數(shù)字化學習環(huán)境對認知負荷的影響分析

方文杰　張超超

摘要：認知負荷對學習效果有重要影響，適當?shù)恼J知負荷水平是保證數(shù)字化學習環(huán)境下有效學習的關(guān)鍵，對數(shù)字化環(huán)境下認知負荷影響因素的有效控制是在數(shù)字化環(huán)境下進行教學設(shè)計的重要依據(jù)。結(jié)合數(shù)字化環(huán)境的特征對認知負荷的影響分析，找出減輕認知負荷的策略。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：認知負荷；數(shù)字化學習環(huán)境；認知負擔

DOIDOI：10.11907/rjdk.143841

中圖分類號：G434

文獻標識碼：A文章編號

文章編號：16727800（2015）002019703

作者簡介作者簡介：方文杰（1987-），男，湖北黃梅人，浙江師范大學教師教育學院碩士研究生，研究方向為數(shù)字化學習資源與環(huán)境設(shè)計和開發(fā)；張超超（1990—）， 男，河南焦作人， 浙江師范大學教師教育學院碩士研究生，研究方向為現(xiàn)代遠程教育。

0引言

數(shù)字化學習環(huán)境具有與傳統(tǒng)學習環(huán)境完全不同的特征。數(shù)字化學習環(huán)境是基于計算機和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，具有多媒體呈現(xiàn)、虛擬化、超鏈接、運算速度快、海量資源等特征。在數(shù)字化學習環(huán)境下學習者要處理的信息量變得更大也更復雜。然而由認知負荷理論可知，信息加工的容量是有限的。分析數(shù)字化學習環(huán)境中影響認知負荷水平的因素，使學習者的認知負荷保持在適當水平，對促進學習者的學習具有積極意義。

1認知負荷理論

認知負荷理論有以下幾個觀點：①人的記憶包含工作記憶和長時記憶。工作記憶是信息加工的主要場所，但其容量有限，只能儲存7±2個信息單元。工作記憶保存信息的時間也很短，如果沒有進一步加工進入長時記憶，就會被遺忘。數(shù)字化學習環(huán)境下的學習要利用這一特性，使學習信息的容量不超過工作記憶加工的容量＼[1＼]；②長時記憶是信息儲存的主要場所，長時記憶的容量被認為是無限的。認知負荷理論認為，工作記憶在容量和時間上的限制是針對新信息而言的，長時記憶中組塊的加工不受這種限制＼[2＼]；③認知加工分兩類：控制加工和自動加工。控制加工是有意識的加工過程，加工速度慢，并且需要占用注意資源。自動加工則是快速、自動的加工過程，不需要占用注意資源；④長時記憶呈模塊化。在長時記憶中存在以圖式存儲的信息元素，圖式建構(gòu)可以將各元素組織成一個整體。圖式是知識表征的基本單位，在加工過程中僅算作一個單元＼[3＼]。

2認知負荷分類

根據(jù)影響認知負荷的基本因素，可以將個體的認知負荷分為內(nèi)在認知負荷（Intrinsic Cognitive Load）、外在認知負荷（Extraneous Cognitive Load）和關(guān)聯(lián)認知負荷（Germane Cognitive Load）共3類。

內(nèi)在認知負荷是學習內(nèi)容本身帶來的負荷，內(nèi)在認知負荷的高低取決于學習內(nèi)容的復雜程度和學習者已有經(jīng)驗水平。學習內(nèi)容越復雜，工作記憶需要處理的信息單元就越多。如果學習者的已有經(jīng)驗能夠?qū)Σ糠謨?nèi)容形成自動加工，那么這部分內(nèi)容就被視作一個信息單元，這也有利于降低內(nèi)在認知負荷。但是內(nèi)在認知負荷學習內(nèi)容反映了工作記憶中加工的信息元素的量，而學習者的已有學習經(jīng)驗也相對穩(wěn)固，因此在既定學習條件下內(nèi)在認知負荷較難改變＼[4＼]。

外在認知負荷是指由教學設(shè)計方式所帶來的認知負荷。這種負荷干擾圖式的獲得和自動化是不必要的，因此被稱為無效認知負荷。外在認知負荷主要由兩方面引起：①學習材料的呈現(xiàn)方式引起工作記憶偏離形成圖式；②教學活動設(shè)計不合理導致工作記憶產(chǎn)生不必要的認知。例如，不恰當?shù)奶釂柨赡苁箤W習者偏離當前學習主題。由于學習材料的呈現(xiàn)方式和教學活動設(shè)計都能夠改變，因此外在認知負荷可以控制。降低外在認知負荷是認知負荷理論應用的一個重要方面＼[5＼]。

關(guān)聯(lián)認知負荷是指在內(nèi)在認知負荷較低、學習者還有足夠認知資源的情況下，其在圖式建構(gòu)和自動化過程中意欲投入的認知資源的數(shù)量。關(guān)聯(lián)認知負荷并非必需，但其有利于圖式建構(gòu)，與學習者的認知努力有關(guān)。關(guān)聯(lián)認知負荷也與教學設(shè)計有關(guān)，良好的教學設(shè)計能夠增加學習者的關(guān)聯(lián)認知負荷，使其投入更多認知資源進行深層次的圖式建構(gòu)，從而提升學習質(zhì)量＼[6＼]。

3三種認知負荷的關(guān)系

認知負荷理論認為上述3種認知負荷可以累加，累加總和不應超出工作記憶的容量限度，否則就會使學習陷入困難。內(nèi)在認知負荷取決于學習材料的性質(zhì)和學習者的原有知識水平，因此內(nèi)在認知負荷相對固定。認知負荷調(diào)控學習的重點應放在降低外在認知負荷或增加關(guān)聯(lián)認知負荷上。外在認知負荷是一種無效負荷，應盡可能地降低。在內(nèi)在認知負荷和外在認知負荷總和沒有超過工作記憶容量，還有認知資源剩余的情況下可以增加關(guān)聯(lián)認知負荷來促進學習＼[5＼]。

4數(shù)字化學習環(huán)境對認知負荷的影響

4.1計算機存儲功能對認知負荷的影響

計算機存儲功能對認知負荷的影響主要表現(xiàn)如下：

（1）用電子筆記本等工具幫助記憶。認知負荷理論認為，工作記憶是信息加工的主要場所，但其容量有限，并且保存信息的時間也很短，如果沒有進一步加工進入長時記憶就會被遺忘?，F(xiàn)代計算機的信息加工過程與人腦的信息加工過程非常類似，但計算機擁有海量的存儲空間。計算機的海量存儲空間可以起到“外在長時記憶”的效果。通過電子筆記本等工具可以很方便地保存學習者的想法或感興趣的資料，把這些內(nèi)容放在“外在長時記憶”里，需要時找到它們即可調(diào)用。這樣擴張了長時記憶，減輕了工作記憶的壓力，同時可以將存儲的知識可視化，使學習者專注于高級認知活動。

（2）利用“知識地圖”減輕信息提取的負擔。計算機的海量存儲為幫助學習者記憶信息帶來了巨大空間，但在存儲的海量信息中尋找所需信息卻并不容易。因此，可以發(fā)揮計算機的記憶優(yōu)勢，將有關(guān)知識路徑的記憶工作轉(zhuǎn)移到計算機上，以此減輕尋找所需信息帶來的認知負荷?？蓸?gòu)建“知識地圖”，將相關(guān)資源以結(jié)構(gòu)化的形式組織起來，通過“知識地圖”可以呈現(xiàn)出所有資源的概貌，體現(xiàn)出層級結(jié)構(gòu)和各層次之間的關(guān)系?！爸R地圖”可以幫助學習者快速找到所需資源的路徑，減輕外在認知負荷＼[7＼]。

4.2計算機運算能力對認知負荷的影響

計算機運算能力對認知負荷的影響主要表現(xiàn)如下：

（1）用計算器、編程等工具幫助解決計算問題。計算機雖然只能識別簡單的二進制0和1，但是現(xiàn)代計算機的運算速度已經(jīng)快到驚人。通過0與1的組合及強大的運算能力，計算機對于很多通過計算完成的任務可瞬間得出結(jié)果。例如在數(shù)學計算中只需要掌握計算的算法，而將具體的數(shù)據(jù)運算交由計算機來完成，能夠節(jié)省寶貴的認知資源，使學習者有更多精力去完成機器無法替代的復雜認知活動。

（2）用排序、搜索功能快速查找信息。對數(shù)字化信息的操作能產(chǎn)生許多被記錄的屬性信息，例如新建一個文件，計算機會自動記錄其創(chuàng)建時間、大小、類別等屬性。通過計算機的強大運算能力，可以對這些信息進行排序、篩選，從而幫助學習者快速找到符合要求的信息。數(shù)字化信息都遵循一定的標準，可以被計算機識別、運算，結(jié)合計算機的運算能力，產(chǎn)生了數(shù)字化環(huán)境下的搜索功能，這些都是傳統(tǒng)紙質(zhì)材料無法做到的。排序、搜索等功能有助于學習者快速找到所需信息，避免在查找信息上消耗過多的認知資源。

4.3計算機呈現(xiàn)方式對認知負荷的影響

計算機呈現(xiàn)方式對認知負荷的影響主要表現(xiàn)如下：

（1）綜合利用多種呈現(xiàn)方式。雙重編碼理論認為，人的認知系統(tǒng)分為處理語言對象的子系統(tǒng)和處理非語言對象的子系統(tǒng)。如果只使用一種呈現(xiàn)方式，可能只用到部分工作記憶，使其它一些有效工作記憶處于空閑狀態(tài)。而綜合利用多種呈現(xiàn)方式，可以增加工作記憶的使用量，提高學習效果。例如在講解汽車構(gòu)造時，一種只以文本方式呈現(xiàn)相關(guān)內(nèi)容，另一種則以文本加相應圖片的方式呈現(xiàn)。這兩種呈現(xiàn)方式中，很顯然后一種呈現(xiàn)方式效果更好＼[8＼]。

（2）呈現(xiàn)信息應避免信息冗余。工作記憶的容量僅為7±2個信息單元，超過這個數(shù)量就可能導致學習困難。每個學習單元不應呈現(xiàn)過多內(nèi)容，一些有趣但與學習內(nèi)容無關(guān)的內(nèi)容應盡量避免。學習中呈現(xiàn)過多冗余信息會使學習者將這些信息同時進行加工，增加外在認知負荷。在呈現(xiàn)學習內(nèi)容時，如果發(fā)現(xiàn)某些信息是冗余的，應盡量去除掉，避免增加學習者的負擔＼[9＼]。

4.4計算機網(wǎng)絡(luò)化對認知負荷的影響

計算機網(wǎng)絡(luò)化對認知負荷的影響主要表現(xiàn)如下：

（1）信息的豐富性可能消耗有限的注意力。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中學習者可以獲得幾乎無限的信息量，但是人的認知資源卻十分有限。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，學習者自主性更大，教師缺乏傳統(tǒng)環(huán)境中的那種約束力，學習者經(jīng)常會遇到自己感興趣但與學習主題無關(guān)的內(nèi)容，使得為學習付出努力的方向發(fā)生偏移，有限的認知資源被與學習主題無關(guān)的內(nèi)容占用，從而增加了認知負荷＼[10＼]。激發(fā)學習動機可以使學習者將有限的注意力資源集中到學習主題中來，使學習者愿意為學習付出更多努力。學習動機激發(fā)策略可以通過將學習內(nèi)容與學習者的生活實際相結(jié)合，以及建立合理的獎勵機制來給予外部獎勵來實現(xiàn)。

（2）網(wǎng)絡(luò)的開放性有助于構(gòu)建學習共同體。網(wǎng)絡(luò)的開放性為學習者在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的交流與共享提供了很好的平臺，學習者通過構(gòu)建學習共同體能夠增進交流，從中獲得啟發(fā)和靈感。共同體中成員的相互交流可以起到幫助同伴減輕外在認知負荷的效果，同時，成員在交流中可以獲得思考問題的不同視角，拓展解決問題的思路。這能夠在一定程度上提高關(guān)聯(lián)認知負荷，在總體認知負荷不超過工作記憶容量的前提下提高學習效果。共同體內(nèi)的交流可以促進學習者的反思，幫助學習者進行元認知，減輕認知負荷。

5結(jié)語

數(shù)字化學習環(huán)境下的一些特征對認知負荷的影響非常明顯。計算機的信息加工過程與人腦信息加工相似，同時具有海量存儲和超強的運算能力，在輔助學習者學習，減輕認知負荷方面有諸多可取之處。但數(shù)字化學習環(huán)境下的認知負荷問題也很突出，如信息量巨大、超鏈接顯示方式等都可能加重學習者的認知負擔。只有了解數(shù)字化學習環(huán)境對認知負荷的影響，才能揚長避短，更好地發(fā)揮數(shù)字化學習環(huán)境的優(yōu)勢，提高數(shù)字化學習環(huán)境下的學習效果。

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責任編輯（責任編輯：孫娟）