基于认知负荷理论的教学媒体设计

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【摘要】首先对认知负荷的概念含义、主要观点和分类做简单扼要的论述。认知负荷理论提出了一些能减少学习者认知负荷，提高学习效率，并对教学媒体设计有指导作用的教学效应：分散注意力效应、双重感官效应、独立交互元素效应、元素交互效应及冗余效应。在阐述这些教学效应的基础上，分别给出它们在教学媒体设计中应用的例子。

【关键词】认知负荷；教学媒体设计；教学效应

【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A 【论文编号】1009-8097（2008）11-0050-03

认知负荷理论自上世纪80年代由澳大利亚认知心理学家John Sweller提出以来，已逐渐成为人们研究认知过程和教学设计框架的一个主要理论。在教学媒体设计时，设计者常常忽视了工作记忆有限容量的性质，给学习者增加了不必要的认知负荷，也因而阻碍了他们的有效学习。认知负荷理论不仅使我们更深刻地理解学习过程，还能为教学媒体设计提供强有力的指导，从而构建出适合学习者工作记忆加工的学习对象。因此，教师有必要自觉地将认知负荷理论应用到教学媒体设计中，积极探索减少认知负荷的教学媒体设计方法，使学习者能够进行有效的学习。这也正是本文主要探讨的问题。

一 认知负荷理论简介

1 认知负荷的概念含义

认知负荷的概念自上世纪八十年代被提出以来，尽管不同的学者对其涵义有着不同的理解，但我们一般倾向于将认知负荷定义成：为完成某项任务而在工作记忆中进行的心智活动所需的全部心智能量。可以认为，认知负荷的概念是建立在以下理论假设的基础之上：①有限的工作记忆仅能处理一部分信息；②存储知识的长时记忆的容量无限，并可用来克服工作记忆容量的有限性；③图式储存在长时记忆中，常被用来通过重组信息元素，把低水平图式合并成高水平图式的方法来构建知识，以降低工作记忆容量；④图式无论多大或多复杂，在工作记忆中都被作为一个单一个体来处理；⑤图式可以自动化并且可以在无意识下自动进行处理，而不需要工作记忆的有意识参与，因此降低了工作记忆容量。[1]

2 认知负荷理论的主要观点

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相互关联的一体。因此，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。[2]对于教学设计者而言，为了使学习者能够进行有效的学习，应给学习者施加精确水平的认知负荷，使其进行图式的建构。换言之，教学设计者应当确保在进行教学时，学习者的工作记忆负荷不会超载。概括而言，认知负荷理论主要有以下观点：①工作记忆的容量是有限的，因此人们很难同时加工多种来源的信息；②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，那么一部分或者全部信息将会丢失；③如果要学习的知识所引起的认知负荷相对较低时，那么教学设计所引起的认知负荷对学习效果的影响较弱。反之，这种教学设计所引起的认知负荷对于学习是至关重要的；④长时记忆系统中储存有大量的图式，这些图式能被提取到工作记忆系统中，并可以作为单个元素进行处理。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。

3 认知负荷的分类

认知负荷可分为三种类型：内在认知负荷、外在认知负荷和有效认知负荷。首先，内在认知负荷是由学习材料的内在特性即材料内部元素的交互性水平所决定的，它不易被教学设计所改变。因此，学习材料的不同，元素间相互作用水平也不同，也因而对内在认知负荷的要求也不同。对于低交互性的学习材料，由于在不考虑或较少考虑其他元素的情况下，就能被理解和学习，因此认知负荷较低。而高交互性的学习材料，由于需要学习某些元素并同时理解这些元素之间的相互关系，才能真正理解所学材料的意义，因此认知负荷较高。

其次，外在认知负荷是由学习材料的呈现方式及学习活动本身的缺损造成额外的认知加工活动所致。在通常情况下，外在认知负荷加重学习者的心理能量，降低学习效率。特别是，当内在认知负荷较高时，外在认知负荷有可能导致学习者认知负荷过载，阻碍学习活动的顺利进行。此时，可通过教学设计来优化教学材料的呈现方式或学习者的活动，以此来降低外在认知负荷，从而促进学习者的学习。

最后，有效认知负荷指与图式建构和获得以及图式自动化过程的努力程度有关的认知负荷。与外在认知负荷相似，有效认知负荷同样受到教学设计的影响，但外在认知负荷对学习起干扰作用，而有效认知负荷能够对学习起促进作用。教学设计的本质就是要控制好学习者的外在认知负荷，增加学习者的有效认知负荷，同时保证总的认知负荷在工作记忆容量允许的范围内，即不造成认知负荷过载。[3]

二 认知负荷理论在教学媒体设计中的应用

认知负荷理论对教学的主要贡献在于它提出一系列可用于减少外在认知负荷，促进学习效果的教学效应。这些效应归纳为：目标自由效应、样例效应、完成问题效应、分散注意力效应、形式效应、想象效应、独立交互元素效应、元素交互效应、变式效应、专业知识反效应、指导隐退效应、冗余效应等。[4]其中，有些教学效应能对教学媒体设计起到指导作用。下面将逐个解释这些教学效应及给出其在教学媒体设计中应用的例子。另外，在此需要说明的是，根据认知负荷理论的主要观点，在内在认知负荷较大情况下，研究如何减少学习者的外在认知负荷，才具有较高的研究价值。因此，下面给出的用于减少外在认知负荷的教学媒体设计方法，只有在内在认知负荷较高的情况下使用，才具有较好的效果。

1 分散注意力效应及其应用

在理解包含两个或两个以上相关信息源的材料时，由于这些信息源相互所指且分布在材料的不同地方，学习者必须综合各个不同的信息源，不断在材料中重复“寻找―匹配”的过程。这种频繁“搜索”不但分散了学习者的注意力，而且给工作记忆增加了工作负荷。例如，为了帮助学习者更好地理解文章，设计者有时在阅读材料后附上生词意义注释。由于文章和生词注释是分开的，因此，在理解材料时，学习者必须在文章和生词注释之间来回“穿梭”，这种不断“寻找―匹配”相关信息的过程增加了学习者的记忆负荷。依据认知负荷理论，消除分散注意效应的办法是整合材料中相互所指的部分，以减轻认知负荷。

根据分散注意力效应产生的原因，在教学媒体设计中要将带相关内容的媒体以整合方式呈现，这样才能够使学习者较有效地获得信息。例如，对于包含相关内容的文字和图表材料，可将相关的文字材料放在图表合适的位置，这样可促进学习者对图表内容的理解（如图1所示）。对于只有图表的的学习材料，也可适当地在图表中加入说明性文字，尽管这样会使信息源增多，但却让学习者无需在工作记忆中对图表进行语义联想及猜测，也因而降低了学习者的认知负荷。

2 双重感官效应及其应用

认知科学领域的最新研究结果表明，工作记忆至少由两个信息处理器组成。这两个处理器一个处理听觉信息，另一个处理视觉信息，且以部分独立的方式运作。因此，通过使用两种处理器，可以扩大工作记忆的信息处理容量并增强工作记忆效率。为此，认知负荷理论主张采用视觉和听觉双重感官模式输入材料，以减少或降低记忆负荷。同样，已有的实验结果也表明，采用“视觉――听觉”双重感官形式输入材料的教学效果要比单纯的视觉形式有效得多。[5]

在教学媒体设计中，如果同时呈现相关的文本、图像、动画等教学媒体，各种媒体信息就会相互竞争视觉资源，造成学习者的注意力被分散，各种信息都得不到有效加工。依据双重感官效应，解决上述问题的办法是将文本信息以声音的方式转换到听觉加工渠道，以减少视觉加工渠道的认知负荷。例如，在讲授动圈式拾音器的工作原理时，同时呈现动圈式拾音器的图形和文字讲解材料（如图2所示）。为了理解动圈式拾音器的工作原理，学生须综合两种材料，在图形和文本之间分配视觉资源，这种频繁的“搜索”过程给工作记忆增加了额外的认知负荷。此时，可根据双重感官效应对该媒体设计进行改进，即将文字材料改用声音方式讲解。当然，如果将图形改为动画，而文字材料改用声音方式来讲解，这样学生的学习效果会更好。

3 独立交互元素效应及其应用

在呈现认知负荷较高的高元素交互的材料时，先给学习者呈现一些认知负荷较低的独立的元素，然后再呈现完整的材料。该效应对教学材料的呈现顺序和教材中章节内容的编排顺序有指导的作用，即元素低交互的材料先呈现，元素高交互的材料后呈现，这也符合学习者从简单到复杂、从低级到高级的学习规律，也因此减少了外在认知负荷，提高学习者的学习效率。

根据独立交互元素效应，在教学媒体设计时应注意向学习者呈现教学内容的顺序，即：先简单后复杂、先部分后整体。例如，在讲解扩音机的工作原理时（如图3所示），先分别呈现前置放大、混合放大、推动放大、功率放大等组成扩音机的各部分的教学信息，然后再呈现各部分如何共同完成扩音过程的工作原理教学信息。因为有前面的知识做铺垫，学生理解扩音机的工作原理就不会再有困难。

4 元素交互效应及其应用

学习材料内部元素的交互性水平与想象效应相关。当使用低元素交互的材料时，想象效应消失，当使用高元素交互的材料时，想象效应又出现。想象是学习者在头脑里对记忆表象进行分析综合、加工改造，从而形成新的表象的心理过程，它与创造性思维有着密切的联系，是人类创造活动所不可缺少的心理因素。

根据元素交互效应，在教学媒体设计时应适当给学生呈现一些复杂的教学材料，让学生有一定的想象空间，这样有利于学生创造性思维的培养。当然，这种高元素交互材料的呈现不仅要适量，而且还要以学生掌握的基本概念和规则做基础，否则易给学习者造成学习困难。

5 冗余效应及其应用

虽然整合材料中互相所指的个体信息源可以减轻认知负荷，促进学习者有效学习，但这需以各种不同信息源不能被单独理解为前提条件。由于处理冗长文字和图表会给工作记忆增加认知负荷，当两种或两种以上相关信息源中的任一个能够被单独理解时，整合包含多余或重复信息的学习材料并不可取，会造成冗余效应。为了提高学习效果，必须消除冗余的信息。

依据冗余效应，在教学媒体设计时应避免呈现无关的或带有重复教学信息的媒体，以减少学习者的认知负荷。例如，在说明某学校高一年级各班的人数时，如果同时用表格和文字材料来描述（如图4所示），就会造成冗余效应。因为表格的信息已不解自明，文字部分的说明显然是多余的，所以删除文字说明部分，可以消除不必要的认知负荷。另外，在媒体设计时还要注意减少许多装饰性的信息，如界面中突然出现的动画、声音等，因为这些信息会分散学习者的注意力，从而增加学习者的认知负荷。

三 结束语

根据认知负荷理论，外在认知负荷和有效认知负荷都要受到教学媒体设计的影响。在内在认知负荷较高的情意下，教学媒体设计应尽可能地减少外在认知负荷，从而使学习者能进行有效的学习。认知负荷理论对教学的主要贡献在于它提出了一些旨在减少认知负荷，促进学习效果的教学效应，其中有些教学效应对教学媒体的设计有指导作用。因此，在教学媒体设计中，教师可依据这些效应进行媒体的选择、呈现及编排呈现的顺序等，以减少学习者的外在认知负荷，提高学习者的学习效率。

参考文献

[1] 杨心德,王小康.认知心理学视野中的认知负荷理论[J].宁波大学学报(教育科版),2007,29(3):11-15.

[2] 常欣,王沛.认知负荷理论在教学设计中的应用及其启示[J].心理科学,2005,28(5):1115-1119.

[3] 张建波.认知负荷理论：教学设计研究的新视角[J].上海教育科研,2006,(11):51-53.

[4] 郝兆杰.认知负荷理论在中小学信息技术教学中的应用研究[J].中国教育信化,2007,(12):8-11.

[5] Mousavi, S., Low, R., Sweller, I.. Reducing Cognitive Load by Mixing Auditory and Visual Presentation Models[J]. Journal of Education Psychology, 1995, 87(02):319-334.