认知负荷理论及其教学涵义*

● 庞维国

认知负荷理论及其教学涵义*

● 庞维国

认知负荷是影响复杂学习的重要因素，它分为内在认知负荷、外在认知负荷、关联认知负荷三类，这三类负荷可以累加，总量超负荷将给学习和问题解决带来困难；业已揭示的认知负荷效应有目标自由相应、解答样例效应、通道效应、冗余效应等12种；在教学过程中，教师应有效调控学生学习中的认知负荷，适度采用真实学习情境和材料，科学设计多媒体课件，同时关注因经验不同带来的认知负荷的相对性。

认知负荷；认知负荷效应；教学涵义

20世纪70年代，随着认知心理学研究的深入，认知学习理论在教学设计中的基础地位日益凸显。在设计教学时，人们普遍遵循两个原则：（1）依据学习过程设计教学过程， 这在加涅 （R．Gagné）和梅耶（R．Mayer）的教学思想中得到充分反映；（2）以学生已有知识及其结构作为教学起点，这在奥苏贝尔（D.Ausubel）和布鲁纳（J.Bruner）的教学理论中得到充分体现。似乎遵循了这两点，我们就“可以用智慧上诚实的方式，教会任何年龄的儿童以任何内容”。[1]然而教育实践中存在的一个不容否认的事实是：即使教学满足了上述两个条件，学生遇到复杂学习任务时，依然会出现明显的认知困难。为了解释这一现象，澳大利亚心理学家斯威勒（J.Sweller）等基于系列研究结果，提出了著名的认知负荷理论 （Cognitive Load Theory）。本文旨在对这一理论作以介绍，并阐述其教学涵义，以期给广大教师带来某些启发。

一、认知负荷理论的基本观点

20世纪80年代，认知心理学家已在如下一些方面达成理论共识：第一，人类的记忆主要包含工作记忆和长时记忆。工作记忆是信息加工的主要场所，其容量极为有限；长时记忆是信息的贮存场所，其容量可视为无限，它所贮存的信息必须被提取到工作记忆中才能被加工。[2]第二，认知加工可分两类：控制加工和自动加工。前者是一个有意识的序列性的加工过程，速度较慢，需要占用注意资源；后者是一个快速的、自动的并行加工过程，可不经意识的控制而发生，几乎不占用注意资源。[3]第三，经过充分练习，所有的认知加工过程都可达到自动化。第四，贮存在长时记忆中的知识是有结构的，图式是知识表征的基本单位。图式建构可把多个元素组织成一个整体，从而减少工作记忆中信息加工单元的数量；图式的自动化水平不同，高度自动化的图式在激活时不需要有意识控制和资源消耗。[4]

认知负荷理论者由此想到：个体从事复杂的认知任务时，由于需要在工作记忆中同时加工多个信息元素，这可能使得容量有限的工作记忆出现超负荷，无法进行有效的信息加工；如果降低每个信息单元所占用的认知资源，那么就可能使得工作记忆释放出足够的容量来完成认知加工；由于图式建构和图式运行的自动化可以降低认知负荷，因而我们可以借助这两种机制来释放工作记忆容量，提升复杂认知任务的完成水平。[5][6]基于这些认识，从20世纪90年代始，认知负荷理论者以实验研究结果为基础，逐步构筑了完整的认知负荷理论。

（一）认知负荷的来源

马克斯、库珀和斯威勒指出，面对既定的认知任务，个体产生的认知负荷主要来自三个方面：一是学习材料的性质。不同性质的学习材料可以带来不同的认知负荷。一般说来，如果学习材料所包含的元素之间的关联度较低，给学习者带来的认知负荷就较低；反之，如果学习材料包含的元素之间的关联度较高，给学习者带来的认知负荷就较高。这是因为，如果元素之间的关联度低，它们就可以在工作记忆中被循序单独处理，无需参照其它信息来源；如果元素之间具有高关联度，尽管其数量可能没有增加，但学习者必须同时将其置入工作记忆中进行加工，这就增加了认知负荷。我们逐个学习英文单词时，之所以感觉相对轻松，就是因为它们之间关联度小，带来的认知负荷低；我们学习英语时态时，之所以感觉相对困难，就是因为反映时态的单词之间具有高关联度。二是学习材料的呈现方式。同样的学习材料以不同方式呈现，将对认知负荷产生不同影响。例如，对于空间关系，如果用图形呈现，它给学生带来的认知负荷就小于文字呈现带来的负荷，因为后一种呈现方式将迫使学生在头脑中建构一个空间关系。三是学习者的已有经验。如果学习者头脑中拥有足够的与学习内容相关的图式，且这些图式达到高度自动化，就会迅速把当前所面对的信息整合进已有图式中，从而减少信息加工单元的数量，降低学习过程中的认知负荷。例如，学习“雷达的工作原理像回声”这一内容时，如果学生头脑中拥有关于雷达的知识，且有关于“回声”的生活体验，就很容易理解二者的相似之处；反之，如果学生头脑中没有关于雷达的图式，也没有体验过“回声”，就会因为认知负荷很高而难以理解雷达的工作原理。[7]

（二）三类认知负荷

根据来源及是否有助于图式建构，认知负荷理论者把认知负荷分为内在认知负荷、外在认知负荷和关联认知负荷三类。

1．内在认知负荷

内在认知负荷（Intrinsic cognitive load）是指由学习材料的难度水平带来的负荷。[8]学习材料的难度可分绝对难度和相对难度两个方面。绝对难度是指它本身的复杂程度，反映在它包含的信息元素的数量及这些元素间的关联度。 例如，相对于“2+2=?”，“2×2+2÷2=？”难度就更高。相对难度是指同样的学习材料在不同知识水平的学习者身上有不同反映。例如，对于刚学习乘除法的小学生而言，“2×2+2÷2=?”有些难度，对于成人来说它则较容易。学习材料的这两种难度，实际上分别对应了学习材料的性质和学习者的经验两个方面。因而我们也可以说，内在认知负荷是由相对于学习者经验水平的学习材料的复杂性所带来的负荷。[9]由于内在认知负荷取决于学习材料的性质及学习者的经验水平，反映了获得某种图式所必须的同时在工作记忆中加工的信息元素的量，所以在既定学习条件下，它较难改变。[10]

2．外在认知负荷

学习材料的呈现方式及其所要求的学习活动，也会带来认知负荷。当这种负荷是不必要的因而干扰图式的获得和自动化时，就是外在认知负荷（Extraneous cognitive load）。外在认知负荷是由与学习过程无关的活动引起的，不是学习者建构图式所必须的，因而又称无效认知负荷（Ineffective cognitive load）。认知负荷理论者认为，外部认知负荷主要由教学设计引起，如果学习材料的设计和呈现方式不当，就容易给学生带来较高的外在负荷，干扰其学习。例如，如关于山脉成因的教学材料，如果单纯用文字呈现，过多的文字叙述会加重学生的外在认知负荷；如果采用示意图加文字描述的方式，学生的外在负荷就会降低，学习效果会更好。由于学习材料的呈现方式可以改变，所以外在认知负荷也可以控制。通过改善教学设计来降低学生的外部认知负荷，是早期的认知负荷理论关注的重点。[11]

3．关联认知负荷

如果认知任务要求较低（带来的内在认知负荷较低），使得学习者还有充分的认知资源可用，这时他就可以投入额外一些认知资源来促进图式的建构。这种在建构图式时不是必须但投入后又有利于图式建构的认知负荷，就是关联认知负荷（Germane cognitive load）。例如，学生听课时做笔记，尽管这增加了认知负荷，但它能促进学习；教师讲课时补充例子，这些例子增加了学生的认知负荷，但有助于概念、原理的理解。与外在认知负荷一样，关联认知负荷也与教学设计有关。良好的教学设计会适度增加学生的关联认知负荷，使之在图式建构中投入更多的努力，寻求更好的信息加工策略，从而提升其学习质量。[12]

（三）认知负荷之间的关系

认知负荷理论者认为，前述三种认知负荷是可以累加的。它们的总和如果超出了工作记忆的总体承载能力，就会使学习陷入困境。由于内在认知负荷是一种基本负荷，除非通过建构另外一些图式或者使先前获得的图式自动化，否则就不易减少。这意味着，借助认知负荷调控来影响学生的学习，其重心应该放在降低外在认知负荷或增加关联认知负荷两个方面：当学习材料带来的内在负荷较低时，如果由教学设计带来的外在负荷也较低，学生认知资源有足够的剩余，就可以通过添加关联认知负荷来促进学习。但如果学习材料带来的内在负荷较高，就要通过降低外在负荷释放工作记忆容量，且尽可能不要增加关联认知负荷，以确保学生有足够认知资源来加工必要信息。[13][14]

（四）降低认知负荷的方法

1．降低内在认知负荷的方法

斯威勒等认为，尽管内在认知负荷对教师来说可能无能为力，但对学生来说，这可以通过两种方式来降低：一是图式的建构，二是图式的自动化。图式建构是指把原本独立的若干元素组织成一个单一元素。例如，学生先学单词，然后学习由若干单词构成的句子，经过练习，句子就在其头脑中成为一个图式。此后，他在英文阅读或写作中就以句子为单位进行信息加工。此时，他加工的信息总量（单词数）没有减少，但因加工单元的数量减少，认知负荷也被降低。图式的自动化意味着信息加工从受控加工转向自动加工，从有意识的努力转向无需有意注意，因而也能够降低工作记忆负担。但是图式的自动化不是自动完成的，它也需要充分练习。我们初学汉字时，要对每个汉字进行有意识的加工。但是经过多年的汉字学习和应用，无论是写字还是阅读，都变得比较轻松，这就是相关图式自动化的结果。[15]

梅耶等则认为，有效的教学设计也可以降低学生的内在认知负荷，这可以通过任务分割来实现。例如，假定学生观看一个配有讲解的关于闪电形成的动画。由于画面内容丰富，且呈现速度较快，学生可能没有足够的时间进行深层次信息加工。但如果在连续的呈现片段之间留一些时间，亦即把呈现材料被分成几个片段，他们就能从每个片段中选择言语和图片，进行充分的认知加工。[16]

2．降低外在认知负荷的方法

认知负荷理论者特别关注如何通过教学设计来降低学生学习过程中的外在认知负荷。在这方面，他们所采取的所有策略，都是以借助实验所揭示的各类认知负荷效应为基础的。本文第二部分重点介绍研究者揭示的认知负荷效应，因而把降低外在认知负荷的方法放在该部分一并讨论。

二、认知负荷效应

目前，认知负荷理论者业已揭示的认知负荷效应有12种，它们都与改善学生的学习有关，故在此逐一加以介绍。需要特别说明的是，下述效应中的前6种，重点回答的是如何减少外在认知负荷。

（一）自由目标效应

当学习目标不太明确或者有多个学习目标时，学习者自行确定目标有助于学习和迁移。这就是自由目标效应（Goal-free effect）。例如，在几何问题解决中，“尽可能多地计算各个角的值”，就比 “计算角A的值”更能促进学生的学习。认知负荷理论者认为，如果呈现的问题伴随明确的终点目标，会导致学生解决问题时把几个条件同时置于工作记忆中，从而加重工作记忆负荷。目标自由可以降低学习者的外在认知负荷，从而促进图式的建构。[17]

（二）解答样例效应

斯威勒等指出，在处理复杂认知任务时，如果向学习者提供已经解答的问题样例，则能有效地提升其问题解决水平，此即解答样例效应（Worked example effect）。一般认为，解答样例能明确呈现解决问题所需的程序，凸显关于图式特征的清晰信息，因而使学生只须注意与图式获得有关的信息，减少尝试错误，从而降低其工作记忆负荷，促进图式的获得和规则自动化。[18]

（三）完成问题效应

使用解答样例的一个主要缺点是学生不去细致地研究这些样例。在这种情况下，解答样例反而容易与要解答的问题混杂在一起，导致认知超负荷。为避免这种情况出现，研究者主张使用只完成了部分解答步骤的问题，然后让学生完成剩余的解题步骤。研究显示，仅为学生提供目标情境和部分解答，然后要求他们完成剩下的解题任务，可以减轻其认知负荷，促进图式的建构和学习迁移，这就是完成问题效应（Completion problem effect）。[19]

（四）通道效应

巴德利指出，工作记忆对视觉信息和听觉信息的加工是分离的，其中的一部分仅专注于视觉信息，另一部分则仅专注于听觉信息。[20]因此，单纯使用一种信息呈现形式，可能只用到部分工作记忆，使其他部分处于闲置状态；而综合利用多种信息呈现形式，则可以提高工作记忆的使用量，增进学习效果。这就是通道效应（Modality effect）。梅耶等以两种呈现方式让学生学习汽车刹车系统、发电机等的工作原理：一种方式只以文本形式呈现相关内容，另一种方式是文本辅以解释性图片。结果显示，在后一种呈现方式下，学生的保持和迁移测验成绩更好。[21]

（五）注意分离效应

许多教学材料既包括图片信息又包括文字信息，而且图片与相关文字一起呈现。实践表明，这两种信息适当整合有利于学习。但学生同时注意两个或更多信息来源，也会使工作记忆负荷加重，导致注意分散、学习质量下降。这就是注意分离效应（Split-attention effect）。詹德勒和斯威勒的研究表明，由于结论和讨论部分分离，但又必须同时考虑这两部分以理解结果的复杂性及其含义，学生在阅读实验报告时产生了注意分离效应；而通过整合结果和讨论部分，重新组织实验报告，则可以消除注意分离效应。[22]

（六）冗余效应

冗余效应（Redundancy Effect）发生的情况是：信息可由多种方式来呈现，但单凭一种呈现方式就足以传达这些信息，此时如果将相同的信息以多种方式同时呈现，学习者就会将冗余的信息同时进行加工，导致外在认知负荷增加，降低学习质量。梅耶等在闪电形成过程的学习实验中发现，图片加简要文字说明这种呈现方式，比图片加全文的呈现方式更有利于学生的学习。[23]这意味着，教师在呈现学习内容时，如果发现某些信息对学生学习来说不是基本的——即是冗余的，最好把这些信息省略。

（七）想象效应

学生面对一个要学习的程序或概念时，在头脑中想象这一程序或概念，其学习效果要超出仅被要求学习这一程序或概念，此即想象效应 （Imagination effect）。传统上，想象效应的发生被视为心理练习的结果。认知负荷理论对此的解释是：当学习者想象信息时，会加工工作记忆中的相关图式，进而促进长时记忆中图式的建构和自动化。[24]

（八）元素关联效应

元素关联效应（Element interactivity effect）是由想象效应衍生出来的一种认知负荷效应，它是指：当学习材料具有高度的元素关联性时，想象效应发生的可能性越大；当学习材料具有低元素关联性时，想象效应不易发生。这是因为，低元素关联性学习材料比较简单，其中的信息可以不借助特定辅助策略而进入长时记忆；相比之下，加工复杂的高元素关联性的材料时，采用促进信息同化的策略（包括想象策略）就变得比较重要。[25]

（九）分离关联元素效应

分离关联元素效应（Isolated interacting elements effect）发生的情境是：以一种分离的方式逐次呈现具有关联性的信息元素，比一次性地呈现所有相关联的元素更能促进学习。研究显示，当学生缺乏相关背景知识时，采用分离关联元素的教学方法会使其更佳；而当学生具有丰富的背景知识时，采用保持元素关联的教学方法会使其学习更加受益。认知负荷理论者认为，新手之所以在分离关联元素条件下学得更好，是因为这种逐步学习的方式降低了其内在认知负荷；而老手之所以在这种条件下学习不佳，是因为按序加工信息不必要地消耗了其认知资源。[26]

（十）专长逆转效应

教学方法的有效性会随学习者经验的增加产生逆转。有时候，对于低经验水平的学生卓有成效的教学方法，用于高经验水平者会失去效果，乃至产生消极影响。此即专长逆转效应(Expertise reversal effect)。专长逆转效应的发生，是因为经验丰富者业已拥有充分的相关图式，相关图式更为自动化，从而使其在面向低经验水平者的教学中，加工更多的冗余信息，给工作记忆带来不必要的负担。卡尔于格等发现，采用解答样例法训练缺乏经验的学徒效果很好，但对于有经验的学徒则效果较差；而让后者在解决问题中学习，效果会更好。[27][28]

（十一）指导渐减效应

指导渐退效应(Guidance fading effect)是指：伴随学生相关知识的增加，通过逐步减少问题解决指导，提高问题解决要求，他们省出的工作记忆容量就可用于应对逐步提高的要求。也就是说，随着专门化知识的增多，相应知识存储在长时记忆中，降低了对工作记忆的要求，从而释放出更多工作记忆容量用于问题解决。研究业已显示，与持续地运用同样的解答样例相比，逐步减少解答样例有助于提升学生的问题解决水平。[29]

（十二）变式效应

变式效应（Variability effect）是指在问题解决练习中，变换不同的问题状态和情境，虽然增加认知负荷，但能促进学习迁移。这是因为，问题情境的变化有助于学习者识别问题及其解答方法的共同特征，分辨其中的无关特征，从而有助于图式的建立和自动化。奎里斯和梅耶发现，当学生面对形式多变、强调结构的统计应用题时，对相关统计概念和原理的学习效果更好。[30]变式效应的产生，显然是关联认知负荷增加的结果。

三、认知负荷理论的教学涵义

如前所述，早期的认知负荷理论关注的是如何减少学生学习中的外在认知负荷，但减少内在认知负荷的技术实现突破后，它的重心就转变为如何把学习者的认知负荷调整到合适水平，以便于学生合理地利用有限的认知资源，达成最佳学习效果。根据已有的研究成果，我们可以把认知负荷理论的教学涵义归纳如下：

（一）有效调控学生的认知负荷

有效调控学生的认知负荷，就是要注意其内在认知负荷、外在认知负荷和关联认知负荷三者之间的累加关系，使之不要在学习过程中出现认知超负荷现象。根据三类认知负荷的来源、属性及相互关系，我们可以把这一任务分解为三个方面，亦即：减少内在认知负荷，减少外在认知负荷，适度增加关联认知负荷。

杰耶兹等人指出，在某些学习情境中，学生所承载的外部认知负荷与关联认知负荷难以截然分清。对教学设计者来说，最好是先关注内在负荷的减少问题。在系列以样例为基础的学习实验中，他们把教学方式从传统的关注问题类型和整体解答方法，改变为把问题解答方法分解成若干更小的可以分别传授给学生的解答要素，从而减轻了学生的内在认知负荷，改善了其学习效果。[31]万·麦林波尔等进一步指出，降低内在认知负荷有两种技术：部分—整体任务法和整体—部分任务法。部分—整体法是指面对复杂学习任务时，分两步进行教学。第一步是将所有信息分解为部分，让学生按序列进行学习。在第二步，把所有的信息同时呈现，让学习者同时加工。研究发现，这种方法对经验不足的学生学习问题解决内容很有成效。整体—部分法正好与部分—整体法相反。它在教学开始时先呈现高元素关联性的材料，但是学习任务是让学生关注元素的关联性，对学习任务形成整体印象；接下来是通过解答样例让学生关注正确解决问题的每一步骤（解答样例效应），通过完成部分解答了问题习得相关知识技能（完成问题效应）。研究者认为，尽管这两种效应在早期用来降低外在认知负荷，它们恰当组合也可以降低内在认知负荷。[32]

根据斯威勒等人的观点，减少外部认知负荷，应该重点关注本文第二部分所讲的前6种效应。这包括：借助系统的教学设计，有效利用自由目标效应、解答样例效应、完成问题效应和通道效应，避免同时呈现多种信息元素给学生的工作记忆带来不必要负担；在作业、试卷、教学课件中合理安排图片、文本的位置，使之整合在一起，消解注意分离效应；认真筛选学习材料，精简学习内容，避免冗余效应出现。[33]

认知负荷理论者认为，通过减少外在负荷来释放认知容量并非是有效教学的充分条件；在总体认知负荷不超载的情况下，增加关联认知负荷更有助于学习和迁移。增加关联认知负荷可借助三种效应：一是变式效应，亦即变化问题情境，让学习者在多种问题情境下练习问题的解答步骤；二是想象效应，亦即随着引导学生想象概念或问题解决步骤；三是自我解释效应（Self-explanation Effect），亦即引导学生对相互关联的信息元素之间的关系做出自我解释，以此来促进其理解和学习。[34]

（二）适度采用真实学习情境和材料

在当前流行的学习理论中，无论是建构主义学习论还是情境学习论，都特别强调真实学习情境和材料的重要性。诚然，学习具有一定的情境性；利用真实材料，在真实情境中学习，有利于学生体验到学习与真实生活世界的关联，有利于所学知识、技能向真实世界迁移。[35]但从认知负荷理论角度看，真实材料和情境中隐含的丰富信息，对于有效学习所需的认知加工并非都是必要的。过分强调情境的真实性，使太多不必要的信息掺杂在学习情境中，会导致学生不能将注意集中于与任务或图式相关的信息上，增加其外在认知负荷，损耗其可用于处理有效信息的认知资源。研究发现，真实性的学习材料会在一定程度上干扰学生从中抽取深层原理；在丰富的情境中，学习者很少根据事物的抽象关系，而往往根据其表面属性作出反应，这会阻碍深层信息的提取，使抽象概念的理解和学习变得困难。[36]

（三）科学设计多媒体课件

认知负荷理论者揭示的若干认知负荷效应，对教师设计多媒体课件也有重要指导意义。首先，根据通道效应，应尽可能均衡使用学生的视觉和听觉通道。如果画面和语词材料都以视觉形式 （如动画或文本）呈现，就会出现听觉言语通道闲置而视觉表象通道负荷过重的情况。如果语词以听觉形式（如教师讲解）呈现，视觉通道就可以只用来加工画面，这样就出现听觉和视觉通道信息加工的平衡，实现工作记忆容量的充分利用。其次，根据注意分离效应，设计多媒体课件时，应尽量考虑文字和图画置放于同一张幻灯片上，避免二者分离带来的注意分散；如果可能，最好把描述图表的文字整合到图表之中，减少学生因对图表意义进行不必要的猜测而带来的额外认知负荷。第三，根据冗余效应，在多媒体课件中应尽量少用有趣但无关学习的文字和画面，以避免信息冗余而增加学生的外在认知负荷。第四，由于工作记忆容量仅为7±2个单位，在每个页面上呈现的内容不宜过多，所列的内容条目最好控制在9个以内，以免这些信息元素同时加工超出学生的工作记忆容量。

（四）关注认知负荷的相对性

认知负荷理论者指出，减少外在认知负荷，在一定程度有助于学习和问题解决，但这并非意味着要把学生学习过程中的认知负荷降低到最小程度。研究业已证实，在认知负荷的两极，无论是负荷过低还是过高，都会使学习成效降低。[37]因此，当学习情境具有低信息加工需求时，通过挑战学生、增加认知负荷，可以提升学习的效果；当学习情境具有极高的负荷要求时，应把认知负荷降低，使之达到更易于管理的水平。[38]另一方面，同样的认知任务对于不同学习者具有不同的认知负荷含义。对一名新手来说，某种认知负荷可能是关联负荷；但是对专家来说，可能就是外在负荷；对于缺乏经验的学生来说有助于图式建构的信息，则可能阻碍高经验水平学生的学习。因而在教学设计过程中，教师应把学习者分析和学习任务分析整合起来，以适度信息数量向学生呈现知识。[39]

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*本研究得到上海市浦江人才项目、华东师范大学心理与认知科学学院理科基地项目资助。

庞维国/华东师范大学心理与认知科学学院

（责任编辑：张 斌）