網絡學習環境下學習者認知負荷的研究進展及啟示

方中玉

(陜西師范大學 教育學院，陜西 西安 710062)

網絡學習環境下學習者認知負荷的研究進展及啟示

方中玉

(陜西師范大學 教育學院，陜西 西安 710062)

網絡化學習已經成為一種新的學習方式，網絡學習環境下學習者認知負荷是影響學習成效的重要原因之一，網絡學習環境下學習者認知負荷的研究已經取得一些進展，主要集中于網絡學習環境下影響學習者認知負荷的因素研究、網絡學習環境下減輕學習者認知負荷的策略研究、網絡學習環境下學習者認知負荷的測量研究和基于認知負荷理論的網絡學習資源的設計研究等四個方面。通過對已有研究成果的梳理，以期對網絡化教與學帶來些許啟示。

網絡學習環境；學習者；認知負荷

一、前言

信息技術革命將學習環境延伸到網絡環境下，網絡環境下學習是一種包括網絡、多媒體、信息搜索、遠程學習在內的，學習者通過網絡進行人與計算機之間、人與人之間交互的受教育方式，又稱為網絡化學習或數字化學習[1]。學習者在學習的過程中普遍存在認知負荷現象，學習環境又是影響學習者認知負荷的一個重要原因，而當前越來越多的教師在網絡環境下開展教學，越來越多的學習者已經或將要在網絡環境下參與學習活動，并且網絡學習環境仍在不斷發展。所以網絡學習環境下學習者認知負荷的問題與網絡環境下的學習相伴，因此，有關網絡學習環境下學習者認知負荷的研究對調控學習者認知負荷、優化網絡化學習結果具有重大的理論與現實意義，既是對理論的拓展，也是對理論應用的加強。

二、認知負荷理論概述

認知負荷理論(Cognitive Load Theory，CLT)是由澳大利亞認知心理學家約翰·斯威勒(John Sweller)以及穆勒(Miller)等人提出的。在國內外眾多研究者的助推下，研究內容從認知結構的分析發展到認知負荷的測量研究，從影響認知負荷的因素到認知負荷的調控研究，從傳統課堂環境下學習者認知負荷到網絡環境下學習者認知負荷的研究，且CLT發展成為研究認知過程和教學設計框架的一個主要理論。所謂認知負荷理論是指同時被要求施加在工作記憶上的心智活動的全部數量，即施加到工作記憶中的待處理信息的總量[2]。由于工作記憶的容量的有限性，當學習者要解決復雜的問題或被給予復雜的學習內容時，就會出現認知負荷的現象。根據影響認知負荷主要因素的來源及性質，Sweller等人把認知負荷分為三大類[3]：內在認知負荷(Intrinsic Cognitive Load)指在工作記憶中同時進行的，需要被整合進將要學習的圖式中的元素的數量，元素越多，表明學習者的內在認知負荷越高；外在認知負荷(Extraneous Cognitive Load)與學習材料的組織和呈現方式有關；相關認知負荷(Germane Cognitive Load)指學習中學習者將工作記憶能量投入更深層的圖式建構、加工和存儲時產生的認知負荷，三種認知負荷相加即總的認知負荷(Total Amount Cognitive Load)[4]。但是，總的認知負荷即三種認知負荷的總量不能超過工作記憶所允許的范圍，否則就會造成認知負荷，從而阻礙學習。1994年，Fred G.W.C.Paas 和Jeroern J.G.Van Merrienboer[5]從因果要素和評價要素的角度提出了認知負荷的結構模型，并指出任務環境特性、學習者主體特征、評價要素反應的評估因素是影響認知負荷的三大因素[6]。

三、網絡學習環境下學習者認知負荷的相關研究

(一)網絡學習環境下影響學習者認知負荷的因素研究

關于認知負荷影響因素的研究已取得豐碩成果，通過對國內外相關研究進行梳理發現，研究者以認知負荷模型為基礎，圍繞教學設計、學習過程等領域中的認知負荷影響因素開展了大量研究。通過對以網絡學習環境和多媒體學習環境為對象來研究認知負荷的相關成果歸納分析顯示，研究者分別從認知負荷的三種類型和認知負荷的結構模型這兩個角度進行了大量的實驗研究。例如，王朋嬌等人指出，當前網絡環境下遠程學習者的外在認知負荷和內在認知負荷水平過載，而相關認知負荷水平較低[7]。引起過載和較低的因素有網絡信息資源的過剩及非線性結構、學習資源的不恰當的組織及不合理的呈現方式、網絡學習者的認知風格、元認知水平、信息技術水平等。有研究通過設計實驗研究了信息呈現方式對多媒體學習中認知負荷的影響或探究信息呈現方式與經驗水平、認知風格、元認知監控活動等的交互作用對認知負荷的影響[8]。

還有一些學者圍繞認知負荷結構模型開展了大量研究，例如，李金波通過模擬網絡化學習實驗和網絡環境下的雙任務實驗，探討網絡學習環境中影響認知負荷的主要因素、人機交互過程中以及網絡學習過程中狀態元認知對學習者認知負荷的影響[9]。研究發現任務特征中的任務復雜性、時間壓力和個體特征中的作業自我效能、狀態元認知對認知負荷均有顯著影響。有研究認為有效的教學設計在一定程度上能夠降低學生的認知負荷[10]，把HPS(History，Philosophy and Sociology of Science)教學模式運用于物質的量的教學中，通過對學生的學習成績的測量得知HPS教學模式下的外部認知負荷明顯低于非 HPS 教學下的外部認知負荷，同時通過對學生心智努力、心理負荷程度的測量分別得出HPS 教學模式在對于減輕學生內部認知負荷和相關認知負荷有一定的作用。

(二)網絡學習環境下減輕學習者認知負荷的策略研究

根據認知負荷理論的觀點，較低的外在認知負荷和內在認知負荷會促進學習者學習成績的提高，相關認知負荷越高，學習者也會取得更好的學習結果。在網絡多媒體學習環境中，不僅要考慮降低外在、內在認知負荷，還要增加相關認知負荷，同時在保持網絡多媒體學習的獨特優勢的情況下，通過認知負荷的適當控制達到學習結果的最優化。對研究網絡環境下減輕學習者認知負荷的策略的相關文獻分析發現，大部分研究側重從單一地降低外在認知負荷角度進行研究，部分研究者分別從三個或其中兩個認知負荷的角度進行理論或實證研究。網絡學習環境下學習者的認知負荷的調控策略從宏觀上可以概括為以下三個方面：

1.降低網絡環境下學習者外部認知負荷的策略

降低網絡環境下學習者外部認知負荷的策略很多，分析總結為三大策略，每個策略里都有具體的實施方法。策略一：避免注意的分散(減少與學習目標無關的冗余信息材料、視覺和聽覺材料呈現時的時間空間效應)；策略二：提供操作支持(設計學習資源導航、提供學習者選擇和組織的線索、減少學習材料的頁面跳轉)；策略三：學習材料的組織和呈現方式(文字、圖像和圖表應恰當組織、避免學習材料的混亂，改善資源的界面設計等)。

當對違法犯罪分子進行追擊時，我方可及時通知前方部隊，在違法犯罪分子逃跑方向經過的地區，選擇有利于我實施伏擊的地區設下埋伏，爾后追擊分隊繼續對敵實施追擊。追擊過程中既不緊逼犯罪分子，又不能讓其逃脫，始終使其處于我牢牢控制范圍之內。待違法犯罪分子逃離至我伏擊地域時對其實施伏擊，進而將其捕殲。

2.降低網絡環境下學習者內部認知負荷的策略

降低網絡環境下學習者內部認知負荷的手段也很豐富，實證研究證明比較有效的策略如下：策略一：了解學習者的知識水平，設計交互水平適中的學習材料；策略二：清晰的知識結構圖，將重點內容進行標記；策略三：提供準確豐富的“先行組織者”，預先培訓形成相關的智力模型；策略四：分化復雜學習任務，將學習材料分割成片段，模塊化呈現；策略五：利用網絡環境下的各種電子學習工具等。

3.提高網絡環境下學習者相關認知負荷的策略

提高學習者的相關認知負荷主要是想辦法努力讓學習者將更多的認知資源、工作記憶容量投入到更深層次的圖式構建、加工和存儲上。策略一：多種信息表征方式激發學生的學習興趣，建立獎勵機制激發學習動機；策略二：學習內容與生活相關聯，創設生動活潑的學習情境；策略三：了解學習者的認知風格；策略四：合理利用工具將記憶活動和認知活動進行轉移；策略五：構建學習共同體，適時交互，及時反饋。

(三)網絡學習環境下學習者認知負荷的測量研究

認知負荷測量方法研究已經成為認知負荷研究領域的新動向，并且認知心理學在此領域已經做了很多相關研究。Brunkenetal對認知負荷的測量方法進行分類組織，認為認知負荷的測量可根據主觀維度、客觀維度和直接、間接維度來劃分。Brunkenetal等人采用雙重任務范式對認知負荷進行測量。在任務特性上，可分為主要任務、次要任務和與主要任務不相關的干擾的測量。Xie & Salvendy[11]認為可以使用主觀評定、任務績效測量、生理測量等三種方法測量學習者的認知負荷。國內有學者提出，可以通過測量工作記憶中“語句的數量、激活的產生式的數量”、“工作循環的次數”以及“條件匹配的數量”來測量學習或問題解決過程中認知負荷的大小[12]。隨著對認知負荷多維特性的認識，研究者普遍認為認知負荷的測量方法中的任何一類都不能全面反映不同任務下的認知負荷狀況，利用多維度指標對認知負荷作綜合評估是認知負荷測評的發展方向[13]。

21世紀的學習者是信息時代的學習者，學習環境是傳統與網絡化學習環境的混合，關于認知負荷測量的研究，隨著學習者的特征及學習環境的變化，研究者逐漸探索網絡學習環境下認知負荷的測量。例如，有研究在簡介現有E-learning環境中學習者認知負荷測量方法的基礎上，分析現有方法的不足，提出了一種綜合性的E-learning環境中認知負荷的測量方法，即“成績測量+主觀評定”的測量方法。該方法分別采用成績測量法和主觀評定法，對E-learning環境中學習者的認知負荷進行測量，通過計算相關系數，對所得結果進行驗證以增強其可信度[14]。李金波等人通過設計模擬的人機交互實驗，分析持續作業過程中認知負荷在評估指標上的變化；采用Elman神經網絡和BP神經網絡兩種建模方法，探索人機交互過程中認知負荷變化預測建模的構建方法[15]。并且通過設計模擬的網絡化學習實驗，探討網絡化學習過程中認知負荷的評估方法，結果顯示，心理努力、任務主觀難度、注視時間、注視次數、主任務反應時、主任務正確率等評估指標對認知負荷變化敏感；采用多維綜合評估模型對認知負荷進行測量總體上比采用單一評估指標的測量更為有效。還有研究通過比較幾種認知負荷主觀測量工具的靈敏度與效度，運用較為理想的測量工具探討了多媒體學習環境中學習方式與學習風格對認知負荷及學習結果的影響，并提出了影響認知負荷及學習結果的因素模型[16]。

(四)基于認知負荷理論的網絡學習資源的設計研究

在開展信息化教育的過程中，信息化學習資源是信息化教育的運行基礎，是實施信息化教育的重要條件和內容，日益受到人們的廣泛關注，但是大量的信息化學習資源的設計缺乏對學習者認知負荷的考慮，導致學習者在網絡學習中經常發生認知超載，嚴重影響網絡學習環境下學習者的學習的效率、效果。針對此現象，研究者以認知負荷理論為理論基礎展開一系列研究。有研究基于認知負荷理論，從認知負荷三種類型、學習者、信息內容和媒體類型等方面分析學習者在網絡課程學習中產生認知負荷的內在原因，探討網絡課程設計的基本規律。例如，課程內容呈現形式上應遵循適時呈現、臨近呈現和多重表征的原則；課程導航設計上符合學習者的瀏覽習慣和學習路徑，表述無歧義；課程交互界面設計上應簡潔清楚，體現一致性和指導性原則；課程學習支持服務上具有友好的幫助和提示信息、智能學具及智能的答疑或搜索功能等。同時提出在網絡課程的設計過程中，要充分考慮學習者、課程內容、媒體類型等三者的特性和相互間的關系，是合理、有效地組織與呈現網絡課程的必要前提[17]。

隨著學習環境、學習理念及學習方式的改變，學習者對資源的需求也在發生改變。移動學習作為一種特殊的、全新的學習模式，學習對象、呈現方式、傳輸載體等因素影響著移動學習資源的設計。研究提出，需在充分考慮認知負荷理論和多媒體學習認知理論的基礎上，按照明確定位、界面簡單、小模塊呈現、隨機進入、雙通道、去除冗余、適當排序、情境認知等八大設計原則，設計既不增加學習者認知負荷又符合移動學習者特點和需求，且能充分發揮移動通信技術，特別是多網絡媒體技術優勢的移動課程，實現高效的移動學習[18]。微課程以其短小精悍、隨時隨地的特性漸漸步入教育領域。與此同時，如何設計微課程的網絡多媒體課件，使其在短時間內充分展現知識內容，并符合學習者的學習規律，成為微課程設計的焦點。有實證研究從認知負荷理論視角，分析了學習過程中的認知負荷情況，并結合大量實例，實現了降低內在認知負荷、無關性認知負荷，以及提高相關性認知負荷的策略和方法，實現了認知負荷在微課程課件設計中的導向性作用[19]。

四、相關研究啟示

(一)利用網絡學習環境下多媒體的優勢，有效調控學習者認知負荷

多媒體是一種以計算機為媒體的交互式呈現方式，包括文本、聲音、靜態圖像和動畫等元素，當計算機呈現的材料包含兩種以上元素時，就可以認為這是多媒體的呈現。與只有文字和少量靜態圖像的傳統紙質材料相比，多媒體本身所具有的優勢，多媒體呈現具有形象、生動、豐富的特點，更能吸引學習者的注意力，激發他們的學習動機和興趣等。

在教與學過程中，教師應依據教學目的和內容恰當選擇教學媒體與策略，課件的建設應體現教學內容的結構化呈現和傳遞的策略，將抽象知識直觀化、具體化降低學習的難度，減少學生學習過程中的不自信，降低其外部負荷；適當使用多媒體創設問題情景，促進網絡化學習中師生之間的溝通交流，并給學習者提供展示分享觀點的平臺，激發學生學習的動機和興趣，鼓勵學習者發表自己的感受與觀點，讓學生充分參與、體驗網絡學習，促進師生之間的互動，增加學習者的相關認知負荷。對認知負荷的適當調控可以有效提高學習者的學習成績，但是對認知負荷的有效控制并不是要一味降低認知負荷，而對相關認知負荷的增加則對學習結果有利[20]。另外，由于媒體學習本身的特殊性，外在認知負荷不能降到最低，而要保持在一定限度內，以保持其特有的豐富性、趣味性和直觀性。

(二)在信息化教學設計中要充分考慮學習者的認知負荷

隨著教育信息化的發展，信息化教學是大勢所趨。信息化教學是為了促進學習，在信息化環境中，師生合理有效地運用現代教育媒體、信息資源而進行的教與學的雙邊活動，值得注意的是，信息化教學設計是“信息化教學”的設計，而不是“信息化”的教學設計，信息化教學設計是面向過程和基于資源的設計，突出“學”。

與傳統教學相比，信息化教學最大的特點是信息技術的有效應用、豐富的資源支持、良好的媒體環境和合理的教與學的過程。然而在當前信息化教學中，信息技術濫用、信息資源的超載，以及不合理的信息表征方式、呈現方式造成了學習者的認知負荷，因為技術的應用反而降低了學習效果。因此可以看出，在信息化教學設計中考慮學習者認知負荷的必要性，認知負荷理論能在信息化教學設計中發揮重要的指導作用。在信息化教學設計中要充分考慮學習者的認知負荷，基于認知負荷理論，整合多種信息技術手段、良好的媒體環境及豐富的資源支持，可以支持教學情境的創設、在線活動的設計和設置教學內容，優化教學內容的信息結構、信息的呈現次序和表征方式等，從而可降低內在認知負荷、外在認知負荷和增加相關認知負荷。

(三)信息化學習資源的設計與開發能符合學習者的認知負荷

信息化學習資源是信息化教育的基礎，是學習者學習的主要內容，但是對于信息化學習資源的建設及應用效果常遭質疑，其本質是在信息化學習資源的設計過程中缺乏對教學內容進行信息加工以及學習者認知上的考慮，僅僅成為教材或紙質資料的搬家、數字化。研究表明，信息化學習資源的設計與開發應符合學習者的認知負荷和信息加工特點，能夠降低學習者的外部與內部認知負荷，提高相關認知負荷。信息化學習資源主要功能應當集中于學習情境的創設、直觀、結構化呈現教學內容上，幫助學習者進行信息加工和交互學習，不能停留在對教材的低級數字化和翻版；在信息化學習資源中，學習內容的呈現應結構化，信息量要適中，過多的動畫、音效和繁雜的色彩容易造成學習者的信息超載和認知負荷；在學習內容的設計加工過程中，應當充分依據心理學基礎和信息加工理論，對信息呈現的結構、表征方式、呈現速度予以關注[21]；此外，在資源的開發中，不能為了追求技術而忽略學習者的認知過程，三維動畫、虛擬現實技術、仿真實驗、智能代理等技術的選擇應能夠解決學習內容設計上存在的問題，對學習者在學習內容的加工和認知上有幫助，而不能只是為了追求技術的利用而用技術。

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【方中玉：陜西師范大學教育學院碩士研究生，主要從事網絡與遠程教育研究】

G727

A

1009-4156(2014)10-034-04

國家級精品資源共享課“現代教育技術”課程項目(編號：994974)和2012年陜西師范大學校級重點教學改革研究項目(編號：884426)】