應對認知負荷，優(yōu)化教學效能

陸琦

象棋大師在下第一步棋時已在腦中布下了“天羅地網”，鋼琴八級在擊第一個音時也已在心中譜演了“蕩氣回腸”。專家與新手在操作經驗上的這種差異是如何形成的呢？澳大利亞新南威爾士大學教授、國際著名學習科學家約翰·斯維勒（John Sweller）在認知負荷方面的研究，給出了一些重要的答案。

認知系統(tǒng)加工的知識形態(tài)

學者吉爾里將進入認知系統(tǒng)加工的知識可以分為生物初級知識與生物高級知識兩種類型。前者如傾聽、說話等，是人們自然而然就能掌握的，由于不涉及意識的主動參與，因而并不需要刻意學習;后者則需要人們有意識地、付出相當程度的努力去學習，并且往往還需要接受明確具體的教學指導。這兩種知識在作用上也存在重要的區(qū)別。一般來說，初級知識往往由通用類的認知技能所組成，這類技能可適用于各種不相關的領域，既是各種情境下現成的“萬金油”，也是解決特定的或復雜問題的基石;高級知識則通常指向特定領域的專業(yè)技能，如前面提到的象棋大師、鋼琴八級，這些專家擁有的“未雨綢繆”的能力便是來自他們所掌握的關于特定領域的專業(yè)知識。這種知識并不能輕易掌握，它需要人們主動參與學習，主動進行認知加工，因而大腦在處理這類知識時存在著一套獨特的認知系統(tǒng)加工模式。不過，雖然高級知識與專業(yè)技能在性質上并不屬于通用認知類，但其中的部分知識與技能也具有相當的普遍性。閱讀就是這樣的一種具有通用領域性質的高級技能。人們在學齡前就已經能說話和傾聽，但只有到了學校，接受了教育，才能學會如何閱文、如何讀書。換句話說，這類技能雖然具有普遍性（通用性），但要掌握這項技能依舊需要付出主動學習，也即必然會經歷認知系統(tǒng)的信息加工流程。由此可見，某項知識或技能的習得是否需要認知參與，不是由該知識或技能的作用（通用、特殊）決定的，而是由其本身的性質（初級、高級）所決定的。

認知系統(tǒng)加工的工作特征

斯維勒等學者認為，人類認知與物競天擇的自然選擇過程有些類似，既不是所有的信息都會被大腦選中，也不是所有的信息都會被大腦保存。那么，學習到底是怎樣發(fā)生的呢？根據梅耶等學者的觀點，學習發(fā)生于學習者對新信息進行適當認知加工的過程。學習的發(fā)生包含了三種記憶存貯類型。感覺記憶能在短時間內記錄大量的信息，但維持時間很短，如若不主動引導信息進入下一步加工，非常容易遺漏;工作記憶是意識加工信息的主戰(zhàn)場，但其加工容量與維持時間也比較有限，即一次性只能主動加工少量（2?3條）從感覺記憶中登記下來的信息;長時記憶是信息的永久入駐地，只要工作記憶中加工的信息能得到長時記憶的整合，便能永久存貯在長時記憶中，其容量也不受限制。

從這個角度來說，既然感覺記憶與長時記憶都能“無限”收納信息，那么真正讓“術業(yè)有專攻”的原因在于工作記憶上的能力差異，而工作記憶上的差異又是由長時記憶中存貯的知識量的不同所引起的。相較于新手，專家在長時記憶中已存貯了大量關于特定領域的高級知識，因而同樣在工作記憶加工能力受限的情況下，專家能更快地拆解、重組信息，并高效地將之與長時記憶中的已有知識進行匹配整合，所以所謂的專家與新手之間的經驗差，一方面指的是長時記憶中存貯信息量的差，另一方面則指的是工作記憶處理信息的能力效率差。既然工作記憶的加工能力是有限的，專家與新手在工作記憶處理信息時在效率上有顯著的差異，那么兩者在工作記憶工作時所感受到的負擔程度也是不一樣的。斯維勒等學者將工作記憶所產生的認知負荷區(qū)分成了三種類型：內在認知負荷、相關認知負荷與外在認知負荷。內在認知負荷與學習任務的復雜性和學習者自身的學習水平有關;相關認知負荷指的是促進學習者從長時記憶中提取信息與從外部接收到的新信息進行整合、建構圖式時所產生的負荷;而外在認知負荷則是超越內在負荷的額外負荷，主要由設計不良的、與學習目標達成無關的教學程序所引起。這三種類型的認知負荷是相互疊加的，即要想讓學習者進行有效學習，就應盡可能地讓總的認知負荷水平不超出學習者個體所能承受的負荷量，而教學設計的用武之地也正在于此。

認知負荷與教學設計

既然工作記憶的加工能力很有限，那么短時間內大量呈現信息就很有可能使學習者的工作記憶超負荷。因為想要將外部環(huán)境中的信息存貯到長時記憶中必然要受到工作記憶容量和維持時間的限制，而從長時記憶中提取已存貯的信息時卻并不會受到工作記憶的限制。因此，基于工作記憶的加工過程與產生的負荷類型，在設計教學時應重點考慮如何妥善調控不同類型的認知負荷，并使總負荷水平實現優(yōu)化，即既要避免超負荷，也要避免負荷過輕。

設計優(yōu)良教學，減少外在負荷。根據近年來學界對認知負荷做出的各項實證研究，不良的教學程序可能會包含冗雜且不相關的信息，由于學習者需要在工作記憶中同時加工這些信息，這些冗雜且不相關的信息就會加重學習者承擔外在的認知負荷，因而縮減教學程序中的信息數量是減少外在認知負荷的有效手段之一。“樣例效應”便是這種認知負荷效應的典型應用，即相較于自己解決同等程度的問題，從樣例中學習能取得更好的學習效果。未知的問題可能會包含大量未知的信息，由于不能預估工作記憶需要處理的信息量，因而對工作記憶帶來的負擔也無法估量。與之相反，成熟的樣例會提供現成的問題解決信息與策略，工作記憶就不需要同時處理大量新信息，從而減少了認知負荷量。

增加元素互動，調控內在（相關）負荷。除了盡可能地想辦法減少外在認知負荷，內在認知負荷的作用也是教學設計中不容忽視的。內在認知負荷的產生主要取決于學習材料的性質與學習者的專業(yè)知識之間的交互影響。教學設計雖不能直接對其產生影響，但依舊存在一些效應可以增加學習者的內在認知負荷，從而促進學習者的學習，如“變式度效應”。這一效應指的是如果學習材料（樣例）的變式度（信息交互性高）提升，學習者不僅能學習解決某一類的問題，還能學習如何拓展應用至其他的問題類型。這里其實涉及兩種負荷類型——內在負荷與相關負荷。相關負荷是在促進圖式建構的過程中產生的，它會通過對工作記憶增加元素互動性而增加內在負荷。當學習者的內在負荷水平提高，那么學習者便會有充分的工作記憶資源來處理新增的信息元素;反過來說，這一效應能發(fā)揮作用的前提也在于學習材料沒有信息的冗余，能為學習者騰出充分的記憶資源。如果對學習者來說，信息已經帶來了認知加工上的負荷，那就有必要在工作記憶處理這些信息前就剔除部分信息元素以提升學習效率。

關注學習成長，調節(jié)從扶到放。值得注意的是，認知負荷效應的效果還與學習者本身的知識水平有關。如上所述的“樣例效應”就只對新手學習者有顯著效果，隨著學習者逐步積累知識，成長為專家學習者時，再繼續(xù)使用樣例就可能會阻礙他們的學習，這便是“專長翻轉效應”。它指的是當學習者自身的專業(yè)知識增加時，教學程序的設計優(yōu)勢就不再顯要。對于新手學習者來說，大量的信息涌入認知系統(tǒng)之所以會讓他們覺得吃力，是因為他們會傾向于將信息視為一個個獨立的元素，因而會給工作記憶帶來過重的負荷;而對專家學習者來說，他們對信息的判斷更為理性，且長時記憶中的已有積累也能為信息的組織提供更多有理有據的方法或模式，因而信息的整合并不會給工作記憶帶來太大的負荷。由此可見，對于新手來說，如果教學程序本身是設計得當的，那么一開始有可能會給他們帶來工作負荷的便是內在認知負荷，給新手學習者呈現的學習材料越是復雜，他們越難以厘清材料中交互的信息元素，就越會加重這一負荷，那么即使外在負荷被調控在一個很低的水平，總負荷也可能會超出學習者自身所能承受的范圍。從這個角度來說，在學習者進行學習的整個過程中要注意教學指導的提供方式。在學習者剛開始學習時，為學習者提供部分教學指導（樣例學習、模擬問題、補全問題）等，有助于降低學習者對不熟的信息進行加工的認知負荷（內在負荷），這便是為學習者搭建“腳手架”的過程。但是，不可避免的，這種支持也常常會使得學習任務缺乏真實性。所以，隨著學習者專業(yè)知識的增加就應該逐步減少輔助量，撤除“腳手架”。對于逐漸成長起來的學習者來說，他們對復雜學習材料的處理不再像新手那樣“手忙腳亂”，即對學習材料中元素交互性的感知水平已經下降，所以這時候學習者的內在認知負荷便不會過度拔高。從一個完整且有序的教學過程來說，學習者就有可能從示范樣例開始，中間加入情境模擬（問題），最后則以解決新問題結束?！澳_手架”從扶到放的這一過程也是學習者逐步豐富圖式建構，隨之擺脫外界幫助而最終完成學習任務的過程，這對于學習者掌握特定領域的專業(yè)知識與技能具有重要意義。

總的來說，認知負荷理論的相關研究為教學設計開啟了新的思路，通過教學設計來減少外在認知負荷或調控內在（相關）認知負荷，同時關注教學過程中學習者自身的成長。從這個角度來說，更好地認識人類認知系統(tǒng)的結構尤其是工作記憶的作用與局限性，可幫助我們更深地理解學習的發(fā)生過程，明了認知負荷與教學設計之間的重要聯系。