認知負荷理論與注意相關理論對教學的啟示

時彥鵬 ，劉 妍 ，徐 錚 ，楊振寧

（1.山東中醫藥大學，山東 濟南 250355；2.山東農業工程學院，山東 濟南250100）

1 注意相關理論的基本觀點

1.1 注意是一個容量有限的通道[1]

1958年，布羅德本特提出的過濾器理論，震驚了心理學界，他當時依據的是著名的雙耳分聽實驗，該理論主要解釋了注意具有選擇的作用，同時這種選擇的作用是在一定的前提下進行的的，他假定神經系統的容量是有限度的，所以加工的信息容量也是有限度的。特瑞斯曼在其影響之下，又加上自己對于日常生活的觀察和思考，提出了衰減理論。該理論主張，有限的信息都可以通過過濾裝置，為什么出現有些被注意而有些未被注意呢？是因為大腦對信息的激活閾限不同，對個體有重要意義，個體比較熟悉的信息顯然激活閾限低，很小的刺激就可以被激活，而那些不易被注意、未被追隨的信息也不是完全就消失了，只是強度上減弱了。先對信息進行選擇，其后再對信息進行加工，是兩種理論的共同假設。多伊奇提出的后期選擇理論的假設則與之相反，他認為先對信息進行充分的加工分析，分析完才能進入過濾或者衰減裝置，即先加工后選擇，和前兩種理論假設相反。

這些理論都假定注意是一個容量有限的通道，即人的信息加工系統容量有限。進入感覺器官的刺激經過的都是容量有限的通道。

1.2 注意是認知資源分配的過程

認知資源理論從認知的角度對注意進行闡釋，把注意看成對刺激進行分組歸類的認知資源，當然這些認知資源也是有限度的，也承認了注意的有限性。對刺激信息進行識別，其實就是認知資源即注意的分配，如果刺激信息極易識別，那么需要占用的認知資源就少，有限的認知資源就可以分配到更多的刺激信息上。所以最后就變成了刺激信息占用認知資源多少的較量上。刺激信息復雜，個體不熟悉，顯然需要占用更多的認知資源，加工信息容易，個體熟悉，顯然占用的認知資源少。當有些信息加工過程個體特別熟悉，以致于熟悉到潛意識狀態下就可以進行，那么就不需要占用認知資源，即我們所說的自動化加工。所以，后來，謝夫林提出了雙加工理論，即自動化加工和受意識控制的加工，受意識控制的加工在經過大量的訓練后可以轉變成自動化的加工。

2 認知負荷理論的基本觀點

2.1 認知負荷總量是一定的

認知負荷理論是由澳大利亞Sweller等學者提出來的，自20世紀80年代以來，在認知心理學、教育心理學產生廣泛的影響[2]。認知負荷是針對特定的認知任務，工作記憶系統對其進行加工和保持信息過程中所承受的負荷總量。[3][4]認知負荷包括內在認知負荷、外在認知負荷和有效認知負荷三個基本成分[5]。內在認知負荷與要進行的認知任務切實相關，認知任務本身包含的信息元素及信息元素之間的相互作用，工作記憶對此進行加工所產生的負荷即為內在認知負荷，即處理認知信息所消耗的認知負荷。認知任務本身包含的信息元素過多，或者元素之間的相互作用過強，那么工作記憶任務的進行就不會太容易，即所謂的任務難度過大。所以，內在認知負荷和認知內容本身的難度有直接的相關，任務難度大，則需要占用更多的內在認知負荷進行認知任務的加工，任務難度小，則占用的內在認知負荷相應減少。而認知任務的難易又與學習者本身的知識經驗有很大關系，如果某一認知任務對于熟悉它的學習者來說可能是容易，對于不熟悉它的人來說可能是陌生的，自然產生的內在認知負荷量不同。像對于熟悉英雄聯盟游戲的人來說，可能很容易獲勝，而對于不熟悉該游戲的人來說，可能連怎么玩都不知道，所以同一認知任務，對于不同個體產生的內在認知是不同的。

外在認知負荷是指和本身的認知過程沒有關系，而額外損耗掉的認知負荷。一般是由于呈現認知信息的方式不恰當，或者本身的教學設計過程中有太多的無用認知過程，這些過程所需要消耗的認知負荷的統稱。即額外損耗的工作記憶加工過程所失去的認知負荷。

有效認知負荷是指工作記憶對需要加工的認知任務所產生的實質性的認知負荷。有效的認知負荷指個體構建圖式及圖式自動化的過程，將認知任務內化為自己知識的過程，外在表現就是學習知識的認知及結果[3][4]。

認知負荷本身的總量是一定的，內在認知負荷、外在認知負荷及有效認知負荷三者之間具有可加性[5]。總量守恒性的原理告訴我們，如果在一個因子上投入的量過多，其余的因子上得到的認知負荷量必然減少。所以我們要盡量減少外在認知負荷量和內在認知負荷量，使得有效負荷量達到最大。

2.2 工作記憶同時加工新信息的能力有限，而處理圖式的能力是無限的[6]。

Baddeley早期的工作記憶模型假設觀點認為工作記憶系統加工信息的容量也是有限度的，正好貼合了認知負荷總量也是一定的，而不是無限度的，同時工作記憶對信息的保持時間是非常短暫的。相比于工作記憶系統，人類的長時記憶系統負責對工作記憶系統加工過的信息進行儲存編碼，絕大多數心理學家認為長時記憶系統具有無限的儲存容量，能夠長時間保存工作記憶加工過的信息[7]。

工作記憶對新信息進行加工時，需要提取長時記憶系統中已有的相關信息，而長時記憶系統中的信息以各種各樣的編碼形式存儲。研究發現如果編碼以圖式的形式儲存，則工作記憶需要占用的有效認知負荷是最少的。圖式是由許多信息元素編碼而成的組塊，該組塊是具有內在系統性，邏輯性，將知識進行了系統化的豐富意義的信息單元。工作記憶加工信息的方式也類似于注意認知資源的兩種過程，一種是自動化進行，一種是受意識控制。無論是哪種加工方式，圖式作為信息組塊極易被提取，占用工作記憶很少的認知負荷，如果反復提取多次，類似于注意信息多次訓練后的熟悉化，則由受意識控制的加工變成了自動化的加工。圖式的自動化提取更利于工作記憶的加工，幾乎不占用認知負荷，所以工作記憶處理圖式的能力是無限的。這也是專家與新手在知識組織方式上的差異，專家的知識是按照層次結構以圖式組塊的方式進行，而新手的知識儲存比較散亂，這也是專家長期知識積累經驗的結果。

3 兩種理論的相同點

3.1 總容量是有限的

無論是注意通道還是工作記憶所承受的負荷總量，都假定這個總量是有限的，在某種程度上承認了心理機能的有限性。心理機能不是無限度處理加工信息，對信息處理的容量是有一定限度的。

3.2 熟悉性知識或者編碼組塊的圖式易被提取

在注意選擇信息時，如果信息通過了有限的裝置時，那些對個體有重要意義，熟悉性的信息易被注意，主要就是熟悉性降低了激活閾限。在工作記憶處理新信息時，如果新信息與頭腦中已有的知識關聯性強，熟悉度高，則內在認知負荷總量減少，而工作記憶提取熟悉性知識圖式結構容易，甚至自動化，幾乎不占用認知負荷量，所以工作記憶處理信息的有效認知負荷就會增加，提高工作效率。

3.3 自動化加工不占用資源

無論是注意認知資源理論提出的加工過程自動化，還是工作記憶加工認知信息的過程，都假定自動化的過程不占用任何資源。像我們平常可以同時干好幾件事，如一邊騎自行車一邊欣賞路邊的風景，在同時進行的活動中，其中一項或者幾項已經變成自動化的過程，像該例子當中的維持自行車的平衡已經自動化了，不占用任何認知資源，所以個體可以將注意集中在其他的認知過程上。

在工作記憶系統處理認知信息時，如果個體長時記憶有相關的信息圖式，工作記憶可以非常容易的提取相關信息組塊即圖示，甚至圖示的提取達到自動化過程，根本不需要占用任何認知負荷，同時由于熟悉性圖式信息的存在，會使新信息加工處理變得容易，減少內在認知負荷總量，從而相對增加有效認知負荷總量，增加工作記憶處理信息的效率。

4 兩種理論對教學的啟示

4.1 集中于重要知識的學習

無論是注意通道還是認知負荷總量都是一定的，這就說明在一定時間內，個體心理機能不能無限度加工新的信息，對信息的注意或是加工是有一定限度的。在學習中，知識是浩渺無窮的，我們也不可能在一定時間內加工處理太多的信息，我們需要有重點的學習知識，對重點知識進行注意及加工處理。有選擇有重點的對知識進行學習，像一節課的有限時間內，學生對信息的注意，工作記憶對信息的處理加工也是有限度的，老師講解也并不是越多越好，講解的太多可能超過了學生處理信息的能力限度，給學生造成了心理負擔，反而效果適得其反。教師要學會把握傳授知識的數量，同時也要注重知識講解的質量。

4.2 新知識的講解要和學生頭腦中已有的知識產生關聯

根據特瑞斯曼的過濾器理論，不同刺激的激活閾限是不同的，對個體有意義的刺激激活閾限一般是相對較低的。認知負荷理論認為，如果本身的認知信息與頭腦中已有的圖式信息關聯性強，則相應的內在認知負荷量就會降低。所以對于新知識的講解，一定要盡量使新知識以學生熟悉的相關知識引領呈現，學生在已有的熟悉的知識下，對該知識的激活閾限就低，比較容易引起學生對呈現的知識進行注意，自然而然引起對新知識的注意。一般在教學中，對于新知識的講解列舉的實例應該是學生日常非常熟悉的，或者由某個學生非常熟悉的話題進行引導，即我們所說的課堂導入，但是這個話題最好和學生日常生活非常貼近，學生非常感興趣，而不是引入一個看似非常邏輯清晰，富有生動力的話題，而學生本身絲毫不感興趣的話題。

4.3 注意知識的呈現方式，減少外在認知負荷量

外在認知負荷量是由于知識的呈現方式，設計不當等，而額外產生的認知負荷量，即損耗掉的認知負荷量[8]。在知識的呈現當中，一定要注意避免額外的認知損耗。像對數學題的講解當中，呈現題目算式是比較直觀的，如果對題目的呈現非要以文字敘述的方式，學生需要對文字敘述再轉化為題目算式，這樣就會增加不必要的外在認知負荷量。所以對于知識的呈現方式要合理，找到適合知識本身的呈現方式。

4.4 知識構建注重圖式化、加工過程有選擇性的自動化

對于信息加工的多元素組塊，圖式化，將大大減少工作記憶加工提取所需要承受的認知負荷。專家與新手在處理問題上的區別就是圖式化信息不同的原因。對于學生來說，要學會將學過的信息進行圖式組塊編碼，教師要學會引導學生對相關信息進行歸納總結，對相關的信息進行圖式化，易于儲存，便于提取，甚至圖式自動化基本不占用認知負荷，將大大增加工作記憶的效率。

注意的雙加工理論中提到的自動化加工，顧名思義自動進行，不需要消耗占用認知資源，當然也就不受認知資源的限制。這些刺激之所以不受認知資源的控制，無需注意，是因為這些刺激對個體自身來說已經內化成一套自動化進行的過程，是由于太過于熟悉，實踐練習的太多，對個體來說毫無任何壓力即可啟動該過程。例如騎自行車十分熟練的個體，像參加自行車騎行比賽的選手，對于怎樣騎本身已經不需要占用認知資源，而將更多的注意力放在怎樣騎得姿勢優美，花樣百出，維持自行車的平衡已經是自動化的過程，而對于初學自行車的人來說，需要全神貫注才能維持好自行車的平衡，甚至還會摔倒，根本無暇關注路邊的風景。對于學生來說，知識要多實踐多練習，尤其是程序性知識，實踐鍛煉內化為自己的一種自動化進行的過程，將會有更多的認知資源注意分配到其他相關的認知注意上。這就是為什么有些歌手可以一邊談鋼琴一邊唱歌，兩個同時進行，兩個都完成的不錯。程序性知識易于自動化，引導學生對此加以區分側重。