（应用心理学专业论文）多媒体学习中增加相关认知负荷影响学生学习的实验研究.pdf

多媒体学习中增加相关认知负荷 影响学生学习的实验研究 学科专业t 应用心理学 指导教师。刘电芝教授 研究方向；学校心理学 研究生：龚德英( 2 0 0 3 1 9 4 ) 中文摘要 认知负荷理论是近年来在国外发展较快的一个理论，关于多媒体学习中的认 知负荷控制的研究也是众多心理学家们关注的焦点。前人的研究多关注降低外在 认知负荷和内在认知负荷，对相关认知负荷控制的研究较少。本研究立足于认知 负荷理论，在已有研究的基础上，着重考查增加相关认知负荷对学习者学习结果 的影响，另外也把元认知负荷纳入实验研究中。 本研究设计了两个实验，实验材料为多媒体呈现的关于移动通讯原理的讲解 材料，被试为天津理工大学光电系本科二、三年级的学生。实验一的目的是通过 归纳来增加相关认知负荷，比较归纳与不归纳的被试在认知负荷和学习结果上是 否有差异；同时验证呈现与不呈现背景音乐对被试认知负荷和学习结果的影响。 实验二主要是考查有无元认知监控提示以及植入元认知监控提示的时间对被试认 知负待和学习结果的影响。 实验一采用归纳与否2 ( 归纳、不归纳) 有无背景音乐2 ( 有背最音乐、无 背景音乐) 的被试间设计。实验二采用单因素三水平设计，条件为无元认知监控 提示、第一遍学习之前呈现元认知监控提示、和第二遍学习之前呈现元认知监控 提示。 通过研究，我们得到了以下一些结果： 首先，增加相关认知负荷并不总是意味着总的认知负荷的增加。在本研究中， 归纳这种策略通过在增加相关认知负荷的同时降低内在认知负荷而使学习者总的 认知负荷得到了降低。 其次，归纳与否与有无背景音乐两因素之间没有显著的交互作用。有、无背 景音乐对归纳组与不归纳组的认知负荷和测试成绩都没有显著影响。 第三，归纳组学习者总的认知负荷显著低于不归纳组，其迁移测试成绩显著 高于不归纳组，两组间在记忆测试成绩上没有显著差异。说明归纳降低了学习者 总的认知负荷，导致了迁移成绩的提高。 第四，有、无背景音乐的两组在认知负荷和迁移测试成绩上均没有显著差异， 但有背景音乐组被试的记忆测试成绩显著低于无音乐组。说明背景音乐并没有显 著增加学习者的认知负荷，但阻碍了学习者对记忆性知识信息的获取。 最后，有、无元认知监控提示的组，以及在第一遍和第二遍之前呈现元认知 监控提示的组之间，在认知负荷和记忆测试成绩上均没有显著差异；有元认知监 控提示的两组的迁移测试成绩显著高于无元认知监控提示组，而第二遍学习之前 呈现元认知监控提示组的迁移测试成绩显著高于第一遍学习之前呈现元认知监控 提示的组。 在本研究中，相关认知负荷的增加并没有导致总体认知负荷的增加，但导致 了迁移测试成绩的提高，说明本研究中增加相关认知负荷的方法对学习原理性的 知识有较明显的作用。这也启示我们在进行多媒体教学设计时，要考虑到学习的 目的，根据教学和学习的要求来设计多媒体教学材料，以达到提高学习效果和效 率的目的。 关键词：多媒体学习相关认知负荷元认知负荷教学设计 t h ee f f e c to f i n c r e a s i n g g e r m a n e c o g n i t i v e l o a di n m u l t i m e d i a l e a r n i n g t o s t u d e n t s l e a r n i n g m a j o r ：a p p l i e dp s y c h o l o g y s u p c r v l s o r ：p r o f e s s o rl i ud i a n z h i s p e c i a l t y ： s c h o o l p s y c h o l o g y a u t h o r ：g o n gd e y i n g ( 2 0 0 3 1 9 4 ) a b s t r a c t c o g n i t i v el o a dt h e o r yi sd e v e l o p i n gr a p i d l yi nr e c e n ty e a r so u to fc h i n a , w h i l e m a n yp s y c h o l o g i s t s f o c u s e do nt h e m a n a g e m e n to fc o g n i t i v e l o a di nm u l t i m e d i a l e a r n i n g t h ek n o w nr e s e a r c h e sp a i dm u c ha t t e n t i o nt or e d u c i n ge x t r a n e o h sc o g n i t i v e l o a da n di n t r i n s i cc o g n i t i v el o a dw h i l ef e wt ot h em a n a g e m e n to f g e r m a n ec o g n i t i v e l o a d p r e s e n t s t u d y w a sb a s e do i l c o g n i t i v e l o a d t h e o r y a n dk n o w nr e s e a r c h e s ， i n v e s t i g a t e dt h ee f f e c to fi n c r e a s i n gg e r m a n ec o g n i t i v el o a dt os t u d e n t s l e a r n i n g , a n d a l s op u t m e t a - c o g n i t i v el o a d i n t o e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h t h e r ea r et w oe x p e r i m e n t s mp r e s e n ts t u d y 谢t 1 1t h em a t e r i a l so nh o wm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s w o r k , w h i c hw e r ep r e s e n t e d b ym u l t i m e d i a p a r t i c i p a n t sw e r e s o p h o m o r e s a n d i m i o r sf r o md e p a r t m e n to f o p t i c s t o l d l c c 江u n j c 5i n t i a n j i n u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y i ne x p e r i m e n ti 啪i n c r e a s e dl e a r n e r sg e r m a n ec o g n i t i v e l o a db y a s k i n gt h e m w r i t ed o w nt h e s u m l y l a r yo f e a c h p a g e ，t h e nc o m p a r e di f t h e r ew e r e d i f f e r e n c e sb e t w e e ng r o u p s 埘t l la n dw i t h o u ts u m m a r y a tt h es a n l et i m e w e c o m p a r e d t h ec o g n i t i v el o a da n da c h i e v e m e n to f p a r t i c i p a n t s 、i t l la n dw i t h o u tb a c k g r o u n dm u s i c i ne x p e r i m e n ti i ，w ei n v e s t i g a t e dt h ee f f e c to fm e t a - c o g n i t i o no nl e a r n e r s c o g n i t i v e 1 0 a da n da c h i e v e m e n t i ne x p e r i m e n t1w ee m p l o y e dab e t w e e n - g r o u pd e s i g n , i e ，2 ( f a c t o r1 ：s u m m a r y , i n c l u d i n gw i t hs u n l l b a ya n dw i t h o u ts m n m a r y ) x 2 ( f a c t o r2 ：i e ，b a c k g r o u n dm u s i c ， i n c l u d i n gw i t hb a c k g r o u n dm u s i ca n dw i t h o u tb a c k g r o u n dm u s i c ) i ne x p e r i m e n ti i ， t h e r ew e r et h r e e g r o u p s a n d p a r t i c i p a n t s l e a r nt h em a t e r i a l s t w i c e g r o u p 1 g o t r e c t a - c o g n i t i o n b e f o r et h ef i r s t p r e s e n t a t i o n ，w h i l eg r o u p2g o tb e f o r et h es e c o n d p r e s e n t a t i o n , a n dg r o u p 3h a db om e t a - c o g n i f i o n w eg o tt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n 3 f i r s t ，t h ei n c r e a s eo fg e r m a n ec o g n i t i v el o a dd o e s ta l w a y sm e a nt h ei n c r e a s eo f t o t a lc o g n i t i v e1 0 a d f i r s t , t h et w of a c t o r si ne x p e r i m e n tid i d n th a v e s i g n i f i c a n t l y i n t e m c t i o n s e c o n d ，g r o u p sw i t hs u m m a r yh a ds i g n i f i c a n t l yl o w e rc o g n i t i v el o a dt h a ng r o u p s w i t h o u t ，a n dh a dh j 【g h e rs c o r e si nt r a n s f e rt e s t t h e r ew a sn od i f f e r e n c ei nr e t e n t i o nt e s t w e g o tt h ec o n c l u s i o nt h a ts u m m a r yr e d u c e dl e a r n e r st o t a lc o g n i t i v el o a da n di n c r e a s e t h et r a n s f e rs c o r e t h i r d ，t h e r ew e r en os i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n c e si nc o g n i t i v el o a da n dt r a n s f e rt e s t s c o r eb e t w e e ng r o u p sw i t ha n dw i t h o u tb a c k g r o u n dm u s i c ，b u tg r o u p sw i t hm u s i cg o t s i g n i f i c a n t l yl o w e r s c o r ei nr e t e n t i o nt e s t f i n a l l y , t h e r ew e r en os i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n c e sb e t w e e ng r o u p sw i t ha n dw i t h o u t m e t a 。c o g n i t i o n ，n o rb e t w e e ng r o u p sh a dm e t a - c o g n i t i o na td i f f e r e n tt i m e g r o u p sw i t h m e t a - c o g n i f i o n h a d s i g n i f i c a n t l yh i g h e r s c o r ct h a n g r o u p sw i t h o u t g r o u pg o t m e l a c o g n i t i o nb e f o r et h ef i r s tp r e s e n t a t i o nh a ds i g n i f i c a n t l yl o w e rs c o r ei nt r a n s f e rt e s t 。j “垮t ，t i pg o tr e c t a c o g n i t i o nb e f o r e t h es e c o n dp r e s e n t a t i o n i np r e s e n ts t u d y , t h ei n c r e a s i n go f g e r m a n ec o g n i t i v el o a dd i d n ti n c r e a s et h et o t a l c o g n i t i v el o a db u ti n c r e a s e dt h es c o r e so ft r a n s f e rt e s t i ti m p l i e dt h a ts t r a t e g i e so f i n c r e a s i n gg e r m a n ec o g m t i v el o a dw e r eg o o df o ra c q u i s i t i o no fp r i n c i p l ei n f o r m a t i o n w es u g g e s tt h a tw es h o u l dt a k et h e g o a l o fl e a r n i n gi n t oa c c o u n ti nm u l t i m e d i a i n s t r u c t i o n a ld e s i g nt og e tb e t t e re f f e c ta n d h i g h e re f f i c i e n c y k e y w o r d s ：m u l t i m e d i al e a r n i n g ，g e r m a n ec o g n i t i v el o a d ，m e t a c o g n i t i v el o a d ， i n s t r u c t i o n a ld e s i g n 4 1 问题提出 任何科学的理论只有运用于实际生活中，对提高人们的生活质量有所帮助， 才能体现其最大的价值，认知负荷理论也是如此。认知负荷理论是近年来在国外 发展迅速的理论之一，尤其是关于多媒体学习中认知负荷的研究在国外已经取得 了丰硕的成果，而这些研究成果又给了多媒体教学与学习很多有益的启示。多媒 体学习中关子认知负荷研究的迅速发展与近2 0 年来电脑的迅速发展与普及是分不 开的。随着电脑的普及，越来越多的教师被要求使用多媒体进行教学，市场上多 媒体学习软件的开发也是一个蓬勃发展的产业。毋庸置疑，无论是教师的多媒体 教学还是市场上的多媒体学习软件，都让学生们欢呼雀跃了一阵，而它们也确 实在一定程度上促进了学生的学习。但是也出现了这样或那样的问题，比如教师 的多媒体教学在什么条件下能够提高了学生的学习，而在什么条件下又会阻碍学 生的学习? 多媒体教学的优势是否得到完全的发挥? 如何通过良好的教学设计来 娃高学生拍学业成就? 什么洋的学习软件既能够最大限度地促进学生的学习而又 不增加学生的负担? 对于多媒体学习中的一些问题，致力于认知负荷研究的心理学家们进行了一 系列的实验，主要针对如何降低学习者的额外负荷，提高其学习效率，得出了许 多有意义的结果，既达到了将理论运用于实际生活的目的，又对理论进行了发展。 但是还有很多问题没有得到完全解决，在实际运用中也还存在这样那样的疑问。 对多媒体学习中的认知负荷理论进行深入研究。对多媒体教学设计和软件开发进 行改进和提高，既是对理论的拓展，也是对理论应用的加强。我们希望在已有研 究的基础上，立足于多媒体教学设计，对多媒体教学中的认知负荷进行更进一步 的探讨。 本研究主要是立足于已有的认知负荷理论。以多媒体教学设计为载体，着重 探讨以往研究中涉及较少的相关认知负荷控制对学习者学习结果的影响。同时， 我们还试图通过实验来证明元认知负荷的存在，并考查元认知监控对学习者认知 负荷和学习结果的影响。下面我们主要介绍一下多媒体学习中的认知负荷理论的 发展现状与存在的问题，以及我们的研究假设产生的基础。 1 1 认知负荷理论 认知负荷( c o g n i t i v el o a d ) 是指人在信息加工的过程中所必需的心理资源的总 量。认知负荷理论是澳大剥亚心理学家j o h ns w e l l e r 于2 0 世纪3 0 年代末9 0 年代 初提出来的，其理论基础主要是资源有限理论和图式理论。资源有限理论认为人 的认知资源( 主要表现在工作记忆容量上) 是有限的，而任何学习和问题解决活 动都要消耗认知资源，都有可能造成认知上的负荷。如果加工某种信息所需要的 认知资源超过了人本身所具有的认知资源的总量，就会造成认知超负荷( c o g n i t i v e o v e r l o a d ) ，从而影响学习的效果和效率。图式理论认为知识是以图式的形式存储于 长时记忆中的，在个体学习新知识的时候，长时记忆中的图式可以根据所面临的 情景进行快速而正确的归类，这种归类是一种自动化的加工过程，它不需要有意 识控制和资源消耗，因而可以降低个体的认知负荷。认知负荷理论研究的主要目 的就是在教学过程中控错8 工作记忆负荷。即最大限度地降低阻碍学习的认知负荷、 优化促进学习的认知负荷，使学习者合理地利用有限的认知资源，达到最好的学 习效果。 认知负荷理论主要是研究关于复杂认知任务的学习。它认为影响认知负荷的 基本因素有三个，即学习材料的组织和呈现方式、学习材料的复杂性和个体的专 长水平( 即先前知识经验) 。由此也就导致了三大类认知负荷的产生，即外在认知负 荷( e x t r a n e o u sc o g n i t i v el o a d ) 、内在认知负荷( i n t r i n s i cc o g n i t i v el o a d ) 和相关认知 负荷( g e r m a n ec o g n i t i v el o a d ) 。 外在认知负荷也称为无效认知负荷，这种认知负荷与学习材料的组织和呈现 方式有关，是由学习过程中对学习没有直接贡献的心理活动引起的，当教学要求 学生从事一些与图式获得或自动化没有直接关联的活动时，便会产生外在认知负 荷。比如，如果教学材料中包含文字和图解，而这些文字和图解的内容又不完全 一致时，便会给学习者造成外在认知负荷。又如对电脑不是很熟练的学习者在运 用电脑进行学习时，也会造成外在认知负荷，因为他需要动用认知资源来操作电 脑。由于外在认知负荷需要的认知资源可能超过人的工作记忆容量，因而可能阻 碍学习，影响学习效果。大量关于认知负荷的研究都表明，在我们经常使用的与 认知加工有关的教学任务中，很多对学习都没有太大帮助，有的甚至会阻碍学习。 比如，搜索某一问题的解决方案，或是在大量解释信息中搜索我们需要的信息往 6 往就增加了我们的外在认知负荷，从而影响了学习的效率。我们通过互联网查阅 资料时就很容易出现这样的情况：大量的图片和文字材料让人觉得无所适从，从 而往往浪费很多时间和糖力。 内在认知负荷是指在工作记忆中同时进行加工的，需要被整合进将要学习的 图式中的元素的数量，这样的元素越多，表明学习者的内在认知负荷越高。内在 认知负荷与学习材料的复杂性和学习者专长之间的关联程度有关，s w e l l e r 等人 ( 1 9 9 8 ) 认为内在认知负荷的高低是由将要学习的材料的特征与学习者专业知识之 间的关系决定的。如果学习材料较为复杂，而且学习者在该领域的专业知识较为 欠缺，那么要理解所学材料就必须同时注意许多不同的元素，这些元素同时在工 作记忆中进行加工，从而增加工作记忆的负担，产生较高的内在认知负荷。如果 一个学习者对某一领域的学习有较丰富的专业知识，那么他在学习相同的材料时， 就会比专业知识更贫乏的学习者产生更少的内在认知负荷。因此，在菜一个领域 的专家会比新手学习该领域的新知识更快也更容易。 相关认知负荷也称有效认知负荷，它产生予学习者在学习某一个任务未用完 所有的认知资源时，这时学习者便可以把剩余的认知资源用到与学习有直接相关 的加工( 如图式构建) 中去，让学习者在工作记忆中的元素活动中加入更高级的有意 识的认知加工( 如重组、抽象、比较和推理等) ，从而支持图式构建。这样的加工 也会增加认知负荷，不过这种认知负荷不会阻碍学习，反而会促进学习。r e n l d 等 人( 2 0 0 3 ) 认为在学习不完整样例( w o r k e d o u te x a m p l e ) 的过程中，进行自我解释通常 就会产生相关认知负荷。 m a r t i nv a l c k e 于2 0 0 2 年提出了元认知负荷( m e t a - c o g n i t i v el o a d ) 。他把元认知 负荷看成是相关认知负荷的一种，是学习者在监控其图式构建和储存的活动中所 投入的心理资源。他认为很多研究者在他们的研究中都涉及到了学习者的元认知 活动，但是没有把元认知这一概念整合到认知负荷理论中去，而在认知负荷理论 中纳入元认知负荷的概念具有重要的理论和教学意义。但是到目前为止，根据我 们掌握的资料，还没有人对元认知负荷进行实证研究。 由于认知负荷是建立在工作记忆容量基础之上的，所以三种负荷之间是一种 此消彼长的关系，即三种负荷相加起来的总量是被限制在一定范围内的，一种负 荷高了，另外两种负荷必然就低，如果三种负荷都高，就必然会阻碍学习的进行。 所以教师在教学过程中，应当考虑到三种负荷之间的相互关联，进行最优化的教 学设计，才能达到最好的教学效果。 1 2 认知负荷的测量 认知负荷的测量可以从两个维度上来划分：主、客观维度和直接、间接维度， 各维度的测量方法如表1 所示。主观性测量是指甩主观性的方法，如自我报告法 等来测量认知负荷的强度客观性测量是通过对行为、生理状况和成绩等进行客 观观察，从而得出认知负荷强度的大小。直接的测量是指对被试的主观感觉、大 脑活动进行直接测量，得出结论；而间接测量是指通过被试的行为、学习成绩进 行推论，从而做出判断。 表1 认知负荷的测量方法( b r n n k e n e ta l ，2 0 0 3 ) 间接的主观测量法是p a s s 等人于1 9 9 4 年提出来的。主要方法是通过在实验后 对被试进行问卷调查，让其回答在理解学习材料的过程中所付出的心理努力的多 少，该方法在目前关于认知负荷的研究中使用较多。 直接的主观测量法是让被试对与认知负荷直接相关的学习材料的难度进行等 级评定。k a l y u g a 等人( 1 9 9 9 ) 的研究表明，这种测量方法能够比较准确地测查出不 同训练策略导致的结果之间的差异。 间接的客观测量，一是通过对成绩结果的分析考查认知负荷的强度，二是通 过分析行为方式或生理状况以及它们与学习加工的关系，如把学习者花在任务上 的时间作为衡量不同负荷水平的一个指标，也可以根据心率和瞳孔扩张等来考查 负荷水平。 对认知负荷进行直接的客观测量主要是得益于神经成像技术，如通过计算机 断层扫描技术( p e d 和功能性磁共振脑成像技术( f m r i ) 测查任务完成过程中脑的 激活程度。这种方法常用来考察工作记忆研究中在完成简单任务( 如词汇记忆、 句子理解等) 时，大脑区域的活动，但在认知负荷理论的研究中运用还不是很多。 b r t t n k e n 等人( 2 0 0 4 ) 采用双重任务范式( d u a l t a s k p a r a d j 咖来对认知负荷进行 测量。双重任务范式的基本假设是；认知资源是有限的，但可以灵活地分配到任 务解决的不同方面。如果一个学习者必须要同时完成两个任务( 如学习任务和监 控任务) ，而且两个任务都需要相丽渠道的资源，那么所有的资源就必须在二者之 间进行分配，因此可以根据两个任务的成绩来推测认知负荷的强度。在他们测量 听觉认知负荷的实验中，在用多媒体呈现关于血液循环的教学材料时加上一些因 素，使该实验有三种任务情境：无听觉信息、只有背景音乐、背景音乐加叙述， 采用被试内设计。初级任务是对教学材料的理解和掌握，二级任务是在每种情境 中，在间隔5 到1 0 秒的时间加上一个声音刺激，让被试一听到这个声音就按空格 键，用电脑记录被试的反应时。根据反应时的长短来推测初级任务产生的认知负 荷。这种方法也存在一些方法和技术上的难题，如：两种成绩的信、效度能否达 到较高水平，如何避免两种任务间的相互作用如何设计二级任务使之恰好用完 剩余的认知资源等等。 1 3 多媒体学习中控制认知负荷的研究 1 3 1 降低外在认知负荷 由于外在认知负荷主要是由学习材料的组织和呈现方式引起的，所以使学习 材料的呈现方式最优化是降低学习者外在认知负荷的一个重要途径。m o u s a v i 等人 ( 1 9 9 5 ) 的研究表明，在多媒体教学中使用视昕两种方式整合呈现几何样例可以降低 学习者的认知负荷，比单纯用视觉或听觉方式呈现的效果更好，学习者的迁移成 绩更高。后来的很多实验都证明了这个结果，即多媒体学习中的通道效应，研究 者认为视听两种通道是用不同的方式加工信息，使用不同的工作记忆，所以采取 两种方式呈现信息既增加了工作记忆容量，也降低了同一通道的认知负荷，从而 产生更好的学习效果。 在适当的时间呈现信息也是降低外在认知负荷的一个有效的方法。k e s t e r 等人 ( 2 0 0 1 ) 提出了一个信息呈现的适时( j u s t - i n - t i m e ) 模型，即当学习者在问题解决中刚 好需要某个信息时呈现该信息，信息应包括支持性信息( s u p p o r t i v ei n f o r m a t i o n ) 和必 9 备性信息( p r e r e q u i s i t ei n f o r m a t i o n ) 两种支持性信息最好在练习任务之前呈现，这 样可以通过意义学习和重组来促进图式构建；必备性信息应当在学习过程中呈现， 这样可以有效地降低外在认知负荷( 因为它避免了注意分散) ，并通过程序化和严 格的编码来促进图式的自动化，从而为学习复杂认知技能提供了认知资源，促进 迁移成绩的提高。 m a y e r 等人( 2 0 0 2 ) 以认知负荷理论、双重编码理论和建构主义学习理论为基础， 提出并验证了多媒体教学设计的五个原则：多样化的呈现原则认为用文字和图画 来呈现解释信息比单纯用文字呈现效果好；接近原则认为在呈现多媒体解释信息 时应当同时呈现相应文字和图画，雨不应分离呈现；一致性原则认为呈现多媒体 解释时应当包含较少的无关的词和声音，这样更有利于理解；通道原则认为在呈 现图画的同时用听觉通道呈现的叙述比用视觉通道呈现文本效果好；冗余原则认 为动画和听觉叙述两种方式同时呈现比动画、听觉叙述和屏幕显示文本三种方式 同时呈现效果好，因为这样减少了学习内容的冗余。 1 3 2 减少内在认知负荷 由于内在认知负荷是由元素之间复杂的交互活动引起的，因而减少内在认知 负荷的主要方法就是减少元素间这样的交互活动。p o l l o c k ，c h a n d l e r 和s w e l l e r ( 2 0 0 2 ) 尝试通过适当的呈现顺序在学习特别复杂的信息时减少内在认知负荷。他们进行 了两个实验，第一个实验中的被试是在某一领域的初学者，而第二个实验中的被 试是具有一定知识基础的学习者。实验组在教学的第一阶段，把一系列的信息分 解成独立的小段依次呈现。这样就减少了认知负荷：在教学的第二阶段，所有的 信息都同时呈现。对照组则一次性呈现所有信息。结果与实验者的假设一致：与 在刚开始就同时呈现所有信息的对照组相比较，实验组采用的混合呈现方式极大 地提高了训练效率和学习者对所学内容的理解，尽管在第一阶段对信息的理解不 太充分，但在第二阶段却比对照组好得多。但结果也表明，这种混合的教学形式 在对完全缺乏基本知识的初学者来说比较有用，但对那些已经有了一定先前知识 的学习者来说并没有特别突出的效果。 g e r j e t s 等人( 2 0 0 4 ) 也证明通过呈现模块化的样例( m o d u l a re x a m p l e ) 可以降低学 习者的内在认知负荷。他们综合自己和他人的一些研究，得出结论认为：当把要 1 0 学习的例题分解成意义完整的、可以单独呈现的模块化例题时，可以使学习者的 内在认知负荷降低，并使学习者用于学习样例的时间减少，而学习成绩提高。 由于内在认知负荷与学习者的专长水平也有较大关系，因而要减少内在认知 负荷，就必须考虑到学习者的专长水平，因为随着学习者专长水平的提高其内 在认知负荷自然就降低了。r e r d d 等人( 2 0 0 4 ) 认为在认知技能获得的早期阶段，学 习不完整样例( w o r k e d - o u te x a m p l e ) 是一个非常有效的途径，但随着学习者在该领域 知识水平的提高，进行问题解决的学习则更有利于促进学习者的学习。因为随着 学习者专长的提高，内在认知负荷逐渐减少，这样就可以把富余的认知资源用于 应对外在认知负荷或相关认知负荷。他们认为在学习不完整样例的过程中，随着 学习者知识水平的提高，用渐减的方式呈现不完整样例的解答步骤( f a d i n g s o l u t i o n s t e p s ) ，最后演变成问题解决是一个有效的途径。这种渐减呈现方式是：第一个样 例呈现完整的解答步骤，第二个样例省去最后一个步骤，第三个样例省去最后两 个步骤，以此类推，最后只呈现一个需要解决的问题。他们进行了一系列的实验， 结果表明渐减呈现样例的方式能够更好地促进学生的近迁移，也减少了学生学习 过程中的错误。 1 3 3 增加相关认知负荷 s w e l l e r 等人( 1 9 9 8 ) 认为提供样例的变式是增加相关认知负荷的一个有效途径。 他们认为问题情境的变式可以鼓励学习者发展图式。因为它使学习者更能把相似 特征和相关特征与无关特征区分开来。提供变式可以更好地促进学生的学习和迁 移。 v a n m e r r i e n b o e r 等人( 2 0 0 2 ) 的研究表明：在同时控制外在认知负荷和相关认知 负荷的基础上，可以通过改变学习者的注意来提高训练效果。他们的实验遵循两 个原则，一是认知负荷对认知图式构建的消极影响应降到最低，二是与图式构建 有直接关系的相关认知负荷应当被最优化。在第一个实验中，他们利用有提示的 问题( c o m p l e t i o np r o b l e m s ) 来减少外在认知负荷，通过对有提示问题组( 学习者只 需把对问题的解答补充完整) 、传统问题组( c o n v e n t i o n a lp r o b l e m s ，学习者需要自 己产生完整的解决方案) 和学习者可以在两种问题之间选择的学习者控制组的训练 结果比较发现，在训练中有提示问题减少了外在认知负荷从而对迁移产生了积极 影响，而学习者进行自我控制的组获得了最好的迁移成绩，可能是由于这种灵活 的方法使学习者能够更好地控制和调节他们的认知负荷。在第二个实验中通过利 用高的背景干扰( c o n t e x t u a li n t e r f e r e n c e ) 来增加相关认知负荷，对干扰程度不同的两 组的训练效果比较发现，离背景干扰由于在训练中增加了相关认知负荷( 因为学 习者在学习中花费了更多的时问和心理努力) ，而产生了更好的迁移成绩。最后 个实验是把学习者的注意力从外在加工转移到相关加工中来郎在降低外在认 知负荷的同时增加相关认知负荷他们把前面两个实验中的因素，即问题( 提示 问题与传统问题) 和背景干扰( 高的背景干扰与低的背景干扰) 两个因素都考虑 进来形成了一个2 x 2 的双因素实验设计。他们假设把注意力从外部加工转向相关 加工能够提高训练效果，实验结果支持了这一假设，即提示问题高背景干扰 组获得了最好的训练效果。 1 4 本研究的产生和理论假设 本研究主要是在以往研究结果的基础上产生的。首先，对已有研究中有争议 的结果进行验证。目前很多多媒体学习软件在播放学习材料的同时都伴随有音乐， 那背景音乐对学生的学习会有什么样的影响昵? 有很多心理学家做过关于这方面 的实验，但不同的人得出的实验结果并不一样。比如，m o r e n o 和m a y e r ( 2 0 0 0 ) 的 研究结果表明，有背景音乐组被试的记忆和迁移成绩显著低于没有背景音乐组的 成绩。而b r t i n k e n 等人( 2 0 0 4 ) 的研究则发现，在其他条件相同的情况下，有背景音 乐组的被试成绩和没有背景音乐组的被试的成绩之间没有显著差异。因此，我们 想进行一个迸一步的确证研究，看看有无背景音乐对学生的学习成绩到底有什么 样的影响。 其次，对国内外研究较少的相关认知负荷进行研究。国外关于认知负荷的研 究主要集中在如何降低外在认知负荷和减少内在认知负荷上，而关于相关认知负 荷的研究成果较少。无论是降低外在认知负荷还是减少内在认知负荷，大都是从 学习材料方面入手对认知负荷进行控制。但学习者才是学习的主体，所以更重要 的是从学习者自身出发，帮助学习者利用自己的优势条件对认知负荷进行控制， 从而更有效地促进学习，因此对相关认知负荷的研究也是一个具有实用价值的问 题。当然，按照认知负荷理论，增加相关认知负荷有很多方法，根据以往的研究 成果和我们自己的学习经验，我们采用归纳的方式来增加学生的相关认知负荷， 即希望通过要求学生对所学材料进行归纳的方式来使学生进行更深入的学习。增 加其相关认知负荷，从而提高其学习成绩 最后，尝试对元认知负荷进行实证研究。根据目前我们掌握的资料，还没有 人把元认知负荷单独列出来进行研究如前所述，根据v a l c k e ( 2 0 0 2 ) 的观点，元认 知负荷应该是相关认知负荷的一种。以往研究结果表明，对学生进行元认知指导 可以促进学生的学习，对于学生的学习有着极为重要的作用。因此把元认知研究 纳入到认知负荷理论的研究中，从认知负荷的角度对元认知进行测量和检验，也 是很有价值的。因此，本研究着重探讨在降低外在认知负荷和内在认知负荷的基 础上，增加相关认知负荷对学习者学习的作用，而且把元认知监控融入到多媒体 学习中，通过实验证明元认知负荷的存在，并探讨其对学习的影响，对认知负荷 理论进行拓展。 根据认知负荷理论，在学习过程中，内在认知负荷、外在认知负荷和相关认 知负荷的总量是限制在工作记忆容量的范围之内的。三者的总和不能超过工作记 忆容量的范围，否则学习就会受到阻碍，甚至无法继续进行下去。同时。过低的 认知负荷对学习也没有促进作用，比如如果所学习的知识太过于简单，激发不出 学习者克服困难、获取知识的动机，也达不到很好的学习效果。还有一点就是， 如果外在认知负荷和内在认知负荷都较低，即材料的呈现没有造成学习者额外的 负担，材料本身对学习者来说也很容易，学习只是动用了工作记忆容量的很小一 部分，那么即使不采取任何促进学习者有效学习的措施，学习者的学习成绩也不 会很差。所以，增加相关认知负荷的前提是外在认知负荷不能太高，而内在认知 负荷也不能太低。我们通过对学习材料的呈现方式进行优化来控制学习者的外在 认知负荷，通过对学习者先前知识的控制来控制学习者的内在认知负荷，具体操 作将在实验设计中进行详细的说明。 根据以上的原因，本研究针对两个实验提出了三个假设。在实验一中，我们 首先假设在多媒体学习中，在适当降低外在认知负荷的同时，引导学习者用归纳 策略对学习材料进行及时加工能够增加学习者的相关认知负荷，促进学习者取得 更好的学习效果；其次，我们假设背景音乐对学生的认知负荷和学习成绩没有显 著影响。在实验二中，我们假设在多媒体学习中，在适当降低外在认知负荷和内 在认知负荷的同时，对学习者进行元认知监控提示能够使学习者产生元认知负荷， 而元认知负荷是相关认知负荷的一种，也能促进学习者学习成绩的提高。 2 实验一相关认知负荷和外在认知负荷影晌多媒体学 习的实验研究 2 1 实验设计 实验一有两个目的：一是考查在内在认知负荷和外在认知负荷相同的条件下， 对材料进行归纳与不归纳两种学习策略对学生认知负荷和学习结果的影响，即增 加与不增加相关认知负荷对认知负荷和学习结果的影响：二是验证以往研究的结 果，即在视听两种方式呈现多媒体学习材料的基础上加上背景音乐与不加背景音 乐对学生认知负荷和学习结果的影响，即外在认知负荷对总的认知负荷和学习结 果：影响。 本实验采用2 x 2 的被试间设计，因素为归纳与否和有无背景音乐，归纳与否 的两个水平为归纳与不归纳；有无背景音乐的两个水平为有背景音乐与无背景音 乐。实验总共分四个组，组一无背景音乐也不需要学生归纳，称为“无音乐叙述+ 不归纳”组：组二没有背景音乐，但需要学生进行归纳，称为“无音乐叙述+ 归纳” 组：组三有背景音乐，但不需归纳，称为“有音乐叙述+ 不归纳”组：组四既有背景 音乐又需要进行归纳，称为“有音乐叙述+ 归纳”组。 2 2 实验材料 实验材料包括：多媒体呈现的学习材料，先前知识调查，心理努力和材料难 度自评量表，记忆测试和迁移测试题。 学习材料是由多媒体呈现的关于移动通讯基础知识的介绍，由作者利用 a u t h o r w a r e7 0 软件自行设计。四个组的材料均包括视觉呈现的图片和动画，听觉 呈现的对图片和动画内容的讲解。根据多媒体学习的通道效应，视昕两种方式整 合呈现学习材料能够增加工作记忆的容量，因而相当于降低了学习者的外在认知 负荷。以通道效应为基础，我们设计了实验用的多媒体呈现材料，即视觉呈现图 片和动画，同时通过语音叙述对图片和动画无法表达完整的意思进行解释说明， 1 4 这样，既增加了学习者的工作记忆容量。又没有给学习者造成冗余负担。学习内 容包括两部分：第一部分介绍g s m 系统的四个组成部分( 即移动台、基站子系统、 网络子系统和操作维护中心) 的基本功能及相互关系。第二部分介绍通话过程， 印在主叫手机输入号码按下发射按钮后到被叫手机振铃按下接听按钮这段时间之 内移动通讯系统内部所进行的一系列操作流程。整个学习材料内容在不实行任何 操作，由系统控制条件下进行播放的时间约为1 5 分钟。 由于我们事前了解到被试都没有学习过移动通讯方面的专业知识，预备实验 发现被试对专业术语了解甚少，所以我们只是进行了个关于该领域知识的调查。 调查包括使用手机的时间，自己所使用通讯网络的信息，以及对移动通讯原理了 解的基本情况等，目的是考查被试在该领域的先前知识程度，同时考查各组之间 是否同质。 自评量表包括对心理努力和材料难度的自评，让学生对学习材料的难度和自 己在学习过程中投入的心理努力进行评价，目的是测量学习者学习过程中的认知 负荷的大小。心理努力是指在完成学习任务过程中实际耗费的认知资源。“心理 努力”对被试来说是一个较为专业的术语，在预备实验时我们发现被试不太理解心 理努力的含义，所以我们在正式实验的量袭：p 采用“吃力程度”来表示心理努力。量 表采用9 级评分制，要求被试根据自身的实际情况从1 9 中选择一个合适的数字， 从1 到9 吃力程度依次递增，1 表示最不吃力，5 表示中等吃力，9 表示最吃力。 对学习材料难度的评价与心理努力的评价类似，也是采用9 级评分制，从1 到9 材料难度依次递增，1 表示非常容易，5 表示中等难度，9 表示非常困难。 记忆测试题和迁移测试题的目的是考查学习者对学习内容的掌握程度。记忆 测试题是对学习材料内容记忆情况的测查，。所有问题的答案均是在学习材料中明 确出现过的。记忆测试总共1 3 个题，均为4 选l 的选择题，每答对一题得一分。 迁移测试题是三道问答题，主要是根据所学习的原理来解决类似情景中的问 题，问题答案是开放式的，采用踩点评分制，每给出个正确解答得一分。 ! 3 被试 被试为天津理工大学光电系本科三年级的学生，所有被试根据参加实验的时 间被随机分到各实验组。各组被试人数如表2 所示。在学习材料之前，我们进行 了一个先前知识的小调查，先前知识调查的结果表明，有8 2 的被试曾有过半年 以上手机使用经历。对先前知识调查中关于移动通讯原理方面的专业知识调查结 果进行统计分析。结果如表3 所示，组间差异f = 0 7 2 2 ，显著性为p 0 5 ，表明四 个组的被试在该领域的专业基础知识上无显著差异，说明各组被试在先前知识上 基本同质。 表2 各组被试人数 、 呈现方式 不归纳归纳t o t a l