认知负荷对教学的影响研究论文

我们首先看看认知负荷的概念、基本观点、 （一）、认知负荷理论的基本观点 认知负荷理论是基于人脑工作记忆（working memory）的有限性发展起来的。在人的信息加工系统中，短时记忆(short-term Memory )是一种工作记忆，主要处理从感觉记忆(sensory memory)和长时记忆(long-term memory)中提取出来的信息，在整个信息加工系统中起着支配信息加工系统中信息流的作用，对认知活动的顺利开展有着至关重要的作用。认知负荷理论十分关注学习过程中的工作记忆的作用，其基本观点可概括为以下3个方面： （1）工作记忆的容量是极其有限的，长时记忆的容量在本质上是无限的，所有的信息在进入长时记忆之前，必须在工作记忆中进行信息加工； （2）学习过程要求将工作记忆积极地用于理解(和处理)材料并对即将习得的信息进行编码以储存在长时记忆中； （3）如果学习者所要加工的信息容量超出了学习者的工作记忆所能加工的信息容量，那么学习将变得无效。 在此基础上，J.Sweller等人认为，问题解决和学习过程中的各种认知加工活动均需消耗认知资源，产生一定的认知负荷，若所有活动所需的资源总量超过了工作记忆的容量，就会引起资源分配的不足，从而影响个体学习或问题解决的效率，这种情况被称为认知超载(cognitive overload)。 （二）、认知负荷的概念及其结构 自20世纪80年代认知负荷理论问世以来,人们对认知负荷(cognitive load)概念的理解一直是众说纷纭。如Cooper(1990)认为认知负荷是指加工特定数量信息所要求的心理能量水平；J.Sweller等（1998）认为认知负荷就是将特定工作加之于学习者认知系统时所产生的负荷；辛自强等（2002)认为认知负荷可被视作是加工特定数量信息所要求的脑力劳动,随着加工的信息数量的增加,认知负荷也增加；林崇德等(2005)认为认知负荷指的是一个事例中智力活动强加给工作记忆的数量；赖日生等(2005)认为认知负荷指的是在某种场合施加到工作记忆中的智力活动的总的数量；杨心德等（2007）认为认知负荷是完成某项任务而在工作记忆上所进行的心智活动所需的全部心智能量。结合以上不同解释，笔者认为，认知负荷是人们为顺利完成特定工作任务，实际投入到工作记忆中去的认知资源的总和，包括必需的和不必需的。 从结构上来看，认知负荷由内在认知负荷(Intrinsic Cognitive Load)、外在认知负荷(Extraneous Cognitive Load)和相关认知负荷(Germane Cognitive Load)组成：（1）内在认知负荷由材料本身的固有特性（如难度和复杂度)和学习者原有的知识水平，以及这两者的交互作用决定，一般认为内在认知负荷是相对固定的，不能被教学设计(Instruction Design)所改变，但近来也有学者认为内在认知负荷是可以改变的（Pollock et al，2002；Peter et al,2004)；（2）外在认知负荷来源于教学材料的呈现方式和教学设计，一般与教学内容的不合理组织和设计有关，能通过教学内容的重新组织和设计进行调整；（3）相关认知负荷是与学习者主观领域相关的信息,指学习者在图式(Schema)建构和自动化过程中意欲投入的认知资源的数量[2]，它与学生的认知努力有关，提高学生的相关认知负荷，可以引导学生利用剩余认知资源进行深层次的图式建构，因此，Bannert(2002)将其看作图式建构和自动化的工具[3]。 认知负荷理论对教学工作的三点启示： 为避免教学中学生认知负荷总量超过其工作记忆容量，认知负荷理论的教学原理就是：尽可能降低学生的内在认知负荷和外在认知负荷；并在确保工作记忆资源有所盈余的前提下，适当引导学生投入更多的心理努力（Mental Effort），提高其相关认知负荷，实现图式的获得与规则的自动化。如前所述，教学活动中学生内在认知负荷与教学材料的特点和学生的认知水平有关，外在认知负荷与教学材料的呈现方式和教学设计水平有关，相关认知负荷与学生的认知努力（Mental Effort）有关。为此，我们可以从以下几个方面来优化教学活动中学生的认知负荷结构，提高教学效果。 （一）控制内在认知负荷：充分考虑教材特点与学生认知水平及其交互作用 一般认为内在认知负荷是由学习材料的本质所决定的，不能通过教学设计的改变而改变，但Pollock et al(2002)和Peter et al(2004)的实验提出了异议。[4]两个实验共同点在于利用材料的信息排序原理降低内在认知负荷。Pollock et al首先向学生分批展示学习材料,然后一次性地全部展示，这种学习材料排序法,尤其是对初学者而言,能更好地促进对学习材料的深层次理解(引自Bannert,2002)。而Peter et al改变了传统样例教学(Example Instruction)方式,把样例分解成几个能单独理解的成分，他的五个实验最终结果一致表明，新的样例呈现方式降低了材料给学生带来的内在认知负荷。 Tracy Clarke,Paul Ayres与John Sweller也在他们的“The Impact of Sequencing and Prior Knowledge on Learning Mathematics ：Through Spreadsheet Applications”一书中研究了一种改变固有认知负荷的渐进方法。他们使用Spreadsheet 软件来形成学生的数学技能。学生被分为两类。一类学生对 Spreadsheet不怎么熟悉，另一类学生对Spreadsheet有较好的了解。每一类学生又一分为二，分别接受两种先训练：一种训练是先使用 Spreadsheet 软件，再训练利用这种软件发展数学技能；另一种训练是练习 Spreadsheet 软件技能与练习数学技能同时进行。结果显示对于事先不熟悉 Spreadsheet的学生来说,顺序呈现优于并发呈现,测验成绩也更高；但对于事先已了解Spreadsheet的学生来说，情况正好相反。这说明，对于知识技能水平低的学生来说，采用“先学习技能后学习特定内容领域的概念”这种策略能提升他们的学习；对他们来说，技术内容很可能具有高元素交互性，如果同时学习技术技能和特定学科领域的概念，内在认知负荷可能会增加[5]。而对技能水平低的学生来说，技术内容不具备高元素交互性，同时学习技术技能和特定学科领域的概念，内在认知负荷不会增加。在决定顺序策略时，学生的技术技能水平以及内容的元素交互性水平,是至为关键的变量（Kalyuga 等,2003；Van Merrienboer, Kirschner & Kester,2003）。 （二）降低外在认知负荷：优化教学材料呈现方式，提高教学设计水平 降低外在认知负荷是“教学的认知负荷理论研究”重点关注的对象。对降低教学中学生外在认知负荷的途径，众多的研究者纷纷从不同的角度提出了自己的看法。笔者在参阅众多文献的基础上，认为可以总结为一句话，即优化教学材料呈现方式，提高教学设计水平。下面试举几例，以资说明。 1、按邻近原则呈现教学材料，减少注意分散和表征保存。即教学中的教学材料呈现应尽可能在时空上保持邻近。凡涉及多来源的信息应该在物理上被整合,以降低对有限的工作记忆的压力，并释放出认知容量进行其他的信息处理。[6]以图像和解释性文本的呈现为例。在空间上，解释性文本应尽可能被整合到图像中去；在时间上则应该同时而非连续呈现，形成一个整体。这样，学习者就可以以最短的视觉搜索找到相应的视觉与语词信息,容易在它们之间建立联系而促进信息整合。否则，图像和解释性文本分离呈现 ，“学习者倾向于先看文字部分,接着看对应的图表”(Hegart&Judt,1989)，在看完文本后，一方面需要一部分认知资源来保存文本表征，形成表征保存；另一方面还要耗费一定认知资源来搜寻对应的图像信息，形成注意分散，从而带来额外的认知负荷。因此，“文字和图像的完整呈现比文字和图像分离呈现更有利于学习者的学习(Moreno&Mayer,1999;Mayer,2001)”。 2、清除多余信息，避免冗余效应(Redundancy Effects)发生。多余信息，就是对教学目标达成来说是没有必要的那些信息，也称为冗余信息。Paul Chandler 和 John Swe11er用实验证明：冗余的信息并非中性的,它们会对学习和理解造成消极的效应。[7]冗余信息的存在往往迫使学生不得不去关注一些本可以不去关注的信息，从而浪费宝贵的工作记忆资源。因此，它会给工作记忆带来额外的负担，从而增加学生的外在认知负荷。Moreno和 Mayer也认为“当文字以叙述方式单独呈现时,学习者对呈现材料的理解要比同时以叙述和屏幕文本方式呈现要好” [8]，这里以屏幕方式呈现的文本信息就是多余的，应该被清除掉。 3、运用先行组织者(Advance Organizer)策略，改变学生的认知准备状态。人们对新知识的理解总是建立在自身原有的认知结构(Cognitive Construction)的基础上的，当原有认知结构对新知识有支撑作用时，人们就相对容易理解新知识；相反，如果原有认知结构中缺乏支撑新知识的内容或原有认知结构中的相关知识未被激活，人们对新知识的理解将变得相对困难。教师应该通过先行组织者策略，在新的学习任务开始之前，呈现给学生比当前学习任务更高一层的抽象性和包摄性的引导性材料，从而激活其认知结构中与新知识相关的知识内容，为学习新知识做好认知准备，这样就避免了在学习新知识的同时，还要到长时记忆中去搜索相关知识的认知负担，从而减轻外在认知负荷。 此外，通过分离视听信息，拓展工作记忆容量；信息呈现条理化，减少学生认知搜索；抽象信息形象化，降低学生认知难度；复杂信息简单化（如使用图表），简化学生认知加工；控制教学材料呈现速度，留给学生足够的认知加工时间；教给学生认知策略(cognitive strategies)，提高学生认知效率；分化复杂任务，防止学生认知负荷超载；采用样例（worked-example）教学，简化认知技能获取过程等都能从不同角度减轻学生的外在认知负荷。 （三）提高相关认知负荷：激发学生学习动机，引导其加大认知努力 相关认知负荷是指学习者在图式建构和自动化过程中意欲投入的认知资源的数量，它有利于图式的获得和规则的自动化，实现学生认知结构的优化，把大量复杂无序的信息组合成简单有序的知识体系，有效降低了工作记忆的认知负荷，从而节省有限的工作记忆资源；规则的自动化还允许我们以最少的工作记忆容量去处理信息，降低工作记忆负担。不仅如此，相关认知负荷的增加还有利于意义的建构，帮助学生更好的理解和掌握所学知识。由此可见，在确保总的认知负荷不超载的情况下，适当增加学生的相关认知负荷对教学是有益的。 那么，如何在原理教学中减少学生的无关认知负荷呢？ 提高学生的相关认知负荷，关键是要激发学生的学习动机（尤其是内部动机），使学生加大自身的认知努力。为此，教育者要通过多种途径和手段，把社会和教育者向学生提出的学习要求转化为学习者内在的学习需要。比如：培养和激发学生的学习兴趣；进行学习目的性教育；采用启发式教学；建立合理的奖励机制等等。

当了十多年老师，当我知道“认知负荷”的概念，如醍醐灌顶。认知负荷这个概念，先百度百科了解下学术定义。 1.学术定义 认知负荷理论是由澳大利亚新南威尔士大学的认知心理学家约翰·斯威勒(John Sweller)于1988年首先提出来的，它以Miller等人早期的人类的认知结构研究为基础。认知负荷理论假设人类的认知结构由工作记忆和长时记忆组成。其中工作记忆也可称为短时记忆，它的容量有限，一次只能存储5—9条基本信息或信息块。当要求处理信息时，工作记忆一次只能处理两到三条信息，因为存储在其中的元素之间的交互也需要工作记忆空间，这就减少了能同时处理的信息数。工作记忆可分为“视觉空间缓冲器”及“语音圈”。长时记忆于1995年由Ericsson和Kintsch等提出。长时记忆的容量几乎是无限的。其中存储的信息既可以是小的、零碎的一些事实，也可以是大的、复杂交互、序列化的信息。长时记忆是学习的中心。如果长时记忆中的内容没有发生变化，则不可能发生持久意义上的学习。 认知负荷理论认为教学的主要功能是在长时记忆中存储信息。知识以图式的形式存储于长时记忆中。图式根据信息元素的使用方式来组织信息，它提供知识组织和存储的机制，可以减少工作记忆负荷。图式可以是任何所学的内容，不管大小，在记忆中都被当作一个实体来看待。子元素或者低级图式可以被整合到高一级的图式，不再需要工作记忆空间。图式的构建，使得工作记忆尽管处理的元素数量有限，但是在处理的信息量上没有明显限制。因此，图式构建能降低工作记忆的负荷。图式构建后，经过大量的实践能进一步将其自动化。图式自动化可为其它活动释放空间。因为有了自动化，熟悉的任务可以被准确流利地操作，而不熟悉任务的学习因为获得大限度的工作记忆空间可以达到高效率。 晕不晕？下面好好说话！！ 2.图像定义三种类型的认知负荷：内部认知负荷，外部认知负荷和相关认知负荷。由于元素间交互形成的负荷称为内部认知负荷，它取决于所要学习的材料的本质与学习者的专业知识之间的交互，教学设计者不能对它产生直接的影响。外部认知负荷是超越内部认知负荷的额外负荷，它主要是由设计不当的教学引起的。相关认知负荷于1998年提出，是指与促进图式构建和图式自动化过程相关的负荷。外部认知负荷和关联认知负荷都直接受控于教学设计者。三种类型的认知负荷是相互叠加的。 为了促进有效学习的发生，在教学过程中应尽可能减少外部认知负荷，增加相关认知负荷，并且使总的认知负荷不超出学习者个体能承受的认知负荷。 3.落地第1种方式的定义，学术定义很专业，很严谨，但是怎么样？你记住了吗？有没有被持久的存在，你的长期记忆呢，我想很多人的回答都是否定的，第2种定义， 一张图就让你深刻的记住了，这个定义的本质和内涵。正所谓，一图指千金。也再次印证了，图像化是一切记忆的根本。第1种方式的定义就是增加了学习者的认知负荷。 那教学中我们的目的就是要降低外在和内在负荷，而提升相关负荷。降低外在负荷对教师提出了更高的要求，体现在教学设计上。例如3×3层级，以及布鲁姆，目标分类法对教师所要讲授的知识，进行筛选和分类。就像一个初级登山者，他并不需要将一个珠峰登山者的全部物资在最开始就都要背负着。 降低内在负荷，包括给学生提供脚手架。案利轰炸，打比方，游戏化等方法。 提升相关负荷，包括思考，提问，给学生任务，把聚光灯打到学生身上，抛砖引玉，让学生动起来，互动表格的设计等等。 从三个维度，降低认知负荷，包括对于重点难点问题的处理，都体现在教师的设计上。

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