关于认知负荷的论文综述

基于认知负荷理论的教学设计综述

1.认知负荷理论

认知负荷理论自 20 世纪 80 年代由澳大利亚Sweller 等学者提出以来, 在认知心理

学、教育心理学、教育技术等复杂性学习领域产生了十分广泛的影响。从纵向发展看, 认知

负荷理论及其研究主要经历了两个阶段: 其一，前 20 年, 研究主要集中在如何设计学习材

料, 提高教学设计效果的实验研究。其二，2001 年来, 研究有两条明显线索: 基于先前的实

验结果拓展了理论本身和加强了先前教学设计有效性的研究。从横向发展看，认知负荷研究

的主题有两个: 教学设计有效性的研究和认知负荷测量的研究。本文简要的介绍一下认知负

荷理论及其测量方法，主要探讨了应用认知负荷理论如何提高教学设计有效性。

1.1认知负荷理论的基本假设

认知负荷理论是基于人类认知结构与外界信息结构交互作用, 而形成有效认知外部世

界的理论。认知负荷理论基于人类认知的信息加工理论，该理论有两个基本假设：人类认知

结构由工作记忆系统与长时记忆系统，构成长时记忆系统具有无限的贮存容量。

贮存在长时记忆中的信息有各种各样的编码类型, 如果编码是图式, 那么工作记忆加

工信息所承受的负荷较低。工作记忆系统的重要特点是同时加工新信息的容量非常有限, 而

且保持信息的时间短暂。工作记忆加工信息的方式包括有意识的和自动化的两种。人类认识

外在世界并学习的过程，实际上是有意识的加工、形成自动化最终形成长时记忆的过程。有

意识的加工会占用工作记忆许多资源,而自动化处理基本上不受意识所监控, 占用工作记忆

极少的资源。从某种意义上说自动化的图式成了工作记忆的中央控制，无需工作记忆提取直

接驱动行为，也就是说工作记忆处理图式的能力是无限的。专家与新手的根本区别在于专家

的认知是图式驱动，而新手的认知则基于知识与技能的数目驱动。因此,新手发展为专家，

必然经历图式建构与自动化。

1.2认知负荷理论的基本观点

有效的教学设计必须有效管理三种认知负荷。认知负荷是指针对某一特定认知任务，

工作记忆系统对其进行加工和保持信息过程中所承受的负荷总量。认知负荷包括内在

(intrinsic)认知负荷、外在(extraneous)认知负荷和有效(effective) 认知负荷三个基本成分。

内在认知负荷是指工作记忆对认知任务本身所包含的信息元素(如概念、规则的基本成

分)的数量及其交互性进行认知加工活动所产生的负荷。内在负荷从某种意义上反映了任务

的复杂性或难度，任务难度越大，对工作记忆施加的内在负荷越大。另外，认知任务的复杂

性与学习者的知识经验密切相关。

外在认知负荷是指由于不恰当的教学设计导致与认知加工过程(如图式建构或自动化)

没有直接关联的活动，而施加给工作记忆的负荷。无效负荷主要源于认知任务的设计和呈现

不当、与实际教学无关的活动。

有效认知负荷是指工作记忆对认知任务进行实质性认知操作而承受的负荷。实质性认

知操作是指形成图式建构与图式自动化的活动或与形成图式建构与图式自动化密切相关的

活动, 外在表现为有意义的认知过程与结果。

有效教学设计的基本原则是降低外在、内在负荷和增加有效负荷。内在负荷是学习任

务固有的，但教学设计随着教学目标不同可以改变它; 外在负荷是无效的，但可以通过有效

教学设计而控制它; 有效负荷是产生有意义学习的认知活动的使然，教学设计必然设法增加

它。由于三种负荷具有可加性，因此要产生高效率的认知效果，教学设计中就应该是降低外

在负荷、降低内在负荷、增加有效负荷，使三者之和不超过工作记忆的总负荷。

2.认知负荷的测量

2.1认知负荷的测量模型

Paas 等描述了认知负荷结构的一个测量模型(如图 1)。认知负荷的结构由因果因素

(causalfactors)和评估因素( assessment factors)两个维度构成。因果维度反映了认知负荷的来

源，包括任务/环境特性、学习者特征以及二者的交互作用。评估维度则反映认知负荷的测

量维度，包括心智负荷(mental load) 、心智努力(mental effort) 、表现(per-formance)以及它

们之间的交互作用。一般来说，心智负荷和表现相对客观，而心智努力则是主观的; 心智负

荷是源头变量，心智努力是中间变量，而表现则是结果变量。

因果因素

评价因素

图1 认知负荷的侧量模型

2.2认知负荷的测量方法

基于上述模型，很多研究者提出了测量认知负荷的方法。归纳起来，研究者基于客观性(主观或客观)和因果关系(直接或间接)两个维度划分，得到测量认知负荷的不同方法(如下表) 。主观性测量是指用主观性的方法(如自我报告法)来测量认知负荷的强度，客观性测量是通过对行为、生理状况和成绩等进行客观观察来测量认知负荷的强度。直接的测量是指通过对被试的主观感受、大脑活动进行直接测量负荷; 间接测量是指通过对被试的行为、学习成绩进行推测，从而做出判断。

类型直接间接

主观自我报告投入的心智努力自我报告压力水平

自我报告材料的难度

客观生理测量大脑活动测量（如FM RI）

行为测量双任务范式

学习结果测量

2.3认知负荷测量研究的基本趋势

认知负荷的测量在基于客观性(主观或客观)和因果关系(直接或间接)两个维度划分的基础上，后续研究者针对在真实教学情境中有研究真实教学情境中认知负荷的测量、研究适应性学习情境中认知负荷的测量、研究适应性学习情境中认知负荷的测量等方向的新发展。

（1 ）研究真实教学情境中认知负荷的测量

以前的认知负荷的研究主要发生在心理学实验室中，研究对象或样本较少，因此运用上述方法测量认知负荷是可行的。但对大规模的教学实验或真实教学情境中认知负荷的测量，上述方法显然不可行。因此，Pass等结合表现和心智努力，提出教学效率(in-structional efficiency,E)的概念。他们认为，对同样的学习任务，经过教学后，学习者有较高表现且付出较少心智努力的为高教学效率，学习者有较低表现且付出较多心智努力的为低教学效率。

（2）研究适应性学习情境中认知负荷的测量

如何评估学习者在不同学习阶段的知识水平、认知负荷水平，Kalyuga结合认知负荷和学习表现，提出了认知效率(Cognitive efficiency,E)的概念。Kalyuga认为，对两个学习者而言，当他们面对同样的学习任务，经过学习后他们达到同样的表现，若一个花费较小的心智努力，而一个则花费较多的心智努力，那么前者可以叫“专家”，而后者则可以叫“新手”。这暗示了一个重要信息，使新手成为专家，需要同时评估学习者对同一任务的表现和心智努力，而认知效率E= P/ R( P 是学习者对学习任务的表现, R 是学习者对同一学习任务的心智努力) 可以同时评估学习者对同一任务的表现与负荷。这反映了学习者认知负荷的绝对变化，反映了学习者的绝对进步，为评估适应性学习环境提供了可以操作的指标。