基于認知負荷理論的有效教學設計研究

汪明　曹道平

[摘要]有效教學設計應基于學習者的認知規律，設法降低外在、內在認知負荷，同時增加相關認知負荷。在教學設計時，可以采用自由目標策略、關聯信息捆綁策略、一步到位策略與多通道策略降低外在認知負荷：采用任務先“分”后“整”逐步呈現策略與任務先“簡”后“繁”二次呈現策略降低內在認知負荷；采用變異任務策略與嵌入支架策略增加相關認知負荷。

[關鍵詞]外在認知負荷；內在認知負荷；相關認知負荷；有效教學設計策略

[中圖分類號]G40-057 [文獻標識碼]A [論文編號]1009-8097（2013）05-0016-04 [DOI]10.3969/j.issn.1009-8097.2013.05.003

教學設計是提高教學效率和教學質量的支點，如何進行有效教學設計一直是有效教學關注的焦點與踐行的著力點。然而，當前關涉有效教學設計的研究大多從教師的“教”入手，致力于“有效地教”的理論建構與現實踐行，卻在一定程度上有意或無意地忽視了“有效地學”。事實上，基于教師層面“有效地教”固然重要，但教師層面的“有效地教”必須基于學生層面的“有效地學”，

“有效地學”是“有效的教”的出發點與歸宿，倘若學生不能有效地學，那么教師再有效地教也往往徒然。因此，有效教學設計必須基于學生“有效地學”，教學設計所采取的一切措施與展開的一切活動都必須符合學習者的認知規律。鑒于此，本文基于認知負荷理論這一基于人類認知結構與外界信息結構交互作用而決定教學設計的理論，探究進行有效教學設計所亟需注意的方面及方法，旨在為有效教學設計提供新的理論思路與踐行策略。

一、認知負荷理論概述

認知負荷（Cognitive Load，CL）系指認知主體在信息加工過程中所需心理資源的總量，該概念最初由澳大利亞教育心理學家John Sweller于1988年首次提出。研究發現認知任務所引發的認知負荷量主要取決于該認知任務的組織、呈現方式，內在本質特性以及認知者的專長水平這三個因素，緣此也就產生外在認知負荷、內在認知負荷以及相關認知負荷這三種類型的認知負荷。其中外在認知負荷主要是由認知任務設計與呈現得不科學所引起的，這些與實質性認知加工過程無關的活動會額外引發工作記憶的認知操作，從而擠占一定的認知資源，因此外在認知負荷也常常被稱為無效認知負荷。內在認知負荷是工作記憶在加工處理認知任務本身所蘊含的信息內容及其交互性時所產生的負荷。內在認知負荷的高低主要取決于認知任務本身及認知者固有的相關知識經驗背景。一般來說，內在認知負荷在一定程度上標示著認知任務的復雜性或難易度，因為認知任務越復雜、難度越高，工作記憶所需承受的負荷就越大。然而如若學習者具有與認知任務相關聯的圖式，那么在加工處理相同的認知任務時，即使認知任務包含大量元素且元素間交互性強，但它們在工作記憶中也只是一個組塊，從而會比其他認知者產生更少的內在認識負荷。相關認知負荷通常是由認知加工過程中用于建構圖式或圖式自動化的操作活動所引發的，它可以促使認知主體把剩余的認知資源投入到實質性認知加工活動中去。與外在認知負荷阻礙認知加工明顯不同的是，相關認知負荷非但不會阻滯認知加工，反而能促進有效的認知加工，因此相關認知負荷也常常被稱為有效認知負荷。

二、認知負荷理論的理論基礎及其對有效教學設計的啟示

1.認知負荷理論的理論基礎

認知負荷理論主要基于人類認知結構（由工作記憶和長時記憶組成）理論之上，而工作記憶、長時記憶又與圖式（根據信息功能及其用途范疇化的信息單元）關涉甚密。為此，要清晰而全面地介紹認知負荷理論的理論基礎，有必要從工作記憶、長時記憶以及圖式理論三個方面予以切入。

首先，工作記憶系統的容量是有限的。決定人類學習心理機制的認知結構是由工作記憶系統與長時記憶系統所組成。其中工作記憶系統是對認知任務予以加工處理的心理結構，其突出特點是同時加工新信息的容量是極其有限的。倘若同時進行若干種認知加工活動，則不可避免地會涉及資源分配的問題，并且在資源分配時嚴格遵守“總量不變，此多彼少”的分配原則。因此如若個體在加工處理某認知任務時所需認知資源的總量超過了其本身所固有的認知資源總量，就會導致認知負荷超載，繼而影響到認知活動的效率與質量。其次，長時記憶系統的貯存容量是無限的。長時記憶系統是對經過工作記憶系統加工處理后的信息賦予意義并將其長久貯存起來的心理結構。相比工作記憶系統容量的有限性，長時記憶系統的貯存容量卻是無限的，儲存有大量的緘默知識，這些緘默知識對于人類的認知活動意義重大，因為在加工處理外界新信息時，外界新信息必須先與這些緘默知識中的“相似塊”進行耦合、接通和活化，繼而才能被接受、編碼和存儲。第三，圖式可以整合信息及其產生式規則，成為貯存空間小且無需控制性過程的自動化加工單元。根據圖式理論，長時記憶中的知識是以圖式的形式貯存的，圖式的構建可以有效減輕工作記憶的負荷。此外，工作記憶系統處理圖式的能力是很強的。工作記憶系統在加工處理新信息時需要用到儲存在長時記憶系統中的緘默知識，而這些關聯緘默知識如果是以圖式的方式編碼存在的話，那就可以有效減輕工作記憶在加工處理過程中所需承受的負荷，從而優化其工作。

2.有效教學設計應科學管理三種認知負荷

認知過程是認知主體的認知結構與外在信息結構兩者交互作用的過程。前面已經提到，人類的認知結構是由容量有限的工作記憶系統與貯存容量無限的長時記憶系統所組成。一方面，對于某一具體的認知任務來說，認知主體容量有限的工作記憶系統是固化的、不可擴充的，可謂認知活動的瓶頸，因此這就客觀要求在教學設計時，必須想辦法確保個體加工處理認知任務所需認知資源的總量不超過工作記憶系統所能承載的總量。盡管內在認知負荷是學習任務本身固有，是不可改變的，但在教學設計時可通過降低學習任務本身元素的數量及其交互性來降低內在認知負荷；而外在認知負荷是無效的，在教學設計時要通過相關針對性策略來控制它。總之，要使容量有限的工作記憶系統能夠、并且有效加工處理學習任務，有效地教學設計必須優化學習任務的信息結構，降低外在認知負荷與內在認知負荷。另一方面，長時記憶系統中存有大量的緘默知識，而這些緘默知識如果是以圖式編碼存在的話，將非常有助于工作記憶系統加工處理外界信息，同時也可以直接驅動行為。由此，為了增強教學設計的實效性，在教學設計時一定要充分調動與利用認知主體長時記憶系統中的圖式。圖式的形成與發展又需歷經圖式建構與圖式自動化，而相關認知負荷有助于促進圖式建構與自動化。因此，有效的教學設計必定要設法增加相關認知負荷。總之，教學設計與認知負荷密切相關。認知負荷過低會造成資源的浪費，而過高又會阻礙認知活動的順利有效進行，且外在、內在與相關認知負荷三者又具有可加性。因此，有效教學設計必須降低外在認知負荷與內在認知負荷，同時增加相關認知負荷，使學習者在認知過程中所承受的三種認知負荷之和不超過但趨近其工作記憶的總負荷。

三、認知負荷理論視閾下的有效教學設計策略研究

1.降低外在認知負荷的有效教學設計策略

外在認知負荷主要源于認知任務設計與呈現得不科學，因此要降低外在認知負荷，在教學設計時必須設法改善與優化學習任務的設計與呈現方式。筆者根據自由目標效應、分散注意效應、冗余效應以及通道效應這四個外在認知負荷效應，提出相應的四種有效降低外在認知負荷的教學設計策略，具體如下：（1）自由目標策略。由自由目標效應可知，當學習者面對單個明確的任務目標時，他們會訴諸“手段一目的”分析范式予以解決。為此首先需要分析問題原始狀態與目標狀態之間的差距，繼而尋求潛在的解題方案并評價其績效，這一復雜的解題程序會耗費大量的認知資源，繼而形成較大的外在認知負荷，削減了學習者用于建構和獲得圖式的認知資源投入；而當面對一個自由目標任務時，他們的注意力將從目標導向的搜索方法轉向關注任務狀態及可用的方法上來，相視而言，其解題程序就能簡化很多，這樣產生的認知負荷就很小。因此，根據自由目標效應，在教學設計時，宣采用自由目標策略。即在任務呈現時，彰顯學習目標的二重性，讓其在“預設”與“生成”的張力下進行或者為學習者設計多個學習目標。（2）關聯信息捆綁策略。由分散注意效應可知，如果認知任務包含兩種或多種分散的信息源時，認知主體在加工處理時必須將注意力分散至搜索并整合各種信息源的關聯信息上，從而產生較大的外在認知負荷。因此，鑒于分散注意效應，在教學設計時，宜將各種關聯信息捆綁在一起，使其在空間上鄰近分布，時間上同步呈現。如在進行既含文本解釋，又有圖表的樣例教學設計時，宜將文本解釋整合到相應的圖表中去，捆綁起來一并呈現。（3）一步到位策略。根據冗余效應，如果單一的信息呈現即可完整而明確地傳達清楚信息意義，最好獨立呈現，否則認知主體在面對多元表征的信息來源時，需要耗費一定的認知資源來分析各個多元表征的信息源以及它們之間的關聯，從而產生較高的外在認知負荷，降低了學習效果。因此，根據冗余效應，在教學設計時宜采取一步到位策略。即在呈現信息時，如果單一的信息呈現即可完整而明確地表征信息意義，那么就不要采用內容重復的多元信息表征，獨立呈現即可。（4）多通道策略。根據通道效應可知，同時以不同的感官通道（主要是視覺和聽覺）呈現信息，由于工作記憶中聽覺加工和視覺加工是相對獨立的，從而可以有效減少視覺或聽覺單一通道加工信息的認知負荷。因此，為了減少外在認知負荷，根據通道效應，在教學設計宜采用多通道教學設計策略，即同時利用視覺和聽覺呈現信息的不同部分。

2.降低內在認知負荷的有效教學設計策略

內在認知負荷的高低主要取決于認知任務本身及認知者固有的相關知識經驗背景，但對具體的認知主體來說，內在認知負荷的高低主要取決于認知任務本身，即元素數量及各元素間的交互性。因此在教學設計時要降低內在認知負荷，必須設法降低認知任務本身的元素數量及各元素間的交互性。鑒于此，我們可以采用任務先“分”后“整”逐步呈現策略與任務先“簡”后“繁”二次呈現策略來降低內在認知負荷，具體如下：（1）任務先“分”后“整”逐步呈現策略。所謂的任務先“分”后“整”逐步呈現策略是指先呈現部分認知任務，然后依次逐步呈現其余的認知任務，最后呈現完整的認知任務，這里的“分”與“整”指認知任務的部分與整體。任務先“分”后“整”逐步呈現策略可以有效降低內在認知負荷，其科學依據是先呈現部分認知任務，可以從總體上降低認知任務的內在認知負荷，有利于部分圖式的建構。操作性強且實效性高的任務先“分”后“整”逐步呈現策略有Mayer等提出的分割技術和Catrambone提出的子目標方法。其中，分割技術是指事先將學習任務分割為一系列學習片段，再依次呈現：而子目標方法是指從總學習任務中提煉出一系列相互獨立的子目標。（2）任務先“簡”后“繁”二次呈現策略。鑒于任務先“分”后“整”逐步呈現策略可能會影響到認知主體對認知任務的完整理解，進而制約完整圖式的構建。因此，為了更有效地降低內在認知負荷，宜采用任務先“簡”后“繁”二次呈現策略來有效降低內在認知負荷。所謂任務先“簡”后“繁”二次呈現策略是指先抽取認知任務所包含的主要元素并將其壓縮成組塊或信息單元予以呈現，然后呈現完整的認知任務。可見任務先“簡”后“繁”二次呈現策略即分兩次呈現任務，只是第一次呈現的是任務的簡潔版本，而第二次呈現的是任務的完整版本。任務先“簡”后“繁”二次呈現策略可以更有效地降低內在認知負荷，其科學依據在于在認知之初，壓縮或簡化認知任務所包含的元素，降低內在認知負荷，繼而有利于建構不失整體的部分圖式；而在后續的認知活動中，盡管所需加工處理的認知元素增多了，但工作記憶系統因有了先前建構的部分圖式為基礎，從而有利于加工處理完整的認知任務，建構較為完整的圖式，在此過程中先前建構的部分圖式的不完整性也得以彌補。現實中Pollock等提出的獨立元素法就是切實有效的任務先“簡”后“繁”二次呈現策略。所謂Pollock等獨立元素法是指在呈現學習任務時要分兩次予以呈現，其中第一次通過壓縮或簡化的辦法呈現該學習任務的簡潔版本，在第一次簡潔版本的基礎上，第二次呈現學習任務的完整版本。

3.增加相關認知負荷的有效教學設計策略

相關認知負荷可以促使認知主體把剩余的認知資源投入到實質性認知加工活動中去。研究發現：對于耗時較長的學習任務，尤其是那些時間跨度比較大的長期學習任務來說，即使將外在認知負荷與內在認知負荷都盡可能降至最低了，但學習者的學習效率與質量并沒有因此而得以明顯的提高與改善，研究表明這是由于學習者主觀上不愿或客觀上不能將富余的認知資源有效地投入認知任務所致。因此欲增加相關認知負荷，必須確保學習者愿意并能有效投入認知，在教學設計時要設法喚醒、引發學習者的認知投入，同時引領與幫助學習者的認知投入。變異任務策略和嵌入支架策略可以有效喚醒、引發學習者的認知投入，并促使學習者將認知有效地投入到圖式建構和自動化活動中，從而可以有效增加相關認知負荷，是增加相關認知負荷的有效策略，具體如下：（1）變異任務策略。所謂變異任務策略是指在設計學習任務時，對學習任務本身及其呈現方式予以變異，其中學習任務本身的變異又包括學習任務表面內容的變異與學習任務深層結構的變異兩個方面。變異任務策略之所以能有效增加相關認知負荷主要在于它可以喚醒、激發認知主體，引發其投入更多的心理努力。但值得注意的是，變異任務策略也不是萬靈藥，對任何學習者都有效，它具有一定的適用閩。如果學習者的學習水平較高，那么使用變異任務策略可以有效喚醒、激發認知主體，引發其投入更多的心理努力，從而增加相關認知負荷；但倘若學習者的學習水平較低的話，使用變異任務策略往往非但不能增加相關認知負荷，反而極可能會額外增加外在認知負荷，進而阻滯認知活動，所以在使用變異任務策略前一定要弄清楚學習者的學習水平，慎重使用。（2）嵌入支架策略。所謂的嵌入支架策略是指在設計學習任務時，嵌入一些諸如暗示與反饋這樣支持學習者學習的支架，旨在喚醒、引發學習者投入與圖式建構和圖式自動化相關的認知活動。從所嵌入支架的顯隱性維度來看，嵌入支架策略具體又可以劃分為嵌入顯性支架與嵌入隱性支架兩種策略。其中嵌入顯性支架策略是指在設計學習任務時，有意把學習者加工處理學習任務所需的某些關鍵信息較為明顯地展露給學習者，從而促進其進行有效認知。Chi等研究發現：樣例中嵌入的反思問題或暗示信息會引發學習者對其解答歷程的自我解釋，而自我解釋不僅可以有效填充樣例文本與學習者心理模型之間的空缺，同時也可以改善與優化學習者原有的心理模型，有利于圖式的建構與精致化，從而有效增加了相關認知負荷。而嵌入隱性支架策略是指在設計任務時，有意對任務本身做一些引領性處理，使呈現給學習者的任務潛在地暗含認知活動，從而誘導、促進學習者的認知投入。