認知負荷理論及其教學涵義*

● 龐維國

認知負荷理論及其教學涵義*

● 龐維國

認知負荷是影響復雜學習的重要因素，它分為內在認知負荷、外在認知負荷、關聯認知負荷三類，這三類負荷可以累加，總量超負荷將給學習和問題解決帶來困難；業已揭示的認知負荷效應有目標自由相應、解答樣例效應、通道效應、冗余效應等12種；在教學過程中，教師應有效調控學生學習中的認知負荷，適度采用真實學習情境和材料，科學設計多媒體課件，同時關注因經驗不同帶來的認知負荷的相對性。

認知負荷；認知負荷效應；教學涵義

20世紀70年代，隨著認知心理學研究的深入，認知學習理論在教學設計中的基礎地位日益凸顯。在設計教學時，人們普遍遵循兩個原則：（1）依據學習過程設計教學過程， 這在加涅 （R．Gagné）和梅耶（R．Mayer）的教學思想中得到充分反映；（2）以學生已有知識及其結構作為教學起點，這在奧蘇貝爾（D.Ausubel）和布魯納（J.Bruner）的教學理論中得到充分體現。似乎遵循了這兩點，我們就“可以用智慧上誠實的方式，教會任何年齡的兒童以任何內容”。[1]然而教育實踐中存在的一個不容否認的事實是：即使教學滿足了上述兩個條件，學生遇到復雜學習任務時，依然會出現明顯的認知困難。為了解釋這一現象，澳大利亞心理學家斯威勒（J.Sweller）等基于系列研究結果，提出了著名的認知負荷理論 （Cognitive Load Theory）。本文旨在對這一理論作以介紹，并闡述其教學涵義，以期給廣大教師帶來某些啟發。

一、認知負荷理論的基本觀點

20世紀80年代，認知心理學家已在如下一些方面達成理論共識：第一，人類的記憶主要包含工作記憶和長時記憶。工作記憶是信息加工的主要場所，其容量極為有限；長時記憶是信息的貯存場所，其容量可視為無限，它所貯存的信息必須被提取到工作記憶中才能被加工。[2]第二，認知加工可分兩類：控制加工和自動加工。前者是一個有意識的序列性的加工過程，速度較慢，需要占用注意資源；后者是一個快速的、自動的并行加工過程，可不經意識的控制而發生，幾乎不占用注意資源。[3]第三，經過充分練習，所有的認知加工過程都可達到自動化。第四，貯存在長時記憶中的知識是有結構的，圖式是知識表征的基本單位。圖式建構可把多個元素組織成一個整體，從而減少工作記憶中信息加工單元的數量；圖式的自動化水平不同，高度自動化的圖式在激活時不需要有意識控制和資源消耗。[4]

認知負荷理論者由此想到：個體從事復雜的認知任務時，由于需要在工作記憶中同時加工多個信息元素，這可能使得容量有限的工作記憶出現超負荷，無法進行有效的信息加工；如果降低每個信息單元所占用的認知資源，那么就可能使得工作記憶釋放出足夠的容量來完成認知加工；由于圖式建構和圖式運行的自動化可以降低認知負荷，因而我們可以借助這兩種機制來釋放工作記憶容量，提升復雜認知任務的完成水平。[5][6]基于這些認識，從20世紀90年代始，認知負荷理論者以實驗研究結果為基礎，逐步構筑了完整的認知負荷理論。

（一）認知負荷的來源

馬克斯、庫珀和斯威勒指出，面對既定的認知任務，個體產生的認知負荷主要來自三個方面：一是學習材料的性質。不同性質的學習材料可以帶來不同的認知負荷。一般說來，如果學習材料所包含的元素之間的關聯度較低，給學習者帶來的認知負荷就較低；反之，如果學習材料包含的元素之間的關聯度較高，給學習者帶來的認知負荷就較高。這是因為，如果元素之間的關聯度低，它們就可以在工作記憶中被循序單獨處理，無需參照其它信息來源；如果元素之間具有高關聯度，盡管其數量可能沒有增加，但學習者必須同時將其置入工作記憶中進行加工，這就增加了認知負荷。我們逐個學習英文單詞時，之所以感覺相對輕松，就是因為它們之間關聯度小，帶來的認知負荷低；我們學習英語時態時，之所以感覺相對困難，就是因為反映時態的單詞之間具有高關聯度。二是學習材料的呈現方式。同樣的學習材料以不同方式呈現，將對認知負荷產生不同影響。例如，對于空間關系，如果用圖形呈現，它給學生帶來的認知負荷就小于文字呈現帶來的負荷，因為后一種呈現方式將迫使學生在頭腦中建構一個空間關系。三是學習者的已有經驗。如果學習者頭腦中擁有足夠的與學習內容相關的圖式，且這些圖式達到高度自動化，就會迅速把當前所面對的信息整合進已有圖式中，從而減少信息加工單元的數量，降低學習過程中的認知負荷。例如，學習“雷達的工作原理像回聲”這一內容時，如果學生頭腦中擁有關于雷達的知識，且有關于“回聲”的生活體驗，就很容易理解二者的相似之處；反之，如果學生頭腦中沒有關于雷達的圖式，也沒有體驗過“回聲”，就會因為認知負荷很高而難以理解雷達的工作原理。[7]

（二）三類認知負荷

根據來源及是否有助于圖式建構，認知負荷理論者把認知負荷分為內在認知負荷、外在認知負荷和關聯認知負荷三類。

1．內在認知負荷

內在認知負荷（Intrinsic cognitive load）是指由學習材料的難度水平帶來的負荷。[8]學習材料的難度可分絕對難度和相對難度兩個方面。絕對難度是指它本身的復雜程度，反映在它包含的信息元素的數量及這些元素間的關聯度。 例如，相對于“2+2=?”，“2×2+2÷2=？”難度就更高。相對難度是指同樣的學習材料在不同知識水平的學習者身上有不同反映。例如，對于剛學習乘除法的小學生而言，“2×2+2÷2=?”有些難度，對于成人來說它則較容易。學習材料的這兩種難度，實際上分別對應了學習材料的性質和學習者的經驗兩個方面。因而我們也可以說，內在認知負荷是由相對于學習者經驗水平的學習材料的復雜性所帶來的負荷。[9]由于內在認知負荷取決于學習材料的性質及學習者的經驗水平，反映了獲得某種圖式所必須的同時在工作記憶中加工的信息元素的量，所以在既定學習條件下，它較難改變。[10]

2．外在認知負荷

學習材料的呈現方式及其所要求的學習活動，也會帶來認知負荷。當這種負荷是不必要的因而干擾圖式的獲得和自動化時，就是外在認知負荷（Extraneous cognitive load）。外在認知負荷是由與學習過程無關的活動引起的，不是學習者建構圖式所必須的，因而又稱無效認知負荷（Ineffective cognitive load）。認知負荷理論者認為，外部認知負荷主要由教學設計引起，如果學習材料的設計和呈現方式不當，就容易給學生帶來較高的外在負荷，干擾其學習。例如，如關于山脈成因的教學材料，如果單純用文字呈現，過多的文字敘述會加重學生的外在認知負荷；如果采用示意圖加文字描述的方式，學生的外在負荷就會降低，學習效果會更好。由于學習材料的呈現方式可以改變，所以外在認知負荷也可以控制。通過改善教學設計來降低學生的外部認知負荷，是早期的認知負荷理論關注的重點。[11]

3．關聯認知負荷

如果認知任務要求較低（帶來的內在認知負荷較低），使得學習者還有充分的認知資源可用，這時他就可以投入額外一些認知資源來促進圖式的建構。這種在建構圖式時不是必須但投入后又有利于圖式建構的認知負荷，就是關聯認知負荷（Germane cognitive load）。例如，學生聽課時做筆記，盡管這增加了認知負荷，但它能促進學習；教師講課時補充例子，這些例子增加了學生的認知負荷，但有助于概念、原理的理解。與外在認知負荷一樣，關聯認知負荷也與教學設計有關。良好的教學設計會適度增加學生的關聯認知負荷，使之在圖式建構中投入更多的努力，尋求更好的信息加工策略，從而提升其學習質量。[12]

（三）認知負荷之間的關系

認知負荷理論者認為，前述三種認知負荷是可以累加的。它們的總和如果超出了工作記憶的總體承載能力，就會使學習陷入困境。由于內在認知負荷是一種基本負荷，除非通過建構另外一些圖式或者使先前獲得的圖式自動化，否則就不易減少。這意味著，借助認知負荷調控來影響學生的學習，其重心應該放在降低外在認知負荷或增加關聯認知負荷兩個方面：當學習材料帶來的內在負荷較低時，如果由教學設計帶來的外在負荷也較低，學生認知資源有足夠的剩余，就可以通過添加關聯認知負荷來促進學習。但如果學習材料帶來的內在負荷較高，就要通過降低外在負荷釋放工作記憶容量，且盡可能不要增加關聯認知負荷，以確保學生有足夠認知資源來加工必要信息。[13][14]

（四）降低認知負荷的方法

1．降低內在認知負荷的方法

斯威勒等認為，盡管內在認知負荷對教師來說可能無能為力，但對學生來說，這可以通過兩種方式來降低：一是圖式的建構，二是圖式的自動化。圖式建構是指把原本獨立的若干元素組織成一個單一元素。例如，學生先學單詞，然后學習由若干單詞構成的句子，經過練習，句子就在其頭腦中成為一個圖式。此后，他在英文閱讀或寫作中就以句子為單位進行信息加工。此時，他加工的信息總量（單詞數）沒有減少，但因加工單元的數量減少，認知負荷也被降低。圖式的自動化意味著信息加工從受控加工轉向自動加工，從有意識的努力轉向無需有意注意，因而也能夠降低工作記憶負擔。但是圖式的自動化不是自動完成的，它也需要充分練習。我們初學漢字時，要對每個漢字進行有意識的加工。但是經過多年的漢字學習和應用，無論是寫字還是閱讀，都變得比較輕松，這就是相關圖式自動化的結果。[15]

梅耶等則認為，有效的教學設計也可以降低學生的內在認知負荷，這可以通過任務分割來實現。例如，假定學生觀看一個配有講解的關于閃電形成的動畫。由于畫面內容豐富，且呈現速度較快，學生可能沒有足夠的時間進行深層次信息加工。但如果在連續的呈現片段之間留一些時間，亦即把呈現材料被分成幾個片段，他們就能從每個片段中選擇言語和圖片，進行充分的認知加工。[16]

2．降低外在認知負荷的方法

認知負荷理論者特別關注如何通過教學設計來降低學生學習過程中的外在認知負荷。在這方面，他們所采取的所有策略，都是以借助實驗所揭示的各類認知負荷效應為基礎的。本文第二部分重點介紹研究者揭示的認知負荷效應，因而把降低外在認知負荷的方法放在該部分一并討論。

二、認知負荷效應

目前，認知負荷理論者業已揭示的認知負荷效應有12種，它們都與改善學生的學習有關，故在此逐一加以介紹。需要特別說明的是，下述效應中的前6種，重點回答的是如何減少外在認知負荷。

（一）自由目標效應

當學習目標不太明確或者有多個學習目標時，學習者自行確定目標有助于學習和遷移。這就是自由目標效應（Goal-free effect）。例如，在幾何問題解決中，“盡可能多地計算各個角的值”，就比 “計算角A的值”更能促進學生的學習。認知負荷理論者認為，如果呈現的問題伴隨明確的終點目標，會導致學生解決問題時把幾個條件同時置于工作記憶中，從而加重工作記憶負荷。目標自由可以降低學習者的外在認知負荷，從而促進圖式的建構。[17]

（二）解答樣例效應

斯威勒等指出，在處理復雜認知任務時，如果向學習者提供已經解答的問題樣例，則能有效地提升其問題解決水平，此即解答樣例效應（Worked example effect）。一般認為，解答樣例能明確呈現解決問題所需的程序，凸顯關于圖式特征的清晰信息，因而使學生只須注意與圖式獲得有關的信息，減少嘗試錯誤，從而降低其工作記憶負荷，促進圖式的獲得和規則自動化。[18]

（三）完成問題效應

使用解答樣例的一個主要缺點是學生不去細致地研究這些樣例。在這種情況下，解答樣例反而容易與要解答的問題混雜在一起，導致認知超負荷。為避免這種情況出現，研究者主張使用只完成了部分解答步驟的問題，然后讓學生完成剩余的解題步驟。研究顯示，僅為學生提供目標情境和部分解答，然后要求他們完成剩下的解題任務，可以減輕其認知負荷，促進圖式的建構和學習遷移，這就是完成問題效應（Completion problem effect）。[19]

（四）通道效應

巴德利指出，工作記憶對視覺信息和聽覺信息的加工是分離的，其中的一部分僅專注于視覺信息，另一部分則僅專注于聽覺信息。[20]因此，單純使用一種信息呈現形式，可能只用到部分工作記憶，使其他部分處于閑置狀態；而綜合利用多種信息呈現形式，則可以提高工作記憶的使用量，增進學習效果。這就是通道效應（Modality effect）。梅耶等以兩種呈現方式讓學生學習汽車剎車系統、發電機等的工作原理：一種方式只以文本形式呈現相關內容，另一種方式是文本輔以解釋性圖片。結果顯示，在后一種呈現方式下，學生的保持和遷移測驗成績更好。[21]

（五）注意分離效應

許多教學材料既包括圖片信息又包括文字信息，而且圖片與相關文字一起呈現。實踐表明，這兩種信息適當整合有利于學習。但學生同時注意兩個或更多信息來源，也會使工作記憶負荷加重，導致注意分散、學習質量下降。這就是注意分離效應（Split-attention effect）。詹德勒和斯威勒的研究表明，由于結論和討論部分分離，但又必須同時考慮這兩部分以理解結果的復雜性及其含義，學生在閱讀實驗報告時產生了注意分離效應；而通過整合結果和討論部分，重新組織實驗報告，則可以消除注意分離效應。[22]

（六）冗余效應

冗余效應（Redundancy Effect）發生的情況是：信息可由多種方式來呈現，但單憑一種呈現方式就足以傳達這些信息，此時如果將相同的信息以多種方式同時呈現，學習者就會將冗余的信息同時進行加工，導致外在認知負荷增加，降低學習質量。梅耶等在閃電形成過程的學習實驗中發現，圖片加簡要文字說明這種呈現方式，比圖片加全文的呈現方式更有利于學生的學習。[23]這意味著，教師在呈現學習內容時，如果發現某些信息對學生學習來說不是基本的——即是冗余的，最好把這些信息省略。

（七）想象效應

學生面對一個要學習的程序或概念時，在頭腦中想象這一程序或概念，其學習效果要超出僅被要求學習這一程序或概念，此即想象效應 （Imagination effect）。傳統上，想象效應的發生被視為心理練習的結果。認知負荷理論對此的解釋是：當學習者想象信息時，會加工工作記憶中的相關圖式，進而促進長時記憶中圖式的建構和自動化。[24]

（八）元素關聯效應

元素關聯效應（Element interactivity effect）是由想象效應衍生出來的一種認知負荷效應，它是指：當學習材料具有高度的元素關聯性時，想象效應發生的可能性越大；當學習材料具有低元素關聯性時，想象效應不易發生。這是因為，低元素關聯性學習材料比較簡單，其中的信息可以不借助特定輔助策略而進入長時記憶；相比之下，加工復雜的高元素關聯性的材料時，采用促進信息同化的策略（包括想象策略）就變得比較重要。[25]

（九）分離關聯元素效應

分離關聯元素效應（Isolated interacting elements effect）發生的情境是：以一種分離的方式逐次呈現具有關聯性的信息元素，比一次性地呈現所有相關聯的元素更能促進學習。研究顯示，當學生缺乏相關背景知識時，采用分離關聯元素的教學方法會使其更佳；而當學生具有豐富的背景知識時，采用保持元素關聯的教學方法會使其學習更加受益。認知負荷理論者認為，新手之所以在分離關聯元素條件下學得更好，是因為這種逐步學習的方式降低了其內在認知負荷；而老手之所以在這種條件下學習不佳，是因為按序加工信息不必要地消耗了其認知資源。[26]

（十）專長逆轉效應

教學方法的有效性會隨學習者經驗的增加產生逆轉。有時候，對于低經驗水平的學生卓有成效的教學方法，用于高經驗水平者會失去效果，乃至產生消極影響。此即專長逆轉效應(Expertise reversal effect)。專長逆轉效應的發生，是因為經驗豐富者業已擁有充分的相關圖式，相關圖式更為自動化，從而使其在面向低經驗水平者的教學中，加工更多的冗余信息，給工作記憶帶來不必要的負擔。卡爾于格等發現，采用解答樣例法訓練缺乏經驗的學徒效果很好，但對于有經驗的學徒則效果較差；而讓后者在解決問題中學習，效果會更好。[27][28]

（十一）指導漸減效應

指導漸退效應(Guidance fading effect)是指：伴隨學生相關知識的增加，通過逐步減少問題解決指導，提高問題解決要求，他們省出的工作記憶容量就可用于應對逐步提高的要求。也就是說，隨著專門化知識的增多，相應知識存儲在長時記憶中，降低了對工作記憶的要求，從而釋放出更多工作記憶容量用于問題解決。研究業已顯示，與持續地運用同樣的解答樣例相比，逐步減少解答樣例有助于提升學生的問題解決水平。[29]

（十二）變式效應

變式效應（Variability effect）是指在問題解決練習中，變換不同的問題狀態和情境，雖然增加認知負荷，但能促進學習遷移。這是因為，問題情境的變化有助于學習者識別問題及其解答方法的共同特征，分辨其中的無關特征，從而有助于圖式的建立和自動化。奎里斯和梅耶發現，當學生面對形式多變、強調結構的統計應用題時，對相關統計概念和原理的學習效果更好。[30]變式效應的產生，顯然是關聯認知負荷增加的結果。

三、認知負荷理論的教學涵義

如前所述，早期的認知負荷理論關注的是如何減少學生學習中的外在認知負荷，但減少內在認知負荷的技術實現突破后，它的重心就轉變為如何把學習者的認知負荷調整到合適水平，以便于學生合理地利用有限的認知資源，達成最佳學習效果。根據已有的研究成果，我們可以把認知負荷理論的教學涵義歸納如下：

（一）有效調控學生的認知負荷

有效調控學生的認知負荷，就是要注意其內在認知負荷、外在認知負荷和關聯認知負荷三者之間的累加關系，使之不要在學習過程中出現認知超負荷現象。根據三類認知負荷的來源、屬性及相互關系，我們可以把這一任務分解為三個方面，亦即：減少內在認知負荷，減少外在認知負荷，適度增加關聯認知負荷。

杰耶茲等人指出，在某些學習情境中，學生所承載的外部認知負荷與關聯認知負荷難以截然分清。對教學設計者來說，最好是先關注內在負荷的減少問題。在系列以樣例為基礎的學習實驗中，他們把教學方式從傳統的關注問題類型和整體解答方法，改變為把問題解答方法分解成若干更小的可以分別傳授給學生的解答要素，從而減輕了學生的內在認知負荷，改善了其學習效果。[31]萬·麥林波爾等進一步指出，降低內在認知負荷有兩種技術：部分—整體任務法和整體—部分任務法。部分—整體法是指面對復雜學習任務時，分兩步進行教學。第一步是將所有信息分解為部分，讓學生按序列進行學習。在第二步，把所有的信息同時呈現，讓學習者同時加工。研究發現，這種方法對經驗不足的學生學習問題解決內容很有成效。整體—部分法正好與部分—整體法相反。它在教學開始時先呈現高元素關聯性的材料，但是學習任務是讓學生關注元素的關聯性，對學習任務形成整體印象；接下來是通過解答樣例讓學生關注正確解決問題的每一步驟（解答樣例效應），通過完成部分解答了問題習得相關知識技能（完成問題效應）。研究者認為，盡管這兩種效應在早期用來降低外在認知負荷，它們恰當組合也可以降低內在認知負荷。[32]

根據斯威勒等人的觀點，減少外部認知負荷，應該重點關注本文第二部分所講的前6種效應。這包括：借助系統的教學設計，有效利用自由目標效應、解答樣例效應、完成問題效應和通道效應，避免同時呈現多種信息元素給學生的工作記憶帶來不必要負擔；在作業、試卷、教學課件中合理安排圖片、文本的位置，使之整合在一起，消解注意分離效應；認真篩選學習材料，精簡學習內容，避免冗余效應出現。[33]

認知負荷理論者認為，通過減少外在負荷來釋放認知容量并非是有效教學的充分條件；在總體認知負荷不超載的情況下，增加關聯認知負荷更有助于學習和遷移。增加關聯認知負荷可借助三種效應：一是變式效應，亦即變化問題情境，讓學習者在多種問題情境下練習問題的解答步驟；二是想象效應，亦即隨著引導學生想象概念或問題解決步驟；三是自我解釋效應（Self-explanation Effect），亦即引導學生對相互關聯的信息元素之間的關系做出自我解釋，以此來促進其理解和學習。[34]

（二）適度采用真實學習情境和材料

在當前流行的學習理論中，無論是建構主義學習論還是情境學習論，都特別強調真實學習情境和材料的重要性。誠然，學習具有一定的情境性；利用真實材料，在真實情境中學習，有利于學生體驗到學習與真實生活世界的關聯，有利于所學知識、技能向真實世界遷移。[35]但從認知負荷理論角度看，真實材料和情境中隱含的豐富信息，對于有效學習所需的認知加工并非都是必要的。過分強調情境的真實性，使太多不必要的信息摻雜在學習情境中，會導致學生不能將注意集中于與任務或圖式相關的信息上，增加其外在認知負荷，損耗其可用于處理有效信息的認知資源。研究發現，真實性的學習材料會在一定程度上干擾學生從中抽取深層原理；在豐富的情境中，學習者很少根據事物的抽象關系，而往往根據其表面屬性作出反應，這會阻礙深層信息的提取，使抽象概念的理解和學習變得困難。[36]

（三）科學設計多媒體課件

認知負荷理論者揭示的若干認知負荷效應，對教師設計多媒體課件也有重要指導意義。首先，根據通道效應，應盡可能均衡使用學生的視覺和聽覺通道。如果畫面和語詞材料都以視覺形式 （如動畫或文本）呈現，就會出現聽覺言語通道閑置而視覺表象通道負荷過重的情況。如果語詞以聽覺形式（如教師講解）呈現，視覺通道就可以只用來加工畫面，這樣就出現聽覺和視覺通道信息加工的平衡，實現工作記憶容量的充分利用。其次，根據注意分離效應，設計多媒體課件時，應盡量考慮文字和圖畫置放于同一張幻燈片上，避免二者分離帶來的注意分散；如果可能，最好把描述圖表的文字整合到圖表之中，減少學生因對圖表意義進行不必要的猜測而帶來的額外認知負荷。第三，根據冗余效應，在多媒體課件中應盡量少用有趣但無關學習的文字和畫面，以避免信息冗余而增加學生的外在認知負荷。第四，由于工作記憶容量僅為7±2個單位，在每個頁面上呈現的內容不宜過多，所列的內容條目最好控制在9個以內，以免這些信息元素同時加工超出學生的工作記憶容量。

（四）關注認知負荷的相對性

認知負荷理論者指出，減少外在認知負荷，在一定程度有助于學習和問題解決，但這并非意味著要把學生學習過程中的認知負荷降低到最小程度。研究業已證實，在認知負荷的兩極，無論是負荷過低還是過高，都會使學習成效降低。[37]因此，當學習情境具有低信息加工需求時，通過挑戰學生、增加認知負荷，可以提升學習的效果；當學習情境具有極高的負荷要求時，應把認知負荷降低，使之達到更易于管理的水平。[38]另一方面，同樣的認知任務對于不同學習者具有不同的認知負荷含義。對一名新手來說，某種認知負荷可能是關聯負荷；但是對專家來說，可能就是外在負荷；對于缺乏經驗的學生來說有助于圖式建構的信息，則可能阻礙高經驗水平學生的學習。因而在教學設計過程中，教師應把學習者分析和學習任務分析整合起來，以適度信息數量向學生呈現知識。[39]

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*本研究得到上海市浦江人才項目、華東師范大學心理與認知科學學院理科基地項目資助。

龐維國/華東師范大學心理與認知科學學院

（責任編輯：張 斌）