认知负荷理论在教学设计中的应用

认知负荷理论在教学设计中的应用

1能力范式下的教学设计随着新经济的快速发展和社会变革的深入，基于培养能力的社会教育越来越受欢迎。能力可诠释为能够使学习者认识、界定、解决其学习领域及未来工作中的新问题的才能。能力亦指在恶劣且不断变化的环境中生存和发展的才能,处理非常规或抽象的工作进程的才能,作出决断并承担责任的才能、协作才能、理解才能,在不断拓展的时空中发展自我的才能。换言之,能力是复杂的认知技能和更高层次的认知技能的综合体,是高度缜密的知识结构、人际与社会交往技能、态度和价值观的综合体。能力的获得过程意指学习者能够在各种不同情境下进行终生学习时应用已有的技能与态度。以能力范式为基础的教育或教学设计同以往任何以知识的传授为目的的教学设计在根本上是不同的,它强调的是:教学设计必需确保所附带的那些复杂的认知技能能够在新的情境或领域中为学习者继续应用,即发生了以能力的获得与提取为标志的学习迁移活动。为了设计、拓展与补充这样的教育过程——其中,认知、元认知与能力的迁移是最重要的变量——需要我们较好地理解与运用人类思维的所有可塑性,并且了解与弥补它们的缺陷。认知负荷理论(Thecognitiveloadtheory,简称CLT)则可以为了实现上述目标提供指导性的教学设计工具。要实现这一目标,有六个关键因素。本文亦将依据这些因素来建构CLT基本元素之框架,并且籍此进一步说明这六种因素。在此基础上,本文还将着重探讨CLT对于教学设计的贡献及其未来可能的发展趋势。2在工作记忆中信息的存储及加工人类学习的心理机制是认知结构,而认知结构则是由记忆系统合成并提取各种信息单元(图式)的过程。就记忆系统而言,主要包括工作记忆与长时记忆。其中,工作记忆(workingmemory)是完成认知功能的基本心理成分。短时记忆或工作记忆意指对材料予以加工时所使用的心理结构(此时刺激经由注意和再认进入感觉登记)。此时,我们必需调动所有的有意识活动,这种情况使之成为唯一可以监测的记忆,其它任何事情——包括内容与机制——只有进入工作记忆,才能得到认识。然而,摆在我们面前的一个问题,对教学设计者尤甚,即为工作记忆只能即时地加工7个左右的信息组块;而且,由于工作记忆还负有组织、比较、合成或加工信息之责,因而实际上人们同时只能记住2-3组信息。最后,工作记忆并非是一块独石,而是一个系统,其中至少包括两种具体成分――视空间画板以及由中央处理器协调的语音环(psychologicalloop),它们分别负责对由视觉感觉通道输入的时空信息和由听觉感觉通道输入的声音信息(主要是语音信息)的初步加工与贮存。与之相比,长时记忆(LTM)是对工作记忆加工过的信息赋予意义和储存的心理结构。它是储存永久性知识与技能的“仓库”,含有当前勿经运用但却必需理解的信息。绝大多数认知科学家认为LTM的容量无限,能够对所学的信息产生永久性记录。人们一般不能直接意识到长时记忆的内容,对其内容及机制之觉知必需经工作(意识性)记忆的滤取。这样一来,人类的认知即可凭籍LTM储存近乎无限量的信息,甚至包括一些巨大繁复的人际交往与各种规则、程序。人类智力即源于这类贮存着的知识,而非通过工作记忆才去进行冗长复杂的因果链接。因为工作记忆容量有限,如果没有长时记忆强大的贮存能力,工作记忆是不可能完成日常生活中所发生的复杂的信息链接工作的。这就意味着,需要学习者参与包括不熟悉信息组块的复杂的因果推理过程的教学设计必须通过设计合适的问题来提取LTM中贮存的知识及其组织结构,进而使得新知识变得容易理解、加工和贮存。按照图式理论(Theschematheory)的观点,知识在LTM中是以图式的形式贮存的。图式是根据信息的功能及其用途范畴化或归类了的信息单元。一个图式可以贮存大量的信息,而在工作记忆中则可以一个组块予以加工。图式能够将信息与产生式规则整合起来,并且成为只需极少的贮存空间、无需控制性过程的自动化加工单元。而学习技能的本质是指通过将较低水平的图式进行链接,形成容量更大、结构更复杂的高水平的新图式的建构过程。此外,图式还能减少工作记忆的负荷。虽然工作记忆只能即时加工有限的信息组块,但组块的规模、复杂化程度却可以不断发生更大的变化。一个图式可以是学习过的任何结构或所学信息组成的任何结构,并且仅仅占据一个记忆组块而已。如果在某一领域不断地学习,那么一个图式就能将数量庞大的信息合并为一个整体。总之,建构记忆组块有助于提高长时记忆中信息的贮存和组织,图式减少工作记忆的负荷。3传统教学设计如何减少无关性认知负荷CLT主张容量有限的工作记忆与容量无穷的长时记忆是相互关联的一体。因此,教学设计必需以容量有限的工作记忆为依托,将设计的原理及规则建构为适合工作记忆的加工对象——图式或记忆组块。因而,CLT既要考虑到工作记忆的有限容量,也要寻找促进学习的方法。而学习的本质即为通过施加精确水平的认知负荷(cognitiveload,简称CL)进行图式的建构。换句话说,教学设计者应当确保在进行教学时,学习者的工作记忆负荷不能超载。对此,因果性因素与评价性因素都会影响CL。因果性因素(causalfactors)可能来自学习者的自身特征(如自我的认知能力)、作业性质(如作业复杂度)、环境(如干扰)及其交互影响。评价性因素则包括心理负荷(mentalload)、心理努力(mentaleffort)及其相应的行为。心理负荷是指经由作业和环境方面的要求所造成的认知负荷。心理努力是指实际上学习者分配给作业的认知容量。学习者的学习行为或绩效则是对心理负荷、心理努力以及上述提及的因果性因素的反应结果(见图1)。工作记忆负荷受到学习材料所固有的性质和材料呈现方式的双重影响。前者造成的认知负荷叫做原生性认知负荷(intrinsiccognitiveload),后者造成的认知负荷则构成无关性和相关性认知负荷(extraneousandgermanecognitiveload)。学习需要消耗一定的工作记忆容量。具体地,相关性因素用以建构图式,并将之贮存在长时记忆中。而在完成复杂的学习作业时,建构充分且丰富的图式尤为重要,此时需要更多的心理努力,因为有关材料的基本构成元素需要不断地相互链接,这就涉及到原生性认知负荷。在CLT看来,容量有限的工作记忆很难有效地支持传统的教学活动。传统教学力图向工作记忆施加的是无关性认知负荷。CLT认为,教学干预无法改变原生性认知负荷,因为它是由材料本身所决定。但是无关性认知负荷与相关性认知负荷则可由教学设计来决定。虽然二者都可因教学干预而改变,但是无关性认知负荷是由教学设计的缺损所造成的额外的认知加工招致的;相关性认知负荷则是由图式建构引发的心理努力,而学习的本质是由无关性认知负荷向相关性认知负荷转化的过程。恰当的教学设计会减少无关性认知负荷、增加相关性认知负荷,同时总的认知负荷保持在工作记忆容量许可的范围内。但是,目前教学设计面临的一个突出的问题是:没有相应的实践技术将二者区别开来。我们只能决定认知负荷总量,同时证明它们是如何造成的。CLT致力于探索教学设计如何减少无关性认知负荷这一问题。近来,一些研究发现,当教学图式建构时,相关性认知负荷便会增加。这类研究的基本主张是:教学材料的质量决定着原生性认知负荷的高低,教学程序的科学性决定着相关性认知负荷的高低,教学设计应当通过鼓励学习者参与同图式建构直接关联的有意识的认知加工活动来进一步改善认知负荷总量。明显地,这种主张只有在认知负荷总量不超过工作记忆容量的前提下才会实现,而这正是目前教学设计研究中的一个前瞻性课题。4学习行为的迁移性测量Paas等人做了三个实验来检验依据CLT形成的教学设计原理对无关性认知负荷和相关性认知负荷各自产生的影响,其检测指标是学习成绩和学习效能。一方面,CLT认为在学习者能够使用适当的学习策略而非一般性问题解决方法(如手段-目的分析)的教学情境中,无关性认知负荷会有所削弱。另一方面,诸如样例解析(workedoutexamples,简称WOEs)这种可以减少无关性认知负荷、增加相关性认知负荷的教学方法可能只会导致表面化的信息加工。补救措施之一即为鼓励学生对不同的WOEs程序进行深入比较(WOEs之间区别越大,情境性干扰越高,比较过程的意义越大)。Paas等人的第一个实验利用填空题研究了无关性认知负荷的减少问题。其指导思想是与图式建构无关的CL会降到最低限度。他们比较了学习者必需补全答案之一部分的填空题与必需产出全部答案的常规题。通过训练,填空题减少了CL总量,并且出现了正迁移效应。第二个实验则研究了高强度的情境干扰(highcontextualinterference,简称HCI)是否会增加相关性CL这个问题。其指导思想是:与图式建构直接相关的相关性CL应当随之增加。研究者比较了高干扰与低干扰的课程计划对CL的影响。HCI虽然在教学训练中耗费了学习者更多的学习时间与心理努力,即增加了CL总量,但是与此同时却出现了记忆保持的提高与迁移性行为。最后一个实验则研究了同时减少无关性CL与增加相关性CL所引发的注意转移问题。该研究通过2×2析因实验(自变量为:A、问题格式(填空题与常规题);B、情境干扰(HCI、高干扰与LCI、低干扰))。具体假设是:注意力由无关性加工转移到相关性加工将会提高训练效率或学习的迁移。结果发现,填空题-HCI组训练效果最好。这一结果支持了研究假设。但是该组的迁移性测验成绩却不尽人意。对此,研究者认为这与学习者的作业自我卷入程度以及填空题同时呈现的HCI的操作方式有关。Stark等人研究了成功的样例学习(example-basedlearning)对学习行为的影响这一问题。根据算术样例教学取得的研究成果,研究者分析了学习行为的样例-精细化加工训练效应(theeffectsofexample-elaborationtraining)。该研究首先力图避免WOEs可能引发的潜伏性心理过程。第二步则是要辨别出处理WOEs的各种教学方式,它们不仅与后继成功学习(包括认知与元认知)相关、而且与学习者的认知能力有关。研究者最后力图解释学习者特殊的特征(如已有知识、兴趣点以及对事物模糊性的承受力等)对这些方式的形成所产生的影响。他们发现,样例-精细化加工训练对学习行为会产生积极效应。但是,虽然不同类型的学生的心理努力与内驱力不同,而学习结果与已有知识或兴趣的关系却无差异。对事物模糊性的承受能力越强,学习者的心理努力便会越强,并且最终形成成功的元学习行为。Swell等人利用CLT创设了4个实验在作文理解领域进行了与之类似的检验。如果需要解决的是工作记忆容量有限这一问题,那么在学习综合性较强的知识领域之前,首先学习分割开来的互不影响的各组成成分(如词汇或化学元素等知识单元)就可以减少认知负荷,从而提高学习效率,促进学习迁移。该研究据此检验了以为了促进理解而提高图式建构为目的的教学设计方法。研究者采用二阶段混合法与常规教学教学了比较。实验1的被试为初学者(新手),实验2则为拥有较多知识的学习者(熟手)。对于实验组而言,实验的初始阶段呈现的都是以材料构成元素为单位的,即进行的是分离性呈现。这样以来,在工作记忆中所进行的信息加工是串行的而非并行或同时性加工。而在实验的第二阶段则呈现需要理解的信息整体(此时信息元素之间开始发生联系)。与之相反,常规教学则自始至终呈现的都是信息整体。当然,人为地减少材料的相互关联的一个结果可能是会一开始就会减少学生的理解能力或认知容量。但是,研究者认为,在较长时间内,此举反而会促进学习者的理解能力。实验结果有力地支持了研究假设:利用混合教学法,学习者对所学知识理解得更好,记得更牢,这说明图式建构是混合教学法的心理机制。Paas等人则针对CLT教学设计存在的问题进行了更加深入的研究。终身学习(life-longlearning)是当前教育机制中最重要的组成部分。至少就具体的内容而言,我们今天所教的东西,到了明天就已过时。如果我们希望在生活中不断地学习,那么教学设计必须重视和善于运用年龄对学习的影响及其认知心理学和学习理论的基础。老化可能会降低工作记忆容量和加工速度及其阻抑无关或干扰学习的能力。如果是这样的话,认知的老化会在很大程度上削弱老人习得复杂技能的能力。Paas等人检验了通过基于CLT的训练程式而以高效的信息方式呈现能够使得老年学习者的认知能力发挥得更好这样的观点。研究结果表明,通过对现有的认知资源的积极利用,学习效果得到了改善。其研究焦点是在训练老人时作为常规性问题解决之替代策略的WOEs的有效程度。按照CLT的观点,学习样例要比解决常规问题在训练复杂技能时更有效。研究结果发现,样例的训练效果的确好于常规性问题解决,并且训练时间也出现下降趋势。有人则通过整合双重代码理论(dualcodingtheory)、CLT和建构主义学习理论提出了多媒体学习的认知理论。基于这一理论,用以巩固多媒体学习(multimedialearning)的认知负荷理论教学设计原则得到了引申与检验。其中,多元表征原则(Themultiplerepresentationprinciple)主张:以单词和图画的形式同时呈现某种学习材料,学习效果要优于只用单词来呈现。其佐证即为声情并茂要比单纯的描述更有效果。相邻性原则(Thecontiguityprinciple)则认为,同时呈现意义相近的单词与图象要比继时呈现效果好。这是由于工作记忆本身包括相对分离的视觉-空间感觉登记和听觉感觉登记功能,表情具有分列式注意方式这一特征,因而使得无论是在时空上连续的还是分离的学习都会增加无关性CL。易懂性原则(Thecoherenceprinc