认知负荷理论 微课

7/22/20231认知负荷理论和教学设计的研究ResearchintoCognitiveLoadTheoryandInstructionalDesignMathematicsDepartment,CapitalNormalUniversitySiqingLian1.综述近年来，越来越多的研究者已经开始关注教育和训练的作用，及不同教学设计策略的效率的研究。一些重要的突破来自于认知科学对学习的心理过程、记忆和问题解决的研究.7/22/20232Cognitiveloadtheory(Sweller,1988;Chandler,&Sweller,1991)描述了一种学习结构。根据信息加工系统的理论，该结构涉及长时记忆系统（能够长时地、有效地储存知识和技能）、工作记忆系统.在信息被注意到后，它可能储存到长时记忆系统或工作记忆系统。工作记忆系统是一个容量有限的、负责信息即时储存和加工的记忆系统.工作记忆的容量是相当有限的，而且在工作记忆系统内的信息的保持时间较为短暂。在一些教学条件下，这些限制将妨碍学习.7/22/20233认知负荷理论的基本原则是教学设计需要更多地考虑工作记忆的作用和它的容量限制.在二十世纪八十年代初期,认知负荷理论的应用已经形成一些有效的教学策略.经过实验证明这些策略比传统的教学策略更为有效.

7/22/202342.Memory2.1Rememberinginformation一些人认为，我们对信息的记忆就是象录像带一样去捕捉信息.实际上，不是这种情况.我们看到和记住的信息依赖于我们已经知道什么和给你呈现的是什么.Lookateachofthefollowing,notewhatyousee.7/22/202352.1Rememberinginformation7/22/20236第一个例子中，尽管每个单词中中央的字母相同，但是多数人阅读'THECAT',这是因为背景知识提供了解释这个符号的信息.2.1Rememberinginformation这个例子中，尽管任意两个字母符号都是不同的，但是多数人把每个符号读成“a”.我们能够读无限个象字母“a”这样的符号，尽管在阅读之前我们不可能看过每个人的书写.我们之所以能够这样做，是因为我们拥有字母“a”的知识.7/22/20237这些例子说明我们能够赋予感觉到事物以意义.人类能够智慧地行为和思考，就是因为我们能够快速地确定呈现刺激的意义.不同的活动（如阅读、驾驶、数学和园艺）的知识都来源于储存在长时记忆系统（long-termmemory）中的知识基础.7/22/202382.2Chunkinginformation当给我们呈现大量的信息，并且要求记住时，将较小的信息单元组合成一个小组通常对记忆是有帮助的.每个小组称为信息的一个组块.

例如，我们经常将电话号码的数字组成两或三个组块，每个组块含有几个数字,而不是将数字简单地排成一行.Thephonenumber3476-2980maybeeasiertorememberthanthesequence34762980.7/22/202392.2Chunkinginformation组块化并不需要以信息单元之间是否具有内在意义或逻辑联系为基础.但是,如果信息单元之间的内在意义或逻辑关系得到识别或应用使得部分信息单元构成组块,那么回忆将得到极大的改善.7/22/2023102.2Chunkinginformation记住一个shopping单子，这个单子已经分成组.

7/22/202311ismucheasiertorememberthanalistofidenticalelementswhicharechunkedintogroupswithoutanyunderlyingstructure,suchas:applessoapbreadbananasshampoopaperorangestoothpastepensjambutterenvelopesapplesbreadsoappensorangesbuttershampoopaperbananasjamtoothpasteenvelopes2.2Chunkinginformation下面将呈现两个句子，每个句子呈现时间为2秒，请设法记住他们的字母排列和空格位置.7/22/2023121.AllfiShenjOycleanwater2.Allfishenjoycleanwater2.2Chunkinginformation第一个句子的记忆较为困难,特别要说明的是在实验中,类似第一句的字母系列和字母间的空格是随机安排的.如果我们不能识别模式或意义,那么我们就不得不依次记住单个字母.然而，如果我们能够确认被打乱的意义，那么记忆信息只要设法记住空格的位置就可以了.

第二个句子的记忆较为容易.因为空格恰好在意义单元之间，因此我们只要记住几个概念就可以了(Allfish,enjoy,cleanwater)7/22/2023132.2Chunkinginformation如果我们具有的知识能够确保我们识别或赋予新信息意义时,那么记住这些信息就变得容易多了.因为要记住的信息与长时记忆系统的信息存在相互联系换句话说,但具有意义的信息被个体识别后,新信息就成为保存在长时记忆系统中知识的一部分.

7/22/2023142.3Themodelofmemory7/22/2023152.4感觉记忆(Sensorymemory)看一看下图的同时,快速闭上你的眼睛几秒中,然后重复做几次.

7/22/2023162.4Sensorymemory只要你一闭上眼睛，你可能会注意到在你的脑海某个地方保留图片的形象，但是这种形象很快会消失.7/22/2023172.5Long-termmemory长时记忆是指以一种较长时间而且可提取的形式的大量的知识和技能.我们的姓名，出生日期和英文字母表，如何阅读，如何书写，如何驾车或游泳，下棋，抓球，及我们“知道”的其他所有东西都保存在长时记忆系统中。在需要时,我们可以提取这些知识(又称知识激活）.我们工作记忆提取长时记忆的有关知识的直接结果就是知识的激活(通过意识）.7/22/2023182.5Long-termmemory知识和技能的激活是自动的。如，边散步边说话，我们可以不需要高度注意的情况下有关知识可以自动激活,即使任务本身有点复杂.7/22/202319Considereachofthefollowingquestions:Question1:你的名字是什么？Question2:英文字母表中有哪些字母?Question3:1992年,在澳大利亚悉尼市Wattle大街，是谁赢得了Lottery彩?2.5Long-termmemory你能够很快地回答前两个问题,但第二个问题比第一个更有趣.第二个问题的答案共有26项,事实上每个人几乎以同样的顺序报告出这26个字母.这说明:我们的长时记忆系统中以同样的字母顺序保持了这些字母.如果要你设法按随机的顺序来说出这些字母,那么你会发现这是一件非常困难的事,甚至是不太可能的事.多数人将很快意识到不能回答第三个问题.我们可能都会立即认识到在长时记忆系统中并没有保持这些信息.也就是说,我们知道“我们不知道这一答案”.7/22/2023202.6Workingmemory工作记忆是注意的部分,它提供给我们的是意识.它是确保我们能够思维(逻辑或创造性），解决问题或表达的媒介.工作记忆与我们将注意力集中到思维的内容或加工的信息.工作记忆最大限制是它的容量.即工作记忆可以同时处理5—9个信息组块(Miller,1956).7/22/2023212.6Workingmemory通过混合呈现信息通道,工作记忆容量可以略微扩展.也就是说，一些信息以视觉呈现，而其他信息以听觉呈现，个体可以注意到比以单一感觉通道（即所有信息是视觉的，或所有信息都是听觉的）呈现更多的信息.如果信息输入超过工作记忆容量，那么一些信息（不是所有信息）将会丢失.7/22/2023222.6WorkingmemoryConsideransweringbothofthefollowingquestionswithoutusingpencilandpaper.

7/22/2023232.6Workingmemory多于多数个体而言，问题1是可以快速而且容易解决的心算问题.问题2只不过是比第一个问题中的数要大一些,但是这个问题几乎是不可能心算解决的.对于这两个问题而言,长时记忆的作用是一致的,即会议所有加法的法则.它们的不同点在于问题2的信息储存和操作超过了工作记忆容量.工作记忆不可能同时处理大量的信息.纸笔应用可以帮助我们解决问题2，这是因为应用纸笔可以有效地减轻工作记忆的负荷，即通过记录我们已经完成加工的结果.7/22/2023243.CognitiveLoadTheory3.1Definitionofcognitiveload认知负荷是指强加给工作记忆的心理活动总量..影响认知负荷的主要因素是个体需要注意元素的总量.7/22/2023253.1DefinitionofCognitiveload依次看下列每个数字串几秒钟，设法记住数字系列。注意记住数字的顺序。7/22/202326Statement1:92Statement2:7953Statement3:39246715Statement4:39259746284671563.1DefinitionofCognitiveload我们可以用要求记住的数字（或元素）的个数作为认知负荷的测量指标。7/22/202327Statement1:92hasacognitiveloadof2Statement2:7953hasacognitiveloadof4Statement3:39246715hasacognitiveloadof8Statement4:3925974628467156hasacognitiveloadof163.2Reasonwhysomematerialisdifficulttolearn前面的活动（活动3.1)是应用广度任务来说明工作记忆存在一个极限,这个极限可能处于4到10之间.7/22/2023281..…要求记住的数字个数是4个或少于4个,对于多数个体而言,这是一件非常容易做到的事.2.....要记住的数字个数介于5到9之间,个体只要付出一定心理努力是可以做到的.3..…如果要记住的数字个数大于或等于10个，对于多数个体而言，这是一件非常困难的事.

3.2为什么有些材料学习存在困难呢?我们要学习的多数信息远比物件简单排列(如,电话号码中的数字,购买物品的单子)要复杂得多.学科领域（如，数学,生物化学，计算机程序）通常认为是难以掌握的学科内容.一个理由是在专业基础知识获得之前，需要获得绝对信息总量比其它学科要多.另外一个关键的因素是在这些学科内容中，知识所含的基本元素（或成分）之间具有很强的相互作用.我们将成分之间的相互作用定义为这些成分是不能单独理解的.这个概念较难理解??7/22/202329Example3.2-ElementInteractivity考察学习外语的任务.多数个体能够很快地学会一些简单的日常词汇，但是生成语法上正确的句子会存在困难。即使这个句子中的所有单词都知道，或熟知的.词汇是成分之间交互作用较低的例子.尽管个体可能学学习几千个单词，但是多数单词可能往往通过与其它单词分离来学习的.因此，为了建立语法上正确的句子，我们必须及时注意到句子中的所有单词，同时要考虑句法，时态、动词的词尾等等.由此可以看到，语法是一个成份间交互作用强的例子，因为我们要获得它，我们必须同时考虑多种成分.7/22/202330Example3.2-ElementInteractivity确定下列两个句子是否正确:7/22/202331Myfathers'brothers'grandfatherismygrandfathers'brothers'son.Myfathers'brothers'grandfatherismygrandfathers'brothers'father.尽管这两个句子中需要考虑的几个成分(即“人”)是相同的,但是考虑这些成分之间的关系是非常困难的.这是一个复杂信息的例子,在这里,这些成分互相联系在一起.由于成分间的交互作用非常强，所以对其意义的加工将会超过工作记忆容量.Example3.2-ElementInteractivityThepartialfamilytreepresentedbelowshowsthatstatement2islogicallypossible7/22/2023323.3Elementsheldinworkingmemoryareschemas一些研究认为工作记忆的有限资源是指在给定的时间内个体能够注意的信息是有限的.活动3.2证明给元素具有较高水平的交互性的信息赋予认知负荷高于元素自身赋予的认知负荷。这是因为个体不仅需要注意各元素，而且需要注意各元素之间的关系。由于工作记忆的负荷，具有较高交互作用的学习材料将增加信息加工的难度。那么什么是元素呢?元素是是图式.所谓图式是一种有组织的心理结构.如当我们稍大一点,我们就有了数数的图式,这时我们就会通过数那些所有看到的东西来丰富这个图式.对于专家而言,单个元素是一个图式,但对于新手而言,可能是由几个子图式.7/22/2023333.3Elementsheldinworkingmemoryareschemas比较下列两个句子7/22/202334heactoegttchedhsda.Thedogchasedthecat.第一个句子是由字母和空格随机组成，它并没有意义，因此每个字母和空格都是单个元素，工作记忆必须记住这些单个元素相比较而言，第二个句子具有明显的意义。一些字母可以组成一个有意义的单词,单词可以形成一个有意义的句子。3.3Elementsheldinworkingmemoryareschemas我们利用已有图式不仅可以将几个元素组合成单个图式,而且建立元素间的关系.也就是说，由几个元素及其关系组成的信息可以合并成单个图式。7/22/2023353.4Intrinsicandextraneouscognitiveload内在负荷（Intrinsiccognitiveload

）：是指由于要学习的内容具有内在困难程度所造成的认知负荷。内在负荷是不能由教学设计来改变的。例如，无论如何呈现，具有复杂关系的内容仍然保留其内在各元素之间的交互作用。外在负荷(Extraneouscognitiveload)

外在负荷是由于呈现信息的教学材料造成的.例如，讲解大陆漂移概念时，应用地图比用文本材料更有效。因为，地图对于概念信息加工而言具有的外在认知负荷更小。对于几何材料而言，图形材料与文本材料相结合的呈现方式比单独呈现的负荷要小。7/22/2023363.4Intrinsicandextraneouscognitiveload通过改变教学材料，我们可以改变外在负荷，从而促进学习。7/22/2023373.4的说明1.当内在负荷较小(即内容较为简单)时,即使教学材料具有较高的外在负荷的条件下,个体也会有足够的心理资源以确保学习的顺利进行.7/22/2023383.4的说明2.如果内在负荷较高（内容具有较高的难度），而且教学材料赋予的外在负荷也很高时，那么认知负荷将超过个体的心理资源，从而导致学习的失败。7/22/2023393.4的说明3.改变教学材料，使得其赋予的外在负荷降低到一个较低的水平上。如果这种外在负荷与内在负荷降到心理资源的限制之内，那么这种教学材料的改变将促进学习。7/22/2023403.5认知负荷理论的基本观点认知负荷理论主要阐述学习过程中的工作记忆的作用。其主要观点有以下四个：

7/22/2023411.工作记忆容量非常有限的.

2.长时记忆的容量是无限的。

3.学习过程需要工作记忆的参与，如教学材料的理解（或加工）需要工作记忆参与。

4.如果学习内容和教学设计使得认知负荷超过工作记忆资源，那么将会导致学习效率的降低。3.6应用认知负荷理论进行教学设计应用认知负荷理论进行教学的基本法则有：7/22/2023421.呈现给学生的学习材料将直接导致非常高的认知负荷（即外在负荷）。重新设计教学材料以降低外在负荷可以促进学习效率的提高。

2.具有高水平的内在负荷的学习内容，可以通过教学设计来改进学习效率。4.认知负荷理论产生的几种效应应用认知负荷理论已经成功地开发出几种可以促进学习的教学设计技术。7/22/202343自由目标效应（thegoalfreeeffect）

有解例题和填空效应（theworkedexampleandproblemcompletioneffect）

注意分散效应（thesplitattentioneffect）

冗余效应（theredundancyeffect）

通道效应（themodalityeffect）4.1自由目标效应手段—目的分析策略是新手常用的策略之一。手段—目的策略是一种减小问题的目标状态和已知状态的差别，所以新手解决问题通常需要不断地注意问题的当前目标状态和已知状态的信息。如果问题对于解题者而言是自由目标的问题，那么解题者只要将注意力集中到已知数据提供的信息,并尽可能地应用这些信息就可以了。类似于专家解决问题的顺向解决问题路径可以降低认知负荷，从而促进学习效率的提高(OwenandSweller,1985;Ayres,1993)7/22/202344例4.1a已知y=x+6,x=z+3,z=6,求y的值.专家的解决问题的路径：将注意力集中到“z=6“，因为z是唯一给定值的未知数。重新阅读问题，确定“z=6”可以代入等式“x=z+3”。从而得到"x=9".重新阅读问题，确定“x=9”可以代入等式“y=x+6”，从而得到"y=15".

7/22/202345例4.1b新手解决问题的路径一位新手（应用手段目的—分析策略会将注意力集中到问题的目标状态（即求y的值).重新阅读问题，他（或她）注意到利用等式“y=x+6”可以求出y的值，因此求x的值成为子目标类似地，重新阅读问题，利用等式“x=z+3”可以求出x的值，因此，求出z的值成为第二个子目标。再次重新阅读问题，他（或她）会发现，z的值可以由已知信息“z=6”中得到。这个值可以代入等式“x=z+3“，得到"x=9".至此，一个真正的新手可能会忘掉为什么需要求x的值。毕竟工作记忆的负荷太大了，因为这种解决问题的策略使得解题者需要注意到问题的多种元素。

7/22/202346例4.1b不过，他（或她）会将x的值代入等式“y=x+6”.这样做就得到“y=15“。这就是问题的目标状态（求y的值）.正如这个例子所述，需要有更大的认知资源才能保证手段目的—分析策略成功的执行。因此，应用手段—目的分析策略的解题者可以解决大量的同类型问题，但是他们不能从解题活动中获益。(Sweller&Levine,1982)。这是因为解题者已经没有更多的心理资源来注意问题的其它信息（如问题的本质结构）。7/22/2023474.2注意分散效应许多教学材料信息具有图像成分和文本成分。如几何的教学材料。传统，图像通常在文本材料的上方、下方或侧面呈现。这样的教学材料呈现方式将导致注意分散效应，因为这样将使得学生既要注意图像又要注意文本材料。同时，单独呈现图像或文本材料不能为学生提供促够的信息以保证材料的理解。只有学生可以在大脑内部将多种信息资源综合成一个整体时，学生才能理解教学材料。就学习过程而言，用于整合图像和文字信息的工作记忆资源通常很难获得，因此学习效率将会降低。7/22/2023484.2注意分散效应思考下面一个数学例子（Sweller,Chandler,Tierney&Cooper，1990).7/22/2023497/22/202350将问题的解答整合到图像中可以使得教学信息的注意资源单一化。这样使得学生不必在图像和文字之间分散注意力。因为文字和图像之间的关系在整合后的教学材料中已经清楚的表明。

7/22/2023514.2注意分散效应分散注意效应在数学领域中广泛存在。实际上在所有需要用图像和文字来传达意义的背景中都存在。7/22/2023524.3分散注意的根源只要学习者需要同时注意两个或两个以上教学资源或活动，学习者的注意力就会被这些资源或活动分散。7/22/2023534.3注意分散的根源例如，多种教学材料的纯文字材料来源同样会导致注意分散注意效应，如果学习者需要同时注意两种以上资源。ChandlerandSweller(1992)证明在阅读传统实验论文过程中注意分散效应的存在，因为传统论文的结论部分和讨论部分是分开的，而要理解复杂的实验结果和它们的意义需要同时注意这两部分。7/22/2023544.3分散注意的根源多种活动的组合在一起也可能产生注意力的分散。例如，当我们学习应用一个软件时，通常我们需要同时阅读使用手册和进行计算机操作。使用手册提供了执行每一项任务的指导，学习者会尝试在学习使用手册的同时，同时在计算机上执行每一个步骤。这种学习软件使用的方法是常见的一种学习方法，但是实验表明我们还有更有效的学习方法7/22/2023554.3分散注意的根源对使用手册做一下简单的修改就避免在学习阶段使用计算机，即用适当的图像和图解来取取代计算机的应用。假如手册上具有所有相关的信息，那么只学习手册的学生应用软件的水平是否会超过应用手册和计算机操作同时进行的学生的水平呢？有意的是，仅学习手册的学生在没有进行软件应用训练的条件下，在计算机上应用软件水平测试的成绩超过了在计算机上已经进行过软件操作的学生的成绩(ChandlerandSweller,1996).

7/22/2023564.3分散注意的根源综上所述，只要学习者需要注意多种信息来源或多种活动，他们的注意就会被分散。分散注意是因为学习者须要在多种信息来源或多种活动中进行信息搜索。如搜索图像以确定图的位置，搜索下拉菜单以找到菜单所指的功能。因此重新设计教学材料以消除信息搜索或分散注意力的信息源可以促进学习。7/22/2023574.4通道效应以上讨论的效应都是强调减少认知负荷的必要性。这是因为工作记忆的限制。历史上，学习的信息加工模型一般都强调工作记忆的限制是不变的。但是一些研究(Pavio,1990;Baddeley,1992)表明：在某些条件下，工作记忆的容量可以得到可以扩展.因此，与减少认知负荷的教学设计策略相反，我们可以采用另一种设计策略，即通过扩展工作记忆容量来促进学习效率的提高。7/22/2023584.4通道效应PavioandBaddeley的研究表明工作记忆的一部分容量专责于视觉信息的注意（特别是图解信息），工作记忆的其余部分则负责听觉信息（特别是语言信息）。然而中央执行系统可以在不同感觉信息之间进行注意资源的分配。将要学习的信息分割成图像（以视觉呈现）和文字材料（听觉呈现）可以促进学习效率的提高(Mousavi,LowandSweller,1995;Jeung,ChandlerandSweller,1997;Tindall-Ford,ChandlerandSweller,1997).7/22/202359例4.4以下这个例子来自于Jeung,ChandlerandSweller(1997)的研究.当两条平行线被第三条直线所截，那么有四对角相等。如图，平行线AB和CD被第三条直线XY所截，那么:7/22/202360例4.4注意:

1.几何图形用视觉呈现，但是文字材料（即角的相等关系）只用听觉呈现.2.图形中的加亮（或闪烁）用于指定听觉信息涉及的图像成分，从而消除图形搜索（即角的搜索）.7/22/202361References7/22/2023621.

Sweller,J..Theeffectoftaskcomplexityandsequenceonrulelearningandproblemsolving.BritishJournalofPsychology.1976,67(4):553-558.2.

Chandler,P.,&Swseller,J..CognitiveLoadTheoryandtheFormatofInstruction.Cognition&Instruction.1991,8(4):293-332.3.

Sweller,J.,&Cooper,G.A..TheUseofWorkedExamplesasaSubstituteforProblemSolvinginLearningAlgebra.Cognition&Instruction.1985,2(1):5