认知负荷理论在多媒体软件设计中的应用分析

JOURNAL OF DISTANCE EDUCATION

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多媒体软件可以把文字、图形、图像、声音、动画、视频等多种信息元素结合起来，使学习者能够获得多通道的教学信息，更好地记忆所习得的知识和技能。在多媒体学习中经常面对的认知负荷挑战是：有意义学习要求学习者在学习期间进行庞大的认知加工，但学习者认知加工容量是非常有限的[1]。如何组织多媒体的信息呈现方式，使学习者的总认知负荷不超出其工作记忆容量限度，是多媒体软件设计的关键所在。

一、认知负荷理论

认知负荷理论(Cognitive Load Theory)是由澳大利亚心理学家约翰·斯威勒尔（John Sweller ）于1988年提出的，认知负荷理论以认知心理学的标准记忆模型为基础：人类的认知结构是由工作记忆和长时记忆组成的，信息处理主要是通过工作记忆，工作记忆的容量是有限的，而长时记忆的容量则是无限的[2]。认知负荷理论基于三个假设来阐述大脑如何工作：首先，人类信息加工系统包括两个独立的通道，即加工听觉输入与言语表征的听觉通道、加工视觉输入与图片表征的视觉通道；第二，每个通道的加工容量是有限的，即仅有限的加工发生在听觉通道，同时也仅有限的加工发生在视觉通道；第三，有意义学习要求在听觉通道和视觉通道进行大量的认知加工。

认知负荷理论主张容量有限的工作记忆与容量无穷的长时记忆是互相关联的一体。教学设计必需以容量有限的工作记忆为依托，将设计的原理及规则建构为适合工作记忆的加工对象———图式或记忆组块[3]。因此，教学设计者在设计教学时，既要考虑工作记忆的容量有限性，又要寻找促进学习的方法，确保学习者的工作记忆负荷不能超载。

基于认知负荷的不同来源，斯威勒尔区分出三种类型的认知负荷：内在认知负荷、外在认知负荷和相关认知负荷[4]。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的数量及其交互性进行认知加工活动所产生的负荷，内在认知负荷与学习材料的复杂性和学习者专长之间的关联

程度有关，同一认知任务，对不同的学习者会产生不同的内在负荷。外在认知负荷是由学习材料的设计引起的，当学习者加工不良设计的材料时要付出更多的努力，进而加重了其工作记忆的负担，外在认知负荷可以通过优化教学设计来降低。相关认知负荷是指学习者将工作记忆能量投入更深层的图式建构和存储，以及对学习活动的监控和对学习策略关注时产生的认知负荷。相关认知负荷可以促进学习，可以被教学设计所改变。按照认知负荷理论，三种认知负荷是相加的范畴，即当学习发生时，三者相加的总量不能超过工作记忆可获得的资源总量。所以，对某次认知任务而言，外在认知负荷、内在认知负荷和相关认知负荷之和不超过其工作记忆的总负荷。如果要获得高效的认知，应当考虑到三种负荷之间的相互关联，最基本的原则是降低内在、外在认知负荷和增加相关认知负荷。

二、认知负荷理论指导下的多媒体软件设计

（一）多媒体软件内容设计

1.学习资源设计

学习资源设计不当会加重多媒体学习者的外在认知负荷。在多媒体学习环境中，一般需要给学习者提供比较丰富的学习资源。这些学习资源在为学习者带来广阔探索空间的同时，也容易使之陷入信息的海洋。如果对学习资源的数量缺乏控制，大量冗余信息会消耗学习者有限的注意力资源，加重多媒体学习者的认知负荷。另外，如果多媒体学习资源结构组织不合理、过于分散，在进行学习时，学习者需要花费精力整理各种知识之间的关系，也会加重学习者检索和查找信息的负担。因此，在设计多媒体软件时，首先要控制学习资源的数量，根据教学目标和学习者知识准备情况精心选择那些既典型又具有普遍指导意义的内容，不要贪“多”而要注重“精”与“准”，这样学习者能够将更多的可用能量用于实际的学习。其次，应该对学习资源进行分类设计，最好能实现学习

认知负荷理论在多媒体软件设计中的应用分析*

祁玉娟1熊才平2

（1.湖南科技大学教育学院，湖南湘潭411201；2.浙江师范大学，浙江金华321004）

［摘

要］认知负荷理论是从工作记忆的容量有限性出发，认为工作记忆中的信息加工存在着三个方面的认知

负荷：内在认知负荷、外在认知负荷和相关认知负荷。多媒体软件的设计要以学习者的认知特性为基础，在认知负荷理论的指导下，从内容设计、交互设计、界面设计和学习者设计四个方面探讨多媒体软件的设计。

［关键词］认知负荷理论；多媒体软件；设计［中图分类号］G434

［文献标识码］A

[文章编号]1672-0008（2009）03-0051-03

*本文获教育部“新世纪优秀人才支持计划”(教技函[2007]70)资助和浙江省自然科学基金项目[Y6080034]的资助。

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资源的搜索功能，便于学习者迅速地查询到所需要的学习内容。需要注意的是，必须合理设计学习资源搜索的策略，简化学习者的搜索过程，避免盲目使用搜索工具扩展主题知识。

2.内容组织设计

内容组织不当和不合理会增加多媒体认知加工中的外在认知负荷。多媒体学习软件一般是以非线性方式组织，这虽然为学习者提供了选择的灵活性，但如果结构复杂，特别是多媒体信息组接或呈现不当，必然会占据大量的认知资源，加重学习者的认知负荷。因此，多媒体软件的内容组织应该以学习者的认知规律为基础，有效管理多媒体信息加工中的认知负荷。首先，多媒体软件在组织学习材料时，应该依据时间接近性和空间接近性来呈现相关信息，这样学习者就容易在它们之间建立联系而促进信息整合，避免学习者因信息来源的不集中而造成注意力的分散。其次，在对材料进行组织时，要注意进行归类，把握整体与局部的关系，利用提纲和标题来组织文字，为学习者呈现一个结构性、系统性知识界面，并且强化信息节点设计，保证内容相关的信息以各种方式集成在一个节点中。

（二）多媒体软件的交互设计

1.多媒体软件的可操作性设计

多媒体学习者的技术水平会影响多媒体信息加工中的

内在认知负荷。在利用多媒体软件进行学习时，学习者主要通过与多媒体学习环境之间的交互获取知识与技能。如果学习者没有掌握相应的操作技能，那么在多媒体学习的过程中，就需要花费更多的工作记忆来处理这些操作过程，从而加重了认知负荷。因此，加强多媒体软件的可操作性有利于减少内在认知负荷。首先，在设计多媒体软件时，应当简化软件使用的复杂性，建立智能化的软件操作方式，降低软件使用的技术门槛。其次，尽量保持软件操作的一致性，应用程序的不同部分甚至不同应用模块之间，具有相似的交互处理和布局、相似的人机交互方法以及相似的信息显示格式等。再次，在设计多媒体软件时，应该提供帮助系统或模块，能够给学习者随时提供软件使用或交互方面的帮助，使学习者能较容易地完成对软件的控制和学习内容的跳转。

2.元认知监控设计

元认知监控影响多媒体信息加工中的相关认知负荷。元认知就是个人对自己的认知加工过程的自我觉察、自我评价和自我调节。研究表明，在教学中对学生进行元认知指导可以促进学生的学习。多媒体学习需要学习者自己控制学习过程，学习者的元认知能力是保证多媒体学习环境下认知效果的关键因素之一。由于大部分多媒体学习者习惯于在教师的主导下学习，缺乏与自主学习相关的元认知能力，也使得相关认知负荷处于相对较低水平，影响了多媒体学习效果。龚德英等人研究在多媒体学习的不同时段植入元认知监控提示，发现如果元认知提示导致了材料学习过程中有意识的监控活动，就会增加学习过程中的认知负荷，但这种认知负荷对迁移有促进作用，是相关认知负荷的一部分[5]。因此，优秀的多媒体软件要能够帮助学习者提高元认知监控能力。为此，多媒体软件制作者要根据教学要求和学习者的特点选择

合适的时机植入元认知监控提示，使学习者在进行多媒体学习的各个阶段，随时获悉自己的学习状态，明确自己的学习进程，从而随时调整学习步调。这样，学习者可以更充分地理解和控制自己的认识过程，提高多媒体学习的效果。

（三）多媒体软件的界面设计

1.屏幕界面设计

多媒体软件的屏幕界面设计也会影响多媒体信息加工中的外在认知负荷。屏幕界面是学习者和计算机进行信息交换的通道，它的呈现方式将直接影响多媒体学习者获取信息的效率。如果多媒体软件的界面设计不一致，在利用多媒体学习过程中，学习者需要付出较大的认知资源不断感知与理解多媒体软件界面上的各个组成要素，干扰学习者的学习效果。为此，多媒体软件的屏幕界面设计首先要尽可能的保持一致，最好使用约定俗成的标准界面元素、标签、图标等来描述选择与任务，使得学习者根据外观就能清楚地识别学习软件的各个功能。在不同界面中相同性质元素的形态、位置、功能要保持一致，使用统一、清晰、简洁的界面结构，这些都能降低学习者在学习过程中的外在认知负荷。其次，多媒体软件设计中应该尽量减少页面间的跳转，页面之间的关系越复杂、跳转越多，学习者就需要花费越多的精力记忆学习路径。再次，建立清晰、明确、简单，符合学习者认知心理的导航系统，合理采用导航地图、多窗口显示等导航技术，避免学习者发生迷航现象或花费大量的精力在学习路径的确定上。

2.媒体表征设计

多媒体软件的媒体表征形式与外在认知负荷有关。多媒体软件的媒体表征形式主要有文本、图形、图像、视频、音频、动画等。根据双通道假设，多媒体的呈现还需要注意的一点就是充分运用各种加工通道，不能把认知负担都加在一种通道上，而是要协调运用视觉、听觉通道共同进行信息的加工，必要时采用讲解来代替屏幕文本形式[6]。为此，在设计多媒体软件的媒体表征时，要为学习者提供多渠道的表征方式，但应避免呈现无关的或带有重复信息的媒体表征形式。例如在多媒体软件中利用动画、文字等多种方式呈现某种现象，动画是通过视觉形式来获得的，而如果相关文字通过视觉形式来获得，这些动画和文本信息集中在视觉通道上就会加重视觉通道的认知负荷，而当以听觉形式呈现这些文字时，其效果要好的多，因为同时使用了听觉与视觉通道，能够增加有效工作记忆的空间，降低认知负荷的强度。

学习者在面对多元表征的信息来源时，如果单一的信息呈现即可传达完整且明确的信息意义，即可以独立呈现，无需互相参照多元表征即能理解，否则增加外在负荷。在实践中，多媒体软件设计者常常忽视了工作记忆有限容量的性质，以为多媒体信息表征形式越丰富越好，其实不良的多媒体信息组合会给学习者增加不必要的认知负荷，阻碍学习者的有效学习。当学习者学习来自某通道的多元信息且这些信息能够被单独使用而无需互相参考时，就会发生信息冗余。比如在举例时，同时使用图形和文本，如果此时用单个图形或单个文本就能完整表达例子的意思，就应该删除图形或文本。另外，在媒体表征设计时还要注意减少有趣但与学习无

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学术视点

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关的文字、画面、声音、音乐等装饰性而不是支持性的信息。只有学习者对教学内容本身产生兴趣而不是仅仅觉得花边材料很有趣时，才能产生有意义的学习[7]。否则，学习者很容易只关注那些吸引人的装饰性信息，有限的认知资源被无关的内容占据，从而影响了学习效果。

（四）多媒体软件学习者设计

1.学习者的知识经验设计

认知负荷理论告诉我们，学习者已有的与学习相关的知识经验会影响多媒体信息加工中的内在认知负荷。由于学习者是带着丰富的先前知识、技能、观念、习惯和态度进入新的学习情境的，这些都会影响他们对学习内容的理解，也影响着他们解决新问题的能力。由于不同学习者背景知识、经验存在差异性，同样的学习内容，对于某些学习者来说会产生较高的认知负荷，而对于其他学习者来说可能只造成很低的认知负荷。因此，学习者原有的知识结构、理解水平、学习风格、兴趣态度等都会影响到内在认知负荷的高低。多媒体软件设计者应当从多媒体学习者的经验入手，尽量提高多媒体学习者对学习所需的知识与技术的熟悉程度。在课程学习说明或指导中，要明确学习该课程所需的知识基础，或应先修的课程等。当有可能发生认知负荷超载时，可以进行提前训练，让学习者接受关于即将进行的学习系统中成分的提前指导，再在此基础上进行系统的学习，这样可以减少认知负荷，提高学习绩效。

2.学习者的学习动机设计

相关认知负荷主要来源于学习者本身，增加相关认知负荷必须唤醒学习者的认知投入。学习动机是影响多媒体学习者相关认知负荷的因素之一，一般认为，外部动机因素是学习者访问材料的最初诱因，但是只有内部动机因素才是学习者持续努力下去的关键。在多媒体软件的设计过程中，设计者通常更关注软件的科学性和教育性，而对如何利用软件来吸引学习者的学习兴趣，激发其学习动机重视不够。多媒体软件设计者要想诱发学习者的内部动机来增加相关认知负荷，可采取如下措施：①学习内容尽可能与学习者的生活经验产生联系，充分挖掘适合学习者年龄特点和知识水平的内容，尽可能提供适合学习者认知的样例，激发学习者的学习兴趣，引发更多的认知努力。②以多样化的表现形式呈现学

习信息，通过改变多媒体软件的版式、字体、形式等因素，充分调动学习者的学习注意力。③多媒体的呈现还应该做到个性化，解说中运用对话的风格会使学习者有很强的参与感，运用第一、第二人称使学习者产生亲切感，激发其学习欲望。

④尽量设计具有交互性的多媒体软件，使学习者自定学习步

调，控制、操作和探究学习材料，还可以更好的实现反馈，从而激发学习者的内部学习动机。

三、结语

认知负荷理论把工作记忆的限制性看作学习的主要障碍，认为通过有效的认知负荷管理才可以使工作记忆的容量更多地集中于将要学习的材料中，从而促进学习。在进行多媒体软件设计时，应该从工作记忆容量的有限性出发，充分考虑学习者在学习过程中产生的认知负荷，选择有效的设计理念和设计方法，以发挥多媒体学习软件在学习中的优势，指导学习者进行有意义的学习。

[参考文献]

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［4］Sweller,J.Cognitive load theory,learning difficulty and in -

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［5］龚德英,刘电芝,张大均.元认知监控活动对认知负荷和多媒体学习的影响[J].心理科学,2008,(4):880-882.

［6］张丽,盛群力.技术应如何致力于促进学习?———梅耶论多媒体学习与教学设计的原则[J].远程教育杂志,2009,(2):26-32.

［7］王文智.基于认知负荷理论的多媒体教学呈现原则探讨[J].远程教育杂志,2009,(2):33-37.

[作者简介]

祁玉娟，硕士，讲师，湖南科技大学教育学院（qiyujuan08@163.

com ）;熊才平，博士，教授，浙江师范大学教育科学研究院副院长，教育信息技术研究所副所长。

The Application Research of Cognitive Load Theory in the Design of Multimedia Software

Qi Yujuan 1&Xiong Caiping 2

（1.School of Education,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan Hunan 411201；

2.School of Education,Zhejiang Normal University,Jinhua Zhejiang 321004）

【Abstract 】Based on the capacity limitation of working memory,cognitive load theory holds that there are three aspects of cog -nitive load in information processing of working memory:internal cognitive load,external cognitive load,germane cognitive load.We should design multimedia software based on learners'cognitive characteristics.Under the guidance of cognitive load theory,the arti -

cle discusses the design of multimedia software from four aspects:content design,interaction design,interface design and learner de -

sign.

【Keyw ords 】Cognitive load theory;Multimedia software;Design

本文责编：陶

侃

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