认知负荷理论对教学过程设计的启示

课 程 论 文

题 目 认知负荷理论在网络探究学习设计中的应用及启示

——在远程教育的视角下

姓 名 刘瑞子 学 号 [**************]7 专业年级 2014级教育技术学 指导教师 姜庆 职 称 副教授

2015年12月16日

认知负荷理论在网络探究学习设计中的应用及启示

——在远程教育的视角下

[摘要]：认知负荷理论是在现代认知心理学研究的成果基础上提出的一种决定教学设计的理论, 它为研究认知处理和教学设计提供了一种新的理论框架，对教学设计具有现实的指导意义。认知负荷理论是基于内在认知和外部的信息结构交互的作用，从而对学习产生影响，进而对教学设计作出相应的指导。本文将从降低外在、内在认知负荷和增加关联认知负荷这三方面探讨如何指导探究学习过程设计，对探究学习的设计有哪些启示？第一部分，笔者将详细论述认知负荷理论的基本观点：包括外在认知负荷、内在认知负荷和关联认知负荷，和探究学习的过程设计；第二部分笔者从降低外在、内在认知负荷和增加认知关联负荷论述指导探究学习过程设计；第三部分笔者总结认知负荷理论对探究学习设计的指导。

[关键词]：认知负荷理论、外在认知负荷、内在认知负荷、有效认知负荷、探究学习

[正文]：

一、认知负荷理论与网络探究学习过程设计

（一）认知负荷理论

在考察认知心理学关于人们怎样学习和获得知识的理论基础上, 澳大利亚教育心理学家J. Sweller 及其同事提出一种新的关注工作记忆负荷的教学设计理论, 即认知负荷理论。认知负荷是指在某种场合下施加到工作记忆中的智力活动的总的数量。认知负荷理论是基于资源有限理论和图式理论的。资源有限理论认为人的认知资源是有限的，这种认知资源的有限是由于人的工作记忆容量是有限的。人在学习或者进行其他活动时，都要消耗认知资源。如果在从事某信息加工时，需要的认知资源超出人本身拥有的认知资源，就会造成内在认知负荷过重，从而影响学习的效率和效果。例如，学习的难度太大，学习者的认知负荷过重，就会导致学习的失败。图式理论认为，图式是一种认知结构，知识是以图式的形式存储于长时记忆中。在个体学习新知识的时候, 长时记忆中的图式可以根据所面临的情景进行快速而正确的归类, 这种归类是一种自动化的加工过程, 它不需要有意识控制和资源消耗, 因而可以弥补个体工作记忆容量有限的缺点，降低个体的认知负荷。认知负荷理论研究的主要目的就是在教学过程中控制工作记忆负荷, 即最大限度地降低阻碍学习的认知负荷、优化促进学习的认知负荷, 使学习者合理地利用有限的认知资源, 达到最好的学习效果。

从上述表述中可以得出，影响个体认知负荷的主要两个因素：学习任务和自身的能力。其中学习任务是指学习的困难度和学习材料呈现的形式等；自身的能力是指学习者个人的知识背景、先前的经验、学习风格等。

按影响认知负荷的不同因素, 可以把认知负荷分为三类：内在认知负荷、外在认知负荷和关联认知负荷。内在认知负荷是在学习材料的内在性质与学习者的专业技能之间的互相作用中产生的, 负荷的大小取决于工作记忆中同时被处理的信息数量以及与已存在的图式联系。

通俗的讲，学习者的先前经验、学习背景等与学习任务的困难度的联系；外在认知负荷与学习过程不直接相关, 但是可以通过教学设计来实现调整和改变，是由学习任务的组织和呈现的形式引起的。关联认知负荷是在学习过程中产生的, 如在图式的建构和实现自动化的过程中。不同的问题情境产生不同的图式, 这样就增加了相似情境在处理时被及时区分的可能性, 使学习者具备了更强的学习能力。

在教学过程中，问题呈献给学习者的外在认知负荷的程度主要是由问题的内在认知负荷决定的。由于工作记忆的处理能力有限，如果内在认知负荷很高，那么外在认知负荷就一定要降低，必须进行相应的调整。如果内在认知负荷和外在认知负荷的总和还没有超过工作记忆的处理能力，那就可以让学生在学习过程中使用关联认知负荷。尤其是那些与图式的建构和自动化有直接关系的关联认知负荷。

由上可知，认知负荷理论在教学设计中应用的关键就是在有限的处理能力中，尽量减少外在认知负荷，而增加关联认知负荷， 同时为了避免认知超载，对学习者已有的专业技能水平应该充分考虑，因为它直接决定了学习者的内在认知负荷。

（二）网络探究学习过程设计

“探究”这一思想由来已久，最早是由古希腊哲学家苏格拉底提出的精神“助产术”，他认为教学的目的主要不是传授知识，而是探究什么是可以接受知识的。美国教育学家施瓦布教授从教育的角度给探究学习下了这样一个定义：“儿童通过自主参与地获得知识的过程，掌握研究自然所必需的研究能力；同时，形成认识自然的基础——科学概念；进而培养探索未知世界的积极态度。”从广义上讲，网络探究学习是指网络学习环境中，充分利用信息技术，学习主体对具有时代特征的学习客体进行探究性的学习活动。学习主体包括学习者以及与学习有关的所有人。学习客体就是学习对象，简而言之就是我们探究的是什么。从狭义上讲，我们将“网络探究学习”界定为“在网络学习环境下，学习者围绕一定的问题、文本或材料，在教师的帮助和支持下，充分利用信息技术，自主寻求或自主建构答案、意义、信息或理解的学习活动和学习过程”。

网络探究学习具有以下特征：探究性、开放性、交互性、共享性、协作性和自主性、学习者利用网络进行学习。

对网络探究学习过程的设计要尽量发挥学习者的学习特征、网络环境的特征。网络探究学习是以“学生”为中心的教学设计，是以建构主义为基础的。建构主义强调“情境”“协作”“资源”是网络环境的基本要素。网络探究学习过程设计分为以下几步：

1、创设情境，提出问题

教师利用网络环境中数字化的共享资源，创设一个适当的问题情境。教师要以学习目标为依据，设计任务情境或者提出学习问题。这里探究问题要求具有可探究性，能够激发学生的探究兴趣。教师引导学生进入情境，并提出探究的问题。

2、分析问题，提出解决方案

首先，学生根据自己的经验对所要探究的问题的现状进行客观科学的分析。其次，学生应该明确自己要怎么做才能完成学习任务。最后，学生结合前两步的情况，制定出可行的、具有操作性的学习方案。一般来说，学生要完成一项学习任务是现在经验和知识不能解决的，学生要上网查找并整理资料，之后要进行实验研究或者是调查研究等。

3、解决问题

此过程是学习者的网上自主学习过程，在网络环境中学习者独自操作或小组协作。学生根据上述的学习方案进行探究学习，具体来说，根据教师提供的学习资源（包括：相关资料和学习工具）进行多种形式的自主收集与研究。将收集上来的信息进行分析和整理，根据问题的相关度进行分类，综合有助于探索问题解决的信息，最后对有用的信息进行评价，再次进行精确的选择，并形成学习成果。

4、成果展示，相互评析

采用多种方式对学习成果进行展示，例如BBS 、网站的发布。或者展示给教师、其他学习者等。学习者之间可以进行网上互评，并进行反思发现优点，并找出自己的不足之处，进行总结，为今后的学习积累经验。

图1 网络探究学习过程

二、认知负荷理论下的探究学习过程的设计

（一）内在认知负荷在探究学习过程设计中的应用

内在认知负荷是在学习材料的内在性质与学习者的专业技能之间的互相作用中产生的, 负荷的大小取决于工作记忆中同时被处理的信息数量以及与已存在的图式联系。即内在认知负荷与学习材料和学习的自身的专业知识有关。如果学习材料组织的过于复杂，而学习者的专业知识又有所欠缺，那么在学习过程中了解学习资料就需要注意多个不同的元素，在工作记忆中多种不同的元素同时加工，就会增加工作记忆中的负荷，增加内在认知负荷。相反，如果学习者有足够丰富的专业知识，同样的一段组织材料相比于专业知识欠缺的学习者，会产生的少内在认知负荷。这里我们可以看出，在网络探究学习中，创设情境所要的材料和对学习者的特征分析是很重要的。

1、要按顺序和分块呈现的复杂的材料

Pollock 等人的研究表明, 在学习特别复杂的学习材料时, 分阶段呈现小段的学习材料能够减少初学者的认知负荷, 这是因为认知负荷是由内容元素之间交互作用引起的, 而在探究学习中，创设的情境要能够激发学习者的学习兴趣，材料是学习者能够看懂和了解的，所要探究的问题是学习者不能够很快解决的，但是问题是处于最近发展区的。所以，呈现的材料要按一定的逻辑顺序，并且分块呈现会给学习者减少内在认知负荷。在一定程度上，学习材料的难度低也会激发学习者的研究兴趣。分块的呈现材料，降低了学习者对学习该知识的难度提高了学习效率。

在探究学习过程中的第三步学习者要上网自主学习，寻求解决问题的办法。这里要注意学习者自己要能将学习任务划分成不同的阶段进行，每一阶段的学习内容要合理要符合自己 的学习特征。只有将复杂的学习任务划分成若干阶段进行，才能够使得困难的任务变成一个个简单的任务来完成，降低学习者的内在认知负荷。

2、对学习者的特征分析要准确

上述表明，学习者的专业知识水平会影响内在认知负荷。因此，教师在创设情景时要考虑多方面的因素和大多数学习者共同的学习特征。如：专业知识背景、家庭状况等。只有根据学习者的学习特征，才能够更好的设计情境，使学习者降低内在认知负荷，顺利的进行下一步探究学习。

（二）外在认知负荷在探究学习过程设计中的应用

外在认知负荷与学习过程不直接相关, 而是与学习材料的组织和呈现方式有关。对同一学习内容的学习, 差的学习材料组织与呈现会使学习者需要更多的认知资源来进行与图式建构无关的活动, 因而加重了学习者的认知负担。因此，优化学习材料组织是降低外在认知负

荷的必要手段。根据Mayer 等人提出并验证了多媒体教学设计的五个原则：多样化的呈现原 则、接近原则、一致性原则、通道原则和冗余原则。这些研究对网络探究学习的设计有着重要的指导作用, 将其归纳起来表现为以下几点：

1、适时的呈现信息

适时模型认为, 在学习者需要某个信息时适时呈现有助于减少外在认知负荷, 这里的信息包括两类：支持信息和必备信息。支持信息最好在做练习之前呈现, 而必备信息则最好在练习学习任务的过程中呈现。研究证明, 适时的支持信息能够促进有意义学习的图式建构, 适时的必备信息在学习当前任务时通过程序化或限制编码可以促进图式的自动化。因此，在适当地时候呈现学习信息是能够降低外在认知负荷的。在探究学习过程中，学生在探究过程中如果遇到共性的问题，教师应该适时的呈现一些解决问题或者是与问题相关的资料，帮助学习解决当前的问题。

2、提供相关的答疑

在网络环境中进行探究学习，有些学习者的专业基础比较差的在学习过程中会遇到各种各样的问题，这时学习者的对问题和学习内容的不理解会导致外在认知负荷过多，导致学习失败。因此，教师应该提供相关的答疑，能够在适当的时候为学习者解答。学习者在遇到自己解决不了的困难时，也可以在线寻求其他学习者的帮助，这样才能避免外在负荷过多而导致学习失败。

3、呈现的内容呈临近原则

临近原则是指教师给学习者呈现的学习内容不仅是文字还可以用概念图等形式呈现，使得学习者能够一目了然，印象深刻，对学习内容的理解能够进一步加深。在探究学习过程中，教师给学习者提供的情境材料也应该遵循此原则，如：可以比较两种教学模式的区别并提出合适的其他教学模式等。这些都是可以探究的问题，在呈现情境材料时，将两种模式图画在上面，在配以文字，学习者的外在认知负荷就会降低，学习就会成功。在研究学习过程中，最后一步形成学习成果时要注意，学校成果可以是文字和图片，也可以是图文结合，学习成果是要展示给他人学习，要注意能够使其他学习者很好的理解该成果。

4、呈现的内容呈多表征原则

认知负荷理论的相关研究认为, 多媒体信息在记忆中是以双通道形式进行加工的, 即视觉/图像加工和听觉/言语加工双通道, 而每个通道的加工能力又是有限的。国内学者王玉琴等人进行的“媒体组合与学习步调对多媒体学习影响的眼动实验研究”, 研究结果表明, 对于学习效果而言, “通道效应”只出现在系统控制步调的线性多媒学习中, 而在学习者步调的多媒体学习中, 声音解说相对视觉文本的优势消失了, 由学习者控制学习步调, 图形加视觉文本的媒体组合对学习更有利。由此可知，在呈现材料多表征会降低外在认知负荷。在网络学习环境中，学习资料的呈现的形式多种多样，如：视频、音频、图片等。在研究学习过程中，教师在呈现创设材料时，要遵循多种表征原则。如《背影》一课中，教师可以呈现视频，也

可以呈现背影的图片引出主题。在最后一步呈现学习成果时可以采用这种原则，让其他学习者印象深刻，对你的学习成果感兴趣等。

在探究学习中第三步，学习者解决问题时，需要上网搜集资料，教师要提醒学习者资料是多种多样的形式，不同的形式带来的学习效果是不同的，因此学习者要注意在自主学习时，应该寻找适合自己学习形式，这样不仅能提高学习的效率，还能够优化学习效果。

5、呈现的内容避免冗余

冗余信息会对学习产生干扰，根据认知负荷理论可知，学习者同时注意两个或者多个学习来源信息时就会分散注意力。而学习材料中冗余信息会分散学习者的注意力，产生外在认知负荷，影响学习效果。在探究学习过程中，教师呈现的创设情境的信息要避免信息的冗余，不能太注重多表征而忽略了冗余。

（三）关联认知负荷在探究学习过程设计中的应用

关联认知负荷产生于学习者在学习某一个任务未用完所有的认知资源时, 这时候学习者便可以把剩余的认知资源用到与学习有直接相关的加工(如图式建构) 中去, 让学习者在工作记忆中的元素活动中加入更高级的有意识的认知加工(如重组、抽象、比较和推理等), 从而支持图式构建。这样的加工也会增加认知负荷, 不过这种认知负荷不会阻碍学习, 反而会促进学习。简单的而言，就是在学习者拥有剩余的认知资源时，将学到的知识与原认知结构进行联系，达到图式的构建。龚德英(2005)通过实验研究认为, 归纳增加了学习者的关联认知负荷，还能够降低内在认知负荷。因此，在探究学习过程中，要求学习者归纳整理学习内容。归纳整理本身就是一种很有效的学习方法。在探究学习过程中要搜集整理很多资料，避免不了有很多错综复杂的混乱的知识，所以学习者要对这些错综复杂的学习内容进行整理和归纳，这样还有利于对学习内容的理解，降低学习者的内在认知负荷。

三、总结

笔者从内在认知负荷、外在认知负荷、关联认知负荷三方面阐述了产生认知负荷的规律，并从这三方面探讨了对探究学习过程设计的指导作用。认知负荷理论在探究学习过程中的应用主要体现在几个方面：

1、学习者的特征分析

学习者的特征分析是教师的工作，教师要了解每一位学生的学习特征，专业知识水平、学习风格等。这样有利于降低内在认知负荷。

2、创设情境材料呈现形式

创设情境材料呈现的形式，要遵循临近原则、多表征原则和避免信息的冗余，材料要求具有一定的逻辑性，教师要按照一定的顺序和分块呈现。这些有利于降低内在认知负荷和外在认知负荷。

3、学习信息呈现的时间

这是一个教师的教学经验，适当地呈现学习信息是有利于学习的。在大多数学习者都遇

到困难时，教师要适时的呈现学习材料引导大家正确的解决问题，使得学习顺利的进行下去。这样有利于降低外在认知负荷。

4、学习者的学习方法

根据认知负荷理论可知，归纳整理是有益于学习的一种方法。归纳整理可以使错综复杂的学习内容变得有一定的顺序，便于学习者理解，降低内在认知负荷，增加关联负荷。

在认知负荷理论的指导下，可知在探究学习过程中，情境的创设是一门学问，材料的呈现，而搜集的学习资源需要学习者进行归纳，避免产生认知负荷过重，提高学习效率，优化学习效果。

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