網絡教學中問題設計與認知負荷的有效控制

鄭園園

（安徽財經大學文學院，安徽蚌埠233030）

21 世紀教育改革指向學生能力的提升，是終身教育理念、優質教育理念等在教育領域的延伸與回應。與有效學習、探究學習、項目學習等學習理論相比，深度學習概念的提出，使得學習的目標最終聚焦于高層次思維能力的培養，是教育回應智能社會、培養具有高階能力學習者的一種表現。問題解決能力作為高階能力的重要部分，是學習者掌握核心知識、能力與情感態度的重要體現，其核心在于遷移這一經典概念，是“信息化時代智慧教育發展所需要的核心支柱”[1]。因此，在“互聯網+”時代隨著無線接入技術與移動智能終端的發展與廣泛應用，高校教學資源、教學媒介、教學方式等要素都在發生新的變革，在線學習平臺、智慧課堂、“線上+線下”混合式教學等建設成為高校教育教學改革的一大特點，通過拓展教學空間，采取新型教學方式引導學生對知識的遷移與運用，以培養學生深度學習與終身學習的能力與素養。

但是，隨著各式各樣網絡新型教學模式的提出，一系列問題也隨之出現，大致包括三類：一、以記憶與理解為主要認知技能的理論概念類知識，學生在網絡平臺中的學習投入及其學習效果較難監測，學生理解此類知識的程度會直接影響后續知識的學習及其實踐應用。二、如何有效控制在線學習環境中所產生的外界干擾，以保障學習者學習注意力的集中。除此之外，在學習投入、學習支持、學習評價、學習監管等方面也存在網絡平臺建設方面的一些問題。三、在問題解決學習活動中，需要學生綜合運用記憶理解、應用分析及其評價創造等認知技能，通過知識的遷移解決新問題。在此過程中，問題類型、問題呈現及問題解決過程中產生的認知負荷如果處理不當，會直接影響學生問題解決學習的效果，在線學習更是如此，合理的問題設計需要教師控制任務的內在認知負荷，盡可能減少外在認知負荷與不相關認知負荷。若教學設計不當，學習者一旦進入超負荷狀態，學習心理產生畏難情緒，會遏制其學習行為的發生。因此，有必要深入解剖學生在網絡平臺的問題解決過程中所產生的各種認知負荷，并有針對性地提出減輕學生認知負荷的措施建議，以有效促進高校網絡教學建設。

一、學習的過程

要打開學生問題解決過程的黑箱，首先應了解學生的學習過程。國內學者指出，“‘學習’不是單純的現成知識的積累，而是‘從已知世界到未知世界之旅’，是經驗重建和意義生成的過程。”[2]梅耶（Richard E.Mayer）在十余年實驗研究的基礎上，結合Baddely的工作記憶模型、Pavio的雙重編碼理論、Sweller的認知負荷理論等，提出了多媒體學習的認知模型，認為在“反映增強”“知識獲得”“知識建構”三種學習隱喻中，知識建構對改進教育的潛力最大，也最符合教育心理學的性質[3]。學習的過程就是知識不斷建構的過程，學習通過感覺記憶、工作記憶和長時記憶三種記憶方式，對信息進行選擇、組織和整合。教學的任務就是幫助學生選擇相關的信息，組織信息和整合信息，使學生能夠在學習中進行積極的認知加工和建構。意義學習成功的關鍵在于學生能否輕負高質的提取、組織并整合信息。

理清學習者學習過程中所承載的認知負荷之前，首先要明確學習者認知加工與問題解決可能發生的學習環節。羅米索斯基（Alexander Joseph Romiszowski）綜合了信息加工模型的優點和知識建構的理念，提出了一種對學習過程的新認識，并構建起關于學習過程的學習回路[4]225，對于不同類型的信息，學習者進行認知加工和解決問題的過程是不同的。羅米索斯基根據信息加工的不同過程，把學習過程具體分為五類：

第一類屬于反射性行為，由外界信息刺激直接產生反應，并不進行任何儲存與加工，比如已形成思維定勢的簡單問題，或流水線工作等；第二類屬于按部就班式解決問題類型，學習者接收信息后能夠迅速調取記憶中已有程式解決問題，比如簡單的數學運算等；第三類屬于以已知求未知類型，學習者不僅需要在長時記憶中調取相關信息，還要根據問題要求設計解決思路與步驟，采取適宜的行為策略進行問題解決，比如應用文寫作、多重關系的代數問題解決等；第四類屬于復雜的內部加工過程，學習者利用已有的概念、規則、原理等知識來學習與理解新的概念、規則、原理，實現知識內化的過程；第五類屬于矯正性行為評價過程，學習者或教學者通過學習者行為表現判斷其學習效果，以進一步進行矯正與評價，比如學習策略調整、學習反思與評價等。

羅米索斯基從一種廣義的角度來談學習，但在網絡學習中，需要解決的問題主要集中于第二、第三、第四類，在解決這三類問題的過程中發展認知，獲取經驗。一方面，第一、第五類學習均涉及學習者外在行為表現，這在網絡學習中較難實現；另一方面，第一類問題較少涉及學習的主要環節——儲存記憶與認知加工，與問題解決過程相關較少，至于第五類學習過程，整個解決問題的過程均要涉及基于學習者認知與元認知水平的自我監控，解決問題的難度越高，過程越復雜，與第五類學習回路的聯系就會越密切。不同類型的外界刺激，需要經過不同的學習過程，對學習者的具體要求是不同的。由于信息的類型與信息呈現方式的不同，會影響感知方式，加工方式以及輸出路徑。

二、產生不同認知負荷的網絡學習過程

美國心理學家Miller在20世紀50年代就注意到了認知負荷的存在，直至20 世紀80 年代，認知負荷理論才由澳大利亞新南威爾士大學的認知心理學家約翰·斯維勒（John Sweller）作為一種教學設計理論正式提出來。該理論認為，學習者的認知資源是有限的，學習者在解決問題過程中提取關鍵信息、進行回憶、聯想、選擇、驗證等認知加工活動，都會消耗認知資源，一旦超出學習者認知資源總量，則會導致“認知超載”現象，這時相關的新的刺激將得不到加工，導致圖式的不完整，進而致使問題得不到解決，或者在問題解決過程中容易出現錯誤[5]。

盡管在認知心理學領域，問題解決不再以信息加工理論為唯一依據，但信息加工理論仍然是解析問題解決過程的基礎理論，尤其是注重學習結果的良構問題的解決。而非良構問題，一般具有高度的現實性，能夠使學生在解決問題的過程中充分調動其分析、綜合與評價的能力，且存在多種問題解決方案，為學生探索未知提供空間。

（一）網絡學習特征

掌握學習者網絡學習特征是開發在線學習平臺、設計智能學習環境、評價自主學習效果的重要條件，因此，自遠程教育或網絡學習發展以來，網絡學習特征始終是學術界關注的要點。Hill.J.R和Hannafin M.J（1997）較早對學習者網絡學習認知策略進行探究，提出學習者舊有知識基礎、空間定位感及其元認知等是影響網絡學習的重要因素[6]。國內學者劉儒德（2004）、吳戰杰（2004）、何克抗（2006）、張家華（2010）、傅鋼善（2018）等進一步指出影響網絡學習效果的學習者要素主要包括：學習動力（動機、態度、情緒等）、信息素養、學習策略（認知與元認知策略、資源管理策略）及學習風格等。就網絡環境下問題解決的學習而言，問題的設計與呈現、問題解決過程中的資源支持以及問題解決結果的評價，都應考慮學習者的學習特征，認知負荷理論為網絡平臺教學提供的設計視角在于，盡可能地在問題解決的三個維度上減輕外在認知負荷和相關認知負荷，根據學生已有認知水平控制內在認知負荷，使學生在網絡學習過程中獲得良好的學習體驗。

（二）基于認知負荷理論的問題解決過程

在網絡教學中，學習者學習過程、學習效果更容易受到認知負荷的影響，所謂認知負荷，是指“同時被要求施加在工作記憶上的智力活動的全部數量，即工作記憶必須注意和處理的內容總和”[7]。學習者在工作記憶中處理信息并產生的認知負荷，根據它們的功能分為內在認知負荷（in‐trinsic cognitive load）和外在認知負荷（extraneous cognitive load）[8]。

首先，內在認知負荷是由信息的內在屬性對工作記憶產生的負荷，學習者為達到學習目的需要獲得的信息的基本結構，與教學程序的使用無關。內在認知負荷是指在工作記憶中對任務本身所包含的信息要素的數量及交互性進行認知加工所產生的負荷，負荷的輕重很大程度上受任務的復雜性、難度以及學習者個人的知識經驗的影響。任務越復雜，任務的難度越大，內在認知負荷越重；呈現的信息與學習者長時記憶中的圖式相關，工作記憶的負荷就輕，如果學習者長時記憶中不存在相關圖式，工作記憶所承擔的負荷則較重。外在認知負荷是由信息呈現的方式以及學習者進行的學習活動決定的，和教學材料的本質一樣，用于呈現信息的教學設計方式在很多情況下會對工作記憶產生不必要的認知負荷。

其次，內在認知負荷與外在認知負荷具有相加性，認知負荷之和決定了需要加工信息的工作記憶資源，這些資源都是來自相同的工作記憶庫（working memory pool）[9]。如果用來處理兩種認知負荷的資源超過了工作記憶的可用資源，那么認知系統將會失敗。如果學習資料所產生的內在認知負荷過低，工作記憶也不能順利加工信息，從而產生的外在認知負荷就會增加。因此應當盡量減少外在認知負荷。

基于羅米索斯基的學習過程模型，以及對各種學習過程類型的分析，結合梅耶的多媒體認知模型，嘗試建構一種基于認知負荷理論下的學習過程的模型，目的有二：一是盡可能明確地呈現信息加工的各個環節，確定在哪些類型的信息加工過程中會產生認知負荷以及哪種認知負荷；二是探討在認知負荷理論視域下問題解決的回路與類型。

首先，學習者對網絡界面信息的接收過程。網絡環境下信息（刺激S）的呈現方式多種多樣，且各有優勢。信息主要通過文本、圖片、圖表等方式呈現，文本信息比較詳細，而圖片則比較直觀，圖表“冗余”信息較少，能夠激活和利用學生大腦中的認知圖式，幫助他們形成一定的認知支架。然而在網絡學習中，信息的呈現并不是通過一種方式，而是通過兩種或兩種以上，比如超文本、視頻等。感覺記憶的編碼方式是以語音編碼和視覺編碼為主。當信息以不同的呈現方式進入感覺記憶時，就相應地產生視覺和聽覺（1.接收器）。第二環節，工作記憶通過對這種感知的選擇與組織，結合長時記憶中儲存的舊有知識（2.儲存器），運用認知策略與元認知策略，構建出圖像模型和言語模型。第三環節，這些模型與長時記憶中的相關圖式通過整合，以全新的圖式狀態重新儲存于長時記憶中（3.加工器）。在問題解決過程中，長時記憶并不是終點，經過整合的圖式對目標狀態的反應（反應R），通過效應器表現出來，以達到解決問題的目的（4.效應器）。

根據圖式理論的觀點，圖式能夠將信息與產生式規則進行整合，將相關信息在工作記憶中加工成只需很少貯存空間的自動化加工單元，因而可以彌補個體工作記憶容量有限的缺點，降低個體的認知負荷。但是，當學習者在問題解決過程中的一系列認知加工活動所占用的工作記憶資源超過它的有限容量時，就會產生過高的認知負荷，從而導致問題無法解決[10]。斯維勒提出，儲存在長時記憶系統中的知識經驗有助于克服工作記憶容量有限的局限，但是對于尚無經驗或較少經驗的新手型學習者來講，外部條件如信息的篩選和呈現方式的改善會對其產生更大的影響。

（三）網絡環境下問題解決過程中產生的認知負荷

羅米索斯基多回路學習過程模型中，有四種涉及問題解決的學習過程，依據其主要產生認知負荷的類型分為三類，分別是：

第一類，S‐1‐2‐4‐R，對工作記憶產生外在認知負荷的學習過程。當學習者已具備所需要的知識和技能時進行較簡單的問題解決，一旦感知到刺激情境時，直接從儲存器中調出相應的圖式（包括規則、系統、算法）進行解決。這個過程屬于“再生性技能”的性質，較少需要“計劃”這一階段。但是仍需要學習者首先理解題意，并回憶出需要的先決知識、程序或原理來完成任務。而回憶這些知識需要從兩個方面進行：“①能夠解釋刺激信息以確定要求什么樣的知識；②哪種知識以可利用的方式貯存在記憶中。”[11]因此這類學習過程取決于學習者能否正確快速地從學習材料中提取有效信息，如果不能夠提取有效信息，即使學習者長時記憶中存在相關圖式，也不能夠加以利用。因此信息的呈現方式決定了信息加工所占用的加工記憶資源的多少。

第二類，S‐1‐2‐3‐4‐R，產生兩種認知負荷的學習過程。學習者經歷了學習過程的所有階段，具有羅米索斯基所謂的“創生性機能”的特征。學習者感知到刺激情境后，分辨出已知條件和待解決的問題，回憶需要的概念、程序和原理，在工作記憶中進行元素交互，綜合運用這些知識設計一個適宜的行為策略并對外界作出反應，進行問題解決。在這種問題解決過程中，由于工作記憶需要在具體信息中提取有效信息，這與問題設計、表述方式、呈現形式均有關聯，因此會產生外在認知負荷；同時又需要在工作記憶中進行信息元素的相互作用，這就涉及信息的內在屬性、任務的難易、復雜程度，因此也會產生內在認知負荷。

第三類，S‐1‐2‐3‐2/S‐1‐2‐3‐4‐2/3‐4‐1‐2/3‐1‐2，產生內在認知負荷的學習過程。這些學習的環路都是用來構建或存貯新知識，在新舊知識之間進行內部信息加工，創設新的聯系，構建新的圖式，但并不對外界做出反應，而是在長時記憶中貯存起來。這類學習過程與記憶的任務密切相關，在信息元素的交互活動方面較明顯，更多地依賴于信息的內在屬性與學習者的學習經驗，因此較容易產生內在認知負荷。

學習回路中的4‐1‐4/4‐R‐S‐1‐4，屬于學習策略維度，包括的認知策略、元認知策略的調整與使用，學習自主反思與自主評價，在以上三種問題解決過程中均有參與，且與三類問題解決所產生的認知負荷水平有直接的聯系。

三、網絡環境下問題解決過程中認知負荷的控制

問題解決不是千篇一律的活動，不同內容、不同形式、不同過程的問題，形成的問題表征以及在解決問題所采取的策略上也不盡相同。專家與新手解決問題的區別就在于專家很清楚地認識不同類型的問題，從而針對問題調用長時記憶中相關的圖式，進而制定解決方案，而新手由于沒有完善的足夠的圖式儲備，難以識別問題的類型，因此只能采取一般的解決策略，如手段‐目的分析策略。探討問題的類型，對學習者形成清晰的問題表征，成功解決問題是有必要的，有助于控制問題解決過程中產生的認知負荷。

（一）對三種問題解決類型所產生認知負荷的控制

關于問題的分類，喬納森在良構與非良構兩大類的基礎上，進一步根據認知任務區分問題的特征，把問題分為11 種，（1）邏輯問題，（2）算法問題，（3）故事情境問題，（4）運用規則問題，（5）做出決策問題，（6）排除故障問題，（7）診斷‐解決問題，（8）運用策略問題，（9）案例分析問題，（10）設計構思問題，（11）兩難推論問題[12]。斯皮羅（Spiro al 1955）等人根據學生學習的深度，把學習分為初級學習和高級學習兩種[13]。其初級學習階段只要求學生掌握相關概念和事實，并在測驗中按照原樣再現出來即可，基本上對應斯維勒的主要產生外在認知負荷的學習，解決的主要是喬納森區分的結構良好問題。而高級學習則會使學生產生較重的內在認知負荷，需要學生把握復雜的概念關系，并結合具體情境靈活運用，來解決結構不良問題。喬納森將知識獲得分為的三個階段：初級階段、高級階段以及專家知識學習階段，從產生認知負荷類型上看，與問題解決的三種類型正相對應。在網絡學習平臺問題設計時，應有針對性地對各個階段問題進行認知負荷的控制。

第一，對初級階段的問題設計盡量簡潔清晰，減輕外在認知負荷。比如算法問題，規則運用問題，這些問題均屬于結構良好問題，對學生的遷移和應用能力的要求較低，主要通過提取推導公式并對解決步驟進行概念性理解，因此對解決這類問題影響較大的是問題的呈現方式，是否能夠讓初學者在問題中提取到有效信息。

第二，高級階段問題的設計應綜合考慮雙重認知負荷的總和。比如故事情節問題（應用題）、排除故障問題、診斷‐解決問題、運用策略問題、設計問題及案例分析問題。以故事情節問題為例，一個簡短的故事中，學習者需要在故事中提取有效信息，然后選擇最準確的解決步驟。謝里爾（Sherrill）指出，當更復雜的故事情節出現時，會干擾學習者提取關鍵詞與關鍵信息，進而影響學習者問題解決技能的遷移與運用[4]561。在這個過程中，外在認知負荷增加，影響學習者對信息的加工。同時，解決這類問題還要求學習者能夠把握問題的深層結構，結合已有圖式解決問題，當問題的結構較復雜，問題涉及面較廣時，內在認知負荷增加。

第三，專家知識學習階段的問題設計，盡量讓學習者以合作學習、探究學習等形式完成，以減輕問題所承載的較重的內在認知負荷。比如邏輯問題，決策問題以及兩難推理問題。這類問題不僅要求學習者頭腦中存在大量相關圖式，而且要在具體情境中靈活巧妙地加以運用。以決策問題為例，馬倫和羅思（Mullen&Roth,1991）把制定決策的過程分為識別問題和分析價值，產生多重選擇，評價所作的選擇，堅定意向和忽視隱性成本等幾個因素的過程[4]562。由此來看，決策問題的解決更多地是依賴于問題的復雜程度以及問題解決者本人的決策能力，合作學習有助于此類問題更高水平的完成。

總而言之，每一類問題如果因為在問題呈現方式不當，都有可能使外在認知負荷增加。由于內在認知負荷與外在認知負荷具有相加性，因此當內在認知負荷增加時，應盡可能多地減少外在認知負荷。由于外在認知負荷可能存在于每一種問題當中，基于認知負荷理論，控制在問題解決過程中的外在認知負荷的增加，應注意問題的呈現原則。

（二）問題解決的網絡學習平臺設計中應注意的問題呈現原則

Sweller 等總結他們十幾年來的實驗研究，指出了有效降低外在認知負荷的教學設計，需要考慮6 個教學效應：自由目標效應（the Goal‐Free Ef‐fect）、樣例效應（the Worked Example）、完成問題效應（the Problem Completion Effect）、注意力分散效應（the Split‐Attention Effect）、通道效應（the Modality Effect）、冗余效應（the Redundancy Ef‐fect）[14]。在這六種教學效應中，針對信息的呈現進行研究的有注意力分散效應，模式效應和冗余效應。問題設計時應遵循這三種信息呈現原則。

首先，防止注意力分散原則。在網絡信息接收環節應遵循防止注意力分散原則，這意味著多種信息盡可能在時空范圍內同步呈現，以降低學習者信息整合的難度，減輕工作記憶加工所需資源的負擔，以減輕外在認知負荷。Mayer（1989）曾做過一個實驗[15]，他將文本與注釋的位置進行調整，一種是將注釋分別插入文本中對應的詞語旁邊，一種將注釋集中放在文本的下面，實驗表明，用第一種信息呈現的方式進行學習的學習者成績明顯高于第二組。因此在處理文本、圖表、圖片等多種形式的信息時，應盡可能防止學習者注意力分散，比如凸顯有效信息，盡量減少視覺的搜索。在問題呈現時，可以將有效的信息用不同顏色的字體標出；如果篇幅較長，則可以分割成小部分；結構性較強的問題可以插入或轉換成圖表。當需要呈現的問題信息較多時，可以在界面上設置超鏈接，學習者可根據需求自行打開具體信息，這樣有助于學習者集中精力掌握問題的核心信息。

其次，通道原則。在網絡學習環境下，信息的獲取途徑包括視覺、聽覺兩種渠道，當所要呈現的問題比較復雜，包含的各種信息較多且需要高度整合，或者學習者初次接觸此類問題時，問題設計者就應協調視覺與聽覺兩種通道的信息承載量，以避免使用單一通道加重其認知負擔，從而導致外在認知負荷增加的風險。兩種通道同時使用的益處在于，能夠使學習者更容易地獲取信息，并在加工記憶環節對多元表征的信息之間建立聯系，從而降低外在認知負荷。

最后，控制冗余信息原則。冗余信息有兩種，一種是相同的信息以不同的模式同時出現時，另一種是信息雖然不同，但一部分信息對學習毫無用處，也出現在問題當中，這些都屬于冗余信息。在網絡學習環境下，冗余信息出現的可能性較大，會嚴重干擾學習者問題解決。根據Sweller 等人的研究，在問題設計中，控制冗余信息需要注意四點：一、確保信息的獨立性和唯一性；二、提前了解學習者知識儲備，確保學習者能夠進行高水平信息交互學習；三、如果存在冗余信息，在解決問題時讓學習者按照自己的學習進度進行；四、注意把握好問題篇幅的長度。

喬納森提出，問題解決至少在三個不同維度上發生變化：問題類型，問題表征和個體差異[12]。結合認知負荷理論從問題類型維度對網絡環境下問題解決進行探討，把問題分為三種產生不同認知負荷的問題類型，以期對探討相應的問題表征方式，解決每種問題時所要求的呈現策略，以及相應的教學設計模式有所助益。