认知负荷理论概念

1、认知负荷理论认知负荷理论是由澳大利亚新南威尔士大学的认知心理学家约翰斯威勒(JohnSwdler)于1988年首先提出来的，它 以Miller等人早期的研 究为基础。认知负荷理论 自被提出以来，得到了世界各地研究者的诸多研究。本文欲对最新的认知负 荷理论做一介绍，并总结分析其这些年来的发展情况。一、认知负荷理论1 人类的认知结构认知负荷理论 假设人类的认知结构由工作记忆和长时记忆组成。其中工作记 忆也可称为短时记忆，它的容量有限，一次只能存储59条基本信 息或信息块。当要求处理信息时，工作记忆一次只能处理两到三条信息，因为存储在其中的元素之间的交互也需要工作记忆空 间，这就减少了能同时处理的信

2、息数。工作记忆可分为“视觉 空间缓冲器”及“语音圈”。长时记忆于1995年由Ericsson和Kintsch等提出。长时记 忆的容量几 乎是无限的。其中存储的信息既可以是小的、零碎的一些事实，也可以是大的、复杂交互、序列化的信息。长时记忆是学习的中心。如果长时记忆中的内容没有发生变化，则不可能发生持 久意义上的学习。认知负荷理论 认为教学的主要功能是在长时记忆中存储信息。知识以图式的 形式存储于长时记忆中。图式根据信息元素的使用方 机制，可以减少工作记忆负荷。图式可以是任 当作一个实体来看待。子元素或者低级图式可 记忆空间。图 式的构建，使得工作记忆尽管处式来组织信息，它提供知识组织和存储的

3、何所学的内容，不管大小，在记忆中都被 以被整合到高一级的图式，不再需要工作理的元素数量有限，但是在处 理的信息量上没有明显限 制。因此，图式构建能降低工作记忆的负荷。图式构建后，经过大量的实 践能进一步将 其自动化。图式自动化可为其它 活动释放空间。因为有了自动 化，熟悉的 任务可以被准 确流利地操作，而不熟悉任务 的学习因为获得大限度的工作记 忆空间可以 达到高效率。为了构建图式，信息必须在工作记忆中进行处 理。在信息以图式形式存储到 长时记 忆中之前，信息的相关部分必须在工作记忆中提取出来并进行操作。 工作记忆的负荷受 来自材料的内 在本质、材料的呈现形式及学生 的活动的影响。长时记忆中的

4、 图式是一种知识框架，在学习新 的材料时，具有中央执行官能 。在学 习新材料时，如果能从长时记忆中获取这类知 识框架，材料就可以通过知识 框架所提供 的方法来进行 学习；如果不能获得关于这些材 料该如何组织的知识框架， 则得采取随机学习的方式。除了个体本身存于长时记忆中的图式以外，其他人所习得的知 识在个体的学习过程中可也充当中央执行者。2 认知负荷理论认知负荷是表 示处理具体任务时加在学习者认知系统上的负荷的多维结构。 这个结构由反映任务与学习者特征之间交互的原因维度和反映心理负荷、心理努力和绩效等可测性概念的评估维度所组成。cu中鉴定的任务特征为任务形式、任务复杂度、多媒体的使用、时间压力

5、及教学步骤。相关的学习者特征由专业知识水平、年龄、空间能力组成。心理负荷 是认知负荷中源于任务和主体特征交互的方面，它由我们当前 关于任务的知识和主体特 征来决定，它是预期的认知空间需求指 标，被看作是认知负荷的先验估计 心理努力是知 认知负荷中实际分配的用于容纳任务所加需求的认知容量方面 。心理努力在学习者学习 时测量。绩效可通过学习者的成绩来说明，如测试中答对题的数量、答错题的数量及所 用的时间等。学习者所支付的 努力的强度是获得可靠认知负荷估计的要素CLT认为有三种类型的认知 负荷：内部认知负荷，外部认知负荷和关联认知负荷由于元素间交互形成的负荷称为内部认知负荷 者的专业知识之间的交互，

6、教学设计者不能对 内部认知负荷 的额外负荷，它主要是由设计不 年提出，是指与促进图式构建和图式自动化过，它取决于所要学习的材料的 本质与学习它产生直接的影响。 外部认知 负荷是超越当的教学引起的。关联认知负 荷于1998程相关的负荷。外部认知负荷 和关联认知负荷都直接受 控于教学设计者。 三种类型的认 知负荷是相互叠加的。 为了促 进有效学习的发生，在教学过程中应尽可能减少外部认知 知负荷不超出学习者个体能承受的认知负荷。负荷，增加关联认知负荷，并 且使总的认认知负荷理论 把人类的认知与生物的自然选择进化过程相比拟，作了如下假设:(1)教学的目的是在人类的长时记忆中建立知识；(2)处理新信息时

7、有限的工作记忆是确保存储的大量信息发生微小但总是增加的变化的机制；(3)因为不能获得已经组织好的信息，变化是随机的，大的随机变化不可能生效(4)鉴于没有确定变化本质的中央执行官能，随机而非预设 的变化是不可避免的。 认知负 荷理论认为适当结构的教学应把 这些内 容都考虑在内，提供中央执行官能，删除不必要的随机变 化，从而促进长时记 忆的改变。教学允许其他人的长时记忆取代随机发生的变化和有效性测试，即执行中央执行官能认知负荷理论 提供了促进教学中央执行官能使用的结构化教学效应。 世界各地的研究者提出了大量的 这类效应，这些效应可归纳如下 ：二、教学效应及其描述1. 目标自由效 应 用目标自由的题

8、目来代替为2. 样例效应 用已经解决好的样例代替传统的3. 完成问题效应用待完成的问题来代替传统 其余的由学习者来完成4. 分散注意力效应用一个整合的信息源来代字）5. 形式效应用口头的解释文本和视觉信息源 觉信息源（单一形式）6. 想象效应让他们想象或心理练习材料来代7. 独立交互元素效应在呈现元素高交互性的 元素，然后再呈现完全的材料8. 元素交互效应当使用低元素交互的材料时 用高元素交互时，他们又重现学习者提供特定目标的传统题目问题，这些样例必须认真学习的问题，在问题中提供部分解决方案替多种信息源（经常是图片并伴有文（多种形式）代替书面文本和图 表等视 替传统的附加学习材料时，先给学习者

9、呈现一些 独立的 ，想象效应等教学效应消失， 而当使 任务呈现的方式、定义特征的显著性9. 变式效应在不同变量情况或增加可变性及 任务操作的上下文情境等情况下10. 进行练习专业知识反效应当对新学习者来说很有效的教学方法在学习者获得更多的专业知识时无效甚至产生相反的效果11. 指导隐退效应 随着基于知识的中央执行者的发展，基于教学的中央执行 者逐步隐退（fade）随着专业知识的增加，完整的样例 可由部分完成的样例来代替：而随着专业知识的进一步 积累，部分完成的样例可由问题来代替12. 冗余效应 用一种信息源 来代替多种自洽（即他们能被独立理解）的信息源其中，专业知 识反效应、冗余效应、想象效应

10、是针对具有定专业知识的学习者而言的；样例效应、分散注意力效应、形式效应则是针对新手而言的。世纪80年代提出。CLT理论从认知结构入手考虑教学设计，为教学设计提供了一种新的理论视角。本文对认知负荷的内涵、类型做了详尽描述，并对20世纪90年代以来CLT的研究进行了系统回顾，以期对当前的教学改革和实践产生借鉴意义。一、CLT简介（一）认知负荷的内涵 认知负荷是在某种场合下施加到工：作记忆中的智力活动的总的数量，对认知负荷起主要作用的是工作记忆必须注意的内容数量。认知负荷与教学设计、学习绩效有重要关联。教学过程中，认知负荷过低， 会造成时间浪费；认知负荷过高，又会阻碍学习者的信息加工活动：教学的理想

11、模式是学习者可以满负荷 工作。因此，教学设计的目的就是为了能够帮助学习者顺利开展学习活动，即用最少的心理资源获取最多 的知识。（二）CLT的理论基础CLT主要吸收和利用了现代认知心理学关于工作记忆和注意的研究成果。工作记忆是完成认知活动的基本成分，是意识的焦点。外界信息只有进入到工作记忆中，才能被加工 和认识。但工作记忆只能同时加工 7 个左右的信息组块，而且其负有加工、组织、比较等任务，工作记忆 只能同时记住 2-3 信息组块。如果同时进入工作记忆的信息组块超过数量限制，记忆容量就会超载，信息 加工活动就会受阻或根本无从开展。注意最基本的特征是选择性。学习者在学习过程中，会出现许多无法预测的

12、额外认知活动，这势必会 分散学习者的注意力， 而注意大量信息无疑又会加重认知负荷。 集中注意对某些信息进行深度、 细致加工， 工作记忆中的目标信息会相应地减少，而工作记忆中的信息超载问题实质上就是注意资源分配不足问题。 工作记忆容量的有限性和可同时利用心理资源的有限性，决定了存在着认知负荷问题的存在。二、认知负荷的种类及其含义（一）原生性认知负荷（ intrinsic cogntive load ） 学习者加工的信息类型和信息结构会随情境的不同而变化，但组成信息的元素之间交互性是学习材料的关键特征。低交互性的学习材料，在不考虑其他因素的情况下，就能被理解和学习；高交互性的学习材 料只有学习某个

13、元素并同时理解元素之间的相互关系，才会真正理解所学材料的意义。原生性认知负荷是由学习材料的内在特性即材料内部元素的交互性水平决定的。因此，原生性认知负 荷是教学设计所无法改变的。但需明确的一点是，原生性认知负荷与学习者未掌握适宜的图式有关。图式 是根据信息的功能及其用途规范化或类别化的信息单元，图式可以是学习过的任何知识结构或所学信息组 成的任何知识结。一个图式可以储存大量信息，并且图式可以从长时记忆提取到工作记忆中，在工作记忆 中作为一个信息组块予以加工。显然，图式的自动化及其无意识加工能减少工作记忆负荷。尤其是在学习 复杂材料时，要求更多认知资源的参与及对材料的构成元素间不断地相互链接，此

14、时建构充分且丰富的图 式更为重要。（二）无关性认知负荷（ extraneous cognitive load ） 无关性认知负荷是教学设计的缺损造成的额外的认知加工活动所致。许多传统的教学设计程序往往易导致无关性认知符合的产生，因为这些教学设计程序没有考虑到学习材料的结构和学习者的学习风格。研 究无关性认知负荷在原生性认知负荷较高的情况下具有较高的价值。原生性认知负荷较低，总的认知负荷 一般不会超过工作记忆总的容量，学习活动可以顺利进行；只有原生性负荷较高的前提下，试图减少无关 性认知负荷的教学设计才更为有效。（三）相关性认知负荷（ germane cognitive load ） 与无关性认

15、知负荷相似，相关性认知负荷同样受到教学设计的影响。但无关性认知负荷对学习起干扰 作用，而相关性认知负荷能够对学习起促进作用。教学设计的本质就是由无关性认知负荷向相关性认知负 荷转变，控制好学习者的无关性认知负荷，增加学习者的相关陛认知负荷，同时保证总的认知负荷在工作 记忆容量允许的范围内。 从建构主义关于学习的理论来看， 相关性认知负荷与学习者能力的发展密切相关。 一方面利用样例的变化及提升创造力的教学设计，能够帮助学习者用相关性认知负荷代替无关性认知负荷， 减少额外的认知加工活动；同时更为重要的是对相关性认知负荷的关注，能够多快、好省地提高学习的绩 效，提高学习者的自我效能感。三、CLT研究

16、的新进展20 世纪 90 年代以来，认知负荷的研究对教学设计产生了深远的影响。特定目标效应、样例效应、图 表效应、注意分散效应、冗余效应、感觉道效应是这一领域最新的研究成果。 CLT 有以下四种主要研究趋 势：（一）专家与新手差异比较对 CLT 教学设计的启示 随着教学设计对专家型学者的关注，认知负荷研究中更为活跃的领域开始出现。教学设计开始注重学习者专业水平的增加，帮助学习者实现从新手到专家的转变。但这类教学设计可能存在反向效应，即那些 对于新手的教学技术、教学策略，当用于有着更多学习经验的专家型学习者时，可能效果并不明显甚至不 会产生任何效果。大量的认知负荷研究开始反思，随着学习者知识的增

17、加，教学设计应当做哪些改变?Kalyua 、Ayres 和 Cnandler 研究了不同水平学习者的认知负荷效应。 在他们看来， 许多教学设计构思 时，并没有考虑到学习者的实际知识水平。 Kalyua 等人通过观察大量的教学技术和技能习得之间的关系， 提出了“技能颠倒效应”即适用于新手的教学设计对专家会起反作用，并在CLT 的理论框架下对此效应给出了合理解释。（二）脚手架和样例在改变认知负荷中的作用Merrienboer 、 Kirschner 和 Kester 主张给学习者呈现现实型的学习任务，尽管这种任务处理起来比 较复杂，会给只具备少量图式信息的学习者施加过重的认知负荷。他们建议考虑两种

18、不同形式的脚手架在 改变认知负荷中的作用。原生性认知负荷可以通过连续呈现简单一复杂任务的脚手架减少；无关性认知负 荷可以通过最初提供样例，随后接着呈现填空题，最后到整个题目的脚手架来减少。Merrienboer 等人主张信息的呈现时机同样应成为认知负荷重要的研究领域。学习材料呈现时机的不 恰当，无疑会增加学习者的认知负荷。 他们认为普遍性、 贯穿性和支持性信息要在一开始就呈现给学习者， 这样有助于学习者建立始终围绕任务的图式；对于特定性的程序性信息在需要的时候呈现即可。样例的运用是最早、 也是最为人熟知的减少认知负荷的技术。 Renkl 和 Atkinson 特别关注样例在解决 特定问题中的作

19、用以及这种作用随着学习者知识增加会发生怎样的改变。在学习的初期阶段，只有少量的 图式信息适合材料的学习， 原生性认知负荷比较高， 学习者必须学习有关的指导和说明； 学习的中期阶段， 学习者获得了图式信息，解放了一部分工作记忆容量，这时学习者可以通过样例的学习及自我解析来增加 相关性认知负荷；学习的后期阶段，学习者就会有充足的工作记忆容量来解决更多的问题。（三）学习者因素与认知负荷的产生Geriets 和 Scheiter 关注学习者在教学中的作用和学习者因素与认知负荷的产生。 通常 CLT 假定学习 什么内容及学习方法是由指导者而非学习者做出决定的。已有研究表明，随着学习者专业知识的增加，应 当减少指导者的控制，加强学习者控制：将注意必要信息和加工处理信息的权力交给学生，最终使他们在 没有教师指导或提示的情况下完成学习任务。传统的 CLT 认为，教学设计及其带来的无关性认知负荷、相关性认知负荷存着对应关系，并没有 考虑中介变量如学习者的学习风格、学习目标的作用。 CLT 扩展研究