認知負荷理論視角下的微課程多媒體課件設計

張曉君　李雅琴　王浩宇　丁雪梅

摘要：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。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，實踐了降低原生性認知負荷、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。

關鍵詞：微課程；認知負荷；多媒體課件；設計

【中圖分類號】G40-057【文獻標識碼】A【論文編號】1009—8097（2014）02—0020—06【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2014.02.003

一 研究背景

2012年11月，教育部發布了《關于舉辦首屆全國高校微課教學比賽的通知》，旨在推動高校教師專業發展和教學能力提升，促進信息技術與學科教學融合，搭建高校教師教學經驗交流和教學風采展示平臺。通知要求，微課程的時長要限制在10～20分鐘以內，所使用的多媒體教學課件要圍繞教學目標、反映主要教學內容、與教學視頻合理搭配。2013年5月，中國教育技術協會等部門聯合發布了《關于舉辦首屆全國微課程大賽的通知》，提出微課程所講述的知識點必須是學生自主學習時的重難點、易錯點，學生能夠自己通過閱讀教材理解的內容，不需要教師制作微課程；微課程的時間要控制在10分鐘以內，抓住學生注意力的最佳黃金時段，簡明扼要地概述知識點。微課程在一次次比賽中逐步趨向完善，與此同時，其要求的不斷提高，也讓廣大教師和教育技術工作者聚焦于如何更加簡明扼要的表述知識以及如何設計多媒體課件會更利于知識的快速獲得。

二 微課程對多媒體課件的需求分析

微課程的教學時間短，教學內容精練，動感、精美的微課程應用于在線學習及移動學習會給學習者帶來良好的學習體驗，豐富學習者的課余生活；應用于教師的經驗交流有助于先進教學方式方法的傳播，提升教師課改的積極性；應用于在線評課，能夠有效節約成本，并支持反復觀看，使評價更加客觀。

要制作如此精美的微課程，需要教師的精心準備。不僅講授語言要生動，還需要配以美觀大方、多媒體化的課件。文字、圖片、動畫、視頻等多種媒體元素相互配合，有利于吸引和保持學習者的注意力。另外，一些微觀的或需展現實驗操作的知識，更有必要使用課件來表達，簡單的文字描述無法說清楚相對復雜的教學內容。

那么，如何整合文字、圖片、動畫、視頻等這些媒體元素，怎樣在有限時間內既恰當地表達知識內容，又使每一頁所顯示的知識量都恰到好處，為學習者所接受呢？這個問題成為微課

三 認知負荷的概念及分類

1 認知負荷的概念及主要觀點

認知負荷理論（Cognitive Load Theory）起源于19世紀80年代，并且在全球研究者的推動下經歷了快速發展和拓展的90年代，成為研究認知過程和教學設計框架的一個主要理論。它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[2]，即施加到工作記憶中的待處理信息的總量。

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，在面對新信息時，其容量是非常有限的，一般能接收、處理或貯存7±2個信息組塊；長時記憶以圖式為基本單元，圖式具有復雜性，并且可以自動化，其中的信息被調用到工作記憶時，所調用到的所有信息僅作為一個組塊進行加工處理。因為工作記憶的容量有限，當學習者要解決復雜的問題或被給予復雜的學習內容時，就會出現超載的情況，這種超載抑制了學習，因此，避免了認知超載的學習過程才是有效的教學過程。微課程課件的設計也要遵循認知負荷理論，使課件整體及局部的信息承載量適當，促進學習的信息加工。

2 認知負荷的分類

影響工作記憶的認知負荷可以分為三類：原生性認知負荷、無關性認知負荷和相關性認知負荷，它們與學習者在微課程學習過程中的信息理解息息相關。

原生性認知負荷（Intrinsic Cognitive Load）取決于知識本身的復雜程度，它與知識是如何呈現的或學習者以何種方式學習以及如何達到學習的最佳化無關。對于一個指定的學習任務和指定的學習者知識水平來講，原生性認知負荷是固定的，不可改變的。只有當已有知識被擴展或處在學習過程中時，原生性認知負荷才會改變。也就是說，當微課程的選題選定時，對于特定階段的某個學習者來講，其原生性認知負荷就已經被確定了，想要降低原生性認知負荷，要從學習者能力提升方面或間接降低選題難度方面著手。

設計不當的教學過程會給工作記憶帶來額外的負荷，這部分負荷即無關性認知負荷（Extraneous or Ineffective Cognitive Load）。采用何種技術來降低無關性認知負荷是認知負荷理論首要關心的問題。根據學習內容的不同，采用適宜的方法，會促進學習者的學習，減少無關性認知負荷。微課程課件設計過程中，降低無關性認知負荷在設計中起著非常重要的作用，設計不良的多媒體課件會占用學習者大量的工作記憶去處理與課程內容無關的事物，使本就不長的教學時間更加緊張。

相關性認知負荷（Germane or Effective Cognitive Load）是學生的圖式建構和自動化過程所占用工作記憶的資源。無關性認知負荷妨礙學習，與此相反，相關性認知負荷促進學習。在微課程課件設計過程中，要給相關性認知負荷留有一定的空間，不能讓同時出現的學習內容過多，否則會妨礙學習者構建長時記憶圖式，進而影響教學效果。

認知負荷理論所關注的焦點就是復雜問題給學生有限的工作記憶空間所帶來的壓力，教學設計的核心原則是要使原生性認知負荷的復雜度適度、要通過降低無關性認知負荷來釋放工作記憶空間、要通過調節相關性認知負荷使負荷最優化。

四 多媒體課件的設計策略

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。根據內容的不同，選用不同的認知負荷策略對多媒體課件進行設計，會使教師的實時講授效果更加出色。

1 降低原生性認知負荷策略

（1）分離關聯元素，逐步呈現教學內容

有些教學內容很復雜，包含了很多的關聯元素，要完全理解，必須要把這些關聯元素同時在工作記憶中進行處理。如果教學內容自身的關聯元素數量大于工作記憶能夠處理的數量，就會很難理解。將一部分內容以分離的形式呈現出來，經工作記憶進行處理，并存儲到長時記憶中，無疑會提高學習者的能力，此時，再進一步與其他內容相結合，就能很好地解決這個問題。

例如，在C語言課程的《選擇排序法》知識點講授中，涉及兩層循環，如果將兩層循環的代碼同時呈現出來，會占用初學者過多的工作記憶空間，不易于理解。因此，可以先列出外部循環的代碼，并將內部循環代碼用易于理解的文字表述代替，講通了外部循環的代碼后，再逐步給出內部循環中的細節代碼（如圖1所示），會更易于學習者對整體內容的信息加工，教學效果更好。

（2）實行指導漸減，避免消極效果產生

伴隨著學習者相關知識的不斷增加，工作記憶的空間會逐步釋放，此時逐步減少指導，并提高問題解決要求對學習者的知識加工有促進作用，有助于提升學習者解決問題的能力。原有的對新手學習者較為適用的一些方法，如全程的詳細的樣例解答方法會隨之變成其前進的絆腳石，因為不必要的詳細解答會帶來新的無關性認知負荷，產生消極效果。因此，在設計多媒體課件時，初始時期可以使用詳細的樣例解答方法，當學習者已經理解部分內容時，就要使指導漸減，以適應能力漸強的學習者。

例如，對于C語言課程的教學后期，學習者對代碼的書寫已理解透徹，此時的命題答案可以只表述解題思路，給學習者留出自己解決問題的空間。

2 降低無關性認知負荷

（1）選取合適樣例

對于初學者，尋找解決問題的方法需要嘗試，盲目地尋找會帶來過高的無關性認知負荷，微課程時間短，需要提供學習者所熟知的內容作為樣例，并對其有一個基本的理解，當學生把已掌握的原理應用到新問題時，就會有更進一步的理解加深，有助于學生發現已掌握原理和新問題解決方法之間的差距，有效地促進學習。另外，耳熟能詳的事物作為引子也會使記憶更加深刻。

（2）利用多通道表達

工作記憶對視覺信息和聽覺信息的加工是分離的，同樣的信息通常可以用多種方式來呈現，對不同學習者而言，某些形式可能會比其他形式更容易整合或加工，而單純使用一種信息呈現形式，可能只用到一部分工作記憶，使其他部分處于閑置狀態。微課程的課件要綜合利用多種信息呈現形式，有效提高工作記憶的使用量。

例如，在中國服裝史的《滿族女子服裝》知識點講授中，涉及清朝各時期旗袍形制特點，領口、袖口、開衩、衣長等方面都有當時女子服裝的特色，因此可以使用的三維模型來展示服裝的形體特點，旋轉的三維模型能夠帶來良好的全局感受，不帶任何花紋裝飾能夠將學習者的注意力集中于衣著的線條；還可以使用圖片來展示服裝的工藝紋樣以及色彩，平面圖更加適合細節的展示，與三維模型同步顯示（如圖2所示），還可以讓學習者對旗袍的長度及各部分大致比例有所了解，一舉兩得。

（3）減少冗余信息

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。在微課程的多媒體設計中，要盡量減少冗余信息，并適當添加注意引導標識，以減少無關性認知負荷的產生。

（4）避免相關內容分離

在信息的呈現過程中，有時有必要用多種媒體元素來呈現同一知識內容或相關知識內容，此時，如果這些媒體元素被不明智地分隔開，就會產生無關性認知負荷。因為想弄懂這些信息，首先要花費精神去整合他們。這種情況在微課程多媒體課件的制作過程中，是一定要避免的，微課程時間短，學習者如果再花費時間去整合這些無關信息，就會影響其理解教師接下來所講授的內容。

例如：在生理學課程的《生物電現象》知識點講授中，要讓學習者了解細胞在受到刺激后的動作電位和細胞膜內外離子分布變化情況。折線圖比較適合顯示動作電位的變化，分時段顯示數值的方式更加直觀；動畫比較適合揭示細胞膜內外離子的分布變化，生動的離子運動過程更適于學習者理解記憶。兩者放在同一頁面中（如圖3所示），會讓學習者快速理解伴隨電位變化的同時，離子是如何運動的，但是如果將兩者分開，學習者在理解時，就會消耗部分工作記憶空間來整合，導致無關認知負荷的產生。

3 增加相關性認知負荷

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。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。

例如：在物理學課程的《光的偏振》知識點講授中，將兩個偏振片重疊，轉動其中一片，重疊部分會有光線的明暗變化，表明光線的明暗變化與偏振片的偏振化方向有關。在知識點表述結束后，可以讓學習者試著運用偏振知識來詮釋生活中常見的相關現象，如偏光太陽鏡的鑒別。其中的一個方法就是利用液晶屏，當偏光太陽鏡放在液晶屏上時，因為液晶屏的光線是偏振光，轉動屏幕時，透過眼鏡的光線就會有明暗變化，以此來證明該太陽鏡確實是偏光鏡。通過提出類似的問題，既能使學習者加深對理論的理解，又能提高其在實踐當中的應用能力，實現知識的遷移。

五 結語

微課程是目前新興的一種教學方法，短小精悍、隨時隨地是其主要的特點，在學習者的學習過程中，精心設計的微課程能夠充分利用學習者有限的注意集中時間，快速地傳遞知識，這其中多媒體課件的精心設計尤為重要。認知負荷為微課程的多媒體課件設計提出了包括知識內容設計與界面設計等多方面的理論參考，有效控制學習者的原生性、無關性和相關性認知負荷會讓微課程更加出色，更加人性化。

編輯：李婷