,任务难度越大
,对工作记忆施加的内在负荷越
大。另外
,认知任务的复杂性与学习者的知识经验密
切相关。同一认知任务
,对不同的学习者会产生不同
的内在负荷。譬如
,数学认知任务常常具有较高的内
在负荷
,一般被认为是难以理解的。如解决
3
x
4-5
=1这个方程
,就需要移项、去分母、约分等基本元
素
,这些基本元素既联系又交互
,信息结构比较复
杂。如果学习者长时记忆中没有相关图式
,工作记忆
加工时承受负荷较高
;如果学习者长时记忆中有相
关或自动化的图式
,就可以将移项、去分母、约分等
步骤压缩为一个操作
,这样工作记忆提取容易
,承受
负荷较低。
外在认知负荷(以下简称外在负荷)是指由于不
恰当的教学设计导致与认知加工过程(如图式建构
或自动化)没有直接关联的活动
,而施加给工作记忆
的负荷。无效负荷主要源于认知任务的设计和呈现
不当、与实际教学无关的活动。因为这些不良的教学
设计导致了对实质性的认知没有帮助的活动
,即导
致工作记忆产生不必要的认知操作
,从而工作记忆
需要承受一定负荷。因此
,外在负荷也称为无效负
荷。
有效认知负荷(以下简称有效负荷)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。
实质性认知操作是指形成图式建构与图式自动化的
活动或与形成图式建构与图式自动化密切相关的活
动
,外在表现为有意义的认知过程与结果。因此
,有
效认知负荷也叫密切关联(
germane)的认知负荷。
很明显
,有效负荷主要源于学习者本身对认知任务
的有效认知。譬如
,对学习材料进行自我解释可能会
生成有效负荷。
由于内在负荷、外在负荷和有效认知具有可加性
,且三者之和不超过工作记忆的总负荷
,所以
,对
某次认知任务而言
,如果要获得高效的认知
,那么对
该认知任务的教学设计必须有效管理三种认知负
荷
,使学习者所承受的三种负荷之和不超过其工作
记忆的总负荷
,否则会产生较低的认知效率。
2.有效教学设计的基本原则是降低外在、内在
负荷和增加有效负荷。
认知过程是外在信息结构与认知结构交互的过
程。认知结构由有限容量的工作记忆系统与无限容
量的长时记忆系统构成。一方面
,对某一特定的认知
而言
,有限容量的工作记忆系统是认知的瓶颈
,是不
能改变的。因此
,要使有限的工作记忆系统有效加工
复杂的信息结构
,教学设计必然要优化外界信息结
构
,降低外在或内在负荷
,使得工作记忆系统能够加
工
,甚至有效加工。另一方面
,长时记忆系统能够贮
存无限的图式
,而图式既可以便于工作记忆提取和
帮助工作记忆加工新信息
,又可以直接驱动行为。因
此教学设计必然充分发挥和利用长时记忆中的图
式。但图式的形成与发展来自有意识地将复杂任务
的信息元素进行分解并重新编码
,整合成组块或丰
富的信息单元
,即经历图式建构和图式自动化活动
,
因此教学设计必然要增加有效负荷。
内在负荷是学习任务固有的
,但教学设计随着
教学目标不同可以改变它
;外在负荷是无效的
,但可
以通过有效教学设计而控制它
;有效负荷是产生有
意义学习的认知活动的使然
,教学设计必然设法增
加它。由于三种负荷具有可加性
,因此要产生高效率
和效果的认知效率
,教学设计的基本原则是降低外
在负荷、降低内在负荷、增加有效负荷
,使三者之和
不超过工作记忆的总负荷。
二、基于认知负荷理论的教学设计研究
基于认知负荷理论
,研究者开展教学设计研究
的基本思路是
:一方面基于认知负荷理论生成教学
设计的原则和策略
;另一方面
,随着对这些教学策略
证实和证伪
,不断丰富和发展认知负荷理论。研究者
主要来自两个领域
:以
Sweller等为代表的样例
(
workedexample)学习研究领域[1～3]
和以
Mayer等
为代表的多媒体学习研究领域[4～5]
。研究内容与目
标主要集中在三个方面
:降低外在负荷、降低内在负
荷、增加有效负荷的教学设计研究。
(一)降低外在负荷的教学设计研究。
外在负荷源于不良的教学设计
,研究者主要集
中在改善学习任务或材料的信息呈现
,从而降低学
习者所承受的外在负荷。
Sweller等总结他们先前
15年来的实验研究指出
,有效降低外在负荷的教学
设计
,需要综合考虑
6个效应
:自由目标效应(
goal2
freeeffect)、样例效应(
workedexampleeffect)、完
成问题效应(
completionproblemeffect)、注意分散
67
