認(rèn)知架構(gòu)與教學(xué)設(shè)計20年(下)

約翰·斯維勒　杰倫·范梅里恩伯爾　弗雷德·帕斯　李爽　盛群力

摘 要：20世紀(jì)80年代，認(rèn)知負(fù)荷理論作為一種教學(xué)設(shè)計理論被引入我國，它是基于人類認(rèn)知架構(gòu)中幾個無爭議的方面建立的。我們對工作記憶、長時記憶及它們之間關(guān)系的許多特征的認(rèn)識，在引入該理論之前的幾十年里已經(jīng)建立完備。奇怪的是，這些知識對教學(xué)設(shè)計領(lǐng)域的影響有限，大多數(shù)教學(xué)設(shè)計建議的措施就好像工作記憶和長時記憶不存在一樣。與此相反，認(rèn)知負(fù)荷理論強調(diào)，所有的新信息首先被容量和時間有限的工作記憶所處理，然后儲存在無限的長時記憶中供以后使用。一旦信息被儲存在長時記憶中，工作記憶的容量和持續(xù)時間限制就會消失，從而改變我們的認(rèn)知能力。到20世紀(jì)90年代末，使用該理論收集到的數(shù)據(jù)已經(jīng)足夠多，因此，斯維勒等發(fā)表了一份擴展分析報告。自那以后，人們進(jìn)行了大量的理論和實證研究，本文試圖總結(jié)過去20年的認(rèn)知負(fù)荷理論，并勾勒出未來研究的方向。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知負(fù)荷理論；理論發(fā)展；教學(xué)進(jìn)步

中圖分類號：G4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：2096-0069（2023）01-0085-08

（三）1998年后的教學(xué)效應(yīng)

本節(jié)將介紹1998年至2018年間研究和報道的最重要的認(rèn)知負(fù)荷效應(yīng)。同時，我們將在本節(jié)開始討論“元素交互性效應(yīng)”，這個效應(yīng)在1998年之前就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)了，但在1998年的文章中沒有作為認(rèn)知負(fù)荷效應(yīng)提出。之前沒有列出元素交互性效應(yīng)的原因是，它不是一個簡單的效應(yīng)，而是一個所謂的復(fù)合效應(yīng)，即改變了其他認(rèn)知負(fù)荷效應(yīng)特征的效應(yīng)。在1998年的文章中，只報道了簡單效應(yīng)。復(fù)合效應(yīng)經(jīng)常表明其他認(rèn)知負(fù)荷效應(yīng)的局限性。下面討論的八個新效應(yīng)中的四個（不包括元素互動性效應(yīng)）也被歸類為復(fù)合效應(yīng)，并被首先予以討論。這可以看作是理論成熟的表現(xiàn)，因為這樣的理論不僅包括簡單效應(yīng)，還包括限制簡單效應(yīng)范圍的高階效應(yīng)。

1.元素交互效應(yīng)

元素交互效應(yīng)（element interactivity effect）在1998年就已經(jīng)為人所知，但作為一種復(fù)合效應(yīng)，它并沒有被歸為認(rèn)知負(fù)荷效應(yīng)。當(dāng)使用高元素互動性信息所獲得的效應(yīng)消失或使用低元素互動性材料所獲得的效應(yīng)逆轉(zhuǎn)時，就會發(fā)生這種情況。元素互動性可以通過改變專業(yè)技能水平來改變，比如在展示專長逆轉(zhuǎn)效應(yīng)時（見下面的描述），或者可以通過改變材料來包含更高或更低的元素互動性水平。陳（Chen）等的著作中可以找到由于改變學(xué)習(xí)者必須處理的信息中從高到低的元素互動性而改變教學(xué)優(yōu)勢的例子。他們使用高元素交互性的數(shù)學(xué)材料獲得了傳統(tǒng)的工作樣例效果，在這些材料中，學(xué)生必須學(xué)會解決問題。相比之下，學(xué)生必須學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)定義的低元素互動性材料則產(chǎn)生了反向的工作樣例效應(yīng)，要求做出適當(dāng)反應(yīng)的學(xué)生比得到正確反應(yīng)的學(xué)生學(xué)得更多。

2.專長逆轉(zhuǎn)效應(yīng)

專長逆轉(zhuǎn)效應(yīng)（expertise reversal effect）在本質(zhì)上是更普遍的元素互動性效應(yīng)的變種。1998年以前的認(rèn)知負(fù)荷效應(yīng)可以通過新手學(xué)習(xí)者處理高元素互動性信息來獲得。隨著專業(yè)知識的增加，由于環(huán)境賦能原則，元素互動性會下降。隨著專業(yè)知識的增加，由多個元素組成的概念和程序可以作為一個單一的元素儲存在長時記憶中，并被轉(zhuǎn)移到工作記憶中，以便在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境中使用。為新手設(shè)計的處理多個相互影響的元素的教學(xué)程序，隨著專業(yè)知識的增加，相互影響的元素被嵌入長時記憶的知識結(jié)構(gòu)中，可能會產(chǎn)生反作用。因此，隨著專業(yè)知識的增加，上述效應(yīng)先是減少，然后消失，并最終可能逆轉(zhuǎn)。例如，工作樣例對新手有利。隨著知識的增加，解決問題的實踐變得越來越重要，而不是產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)。

3.指導(dǎo)消退效應(yīng)

指導(dǎo)消退效應(yīng)（guidance-fading effect）是另一種復(fù)合效應(yīng)，它與元素交互效應(yīng)和專長逆轉(zhuǎn)效應(yīng)密切相關(guān)，而且冗余效應(yīng)也是其核心。對于新手來說，額外的信息或特定的活動，如研習(xí)工作樣例，可能是必不可少的，但隨著專業(yè)知識的增加，這些同樣的活動可能會變得多余，并帶來不必要的認(rèn)知負(fù)擔(dān)。過了某個階段，研習(xí)工作樣例可能會產(chǎn)生反作用，它們應(yīng)該被淡化，被問題取代。這個一般原則對持續(xù)時間較長的教育項目特別重要，因為在這些項目中，學(xué)習(xí)者會逐漸獲得更多的專業(yè)知識。例如，針對一年級學(xué)生的教學(xué)方法需要與針對三年級學(xué)生的教學(xué)方法不同，因為三年級學(xué)生對該領(lǐng)域有更多的知識。元素交互效應(yīng)與低元素交互性和高元素交互性材料有關(guān)，專長逆轉(zhuǎn)效應(yīng)與低專業(yè)知識學(xué)習(xí)者和高專業(yè)知識學(xué)習(xí)者相關(guān)，而指導(dǎo)消退效應(yīng)則適用于較長教育項目的開始階段和結(jié)束階段。指導(dǎo)消退效應(yīng)的先驅(qū)是補全策略，即教育項目從提供工作樣例開始，然后是補全問題，學(xué)習(xí)者必須完成解決方案中越來越重要的部分，最后是常規(guī)問題。倫克爾（Renkl）、阿特金森（Atkinson）以及范梅里恩伯爾（Van Merri?nboer）和基爾希納（Kirschner）等人的著作討論了指導(dǎo)消退效應(yīng)的其他例子。

4.瞬態(tài)信息效應(yīng)

瞬態(tài)信息效應(yīng)（transient information effect）是指呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者但幾秒鐘后就消失的信息效應(yīng)，例如，在口語文本或教學(xué)視頻或動畫中對于非瞬態(tài)信息（如帶有圖片的書面文字），所有的信息都可以在同一時間提供給學(xué)習(xí)者，并且可以在需要的時候重新訪問；對于瞬態(tài)信息，學(xué)習(xí)者可能需要在工作記憶中主動保留信息以便以后處理，這就增加了外部認(rèn)知負(fù)荷，從而減少了學(xué)習(xí)興趣。為了克服這些負(fù)面影響，有一些補償策略可用，如自我配速或分段。梅耶（Mayer）和錢德勒（Chandler）報告了自定配速的效果，他們發(fā)現(xiàn)讓學(xué)習(xí)者控制教學(xué)動畫的節(jié)奏是有益的，可能是因為這有助于他們處理這些信息的瞬時性。斯潘杰斯（Spanjers）報告了分段效應(yīng)，他們發(fā)現(xiàn)對于新手學(xué)習(xí)者來說，分段的動畫（即分段的部分，中間有停頓）比連續(xù)的動畫更有效率，但對于具有較高先驗知識水平的學(xué)習(xí)者來說則不然。萊西（Leahy）和斯維勒（Sweller）報告了瞬態(tài)信息與通道效應(yīng)的交互作用：較短的視聽信息比單純的視覺信息更有效（即傳統(tǒng)的通道效應(yīng)），但較長的視聽信息不如視覺信息有效，這僅僅是因為較長的聽覺信息中有豐富的瞬態(tài)信息。

5.自我管理效應(yīng)

最新的效應(yīng)之一是自我管理效應(yīng)（self-management effect），它基于這樣一個假設(shè)，即可以教會學(xué)生自己應(yīng)用認(rèn)知負(fù)荷原則來管理自己的認(rèn)知負(fù)荷。理想情況下，學(xué)生只能接觸到在設(shè)計時考慮到認(rèn)知負(fù)荷的材料。然而，在現(xiàn)實中，互聯(lián)網(wǎng)使任何人都可以創(chuàng)建和共享信息，這使得學(xué)生更有可能面臨沒有考慮認(rèn)知負(fù)荷的低質(zhì)量學(xué)習(xí)材料?？梢约僭O(shè)，與那些只接觸基于認(rèn)知負(fù)荷原則的一致、結(jié)構(gòu)良好的學(xué)習(xí)材料的教育體系的學(xué)生相比，那些被教導(dǎo)自己應(yīng)用認(rèn)知負(fù)荷原則來管理自己的認(rèn)知負(fù)荷（認(rèn)知負(fù)荷的自我管理）的學(xué)生更有能力處理這些設(shè)計糟糕的材料。

到目前為止，自我管理效應(yīng)只被用于研究分散注意力的學(xué)習(xí)材料。通常情況下，自我管理效應(yīng)的研究會比較3個實驗條件，并由兩個階段組成。第一階段，兩個實驗條件下的學(xué)生以注意力分散的形式學(xué)習(xí)多媒體學(xué)習(xí)材料。在自我管理條件下，學(xué)生被指導(dǎo)如何自我管理認(rèn)知負(fù)荷，例如，通過重新組織文本和圖示。在第3個實驗條件即物理整合條件下，學(xué)生以指導(dǎo)性的物理整合形式學(xué)習(xí)相同的材料。第二階段，3個條件下的學(xué)生在另一個領(lǐng)域中呈現(xiàn)相同的注意力分散的學(xué)習(xí)材料，證明自我管理效應(yīng)的最重要發(fā)現(xiàn)體現(xiàn)在自我管理條件下的學(xué)生在回憶和遷移測試中的表現(xiàn)優(yōu)異。

6.自我解釋效應(yīng)

自我解釋效應(yīng)（self-explanation effect）是獨立于認(rèn)知負(fù)荷理論而被證明的，但可以由該理論來解釋。它源于工作樣例效應(yīng)，在認(rèn)知負(fù)荷理論的背景下，由倫克爾等首次描述。如上所述，學(xué)習(xí)者并不總是傾向于仔細(xì)研習(xí)工作樣例，他們可能只是在嘗試解決常規(guī)問題之前簡單地掃視一下。在這種情況下，工作樣例不會對學(xué)習(xí)產(chǎn)生積極影響。練習(xí)的變異性可能會幫助學(xué)習(xí)者更深入地處理例子，因為變異性會刺激他們比較不同的例子。但是，這只有在呈現(xiàn)一個以上的例子，并且總的負(fù)荷（由于相關(guān)的處理而增加）保持在工作記憶的容量限制之內(nèi)時，才會起作用。另外，當(dāng)只有一個例子時，我們可以向?qū)W習(xí)者提供自我解釋的提示，以引導(dǎo)做出學(xué)習(xí)者的復(fù)雜的自我解釋。一些研究表明，只要總認(rèn)知負(fù)荷不超載，工作樣例與自我解釋提示相結(jié)合，會優(yōu)于沒有自我解釋提示的工作樣例。

7.想象演練效應(yīng)

一段時間以來我們都知道，當(dāng)學(xué)習(xí)者被要求在腦海中演練一項動作任務(wù)時，學(xué)習(xí)就會得到改善。此外，改善的程度取決于動作任務(wù)具有認(rèn)知成分的程度。這些發(fā)現(xiàn)提供了想象演練效應(yīng)（imagination effect）的最初來源，當(dāng)學(xué)習(xí)者被要求想象或在頭腦中演練一個概念或過程時，會比被要求學(xué)習(xí)同等的教學(xué)材料時學(xué)到更多。例如，學(xué)習(xí)者可能會被要求學(xué)習(xí)一個已完成的例子中解決問題的動作，而不是轉(zhuǎn)過身去想象那些動作。許多這樣的實驗都是在認(rèn)知負(fù)荷理論框架下進(jìn)行的。為了產(chǎn)生想象演練效果，學(xué)習(xí)者必須能夠想象出相關(guān)的概念或程序。他們必須能夠處理工作記憶中的信息。由于在處理新信息時工作內(nèi)存的限制，給定領(lǐng)域的新手可能無法充分處理高元素交互活性信息。對于這樣的學(xué)習(xí)者來說，想象演練可能是困難的，甚至是不可能的。因此，與想象演練相同的信息相比，研究信息會導(dǎo)致增強學(xué)習(xí)效果。隨著知識的增加，工作記憶的極限擴大，想象材料變得越來越可行，因為它可以更容易地在工作記憶中處理。一旦信息可以充分想象，想象指導(dǎo)便會優(yōu)于學(xué)習(xí)指導(dǎo)。在那之前，學(xué)習(xí)指導(dǎo)優(yōu)于想象指導(dǎo)。

8.孤立元素效應(yīng)

孤立元素效應(yīng)（isolated elements effect）主要涉及這樣一種情況：在處理新的信息時，一些非常高的元素互動性信息大大超過了工作記憶的限制，因此不能在工作記憶中處理。既然這種復(fù)雜的信息可以被習(xí)得，那么就提出了使用哪些過程的問題。波洛克（Pollock）等假設(shè)，也許單個元素首先被習(xí)得，而沒有習(xí)得它們之間的相互作用。一旦單個元素被儲存在長時記憶中，隨后通過學(xué)習(xí)它們之間的相互作用來整合這些元素可能是可行的。如果是這樣的話，只向?qū)W習(xí)者呈現(xiàn)單個元素，然后再呈現(xiàn)包括單個元素和它們之間的相互作用的所有信息的順序，將優(yōu)于呈現(xiàn)所有信息兩次。他們的研究結(jié)果支持這一假設(shè)。由于工作記憶負(fù)擔(dān)過重，兩次呈現(xiàn)所有信息的學(xué)習(xí)者都無法正確處理這些信息。相比之下，只呈現(xiàn)孤立元素的學(xué)習(xí)者可以輕松地處理它們，并將它們儲存在長時記憶中。當(dāng)隨后呈現(xiàn)完全整合的信息時，他們只需要學(xué)習(xí)如何整合單個元素，因此更容易吸收整個高元素互動性的信息。從簡單到復(fù)雜的排序也提供了類似的效果，學(xué)習(xí)者首先練習(xí)簡單的、低元素互動性的任務(wù)版本，然后才是越來越復(fù)雜的任務(wù)版本。

9.集體工作記憶效應(yīng)

集體工作記憶效應(yīng)（collective working memory effect）最早是由基爾希納（Kirschner）等人描述的。他們認(rèn)為協(xié)作學(xué)習(xí)者可以被視為一個由多個有限的工作記憶組成的單一信息處理系統(tǒng)，可以創(chuàng)造一個更大、更有效的集體工作空間。在協(xié)作學(xué)習(xí)中，不需要所有的小組成員都擁有所有必要的知識，也不需要單獨處理所有可用的信息，同時，當(dāng)面對自己的知識缺口時，他們可以利用小組其他成員提供的知識填補這個缺口（借用）。只要小組成員之間有溝通和協(xié)調(diào)，任務(wù)中的信息元素和由任務(wù)的內(nèi)在性質(zhì)引起的相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷就可以在更大的認(rèn)知能力庫中整合。然而，溝通和協(xié)調(diào)需要團體成員投入額外的認(rèn)知努力（即交易成本），而這種努力是個人不需要付出的。

基爾希納（Kirschner）等的研究表明，從施加高或低認(rèn)知負(fù)荷的任務(wù)中學(xué)習(xí)，團體與個人的效率受到在團體成員之間分配信息處理的好處和交易成本之間的權(quán)衡影響。更具體地說，他們發(fā)現(xiàn)了一種交互效應(yīng)，表明從施加高認(rèn)知負(fù)荷的任務(wù)中學(xué)習(xí)會導(dǎo)致更有效的協(xié)作學(xué)習(xí)，而從施加低認(rèn)知負(fù)荷的任務(wù)中學(xué)習(xí)則會導(dǎo)致更有效的個人學(xué)習(xí)。對于施加高負(fù)荷的學(xué)習(xí)任務(wù)，個人學(xué)習(xí)者沒有足夠的處理能力來成功處理信息。對于合作學(xué)習(xí)者來說，在彼此之間分配認(rèn)知負(fù)荷的好處被證明是高于交易成本的。因此，學(xué)習(xí)者能夠?qū)⑨尫诺恼J(rèn)知能力用于促進(jìn)學(xué)習(xí)的活動。對于認(rèn)知負(fù)荷較低的學(xué)習(xí)任務(wù)，無論是單獨的、還是合作工作的學(xué)習(xí)者，都有足夠的認(rèn)知能力來自行處理所有信息。因此，個人之間的交流和信息協(xié)調(diào)是不必要的，并且會導(dǎo)致交易成本高于在合作學(xué)習(xí)過程中將認(rèn)知負(fù)荷分配給小組成員的好處。因此，當(dāng)認(rèn)知負(fù)荷較低時，構(gòu)建知識的質(zhì)量差異表現(xiàn)為個人學(xué)習(xí)比協(xié)作學(xué)習(xí)的效率更高。

10.人體活動效應(yīng)

瞬時信息效應(yīng)被用來解釋為什么學(xué)生從動態(tài)可視化中學(xué)習(xí)的效果比從靜態(tài)可視化中學(xué)習(xí)的效果差，而人體活動效應(yīng)（human movement effect）則認(rèn)為使用動畫而不是靜態(tài)來教授涉及人體活動的認(rèn)知任務(wù)會更好。該效應(yīng)源于認(rèn)知負(fù)荷理論研究的意外發(fā)現(xiàn)，這些研究表明瞬時的可視化形式比非瞬時的形式有更好的學(xué)習(xí)效果。這些研究的共同點是，他們使用動畫和靜物來教授人類的動作技能（如折紙、打結(jié)）。帕斯（Paas）和斯維勒 （Sweller）使用吉爾里（Geary）的生物學(xué)上的原發(fā)信息概念來解釋，即人類已經(jīng)進(jìn)化出從觀察別人的行動中學(xué)習(xí)并毫不費力地復(fù)制的能力，因此，要求學(xué)習(xí)者觀察動畫以學(xué)習(xí)動作技能可能不會對工作記憶資源造成過多的負(fù)擔(dān)。赫夫勒（H?ffler）和勒特納（Leutner）的元分析證實了這一觀點。他們表明，當(dāng)動畫高度逼真且涉及程序性運動知識時，學(xué)習(xí)效果更佳。 范高格（Van Gog）等認(rèn)為，人體活動效應(yīng)反映了神經(jīng)科學(xué)研究的發(fā)現(xiàn)，即參與執(zhí)行動作的皮層回路本身也會對觀察別人執(zhí)行同樣的動作作出自動反應(yīng)（即鏡像神經(jīng)元系統(tǒng)）。

（四）認(rèn)知負(fù)荷測量

自從1998年這篇文章發(fā)表以來，人們一直在努力研究與認(rèn)知負(fù)荷測量相關(guān)的問題。因此，在過去20年中，在這些問題上已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。在此，我們評估了這一進(jìn)展，并簡要概述了關(guān)于認(rèn)知負(fù)荷測量的3個主要發(fā)展。該評估是基于之前對認(rèn)知負(fù)荷測量的綜述，如帕斯（Paas）等人的理論文章，范高格（Van Gog）和帕斯（Paas）的研究成果。此外，它還考慮了最近對相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷的重新概念化，即用于處理內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷的實際工作記憶資源。這種重新概念化的結(jié)果是，只有內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷和外部認(rèn)知負(fù)荷被區(qū)分為認(rèn)知負(fù)荷的基本類別。

第一個重要的發(fā)展與主觀測量技術(shù)的進(jìn)一步規(guī)范有關(guān)，該技術(shù)最初是由帕斯（Paas）引入的，用于認(rèn)知負(fù)荷的整體測量。盡管這種測量方法已經(jīng)被廣泛成功使用，顯示出良好的心理測量特性，但一些研究人員仍然對其測量認(rèn)知負(fù)荷的能力持懷疑態(tài)度。即使與生理測量技術(shù)的比較表明，主觀評價量表與客觀技術(shù)一樣有效和可靠，而且更容易使用。與生理技術(shù)相比，主觀技術(shù)的主要優(yōu)勢在于其敏感性和簡單性。與生理測量技術(shù)相比，主觀評價量表對投入的心理努力和任務(wù)難度的微小差異很敏感。雖然主觀評價量表的簡單性被認(rèn)為是它的主要優(yōu)點，因為它可以很容易地用于研究和實踐，但這也被許多人認(rèn)為是它的主要缺點。由于它的簡單性，它可以進(jìn)行認(rèn)知負(fù)荷（即內(nèi)在負(fù)荷加上外在負(fù)荷）的總體測量，但不能輕易用來區(qū)分不同類型的認(rèn)知負(fù)荷。因此，人們開始尋找可以用來區(qū)分不同類型的認(rèn)知負(fù)荷的技術(shù)，以及尋找可以作為認(rèn)知負(fù)荷的在線測量的“客觀”測量技術(shù)。在更詳細(xì)地討論這兩項研究進(jìn)展之前，我們將首先討論當(dāng)下的對主觀評價量表技術(shù)的進(jìn)一步規(guī)范。

范高格（Van Gog）和帕斯（Paas）等指出，主觀評價量表的使用方式與帕斯（Paas）和范梅里恩伯爾（Van Merri?nboer）最初提出的有很多不同。在其他差異中，研究人員使用了不同的語言標(biāo)簽（即“任務(wù)難度”而不是“投入心智”），使用較少的類別（如5或7，而不是9），在所有學(xué)習(xí)或測試任務(wù)后只使用一次測量，而不是在每次學(xué)習(xí)和測試任務(wù)后進(jìn)行多次測量取平均值。前兩個例子需要對改編后的評價量表的心理測量特性進(jìn)行更多的研究，而后一個例子已經(jīng)由高格（Gog）等和施梅克（Schmeck）等做了進(jìn)一步研究。他們比較了原始的測量負(fù)荷的方式，即在每個學(xué)習(xí)和測試任務(wù)之后使用基于多次測量的平均分，和在學(xué)習(xí)階段和測試階段之后只使用一次測量的適應(yīng)性方法。問題是，這是否會導(dǎo)致對認(rèn)知負(fù)荷大小的不同估計？結(jié)果顯示，教學(xué)或測試階段后的一次測量總是高于學(xué)習(xí)或測試階段的多次測量的平均值。雖然導(dǎo)致差異的確切原因尚不清楚，但學(xué)習(xí)或測試階段后的單次得分較高，可能是工作記憶資源的耗竭所致。

在未來的研究中，關(guān)于主觀評價量表的最佳使用，仍有很多問題需要回答。任務(wù)時間對投入的腦力勞動或任務(wù)難度的感知有什么影響？年齡和性別對評分的影響是什么？我們是否需要在參與者開始評分之前給他們一個基線？需要更多的研究來回答這些和其他問題，并進(jìn)一步明確有效使用主觀評價量表的條件。

第二個發(fā)展是通過設(shè)計能夠區(qū)分不同類型的認(rèn)知負(fù)荷的問卷來擴展主觀評價技術(shù)。一些研究者試圖只測量一種特定類型的認(rèn)知負(fù)荷的變化，而其他研究者則調(diào)查了測量不同類型認(rèn)知負(fù)荷的方法。萊平克（Leppink）等描述了一個值得注意的問題，他們調(diào)查了一個新的心理測量工具的有用性，其中不同類型的認(rèn)知負(fù)荷由多個指標(biāo)表示。他們總結(jié)說，這兩項研究的結(jié)果都支持這樣的假設(shè)，即使用心理測量工具可以區(qū)分內(nèi)部和外部認(rèn)知負(fù)荷。盡管明顯還需要更多的經(jīng)驗證據(jù)，例如通過使用不同的問題和考察不同的領(lǐng)域，但到目前為止的研究結(jié)果認(rèn)為運用該工具區(qū)分不同類型的認(rèn)知負(fù)荷是有希望的。

第三個發(fā)展是與正在進(jìn)行的尋找更客觀的認(rèn)知負(fù)荷測量工具的努力有關(guān)。認(rèn)知負(fù)荷研究者一直在使用次級任務(wù)技術(shù)和認(rèn)知負(fù)荷的生理測量?；诠ぷ饔洃浤芰τ邢薜募僭O(shè)，次級任務(wù)技術(shù)將次級任務(wù)的表現(xiàn)作為一級任務(wù)所帶來的認(rèn)知負(fù)荷的指標(biāo)。假設(shè)次級任務(wù)的低或高績效表明主要任務(wù)施加的認(rèn)知負(fù)荷高低。最新的次級任務(wù)技術(shù)是帕克（Park）和布呂肯（Brünken）開發(fā)的節(jié)奏法，它包括一個有節(jié)奏的敲擊腳（foot-tapping）的次級任務(wù)?？茽柊秃眨↘orbach）等表明，這種技術(shù)對假設(shè)的心理動畫組、誘惑性細(xì)節(jié)組和控制組之間的認(rèn)知負(fù)荷差異很敏感。然而，次級任務(wù)技術(shù)因其侵入性（即施加可能干擾主要任務(wù)的額外認(rèn)知負(fù)荷）和無法區(qū)分不同類型的認(rèn)知負(fù)荷而受到批評。

生理技術(shù)是基于這樣的假設(shè)：認(rèn)知功能的變化是由生理變量反映的。盡管一些研究者已經(jīng)提議使用神經(jīng)影像技術(shù)，比如功能磁共振成像，但實際上已經(jīng)用于認(rèn)知負(fù)荷研究的技術(shù)是腦電圖。使用一個基于超文本的學(xué)習(xí)環(huán)境，安東尼科（Antonenko）和尼德豪澤（Niederhauser）表明，EEG的幾個方面反映了假設(shè)的認(rèn)知負(fù)荷的差異。一種更常用的測量認(rèn)知負(fù)荷的技術(shù)是基于眼球追蹤的變量，如瞳孔放大、眨眼率、固定時間和眼球移動。例如，范格文（Van Gerven）表明，瞳孔擴張與年輕人的認(rèn)知負(fù)荷呈正相關(guān)，但與老年人的認(rèn)知負(fù)荷無關(guān)。雖然，由于移動測量設(shè)備的發(fā)展，使用生理測量變得越來越容易，但對這些技術(shù)及其測量認(rèn)知負(fù)荷的潛力還需要更多的研究。

三、未來方向

認(rèn)知負(fù)荷理論自誕生以來，隨著數(shù)據(jù)的更新，經(jīng)歷了持續(xù)的理論發(fā)展。理論的發(fā)展反過來又在一個持續(xù)的過程中產(chǎn)生了進(jìn)一步的數(shù)據(jù)。目前，有各種跡象表明，這種螺旋式的發(fā)展仍在繼續(xù)，并為未來的發(fā)展提供了一個標(biāo)本。本節(jié)將討論未來的方向，即用來自其他理論的建構(gòu)來擴展認(rèn)知負(fù)荷理論。如資源耗竭，自我調(diào)節(jié)的學(xué)習(xí)，壓力、情緒和不確定性，以及人體活動，等等。

（一）工作記憶資源耗竭

陳（Chen）等的最新研究得出了一條新的研究路線，他基于工作記憶資源耗竭假設(shè)提出了認(rèn)知負(fù)荷理論的可能擴展。這一假說認(rèn)為，工作記憶資源在一段時間的持續(xù)認(rèn)知努力后會耗盡，導(dǎo)致投入更多資源的能力降低。之前的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一般的和特定的耗竭效應(yīng)。關(guān)于“一般耗竭效應(yīng)”，施邁歇爾（Schmeichel）表明，參與自控任務(wù)會降低后續(xù)工作記憶測試的成績。關(guān)于“特定耗竭效應(yīng)”，希利（Healey）等表明，當(dāng)?shù)谝粋€任務(wù)中的被忽略刺激與工作記憶任務(wù)中的被記住刺激相匹配時，耗竭效應(yīng)就會發(fā)生。

工作記憶資源耗竭在某些情況下可能與自我耗竭有關(guān)，但需要注意的是，許多關(guān)于自我耗竭的研究與工作記憶關(guān)系不大。例如，節(jié)食時不吃甜食不太可能與學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)具有相同的工作記憶含義。自我耗竭任務(wù)的巨大差異可能導(dǎo)致人們對自我耗竭的影響產(chǎn)生懷疑。從認(rèn)知負(fù)荷理論的角度來看，大多數(shù)關(guān)于自我耗竭的研究都不包括學(xué)習(xí)，只有部分文獻(xiàn)使用了可能會產(chǎn)生較大工作記憶負(fù)荷的任務(wù)。對于這些任務(wù)，如果學(xué)習(xí)過程中廣泛的認(rèn)知努力會極大地消耗工作記憶資源，那么這個因素在設(shè)計教學(xué)時可能很重要。

認(rèn)知負(fù)荷理論的一種可能延伸，以及學(xué)習(xí)任務(wù)中廣泛認(rèn)知努力投入后工作記憶資源耗竭的教學(xué)設(shè)計含義，為陳（Chen）等的研究提供了理論基礎(chǔ)。他們指出，資源耗竭假說可以解釋間隔效應(yīng)，當(dāng)信息有間隔呈現(xiàn)，即信息呈現(xiàn)或練習(xí)片段之間有間隔時，要優(yōu)于相同信息在相同時間內(nèi)以無間隔的形式大量處理時的效應(yīng)。陳（Chen）等利用數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)得出了間隔效應(yīng)，這些數(shù)據(jù)表明，與間隔教學(xué)相比，大量非間隔教學(xué)會導(dǎo)致工作記憶容量的減少。大量練習(xí)可能會減少工作記憶資源，而間隔練習(xí)可能會讓資源得到恢復(fù)。

間隔效應(yīng)可以說是已知的最古老的心理教學(xué)效應(yīng)，但其成因一直沒有定論。如果得到后續(xù)工作的證實，陳（Chen）等的發(fā)現(xiàn)可能會允許認(rèn)知負(fù)荷理論作為一種理論對該效果做出解釋。

通過證實以間隔效應(yīng)為載體的學(xué)習(xí)任務(wù)的工作記憶資源耗竭假說，陳（Chen）等認(rèn)為，認(rèn)知負(fù)荷理論中關(guān)于長時記憶的內(nèi)容為工作記憶特征提供唯一主要決定因素的假設(shè)可能是站不住腳的。認(rèn)知負(fù)荷理論的一個隱含假設(shè)，即基于變化狹窄原則，認(rèn)為工作記憶能力對于一個特定的個體是相對恒定的，影響能力的唯一主要因素是長時記憶的內(nèi)容。正如環(huán)境賦能原則所指出的，如果同樣的信息已經(jīng)儲存在長時記憶中，那么工作記憶在處理新信息時的限制就可以消除。高元素的交互性信息，一旦被組織起來并儲存在長時記憶中，就可以很容易地、迅速地大量轉(zhuǎn)移到工作記憶中，使工作記憶的負(fù)荷降到最低。

陳（Chen）等的研究結(jié)果表明，工作記憶容量是可變的，這不僅取決于以前通過信息存儲、借用和重組及隨機性作為原發(fā)原則存儲的信息，而且取決于認(rèn)知努力導(dǎo)致的工作記憶資源耗竭。因此，需要拋棄固定的工作記憶假設(shè)，而采用認(rèn)知努力后工作記憶耗竭的假設(shè)。我們相信，這一變化將產(chǎn)生相當(dāng)大的影響，并導(dǎo)致認(rèn)知負(fù)荷理論的相當(dāng)大的擴展。

（二）認(rèn)知負(fù)荷與自主學(xué)習(xí)

第二項新的研究將認(rèn)知負(fù)荷理論與自主學(xué)習(xí)聯(lián)系起來。認(rèn)知負(fù)荷理論和自主學(xué)習(xí)模型都涉及學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)過程的監(jiān)控，它們可能被視為在信息豐富、復(fù)雜和快速變化的社會中支持終身學(xué)習(xí)者的特別重要的視角。這兩個理論框架都已經(jīng)關(guān)注到學(xué)習(xí)者的調(diào)節(jié)決策，例如認(rèn)知資源的分配（參見自我管理效應(yīng)，學(xué)習(xí)者自己應(yīng)用認(rèn)知負(fù)荷原則以減少認(rèn)知負(fù)荷）和學(xué)習(xí)活動的選擇。在認(rèn)知負(fù)荷理論的背景下，帕斯（Paas）等引入了“任務(wù)參與”作為資源分配的衡量標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)學(xué)習(xí)者具有相對較高的表現(xiàn)水平并投入了較高的心智時，得分較高（“沒有付出，就沒有回報”）；當(dāng)學(xué)習(xí)者具有相對較低的表現(xiàn)水平，再加上投入的心智較低時，得分較低。此外，任務(wù)選擇已被用于一系列實驗，作為調(diào)節(jié)準(zhǔn)確性的指標(biāo)：當(dāng)要求學(xué)習(xí)者選擇自己的學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)行學(xué)習(xí)時，績效和投入的心智可以用來對他們的任務(wù)選擇質(zhì)量做出評價（即學(xué)習(xí)者是否選擇了對他們來說太難或太容易的任務(wù)）。在自主學(xué)習(xí)的背景下，學(xué)習(xí)時間的分配通常被用作資源分配的衡量標(biāo)準(zhǔn)，并用作選擇學(xué)習(xí)活動、判斷學(xué)習(xí)和重新學(xué)習(xí)決定（“為了提高你的理解力，你想重新學(xué)習(xí)課文的哪一部分”）以及績效衡量標(biāo)準(zhǔn)，作為調(diào)節(jié)準(zhǔn)確性的指標(biāo)。未來的研究可能會從這些不同的資源分配和調(diào)節(jié)準(zhǔn)確性的措施中獲益。

一個普遍的發(fā)現(xiàn)是學(xué)習(xí)者不善于調(diào)節(jié)自己的學(xué)習(xí)。那么問題就來了：它能否被教授？一方面，學(xué)習(xí)過程的自我調(diào)節(jié)將在很大程度上依賴于原發(fā)知識，因此不可能教。另一方面，所有的學(xué)習(xí)都是原發(fā)知識和次生知識的結(jié)合，而次生知識部分當(dāng)然是可教的。更高層次的調(diào)節(jié)過程，如通過應(yīng)用認(rèn)知負(fù)荷原則（自我管理效應(yīng)）來減少注意力分散的負(fù)面影響，選擇合適的學(xué)習(xí)任務(wù)（如自主學(xué)習(xí)）和選擇相關(guān)的學(xué)習(xí)資源（如信息素養(yǎng)）可能依賴于原發(fā)和次級知識的混合，因此，至少部分是可教的。德布魯因（De Bruin ）和范梅里恩伯爾（Van Merri?nboer）建議使用科里亞特（Koriat）的線索，利用框架作為認(rèn)知負(fù)荷理論和自主學(xué)習(xí)模型之間的橋梁，并作為自主教學(xué)研究的基礎(chǔ)。其觀點是，學(xué)生使用線索來告知他們關(guān)于學(xué)習(xí)和未來表現(xiàn)的信息，而且，他們傾向于使用無效的線索。例如，學(xué)生經(jīng)常使用“容易處理”作為理解和未來表現(xiàn)的線索：如果一篇文章很容易閱讀，學(xué)生通常會認(rèn)為他們對文章的理解程度和未來測試的表現(xiàn)都很高。然而，更有效的提示是在閱讀文本一段時間后生成關(guān)鍵詞的能力。類似地，一個使用手段——目的分析來解決傳統(tǒng)問題的學(xué)習(xí)者可能會把高認(rèn)知負(fù)荷作為一個無效的學(xué)習(xí)線索（“這讓我付出很多努力，所以我一定學(xué)到很多”）。然而，更有效的關(guān)聯(lián)處理線索是向同伴解釋生成的解決方案的能力。因此，教師可以給學(xué)生一些提示，幫助他們學(xué)會使用更有效的線索來調(diào)節(jié)他們的學(xué)習(xí)（例如：“你能在讀完這篇文章一小時后生成關(guān)鍵詞嗎？”“你能向同伴解釋你剛剛針對這個問題提出的解決方案嗎？”）。

盡管有這些可能性，就像典型的生物學(xué)上的原發(fā)知識一樣，目前幾乎沒有證據(jù)表明自主（它將改善遠(yuǎn)處遷移任務(wù)的表現(xiàn)）是可以作為一個領(lǐng)域的一般程序來教的。這樣的發(fā)現(xiàn)對于這個領(lǐng)域保持活力至關(guān)重要，但幾乎沒有證據(jù)表明任何領(lǐng)域的這種結(jié)果。

（三）情緒、壓力和不確定

第三條研究路線是基于一個新的認(rèn)知負(fù)荷模型，旨在確定認(rèn)知負(fù)荷的環(huán)境相關(guān)因果因素。這個新模型將物理學(xué)習(xí)環(huán)境對認(rèn)知負(fù)荷和學(xué)習(xí)的影響分為3種類型：認(rèn)知效應(yīng)（如不確定性）、生理效應(yīng)（如壓力）和情感效應(yīng)（如情緒）。但要注意，對學(xué)習(xí)的不同影響可能是3種類型緊密交織的）?；炯僭O(shè)是，壓力、情緒和不確定性可能會通過與任務(wù)相關(guān)的過程競爭而限制工作記憶的能力，因此，它們會增加認(rèn)知負(fù)荷，阻礙學(xué)習(xí)并減少遷移。目前對這一現(xiàn)象有了很多的研究，但絕大多數(shù)研究的基本前提是通過防止可能對學(xué)習(xí)產(chǎn)生負(fù)面影響的狀態(tài)，來為學(xué)習(xí)提供最好的支持。這在普通教育中可能是正確的，但在職業(yè)和專業(yè)教育中，情緒、壓力和不確定性往往是執(zhí)行專業(yè)任務(wù)的一個組成部分。例如，護士必須學(xué)會在照顧處于生命最后階段的患者時處理負(fù)面情緒，安保人員必須學(xué)會在高風(fēng)險的暴力情況下處理壓力，而醫(yī)生必須學(xué)會在不完整的患者信息基礎(chǔ)上需要快速決策時面對不確定性。在這種情況下，在培訓(xùn)期間防止情緒、壓力和不確定性是無益的；相反，教育計劃必須精心設(shè)計，使學(xué)習(xí)者發(fā)展專業(yè)能力，使他們能夠執(zhí)行符合標(biāo)準(zhǔn)的專業(yè)任務(wù)，包括處理情緒、壓力和不確定性的能力，并保持整體健康。

如果情緒、壓力和不確定性被看作是學(xué)習(xí)的不理想狀態(tài)，人們可能會說它們會造成外部認(rèn)知負(fù)荷，應(yīng)該通過防止出現(xiàn)這些狀態(tài)來減少認(rèn)知負(fù)荷。但是，如果情緒、壓力和不確定性被看作是學(xué)習(xí)完成必須的任務(wù)的一個組成部分，它們就會造成內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷，必須以另一種方式來處理。那么，未來的研究應(yīng)該有助于確定教學(xué)干預(yù)措施，幫助學(xué)習(xí)者更有效地處理壓力、情緒和不確定性。例如，在執(zhí)行任務(wù)之前的想象或心理練習(xí)可能會降低實際任務(wù)執(zhí)行過程中的內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷，抵消壓力、情緒或不確定性帶來的高負(fù)荷，從而提高學(xué)習(xí)和處理未來任務(wù)的壓力、情緒或不確定性的能力。然而，新手學(xué)習(xí)者還不能以生動的方式想象成功完成任務(wù)所需的過程。對他們來說，想象可能不起作用，但作為一個例子，合作可能會因為集體工作記憶效應(yīng)而增加有效工作記憶能力，從而抵消壓力、情緒或不確定性帶來的高負(fù)荷。

（四）人體活動效應(yīng)

第四條研究路線建立在人體活動效應(yīng)的基礎(chǔ)上。這種效應(yīng)被用來解釋為什么在教授涉及人體活動的認(rèn)知任務(wù)時，動畫比靜態(tài)更有效。盡管對人體活動效應(yīng)的研究主要集中在通過觀察動作來學(xué)習(xí)，但最近的研究表明，由于在學(xué)習(xí)過程中做動作，可能會對認(rèn)知負(fù)荷和學(xué)習(xí)產(chǎn)生類似的影響。大量證據(jù)表明，做動作，如手勢和追蹤，可以影響可用的工作記憶資源和認(rèn)知負(fù)荷。已有研究表明，在解決問題的過程中，做手勢可以用于信息的認(rèn)知卸載，導(dǎo)致工作記憶負(fù)荷的降低。關(guān)于追蹤， 胡（Hu）等研究表明，在學(xué)習(xí)幾何學(xué)的紙質(zhì)工作樣例時，用示指追蹤角度關(guān)系的學(xué)生比只學(xué)習(xí)樣例的學(xué)生有更高的學(xué)習(xí)成果。同樣，在一項針對一群小學(xué)生的研究中，他們在平板電腦上學(xué)習(xí)工作樣例時，要么用食指描畫溫度圖，要么不描畫，阿戈斯蒂尼奧（Agostinho）等發(fā)現(xiàn)描畫組有更高的遷移表現(xiàn)。

認(rèn)知負(fù)荷理論認(rèn)為，生物上的原發(fā)信息，如人體的活動，最多只能受到工作記憶限制的影響，與此同時，扎根認(rèn)知或具身認(rèn)知的理論框架已被用來解釋活動對認(rèn)知負(fù)荷和學(xué)習(xí)的影響。它主張認(rèn)知過程（包括信息處理和學(xué)習(xí)）與環(huán)境中的感覺和活動功能密不可分，包括手勢和其他人體活動。支持具身認(rèn)知觀點的研究表明，觀察或做出手勢會產(chǎn)生更豐富的編碼，從而導(dǎo)致更豐富的認(rèn)知表征。有趣的是，更基本的活動系統(tǒng)的參與似乎減少了教學(xué)過程中工作記憶負(fù)荷。這意味著更豐富的編碼對認(rèn)知要求較低，這也證實了認(rèn)知負(fù)荷理論的進(jìn)化解釋。

從研究中可知，活動信息可能構(gòu)成額外的模態(tài)，也能占據(jù)工作記憶的有限資源。由于似乎很難將人體活動的認(rèn)知效應(yīng)與認(rèn)知負(fù)荷理論所采用的工作記憶模型牢固地調(diào)和起來，因此可以說人體活動可能構(gòu)成一種額外的模式，應(yīng)該在現(xiàn)有的工作記憶模型中予以考慮。這一論點在賽普（Sepp）等人提出的工作記憶的綜合分布式注意模型中得到了證實。我們認(rèn)為，一個能夠整合不同模態(tài)的多種信息源，同時在處理過程中調(diào)整注意力的分布的單一工作記憶系統(tǒng)，可能有助于解釋和支持認(rèn)知負(fù)荷理論和未來其他領(lǐng)域的研究結(jié)果。

（責(zé)任編輯 李強 王策）

Cognitive Architecture and Instructional Design： 20 Years Later

Author：John Sweller1，Jeroen J.G.Van Merri?nboer2，F(xiàn)red Paas3，4

Translator：Li Shuang5，Sheng Qunli6

（1.School of Education，University of New South Wales，Sydney，Australia 0252;

2.School of Health Professions Education， Maastricht University，Maastricht，Netherlands 6200;

3.Department of Psychology，Education and Child Studies，Erasmus University Rotterdam，Netherlands 3062;

4.School of Education/Early Start，University of Wollongong，Wollongong，Australia 2522;

5.Ocean College，Zhejiang University，Zhoushan，Zhejiang，China 316021;

6.College of Education，Zhejiang University，Hangzhou，Zhejiang，China 310028）

Abstract： Cognitive load theory was introduced in the 1980s as an instructional design theory based on several uncontroversial aspects of human cognitive architecture.Our knowledge of many of the characteristics of working memory，long-term memory and the relations between them had been well-established for many decades prior to the introduction of the theory.Curiously，this knowledge had had a limited impact on the field of instructional design with most instructional design recommendations proceeding as though working memory and long-term memory did not exist.In contrast，cognitive load theory emphasized that all novel information is firstly processed by capacity and duration limited working memory and then stored in an unlimited long-term memory for later use. Once information is stored in long-term memory，the capacity and duration limits of working memory disappear， so as to transform our ability to function.By the late 1990s，sufficient data had been collected using the theory to warrant an extended analysis， published by Sweller et al.Extensive further theoretical and empirical work have been carried out since that time and this paper is an attempt to summarize the last 20 years of cognitive load theory and to sketch directions for future research.

Key words： Cognitive load theory;Theoretical developments;Instructional advances

收稿日期：2022-06-18

基金項目：浙江大學(xué)2022年度教學(xué)研究處教學(xué)研究項目“哈佛大學(xué)通識教育研究”

作者/譯者簡介：約翰·斯維勒（John Sweller），男，新南威爾士大學(xué)教育學(xué)院教授，他以提出認(rèn)知負(fù)荷理論而聞名，該理論利用進(jìn)化心理學(xué)和人類認(rèn)知體系結(jié)構(gòu)的知識作為教學(xué)設(shè)計的基礎(chǔ)，是被引用最多的教育心理學(xué)理論之一；杰倫·范梅里恩伯爾（Jeroen J. G. Van Merri?nboer），男，馬斯特里赫特大學(xué)衛(wèi)生職業(yè)教育學(xué)院學(xué)習(xí)和教學(xué)方向主席、衛(wèi)生健康教育研究生院研究項目主任；弗雷德·帕斯（Fred Paas），男，荷蘭伊拉斯謨大學(xué)心理學(xué)、教育和兒童研究系教育與發(fā)展心理學(xué)研究小組教授、主席，研究應(yīng)用當(dāng)代多學(xué)科的人類認(rèn)知系統(tǒng)科學(xué)知識，設(shè)計高效的學(xué)習(xí)環(huán)境；李爽（1982—），女，遼寧興城人，副教授、博士生導(dǎo)師，研究方向為物理海洋、教育設(shè)計；盛群力（1957—），男，上海人，教授、博士生導(dǎo)師，研究方向為課程和教學(xué)論。

資料來源：Sweller， J.，van Merri?nboer，J.J.G. & Paas， F.（2019） Cognitive Architecture and Instructional Design：20 Years Later. Educational Psychology Review， [J]2019（31）： 261–292. https：//doi.org/10.1007/s10648-019-09465-5.