基于認知負荷理論的電氣自動化專業英語教學設計

摘要：基于認知負荷理論，通過分塊呈現課程內容、創建學習情境、發揮雙重感官效應、利用樣例、提升學生心理努力程度等教學設計，降低學習者的內在認知負荷和外在認知負荷，提升其相關認知負荷，從而實現電氣自動化專業英語教學目標，提高學習者的學習效率。

關鍵詞：認知負荷；電氣自動化專業英語；教學設計

作者簡介：劉遠義（1979-），男，江蘇常州人，黑龍江科技大學電氣與控制工程學院，講師；江曉林（1978-），男，浙江金華人，黑龍江科技大學電子與信息工程學院，副教授。（黑龍江 哈爾濱 150028）

基金項目：本文系黑龍江省教育科學規劃課題（課題編號：GBC1212080）的階段性研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）20-0130-02

由于我國的電氣自動化產業已全面與世界接軌，許多企業的產品和設備使用手冊及說明書都是采用英文編寫，仿真軟件、前沿學科的研究論文、互聯網上的專業技術信息等多數也是英文，這一客觀現實對電氣自動化專業人員提出了新的要求，電氣自動化專業人才不僅要精通本專業知識，還要能夠熟練的應用外語閱讀、翻譯、交流，掌握相當水平的專業英語知識。[1]然而從目前的教學來看，電氣自動化英語教學還沒有完全滿足市場對電氣自動化專業人才的要求。從教學實踐中可以看出，電氣自動化專業英語教學存在著以下問題：一是學習內容涉及面廣，專業詞匯多，專業知識與英語的結合不深入；二是理論講授過多，實踐操作過少；三是學生學習的積極性不高。針對上述問題前人也做過大量的研究，但主要集中在教學方式、方法、手段上。而本文將從個體認知角度入手，基于認知負荷理論研究如何降低學習者的內在和外在認知負荷，提高其相關認知負荷，從而獲得較好的教學效果。

一、認知負荷理論內容

1988年澳大利亞心理學家J.Sweller在Miller研究的基礎上，以資源有限理論和圖式理論為基礎提出了“認知負荷理論”（Cognitive Load Theory，簡稱CLT）。[2]該理論認為人類的認知結構包括有限的工作記憶和無限的長期記憶，在學習過程中主要依靠工作記憶的作用。工作記憶主要處理通過視覺和聽覺渠道獲得的信息以及從長期記憶中調用的信息，使人們能夠有邏輯的思考問題和解決問題。人們在學習新的材料知識時，都是通過工作記憶將信息進行編碼然后存入長期記憶中，但工作記憶在注意和處理信息時是要消耗一定的認知資源的，如果個體需要處理和加工的信息超過其認知資源的總量，就會出現認知超載從而影響其學習效率。由于人的知識是以圖示的形式存儲在長期記憶中，當需要時這些圖示能夠被提取到工作記憶中進行無意識和自動化的處理，自動化加工無需消耗認知資源。

認知負荷主要與完成某項特定的任務相聯系，該任務在工作記憶中進行信息加工，該信息加工需要耗用一定的認知資源。認知負荷是指在工作記憶中必須注意和處理的信息所耗費的認知資源總量。研究者們根據認知負荷的來源將認知負荷分為以下三類：

第一類是內在認知負荷，它取決于所要學習材料的本質特征與學習者的專業知識之間的交互程度。材料的本質特征取決于材料本身的復雜程度，學習者的專業知識通常取決于學習者對前知識的掌握情況，如果材料本身很復雜而學習者的前知識又很匱乏，那么內在認知負荷就會很大，反之亦然。[3]因此一般認為內在認知負荷是相對固定的，一般較難被教學設計所改變。但有學者指出可以通過減少一些元素的交互作用縮減學習內容來達到降低內在負荷的要求。

第二類是外在認知負荷，材料信息的呈現方式或者要求學習者從事學習活動都會增加工作記憶的負荷，當這種負荷是不必要的、阻礙了圖式的獲得和自動化處理時，這種負荷即為外在認知負荷。外在認知負荷一般可以通過教學設計予以降低。

第三類是相關性負荷，它是與圖式建構及與圖式自動化過程努力程度相關的認知負荷。相關性認知負荷與外在認知負荷一樣都是在信息呈現過程中產生的，但相關性認知負荷旨在幫助學習者獲得知識，圖式可以是學習過程中的任何知識結構或所學信息組成的任何知識結構，圖示將存儲在長期記憶中，建構充分且豐富的圖式可以提高學習效率。[4]

二、認知負荷理論在電氣自動化專業英語教學設計中的應用

認知負荷理論在教學設計中的主要思想是降低內在認知負荷和外在認知負荷并在確保工作記憶資源有所盈余的前提下，適當引導學生投入更多的心理努力提高其相關認知負荷，實現圖式的獲得與規則的自動化。

1.按順序和分塊呈現課程內容

分階段呈現小段的學習材料能夠減少初學者的認知負荷。對于大多數電氣自動化專業的學生來說，電氣自動化專業英語不僅涵蓋了大量的專業理論知識而且還是應用非母語的形式來表述，當學生學習到這些復雜的內容時工作記憶需要處理的信息數量加大，而且各個信息要素間的交互關系又比較高，這會加大學生的內在認知負荷。因此，應該將電氣自動化專業英語教學內容分解為多個教學模塊，使每個模塊中包含的信息要素減少，降低要素間的交互作用，從而降低內在認知負荷。如在介紹自動控制原理基本理論時，應該將其分成自動控制原理的基本概念及自動控制原理的基本定律兩個大模塊，再將基本概念和基本定律逐一分解。在應用分階段呈現學習內容時對教師的要求比較高，教師應該對整個教學內容非常熟悉，可以按照學生對知識的認知能力來建構每一個知識模塊，但并不一定按照教材內容順序來建構，在建構的知識模塊中應考慮先呈現的知識是可以獨立加工，并對后續的學習內容打下基礎。通過對全部知識的分解，可以在一定程度上降低材料間的交互作用，節約學習者的工作記憶消耗，同時也有利于學生對專業英語知識在長期記憶中圖式的構建。

2.創建學習情境，促進圖式構建

在教學過程中可以依據具體的教學內容來創建學習情境，具體的情境可以把專業英語的學習和實際生活聯系起來，幫助學習者在相對真實的環境中學習新的知識。通過媒介或教育材料的安排來創建學習情境以引起學生的注意力，激發其學習興趣，讓學生主動的思考，構建新知識，學生就會投入更深層的圖式建構和存儲的記憶能量，構建長時記憶圖式要素并能提升圖式自動處理。

如在講到控制系統反饋的專業知識時，可以利用生活中常見的抽水馬桶，將其工作原理和相關的專業詞匯利用多媒體呈現出來如圖1、圖2所示。學生對抽水馬桶都很熟悉，它的工作原理在前沿課程中也都學習過，在此學生就可以對照其圖示內容將專業詞匯很容易的掌握。這種方式的學習可以有效地降低外在認知負荷，增強相關認知負荷，有利于信息的加工。

3.利用多媒體教學手段，發揮“雙重感官效應”

既有研究表明人的工作記憶可以同時處理視覺信息和聽覺信息，通過視覺和聽覺同時獲得的信息更容易形成圖示而存儲于長期記憶中，提高學習效率。隨著現代多媒體技術的發展同時采用視覺和聽覺雙重感官模式輸入信息已經成為可能。既往研究表明相對于單純的視覺形式，聽覺—視覺的雙重教學模式更有效，尤其是涉及指令或解釋操作規則時，采用視聽雙通道方式輸入信息更具優越性。如在講到限制性定語從句的翻譯方法時，傳統的教學方法是首先在課件上顯示每一種方法如何使用，然后再舉例，這種方式會使學生在規則和例句之間來回搜索信息耗費認知資源，基于認知負荷理論最好的解決方法是將例句以文字的形式放在課件上，而規則方法則采用教師口述的方式來達到教學效果。

多媒體課件還可以結合仿真軟件進一步強化視聽雙重效應，如講到智能樓宇技術時，利用LabVIEW仿真或組態王仿真動畫界面，吸引學習者的注意力。首先強化學習者對專業知識的理解，然后在講解英語，這樣可以有效地降低外在認知負荷，增強相關認知負荷。但在使用多媒體教學手段時也要注意認知負荷理論中的分散注意力效應和信息冗余效應，也就是說不要在多媒體課件中加載大量的學習內容或是添加一些不必要的音頻、視頻內容，因為這些會耗用學習者的認知資源，加大外在認知負荷，會引起學生注意力的分散，而忽略主要信息的獲得。

4.靈活運用樣例效應，提高學習效率

電氣自動化專業英語課程的主要教學目標之一是培養學生的翻譯能力，樣例輔助是在英語翻譯學習中必不可少的一種輔助手段。樣例教學是指教師對所要講解的教學內容呈現具有詳細解答步驟的樣例，通過樣例分析和學習，學生可以歸納出隱含的抽象知識來解決類似的問題。在專業英語教學中如果教師一味的講解翻譯的規則方法會讓學生感到枯燥和無趣，相反如果教師能夠設計一些具有典型代表的樣例，可以降低學生的認知負荷。如：Electrical energy can be stored in two metal plates separated by an insulating medium. Such a device is called a capacitor，or a condenser，and its ability to store electrical energy is termed capacitance. It is measured in farads.電能可儲存在由一絕緣介質隔開的兩塊金屬極板內。這樣的裝置稱之為電容器，其儲存電能的能力稱為電容。電容的測量單位是法拉。這一段短文中各句的主語分別為：Electrical energy、Such a device、its ability to store electrical energy、It（Capacitance）。它們都包含了較多的信息，并且處于句首的位置，非常醒目。此外，四個主語完全不同，避免了單調重復，這種方法可以廣泛采用。Sweller等人的研究發現，在樣例學習中知識的獲得明顯比傳統的基于練習的模式更省時間，而且在解決相似的同構問題時用的時間明顯較少，也更少犯錯誤。[5]

5.提升心理努力程度，降低無效負荷

認知負荷理論認為認知負荷的核心是心理努力。心理努力是指學習者分配給任務的認知資源。心理努力也就是學生在學習中所花費的注意、感知、記憶、思維、想象等認知成分，學習者的心理努力反映了認知負荷的實際水平。對于電氣自動化英語學習而言，如果學生肯集中注意力，其想象力、邏輯力、理解力比較強，對電氣自動化專業知識和英語的掌握比較好，其內在認知負荷就會下降，相關認知負荷就會增加。雖然個體的感知能力、記憶能力、理解力會有先天的差異，但情感、態度、動機等后天因素對學習者認識影響更大。因此在電氣自動化英語學習中，教師應該通過各種手段激發學生的斗志，集中精力提高學生學習興趣，加強學生學習動機，降低外在和內在認知負荷。

參考文獻：

[1]劉中利.電氣工程及其電氣自動化專業英語教學的探討與嘗試[J].中國科技信息，2011，（1）：176-177.

[2]李志專.認知負荷理論的解讀及啟示[J].煤炭高等教育，2009，（1）：50-52.

[3]王詩懷.認知負荷理論及其研究[J].科教文匯，2012，（9）：182-183.

[4]孫天義，許遠理.認知負荷的理論及主要模型[J].心理研究，2012，（2）：93-96.

[5]Sweller J.Cognitive load during problem solving：Effection learning[J].Cognitive Science，1988，（12）：257-285.

（責任編輯：孫晴）