認知負荷理論與大學英語翻轉課堂設計

○史虹濤

(大連大學英語學院，遼寧 大連 116622)

翻轉課堂，即“Flipped Class Model”，一般被稱為“翻轉課堂式教學模式”。2007年翻轉課堂起源于美國，兩位化學老師將錄制好的影片上傳到YouTube網站，供缺課的學生在家觀看。2011年，隨著可汗學院(Khan Academy)、慕課(MOOC)以及TED(Technology Entertainment Design)視頻的發展，“翻轉課堂”這個概念更加廣為人知，也成為各個學校教學改革的熱點。目前，國內研究主要集中在翻轉課堂在各學科的應用，卻鮮有人關注翻轉課堂教學設計在學生學習過程中產生的認知負荷相關問題。研究顯示，教學活動符合學生的認知規律是有效教學的前提。本研究從認知負荷理論角度，討論大學英語翻轉課堂教學設計中應遵循的原則。

一、認知負荷理論起源與內涵

認知負荷(Cognitive Load)最初來自歐美的人機工程學和人因工程學，主要從心理、生理與認知方面探討工作和任務對執行者的影響。上世紀八十年代，澳大利亞心理學家Sweller首先將此觀念引入教育，提出認知負荷理論(Cognitive Load Theory，CLT)。Sweller(1998)認為，學習者在信息的接受、處理與運用的過程中，因為信息內容、學習環境、傳輸環境與互動方式等因素超過了學習者所具備認知能力，在“心理”或“生理”等方面引起負擔和焦慮。“認知負荷”所呈現的是一種“認知能量”，在學習過程中一些與學習內容無關的信息會占據“工作記憶”的容量，進而產生認知負荷，對學習產生負面影響。Sweller指出傳統的問題解決法太強調解題技巧，學習者必須使用大量的認知記憶能力，導致沒有多余的認知能力來從事學習與獲得基模，因而造成認知負荷。此外，認知負荷與短期記憶中的記憶單位數有關，個體若將一大堆的記憶項目貯存在短期記憶內，則容易形成過度的認知負荷。因此，Sweller等人將“認知負荷”定義為:“將特定工作加諸于個體認知系統時，所產生的負荷量”。

Paas認為認知負荷涉及學習者的心智努力程度及所知覺的學習內容困難度，包含心智負荷及心智努力兩面向，在學習上當個體心智努力程度或所知覺的困難度越大，則其認知負荷越大。［1］429-434因此，工作任務太過困難，或者工作需要投入極大心力，這都容易造成認知上的負荷過重。認知負荷程度將影響學習者的學習能力的發揮，進而對學習成效產生影響。因此，教學應該根據人類認知系統的結構與特征進行設計，這樣才能促進學習。

Paas指出學習者的認知負荷來自以下三個方面:［2］122-133

1．工作任務:工作任務的類型、激勵類型、激勵及期望程度等。

2．學習材料:學習內容、學習材料編排方式、信息編排方式、教材呈現方式及教材組織方式等。

3．學習者特征:學習者對學習材料的背景知識或經驗、認知方式、認知能力、認知風格、動機等。

Sweller(1998)根據認知負荷的不同來源將認知負荷分為內在認知負荷、外在認知負荷及增生認知負荷三種，根據文獻資料歸納如下:

1．內在認知負荷。內在認知負荷主要受到教材本身難易程度的影響。當學習者面對難度較低的教材，不需要將大量的要素同時置于工作記憶中，便可運用較多工作記憶的空間做思考、理解，因此內在認知負荷較低。反之，當面難度較高的教材，學習者必須耗費較多的工作記憶，其內在認知負荷則相對的提高。教學設計不能改變內在認知負荷，只有簡化教材內在要素間的相互關聯性，才能降低認知負荷。

2．外在認知負荷。外在認知負荷也被稱為無效認知負荷，主要受到教材編排方式、教學設計，或是教學活動本身的影響，與學習者無關，因此外在認知負荷是外加的，可以通過更有效的教學設計、修改教材信息的講授方式、改善課堂的組織結構降低外在認知負荷。

3．增生認知負荷。增生認知負荷又被稱為有效認知負荷，是通過教學設計者向學習者提供額外的信息、適當的教材或學習活動，來吸引學生專注于學習內容的認知過程。一個好的教學設計者須盡可能設計適合學習者的教材或學習活動來降低學生的外在認知負荷，釋放出工作記憶資源給有效認知負荷，如此才能促進學習。增生認知負荷，單純是由工作記憶資源用于處理和內在認知負荷相關的元素交互性而組成。假如教學的歷程是有組織有效率的，就會讓工作記憶的資源去處理內在認知負荷的元素交互作用，增生認知負荷和學習成效就會增加。增生認知負荷很像外在認知負荷，但外在認知負荷會干擾學習，而增生負荷卻會提升學習效果。

Sweller(1998)指出，如果內在認知負荷高，即教材本身難度較大，教師通過良好的教學設計，降低外在認知負荷，并運用增生認知負荷來構建學習新內容所需的基模，讓學習者投入大量的工作記憶資源去處理教材的必要信息，學習更有效果。［3］251-296反之，如果外在認知負荷增加，而讓學習者使用工作記憶資源來處理外在的認知負荷元素，而不是教材知識的本質，那么增生負荷將降低，而學習效果會減少。在學習的過程中，學生的整體的認知負荷量不得超過運作記憶可利用的資源。只有在總認知負荷量(內在認知負荷與外在認知負荷之總和)未超出學習者的能力范圍時，適當的引入增生認知負荷，學習才有意義。

二、認知負荷理論與翻轉課堂學習理論

人類對新信息的接收、認識與理解，需要借助記憶對信息進行處理，并使之轉化為長期記憶，認知負荷理論假定包括運作記憶容量的有限性、長期記憶容量的無限性和基模的自動化運作，其主要目的是希望在兼顧信息結構與學習者認知結構，引導教學設計，關注于如何有效使用運作記憶，提高學習效果。根據認知負荷理論，翻轉課堂教學模式可以減低外在認知負荷，提高增生認知負荷，進而提高學習效果。

首先，從翻轉課堂教學過程來看，學生的學習過程由兩個階段組成:第一階段是知識傳授階段，該過程在課前完成，學生通過觀看老師提供的視頻和在線的輔導獨立完成;第二是吸收和消化的過程，即知識內化的過程，是在課堂上通過教師和學生、學生和學生之間的互動來完成的。在翻轉課堂中，課前學生可以反復觀看視頻，廣泛閱讀相關資料，積累背景知識;教師能夠提前獲知學生的學習困難，在課堂上可以以此為依據，設計合理的教學活動，給予有效的輔導，這些活動都可以降低外在認知負荷，提高增生認知負荷。

其次，從翻轉課堂教學資源呈現方式來看，擺脫了傳統紙質教材篇幅限制，可以提供海量素材;而且其教學內容多為視頻資料，學習者經由視、聽覺兩種方式來接收有關信息，并對所獲得信息主動處理。視頻資料由淺入深，難度有梯度，可以降低內在認知負荷。

三、認知負荷理論與大學英語翻轉課堂設計原則

在翻轉課堂教學過程中，要采用大量的視頻資源和多媒體資源，如何使用這些資源，減低認知負荷，增加增生認知負荷，是教師在教學設計與運用時應考慮的重點。Sweller指出，認知負荷理論在的教學設計原則主要可區分為七種教學設計效應:［3］251-296

1．開放目的效應。開放目的效應是指教學中采用開放目標的方式，讓學生不受限制地表達自己的思考過程和成果，可以降低外在認知負荷。

就大學英語翻轉課堂而言，可以在觀看視頻資料后設計一些開放式問題，如回答問題、寫故事梗概等，讓學生試著用英語表達，一方面在問題的引導下，學生能更好地理解材料，另一方面，使學生不因限制而提高認知負荷，還培養了學生的創造力。

2．示范效應。示范效應認為教師在教導有關程序性知識前，如果能呈現適當的示范及練習，供學生參考，當學習者逐漸熟練，有助于基模的建構及自動化，可降低外在認知負荷，增加增生認知負荷。

例如，在講授英語“連音(linking)”發音規則時，除了英語母語者錄制的音頻資料，教師還可以錄制微課和小動畫，提供多種示范及練習，幫助學生降低內在認知負荷及增加增生認知負荷。

3．完成問題效應。雖然提供示例有助于學習，但不同能力的學習者，對示例的處理未必相同。低能力學習者只在遭遇問題時，才會認真研究示例。因此，主張只呈現一部分的解法，剩下一部分則由學習者完成，這樣減低外在認知負荷。

4．分散注意力效應。分散注意力效應是指學習的過程中，若因教材的呈現方式過于分散，學習者必須分散注意力在相關的信息中，而影響學習成效。因此信息需要進行整合，最好同時、同位置呈現。整合信息的方式包含旁白的解說和將文字的說明適當地整合到圖形當中。

在翻轉課堂中要大量使用英語視頻資源。應避免這些視頻簡單重復，而且視頻最好設計關閉字幕功能和調整英、漢字幕功能，有助減低外在認知負荷。

5．型態效應。型態效應是指在接收和處理信息時，讓學習者同時借助不同的感官刺激，如視覺和聽覺，可有效的增加工作記憶空間，這些增加的空間可降低認知負荷，進而提升學習成效。

研究顯示，通過視聽途徑獲取信息時，學習所需時間由長到短依序為動畫+字幕、動畫+旁白+字幕、動畫+旁白。因此，在選擇及制作視頻材料時，應根據視頻材料的難度考慮是否提供字幕。

6．重復效應。重復效應是指當學習者面對多重信息來源，并且這些信息意義明確，則可獨立呈現;如果將相同的信息，以不同的方式同時呈現，就會增加認知負荷。對于不復雜且不需重復學習之概念，在學習過程中，使用一種呈現方式即可完整表達概念意義時，使用多種媒體呈現同一概念，將會加重個體心智負荷，降低學習效果。

教師在收集與課程相關的視頻資料時，要注意“過猶不及”，要對所選材料精心挑選，避免知識重復;而且在編排這些材料時，要主意梯度，難度由淺入深，循序漸進。不要就同一概念同時提供多種視頻資料，雖然這樣可以給學生選擇空間，但學生也可能因選擇耗費有限的學習時間，因此對不復雜且不需重復學習的概念，在媒體運用上不妨選擇淺顯易懂的材料。

7．變化效應。學習者在練習過程中，如果能使用不同的問題情境，雖然可能在表面上造成更大的認知負荷，但有助于基模的建構與發展，促進學習遷移。

翻轉課堂教學模式中，課堂上老師不再傳授簡單的知識記憶，這些知識點都由學生在課前通過觀看視頻自主完成。因此，課堂上有充足的時間進行知識操練。教師可以圍繞一個主題設計多種練習方式，促進學習遷移。例如，在談論英語面試話題時，教師可以組織學生進行模擬面試、問題搶答、篩選簡歷、匹配工作等活動，反復練習面試所需的句型、表達法等。

翻轉課堂已成為當今教育發展的趨勢，也是教學改革與創新的重點。在轟轟烈烈進行翻轉課堂嘗試的過程中，教師要考慮是否在學生學習的認知負荷上有所幫助。翻轉課堂教學模式提供海量電子資源，視頻資源和多媒體資源，教師在編排這些資源時不應照單全收，以量取勝，仍應根據課程目標及重點加以權衡，在英語教學過程中，視頻資源和多媒體運用應多元且適度，且應了解其教材內在結構特點，提供示范教學或用問題引導，幫助學習者降低外在認知負荷，另外，在教學時應避免分散注意力與重復兩種效應，避免增加認知負荷，善用型態效應及變化效應，同時注意呈現時間，適切的減少認知負荷，提升學習成效。

［1］Paas，F．1992．Training strategies for attaining transfer of problem-solving skill in statistics:A cognitive load approach［J］．Journal of Educational Psychology，(84)．

［2］Paas，F．，＆ Van Merri．J．1994．Variability of worked examples and transfer of geometrical problem solving skills:A cognitive load approach［J］．Journal of Educational Psychology，(86)．

［3］Sweller，J．，Van Menienboer，J．，＆ Paas，F．1998．Cognitive architecture and instructional design［J］．Educational Psychology Review，(10)．

［4］何克抗．從“翻轉課堂”的本質，看“翻轉課堂”在我國的未來發展［J］．電化教育研究，2014(7):5-16．

［5］宋艷玲，孟昭鵬，閆雅娟．從認知負荷視角探究翻轉課堂——兼及翻轉課堂的典型模式分析［J］．遠程教育雜志，2014(1):105-112．