基于認知負荷理論的復雜學習整體任務設計探討

倪其育　劉麗麗

[摘要]目前的教學設計趨向于聚焦真實的學習任務，但由于這些任務的復雜性，使學習者的學習受到阻礙。文章基于認知負荷理論介紹了復雜學習任務的設計，并結合認知負荷理論具體探討了如何通過降低認知負荷來進行復雜學習的整體任務設計。

[關鍵字]認知負荷理論；復雜學習；整體任務設計

[中圖分類號]G40-057[文獻標識碼]A[論文編號]1009-8097(2009)03-0039-03

引言

我們知道教育和培訓領域非常關注社會、商業(yè)和工業(yè)生產的新需求。在當前科學技術快速發(fā)展、信息不斷更新的社會中，為了使學生能夠更好的就業(yè)，在教育教學方法上強調真實的學習任務和通過課程發(fā)展職業(yè)技能。所以，教學設計理論應該支持學生培訓項目的發(fā)展，最終能夠使學生將所學知識和專業(yè)能力或是復雜認知技能遷移到不斷變化的真實情境中。因此教育界開始關注復雜學習的設計。由于任務的復雜性勢必會增加學習者的認知負荷，為更好地促進學習者的學習，我們必須考慮到人類大腦工作記憶的有限處理能力。認知負荷理論(Cognitive Load Theory簡稱CLT)為進行復雜學習的教學設計提供了指導。

一認知負荷理論

CLT是由澳大利亞的認知心理學家約翰·斯威勒(JohnSweller)及其同事在考察人是怎樣學習和獲得知識的理論基礎上，提出的一種關注工作記憶負荷的心理學理論，它為研究和處理復雜學習的教學設計提供了一種新的理論框架。

認知負荷理論假定人類的認知結構由工作記憶和長時記憶組成。其中工作記憶的容量是有限的，一次只能存儲5-9條基本信息或信息塊。而長時記憶的容量幾乎是無限的，其中存儲的信息既可以是小的、零碎的一些事實，也可以是大的、復雜交互、序列化的信息。CLT認為學習的過程要求工作記憶積極地用于理解和處理教學材料，并把即將習得的信息編碼以圖式的形式儲存在長時記憶中，但由于工作記憶容量的有限性，如果超過了工作記憶的處理能力，學習就會無效。而長時記憶中的圖式則根據信息元素的使用方式來組織信息，提供知識組織和存儲的機制，可以減輕工作記憶負荷。

工作記憶負荷受以下因素影響：一個是學習任務的內在特征(內部認知負荷)，另一個是任務的呈現形式(外部認知負荷)。內部認知負荷由所要學習的材料的本質與學習者的專業(yè)知識之間的交互決定，不能被教學設計所改變。如具有很高的相互作用的任務，不管其呈現方式如何，其內部認知負荷依然很高。外部認知負荷源于材料組織和呈現的方式，以教學設計的結果形式存在，可通過重新組織信息來改變。

認知負荷理論認為，過高水平的認知負荷可能直接來源于呈現給學生的教學材料的復雜性，降低了外部認知負荷的教學設計可以促進學習。最有可能從教學設計中獲益的是那些需要處理復雜信息的領域，如我們常說的復雜學習。在復雜學習中，將要學習的信息成份之間彼此相互作用產生了高水平的內部認知負荷，因此要確保盡可能多的工作記憶被釋放，才能達到學習的最優(yōu)化。

二復雜學習任務的設計

復雜學習旨在對知識、技能、態(tài)度的融合，各種不同性質要素技能的協(xié)調以及把所學的知識遷移到日常生活和工作中。復雜學習是指向有意義學習的一種學習活動。在復雜學習的情景里，學習者面對的總是結構不良的、開放性的、情境化的真實任務。學習者通過解決這些富于挑戰(zhàn)性的復雜問題，不僅能獲得整合型的知識，真正體驗到學習的意義，而且能發(fā)展成為適應社會需要的創(chuàng)新型人才。我們知道學習任務的設計是教學設計中的重要內容，而目前的教學理論以真實的學習任務作為驅動力，以培養(yǎng)學習者復雜的認知技能為目標，但由于這些任務的復雜性，人類大腦工作記憶有限的處理能力將會阻礙學習者的學習，因此研究復雜學習任務的設計就成了教學設計當前的熱點。

1傳統(tǒng)學習任務的設計

在20世紀80年代以前，學習任務設計領域主要是原子論的部分任務設計理論占支配地位，這種傳統(tǒng)的原子論方法是讓學生從相對比較簡單的學習任務開始，然后過渡到增加難度的復雜任務。這樣復雜的任務被分解成相對獨立的簡單部分或者通過從部分到整體的方式，慢慢融入到整體任務練習，直到訓練項目的最后，學習者才有機會練習整體任務。這種方法對于學習那些孤立的元素間相互作用弱的學習任務來說，減輕了外部的認知負荷，對學習有很好的效果。但對于學習那些在它們直接部分或建構技巧方面需要很多條件的復雜任務時，這種教學不能有效地處理融合各個部分，因為整體總是大于部分之和，這樣不利于對任務的整體掌握，更不利于將任務遷移到新的問題情境。教學設計者David Merrill關于“教學首要原則”的創(chuàng)新性研究告訴我們，將來的學習任務設計應該支持學習需要和高效遷移復雜認知技能或者是適應真實世界環(huán)境變化的技能的學生培訓的發(fā)展。

2整體學習任務的設計

80年代后建構主義的學習觀和教學觀對學習任務設計領域的研究者產生了重大的影響。在這一背景下，一些研究者在對傳統(tǒng)的學習任務設計方法探討的基礎上，開始試圖建立一種不忽略任務元素間的復雜性關系而能合理處理任務復雜性的模式。整體任務設計應運而生，它以“學習任務”作為核心，旨在幫助學習者學會解決復雜問題、發(fā)展推理技能，最終展開自我導向的學習。它將學習任務作為一個連貫的，相互關聯(lián)的整體，然后從很簡單，但有意義的代表整個學習任務的整體開始逐步過渡到復雜的整體。整體任務的設計為學生的學習需要和所專業(yè)技能或復雜認識技能遷移到日益變化的真實世界情境提供了發(fā)展支持。

從以上分析我們可以概括出整體任務設計具有三個基本特征：第一，以“學習任務”為核心，將整個有意義的任務作為學習的驅動力；第二，重點關注的是學習者(以學習者為中心)的能力的發(fā)展，而不是獲得獨立的、零碎的知識；第三，重新重視學習任務遷移的研究。從這三個特征我們可以看出，整體任務設計模式為學習任務設計領域長期存在的三個問題，即分裂性、片斷化、遷移矛盾提出了解決辦法。接下來，我們將圍繞這三個方面具體討論如何通過降低認知負荷來進行復雜學習的整體任務設計。

三復雜學習的整體任務設計

1設立整體表現性目標

傳統(tǒng)的學習任務設計主要關注學習領域的某個特殊的目標，如認識、心智運動和情感領域(Bloom，1956)，也就是通常所說的知識(Knowledge)、技能(Skills)和態(tài)度(Attitudes)；另一個關注就是關于陳述性知識和程序性知識，以及智力技能。但是當我們學習現實生活中的復雜的任務時，這種分成獨立的表現性目標的分類作用并不是很理想，那么我們就需要設立整體表現性目標。整體任務設計要求設立一個完整的目標情景，關注的是各獨立目標的整合，趨向于從任務一開始協(xié)調和融合建構技巧，迫使學生快速地發(fā)展

一種對待整體任務的全面視角。

整體任務設計通過強調整體表現性目標的重要性，取代了傳統(tǒng)的原子論模式。例如，有一項復雜的任務，一些方面要求問題的解決，另一些方面要求程序的應用。在原子論模式中，你可能首先教規(guī)則的應用，然后是高級規(guī)則，最后是問題的解決，這樣很少有機會教授問題解決和程序應用方面的協(xié)調與融合。而在整體任務設計中，教授復雜任務的不同要素的整合目標和教授單獨的目標同樣的重要。也就是說，在培訓的一開始，部分的任務就需要通過高水平的策略被協(xié)調和控制。因此，在復雜學習的任務設計中，應該用高度整合的整體目標來取代部分的獨立目標。

我們知道復雜學習要求學習者在真實的任務環(huán)境中處理一些復雜的、非良構的問題。但是由于新手對環(huán)境的陌生感，再加之整體任務設計要求的整體性表現目標的呈現，比起部分任務的方法，這更加大了學習者的認知負荷。那么我們如何通過學習任務設計來降低學習者的認知負荷最終達到學習的最優(yōu)化呢?這就需要我們在整體任務的設計中給學習者提供一定的支持，在這種幫助下，新手就會慢慢地在長時記憶中形成圖式和規(guī)則自動化，以減輕工作記憶的負擔。當學習者成功完成所預期的目標，支持應慢慢減少直到它不需要。因為根據CLT，過多的或不足的支持都能阻礙學習者的操作。以下我們主要介紹運用已解決的例子和簡單復雜序列兩種策略來支持復雜學習的整體任務設計。

運用已解決的例子學習已經解決的例子，使學生面臨的不僅僅是一個給定的情境或一個預期的目標情景，也是一個例子的解決方式。學習這些例子作為執(zhí)行日常問題解決任務的補充是有用的。因為它把注意力集中在問題情境和相關的解決步驟上，因此能使學生引導出普遍的解決方式，而且通過學習這些例子也可以了解專家是如何解決新遇到的問題的，這對于規(guī)則的形成和圖式的自動化都是有好處的。非良構問題解決方法的掌握，對于再次在新環(huán)境中遇到的問題，學習者的認知負荷就會降低。所以在以整體表現性目標為導向的整體任務模式的設計中，先運用已經解決的例子比真正解決相同的問題更有助于圖式的建構。

簡單復雜序列即使是用整體任務模式設計復雜學習，我們也不可能從一門課程或訓練項目的一開始就運用高度復雜的學習任務，因為這會給學習者增加過多的認知負擔，同時會伴有學習業(yè)績動機上的消極作用(Sweller，VanMerrienboer&Peas;，1998)。除了上面運用的已解決的例子外，另一個解決方法就是讓學生從相對比較簡單的學習任務開始，然后過渡到增加難度的復雜任務。但這種方法不同于前面所說的原子論的部分任務的方法，我們把它叫做以整體為核心的從簡單到復雜的序列。例如一項任務包括有A，B，C三個技能，傳統(tǒng)的方法是先練習A，然后是B，再是C，也就是說在一項技能學會時再加入新的任務，完全割裂任務間的聯(lián)系。但在整體任務設計模式中，我們就要把A，B，C看成一個整體，假如它們之間一共有10個聯(lián)系，從易到難依次為：1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，那么在學習中，我們可以先學習它們之間的3個聯(lián)系(第1，2，3)，隨著學習的深入再慢慢學習其它的聯(lián)系(第4，5，6，7)，最后進一步學習更復雜的聯(lián)系(第8，9，10)，如圖1所示：

2關注學習者能力的發(fā)展

教育提倡創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，建構主義要求以人為本，以學習者為中心，建構以學習者為中心的學習環(huán)境，那么我們的學習任務設計就不應該還是使學習者獲得一些零碎的、不完整的知識，而是使學習者獲得某方面的專業(yè)能力，最終能解決現實生活中遇到的真實任務，這才是我們教學的主要目的。Van Merrienboer博士從三個維度來理解能力，第一個維度是綜合，表明能力通常是包括知識、技能和態(tài)度；第二個維度是特殊，表明能力通常是與具體的情境聯(lián)系在一起的，如專家技能；第三個方面是持久，表明能力一旦獲得即使是使用的工具、工作的方法或是技術發(fā)生變化，也能保持穩(wěn)定性。

復雜學習獲得的能力可以分成兩個方面：第一是無重復任務的能力，如問題解決和推理：第二是重復任務的能力，如規(guī)則和程序的運用。在整體任務設計中，如何對這兩種能力的獲得提供支持呢?根據CLT理論，在學習任務的無重復方面，支持性信息(問題解決和尋找原因的必要知識)會有幫助，它主要是在學習者先前知識與學習任務之間提供一個橋梁的作用。教學方法旨在詳盡解釋，也就是通過在新的學習要素與已有知識之間建立非任意的聯(lián)系，以完善圖式。支持性信息最好是在學習執(zhí)行任務之前提供，然后，一個認知圖式可能在長時記憶中被建立，它將在任務執(zhí)行過程時，在工作記憶中隨時被激活。在任務執(zhí)行過程中找回已經建構好的圖式對認知的需要一般要比激活在工作記憶中的外部復雜信息要少。在學習任務的重復方面，程序性信息(知道規(guī)則如何應用的知識)細化了學習任務，即學習者在學習任務過程需要時及時給予提供，比如呈現提示卡片、清單、操作工作表和流程圖、詢問主要問題，給出一部分答案等都是這種支持的例子。

3實現有效的遷移

在整體任務的教學設計中我們還需要考慮一個重要的問題——績效。我們的目標是在學會同樣的任務時，最小化學習者所花費的時間、精力，以提高學習的有效性。例如，在一個復雜的技術系統(tǒng)中，學習者需要學會診斷三個故障E1，E2，E3，如果要最小化學習者所進行的練習，那么傳統(tǒng)的方法就是先練習E1，然后是E2，最后是E3，其順序可以表述為：E1，E1，E1……，E2，E2，E……，E3，E3，E3……。盡管這個方法可能是分別達到三個目標最有效的，但是作為一項整體的任務來看它在學習中的遷移卻較低。因為學習者在學習每一個技能時都把它當作單獨的目標來學習，學會了診斷E1，就認為完成了一個目標，然后再開始新的，而不考慮E1的學習會對E2，E3產生什么影響。如果在這個學習任務設計中要達到好的遷移就要采用隨機的方法，例如：E1，E3，E2，E2，E1，E3，E1，E2，E1……。用認知負荷理論來分析，與前面的方法相比這種方法對于分別達到三個獨立的目標來說，好像是增加了學習者的認知負荷，而且效率較低，因為它增加了任務上必要的時間和學習者投入的努力。但是從實現整體任務的效果來看，其實它是通過情境干擾增加了相關性認知負荷，從而促進了學習者工作記憶中圖式的建構與自動化，實踐證明這種方法最終能產生較高的遷移。這是因為這種隨機的方法，讓學習者置身于建構一般的、抽象的知識，而不是完全為了去學會診斷每個具體的、單獨的故障。

四小結

本文通過對認知負荷理論的分析探討了復雜學習的整體任務設計：首先要設立整體性表現性目標，其次要關注學習者能力的發(fā)展，最后還要實現有效的遷移。整體任務的設計基于真實學習任務提出了一系列的培訓策略和多種分析任務的方法，使得學習任務設計能夠聚焦于完整的任務練習，對我們工作實踐中復雜技能知識的掌握和學習有著重要的指導意義，但是整體任務設計作為教育技術領域中新興的設計模式還沒有發(fā)展成為完整的理論體系，本文也只是結合認知負荷理論對整體任務的設計做了初步的探討，希望對將來復雜學習的整體任務設計的研究有一定的借鑒作用。