泛在学习系统中认知负荷的产生及其优化控制*

付道明

(韩山师范学院 教育科学学院，广东 潮州 521041)

泛在学习系统中认知负荷的产生及其优化控制*

付道明

(韩山师范学院 教育科学学院，广东 潮州 521041)

学习者通过超媒体学习时，认知负荷与知识获取之间呈显著相关性。泛在学习系统通过上下文感知系统增加人机信息流，但同时不可避免地增加了人们对于信息过载的恐惧感和认知负荷量。该研究在认知负荷理论的基础上分析了泛在学习系统中认知负荷的产生，构建了泛在学习中认知负荷的结构模型，并基于信息呈现方式的设计提出认知负荷优化控制的策略和方法。

泛在学习；认知负荷；优化控制；结构模型；信息呈现

人们对未来计算模式的一种普遍观点是人机交互将由桌面交互向环境交互发展。普适传感系统可以持续观察人们的活动并提示上下文。这种上下文将为人们在需要的时间和场所显示信息。研究人员希望通过这样的上下文感知系统增加人机信息流，而不是增加人们对于信息过载的恐惧感[1]。大量的研究表明，认知负荷是学习效果与学习效率的重要影响因素之一。因此，从认知负荷理论的角度来审视泛在学习环境并对学习者认知负荷进行优化控制，根据信息加工的特点来指导信息呈现方式有助于更好地建设泛在学习环境，对提升泛在学习绩效有着重要的意义。

一、研究概述

(一)认知负荷理论

1988年，澳大利亚教育心理学家John Sweller首次提出了认知负荷理论(Cognitive Load Theory)。John Sweller等指出，认知负荷是指人在完成任务过程中进行信息加工所需要的认知资源的总量，是学习者为了完成认知任务，在工作记忆上进行信息存储、信息提取和信息加工处理等一系列心智活动所需的全部心智能量。认知负荷理论的主要目的是尽量减少阻碍学习的认知负荷、优化促进学习的认知负荷，使学习者能够合理地使用有限的认知资源，以实现最佳的学习效果[2]。

根据Sweller的理论，认知负荷主要有三个影响因素，即学习的复杂性、学习的组织呈现方式和个人经验水平。内在认知负荷产生的根源在于学习材料本身，如知识的结构、难易程度等，与学习内容之间联系的复杂程度有关。外在认知负荷与学习的组织呈现方式密切相关，通常是由不正确的信息呈现方式造成的。如果信息呈现方式符合学习者认知规律，则可以有效减少外在认知负荷。

(二)目前泛在学习系统的不成熟产生的认知负荷

泛在学习(Ubiquitous Learning)是由普适计算技术支持的、以人们能够自由自在地进行信息的获取与处理，使得学习者能够在任何时间、任何地点、以任何方式获取合适的学习资源或学习服务。在网络学习中，学习者首先必须掌握计算机操作技术与网络浏览技术。这在无形中增加学习者的认知负荷，严重的时候还会使学习者产生莫名的挫败感，注意力分散，失去学习的动力。而泛在学习环境中，学习者将不再需要花费精力去学习计算机的使用方法，它们已经自然地融入了我们的日常生活。就像当你走向感应门时门会自动打开一样，你会觉得这是很自然的一件事，而不会去刻意了解计算机在其中发挥的作用。也就是说，泛在学习环境中的学习是以学习者为中心的，以学习任务为主要目标。就像Mark Weiser所说的，“技术可以支持学习，但不应该干扰学习。”复杂的技术操作将会变成一种自然的存在，使学习者的认知负担不再额外增加，注意力集中在学习内容上，在轻松愉快的氛围中完成自己的学习任务。

泛在学习系统中，信息呈现直接决定了泛在学习者能否有效地获取自己所需要的信息，同时也影响到学习者后期对信息的进一步加工、存储和提取，并最终影响学习效果。泛在学习的泛在性和情景感知能力使它区别于其他学习方式，也就是说它能最大限度地利用学习者周边的环境和学习者所使用的学习工具，同时根据学习者已记录在数据库中的个人信息特征，通过一系列算法分析准确理解学习者当前的学习行为和学习需求，从而以合适的信息呈现方式为学习者推送恰当的学习内容和服务，产生有效学习行为。这就要求泛在学习平台具有极高的智能判断能力，准确识别学习者的意图。然而由于资金、技术、管理等多方面的现实问题，目前泛在学习仍在小规模实验的道路上摸索着。泛在学习信息个性化呈现的学习平台相对比较少见，大多数相关的应用都只是重视学习平台的开发和学习资源的整合，对学习者本身的认知水平和认知能力研究不足，存在学习支持不足、平台智能性不强、信息推送形式单一、课程内容陈旧死板等缺陷，在无形中增加学习者额外的认知负荷。这些平台并没有做到泛在学习所强调的根据学习者的个人信息特征和周围学习情境提供个性化学习服务。

(三)认知负荷的优化控制在泛在学习系统中产生积极的作用

根据信息加工理论的观点，在泛在学习过程中，学习者在信息加工时额外需要掌握的知识越多，其占用工作记忆容量的比例就越高，所导致的认知负荷量就会越高，从而影响学习绩效。因此，在泛在学习系统中，要使学习者获得最佳的学习效果，就必须对系统产生的认知负荷加以有效控制。

首先，对于外在认知负荷的优化控制可以有效降低由于泛在学习系统操作性知识给学习者造成的额外负担。与普通学习系统不同，泛在学习系统中的外在认知负荷并不是越低越好。由于泛在学习系统的知识呈现以视听觉信息和交互信息为主，丰富的多通道信息在带来额外的外在认知负荷的同时，也将激发泛在学习者的学习兴趣。因此，对于泛在学习系统中的外在认知负荷的优化控制应根据具体的学习内容和学习目标进行优化设计。

其次，内在认知负荷的降低将使得泛在学习者的学习绩效有效提升。在泛在学习系统中，采用碎片化的知识呈现设计，使得学习材料的复杂性有效降低，从而减少内在认知负荷对于学习者的影响。

最后，对于相关认知负荷的调控可以有效降低对学习者的影响。在泛在学习系统中，相关认知负荷会受到外在和内在认知负荷高低的影响，在适当的外在认知负荷和较低的内在认知负荷的基础上，有效调控相关认知负荷，使得学习者可以将更多的认知资源运用到相关加工上，可以有效提升学习者的学习绩效。

二、泛在学习中认知负荷的产生及其结构模型

Paas等人针对样例和几何问题解决技能的转换首次建构了认知负荷的结构模型[3]，并提出学习者的认知负荷的产生是由学习任务、学习者以及学习任务和学习者的相互作用这三个因素引起的。根据Paas的模型，我们认为泛在学习系统中学习任务和学习者个体差异是影响认知负荷产生的两个重要的因素，同时学习者与学习环境的相互作用也是产生认知负荷的重要方面。在泛在学习系统中，学习者的学习表现(结果)是衡量认知负荷的量化的指标。同时，学习者因认知加工而投入的心理努力的大小即心理负荷直接受学习任务的影响而产生，学习者个体投入的认知资源的量的多少形成了不同大小的心理努力。

(一)泛在学习的生成

美国著名教育心理学家梅耶(Richard E.Mayer)与其合作者在结合认知心理学有关信息加工理论和100多个实验研究的基础上，提炼出著名的多媒体学习生成理论模型[4][5]，如图1所示。

图1 Richard E.Mayer的多媒体学习生成理论模型

泛在学习是以多媒体学习和网络学习为主要形式的一种学习形态，因此根据梅耶提出的生成模型的多通道假设、工作记忆有限性假设以及积极加工假设，我们认为：

1.学习者在有效性泛在学习活动中主要通过声音、语言通道对随时随地的环境中进入到自身认知系统的听觉语言信息进行加工和处理。口语语言以声音的形式进入学习者听觉系统并以词语的形式得到信息加工，其信息加工过程主要包括“选择音频—组织音频—形成听觉性模型”。

2.图形图像等视觉信息通过学习者的眼睛进入认知系统，并以图像的形式进行知识的生成，其信息加工过程主要包括“选择图像—组织文本—形成视觉性模型”。

3.文本性信息仍然通过学习者的眼睛进入认知系统，学习者转换、整合已有文本库从而生成新的文本性语言知识和经验，其认知加工过程主要包括“选择文本—组织文本—形成文本性模型”。

由图2可以看出，泛在学习包括三个基本环节：一是选择。学习者需要使用视听觉信息加工系统对信息进行选择；二是组织。当学习者完成对信息的选择性注意之后，需要将经过选择编码的信息组合起来；三是整合。在构建了基于视听觉的心理模型之后，学习者需要在两类表征之间建立联系，进行整合，进而完成有意义的泛在学习。

图2 泛在学习的生成模型

(二)泛在学习系统中认知负荷的结构模型

随着多媒体技术和网络技术的普及，Mayer、Heiser、 Lonn以及Moreno等人在21世纪初开始尝试研究多媒体学习和网络学习的认知理论[6][7]。总的来看，以多媒体学习和网络学习为基础的泛在学习的认知理论研究，主要形成了双通道假设、容量有限假设和积极加工假设三个理论流派。双通道假设流派认为，学习者的认知负荷主要产生于视觉和听觉两个信息通道的信息加工过程中；容量有限假设流派认为，学习者的信息加工不能区分为哪一个通道，其信息加工的量是有限的，在多媒体信息加工过程中，学习者将产生认知负荷，并通过元认知策略来优化控制认知负荷并分配认知资源；积极加工流派认为，学习者在多媒体信息加工过程中，学习者积极投入认知加工过程、优化控制认知负荷，并最终建立相关知识的心理表征。

笔者依据认知负荷理论和泛在学习认知理论构建泛在学习中认知负荷的结构模型，如图3所示。模型侧重解释泛在学习系统中认知负荷产生的原因及其结果的呈现。从模型中可以看出，泛在学习中的认知负荷由泛在学习环境(学习任务)、泛在学习者特征以及泛在学习环境与泛在学习者的交互作用所产生。

图3 泛在学习中认知负荷的结构模型

1.多通道呈现泛在时代的知识

泛在学习系统以多媒体学习和网络学习为基础，存在视觉信息呈现、听觉信息呈现、交互信息呈现以及多感官信息呈现等多个通道。系统传递真实世界、文字世界以及虚拟世界的信息，并在多通道传递过程中产生学习者的认知负荷。因此，教学信息的呈现方式控制是影响学习者认知负荷的重要因素。

2.泛在学习材料与教学信息的整合形成泛在学习环境(学习任务)

泛在学习材料由于受到学习材料的复杂程度、性质以及系统呈现知识的类型等因素影响，会对学习者产生认知负荷。随时随地的学习方式改变了传统学习的信息呈现方式和对学习材料的组织方式，因此在学习过程中会产生一些对学习没有直接贡献的心理活动，造成学习者的信息过载，形成无效认知负荷。如泛在学习系统中常常以各种交互方式给学习者呈现信息，并根据学习者的位置信息智能感知学习需求，并为学习者推送信息，而这些交互信息产生的冗余信息就会给学习者造成额外的外在认知负荷，降低学习效率。因此，在优化控制系统中的认知负荷时，应注重整合的泛在学习环境(学习任务)设计。

3.泛在学习者个体特征因素

学习者个体特征因素(包括智力因素和非智力因素)是影响学习绩效的关键要素之一。学习材料复杂程度与学习者先前知识之间的关系，决定了学习者内在认知负荷的大小。通过提高学习者泛在学习能力，如信息加工能力、信息鉴别能力、网上交流能力、网上学习注意力、学习辅助能力、网络学习时间管理能力以及应对考试能力等，可以提高学习者在学习系统中学习效率，提高学习者的非智力因素如泛在学习兴趣、动机以及态度等，有效控制认知负荷量。

4.认知负荷优化控制

Zumbach等学者的研究表明，学习者通过超媒体学习时，认知负荷与知识获取之间呈显著相关性。同时，认知负荷评价的提高与学习结果的降低有关[8]。在泛在学习系统中，要使学习者获得最佳的学习效果，就必须对系统产生的认知负荷加以有效控制:(1)系统中外在认知负荷的优化控制可以有效降低由于泛在学习系统操作性知识给学习者造成的额外负担，适当的外在认知负荷量将有效激发泛在学习者的学习兴趣；(2)有效降低学习材料的复杂程度将使得学习者内在认知负荷得以降低，从而改善学习效果减少内在认知负荷对于学习者的影响；(3)在适当的外在认知负荷和较低的内在认知负荷的基础上，有效调控相关认知负荷，可以使得学习者将更多的认知资源运用到相关加工上，有效提升学习者的学习绩效。

5.泛在学习结果的产生

一般认为，认知负荷的优化控制可以产生学习者良好的生理状态、良好的学习行为、良好的学习绩效以及适当的认知负荷量：(1)从学习者生理状态来看，过高的认知负荷量会使得泛在学习者产生过高的学习心理负担，从而妨碍学习结果。同时，过低的认知负荷会让学习者失去学习动力；(2)从学习行为角度来看，认知负荷的优化控制将形成泛在学习者的良好的认知风格、认知能力和智力发展；(3)认知负荷与泛在学习者的知识获得呈显著相关，适当的认知负荷将产生良好的学习绩效。

三、泛在学习中认知负荷的优化控制——基于信息呈现的设计

就本质而言，泛在学习与其他学习方式一样，都是把外在认知负荷转化为相关认知负荷。在泛在学习环境中，恰当的信息呈现方式能提高学习者注意力，激发学习兴趣，在降低学习者的外在认知负荷的同时增加相关认知负荷。下面我们将从认知负荷理论的角度出发，着重探讨如何优化泛在学习环境中的信息呈现方式，减少多余的认知负荷。

在泛在学习教学设计的时候，课程开发者通常需要考虑：学习者本身的认知水平、学习内容的选取和组织形式以及符合学习者认知规律和学习内容所决定的媒体类型，这三者通常会相互影响，最终决定泛在学习的信息呈现。在泛在学习环境的教学设计中，要把学习者、学习内容与媒体类型三者的特征和相互关系作为研究的重点，从而寻找能够合理有效组织呈现学习内容的正确方法。从信息呈现影响因素的概念图中可以看出(如下页图4所示)，在泛在学习的教学设计过程中，可以以学习者、学习内容或媒体类型这其中一个因素作为设计的基础，与此同时合理运用另外两个因素的特征以及相互之间的影响来进行教学设计。但是，考虑到泛在学习“以学习者为中心”这个本质特点，与其他学习方式有所不同：在泛在学习环境下，学习是一种自发行为，学习者可以主动地进行学习并且愉快地享受着学习过程。所以在进行教学设计时，学习者是整个教学设计过程的核心，通过分析学习者的认知特征以及对各种媒体类型的认知水平，合理安排学习内容的呈现结构，尽最大努力降低学习者在泛在学习环境中产生的多余认知负荷，提高学习者的学习效果。

图4 信息呈现的主要影响因素

(一)学习者

学习者是泛在学习环境中学习的主体，是信息的主要呈现对象，所有的学习活动都应该围绕学习者展开。同时，学习者在进行泛在学习过程中还会受到来自原有知识体系的影响，学习者之所以能接受新信息的本质原因是新信息被学习者原有知识结构所容纳。所以在进行泛在学习课程设计之前，应根据认知负荷理论的观点，系统分析学习者的个人认知能力和认知特性，对学习者的预备知识有一个清楚的认识，因材施教，完善学习者的预备经验，充实学习者的储备知识和技能水平，提高学习者合理运用自身认知负荷的水平。在确保学习内容与学习者认知结构相协调的基础上，依据信息加工模型原理在教学目标的指引下组织教学活动。

1.学习者的特征分析

根据认知负荷理论可以知道，学习者先前的知识经验对泛在学习环境信息加工中的内在认知负荷会产生不可忽略的影响。由于学习者的认知风格和水平有所差异，他们在进行新知识的学习时会不由自主地带入先前已习得的知识技能，而这些主观因素往往会对新知识的理解和掌握能力产生影响，同时解决问题能力的差异也会凸显出来。因此，对不同认知风格的学习者应提供不同的学习层次。

2.学习者的动机分析

相关认知负荷是指学习者在学习新内容时，工作记忆需要建立新的图式或激活已有图式的数量，由学习者本身产生。通常情况下，学习的外部动机会激发学习者的学习兴趣，而内部学习动机才是学习得以持续的关键。目前大多数相关的应用都只是重视学习平台的开发和学习资源的整合，对学习者本身的学习动机研究不足。

针对这种情况，可以充分利用泛在学习教学行为的场景性。学习应该与学习者的日常生活融为一体，通过泛在学习系统的感知，可以自然地呈现学习者所遇到的问题或急需的知识。学习内容的真实可信有利于学习者更好地注意问题的情境性，引起学习者的认知努力。

泛在学习平台提倡无所不在的学习理念，提倡学习者在工作空闲之余随时充电学习。学习者依据自己的学习兴趣个性化的设置智能推送相对应的电子资源，通过电子终端方便快捷地进行信息的接收和学习。由于目前感知技术不成熟而且技术昂贵等原因，泛在学习项目在系统感知方面的能力稍显欠缺，不过其模块化和可扩展性等特点将可以支持学习模式和学习模块升级。

(二)学习内容

在泛在学习系统中，选择和处理学习内容时要全面深入地了解内容的内在联系和相互之间的逻辑关系，特别注重学习内容的呈现方式和呈现顺序的合理性。在运用多媒体传递学习内容的过程中要充分了解各种媒体的优势和劣势，考虑学习者所在环境的学习支持能力。与此同时，要确保学习者对使用媒体类型的熟悉程度，避免学习者在使用媒体过程中产生不必要的认知负荷。

1.学习内容微型化设计

在现实的工作生活中，学习者往往需要能够及时解决棘手问题的片段性知识。而信息量庞大的学习内容会使学习者“迷航”，难以获得清晰的知识体系结构，导致认知负荷过重，学习者不能及时消化所学内容。因而，泛在学习环境中学习资源的粒度应该适中，学习者无需花费过多时间便可完全掌握一个知识点，并能将其运用到实际解决问题中去。同时，泛在学习的互动过程是不稳定的，学习者随时有可能中断学习行为，而学习内容所包含的信息量越大，学习者学习掌握的时间就越长，学习行为被中断的可能性就越大。因此，在泛在学习环境中，学习者更加需要以知识点为最小粒度的学习内容。

为了减少学习者学习过程的认知负荷，课程开发者在进行学习设计的时候应该注意以下几个问题：(1)人的工作记忆容量有限，一般为5-9个组块，一个屏幕同时出现的概念不应该过多；(2)学习内容要经过精简提炼；(3)学习内容上下文要有较强的逻辑关系；(4)确保屏幕上内容的完整性。

2.元认知监控设计

所谓元认知指的是学习者对自己的认知加工过程的自我觉察、自我评价和自我调节。学习者在多媒体信息加工过程中的相关认识负荷与元认知监控密切相关。大量的科学研究证实，对学习者进行适当地元认知指导可以促进学习者的有效学习。泛在学习是学习者自主学习的过程，而元认知能力则是保证认知效果的主要因素之一。因此，泛在学习的课程开发者要依据学习要求和学习者的认知特点，在恰当的时机呈现元认知监控提示。尽量减少学习者在元认知活动中输出的心智努力，在确保学习效率的情况下，减少认知负荷水平，使得学习者随时掌握学习状态，把握学习进程，方便快捷地调整自己的学习步调。

3.利用生成性信息

在泛在学习的环境中，学习者能够协同编辑资源信息。学习过程中产生的生成性信息，如对学习内容的评价、标注等也可以通过泛在网络分享给其他的学习者。学习者可以随时记录并分享自己的想法，在扩展工作记忆的空间，减少短时记忆压力的同时，可以把存储在记忆系统中的无形化知识可视化，在一定程度上减轻工作记忆提取信息的负担。

基于学习者的视角，经过分析学习者对学习内容的评价、标注等信息，可以知道学习者的学习偏好，从而更新学习者的用户资料库。基于学习内容的视角，经过挖掘学习者对学习内容的评价、标注等信息，可以知道学习内容的相关质量问题，有助于在今后的学习中为学习者呈现更高质量的学习内容。

4.倡导合作交流

泛在学习不仅要实现通讯、资源层面的共享，还要实现人际层面、社会认知层面的共享。社会建构主义理论指出，学习是学习者基于一定的社会文化情境，在与学习环境的互动中自我建构意义、共享和参与社会认知网络的过程。未来的泛在学习不仅仅是基于资源的自主学习，还包括与学习网络空间中其他学习者的互动和交流。交流讨论可以使学习者获得启发和灵感，并完善自己的思考。当学习者在泛在学习环境中为了解决一个具有挑战性的问题而共同工作时，他们会不断地交流，共享解决问题的思路。学习者不仅可以拓宽视野，学会多角度看问题，而且可以以其他成员为参照物，反思自己的学习方法和思路，及时做出调整，进而帮助学习者减轻学习的认知负荷。

(三)媒体类型

多媒体信息的呈现形式主要包括文字、图形、图像、声音、视频、动画等。它给学习者提供了多种感官的综合刺激，能激发学习者的兴趣和学习积极性。在进行信息呈现时，要充分考虑各种媒体的优缺点，根据学习内容、学习目的和学习者本身，合理选择媒体形式的种类，从而达到提高学习效果的目的。

由认知负荷理论的通道效应我们可以知道，媒体呈现信息的过程中利用视觉或听觉单一通道的学习效果远比不上同时利用两者进行同步呈现。所以，在保证网络传输速度的基础上，应尽可能多地使用视音频等双通道媒体加工形式。

四、结论及讨论

泛在学习系统通过上下文感知系统增加人机信息流，但同时不可避免地增加了人们对于信息过载的恐惧感和认知负荷量。笔者通过文献研究、模型建构和逻辑推理等过程和方法分析了泛在学习系统中认知负荷的产生，构建了泛在学习中认知负荷的结构模型，并基于信息呈现方式的设计提出认知负荷优化控制的策略和方法，拓展和发展了泛在学习时代的认知负荷理论，对于人们丰富泛在学习的认识和泛在学习绩效理论有着重要的意义。泛在学习教学设计应根据学习者本身的认知水平、学习内容的选取和组织形式以及符合学习者认知规律和学习内容所决定的媒体类型，为泛在学习提供更为科学的教学策略和方法，有效调节学习者的认知资源，达到最优化的学习效果。

[1]G.D.Abowd and E.D.Mynatt.Charting past,present,and future research in ubiquitous computing[J].ACM Transactions on Computer-Human Interaction,2000,(1):29-58.

[2]龚德英.多媒体学习中认知负荷的优化控制[D].重庆:西南大学,2009.

[3]Pass F G W C,van Merrienboer J J G.Variability of worked examples and transfer of geometrical problem-solving skills:A cognitive-load approach[J].Journal of Educational Psychology,1994,86(1):122-133.

[4]闫志明.多媒体学习生成理论及其定律[J].电化教育研究,2008,(6):15-17.

[5]Mayer,R.E.Multimedia Learning:Are We Asking the Right Questions[J].Educational Psychologist,1997,32(1):20-23.

[6]Mayer R E,Heiser J,Lonn S.Cognitive constraints on multimedia learning:When presenting more material results in less understanding[J].Journal of Educational Psychology,2001,b(1):187-198.

[7]Moreno R,Mayer R E.Cognitive principles of multimedia learning:the role of modality and contiguity[J].Journal of Educational Psychology,1999,91(2):358-368.

[8]Zumbach J.,Mohraz M.Cognitive load in hypermedia reading comprehension:Influence of text type and linearity[J].Computers in Human Behavior,2008,(24):875-887.

付道明：副教授，博士后，硕士生导师，研究方向为教育传播、学习科学与技术(jetinchina@21cn.com)。

2014年11月5日

责任编辑：赵兴龙

A Research on the Generation of Cognitive Load and Its Optimal Control in Ubiquitous Learning System

Fu Daoming
(College of Educational Science,Hanshan Normal College,Guangdong Chaozhou 521041)

There are signi fi cant differences between the cognitive load and knowledge when learners learn things through hypermedia.As everyone knows that ubiquitous learning system can increase the man-machine information fl ow,but at the same time,it will inevitably form the sense of fear of information overload and cognitive load to people.On the basis of the cognitive load theory,this paper analyzed the generating of the cognitive load in ubiquitous learning system,and then constructed its structure model.At last,on the basis of information presented design,this paper proposed some optimal control strategies and methods of cognitive load.

Ubiquitous Learning;Cognitive Load;Optimal Control;Structure Model;Information Presentation

G434

A

1006—9860(2015)03—0097—06

* 本文系2013年教育部人文社科青年基金课题“区域教育信息化推进策略与可持续发展研究”(课题批准号：13YJC880080)阶段性成果。