基于認知負荷理論的教學媒體設計

【摘要】首先對認知負荷的概念含義、主要觀點和分類做簡單扼要的論述。認知負荷理論提出了一些能減少學習者認知負荷，提高學習效率，并對教學媒體設計有指導作用的教學效應：分散注意力效應、雙重感官效應、獨立交互元素效應、元素交互效應及冗余效應。在闡述這些教學效應的基礎上，分別給出它們在教學媒體設計中應用的例子。

【關鍵詞】認知負荷；教學媒體設計；教學效應

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009-8097（2008）11-0050-03

認知負荷理論自上世紀80年代由澳大利亞認知心理學家John Sweller提出以來，已逐漸成為人們研究認知過程和教學設計框架的一個主要理論。在教學媒體設計時，設計者常常忽視了工作記憶有限容量的性質，給學習者增加了不必要的認知負荷，也因而阻礙了他們的有效學習。認知負荷理論不僅使我們更深刻地理解學習過程，還能為教學媒體設計提供強有力的指導，從而構建出適合學習者工作記憶加工的學習對象。因此，教師有必要自覺地將認知負荷理論應用到教學媒體設計中，積極探索減少認知負荷的教學媒體設計方法，使學習者能夠進行有效的學習。這也正是本文主要探討的問題。

一 認知負荷理論簡介

1 認知負荷的概念含義

認知負荷的概念自上世紀八十年代被提出以來，盡管不同的學者對其涵義有著不同的理解，但我們一般傾向于將認知負荷定義成：為完成某項任務而在工作記憶中進行的心智活動所需的全部心智能量。可以認為，認知負荷的概念是建立在以下理論假設的基礎之上：①有限的工作記憶僅能處理一部分信息；②存儲知識的長時記憶的容量無限，并可用來克服工作記憶容量的有限性；③圖式儲存在長時記憶中，常被用來通過重組信息元素，把低水平圖式合并成高水平圖式的方法來構建知識，以降低工作記憶容量；④圖式無論多大或多復雜，在工作記憶中都被作為一個單一個體來處理；⑤圖式可以自動化并且可以在無意識下自動進行處理，而不需要工作記憶的有意識參與，因此降低了工作記憶容量。[1]

2 認知負荷理論的主要觀點

認知負荷理論主張容量有限的工作記憶與容量無窮的長時記憶是相互關聯(lián)的一體。因此，教學設計必需以容量有限的工作記憶為依托，將設計的原理及規(guī)則建構為適合工作記憶的加工對象：圖式或記憶組塊。[2]對于教學設計者而言，為了使學習者能夠進行有效的學習，應給學習者施加精確水平的認知負荷，使其進行圖式的建構。換言之，教學設計者應當確保在進行教學時，學習者的工作記憶負荷不會超載。概括而言，認知負荷理論主要有以下觀點：①工作記憶的容量是有限的，因此人們很難同時加工多種來源的信息；②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，那么一部分或者全部信息將會丟失；③如果要學習的知識所引起的認知負荷相對較低時，那么教學設計所引起的認知負荷對學習效果的影響較弱。反之，這種教學設計所引起的認知負荷對于學習是至關重要的；④長時記憶系統(tǒng)中儲存有大量的圖式，這些圖式能被提取到工作記憶系統(tǒng)中，并可以作為單個元素進行處理。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。

3 認知負荷的分類

認知負荷可分為三種類型：內在認知負荷、外在認知負荷和有效認知負荷。首先，內在認知負荷是由學習材料的內在特性即材料內部元素的交互性水平所決定的，它不易被教學設計所改變。因此，學習材料的不同，元素間相互作用水平也不同，也因而對內在認知負荷的要求也不同。對于低交互性的學習材料，由于在不考慮或較少考慮其他元素的情況下，就能被理解和學習，因此認知負荷較低。而高交互性的學習材料，由于需要學習某些元素并同時理解這些元素之間的相互關系，才能真正理解所學材料的意義，因此認知負荷較高。

其次，外在認知負荷是由學習材料的呈現(xiàn)方式及學習活動本身的缺損造成額外的認知加工活動所致。在通常情況下，外在認知負荷加重學習者的心理能量，降低學習效率。特別是，當內在認知負荷較高時，外在認知負荷有可能導致學習者認知負荷過載，阻礙學習活動的順利進行。此時，可通過教學設計來優(yōu)化教學材料的呈現(xiàn)方式或學習者的活動，以此來降低外在認知負荷，從而促進學習者的學習。

最后，有效認知負荷指與圖式建構和獲得以及圖式自動化過程的努力程度有關的認知負荷。與外在認知負荷相似，有效認知負荷同樣受到教學設計的影響，但外在認知負荷對學習起干擾作用，而有效認知負荷能夠對學習起促進作用。教學設計的本質就是要控制好學習者的外在認知負荷，增加學習者的有效認知負荷，同時保證總的認知負荷在工作記憶容量允許的范圍內，即不造成認知負荷過載。[3]

二 認知負荷理論在教學媒體設計中的應用

認知負荷理論對教學的主要貢獻在于它提出一系列可用于減少外在認知負荷，促進學習效果的教學效應。這些效應歸納為：目標自由效應、樣例效應、完成問題效應、分散注意力效應、形式效應、想象效應、獨立交互元素效應、元素交互效應、變式效應、專業(yè)知識反效應、指導隱退效應、冗余效應等。[4]其中，有些教學效應能對教學媒體設計起到指導作用。下面將逐個解釋這些教學效應及給出其在教學媒體設計中應用的例子。另外，在此需要說明的是，根據(jù)認知負荷理論的主要觀點，在內在認知負荷較大情況下，研究如何減少學習者的外在認知負荷，才具有較高的研究價值。因此，下面給出的用于減少外在認知負荷的教學媒體設計方法，只有在內在認知負荷較高的情況下使用，才具有較好的效果。

1 分散注意力效應及其應用

在理解包含兩個或兩個以上相關信息源的材料時，由于這些信息源相互所指且分布在材料的不同地方，學習者必須綜合各個不同的信息源，不斷在材料中重復“尋找—匹配”的過程。這種頻繁“搜索”不但分散了學習者的注意力，而且給工作記憶增加了工作負荷。例如，為了幫助學習者更好地理解文章，設計者有時在閱讀材料后附上生詞意義注釋。由于文章和生詞注釋是分開的，因此，在理解材料時，學習者必須在文章和生詞注釋之間來回“穿梭”，這種不斷“尋找—匹配”相關信息的過程增加了學習者的記憶負荷。依據(jù)認知負荷理論，消除分散注意效應的辦法是整合材料中相互所指的部分，以減輕認知負荷。

根據(jù)分散注意力效應產生的原因，在教學媒體設計中要將帶相關內容的媒體以整合方式呈現(xiàn)，這樣才能夠使學習者較有效地獲得信息。例如，對于包含相關內容的文字和圖表材料，可將相關的文字材料放在圖表合適的位置，這樣可促進學習者對圖表內容的理解（如圖1所示）。對于只有圖表的的學習材料，也可適當?shù)卦趫D表中加入說明性文字，盡管這樣會使信息源增多，但卻讓學習者無需在工作記憶中對圖表進行語義聯(lián)想及猜測，也因而降低了學習者的認知負荷。

2 雙重感官效應及其應用

認知科學領域的最新研究結果表明，工作記憶至少由兩個信息處理器組成。這兩個處理器一個處理聽覺信息，另一個處理視覺信息，且以部分獨立的方式運作。因此，通過使用兩種處理器，可以擴大工作記憶的信息處理容量并增強工作記憶效率。為此，認知負荷理論主張采用視覺和聽覺雙重感官模式輸入材料，以減少或降低記憶負荷。同樣，已有的實驗結果也表明，采用“視覺——聽覺”雙重感官形式輸入材料的教學效果要比單純的視覺形式有效得多。[5]

在教學媒體設計中，如果同時呈現(xiàn)相關的文本、圖像、動畫等教學媒體，各種媒體信息就會相互競爭視覺資源，造成學習者的注意力被分散，各種信息都得不到有效加工。依據(jù)雙重感官效應，解決上述問題的辦法是將文本信息以聲音的方式轉換到聽覺加工渠道，以減少視覺加工渠道的認知負荷。例如，在講授動圈式拾音器的工作原理時，同時呈現(xiàn)動圈式拾音器的圖形和文字講解材料（如圖2所示）。為了理解動圈式拾音器的工作原理，學生須綜合兩種材料，在圖形和文本之間分配視覺資源，這種頻繁的“搜索”過程給工作記憶增加了額外的認知負荷。此時，可根據(jù)雙重感官效應對該媒體設計進行改進，即將文字材料改用聲音方式講解。當然，如果將圖形改為動畫，而文字材料改用聲音方式來講解，這樣學生的學習效果會更好。

3 獨立交互元素效應及其應用

在呈現(xiàn)認知負荷較高的高元素交互的材料時，先給學習者呈現(xiàn)一些認知負荷較低的獨立的元素，然后再呈現(xiàn)完整的材料。該效應對教學材料的呈現(xiàn)順序和教材中章節(jié)內容的編排順序有指導的作用，即元素低交互的材料先呈現(xiàn)，元素高交互的材料后呈現(xiàn)，這也符合學習者從簡單到復雜、從低級到高級的學習規(guī)律，也因此減少了外在認知負荷，提高學習者的學習效率。

根據(jù)獨立交互元素效應，在教學媒體設計時應注意向學習者呈現(xiàn)教學內容的順序，即：先簡單后復雜、先部分后整體。例如，在講解擴音機的工作原理時（如圖3所示），先分別呈現(xiàn)前置放大、混合放大、推動放大、功率放大等組成擴音機的各部分的教學信息，然后再呈現(xiàn)各部分如何共同完成擴音過程的工作原理教學信息。因為有前面的知識做鋪墊，學生理解擴音機的工作原理就不會再有困難。

4 元素交互效應及其應用

學習材料內部元素的交互性水平與想象效應相關。當使用低元素交互的材料時，想象效應消失，當使用高元素交互的材料時，想象效應又出現(xiàn)。想象是學習者在頭腦里對記憶表象進行分析綜合、加工改造，從而形成新的表象的心理過程，它與創(chuàng)造性思維有著密切的聯(lián)系，是人類創(chuàng)造活動所不可缺少的心理因素。

根據(jù)元素交互效應，在教學媒體設計時應適當給學生呈現(xiàn)一些復雜的教學材料，讓學生有一定的想象空間，這樣有利于學生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)。當然，這種高元素交互材料的呈現(xiàn)不僅要適量，而且還要以學生掌握的基本概念和規(guī)則做基礎，否則易給學習者造成學習困難。

5 冗余效應及其應用

雖然整合材料中互相所指的個體信息源可以減輕認知負荷，促進學習者有效學習，但這需以各種不同信息源不能被單獨理解為前提條件。由于處理冗長文字和圖表會給工作記憶增加認知負荷，當兩種或兩種以上相關信息源中的任一個能夠被單獨理解時，整合包含多余或重復信息的學習材料并不可取，會造成冗余效應。為了提高學習效果，必須消除冗余的信息。

依據(jù)冗余效應，在教學媒體設計時應避免呈現(xiàn)無關的或帶有重復教學信息的媒體，以減少學習者的認知負荷。例如，在說明某學校高一年級各班的人數(shù)時，如果同時用表格和文字材料來描述（如圖4所示），就會造成冗余效應。因為表格的信息已不解自明，文字部分的說明顯然是多余的，所以刪除文字說明部分，可以消除不必要的認知負荷。另外，在媒體設計時還要注意減少許多裝飾性的信息，如界面中突然出現(xiàn)的動畫、聲音等，因為這些信息會分散學習者的注意力，從而增加學習者的認知負荷。

三 結束語

根據(jù)認知負荷理論，外在認知負荷和有效認知負荷都要受到教學媒體設計的影響。在內在認知負荷較高的情意下，教學媒體設計應盡可能地減少外在認知負荷，從而使學習者能進行有效的學習。認知負荷理論對教學的主要貢獻在于它提出了一些旨在減少認知負荷，促進學習效果的教學效應，其中有些教學效應對教學媒體的設計有指導作用。因此，在教學媒體設計中，教師可依據(jù)這些效應進行媒體的選擇、呈現(xiàn)及編排呈現(xiàn)的順序等，以減少學習者的外在認知負荷，提高學習者的學習效率。

參考文獻

[1] 楊心德，王小康.認知心理學視野中的認知負荷理論[J].寧波大學學報(教育科版)，2007，29(3):11-15.

[2] 常欣，王沛.認知負荷理論在教學設計中的應用及其啟示[J].心理科學，2005，28(5):1115-1119.

[3] 張建波.認知負荷理論：教學設計研究的新視角[J].上海教育科研，2006，(11):51-53.

[4] 郝兆杰.認知負荷理論在中小學信息技術教學中的應用研究[J].中國教育信化，2007，(12):8-11.

[5] Mousavi， S.， Low， R.， Sweller， I.. Reducing Cognitive Load by Mixing Auditory and Visual Presentation Models[J]. Journal of Education Psychology， 1995， 87(02):319-334.