基于認知負荷理論的微課視頻設計與應用研究

馮小燕，王志軍，李睿蓮，厲飛飛

(1.河南科技學院 信息工程學院，河南 新鄉 453003; 2.天津師范大學 教育科學學院，天津 300387)

基于認知負荷理論的微課視頻設計與應用研究

馮小燕1,2，王志軍2，李睿蓮1，厲飛飛2

(1.河南科技學院 信息工程學院，河南 新鄉 453003; 2.天津師范大學 教育科學學院，天津 300387)

微課視頻在教學中的應用日益廣泛，但在設計與制作時存在教學設計不足、知識點切分不到位、對學生認知特點和學習需求分析不足等問題。本研究對理論進行梳理后提出通過降低內在認知負荷、減少外在認知負荷和增加相關認知負荷的策略提高微課視頻的質量和應用效果；在此基礎上，以認知負荷理論為指導，對“思維導圖及其制作”微課視頻進行設計，并進一步開展了應用效果的對比實驗。結果表明，基于認知負荷理論設計制作的微課視頻可以有效提高學習者的學習效果。

微課視頻設計； 認知負荷； 學習效果

0 引 言

有關微課的定義，不同學者從不同視角進行了闡述。胡鐵生認為微課是以教學視頻為主要載體，反映教師在教學過程中某個知識點或環節中開展的各種教學資源的有機整合[1]。焦建利認為微課是以闡釋某一知識點為目標，以學習或教學應用為目的，短小精悍的在線教學視頻；黎加厚認為微課是目標明確，內容短小，問題相對單一的10 min以內的小課程，以教學視頻為主要載體[2]。可以看出各學者對微課核心組成和主要特點的界定十分相似，即教學視頻是微課的核心組成部分，知識點突出，是十分有效的教學和學習資源。

微課視頻作為微課資源的核心組成部分，其質量高低在很大程度上影響著微課的學習效果。但從教學設計、內容適切性和應用效果角度分析已有的微課資源和參賽作品，發現微課視頻開發與應用中存在的問題主要有：① 缺少精心設計與制作技法處理，將微課視頻變成了課堂或教材的翻版，沒有根據微課特點對知識點進行分解。② 將任意類型的教學內容制作成微課視頻，沒有根據教學內容的適切性進行選擇。③ 呈現的知識點存在細化與切分不足或不當的問題。④ 對學習者需求和認知特點分析不足，雖制作精良但沒有起到應有的效果，這些問題得不到有效解決將導致微課視頻在實際應用中的滿意度下降，影響學習效果。因此，微課視頻在設計與制作時應符合學習者的認知規律，富有吸引力；同時遵循多媒體畫面語言規則，要素設計既豐富生動，又和諧簡潔[3]。有關微課視頻的內容選取、教學設計、畫面設計、知識表達等應成為關注的重點[4]。

1 認知負荷理論

建立在信息加工心理學基礎上的認知負荷理論，其存在的基礎是人類信息加工容量的有限性[5]。斯韋勒(Sweller)以資源有限理論、工作記憶理論和圖式理論為基礎，認為認知負荷是指在一個特定學習時間內施加于個體認知系統的心理活動總量[6]。認知負荷的產生與具體任務相關，需要工作記憶中的有限認知資源的參與，認知負荷的大小成為能否有效解決問題及獲得圖式的重要影響因素。

認知負荷分為內在認知負荷、外在認知負荷和相關認知負荷3類，三者之和為認知負荷總量。其中內在認知負荷主要受學習材料復雜性和學習者原有知識水平的影響；外在認知負荷又稱為無關認知負荷，一般是由教學設計或教學活動的不當所造成的額外的認知加工所引起的；相關認知負荷是由學習者在圖式建構和自動化過程中投入的認知資源數量，引導學習者把認知資源分配到學習活動上去。相關認知負荷受到外在認知負荷、內在認知負荷和總的認知負荷的影響[7]。

2 基于認知負荷理論的微課視頻設計規則

在認知負荷理論指導下進行優化設計，微課視頻的上述問題有望得到較好的解決。可以從降低學習者的內在認知負荷，減少外在認知負荷，提高相關認知負荷，促進學習者的深層次認知加工方面加以考察。

2.1降低內在認知負荷

微課視頻并不適應于所有的教學內容，對于適應于微課視頻的教學內容，其內在認知負荷較低，學習效果較好；不適應于微課視頻的教學內容采用微課視頻的方式教學，反而會增加學習者內在認知負荷，影響學習積極性和效果。如果呈現的內容過多或過于復雜則會使學習認知負荷超載。微課視頻對知識點細化不足或切分不當，增加了學習者的內在認知負荷。降低內在認知負荷的策略包括：① 根據教學內容選擇微課視頻，讓合適的內容借助微課視頻呈現，有效降低學習者的內在認知負荷。② 學習內容越多，任務越復雜，對學習者的認知加工的要求就越高，所占用的認知資源達到一定的量就會超負荷[8]。在學習復雜內容之前，應對其進行適當的分解，分步實施，循序漸進；在掌握到一定程度后可適當增加復雜的知識內容，促進知識的有意義建構，提高學習質量和效率。

2.2減少外在認知負荷

設計不良的微課視頻會占用學習者的認知資源，增加外在認知負荷[9]。在微課中添加一些吸引學習者注意但與學習內容無關的元素、相關信息的分離、信息傳遞通道的選擇不當或不足、學習者對學習目標不明確等[10]，都會使學習者分出不必要的認知資源，增加外在認知負荷。降低外在認知符合的策略有：① 充分考慮學習者的先前經驗，考慮不同學習者的知識水平和能力層次。② 明確教學目標，將學習者的注意力引向與學習緊密相關的內容，促進知識的深度加工。③ 在使用多種媒體元素來呈現同一或相關的知識內容時，應避免將相關元素分開而增加學習者外在認知負荷。④ 盡量注意減少冗余信息，避免干擾學生注意力的分配。

2.3增加相關認知負荷

學習者的相關認知負荷有利于促進學習，應適度增加微課視頻的相關認知負荷，提高學習效果。微課視頻的信息承載量應適當，以提高相關性認知負荷，優化學習過程達到更好的學習效果。微課視頻制作中增加相關認知符合的策略有：① 創設接近現實任務的情境，促進學習者對其進行有意義建構與加工，提高問題解決的能力。② 注意多通道原則的運用，當信息呈現形式單一時，學習者認知加工時會出現部分認知資源閑置而造成浪費，應綜合利用視聽觸覺等多種通道，有效提高工作記憶的使用情況。③ 有效利用樣例提高學習效果，微課視頻時間短，對于初學者而言提供其所熟知的內容作為樣例能促進學習者對課程知識的理解，提高其解決相關問題的能力。

3 基于認知負荷理論的微課視頻的設計與實現

心理學家安德森將知識分為陳述性知識和程序性知識，陳述性知識包括所知道的事實，程序性知識包括曉得如何進行的技能；技能的學習經過認知、聯結和自動化3個階段[11-12]。本研究選取“思維導圖及其制作”作為微課視頻的呈現內容，主要包括有關思維導圖理論的陳述性知識和如何制作思維導圖的程序性知識，以探究不同知識類型微課視頻對學習者學習效果及認知負荷的影響[13]。從微課資源網上選取一個點擊率較高，講授“思維導圖及其制作”的微課視頻，時長8 min 30 s。以認知負荷理論視角分析發現，該微課視頻存在所講內容較多、表現形式過于單一、教學設計不合理、缺少恰當的樣例等問題，在諸多方面不符合本研究提出的設計原則，故將其作為對照組。在認知負荷理論指導下對該微課視頻進行了改良和優化。為了驗證不同類型的知識分開呈現與合并呈現哪種形式的學習效果更好，分別制作了兩組微課視頻，將陳述性知識與程序性知識進行了分開呈現與合并呈現的對比實驗，即實驗組1和實驗組2。3組微課視頻在設計與制作方面的主要差異如表1所示。為保證微課內容的統一性，實驗組1與實驗組2中在“思維導圖及其制作”的教學內容上與對照組保持一致，時長誤差不超過20 s。

表1 基于認知負荷理論的微課視頻優化設計

4 微課視頻學習效果的實驗驗證

為了考察對于相同的學習內容，符合認知負荷理論的微課視頻是否能夠顯著提高學習效果，進行了進一步的實驗探索。

4.1方法

(1) 實驗設計。本實驗采用單因素被試間設計，自變量只有一個，即微課視頻，分為3個水平：原微課視頻，在認知負荷理論指導下優化但未分段的微課視頻，在認知負荷理論指導下優化并分段的微課視頻；因變量為學習效果(保持成績和遷移成績)和認知負荷。

(2) 實驗目的。探究微課視頻在設計制作時有無認知負荷理論指導對學習者學習效果的影響，從而驗證本研究提出的基于認知負荷理論的微課視頻設計規則的合理性與可行性。

(3) 實驗材料。實驗材料包括前測材料、微課視頻學習材料和后測材料。前測材料主要用來篩選被試，保證被試有關思維導圖的先前知識處于同一水平。微課視頻學習材料為3份，即原微課視頻、經過改良未分塊的微課視頻和經過改良并分塊的微課視頻，所講內容均為“思維導圖及其制作”。后測材料主要包括保持成績、遷移成績、認識負荷的測試題。其中保持成績測試題6道；遷移成績測試包括測試題3道和被試獨立創作的思維導圖作品一個，作品評分由3名研究人員獨立評定，求平均分；認知負荷采用5點式主觀量表測量學習者的認知努力程度[14]，其程度從“非常吃力”到“非常輕松”被分為5個水平，得分越高表示認知負荷越小。在正式實驗開始前，請相關專家對實驗材料進行評定，并根據專家的意見對測試題進行了調整與完善，保證了實驗材料的內容效度；之后進行了小范圍的試測，a信度系數為0.738，說明所設計的材料具有良好的信度。

(4) 被試。隨機選取42名大一本科生，分為3組，每組14人；視聽力正常，所有被試都事先告知實驗內容，并知情同意。

(5) 實驗過程。實驗在數字媒體制作實驗室進行，3組實驗材料隨機存放在不同機器中統一指定的路徑下；視頻采用統一播放器全屏播放，配有耳機；機器均裝有思維導圖軟件Sharemind。實驗過程為：首先引導被試進入實驗室隨機就坐，告知實驗要求和注意事項，并進行先前知識測驗；其次讓被試觀看指定類型的視頻，結束后使用Sharemind軟件獨立制作一個思維導圖，并按要求保存作品；最后被試完成后測試題，整個實驗用時約45 min。

4.2數據分析

使用SPSS22.0對被試的學習效果和認知負荷進行統計，結果如表2所示。無論是保持成績、遷移成績還是總成績均為實驗組2成績最高，實驗組1次之，對照組成績最低。標準差越大說明該組成績越分散，越小說明該組成績越均衡；通過標準差可以看出，無論是保持成績、遷移成績還是總成績，標準差均為對照組最大、實驗組1次之，實驗組2最小；說明不同類型知識分開呈現的實驗組2保持成績整體偏高且水平均衡，而對照組成績整體偏低且水平不均衡。

表2 不同分組的測試成績

本實驗在進行認知負荷測量時，分值越高表示學習越輕松，認知負荷越小，測試結果如表3所示。可以看出，實驗組2認知負荷最小，實驗組1認知負荷次之，對照組認知負荷最大。表明基于認知負荷理論進行改良和優化的微課視頻在一定程度上可以減少學習者的認知負荷，若能將不同知識類型的學習內容分模塊呈現，則可以更有效地降低學習者的認知負荷。

表3 不同分組的認知負荷成績

經檢驗3組被試的保持成績、遷移成績、總成績和認知負荷成績均具有方差齊性，適合進行單因素方差分析。對3組的保持成績、遷移成績、總成績和認知負荷進行單因素方差分析，保持測試成績：F(2，39)=5.32，P=0.009lt;0.01，3組間差異達到極其顯著水平；遷移測試成績：F(2，39)=2.947，P=0.064gt;0.05，3組間差異雖然未達到顯著性水平，但比較接近顯著性差異；總成績：F(2，39)=7.466，P=0.02lt;0.05，3組間差異達到顯著水平。認知負荷：F(2，39)=0.91，P=0.414gt;0.05，實驗組1和2的認知負荷比對照組低，但未達到統計學上的顯著性水平，說明學習者學習這3組微課的時候投入的努力程度比較相近。

使用LSD對保持成績、遷移成績和總成績進行事后多重比較發現，保持成績：對照組和實驗組1之間差異顯著(P=0.014lt;0.05)，對照組與實驗組2間的差異極其顯著(P=0.004lt;0.01)，實驗組1和2之間差異不顯著(P=0.669gt;0.05)。遷移成績：對照組和實驗組1之間差異不顯著(P=0.087gt;0.05)，對照組和實驗組2之間差異顯著(P=0.025lt;0.05)，實驗組1和2之間差異不顯著(P=0.571gt;0.05)。總成績：對照組與實驗組1差異顯著(P=0.05)，對照組與實驗組2差異達到極其顯著水平(P=0.001lt;0.01)，實驗組1和2差異不顯著(P=0.532gt;0.05)。

4.3討論

對于保持成績，對照組、實驗組1和2依次上升；由顯著性分析可知，對照組與實驗組1之間具有顯著差異，對照組與實驗組2之間具有極其顯著差異，實驗組1與2之間差異不顯著，說明認知負荷理論指導下設計的微課視頻有利于提高學習者的保持成績；實驗組2與1相比，在基于認知負荷理論基礎上，將陳述性知識與程序性知識采用了分片段呈現的方式，這種方式在一定程度上提升了學習者的保持測試成績，但差異未達到顯著水平，說明將不同類型知識進行分模塊呈現是提高保持成績的一個要素，但不是主要要素。

對于遷移成績，對照組、實驗組1和2的遷移測試成績也是依次上升；由顯著性分析可知，與對照組相比，認知負荷理論指導下設計的微課視頻對于“思維導圖及其制作”這類軟件操作類知識，能有效促進學習者的知識遷移，若使用分片段呈現的方式可以使這種差異達到顯著水平。說明利用微課視頻進行軟件操作類內容的學習時，將陳述性知識與程序性知識分開呈現有利于學習者遷移成績的提高。

對于認知負荷，對照組、實驗組1和2的認知負荷水平依次降低，但3組之間沒有達到統計學上的顯著水平，說明3組實驗中學習者在學習過程中的心里努力程度比較接近。學習者在付出的心理努力水平相接近的情況下，基于認知負荷理論設計制作的微課視頻可以顯著提高學習效果，若能在此基礎上將不同類型的知識分模塊呈現，則學習效果更好。因此，在設計與制作微課時，應根據講授內容所涉及的知識類型進行適當的視頻片段劃分，而不能僅僅以據時間長短的限制來確定微課的教學信息容量。

5 結 語

認知負荷水平相近的情況下，基于認識負荷理論改良并根據知識類型分模塊呈現知識的微課視頻，學習者的學習效果最好；基于認知負荷理論改良但未根據知識類型分模塊呈現的微課視頻學習效果次之；缺乏認知負荷理論指導的微課視頻學習效果最差。由于軟件操作類學習內容需要學習者對所學知識進行系統的理解和不同情境下的應用[15]，對學習者的能力要求較高，這種類型的微課視頻更需要基于認知負荷理論進行設計；根據教學需要和學習者特點及接受能力將不同類型的知識分模塊呈現可以有效降低學習者的內在認知負荷，有利于提高學習效果。因此，應以認知負荷理論為指導，從降低內在認知負荷、減少外在認知負荷、增加相關認知負荷方面優化微課視頻的設計與制作，在充分考慮學習者、教學內容和教學媒體的匹配基礎上開發和制作優質的微課資源。

受實驗條件所限，選取的被試為大一學生，實驗結論適應于大學低年級的學生。在后續研究中將充分考慮不同學歷和年齡層次對研究結果的影響，以提高研究結論的可推廣性。另外，僅選取了軟件操作類學習內容的陳述性知識和程序性知識作為實驗內容，有關不同學科知識類型微課視頻對學習效果和認知負荷的影響仍需進一步的探究。

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AnApplicationResearchontheDesignofMicro-videoBasedonCognitiveLoadTheory

FENGXiaoyan1,2，WANGZhijun2，LIRuilian1，LIFeifei2

(1.School of Information Technology, Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, Henan, China;2.School of Education Science, Tianjin Normal University, Tianjin 300387, China)

The micro-video is more widely used ineducation.Buttheres till exist some problems, the instruction aldesign, the segmentation of knowled gepoints, the analysis of students’ cognitive characteristics and learning needs alllack.Asa result, the learning effectis notideal.We can improve the quality and application effect of micro-video by reducing the internal cognitive load, lowering the external cognitive load and increasing there lated cognitive load.Taking mind map and its making” as the main content, we designed the micro-video according to the rules of cognitive load theory, and carried out a comparative experiment.The results showed that if the design and making of micro-video were based on cognitive load theory, the learner’ slearning effect can be significantly improved, and the learner’s cognitive load can bereduced to acertain extent.

microlecture video design; cognitive load; learning effect

G 642.0

A

1006-7167(2017)10-0218-05

2016-10-24

河南省教育廳人文社會科學研究項目“科學知識可視化促進青少年科學素養提升研究”(2017-ZZJH-158)；天津市哲學社會科學規劃項目“面向深度學習的教育媒體優化設計研究”(TJJX16-009)；江蘇省教育廳社會科學基金項目“信息碎片化時代青少年注意力提升策略研究”(2016SJB190013)天津市哲學社會科學規劃項目“學習者網絡視頻學習行為分析及其支持策略研究”(TJJXWT16-006)

馮小燕(1979-)，女，河南新鄉人，博士生，講師，從事多媒體學習、數字化學習資源設計開發研究。Tel.: 18222861556; E-mail: haiyan9639@sina.com