認知負荷理論的發展及在數學課堂教學中的研究

李鈺 吳華

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?認知負荷理論是在20世紀80年代作為一種教學設計理論基礎引入的，它以人類認知結構的幾個方面為基礎。我們對其許多特征的了解，如工作記憶、長期記憶以及它們二者之間的關系，在引入該理論之前幾十年就已經建立了。然而，該理論對教學設計領域的影響大多只停留在教學設計建議層面。認知負荷理論假設所有的新信息首先由容量和持續時間有限的工作存儲器處理，然后存儲在一個無限的長期存儲器中供以后使用。一旦信息存儲在長期記憶中，工作記憶的容量和持續時間限制消失，改變了我們的自身能力。到20世紀90年代末，該理論收集了足夠的數據來保證一個擴展的分析結果。自那以后，相關學者進行了大量的理論和實證工作。試圖對過去20年的認知負荷理論進行總結，對該理論在國內數學課堂中的發展做一個歸納，并勾勒出其未來的研究方向。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?認知負荷理論;理論發展;數學課堂;教學進展

[中圖分類號] ?G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2020）07-0050-02

一、引言

認知負荷理論旨在解釋學習任務所引起的信息處理負荷如何能影響學生處理新信息和在長期記憶中構建知識的能力。它的基本前提是人類的認知加工受到我們有限的工作記憶的嚴重制約。因為工作記憶一次只能處理有限數量的信息元素，當不必要的需求強加于認知系統時，認知負荷就會增加。如果認知負荷過高，就會阻礙學習和遷移。這些需求包括不充分的學習教學方法對學生進行有關某一學科的教育以及不必要的環境干擾。認知負荷也可能通過與學習相關的過程而增加。為了促進學習和轉移，認知負荷的管理方式最好是使學習加工被最小化，與學習相關的認知加工被最優化，使負荷總是在可用的認知能力限度內。

認知負荷理論的根源可追溯至1982年，但是第一次完整的描述是在1988年的文章《問題解決期間的認知載荷：對學習的影響》[1]中給出的。在接下來的十年里，許多認知負荷效應和相關的教學方法由各國專業的研究人員進行了調查。這些新的結論也在1998年的文章中發表。1998年以后，認知負荷理論迅速成為教育心理學領域最熱門的理論之一，來自世界各地的研究人員致力于它的進一步發展。

在信息全球化的當代，我國對認知負荷理論密切關注，對其進行了各種研究。唐劍嵐老師早在2008年的《認知負荷理論及其研究的進展與思考》[2]中就對當時該理論在國內的發展情況進行了概述。尤其是近些年來，認知負荷理論不僅在教育學心理學中逐步發展，對我國的中小學教學也有著很深刻的啟發作用。

二、認知負荷理論簡介

1998年的文章《認知結構與教學設計》[3]討論了人類認知結構，包括認知負荷理論概述及其一般原理以及認知結構的描述。認知負荷效應由理論和與測量認知負荷相關的問題產生。接下來本文將對1998年前后的理論發展分別歸納總結。

（一）1998年人類認知架構的應用

1.認知架構

1998年使用的認知架構反映了我們當時對人類認知的認識，該體系結構的基本組件、工作記憶、長期內存以及它們之間的關系是眾所周知的。然而對于教學設計來說，很少有教學建議強調長期記憶的作用，雖然人們都知道工作記憶和長期記憶，但它們之間的重要關系卻很少受到重視。在處理新信息時，工作記憶在容量和持續時間上受到限制。內存處理從長期內存傳輸的信息，以及從長期記憶中獲取的大量有組織的信息可以使工作記憶有效發揮作用，因而在處理此類信息時沒有已知的限制。這些過程提供了認知結構，導致1998年認知負荷理論的教學啟示。

2.認知負荷類別

1998年，我們討論了認知負荷的三種類型：內在的、外在的和相關的。內在認知負荷指的是正在處理信息的復雜性，它涉及元素交互性的概念;外在認知負荷不是由信息的內在復雜性決定的，而是由如何呈現信息以及由教學過程所需的學習者是什么決定的。與內在認知負荷不同，它可以通過改變教學程序來改變;相關認知負荷被定義為學習所需的認知負荷，它指的是處理內在認知負荷而非結外的工作記憶資源。

（二）1998—2018年認知負荷理論的發展

認知負荷理論在過去的20年里有了很大的發展。首先，它的理論基礎通過為人類認知架構奠定堅實的基礎而得到加強，進化了心理學。其次，四部分教學設計（4C/ID）被發展成一個雙生子理論，專注于較長時間的教育項目的設計。認知負荷理論提供了可應用于教學消息或相對較短的教學單位的設計的循證原則，如課程、書面材料、文本和圖片以及教育多媒體（教學動畫、視頻、模擬、游戲）。再次，研究產生了一系列新的認知負荷效應，包括所謂的復合效應，即改變其他簡單認知負荷效應特征的效應，此外還包括元素互動性效應、專長反轉效應、制導衰落效應、瞬態信息效應、自我管理效應、自我解釋效應、集體工作記憶效應、人的運動效應等諸多效應。最后，開發了新的儀器來測量不同類型的認知負荷。

三、認知負荷理論與數學教學研究

（一）教學理論中調節認知負荷

自認知負荷理論發展以來，我國的學者一直在結合該理論進行教學設計的改革。有效的教學設計的基本原則簡稱為“減負增效”[4]。所謂“減負增效”，就是指教學設計應該降低內在認知負荷與外在認知負荷，并且增加有效認知負荷，最終使三者之和不超過工作記憶的總負荷。

（二）數學課堂中的具體應用

除了相關學者根據CLT理論對教學方式提出理論研究外，我國中小學一線教師也結合該理論對教學設計不斷修正與創新。迄今為止，各類教學設計層出不窮。信息化的教學中調節認知負荷所使用的多媒體也越來越廣泛，如PPT、FLASH、AR、幾何畫板等乃至它們之間的綜合運用。在各個不同的年級也都有著對應課題的教學設計：小學中的應用題教學、分數的初步認識教學等;初中的三角形教學、解二元一次方程組、中考數學題講解、二次函數教學、垂徑定理、圖形相似、平方差公式等;高中的平面向量基本定理、基本不等式、函數定義、對數定義、三角函數誘導公式、直線與直線方程等都是根據認知負荷理論在調整教學設計，進而讓學生更易理解和接受。

由此看來，認知負荷理論與現在國內中小學教學確實是密切相關的。在教學過程中，教師都會修正自己的教學設計進而幫助學生調節認知負荷。在大量教學實例面前，認知負荷理論絕不是一紙空談。不過國內現在對提出的新的教學設計是否能從根本上調節好學生的認知負荷，在測量方面仍舊無法提供較多較好的數據，由此，該理論的實際效用方面仍需要大量的研究。

四、認知負荷理論未來發展探索

隨著新數據的不斷發展，認知負荷理論也經歷了不斷的發展，理論發展又產生了更多的數據再去促進理論。這種螺旋式的繼續為今后的發展提供了目標，接下來將討論擴展認知的未來方向。

（一）延長認知負荷理論

世衛組織根據工作記憶資源耗竭假說提出了延長CLT的可能性。相關研究結果表明，工作記憶容量可能是可變的。因此，需要拋棄固定的工作記憶假設。那么，這一變化將產生相當大的后果，并將導致認知負荷理論相當大的擴展。

（二）認知負荷理論與自我調節學習

另一條新的研究方向是將認知負荷理論與自我調節學習聯系起來，認知負荷理論和自我調節學習模型都涉及學習者的學習過程。控制他們的學習過程，可以被看作是在一個信息豐富、復雜和快速變化的社會中支持終身學習者的特別重要的因素。

五、結語

本文總結了我們對20多年來認知負荷理論研究的思考，這些研究有助于認知負荷理論的發展。其心理學基礎、新的教學效果、范圍、測量結果等方面的進展又為理論提供了依據。認知負荷理論的進展反映在相關理論中，也為未來的發展指明了方向。

總之，我們看到認知負荷理論在過去20年中發生的重大變化，并考慮到認知負荷理論目前在教育研究和實際教育中的流行。我們期待在未來20年中同樣可以繼續產生重要的變化，也期待著在國內的教育教學，尤其是數學課程的教學中，為一線教師注入新的想法和活力。本文也概述了一些我們認為有希望進一步發展的理論的研究方向，盡管未來是不可預測的，這些想法最終證明對該理論的進一步發展至關重要。所以在專家學者的研究下，在一線教師的配合下，該理論的發展前景會一片光明。

參考文獻：

[1]Sweller，J.Cognitive load during problem solving： ef-fects on learning[J]. Cognitive Science，1988（12）：275-285.

[2]唐劍嵐，周瑩.認知負荷理論及其研究的進展與思考[J].廣西師范大學學報（哲學社會科學版），2008（4）：75-83.

[3]Sweller，J.， van Merri·nboer， J. J. G.， & Paas， F. Cognitive architecture and instructional design[J].Educational Psychology Revi-ew，1998（10）：251-296.

[4]陳昕然，唐劍嵐，張小雄.用幾何畫板優化學生數學認知的策略探討：基于認知負荷理論[A].全國數學教育研究會2014年國際學術會議論文集[C]，2014.

◎編輯 陳鮮艷