認(rèn)知負(fù)荷理論及其教學(xué)涵義*

● 龐維國

認(rèn)知負(fù)荷理論及其教學(xué)涵義*

● 龐維國

認(rèn)知負(fù)荷是影響復(fù)雜學(xué)習(xí)的重要因素，它分為內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷、外在認(rèn)知負(fù)荷、關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷三類，這三類負(fù)荷可以累加，總量超負(fù)荷將給學(xué)習(xí)和問題解決帶來困難；業(yè)已揭示的認(rèn)知負(fù)荷效應(yīng)有目標(biāo)自由相應(yīng)、解答樣例效應(yīng)、通道效應(yīng)、冗余效應(yīng)等12種；在教學(xué)過程中，教師應(yīng)有效調(diào)控學(xué)生學(xué)習(xí)中的認(rèn)知負(fù)荷，適度采用真實(shí)學(xué)習(xí)情境和材料，科學(xué)設(shè)計(jì)多媒體課件，同時(shí)關(guān)注因經(jīng)驗(yàn)不同帶來的認(rèn)知負(fù)荷的相對性。

認(rèn)知負(fù)荷；認(rèn)知負(fù)荷效應(yīng)；教學(xué)涵義

20世紀(jì)70年代，隨著認(rèn)知心理學(xué)研究的深入，認(rèn)知學(xué)習(xí)理論在教學(xué)設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)地位日益凸顯。在設(shè)計(jì)教學(xué)時(shí)，人們普遍遵循兩個原則：（1）依據(jù)學(xué)習(xí)過程設(shè)計(jì)教學(xué)過程， 這在加涅 （R．Gagné）和梅耶（R．Mayer）的教學(xué)思想中得到充分反映；（2）以學(xué)生已有知識及其結(jié)構(gòu)作為教學(xué)起點(diǎn)，這在奧蘇貝爾（D.Ausubel）和布魯納（J.Bruner）的教學(xué)理論中得到充分體現(xiàn)。似乎遵循了這兩點(diǎn)，我們就“可以用智慧上誠實(shí)的方式，教會任何年齡的兒童以任何內(nèi)容”。[1]然而教育實(shí)踐中存在的一個不容否認(rèn)的事實(shí)是：即使教學(xué)滿足了上述兩個條件，學(xué)生遇到復(fù)雜學(xué)習(xí)任務(wù)時(shí)，依然會出現(xiàn)明顯的認(rèn)知困難。為了解釋這一現(xiàn)象，澳大利亞心理學(xué)家斯威勒（J.Sweller）等基于系列研究結(jié)果，提出了著名的認(rèn)知負(fù)荷理論 （Cognitive Load Theory）。本文旨在對這一理論作以介紹，并闡述其教學(xué)涵義，以期給廣大教師帶來某些啟發(fā)。

一、認(rèn)知負(fù)荷理論的基本觀點(diǎn)

20世紀(jì)80年代，認(rèn)知心理學(xué)家已在如下一些方面達(dá)成理論共識：第一，人類的記憶主要包含工作記憶和長時(shí)記憶。工作記憶是信息加工的主要場所，其容量極為有限；長時(shí)記憶是信息的貯存場所，其容量可視為無限，它所貯存的信息必須被提取到工作記憶中才能被加工。[2]第二，認(rèn)知加工可分兩類：控制加工和自動加工。前者是一個有意識的序列性的加工過程，速度較慢，需要占用注意資源；后者是一個快速的、自動的并行加工過程，可不經(jīng)意識的控制而發(fā)生，幾乎不占用注意資源。[3]第三，經(jīng)過充分練習(xí)，所有的認(rèn)知加工過程都可達(dá)到自動化。第四，貯存在長時(shí)記憶中的知識是有結(jié)構(gòu)的，圖式是知識表征的基本單位。圖式建構(gòu)可把多個元素組織成一個整體，從而減少工作記憶中信息加工單元的數(shù)量；圖式的自動化水平不同，高度自動化的圖式在激活時(shí)不需要有意識控制和資源消耗。[4]

認(rèn)知負(fù)荷理論者由此想到：個體從事復(fù)雜的認(rèn)知任務(wù)時(shí)，由于需要在工作記憶中同時(shí)加工多個信息元素，這可能使得容量有限的工作記憶出現(xiàn)超負(fù)荷，無法進(jìn)行有效的信息加工；如果降低每個信息單元所占用的認(rèn)知資源，那么就可能使得工作記憶釋放出足夠的容量來完成認(rèn)知加工；由于圖式建構(gòu)和圖式運(yùn)行的自動化可以降低認(rèn)知負(fù)荷，因而我們可以借助這兩種機(jī)制來釋放工作記憶容量，提升復(fù)雜認(rèn)知任務(wù)的完成水平。[5][6]基于這些認(rèn)識，從20世紀(jì)90年代始，認(rèn)知負(fù)荷理論者以實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果為基礎(chǔ)，逐步構(gòu)筑了完整的認(rèn)知負(fù)荷理論。

（一）認(rèn)知負(fù)荷的來源

馬克斯、庫珀和斯威勒指出，面對既定的認(rèn)知任務(wù)，個體產(chǎn)生的認(rèn)知負(fù)荷主要來自三個方面：一是學(xué)習(xí)材料的性質(zhì)。不同性質(zhì)的學(xué)習(xí)材料可以帶來不同的認(rèn)知負(fù)荷。一般說來，如果學(xué)習(xí)材料所包含的元素之間的關(guān)聯(lián)度較低，給學(xué)習(xí)者帶來的認(rèn)知負(fù)荷就較低；反之，如果學(xué)習(xí)材料包含的元素之間的關(guān)聯(lián)度較高，給學(xué)習(xí)者帶來的認(rèn)知負(fù)荷就較高。這是因?yàn)?，如果元素之間的關(guān)聯(lián)度低，它們就可以在工作記憶中被循序單獨(dú)處理，無需參照其它信息來源；如果元素之間具有高關(guān)聯(lián)度，盡管其數(shù)量可能沒有增加，但學(xué)習(xí)者必須同時(shí)將其置入工作記憶中進(jìn)行加工，這就增加了認(rèn)知負(fù)荷。我們逐個學(xué)習(xí)英文單詞時(shí)，之所以感覺相對輕松，就是因?yàn)樗鼈冎g關(guān)聯(lián)度小，帶來的認(rèn)知負(fù)荷低；我們學(xué)習(xí)英語時(shí)態(tài)時(shí)，之所以感覺相對困難，就是因?yàn)榉从硶r(shí)態(tài)的單詞之間具有高關(guān)聯(lián)度。二是學(xué)習(xí)材料的呈現(xiàn)方式。同樣的學(xué)習(xí)材料以不同方式呈現(xiàn)，將對認(rèn)知負(fù)荷產(chǎn)生不同影響。例如，對于空間關(guān)系，如果用圖形呈現(xiàn)，它給學(xué)生帶來的認(rèn)知負(fù)荷就小于文字呈現(xiàn)帶來的負(fù)荷，因?yàn)楹笠环N呈現(xiàn)方式將迫使學(xué)生在頭腦中建構(gòu)一個空間關(guān)系。三是學(xué)習(xí)者的已有經(jīng)驗(yàn)。如果學(xué)習(xí)者頭腦中擁有足夠的與學(xué)習(xí)內(nèi)容相關(guān)的圖式，且這些圖式達(dá)到高度自動化，就會迅速把當(dāng)前所面對的信息整合進(jìn)已有圖式中，從而減少信息加工單元的數(shù)量，降低學(xué)習(xí)過程中的認(rèn)知負(fù)荷。例如，學(xué)習(xí)“雷達(dá)的工作原理像回聲”這一內(nèi)容時(shí)，如果學(xué)生頭腦中擁有關(guān)于雷達(dá)的知識，且有關(guān)于“回聲”的生活體驗(yàn)，就很容易理解二者的相似之處；反之，如果學(xué)生頭腦中沒有關(guān)于雷達(dá)的圖式，也沒有體驗(yàn)過“回聲”，就會因?yàn)檎J(rèn)知負(fù)荷很高而難以理解雷達(dá)的工作原理。[7]

（二）三類認(rèn)知負(fù)荷

根據(jù)來源及是否有助于圖式建構(gòu)，認(rèn)知負(fù)荷理論者把認(rèn)知負(fù)荷分為內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷、外在認(rèn)知負(fù)荷和關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷三類。

1．內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷

內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷（Intrinsic cognitive load）是指由學(xué)習(xí)材料的難度水平帶來的負(fù)荷。[8]學(xué)習(xí)材料的難度可分絕對難度和相對難度兩個方面。絕對難度是指它本身的復(fù)雜程度，反映在它包含的信息元素的數(shù)量及這些元素間的關(guān)聯(lián)度。 例如，相對于“2+2=?”，“2×2+2÷2=？”難度就更高。相對難度是指同樣的學(xué)習(xí)材料在不同知識水平的學(xué)習(xí)者身上有不同反映。例如，對于剛學(xué)習(xí)乘除法的小學(xué)生而言，“2×2+2÷2=?”有些難度，對于成人來說它則較容易。學(xué)習(xí)材料的這兩種難度，實(shí)際上分別對應(yīng)了學(xué)習(xí)材料的性質(zhì)和學(xué)習(xí)者的經(jīng)驗(yàn)兩個方面。因而我們也可以說，內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷是由相對于學(xué)習(xí)者經(jīng)驗(yàn)水平的學(xué)習(xí)材料的復(fù)雜性所帶來的負(fù)荷。[9]由于內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷取決于學(xué)習(xí)材料的性質(zhì)及學(xué)習(xí)者的經(jīng)驗(yàn)水平，反映了獲得某種圖式所必須的同時(shí)在工作記憶中加工的信息元素的量，所以在既定學(xué)習(xí)條件下，它較難改變。[10]

2．外在認(rèn)知負(fù)荷

學(xué)習(xí)材料的呈現(xiàn)方式及其所要求的學(xué)習(xí)活動，也會帶來認(rèn)知負(fù)荷。當(dāng)這種負(fù)荷是不必要的因而干擾圖式的獲得和自動化時(shí)，就是外在認(rèn)知負(fù)荷（Extraneous cognitive load）。外在認(rèn)知負(fù)荷是由與學(xué)習(xí)過程無關(guān)的活動引起的，不是學(xué)習(xí)者建構(gòu)圖式所必須的，因而又稱無效認(rèn)知負(fù)荷（Ineffective cognitive load）。認(rèn)知負(fù)荷理論者認(rèn)為，外部認(rèn)知負(fù)荷主要由教學(xué)設(shè)計(jì)引起，如果學(xué)習(xí)材料的設(shè)計(jì)和呈現(xiàn)方式不當(dāng)，就容易給學(xué)生帶來較高的外在負(fù)荷，干擾其學(xué)習(xí)。例如，如關(guān)于山脈成因的教學(xué)材料，如果單純用文字呈現(xiàn)，過多的文字?jǐn)⑹鰰又貙W(xué)生的外在認(rèn)知負(fù)荷；如果采用示意圖加文字描述的方式，學(xué)生的外在負(fù)荷就會降低，學(xué)習(xí)效果會更好。由于學(xué)習(xí)材料的呈現(xiàn)方式可以改變，所以外在認(rèn)知負(fù)荷也可以控制。通過改善教學(xué)設(shè)計(jì)來降低學(xué)生的外部認(rèn)知負(fù)荷，是早期的認(rèn)知負(fù)荷理論關(guān)注的重點(diǎn)。[11]

3．關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷

如果認(rèn)知任務(wù)要求較低（帶來的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷較低），使得學(xué)習(xí)者還有充分的認(rèn)知資源可用，這時(shí)他就可以投入額外一些認(rèn)知資源來促進(jìn)圖式的建構(gòu)。這種在建構(gòu)圖式時(shí)不是必須但投入后又有利于圖式建構(gòu)的認(rèn)知負(fù)荷，就是關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷（Germane cognitive load）。例如，學(xué)生聽課時(shí)做筆記，盡管這增加了認(rèn)知負(fù)荷，但它能促進(jìn)學(xué)習(xí)；教師講課時(shí)補(bǔ)充例子，這些例子增加了學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，但有助于概念、原理的理解。與外在認(rèn)知負(fù)荷一樣，關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷也與教學(xué)設(shè)計(jì)有關(guān)。良好的教學(xué)設(shè)計(jì)會適度增加學(xué)生的關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷，使之在圖式建構(gòu)中投入更多的努力，尋求更好的信息加工策略，從而提升其學(xué)習(xí)質(zhì)量。[12]

（三）認(rèn)知負(fù)荷之間的關(guān)系

認(rèn)知負(fù)荷理論者認(rèn)為，前述三種認(rèn)知負(fù)荷是可以累加的。它們的總和如果超出了工作記憶的總體承載能力，就會使學(xué)習(xí)陷入困境。由于內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷是一種基本負(fù)荷，除非通過建構(gòu)另外一些圖式或者使先前獲得的圖式自動化，否則就不易減少。這意味著，借助認(rèn)知負(fù)荷調(diào)控來影響學(xué)生的學(xué)習(xí)，其重心應(yīng)該放在降低外在認(rèn)知負(fù)荷或增加關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷兩個方面：當(dāng)學(xué)習(xí)材料帶來的內(nèi)在負(fù)荷較低時(shí)，如果由教學(xué)設(shè)計(jì)帶來的外在負(fù)荷也較低，學(xué)生認(rèn)知資源有足夠的剩余，就可以通過添加關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷來促進(jìn)學(xué)習(xí)。但如果學(xué)習(xí)材料帶來的內(nèi)在負(fù)荷較高，就要通過降低外在負(fù)荷釋放工作記憶容量，且盡可能不要增加關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷，以確保學(xué)生有足夠認(rèn)知資源來加工必要信息。[13][14]

（四）降低認(rèn)知負(fù)荷的方法

1．降低內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷的方法

斯威勒等認(rèn)為，盡管內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷對教師來說可能無能為力，但對學(xué)生來說，這可以通過兩種方式來降低：一是圖式的建構(gòu)，二是圖式的自動化。圖式建構(gòu)是指把原本獨(dú)立的若干元素組織成一個單一元素。例如，學(xué)生先學(xué)單詞，然后學(xué)習(xí)由若干單詞構(gòu)成的句子，經(jīng)過練習(xí)，句子就在其頭腦中成為一個圖式。此后，他在英文閱讀或?qū)懽髦芯鸵跃渥訛閱挝贿M(jìn)行信息加工。此時(shí)，他加工的信息總量（單詞數(shù)）沒有減少，但因加工單元的數(shù)量減少，認(rèn)知負(fù)荷也被降低。圖式的自動化意味著信息加工從受控加工轉(zhuǎn)向自動加工，從有意識的努力轉(zhuǎn)向無需有意注意，因而也能夠降低工作記憶負(fù)擔(dān)。但是圖式的自動化不是自動完成的，它也需要充分練習(xí)。我們初學(xué)漢字時(shí)，要對每個漢字進(jìn)行有意識的加工。但是經(jīng)過多年的漢字學(xué)習(xí)和應(yīng)用，無論是寫字還是閱讀，都變得比較輕松，這就是相關(guān)圖式自動化的結(jié)果。[15]

梅耶等則認(rèn)為，有效的教學(xué)設(shè)計(jì)也可以降低學(xué)生的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷，這可以通過任務(wù)分割來實(shí)現(xiàn)。例如，假定學(xué)生觀看一個配有講解的關(guān)于閃電形成的動畫。由于畫面內(nèi)容豐富，且呈現(xiàn)速度較快，學(xué)生可能沒有足夠的時(shí)間進(jìn)行深層次信息加工。但如果在連續(xù)的呈現(xiàn)片段之間留一些時(shí)間，亦即把呈現(xiàn)材料被分成幾個片段，他們就能從每個片段中選擇言語和圖片，進(jìn)行充分的認(rèn)知加工。[16]

2．降低外在認(rèn)知負(fù)荷的方法

認(rèn)知負(fù)荷理論者特別關(guān)注如何通過教學(xué)設(shè)計(jì)來降低學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的外在認(rèn)知負(fù)荷。在這方面，他們所采取的所有策略，都是以借助實(shí)驗(yàn)所揭示的各類認(rèn)知負(fù)荷效應(yīng)為基礎(chǔ)的。本文第二部分重點(diǎn)介紹研究者揭示的認(rèn)知負(fù)荷效應(yīng)，因而把降低外在認(rèn)知負(fù)荷的方法放在該部分一并討論。

二、認(rèn)知負(fù)荷效應(yīng)

目前，認(rèn)知負(fù)荷理論者業(yè)已揭示的認(rèn)知負(fù)荷效應(yīng)有12種，它們都與改善學(xué)生的學(xué)習(xí)有關(guān)，故在此逐一加以介紹。需要特別說明的是，下述效應(yīng)中的前6種，重點(diǎn)回答的是如何減少外在認(rèn)知負(fù)荷。

（一）自由目標(biāo)效應(yīng)

當(dāng)學(xué)習(xí)目標(biāo)不太明確或者有多個學(xué)習(xí)目標(biāo)時(shí)，學(xué)習(xí)者自行確定目標(biāo)有助于學(xué)習(xí)和遷移。這就是自由目標(biāo)效應(yīng)（Goal-free effect）。例如，在幾何問題解決中，“盡可能多地計(jì)算各個角的值”，就比 “計(jì)算角A的值”更能促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)。認(rèn)知負(fù)荷理論者認(rèn)為，如果呈現(xiàn)的問題伴隨明確的終點(diǎn)目標(biāo)，會導(dǎo)致學(xué)生解決問題時(shí)把幾個條件同時(shí)置于工作記憶中，從而加重工作記憶負(fù)荷。目標(biāo)自由可以降低學(xué)習(xí)者的外在認(rèn)知負(fù)荷，從而促進(jìn)圖式的建構(gòu)。[17]

（二）解答樣例效應(yīng)

斯威勒等指出，在處理復(fù)雜認(rèn)知任務(wù)時(shí)，如果向?qū)W習(xí)者提供已經(jīng)解答的問題樣例，則能有效地提升其問題解決水平，此即解答樣例效應(yīng)（Worked example effect）。一般認(rèn)為，解答樣例能明確呈現(xiàn)解決問題所需的程序，凸顯關(guān)于圖式特征的清晰信息，因而使學(xué)生只須注意與圖式獲得有關(guān)的信息，減少嘗試錯誤，從而降低其工作記憶負(fù)荷，促進(jìn)圖式的獲得和規(guī)則自動化。[18]

（三）完成問題效應(yīng)

使用解答樣例的一個主要缺點(diǎn)是學(xué)生不去細(xì)致地研究這些樣例。在這種情況下，解答樣例反而容易與要解答的問題混雜在一起，導(dǎo)致認(rèn)知超負(fù)荷。為避免這種情況出現(xiàn)，研究者主張使用只完成了部分解答步驟的問題，然后讓學(xué)生完成剩余的解題步驟。研究顯示，僅為學(xué)生提供目標(biāo)情境和部分解答，然后要求他們完成剩下的解題任務(wù)，可以減輕其認(rèn)知負(fù)荷，促進(jìn)圖式的建構(gòu)和學(xué)習(xí)遷移，這就是完成問題效應(yīng)（Completion problem effect）。[19]

（四）通道效應(yīng)

巴德利指出，工作記憶對視覺信息和聽覺信息的加工是分離的，其中的一部分僅專注于視覺信息，另一部分則僅專注于聽覺信息。[20]因此，單純使用一種信息呈現(xiàn)形式，可能只用到部分工作記憶，使其他部分處于閑置狀態(tài)；而綜合利用多種信息呈現(xiàn)形式，則可以提高工作記憶的使用量，增進(jìn)學(xué)習(xí)效果。這就是通道效應(yīng)（Modality effect）。梅耶等以兩種呈現(xiàn)方式讓學(xué)生學(xué)習(xí)汽車剎車系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)等的工作原理：一種方式只以文本形式呈現(xiàn)相關(guān)內(nèi)容，另一種方式是文本輔以解釋性圖片。結(jié)果顯示，在后一種呈現(xiàn)方式下，學(xué)生的保持和遷移測驗(yàn)成績更好。[21]

（五）注意分離效應(yīng)

許多教學(xué)材料既包括圖片信息又包括文字信息，而且圖片與相關(guān)文字一起呈現(xiàn)。實(shí)踐表明，這兩種信息適當(dāng)整合有利于學(xué)習(xí)。但學(xué)生同時(shí)注意兩個或更多信息來源，也會使工作記憶負(fù)荷加重，導(dǎo)致注意分散、學(xué)習(xí)質(zhì)量下降。這就是注意分離效應(yīng)（Split-attention effect）。詹德勒和斯威勒的研究表明，由于結(jié)論和討論部分分離，但又必須同時(shí)考慮這兩部分以理解結(jié)果的復(fù)雜性及其含義，學(xué)生在閱讀實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)產(chǎn)生了注意分離效應(yīng)；而通過整合結(jié)果和討論部分，重新組織實(shí)驗(yàn)報(bào)告，則可以消除注意分離效應(yīng)。[22]

（六）冗余效應(yīng)

冗余效應(yīng)（Redundancy Effect）發(fā)生的情況是：信息可由多種方式來呈現(xiàn)，但單憑一種呈現(xiàn)方式就足以傳達(dá)這些信息，此時(shí)如果將相同的信息以多種方式同時(shí)呈現(xiàn)，學(xué)習(xí)者就會將冗余的信息同時(shí)進(jìn)行加工，導(dǎo)致外在認(rèn)知負(fù)荷增加，降低學(xué)習(xí)質(zhì)量。梅耶等在閃電形成過程的學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，圖片加簡要文字說明這種呈現(xiàn)方式，比圖片加全文的呈現(xiàn)方式更有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)。[23]這意味著，教師在呈現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)某些信息對學(xué)生學(xué)習(xí)來說不是基本的——即是冗余的，最好把這些信息省略。

（七）想象效應(yīng)

學(xué)生面對一個要學(xué)習(xí)的程序或概念時(shí)，在頭腦中想象這一程序或概念，其學(xué)習(xí)效果要超出僅被要求學(xué)習(xí)這一程序或概念，此即想象效應(yīng) （Imagination effect）。傳統(tǒng)上，想象效應(yīng)的發(fā)生被視為心理練習(xí)的結(jié)果。認(rèn)知負(fù)荷理論對此的解釋是：當(dāng)學(xué)習(xí)者想象信息時(shí)，會加工工作記憶中的相關(guān)圖式，進(jìn)而促進(jìn)長時(shí)記憶中圖式的建構(gòu)和自動化。[24]

（八）元素關(guān)聯(lián)效應(yīng)

元素關(guān)聯(lián)效應(yīng)（Element interactivity effect）是由想象效應(yīng)衍生出來的一種認(rèn)知負(fù)荷效應(yīng)，它是指：當(dāng)學(xué)習(xí)材料具有高度的元素關(guān)聯(lián)性時(shí)，想象效應(yīng)發(fā)生的可能性越大；當(dāng)學(xué)習(xí)材料具有低元素關(guān)聯(lián)性時(shí)，想象效應(yīng)不易發(fā)生。這是因?yàn)?，低元素關(guān)聯(lián)性學(xué)習(xí)材料比較簡單，其中的信息可以不借助特定輔助策略而進(jìn)入長時(shí)記憶；相比之下，加工復(fù)雜的高元素關(guān)聯(lián)性的材料時(shí)，采用促進(jìn)信息同化的策略（包括想象策略）就變得比較重要。[25]

（九）分離關(guān)聯(lián)元素效應(yīng)

分離關(guān)聯(lián)元素效應(yīng)（Isolated interacting elements effect）發(fā)生的情境是：以一種分離的方式逐次呈現(xiàn)具有關(guān)聯(lián)性的信息元素，比一次性地呈現(xiàn)所有相關(guān)聯(lián)的元素更能促進(jìn)學(xué)習(xí)。研究顯示，當(dāng)學(xué)生缺乏相關(guān)背景知識時(shí)，采用分離關(guān)聯(lián)元素的教學(xué)方法會使其更佳；而當(dāng)學(xué)生具有豐富的背景知識時(shí)，采用保持元素關(guān)聯(lián)的教學(xué)方法會使其學(xué)習(xí)更加受益。認(rèn)知負(fù)荷理論者認(rèn)為，新手之所以在分離關(guān)聯(lián)元素條件下學(xué)得更好，是因?yàn)檫@種逐步學(xué)習(xí)的方式降低了其內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷；而老手之所以在這種條件下學(xué)習(xí)不佳，是因?yàn)榘葱蚣庸ば畔⒉槐匾叵牧似湔J(rèn)知資源。[26]

（十）專長逆轉(zhuǎn)效應(yīng)

教學(xué)方法的有效性會隨學(xué)習(xí)者經(jīng)驗(yàn)的增加產(chǎn)生逆轉(zhuǎn)。有時(shí)候，對于低經(jīng)驗(yàn)水平的學(xué)生卓有成效的教學(xué)方法，用于高經(jīng)驗(yàn)水平者會失去效果，乃至產(chǎn)生消極影響。此即專長逆轉(zhuǎn)效應(yīng)(Expertise reversal effect)。專長逆轉(zhuǎn)效應(yīng)的發(fā)生，是因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)豐富者業(yè)已擁有充分的相關(guān)圖式，相關(guān)圖式更為自動化，從而使其在面向低經(jīng)驗(yàn)水平者的教學(xué)中，加工更多的冗余信息，給工作記憶帶來不必要的負(fù)擔(dān)?？栍诟竦劝l(fā)現(xiàn)，采用解答樣例法訓(xùn)練缺乏經(jīng)驗(yàn)的學(xué)徒效果很好，但對于有經(jīng)驗(yàn)的學(xué)徒則效果較差；而讓后者在解決問題中學(xué)習(xí)，效果會更好。[27][28]

（十一）指導(dǎo)漸減效應(yīng)

指導(dǎo)漸退效應(yīng)(Guidance fading effect)是指：伴隨學(xué)生相關(guān)知識的增加，通過逐步減少問題解決指導(dǎo)，提高問題解決要求，他們省出的工作記憶容量就可用于應(yīng)對逐步提高的要求。也就是說，隨著專門化知識的增多，相應(yīng)知識存儲在長時(shí)記憶中，降低了對工作記憶的要求，從而釋放出更多工作記憶容量用于問題解決。研究業(yè)已顯示，與持續(xù)地運(yùn)用同樣的解答樣例相比，逐步減少解答樣例有助于提升學(xué)生的問題解決水平。[29]

（十二）變式效應(yīng)

變式效應(yīng)（Variability effect）是指在問題解決練習(xí)中，變換不同的問題狀態(tài)和情境，雖然增加認(rèn)知負(fù)荷，但能促進(jìn)學(xué)習(xí)遷移。這是因?yàn)椋瑔栴}情境的變化有助于學(xué)習(xí)者識別問題及其解答方法的共同特征，分辨其中的無關(guān)特征，從而有助于圖式的建立和自動化?？锼购兔芬l(fā)現(xiàn)，當(dāng)學(xué)生面對形式多變、強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)應(yīng)用題時(shí)，對相關(guān)統(tǒng)計(jì)概念和原理的學(xué)習(xí)效果更好。[30]變式效應(yīng)的產(chǎn)生，顯然是關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷增加的結(jié)果。

三、認(rèn)知負(fù)荷理論的教學(xué)涵義

如前所述，早期的認(rèn)知負(fù)荷理論關(guān)注的是如何減少學(xué)生學(xué)習(xí)中的外在認(rèn)知負(fù)荷，但減少內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷的技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破后，它的重心就轉(zhuǎn)變?yōu)槿绾伟褜W(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)荷調(diào)整到合適水平，以便于學(xué)生合理地利用有限的認(rèn)知資源，達(dá)成最佳學(xué)習(xí)效果。根據(jù)已有的研究成果，我們可以把認(rèn)知負(fù)荷理論的教學(xué)涵義歸納如下：

（一）有效調(diào)控學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷

有效調(diào)控學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，就是要注意其內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷、外在認(rèn)知負(fù)荷和關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷三者之間的累加關(guān)系，使之不要在學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)認(rèn)知超負(fù)荷現(xiàn)象。根據(jù)三類認(rèn)知負(fù)荷的來源、屬性及相互關(guān)系，我們可以把這一任務(wù)分解為三個方面，亦即：減少內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷，減少外在認(rèn)知負(fù)荷，適度增加關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷。

杰耶茲等人指出，在某些學(xué)習(xí)情境中，學(xué)生所承載的外部認(rèn)知負(fù)荷與關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷難以截然分清。對教學(xué)設(shè)計(jì)者來說，最好是先關(guān)注內(nèi)在負(fù)荷的減少問題。在系列以樣例為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)中，他們把教學(xué)方式從傳統(tǒng)的關(guān)注問題類型和整體解答方法，改變?yōu)榘褑栴}解答方法分解成若干更小的可以分別傳授給學(xué)生的解答要素，從而減輕了學(xué)生的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷，改善了其學(xué)習(xí)效果。[31]萬·麥林波爾等進(jìn)一步指出，降低內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷有兩種技術(shù)：部分—整體任務(wù)法和整體—部分任務(wù)法。部分—整體法是指面對復(fù)雜學(xué)習(xí)任務(wù)時(shí)，分兩步進(jìn)行教學(xué)。第一步是將所有信息分解為部分，讓學(xué)生按序列進(jìn)行學(xué)習(xí)。在第二步，把所有的信息同時(shí)呈現(xiàn)，讓學(xué)習(xí)者同時(shí)加工。研究發(fā)現(xiàn)，這種方法對經(jīng)驗(yàn)不足的學(xué)生學(xué)習(xí)問題解決內(nèi)容很有成效。整體—部分法正好與部分—整體法相反。它在教學(xué)開始時(shí)先呈現(xiàn)高元素關(guān)聯(lián)性的材料，但是學(xué)習(xí)任務(wù)是讓學(xué)生關(guān)注元素的關(guān)聯(lián)性，對學(xué)習(xí)任務(wù)形成整體印象；接下來是通過解答樣例讓學(xué)生關(guān)注正確解決問題的每一步驟（解答樣例效應(yīng)），通過完成部分解答了問題習(xí)得相關(guān)知識技能（完成問題效應(yīng)）。研究者認(rèn)為，盡管這兩種效應(yīng)在早期用來降低外在認(rèn)知負(fù)荷，它們恰當(dāng)組合也可以降低內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷。[32]

根據(jù)斯威勒等人的觀點(diǎn)，減少外部認(rèn)知負(fù)荷，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注本文第二部分所講的前6種效應(yīng)。這包括：借助系統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計(jì)，有效利用自由目標(biāo)效應(yīng)、解答樣例效應(yīng)、完成問題效應(yīng)和通道效應(yīng)，避免同時(shí)呈現(xiàn)多種信息元素給學(xué)生的工作記憶帶來不必要負(fù)擔(dān)；在作業(yè)、試卷、教學(xué)課件中合理安排圖片、文本的位置，使之整合在一起，消解注意分離效應(yīng)；認(rèn)真篩選學(xué)習(xí)材料，精簡學(xué)習(xí)內(nèi)容，避免冗余效應(yīng)出現(xiàn)。[33]

認(rèn)知負(fù)荷理論者認(rèn)為，通過減少外在負(fù)荷來釋放認(rèn)知容量并非是有效教學(xué)的充分條件；在總體認(rèn)知負(fù)荷不超載的情況下，增加關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷更有助于學(xué)習(xí)和遷移。增加關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷可借助三種效應(yīng)：一是變式效應(yīng)，亦即變化問題情境，讓學(xué)習(xí)者在多種問題情境下練習(xí)問題的解答步驟；二是想象效應(yīng)，亦即隨著引導(dǎo)學(xué)生想象概念或問題解決步驟；三是自我解釋效應(yīng)（Self-explanation Effect），亦即引導(dǎo)學(xué)生對相互關(guān)聯(lián)的信息元素之間的關(guān)系做出自我解釋，以此來促進(jìn)其理解和學(xué)習(xí)。[34]

（二）適度采用真實(shí)學(xué)習(xí)情境和材料

在當(dāng)前流行的學(xué)習(xí)理論中，無論是建構(gòu)主義學(xué)習(xí)論還是情境學(xué)習(xí)論，都特別強(qiáng)調(diào)真實(shí)學(xué)習(xí)情境和材料的重要性。誠然，學(xué)習(xí)具有一定的情境性；利用真實(shí)材料，在真實(shí)情境中學(xué)習(xí)，有利于學(xué)生體驗(yàn)到學(xué)習(xí)與真實(shí)生活世界的關(guān)聯(lián)，有利于所學(xué)知識、技能向真實(shí)世界遷移。[35]但從認(rèn)知負(fù)荷理論角度看，真實(shí)材料和情境中隱含的豐富信息，對于有效學(xué)習(xí)所需的認(rèn)知加工并非都是必要的。過分強(qiáng)調(diào)情境的真實(shí)性，使太多不必要的信息摻雜在學(xué)習(xí)情境中，會導(dǎo)致學(xué)生不能將注意集中于與任務(wù)或圖式相關(guān)的信息上，增加其外在認(rèn)知負(fù)荷，損耗其可用于處理有效信息的認(rèn)知資源。研究發(fā)現(xiàn)，真實(shí)性的學(xué)習(xí)材料會在一定程度上干擾學(xué)生從中抽取深層原理；在豐富的情境中，學(xué)習(xí)者很少根據(jù)事物的抽象關(guān)系，而往往根據(jù)其表面屬性作出反應(yīng)，這會阻礙深層信息的提取，使抽象概念的理解和學(xué)習(xí)變得困難。[36]

（三）科學(xué)設(shè)計(jì)多媒體課件

認(rèn)知負(fù)荷理論者揭示的若干認(rèn)知負(fù)荷效應(yīng)，對教師設(shè)計(jì)多媒體課件也有重要指導(dǎo)意義。首先，根據(jù)通道效應(yīng)，應(yīng)盡可能均衡使用學(xué)生的視覺和聽覺通道。如果畫面和語詞材料都以視覺形式 （如動畫或文本）呈現(xiàn)，就會出現(xiàn)聽覺言語通道閑置而視覺表象通道負(fù)荷過重的情況。如果語詞以聽覺形式（如教師講解）呈現(xiàn)，視覺通道就可以只用來加工畫面，這樣就出現(xiàn)聽覺和視覺通道信息加工的平衡，實(shí)現(xiàn)工作記憶容量的充分利用。其次，根據(jù)注意分離效應(yīng)，設(shè)計(jì)多媒體課件時(shí)，應(yīng)盡量考慮文字和圖畫置放于同一張幻燈片上，避免二者分離帶來的注意分散；如果可能，最好把描述圖表的文字整合到圖表之中，減少學(xué)生因?qū)D表意義進(jìn)行不必要的猜測而帶來的額外認(rèn)知負(fù)荷。第三，根據(jù)冗余效應(yīng)，在多媒體課件中應(yīng)盡量少用有趣但無關(guān)學(xué)習(xí)的文字和畫面，以避免信息冗余而增加學(xué)生的外在認(rèn)知負(fù)荷。第四，由于工作記憶容量僅為7±2個單位，在每個頁面上呈現(xiàn)的內(nèi)容不宜過多，所列的內(nèi)容條目最好控制在9個以內(nèi)，以免這些信息元素同時(shí)加工超出學(xué)生的工作記憶容量。

（四）關(guān)注認(rèn)知負(fù)荷的相對性

認(rèn)知負(fù)荷理論者指出，減少外在認(rèn)知負(fù)荷，在一定程度有助于學(xué)習(xí)和問題解決，但這并非意味著要把學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的認(rèn)知負(fù)荷降低到最小程度。研究業(yè)已證實(shí)，在認(rèn)知負(fù)荷的兩極，無論是負(fù)荷過低還是過高，都會使學(xué)習(xí)成效降低。[37]因此，當(dāng)學(xué)習(xí)情境具有低信息加工需求時(shí)，通過挑戰(zhàn)學(xué)生、增加認(rèn)知負(fù)荷，可以提升學(xué)習(xí)的效果；當(dāng)學(xué)習(xí)情境具有極高的負(fù)荷要求時(shí)，應(yīng)把認(rèn)知負(fù)荷降低，使之達(dá)到更易于管理的水平。[38]另一方面，同樣的認(rèn)知任務(wù)對于不同學(xué)習(xí)者具有不同的認(rèn)知負(fù)荷含義。對一名新手來說，某種認(rèn)知負(fù)荷可能是關(guān)聯(lián)負(fù)荷；但是對專家來說，可能就是外在負(fù)荷；對于缺乏經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生來說有助于圖式建構(gòu)的信息，則可能阻礙高經(jīng)驗(yàn)水平學(xué)生的學(xué)習(xí)。因而在教學(xué)設(shè)計(jì)過程中，教師應(yīng)把學(xué)習(xí)者分析和學(xué)習(xí)任務(wù)分析整合起來，以適度信息數(shù)量向?qū)W生呈現(xiàn)知識。[39]

[1]Bruner,J.(1960).The process of education.Cambridge,Mass:Harvard University Press.P33

[2][20]Baddeley,A.(1992).Working memory.Science,255,556-559.

[3]Schneider,W.,&Shiffrin,R.M.(1977).Controlled and automatic human information processing.I.Detection,search,and attention.Psychological Review,84(1),1-66.

[4]Chi,M.,Glaser,R.,&Rees,E.(1982).Expertise in problem solving.In R.Sternberg(ed.),Advances in the Psychology of Human intelligence(pp.7-75.),Erlbaum,Hillsdale,NJ.

[5][10][12][14][15][18][33]Sweller,J., Merrienboer,J.,&Paas,F.(1998).Cognitive architecture and instructionaldesign.Educational Psychology Review,10(3),251-296.

[6]Sweller,J.&Chandler,P.(1994).Why some material is difficult to learn.Cognition and Instruction,12,185-233.

[7]Marcus,N.,Cooper,M.,&Sweller,J.(1996).Understanding instructions.Journal of Educational Psychology,88(1),49-63.

[8]Chandler,P.&Sweller,J.(1991).Cognitive load theory and the format of instruction.Cognition and Instruction,8(4),293-332.

[9][29]Renkl,A.,&Atkinson,R.K.(2003).Structuring the transition from example study to problem solving in cognitive skills acquisition:A cognitive load perspective.Educational Psychologist,38(1),15-22.

[11][13]Paas,F.,Renkl,A.&Sweller,J.(2003) Cognitive load theory and instructionaldesign:Recentdevelopments,Educational Psychologist,38(1),1-4.

[16]Mayer,R.&Moreno,R.(2003).Nine Ways to Reduce Cognitive Load in Multimedia Learning.Educational Psychologist,38（1),43-52.

[17]Sweller,J.& Chandler,P.(1991).Evidence for Cognitive Load Theory.Cognition and Instruction,8(4):351-362.

[19]van Merrienboer,J.J.G.(1990).Strategies for programming instruction in high school:program completion VS.program generation.Journal of Educational Computing Research,6(3),265-285.

[21][23]Mayer,R.E.(2005b).Principles for reducing extraneous processing in multimedia learning:Coherence,signaling,redundancy,spatial contiguity,and temporal contiguity principles.In R.E.Mayer(Ed.),The Cambridge handbook of multimedia learning(pp.183-200).Cambridge,MA:Cambridge University Press.

[22]Chandler,P.,&Sweller,J.(1992).The split-attention effect as a factor in the design of instruction.British Journal of Educational Psychology,62,233-246.

[24][25]Leahy,W.&Sweller,J.(2008).The imagination effect increases with an increased intrinsic cognitive load.Applied Cognitive Psychology,22,273-283.

[26]Blayney,P.,Kalyuga,S.,&Sweller,J.(2010).Interactions between the isolated-interactive elements effect and levels of learner expertise:Experimental evidence from an accountancy class.Instructional Science,38,277-287.

[27]Kalyuga,S.(2005).Prior knowledge principle.In R.E.Mayer(Ed.),Cambridge handbook of multimedia learning(pp.325-337).New York:Cambridge University Press.

[28]Slava,K.,Ayres,P.,Chandler,P.,&Sweller,J.(2003).The expertise reversal effect.Educational Psychologist,38(1),23-31.

[30]Quilici,J.L.,&Mayer,R.E.(1996).Role of examples in how students learn to categorize statistics word problems.Journal of Educational Psychology,88(1),144-161.

[31]Gerjets,P.,Scheiter,K.,&Catrambone,R.(2004).Designing instructional examples to reduce intrinsic cognitive load:Molar versus modular presentation of solution procedures.Instructional Science,32,33-58.

[34]Atkinson,R.K.,Renkl,A.,&Merrill,M.M.(2003).Transitioning from studying examples to solving problems:Effects of selfexplanation prompts and fading worked-out steps.Journal of Educational Psychology,95,774-783.

[35]Greeno,J.G.(1998).The situativity of knowing,learning,and research.American Psychologist,53(1),5-26.

[36]Deloache,J.S.(1995).Early understanding and use of symbols:The model model.Current Directions in Psychological Science,4(4),109-113.

[37]Teigen,K.H.(1994).Yerkes-Dodson:A law for all seasons,Theory and Psychology4:525-547.

[38]Wulf,G.,&Shea,C.H.(2002).Principles derived form the study of simple motor skills do not generalize to complex skill learning.Psychonomic Bulletin and Review,9,185-211.

*本研究得到上海市浦江人才項(xiàng)目、華東師范大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院理科基地項(xiàng)目資助。

龐維國/華東師范大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院

（責(zé)任編輯：張 斌）