（发展与教育心理学专业论文）样例与问题联结方式影响迁移和认知负荷的实验研究.pdf

摘要 样例学习作为学习迁移研究的热点，受到研究者的极大关注。认知负荷 理论认为良好的教学设计必须在减少无关认知负荷的同时，能够增加相关认 知负荷。已有研究认为样例能够减少无关认知负荷，增加相关认知负荷，但 是纯粹的样例学习不如在样例与问题整合设计的教学模式。目前关于样例与 问题整合设计的研究很少。 本研究在前人研究的基础上，提出两种样例与问题联结方式：“样例一 问题”对和“问题一样例”对。并将这两种方式与纯粹的样例学习和纯粹的 问题解决练习进行比较。学生先前知识是认知负荷研究中重要的个体变量， 它能影响特定策略增加相关认知负荷的效果。 本研究采用2 x 4 x 2 混合实验设计，考察学生先前知识、样例与问题联 结方式和迁移类型对迁移成绩的影响；并进一步分析学生先前知识、样例与 问题联结方式对认知负荷的影响。实验结果表明： ( 1 ) 学生先前知识对迁移成绩和认知负荷有显著影响。高先前知识学生 迁移成绩高于低先前知识学生。高先前知识学生增加相关认知负荷的程度高 于低先前知识学生。 ( 2 ) 联结方式对迁移成绩和认知负荷有显著影响。低先前知识学生在“问 题一样例”联结方式提高了近迁移成绩，在“样例一问题”联结方式提高了 远迁移成续。低先前知识学生在“问题样例”联结方式下，减少了无关认 知负荷，增加了相关认知负荷。 ( 3 ) 对于高先前知识学生，样例与问题整合设计的学习方式与纯粹的样 例学习和纯粹的问题解决相比没有显著优势，反而在问题解决练习的方式下 提高了迁移成绩，增加了相关认知负荷。 ( 4 ) 初中生样例学习效果优于问题解决练习，小学生在样例学习下的效 果不理想，反而在问题解决练习方式下促进了近迁移。 关键词：先前知识；样例与问题联结方式：迁移；认知负荷；相 关认知负荷 a b s t r a c t w o r k e de x a m p l el e a r n i n g ，w h i c hc a t c h e st h ee y e so fl o t so fr e s e a r c h e r s ，i sa h o tt o p i co ft r a n s f e rl e a r n i n g c o g n i t i v el o a dt h e o r yi n s i s t s ：an i c et e a c h i n g d e s i g ns h o u l dn o to n t yr e d u c et h ee x t r a n e o u sc o g n i t i v et o a d , b u te n h a n c et h e g e r m a n ec o g n i t i v el o a d f o r m e rs t u d i e si n s i s t st h a te x a m p l e sc a nr e d u c et h e e x t r a n e o u sc o g n i t i v el o a d , e n h a n c et h eg e r m a n ec o g n i t i v el o a d e x i s ts t u d i e s i n s i s t st h a tl e a r n i n gi si m p r o v e dw h e nw o r k e de x a m p l e sa r ep a i r e dw i t hp r a c t i c e p r o b l e m sc o m p a r e dt ow h e no n l yw o r k e de x a m p l e sa r ep r o v i d e dt ot h el e a r n e r s b u tt h e r ea r ef e ws t u d i e so f c o n f o r m i t yd e s i g na b o u te x a m p l e sa n dp r o b l e m s b a s e do nt h ef o r m e rs t u d i e s ，t h i ss t u d yp u tf o r w a r dt w ok i n d so fc o n n e c t i o n m o d e sa b o u t e x a m p l e s a n d p r o b l e m s ：e x a m p l e - p r o b l e mp a i r a n d p r o b l e m - e x a m p l ep a i r ，w h i c hc o m p a r e dt op u r ew o r k e de x a m p l e sl e a r n i n ga n d p u r ep r o b l e m ss o l v i n gp r a c t i c e p r i o rk n o w l e d g eo fs t u d e n t si s a ni m p o r t a n t v a r i a b l ei nc o g n i t i v el o a dr e s e a r c h , w h i c hc a l li n f l u e n c et h ee f f e c t so fs p e c i f i c s t r a t e g i e sw h i c hi n c r e a s eg e r m a n ec o g n i t i v el o a d 2 x 4 x 2m i xd e s i g nw a sa p p l i e di nt h i ss l a l d y , w h i c he x a m i n e dh o wp r i o r k n o w l e d g eo fs t u d e n t s ，c o n n e c t i o nm o d e sa b o u te x a m p l e sa n dp r o b l e m sa n d t r a n s f e rt y p e si n f l u e n c e dt h et r a n s f e r l e a r n i n g a n d f u r t h e ro b s e r v e dt h e i n f l u e n c et oc o g n i t i v el o a do fp r i o rk n o w l e d g ea n dc o n n e c t i o nm o d e sa b o u t e x a m p l e sa n dp r o b l e m s t h er e s u l ts h o w e d t h a t ： ( 1 ) p r i o rk n o w l e d g eo fs t u d e n t sh a ds i g n i f i c a n ti n f l u e n c e so n t r a n s f e rs c o r e s a n dc o g n i t i v el o a d t r a n s f e rs c o r e so f h i g l lp r i o rk n o w l e d g es t u d e n t sw e r eb e t t e r t h a nt h o s eo fl o wp r i o rk n o w l e d g e g e r m a n ec o g n i t i v el o a do fs t u d e n t sw i t h h i g hp r i o rk n o w l e d g ew a se n h a n c e dh i g h e rt h a nt h o s eo fl o wp r i o rk n o w l e d g e ( 2 ) c o n n e c t i o nm o d e sa b o u te x a m p l e sa n dp r o b l e r n si n f l u e n c e dt r a n s f e r s c o r e sa n dc o g n i t i v el o a ds i g n i f i c a n t l y t h es t u d e n t sw i t hl o wp r i o rk n o w l e d g e i m p r o v e dn e a rt r a n s f e ru n d e rt h ed e s i g no f p r o b l e m - e x a m p l ep a 址a n di m p r o v e d f a rt r a n s f e ru n d e re x a m p l e - p r o b l e mp a i r t h es t u d e n t sw i t hl o wp d o rk n o w l e d g e n o to n l yr e d u c e dt h ee x l r a n e o u sc o g n i t i v el o a db u ta l s oe n h a n c e dt h eg e r m a n e 2 c o g n i t i v el o a d ( 3 ) t h es t u d e n t sw i t hh i g hp r i o rk n o w l e d g ed i d n ti m p r o v et r a n s f e ru n d e rt h e c o n n e c t i o nm o d e sa b o u te x a m p l e sa n dp r o b l e m sc o m p a r e dt op u r ew o r k e d e x a m p l e sl e a r n i n ga n dp u r ep r o b l e m ss o l v i n gp r a c 吐c e a n dt h e yi m p r o v e d l x a n s f e ra n dg e r m a n ec o g n i t i v el o a du n d e rp u r ep r o b l e m ss o l v i n g p r a c t i c e ( 4 ) e x a m p l e sl e a r n i n ge f f e c t so ft h ej u n i o rm i d d l es c h o o ls t u d e n t sa g ob e t t e r t h a np r o b l e m s o l v i n gp r s t , t i c e t h ep r i m a r ys c h o o ls t u d e n t sh a daw o r s t r a n s f e r 8 0 0 1 e $ u n d e re x a m p l e sl e a r n i n g ，b u ti m p r o v e dn e a rt r a n s f e ru n d e rp r o b l e m s s o l v i n gp r a c t i c e k e yw o r d s ：p r i o rk n o w l e d g e ；c o n n e c t i o nm o d e sa b o u te x a m p l e s a n dp r o b l e m s ；t r a n s f e r ；c o g n i t i v el o a d ；g e r m a n e c o g n i t i v el o a d 3 样例与问题联结方式影响迁移和认知负 荷的实验研究 文献综述 学习迁移研究一直是学习理论的一个重要课题，s i n g l e y 和a n d e l s o n 曾指出：学习迁移研究是对所有综合性认知学习理论的一个严格的也必要 的检验【1 1 。样例学习( l e a r n i n gf r o mt h ew o r k e de x a m p l e ) 作为当前研究学 习迁移问题的热点之一，受到了研究者的极大关注。所谓样例学习就是从 具有详细解答步骤的事例中归纳出隐含的抽象原理来解决问题的学n t 2 。大 量研究表明：在数学、物理、计算机程序等结构良好的领域，样例在认知 技能获得的最初阶段起着十分重要的作用【3 】；而且，对于新手来说，这是一 种非常有效的学习模式 4 1 。随着样例学习的有效性得到普遍证实，人们的研 究一方面集中于样例学习的加工机制，另一方面则集中于如何设计有效的 样例，使之更符合学生的学习规律，从而提高学生的迁移和问题解决技能。 在此背景下，s w e l l e r 等人于2 0 世纪8 0 年代提出的认知负荷理论日渐系统 和成熟。认知负荷理论研究发现【卯，与问题解决练习相比，在样例学习下， 减少了无关认知负荷，增加认知活动中更多的工作记忆资源，促进了学习和 迁移成绩的提高。他们称之为“样例效应”( e x a m p l ee f f e c t ) 0 3 。目前，许 多研究者都致力于寻找更好的样例教学模式以促进更好的迁移效果。 s w e l l e r 等人发现纯粹的样例学习( 只有样例) 不如在样例学习时整合问 题解决练习1 7 】。但是目前关于样例和问题整合设计的研究很少，本研究将从 认知负荷理论的视角对这一问题进行研究，以期为教学设计提供实证性的依 据。 1 1 认知负荷理论( c o g n i t i v el o a dt h e o r y ，c l t ) 认知负荷( c o g n i t i v el o a d ) 是指人在信息加工的过程中所必需的心理 资源的总量瑚。认知负荷理论是澳大利亚心理学家j o h ns w e l l e r 于2 0 世纪 年代提出的，主要从资源分配的角度来考察复杂认知任务的学习和问题 解决。它以资源有限理论和图式理论为基础。 根据认知负荷理论i s ，复杂认知任务包含很多相互作用的元素，若要成 功的学习、解决这些任务，这些元素必须同时进行处理，因此对工作记忆容 量的要求很高。m i l l e r ( 1 9 5 6 ) 已经证实个体的工作记忆容量只有7 + 2 个组块 阴。在如此有限的工作记忆容量下，若同时从事几种认知活动，则存在资源 分配的问题，分配遵循“此多彼少、总量不变”的原则。在此基础上，认知 负荷理论认为：在问题解决或学习过程中，各种认知活动均需消耗认知资源， 若所有活动所需要的资源总量超过了个体所具有的资源总量，则存在资源分 配不足的问题，此时则出现认知超负荷( c o g n i t i v eo v e r l o a d ) 1 7 ，从而影响 学习或问题解决的效率。 认知负荷理论的另一个理论基础是图式理论【“。图式是一种认知结构， 它使人们能够根据信息将被使用的方式对信息进行归类【l ”。一个问题图式 由两部分组成：一是对问题的描述，二是对解法的描述，即一个问题图式 由一系列问题或问题状态组成，这些问题或问题状态均与特定的解答模式 相连，因而获取一个问题图式就可掌握一类问题的解答。专家问题解决者 的长时记忆中已经储存了大量图式，这些图式在问题理解和问题解决中起 着重要作用。在图式的帮助下，专家可将当前所面临的问题或问题状态快 速正确地归入某一范畴，而这一特定范畴通常是与某些特定的解题步骤相 联系的。这一归类是一个自动化的过程，不需要有意识控制和资源消耗， 因而可以降低个体的认知负荷。新手在面对问题时因缺乏必要的图式不得 不用弱的问题解决方法，如爬山法、手段一目的分析等。在此基础上，认 知负荷理论认为嗍：图式获取和规则自动化是学习的两大机制，它们的作用 均是利用长时记忆来弥补短时记忆容量不足的缺陷。学习过程中。学习者 利用长时记忆中的图式对新信息进行加工、整合，使长时记忆中图式的数 量不断增多、规模不断扩大、质量不断提高。 认知负荷理论主张，虽然工作记忆容量是有限，但是长时记忆的容量 2 是无限的，而容量有限的工作记忆与容量无穷的长时记忆是相互关联的一 体【1 2 】。因此，教学设计必须以容量有限的工作记忆为依托，将设计的原理 及规则建构为适合工作记忆的加工对象图式或记忆组块。既要考虑到 工作记忆的有限容量，也要寻找促进学习的方法。而学习的本质即为通过 施加精确水平的认知负荷进行图式的建构。 那么影响个体认知负荷水平的因素都有那些呢? 研究表明因果性因素 与评价性因素都会影响认知负荷【1 3 1 。因果性因素可能来自学习者变量( 如： 学生先前知识) 、作业性质( 如：作业复杂度) 及其交互影响。评价性因素 则包括心理负荷( m e n t a ll o a d ) 、心理努力( m e n t a le f f o r t ) 及其相应的行为 心理负荷是指经由作业和环境方面的要求所造成的认知负荷。心理努力是指 实际上学习者分配给作业的认知容量。学习者的学习行为或绩效则是对心理 负荷、心理努力以及上述提及的因果性因素的反应结果( 见图1 ) 。 国暴性目素 l c 洲两帅 脊橱性嗣蠢 【 螂霉l 础h _ 嘲 l - l 桶囊谤l i 作生 c i ，h 址- o m 蜘龃 i l 但叫啪憎田i a ll n j i 嘲l 遴r r 一蝴卜 l 1 r ih 由绷蛐矗嘲l g i a 如n 怕删删l b 秘力 l m 哪哪霹喻畦 1 o i 拳习者 上 i 函删 d i 认蜘 p 矗呻口站i 1 鼠 蕾木年打捷窟一膏 根据影响认知负荷的基本因素，产生了三类认知负荷【1 4 1 ：内在认知负荷 ( 1 n l r i n s i cc o g n i t i v el o a d ) 、相关认知负荷( g e r m a n ec o g n i t i v el o a d ) 和无 关认知负荷( e x t r a n e o u sc o g n i t i v el o a d ) 。内在认知负荷是指在工作记忆中 同时进行加工的，需要被整合进将要学习的图式中的元素的数量，这样的元 素越多，元素之间相互作用越大，表明学习者的内在认知负荷越高。s w e l l e r 等人( 1 9 9 8 ) 认为内在认知负荷的高低是由学习的材料的特征与学习者专业 知识之间的关系决定的【7 j 。如果学习材料较为复杂，而且学习者在该领域的 专业知识较为欠缺，那么要理解所学材料就必须同时注意许多不同的元素， 这些元素同时在工作记忆中进行加工，从而增加工作记忆的负担，产生较高 的内在认知负荷。如果一个学习者对某一领域的学习有较丰富的专业知识， 那么他在学习相同的材料时，就会比专业知识更贫乏的学习者产生更少的内 在认知负荷。因此，在某一个领域的专家会比新手学习该领域的新知识更快 也更容易。 无关认知负荷和相关认知负荷与学习材料的组织和呈现方式有关【l 卯， 不良的教学设计使学生从事一些与图式获得或规则自动化没有直接关联的 活动时，便会产生无关认知负荷，由于无关认知负荷需要的认知资源可能 会超过人的工作记忆容量，因而会阻碍学习，影响学习效果。相关认知负 荷产生于学习者在学习某一个任务未用完所有的认知资源时，这时学习者 便可以把剩余的认知资源用到与学习有直接相关的加工( 如图式构建) 中 去，让学习者在工作记忆中进行更高级的有意识的认知加- r ( 如类比和推 理) ，从而支持图式构建。这样的加工也会增加认知负荷，不过这种认知负 荷不会阻碍学习，反而会促进学习。c h i 等人提出在学习过程中，良好的样 例设计能增加学生对学习材料的自我解释，这种自我解释的活动虽然增加 相关认知负荷，但是它能促进原理的获得【1 6 j 。 认知负荷理论认为，教学干预无法改变内在认知负荷，但是无关认知 负荷与相关认知负荷则可由教学设计来决赳1 5 】。虽然二者皆可因教学干预 而改变，但是无关认知负荷是由教学设计的缺陷所造成的额外的认知加工 导致的，相关认知负荷则是由图式建构引发的心理努力。因而学习的本质 是由无关认知负荷向相关认知负荷转化的过程。恰当的教学设计会减少无 关认知负荷、增加相关认知负荷，同时总的认知负荷保持在工作记忆容量 许可的范围内。所以教师在教学过程中，应当考虑到三种认知负荷之间的 相互关联，进行最优化的教学设计，才能达到最好的教学效果。 1 2 认知负荷理论与样例教学设计相关研究 1 2 1 减少内在认知负荷 虽然s w e l l e r 等人认为，内在认知负荷不能通过教学设计改变，但是目 前有研究者试图寻找一定的方式来减少内在认知负荷。由于内在认知负荷 是由元素之间复杂的交互作用引起的，因而减少内在认知负荷的主要方法 就是减少元素间这样的交互活动i l ”。p o l l o c k ，c h a n d l e r 和s w e l l e r ( 2 0 0 2 ) 尝试通过在学习特别复杂的信息时安排适当的呈现顺序来减少内在认知负 荷【l 卅。他们进行了两个实验，第一个实验中的被试是在某一领域的初学者， 而第二个实验中的被试是具有一定知识基础的学习者。实验组在教学的第 一阶段，把一系列的信息分解成独立的小段依次呈现，这样就减少了认知 负荷；在教学的第二阶段，所有的信息都同时呈现。对照组则一次性呈现 所有信息。结果与实验者的假设一致：与在刚开始就同时呈现所有信息的 对照组相比较，实验组采用的混合呈现方式极大地提高了训练效率和学习 者对所学内容的理解，尽管在第一阶段对信息的理解不太充分，但在第二 阶段却比对照组好得多。结果也表明，这种混合的教学形式在对完全缺乏 基本知识的初学者来说比较有用，但对那些已经有了一定先前知识的学习 者来说并没有特别突出的效果。 c h i 和b a s s o k 等人发现学习者学习传统方式设计的样例时【1 6 1 ，并不能自 然的转入有利的思考过程，学习者在样例学习时存在很大的困难，并且获得 的问题范畴和解答程序的图式较浅。g e l j c t s ，s c h e i t c r 和c a t r a m b o n e ( 2 0 0 4 ， 2 0 0 6 ) 认为出现这种情况的原因在于传统的样例设计趋向于采用m o l a r 方式 来提供问题范畴及对应的解答程序f 1 9 】1 2 0 。这种方式是把问题范畴和解答程序 看作分析的一个基本单位而不能进一步分解。这种样例很容易难倒学习者， 因为他们不得不考虑大量的结构性问题特征和解答程序，这样会导致一个高 水平的内在认知负荷。因此，他们提出了一种m o d u i a r 样例模式，它着眼于 范畴水平下的单独的结构性问题特征和单独解答程序任务。通过设计这种 g o d u l a r 方式的样例来减少内在认知负荷，使学习者具有自由的认知资源去 处理相关的认知过程。以概率问题为例，“在奥运会1 0 0 米比赛中，从7 个参 赛者中正确猜中获得金牌、银牌和铜牌的概率是多少? ”m o l a r 方式下的样 例为：( 7 3 ) ! 71 = 1 2 1 0 ：而g o d u l a r 方式下，将样例分解成子目标形式 的结构，最后将式子写为：( 1 7 ) x ( 1 6 ) x ( 1 5 ) = 1 2 1 0 。研究者的 实验证明，在m o d u l a r 方式下提高了问题解决成绩、减少了学习时间和认知 负荷。研究者认为在m o d u l a r 样例下，问题解决程序被分解为一些较小的有 意义的部分，能被独立的理解而不用在工作记忆中保持大量的活动的信息， 因此减少了内在认知负荷。 1 2 2 降低无关认知负荷 由于无关认知负荷主要是由学习材料的组织和呈现方式引起的，所以使 学习材料的呈现方式最优化是降低学习者外在认知负荷的一个重要途径。 j e u n g ，c h a n d l e r 和s w e l l e r 就几何材料呈现方式对学习效率的影响进行了研 究。他们发现：在学习者需要较长的图形元素搜索时间的情况下，用图形 中的闪烁来指定听觉信息涉及的图像元素，从而消除图形搜索，这种几何 图形的呈现方式要优予无闪烁的图形。相反，如果图形元素的搜索较简单 时，结果没有出现闪烁技术整合的优势效应b ”。后来的很多实验都证明了 这个结果，即多媒体学习中的通道效应，研究者认为视听两种通道是用不 同的方式加工信息，使用不同的工作记忆，所以采取两种方式呈现信息既 增加了工作记忆容量，也降低了同一通道的认知负荷，从而产生更好的学 习效果。 在适当的时间呈现信息也是降低无关认知负荷的一个有效的方法。 k e s t e r 等人( 2 0 0 1 ) 提出了一个信息呈现的适时( j u s t - i n - t i m e ) 模型圈，即 当学习者在问题解决中刚好需要某个信息时呈现该信息，信息应包括支持 性信息( s u p p o r t i v ei n f o r n m t i o n ) 和必备性信息( p r e r e q u i s i t ei n f o r m a t i o n ) 两种。支持性信息最好在练习任务之前呈现，这样可以通过意义学习和重 组来促进图式构建；必备性信息应当在学习过程中呈现，这样可以有效地 6 降低无关认知负荷( 因为它避免了注意分散) ，并通过程序化和严格的编码 来促进图式的自动化，从而为学习复杂认知技能提供了认知资源，促进迁 移成绩的提高。 m a y e r 等人( 2 0 0 2 ) 以认知负荷理论、双重编码理论和建构主义学习理 论为基础，提出并验证了多媒体教学设计的五个原则田】：多样化的呈现原 则认为用文字和图画来呈现解释信息比单纯用文字呈现效果好；接近原则 认为在呈现多媒体解释信息时应当同时呈现相应文字和图画，而不应分离 呈现；一致性原则认为呈现多媒体解释时应当包含较少的无关的词和声音， 这样更有利于理解；通道原则认为在呈现图画的同时用听觉通道呈现的叙 述比用视觉通道呈现文本效果好：冗余原则认为动画和听觉叙述两种方式 同时呈现比动画、听觉叙述和屏幕显示文本三种方式同时呈现效果好，因 为这样减少了学习内容的冗余。 1 2 3 增加相关认知负荷 无关认知负荷的降低使产生的认知资源的剩余能被运用到深入的学习 中，但是，学习者不可能自动的投入到这些活动中。因此，目前认知负荷 研究开始转到研究教学方式要成功的诱导相关认知负荷。 p a r t s 等人( 1 9 9 4 ) 认为提供样例的变式是增加相关认知负荷的一个有 效途径 2 4 1 。样例之间区别越大，情境性干扰越高，比较过程的意义越大， 他们认为问题情境的变式可以鼓励学习者发展图式，因为它使学习者更能 把相似特征、相关特征与无关特征区分开来。提供变式可以更好地促进学 生的学习和迁移。p a a s 等人认为增加情境干扰能增加相关认知负荷，他们 做了三个实验来检验依据认知负荷理论原理形成的教学设计对无关认知负 荷和相关认知负荷各自产生的影响，其检测指标是学习成绩和学习效率网。 p a a s 等人的第一个实验比较了学习者必须补全答案的填空题与必须写出全 部答案的常规题。研究发现，填空题减少了认知负荷总量，并且出现了正 迁移效应。第二个实验则研究高强度的情境干扰( i i g hc o n t e x t u a l i n t e r f e r e n c e ，简称h c i ) 是否会增加相关认知负荷。发现在高情境干扰下， 虽然在教学训练中耗费了学习者更多的学习时间与心理努力，即增加了认 知负荷总量，但是与此同时却出现了记忆保持的提高与迁移行为。最后一 7 个实验则研究了同时减少无关认知负荷与增加相关认知负荷所引发的注意 转移问题，该研究通过2 x 2 析因实验( 自变量为：a 、问题格式：填空题与 常规题；b 、情境干扰：高干扰与低干扰) 。结果发现，填空题h c i 组训 练效果最好。这一结果支持了研究假设。 c - r o p e 和r e n l d ( 2 0 0 6 ) 比较在样例中提供多样问题解决方法( m u l 邱l e s o l u t i o nm e t h o d s ) 与提供单个解决方法1 2 6 的效果，发现给学习者提供多样的 问题解决方法比提供单个解决方法更能促进学习。研究者认为多样解决方法 促进了学生自我解释，提高了相关认知负荷。 c a t r a m b o n e 和y u a s a ( 2 0 0 6 ) 研究分别在问题解决练习和样例学习方式 下，只注意问题中的条件( c o n d i t i o n ) 与同时注意条件( c o n d i t i o n ) 和反应 ( a c t i o n ) 的比较【2 7 l 。结果表明，在解决闯题组和样例学习组，条件和反应 结合的方式比只注意条件的方式促进了学习。解决问题组比样例学习组在学 习过程中花费时间长，但是，解决测验问题的时间短。把学习时间和测验时 间加起来进行比较，两种方法没有显著差异。 国内龚德英( 2 0 0 5 ) 研究寻求在多媒体学习中增加相关认知负荷的方法 哪】。实验一考察有王归纳策略和背景音乐对认知负荷和迁移成绩的影响，结 果发现，学习者采用归纳策略提高了相关认知负荷，减少了内在认知负荷， 提高了迁移测验成绩，但是没有提高记忆成绩。背景音乐这种外在干扰虽然 没有增加额外的认知负荷，但是降低了记忆成绩；实验二考察学习者元认知 监控对认知负荷和迁移成绩的影响，结果发现，元认知监控虽然没有增加相 关认知负荷，但是提高了迁移成绩。 1 3 认知负荷和教学效率的测量 认知负荷的测量可以从两个维度上来划分：主、客观维度和直接、间接 维度，各维度的测量方法如表1 所示 2 s 1 1 2 9 1 。 8 表l 认知负荷的测量方法简介 间接直接 主观自我报告投入的心理努力自我报告材料难度 客观生理测量脑活动测量 行为测量双重任务测量 学习结果测量 直接的主观测量法是让被试对与认知负荷直接相关的学习材料的难度 进行等级评定。k a l y u g a 等人( 1 9 9 9 ) 的研究表n t 3 0 l ，这种测量方法能够比 较准确地测查出不同训练策略导致的结果之间的差异。a y r e s ( 2 0 0 6 ) 采用 这种方式测量内在认知负荷，发现学习者能评定出含有不同元素交互作用的 题目的内在认知负荷旧。 间接的客观测量，一是通过对成绩结果的分析考查认知负荷的强度，二 是通过分析行为方式或生理状况以及它们与学习加工的关系，如把学习者花 在任务上的时间作为衡量不同负荷水平的一个指标，也可以根据心率和瞳孔 扩张等来考查认知负荷水平。 对认知负荷进行直接的客观测量主要是得益于认知神经科学的发展，如 通过计算机断层扫描技术( p e t ) 和功能性磁共振脑成像技术( f m r i ) 测查 任务完成过程中脑的激活程度，但在认知负荷理论的研究中运用还不是很 多。 间接的主观测量法主要是p a a s 提出的心理努力自评9 点量表。p a a s 于1 9 9 2 年提出通过学习者自我报告投入到学习过程的心理努力来测量认知负荷【3 1 1 ， 其主要程序是通过在学习后对被试进行问卷调查，让其回答在理解学习材料 的过程中所付出的心理努力的多少。这种方法简单易行、省时省力。该方法 在目前关于认知负荷的研究中使用较多，只是在施行过程中，自评的点数可 能不同。c r i m i n o 和a m ye l i z a b e t h ( 2 0 0 1 ) 等人研究了p a 嬲心理努力自评9 点 量表p 2 l ，研究证明p a 鹊心理努力自评9 点量表具有良好的信度和效度，信度 大于0 8 ，0 8 5 效度 o 9 3 。f l a d 和j u l i e a n n ( 2 0 0 3 ) 等人也验证了p a a s 9 点量 表测量认知负荷的有效性 3 3 1 。本研究采用的认知负荷测量方法就是这一种。 9 当然，认知负荷测量的结果为认知负荷总量，现在还没有较好的方式来 独立的分离测量学习过程中的内在认知负荷、无关认知负荷和相关认知负 荷。因此，为了得出关于特定教学模式对特定学习者产生的认知负荷的种类 的结论，只有学习阶段的认知负荷测量，而没有学习结果的成绩的条件下是 缺乏说服力的。例如：a 和b 两个学习者学习相同的任务，但是教学模式不 同，学习者a 在模式a 下学习，学习者b 在模式b 下学习。假定模式a 减少无 关认知负荷，模式b 减少无关认知负荷、增加相关认知负荷。简单的说，我 们假设他们确实具有相同的先前知识，因此，任务引起的内在认知负荷是相 同的。任务学习后，学习者a 的平均心理努力是6 分( p a a s 的9 点量表) ，学习 者b 平均心理努力是8 分。这似乎符合我们的期望即模式b 提高了相关认知负 荷，但是，学习者b 相关认知负荷预示的投入的努力只能在确实投入到学习 中才能得出这个结论即只有学习者b 的学习成绩比学习者a 要高时。 p a a s 和m 印j 胁b o n e 碳 出用效率测量来计算投入到特定成绩的心理努力 3 4 1 。p a a s 等人的许多研究中f 3 5 l ，把在学习过程中主观测量的认知负荷与接 下来的任务成绩进行整合，两者提供一个教学效率( i u s 加e t i o n a le f f e r e n e y ) 分数。 e = 伊一r ) 石， e 为教学效率分数， p 为迁移成绩的z 分数， r 为心理努力测量的z 分数 1 4 样例与问题联结方式相关研究 文献分析表明样例和问题联结方式有以下几种。 ( 1 ) 不完整样例。关于不完整样例的问题，v a n m e r r i e n b o e r 等认为不完 整的样例( 在学习中，学习者试图使之完整) ，能够有效地支持认知技能的 获得【3 6 】。s t a r k 在他的研究中设计了一个巧妙的实验对样例不完整性的作用进 行了研列”j 。在他的研究中，一半被试使用不完整的样例( 实验组) ，一半被 试学习完整的样例( 控制组) 。在实验组，用问号代替部分解题步骤，要求学 1 0 习者发现缺失的解题步骤并填补缺失的解题步骤，在此之后或至少做出努力 之后，呈现给学习者完整的解决步骤，以便给学习者以正确的反馈。结果表 明，与学习完整样例组相比较，不完整组被试的自我解释质量较高，获得了 问题解决方法的迁移。 ( 2 ) “样例一问题”对。s w e l l e r 和c o o p e r ( 1 9 8 5 ) 研究发现 3 5 1 ，样 例与问题配对比只呈现问题练习的迁移效果好。t r a f t o n 和r e i s e r ( 1 9 9 3 ) 研究了样例与问题配对与只呈现样例的效果 3 9 1 ，样例与问题配对优于只呈 现样例。t r a f l o n 和r e i s e r 还设计了两种样例、问题的组织方式：交互式、 分块式。在交互式的条件下，呈现给被试6 个样例练习对样例1 ，练习l ； 样例2 ，练习2 ；样例6 ，练习6 。分块式条件下，样例l ，样例2 ， 样例6 ，练习l ，练习2 练习6 ，样例是不一样的，每个样例有不同 的虚构故事。结果发现：在交互式条件下被试比分块式条件下的解题时间 短、正确迁移的数量多。在这些结论的基础上，研究者认为，获得技能最 有效的呈现材料的途径是在样例之后立即解决相似的问题。 s t a r k , g r u b e r , r e n k l 和m a h d i 的研究也探讨了传统的样例与问题配对的 组织方式是否存在其他的有效变式【柏】。他们研究了对医学学习策略的学习， 结果发现，练习问题最好在与之解题步骤相同的样例后呈现，这种呈现方 式应该是一种较好的教学模式。特别地，他们认为，最初解决的问题较难， 可以促使学习者较好的加工随后的问题。通过比较纯粹的样例学习和“样例 一问题”对的学习，发现用“样例一问题”对的方式促进了学习者对样例的 积极加工，得到了较好的学习结果。 ( 3 ) 渐减呈现样例。r e n k l ( 2 0 0 4 ) 等人认为在样例学习时如果逐渐的、 连续的把问题解决引入样例学习之中，直到最后只剩下问题让学习者解决， 这样更有利于提高学习的效果，他们提出了一种从样例到问题动态的转变的 教学模式：渐减方式( f a d i n ga p p r o a c h ) 【4 l l ，这种方式首先呈现完整样例，然 后呈现的解答步骤从最后减少一步，接着逐渐减少步骤到最后剩下问题去解 决。国内邢强比较了渐减提示法与“样例一问题”对对迁移效果影响，发现 渐减提示法不仅促进了近迁移，还促进了远迁移【4 2 】。邢强认为这种方式符合 认知技能获得模型，也符合建构主义的学习观点，渐减呈现法通过提供认知 模型到提供支架问题到剩余问题，引导学习进程，使学习者掌握、建构和内 化所学的知识技能( 这是一个自我解释的过程) ，不断发展他们对问题的理 解，从而使他们能够进行更高水平的认知活动。 ( 4 ) “问题样例”对。最近有研究者提出了“问题样例”对这样一 种呈现模式 4 3 1 。r c i s s l 出和a t l d m o n ( 2 0 0 6 ) 等人观察了用物理学中的电路 ( 串联和并联) 问题，在计算机教学环境下采用三种教学程序：“样例一问 题”对( 样例之后立即呈现一个相似的问题) 、“问题样例”对( 问题之 后立即呈现一个相似的样例) 、渐减方式。研究结果却没有发现渐减方式的 优势，却发现在近迁移问题中，具有较低先前知识的学习者，“样例一问题” 对比“问题一样例“对的成绩要好，而对具有较高先前知识学习者，“问题 一样例”对比“样例一问题”对的成绩要好。在远迁移问题中，高先前知识 学习者比低先前知识学习者迁移成绩好，但是没有发现教学程序的主效应和 两者的交互效应。k a l y u g a ( 2 0 0 3 ) 认为这是一种“专家颠倒效应”( e x p e r t i s e r e v e r s a le f f e c t ) 4 4 1 ，高先前知识学习者( 专家) 处于a n d , m o n k 知技能获得 的高级阶段，而低先前知识学习者( 新手) 处于认知技能获得的初级阶段， 高先前知识学习者可能更需要问题来进行练习，样例可能对于处于初级阶段 的低先前知识学习者更重要。 二问题提出 样例与问题的区别是，样例只是要求学生检查一系列的解体步骤是如何 解决问题的，而问题是提供给学生问题情境，然后要求学生填补这些解题步 骤，然后研究者对学生的问题解决提供反馈。a d r i e n n e y l e e ( 1 9 9 8 ) 认为，尽 管样例学习的有效性已得到了普遍证实，但仍存在着一些不足之处 4 5 1 ，表现 为：( 1 ) 样例并不能充分地提供专家如何思考问题的信息，它只展示了专家 思考的结果；( 2 ) 样例不能把学生所需的大范围的技能都表示出来；( 3 ) 设 计合适的具有难度等级的样例非常困难。因此，我们认为样例学习与问题解 决练习进行整合设计会取得更好的效果。 通过前人的研究，我们可以肯定的是，合理组织样例和问题有助于学习 1 2 和问题解决迁移，但是他们使用的样例和问题的组织方式仍然存在有待进一 步探讨的词题。 不完整样例、“样例一问题”对、渐减呈现法和“问题一样例”对这四 种里现方式，总结而言是两种样例和问题的联结方式：从样例到问题、从问 题到样例。在渐减呈现法下，先呈现样例，然后逐渐消除解答步骤，最后只 剩下问题让学生进行解答，从本质上来说是从样例到问题的呈现方式，与 “样例一问题”相似。在不完整样例中，用问号代替解答步骤，然后再给予 解答步骤的反馈，实际上是一种从问题到样例的呈现方式，与“问题样 例”对有异曲同工之处。因此，我们可以把样例和问题联结方式归结为两种： “样例一问题”对和“问题一样例”对。但是以往的研究中很少对这两种方 式进行比较，本研究拟对这两种方式进行研究。 此外，在渐减呈现法下，学习者会不由自主的记忆前面呈现过的内容， 加大了学习者的记忆负荷，而这种记忆负荷属于无关认知负荷，对进行图式 建构无益。因而这种方法还需要进一步改进，尤其是对新手来说。邢强的研 究也发现了渐减呈现样例的情况下学习者产生的自我解释并不是非常理想 的，对样例的理解还不透彻，或者说形成的知识图式还不完全正确，需要诱 发自我解释闱。使学习者对学习材料产生深入的自我解释，必须提高学习者 的相关认知负荷，因此，本研究考察样例、问题联结方式是否能够提高学习 者的相关认知负荷。 在认知负荷理论研究中，通过样例对新手增加相关认知负荷的方式有很 多，例如：在实践中运用样例时，增加可变性或情境干扰等。倘若学习者能 够提供足够的自我解释或激励学习者对问题解决步骤背后的基本原理进行 自我解释，则能够增加相关认知负荷【4 7 j 。但是如果学习者可能缺少必要的先 前知识，要求学习者进行自我解释可能弓l 起无关认知负荷而不是相关认知负 荷，产生“分散注意效应”；若学生已具备很高的先前知识，那么样例中的 解答步骤可能是多余的，这样会产生“冗余效应”。因此，考虑学习者先前 知识是有必要的，它能影响特定策略增加相关认知负荷的效果。但是在以往 的研究中，很少关注学习者的先前知识，因此，本研究考察不同先前知识学 生在不同联结方式下的学习特点。 三研究假设 本研究在综合前人对样例和问题结合研究成果的基础上，我们比较高、 低先前知识学生在不同样例、问题联结方式下对迁移效果和认知负荷的影 响。为了验证前人研究并比较这两种方式的效果，我们结合纯粹的样例学 习和纯粹的问题解决练习来进行研究，因此呈现模式为四种：“样例组” ( 只呈现两个样例) 、“样例一问题”对( 先呈现一个样例，然后呈现一个 相似的问题) 、“问题样例”对( 先呈现一个问题，然后呈现一个相似的 样例) 、“问题组”( 呈现两个问题，学习者在解决完或至少付出努力后， 给予反馈) 。 综合国内外的学者大多数的研究来看，研究的对象大多为大学生，对中 小学生的研究尚不深入，而且从认知发展的角度而言，中小学生与大学生有 很大的不同，尤其是小学生和初中生。因此本文