认知负荷理论：教学设计原则与策略——兼谈在健康专业教育中的应用

杰伦J.G.范梅里恩伯尔,约翰·斯维勒钟丽佳,盛群力,译

(1.荷兰马斯特里赫大学；2.澳大利亚新南威尔士大学；3.浙江大学教育学院，浙江杭州 310028)

认知负荷理论：教学设计原则与策略
——兼谈在健康专业教育中的应用

杰伦J.G.范梅里恩伯尔1,约翰·斯维勒2钟丽佳3,盛群力3,译

(1.荷兰马斯特里赫大学；2.澳大利亚新南威尔士大学；3.浙江大学教育学院，浙江杭州 310028)

首创于20世纪80年代并在不断蓬勃发展的认知负荷理论，对人的认知架构提出了新的假设。处理感觉记忆和长时记忆获得的信息，工作记忆的容量限度是不一样的。图式建构和图式熟练是学习过程的两种基本样式，由此需要做到减轻外在认知负荷、调控内在认知负荷和优化相关认知负荷，这也是教学设计的总体要求。通过各种研究加以总结提炼的15条教学设计原则与策略，为提升健康教育乃至其他专业教育的教学效能提供了新的视野。这些原则与策略随着学习者经验和专长的积累，会产生“反转效应”。

认知负荷理论;综合学习设计；教学设计原则；专业教育

一、引言

认知负荷理论(CLT)首创于20世纪80年代。[1]通过严格控制的实验研究，该理论旨在基于一种人类认知架构的模型提出教学设计的原则和策略。起初，很多一线教学工作者认为CLT提出的教学设计原则是违反直觉的。例如，向新手学习者提供大量工作样例而非亟待解决的问题，这和当时盛行的观念是相互矛盾的，那种观念认为解决问题的实践是学会解决问题最好的办法。在20世纪80年代之后，这一理论又得到了进一步深化(参见作者相关的综述)。[2][3]为了防止认知资源用于任务无关的层面，世界各地众多的认知理论家提出了各种基本的教学设计策略，着手思考如何应对更复杂的学习任务，如何激发学习者真正利用可获得的认知资源，以及如何在一个较长的学习过程中考虑学习者专门技能日渐成熟的因素。

CLT在医学教学中的应用正在崭露头角。[4][5]此外，健康专业的教学方式越来越强调运用真实的任务，以期帮助学生整合知识、技能和态度,这是在专业生涯中有效地完成任务所必经之路。[6]基于现实生活中的任务所设计的真实学习任务，实际上有多种不同的解决方案，通常难以在短时间内一下子全部掌握的。鉴于CLT可能与掌握简单的任务无关，这一理论在综合学习任务中发挥了举足轻重的作用，因为这类任务对学习者的认知系统施加了较重的负荷。[7][8]

所以，本文所讨论的基于CLT的教学设计指南，是同诸如健康专业之类的综合任务教学密切相关的，尤其当真实的学习任务是课程内容中不可或缺之要务时更是如此。本文首先将讨论CLT的认知架构，然后具体说明基于这一架构提出的主要教学设计原则和策略，并对相关的问题加以讨论。

二、认知架构

认知负荷理论假设人的大脑存在着一个认知架构，这在认知心理学领域得到了广泛的研究证实，并且能从进化论的角度予以解释。[9]从记忆系统、相应的学习过程和相关的认知负荷类型来对认知负荷理论作一概述。

(一)记忆系统

认知负荷理论认为：在人类认知系统中，工作记忆容量很有限，只能存储5-9个信息组块(即著名的“7±2”公式)，[10]能够同时加工的信息不超过2-4个组块。人类有能力在几秒钟内处理信息，但是除非通过复述来得以重现，否则所有的信息在20秒之后都会消失。该理论强调工作记忆容量和持续时长受限只能应用于通过感觉记忆获取的新信息。当处理从长时记忆中提取的信息时，工作记忆的容量不受限制。实际上，正是长时记忆改变了工作记忆的特征。长时记忆中的认知图式因复杂程度和熟练程度的不同而产生变化。人的专长来自于由这类图式有机组织而成的知识，而不是重在对那些在长时记忆中并未得到有效组织的信息进行思考的能力。人类的工作记忆实在是没有能力处理那么多信息。

当学习者有意把简单的观念同复杂的观念相融合时，专长才随之不断增长。例如，一个医学专业的学生，逐渐将有关患病后果、引发条件和病症的简单认识融入所谓的“病案脚本”(这是用来表征某种特定类型图式的一种称呼)，对帮助大家区分相似病症很管用。在问题解决和推理的过程中，可以对“病案脚本”加以解释，从而得出准确的诊断。这些图式能够将知识组织起来，但同时又能大大减少工作记忆负荷，因为即便是非常复杂的图式，在工作记忆中依然是作为单一要素处理的。

完全自动化的图式发展是通过大量操练才得以实现的，也是作为一种十分有力的和有机结合的信息或知识发挥作用，这类知识需要在工作记忆中得以加工。在这种情况下，工作记忆容量是无限制的。例如，当患者出现“暖休克”病症时，一位经验丰富的医生一眼就可以看出是心脏输出量的再次分配出了问题。相比之下，如果缺少基于图式的核心处理能力，工作记忆的容量就会受到限制。因此，对于一个医学专业初学者而言，一位暖休克患者仅仅只是表现了一些零散无序的症状而已。

(二)学习过程

面对全新的、未经组织的信息，工作记忆容量显然要受限。因为，随着需要组织的信息成线性增长，就会有越来越多的信息结合需要在问题解决的过程中得到效果检验。出于组合激增的缘故，基于众多信息不同的结合可能，其效果是无法通过随机测试得以检验的。这一信息组合急剧增长所导致的问题，只有通过严格限制需要同时处理的信息单元数量来得以解决。这就是学习过程中的“图式建构”和“图式熟练”，它们确保了在长时记忆中的信息得以有机组织。我们可以在问题解决过程中通过以下方式来完成图式构建：如把各种信息结合起来(即“组块化”)， 将新信息融入长时记忆中已有的图式中，以及更普遍的做法是获取他人已经图式化的信息。因此，图式能够作为工作记忆中的单一要素，这样就大大减轻了与完成后续任务相关的认知负荷。

已建构的图式如果不断地加以应用并获得预期的结果，那么就会实现自动化。就像图式建构一样，图式熟练也可以为其他活动腾出工作记忆容量。因为自动化的图式具备了核心的处理能力，可以直接控制行为且无需在工作记忆中加工。由于自动化本身需要大量的操练，所以，自动化图式只能针对那些在各种任务情境中都需要保持一致的业绩表现，例如像操作医疗设备的程序和使用应用软件的标准程序。因而，从教学设计角度来看，精心设计的教学不仅要鼓励图式建构，还要能支持那些在各种任务情境中都需要保持一致的业绩表现形成图式熟练。[6][11]

(三)认知负荷类型

新信息必须在工作记忆中得以加工以便能在长时记忆中进行图式建构。如何能轻松地在工作记忆中加工信息是CLT关注的焦点。工作记忆负荷可能会受到下列因素的影响：学习任务的原生性质(内在负荷)、任务呈现的方式(外在负荷)和在处理内在负荷时实际发生的学习行为(相关负荷)。

如果学习任务(如简化版)和学习行为本身不发生变化，内在认知负荷不会因为教学干预而改变。这取决于在工作记忆中需要同时加工的信息的数量，而这个数量又是取决于学习材料或任务的元素交互性。元素交互性指的是需要学习的要素在孤立的情境中是否能够得以理解的程度。例如，在语言学习领域，习得词汇就是元素交互性较低的一个实例。尽管需要掌握大量的词汇，但是大多数人都可以很快地记住简单的单词，因为这些词和其他单词没有交互联系。相反，精通语法却是元素交互性高的一个实例。大多数人很难写出语法上完全正确的句子，尽管已经认识了句子中用到的所有单词。这是因为我们需要同时考虑很多要素，也就是说，要写出一个语法完全正确的句子，我们必须要能用对句子中所有单词，同时还要考虑句法、时态和动词词尾的变化。

元素交互性较高的任务理解起来不易，而且会产生较重的认知负荷，因为学习者必须同时处理较多要素。能够促进理解并减轻内在认知负荷的唯一方式是开发能综合各种元素互动的图式。当然，对一个人来说有大量的互动元素，对另一个更有经验的人来说则是一个单一元素，因为其已经具备一个能融合上述元素的图式。因此，通过考察具有特定等级专业水平的人所应对的互动元素量，能够估算出元素交互性程度。

和内在认知负荷相比，外在认知负荷是由教学过程施加的。例如，当学习者必须使用尝试错误的方法或者其他“弱方法”来解决问题时，就会任凭他们去试错，并不提供必要的指导；[12]当学生面对在地点和时间上未整合的信息资源，或者需要通过检索信息来完成任务时,就会加重外在认知负荷。组成工作记忆的任意一项加工器超负荷都会增加外在负荷。视觉和听觉工作记忆有些部分是相互独立的。如果在理解过程中所需的各种信息都以视觉的形式呈现(如文本和图表)，这很有可能使视觉加工器超负荷；如果文本材料以口头表达的形式呈现，那么就可以使部分认知负荷转移到听觉加工器上。[13]

最后，相关认知负荷指的是用于处理内在认知负荷并能促进学习的工作记忆资源。例如，学习者通过完成一系列任务以及在归纳或者“合理抽象”过程中确认结构特征和表面特征来完成抽象概括，并且进行图式建构,以便应对与内在认知负荷相关的互动性元素。当学习者将新信息与原有旧知相联系时，也在进行图式建构，也就是说，是在精细加工过程中将新信息融入长时记忆中现存的图式。这些处理内在认知负荷的过程包括了与先前任务或者长时记忆中可获得的知识相联系的要素，因此需要与相关认知负荷(即与学习直接相关的要素)相一致的工作记忆资源。

认知负荷理论认为：内在负荷和外在负荷两者呈此消彼长的关系。一个问题是否会对学生造成外在负荷这一定程度上取决于他的内在负荷现状。如果内在负荷本身较低，此时由于不恰当的教学设计产生的外在负荷也并非一定会成为不利因素，因为工作记忆中的认知负荷总量是限定的。事实上，研究表明为减轻外在负荷而进行的教学设计对于简单任务(即“元素互动性较低的材料”)的学习效果微不足道。[14]此时，完全没有必要去减轻外在负荷，因为可以获得足够的认知资源来应付较低的内在负荷。但是，对于掌握综合任务来说(即“元素互动性”较高的材料)，内在负荷和外在负荷的总量很容易超过工作记忆容量而产生超负荷(图1a)。另外，如果外在负荷的减量尚且不足，则必须减轻内在负荷为必要的学习资源加工腾出空间(图1b)。外在认知负荷减少的越多，就有更多的工作记忆资源可以投入内在认知负荷，也更容易归纳出相关认知负荷(图1c)。接下来，我们将讨论调控认知负荷的设计原则。

图1 内在负荷和外在负荷两者呈此消彼长的关系：(a)负荷超载；(b)减轻外在负荷，阻止负荷超载；(c)增加内在负荷，优化相关负荷

三、教学设计要义

基于CLT的设计原则和策略旨在阻止负荷超载、优化相关负荷以促进学习。我们总结了有关减轻外在负荷、调控内在负荷和优化相关负荷的原则和策略，如表1所示。此外，这些也和“专长反转效应”有关，这意味着对新手而言有效的原则对于富有经验的学习者可能并不奏效甚至起到相反作用。

(一)减轻外在负荷

Sweller等曾总结了针对新手学习者减轻外在负荷的六项原则。[2]

第一，自由达标原则。建议用自由达标任务取代常见任务，这是一种没有明确规定求解目标的任务(例如,用“针对这些症状找出尽可能多的病原学解释”取代“针对这些症状做出可能性最大的病原学解释”)。如果向学习者规定具体目标，他们会从这个目标开始推理，并且尽力寻找具体解法来缩小给定状态和目标状态之间的差距。这种逆向探究过程产生了较重的外在负荷，如果解除这个具体目标，就可以避免逆向探究从而降低外在负荷。

第二，工作样例原则。建议使用需要学习者精心学习的工作样例来取代常见任务。因为学习者学习样例而无需生成解决方案，这无疑减轻了由解决问题的“弱方法”产生的较高外在负荷。

第三，任务补全原则。建议用补全任务取代常见任务，这种任务给出了部分解决方案，尚未给出的部分则由学习者自己完成。和工作样例一样，补全任务可以减轻由解决问题的弱方法产生的外在负荷，给出部分解决方案缩小了问题空间的范围。

第四，注意聚焦原则。建议用单一、整合的信息来源取代按时间或空间分散的信息来源(例如图片与文本说明相配，或者设备呈现与操作说明一起呈现等，参见图2)。整合的信息源减轻了外在负荷，因为学习者无需再花费力气来整合各种来源的信息。

表1 CLT所建议的教学设计原则和策略

图2 文本和图片是否整合呈现

第五，多种通道原则。建议多采用口头说明文本配合诸如图表等视觉信息呈现的做法(多种通道)，以此来取代书面文本配合诸如图表等视觉信息呈现(单一通道)的做法。多种通道呈现的信息减轻了外在负荷，因为其用到了工作记忆中视觉和听觉两个子系统，实际上也增加了可用的工作记忆容量。

第六，减少冗余原则。建议应用单一信息源来取代相对独立(即自我解释)的多样化信息源。单一信息源减轻了由于对冗余信息进行的非必要性加工而产生的外在负荷。

(二)调控内在负荷

对于非常复杂或者非良构的任务，即便撤除了所有的外在负荷，材料的元素互动性依然很高以至于无法顺利完成学习。在这种情况下有必要减轻内在负荷。但是，因为内在负荷是由学习材料的性质和学习者专长之间的互动来决定的，如果不调整学习者的理解水平的话，这种负荷是无法改变的。为了让学习者全面地理解材料，材料最终一定得呈现其完整的综合程度。在依据元素互动性从低到高对任务进行排序时，分步渐进步骤策略比一步到位步骤策略更适用，因此最好在学习的后续阶段再完整呈现任务的综合全貌。

Pollock等人提出了从简单到复杂的教学序列。[15]最初，先不要一次性呈现全部信息，以此来减轻内在负荷。最好的做法是先呈现一些能够得以连续加工的相对独立的信息元素。但是到了后来，就要一次性呈现了全部信息，包括元素之间的互动因素。正如先前假设的那样，尽管在最初的教学中，当信息以相对独立的形式呈现时，学习者的理解层次较低，但是这种不足在后续教学中会得到弥补，因为此时全部的互动性元素均已到位。所以，如果一次性呈现全部的互动性元素，这样做效果反而适得其反，抑制理解；远不如先呈现相对独立的元素，再呈现全部元素之间的互动因素，这样倒是事半功倍，加深理解。

控制学习情境的逼真度是逐渐增加互动性元素数量的另一种做法，因为高逼真度环境比低逼真度环境包含更多的互动性元素。[6]例如，尽管医学专业的学生可能要学习如何在第一时间诊断一些难以确诊的病例(如慢性腰痛)，他们不应该一开始就从真实的患者那里问诊。最好从低逼真度模拟教学开始试水(比如教材中的案例或者对潜在患者的病例描述)，然后进入中等逼真度的模拟(例如计算机模拟患者或者由同学扮演模拟患者)，再进入高逼真度模拟(例如由演员扮演模拟患者)，最后终结于某个真实的情境(例如在医院实习时遇到的真实患者。参见文献中的实例说明)[16]

(三)增加内在负荷以优化相关负荷

减轻认知内在负荷确实阻止了认知超载现象，并且腾出了更多的加工资源以用于真正的学习过程。不过，有时候增加内在负荷以提升相关认知负荷则是一种更理想的方式。

Paas和 van Merriёnboer率先将学习任务的变式度与相关负荷相联系，这是第一个教学设计原则。[17]任务情境的变式度有利于学习者进行图式建构，因为这样做促使了他们更容易识别相同特征，并区分相关特征和无关特征。例如，当学生学习有机体酸碱平衡时，在设计不同的学习任务时应该将此概念与如下信息相联系：换气过度或通气不足，过量服用阿司匹林，不挥发酸在大量呕吐中损失等等。这一系列变化频繁的任务或者解决方案，能够帮助学习者决定已经构建的图式可在哪些范围中得以应用。提升变式度增强了内在认知负荷。学生必须学会如何将问题进行合理归类，这是任务在变式度较低的情境中被忽略的一个重要层面。

第二个教学设计原则考虑了情境干扰和变式度之间的紧密联系。如果相邻的两个学习任务要求学习者操练的是完全相同的技能，那么情境干扰度就低，如果相邻的学习任务要求学习者操练的是不同的技能，那么情境干扰度就高。Merriёnboer等将带有较高情境干扰度的随机练习进度表(例如BCBAABCCA)与带有较低情境干预度整组练习进度表(例如AAABBBCCC)进行比较。[18]正如我们所期望的那样，高情境干扰度通过增加任务练习中的相关负荷(即包括那些和相邻任务相关的元素)而加重了内在负荷，由此改进了学业表现。

第三个教学设计原则是和所谓的自我解释效应相关。自我解释概念过程中产生的内在负荷和相关负荷比简单加工信息过程中产生的负荷要高得多。因为互动性元素的数量通过纳入长时记忆中的先前旧知得到了大幅度增长。Stark等研究了工作样例的学习。[19]他们发现对样例进行有效的精细加工，确实和较高的相关负荷有关，由此改进了学业表现。

(四)专长反转效应

当CLT应用到长期的课程内容学习时，出现了一个特别相关的互动效应，这就是“专长反转效应”(参见相关的文献评述)。[20]这种效应是一些基本认知负荷影响和各种层次的专长水平之间的互动。当教学方式对于新手学习者有效而对于知识丰富的学习者无效甚至起反作用时，就可以看到这种专长反转效应。因此，在对教学方式进行排序时要采取分步到位策略，这样才能充分适应学习者专长水平增长带来的变化。

Kalyuga 等证明，随着专长提升，工作样例效应起先并不起作用，而后则会起反作用。[21]对于先知丰富的学习者而言，工作样例是多余的，这样做只是强加了外在负荷。这些结论意味着理想的培训计划应始于搞懂工作样例，然后逐渐地过渡到常见任务。Van Merriёnboer引进了“任务补全策略”来实现这一目标：培训始于包括所有解决步骤的完整工作样例，然后过渡到一组补全任务，逐渐提供越来越少的必要步骤，最终以常见任务结束培训，要求学生自己得出所有的必要步骤。[22]新近研究表明第一阶段可以进一步分为两个子阶段，第一子阶段主要学习“过程导向型”工作样例，第二子阶段主要学习“产品导向型”工作样例。[23]

Renkl and Atkinson和Atkinson等总结了有关运用任务补全策略的研究或者另一项称之为运用“撤除指导程序”的研究，这都是指随着学习者专长提升逐渐降低对其支持和指导的力度。[24][25]他们得出结论，在获得技能的各个阶段，任务补全策略和撤除指导策略对于控制认知负荷都是有效的，和传统的例题——解题成对出现相比，这样的策略能够产生更好的学业结果。

专长反转效应还体现在注意聚焦原则和多种通道原则中。Kalyuga 等证明了针对新手学习者的注意聚焦效应。[26]随着专长提升，综合性条件的优势起初消失了，当相互分离的条件优于综合性条件时，这种优势反而会被反转。对于经验丰富的学习者而言，文本是多余的。Kalyuga等发现，对于新手学习者而言，双通道、视觉和听觉呈现要优于纯视觉呈现，由此表现出多种通道效应。[27]但是，随着学习者经验逐渐丰富起来，听觉通道就变得多余了，最好能够及时撤除。

四、结语

以上我们讨论了CLT倡导的认知架构以及在近20年中得以提出的主要教学设计要义。因为在设计要义和认知架构之间存在着密切联系，我们也相信CLT的应用能够产生与人类认知加工过程相协调的有效教学。重在可重复和可控制的实验研究而进行的严格测试，这是CLT的特色所在。CLT的当前研究予以关注的各种问题有：认知负荷测量、[28][29]适应性教学[30]和自导学习等。[31]上述研究方向以及其他焦点是新的亮点，会推进CLT深入发展。

(Jeroen J G van Merriёnboer & John Sweller,Cognitive load theory in health professional education:design principles and strategies[J].Medical Education,2010(44):85-93,本文翻译已经作者授权。)

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(责任编辑 陈育/校对 云月)

The Principles and Strategies of Cognitive Load Theoryand its Application in Health Professions Education

(Netherlands)Jeroen J．G．van Merrinboer1,John Sweller2,(Translator) ZHONG Li-jia3,SHENG Qun-li3

(1.Maastricht University,Netherlands;2.University of New South Wales,Australia;3.School of Education,Zhejiang University,Hangzhou,Zhejiang,310028,PRC)

Cognitive load theory,generated in the 1980s and now undergoing rapid development,puts forward new assumptions of the cognitive architecture of human beings.The capacity of working memory differs in processing the information gained through sensory memory and long term memory.As constructing schema and familiarizing schema are the two basic modes of learning,extraneous cognitive load should be reduced,and intrinsic cognitive load should be monitored.Meanwhile,the relevant cognitive load needs to be optimized.This is the overall rule for instructional design.The 15 principles and strategies for instructional design generated out of various studies open up a new horizon for education in general and health professions education in particular.With the accumulation of learners’ experience and expertise,these principles and strategies will produce“reversal effect”.

cognitive load theory;the design of complex learning;principles of instructional design;professional education

2015-10-20

杰伦·范梅里恩伯尔(Jeroen J.G.van Merriёnboer)，荷兰马斯特里赫大学教授，当代国际著名教学设计专家，综合学习设计(四元教学设计)模式开创者；约翰·斯维勒(John Sweller)，澳大利亚新南威尔士大学教授，当代国际著名学习科学专家，认知负荷理论开创者

[译者简介]钟丽佳，女，浙江大学教育学院博士研究生；盛群力(1957—)，男，上海崇明人，浙江大学教授，博士生导师，主要从事教学设计与教学技术研究

G 420;G 40-056

A

1674-5779(2015)06-0028-08