基本介紹
- 中文名：認知負荷理論
- 外文名：cognitive load theory
- 提出人：Sweller
- 時間：20世紀80年代
簡介,背景起源,理論介紹,套用及啟示,相關文獻,
簡介
認知負荷理論（cognitive load theory）是Sweller等人在20世紀80年代的，主要從認知資源分配的角度考察學習和問題解決。Sweller等人認為，問題解決和學習過程中的各種認知加工活動均需消耗認知資源，若所有活動所需的資源總量超過個體擁有的資源總量，就會引起資源的分配不足，從而影響個體學習或問題解決的效率，這種情況被稱為認知超載（cognitive overload）[1]。
背景起源
近年來，Sweller等人在大量研究基礎上，提出了基於認知負荷理論的兩條重要的教學設計原則，即“自由目標效應”和“樣例效應”。自由目標效應（Goal-free Effect）指學習目標並不十分明確或者設定多個任務目標時，學習者自已確定目標完成任務對學習效果的影響。如在解決代數方程問題時，不要求學生求出某個特定值，而是要求“求出儘可能多的值”。通常，人們認為明確的目標能提高學習者的學習效率，而認知心理學家卻發現，學習目標不十分明確時，有時反而有更高的學習效率。Sweller等人通過大量實驗研究發現：當運用自由目標問題或降低目標的明確性時，可提高學生學習和遷移的成績[7]。例如，將一段相關的說明性文字放在圖表的合適位置，可促進學習者對圖表內容的理解。此時，學習者面臨的目標比沒有說明性文字時多，但卻減少了對圖表意義的不必要的猜測，從而降低了工作記憶的認知負荷。Mayer和Gallini發現，學生認知不連續的文字材料、無標記的圖表有困難，需在工作記憶中對文字材料或圖表進行語義联想、聯結，並進行猜測，這樣就大大加重了學習者的認知負荷[8]。同時，Mayer和Anderson發現，文字生動活潑的記敘文能促進學生的閱讀。他們認為，文章中的“生動活潑的內容”相當於一些認知的子目標，這些子目標分散了讀者對主目標的關注程度，減輕了閱讀時工作記憶中的認知負荷[9]。
“樣例效應”指從具有詳細解答步驟的實例中歸納出隱含的抽象知識來解決問題。Sweller等人認為，在處理複雜的認知任務時，樣例學習能有效地促進圖式獲得和規則自動化，因而減輕工作記憶中的認知負荷，問題的相似性有助於規則的自動生成，問題的差異性有助於圖式獲得[10]。萬雲英曾分別以“標題”和“主題句”來標明文章結構；結果表明，清晰的文章結構有助於信息的回憶、保持及中心思想的概括[11]。莫雷和張金橋的研究表明，源文章結構可通過類比映射方式影響學生對目標文章結構的構思，源文章的結構越清晰，對目標文章結構的映射效應越顯著[12]。上述研究從不同角度說明清晰的文章結構和樣例對學習者寫作的重要性，在一定程度上揭示了樣例學習的內部心理機制。
理論介紹
1．人類的認知結構
認知負荷理論假設人類的認知結構由工作記憶和長時記憶組成。其中工作記憶也可稱為感覺記憶，它的容量有限，一次只能存儲5—9條基本信息或信息塊。當要求處理信息時，工作記憶一次只能處理兩到三條信息，因為存儲在其中的元素之間的互動也需要工作記憶空間，這就減少了能同時處理的信息數。工作記憶可分為“視覺空間緩衝器)”及“語音圈”。長時記憶於1995年由Ericsson和Kintsch等提出。長時記憶的容量幾乎是無限的。其中存儲的信息既可以是小的、零碎的一些事實，也可以是大的、複雜互動、序列化的信息。長時記憶是學習的中心。如果長時記憶中的內容沒有發生變化，則不可能發生持久意義上的學習。
認知負荷理論認為教學的主要功能是在長時記憶中存儲信息。知識以圖式的形式存儲於長時記憶中。圖式根據信息元素的使用方式來組織信息，它提供知識組織和存儲的機制，可以減少工作記憶負荷。圖式可以是任何所學的內容，不管大小，在記憶中都被當作一個實體來看待。子元素或者低級圖式可以被整合到高一級的圖式，不再需要工作記憶空間。圖式的構建，使得工作記憶儘管處理的元素數量有限，但是在處理的信息量上沒有明顯限制。因此，圖式構建能降低工作記憶的負荷。圖式構建後，經過大量的實踐能進一步將其自動化。圖式自動化可為其它活動釋放空間。因為有了自動化，熟悉的任務可以被準確流利地操作，而不熟悉任務的學習因為獲得大限度的工作記憶空間可以達到高效率。
為了構建圖式，信息必須在工作記憶中進行處理。在信息以圖式形式存儲到長時記憶中之前，信息的相關部分必須在工作記憶中提取出來並進行操作。工作記憶的負荷受來自材料的內在本質、材料的呈現形式及學生的活動的影響。
長時記憶中的圖式是一種知識框架，在學習新的材料時，具有中央執行官能。在學習新材料時，如果能從長時記憶中獲取這類知識框架，材料就可以通過知識框架所提供的方法來進行學習；如果不能獲得關於這些材料該如何組織的知識框架，則得採取隨機學習的方式。除了個體本身存於長時記憶中的圖式以外，其他人所習得的知識在個體的學習過程中可也充當中央執行者。
2．認知負荷理論
認知負荷是表示處理具體任務時加在學習者認知系統上的負荷的多維結構。這個結構由反映任務與學習者特徵之間互動的原因維度和反映心理負荷、心理努力和績效等可測性概念的評估維度所組成。cu 中鑑定的任務特徵為任務形式、任務複雜度、多媒體的使用、時間壓力及教學步驟。相關的學習者特徵由專業知識水平、年齡、空間能力組成。心理負荷是認知負荷中源於任務和主體特徵互動的方面，它由我們當前關於任務的知識和主體特徵來決定，它是預期的認知空間需求指標，被看作是認知負荷的先驗估計。心理努力是知認知負荷中實際分配的用於容納任務所加需求的認知容量方面。心理努力在學習者學習時測量。績效可通過學習者的成績來說明，如測試中答對題的數量、答錯題的數量及所用的時間等。學習者所支付的努力的強度是獲得可靠認知負荷估計的要素。
CLT 認為有三種類型的認知負荷：內部認知負荷，外部認知負荷和關聯認知負荷。由於元素間互動形成的負荷稱為內部認知負荷，它取決於所要學習的材料的本質與學習者的專業知識之間的互動，教學設計者不能對它產生直接的影響。外部認知負荷是超越內部認知負荷的額外負荷，它主要是由設計不當的教學引起的。關聯認知負荷於1998年提出，是指與促進圖式構建和圖式自動化過程相關的負荷。外部認知負荷和關聯認知負荷都直接受控於教學設計者。三種類型的認知負荷是相互疊加的。為了促進有效學習的發生，在教學過程中應儘可能減少外部認知負荷，增加關聯認知負荷，並且使總的認知負荷不超出學習者個體能承受的認知負荷。
認知負荷理論把人類的認知與生物的自然選擇進化過程相比擬，作了如下假設：
(1)教學的目的是在人類的長時記憶中建立知識；
(2)處理新信息時有限的工作記憶是確保存儲的大量信息發生微小但總是增加的變化的機制；
(3)因為不能獲得已經組織好的信息，變化是隨機的，大的隨機變化不可能生效；
(4)鑒於沒有確定變化本質的中央執行官能，
隨機而非預設的變化是不可避免的。認知負荷理論認為適當結構的教學應把這些內容都考慮在內，提供中央執行官能，刪除不必要的隨機變化，從而促進長時記憶的改變。教學允許其他人的長時記憶取代隨機發生的變化和有效性測試，即執行中央執行官能。認知負荷理論提供了促進教學中央執行官能使用的結構化教學效應。世界各地的研究者提出了大量的這類效應，這些效應可歸納如下：
教學效應及其描述
教學效應 描述
1.目標自由效應 用目標自由的題目來代替為學習者提供特定目標的傳統題目 。
2.樣例效應 用已經解決好的樣例代替傳統的問題，這些樣例必須認真學習 。
3.完成問題效應 用待完成的問題來代替傳統的問題，在問題中提供部分解決方案，其餘的由學習者來完成 。
4.分散注意力效應 用一個整合的信息源來代替多種信息源(經常是圖片並伴有文字) 。
5.形式效應 用口頭的解釋文本和視覺信息源(多種形式)代替書面文本和圖表等視覺信息源(單一形式) 。
6.想像效應 讓他們想像或心理練習材料來代替傳統的附加學習 。
7.獨立互動元素效應 在呈現元素高互動性的材料時，先給學習者呈現一些獨立的元素，然後再呈現完全的材料。
8.元素互動效應 當使用低元素互動的材料時，想像效應等教學效應消失，而當使用高元素互動時，他們又重現。 9.變式效應 在不同變數情況或增加可變性及任務呈現的方式、定義特徵的顯著性、任務操作的上下文情境等情況下。
10.進行練習專業知識反效應 當對新學習者來說很有效的教學方法在學習者獲得更多的專業知識時無效甚至產生相反的效果 。
11.指導隱退效應 隨著基於知識的中央執行者的發展，基於教學的中央執行者逐步隱退(fade)隨著專業知識的增加，完整的樣例可由部分完成的樣例來代替：而隨著專業知識的進一步積累，部分完成的樣例可由問題來代替
12.冗餘效應 用一種信息源來代替多種自洽(即他們能被獨立理解)的信息源 。
其中，專業知識反效應、冗餘效應、想像效應是針對具有～定專業知識的學習者而言的；樣例效應、分散注意力效應、形式效應則是針對新手而言的。
套用及啟示
在教學設計中,認知負荷理論有助於激勵學習者的學習活動、使之表現出良好的學習績效.認知負荷理論主要依賴於以容量有限的工作記憶為核心的認知結構的支持.工作記憶包括相對獨立的視覺、聽覺信息加工單元,同時又與容量較大的長時記憶共同承擔著對信息的貯存與理解.根據該理論,可以通過把多個信息單元編碼成一個完整的認知圖式,或通過自動化加工規則,或使用多媒介(多感覺通路)呈現形式等多種方法來設法規避工作記憶的有限性.此文總結了可通過樣例學習增加適當的認知負荷的教育技巧,樣例-精細化訓練對於降低認知干擾及超負荷的影響,樣例對學習者的認知負荷的影響,以認知負荷理論為基礎的教學設計原則,以及基於認知負荷理論研發的教學設計在各方面業已取得的進展及其存在的問題與可能的發展趨勢。
相關文獻
1 Sweller J. Cognitive load during problem solving: Effects on learning. Cognitive Science.1988,12.257-285 2 2 Sweller J. Cognitive load theory, learning difficulty and instructional design. Learning and Instruction，1994，4，295-312 3 Donna R. Recht, Lauren Leslie. Effect of prior knowledge on good and poor readers’memory of text. Journal of Educational Psychology，1988，1，16-20 4 McCutchen D，Covill A，Hoyne S H，Mildes K. Individual differences in writing: Implications of translating fluency. Journal of Educational Psychology， 1994， 2，256-266 5 5 Marsha L，Stephen L. Individual Differences in interest and narrative writing. Contemporary Educational Psychology，1996， 21，305-324 6 6 Sweller J，Tuovinen J E. A comparison of cognitive load associated with discovery learning and worked examples. Journal of Educational Psychology，1999，2，334-341 7 Sweller J.Why some material is difficult to learn. Cognitive and Instruction，1994，12，185-233 8 8 Mayer R, Gallini J. When is an illustration worth ten thousand words? Journal of Educational Psychology, 1990,82,715-726 9 9 Mayer R, Anderson R. The instructive animation: Helping students build connections between words and pictures in multimedia learning. Journal of Educational Psychology, 1992,84,444-452 10 10 Graham Cooper，Sweller J. Effects of schema acquisition and rule automation on mathematical problem-solving transfer. Journal of Educational Psychology， 1987， 4，347-362 11 11 萬雲英.小學生作文用詞、造句和構思特點初析.心理發展與教育,1988,2:12-15 12 莫雷，張金橋.文章對寫作的結構映射遷移的實驗研究.心理發展與教育.1999,1 13 Fred G. W. C. Paas, J. G. Van Merriënboer. Variability of worked examples and transfer of geometrical problem-solving skills:A cognitive-load approach.Journal of Educational Psychology，1994，1，122-133 14 Swanson H Lee，Berninger V W. Individual differences in children’s working momory and writing skill. Journal of Experimental Child Psychology，1996，63，358-385 15 15 Brandt, R. & Perkins, D, The evolving science of learning. Education in a new era. 2000,1, 65-102 16 16 Gentner D, Structure-mapping: A theoretical framework for analogy. Cognitive Science, 1983,7,155-170
