网络学习环境下学习者认知负荷的研究进展及启示

方中玉

(陕西师范大学 教育学院，陕西 西安 710062)

网络学习环境下学习者认知负荷的研究进展及启示

方中玉

(陕西师范大学 教育学院，陕西 西安 710062)

网络化学习已经成为一种新的学习方式，网络学习环境下学习者认知负荷是影响学习成效的重要原因之一，网络学习环境下学习者认知负荷的研究已经取得一些进展，主要集中于网络学习环境下影响学习者认知负荷的因素研究、网络学习环境下减轻学习者认知负荷的策略研究、网络学习环境下学习者认知负荷的测量研究和基于认知负荷理论的网络学习资源的设计研究等四个方面。通过对已有研究成果的梳理，以期对网络化教与学带来些许启示。

网络学习环境；学习者；认知负荷

一、前言

信息技术革命将学习环境延伸到网络环境下，网络环境下学习是一种包括网络、多媒体、信息搜索、远程学习在内的，学习者通过网络进行人与计算机之间、人与人之间交互的受教育方式，又称为网络化学习或数字化学习[1]。学习者在学习的过程中普遍存在认知负荷现象，学习环境又是影响学习者认知负荷的一个重要原因，而当前越来越多的教师在网络环境下开展教学，越来越多的学习者已经或将要在网络环境下参与学习活动，并且网络学习环境仍在不断发展。所以网络学习环境下学习者认知负荷的问题与网络环境下的学习相伴，因此，有关网络学习环境下学习者认知负荷的研究对调控学习者认知负荷、优化网络化学习结果具有重大的理论与现实意义，既是对理论的拓展，也是对理论应用的加强。

二、认知负荷理论概述

认知负荷理论(Cognitive Load Theory，CLT)是由澳大利亚认知心理学家约翰·斯威勒(John Sweller)以及穆勒(Miller)等人提出的。在国内外众多研究者的助推下，研究内容从认知结构的分析发展到认知负荷的测量研究，从影响认知负荷的因素到认知负荷的调控研究，从传统课堂环境下学习者认知负荷到网络环境下学习者认知负荷的研究，且CLT发展成为研究认知过程和教学设计框架的一个主要理论。所谓认知负荷理论是指同时被要求施加在工作记忆上的心智活动的全部数量，即施加到工作记忆中的待处理信息的总量[2]。由于工作记忆的容量的有限性，当学习者要解决复杂的问题或被给予复杂的学习内容时，就会出现认知负荷的现象。根据影响认知负荷主要因素的来源及性质，Sweller等人把认知负荷分为三大类[3]：内在认知负荷(Intrinsic Cognitive Load)指在工作记忆中同时进行的，需要被整合进将要学习的图式中的元素的数量，元素越多，表明学习者的内在认知负荷越高；外在认知负荷(Extraneous Cognitive Load)与学习材料的组织和呈现方式有关；相关认知负荷(Germane Cognitive Load)指学习中学习者将工作记忆能量投入更深层的图式建构、加工和存储时产生的认知负荷，三种认知负荷相加即总的认知负荷(Total Amount Cognitive Load)[4]。但是，总的认知负荷即三种认知负荷的总量不能超过工作记忆所允许的范围，否则就会造成认知负荷，从而阻碍学习。1994年，Fred G.W.C.Paas 和Jeroern J.G.Van Merrienboer[5]从因果要素和评价要素的角度提出了认知负荷的结构模型，并指出任务环境特性、学习者主体特征、评价要素反应的评估因素是影响认知负荷的三大因素[6]。

三、网络学习环境下学习者认知负荷的相关研究

(一)网络学习环境下影响学习者认知负荷的因素研究

关于认知负荷影响因素的研究已取得丰硕成果，通过对国内外相关研究进行梳理发现，研究者以认知负荷模型为基础，围绕教学设计、学习过程等领域中的认知负荷影响因素开展了大量研究。通过对以网络学习环境和多媒体学习环境为对象来研究认知负荷的相关成果归纳分析显示，研究者分别从认知负荷的三种类型和认知负荷的结构模型这两个角度进行了大量的实验研究。例如，王朋娇等人指出，当前网络环境下远程学习者的外在认知负荷和内在认知负荷水平过载，而相关认知负荷水平较低[7]。引起过载和较低的因素有网络信息资源的过剩及非线性结构、学习资源的不恰当的组织及不合理的呈现方式、网络学习者的认知风格、元认知水平、信息技术水平等。有研究通过设计实验研究了信息呈现方式对多媒体学习中认知负荷的影响或探究信息呈现方式与经验水平、认知风格、元认知监控活动等的交互作用对认知负荷的影响[8]。

还有一些学者围绕认知负荷结构模型开展了大量研究，例如，李金波通过模拟网络化学习实验和网络环境下的双任务实验，探讨网络学习环境中影响认知负荷的主要因素、人机交互过程中以及网络学习过程中状态元认知对学习者认知负荷的影响[9]。研究发现任务特征中的任务复杂性、时间压力和个体特征中的作业自我效能、状态元认知对认知负荷均有显著影响。有研究认为有效的教学设计在一定程度上能够降低学生的认知负荷[10]，把HPS(History，Philosophy and Sociology of Science)教学模式运用于物质的量的教学中，通过对学生的学习成绩的测量得知HPS教学模式下的外部认知负荷明显低于非 HPS 教学下的外部认知负荷，同时通过对学生心智努力、心理负荷程度的测量分别得出HPS 教学模式在对于减轻学生内部认知负荷和相关认知负荷有一定的作用。

(二)网络学习环境下减轻学习者认知负荷的策略研究

根据认知负荷理论的观点，较低的外在认知负荷和内在认知负荷会促进学习者学习成绩的提高，相关认知负荷越高，学习者也会取得更好的学习结果。在网络多媒体学习环境中，不仅要考虑降低外在、内在认知负荷，还要增加相关认知负荷，同时在保持网络多媒体学习的独特优势的情况下，通过认知负荷的适当控制达到学习结果的最优化。对研究网络环境下减轻学习者认知负荷的策略的相关文献分析发现，大部分研究侧重从单一地降低外在认知负荷角度进行研究，部分研究者分别从三个或其中两个认知负荷的角度进行理论或实证研究。网络学习环境下学习者的认知负荷的调控策略从宏观上可以概括为以下三个方面：

1.降低网络环境下学习者外部认知负荷的策略

降低网络环境下学习者外部认知负荷的策略很多，分析总结为三大策略，每个策略里都有具体的实施方法。策略一：避免注意的分散(减少与学习目标无关的冗余信息材料、视觉和听觉材料呈现时的时间空间效应)；策略二：提供操作支持(设计学习资源导航、提供学习者选择和组织的线索、减少学习材料的页面跳转)；策略三：学习材料的组织和呈现方式(文字、图像和图表应恰当组织、避免学习材料的混乱，改善资源的界面设计等)。

当对违法犯罪分子进行追击时，我方可及时通知前方部队，在违法犯罪分子逃跑方向经过的地区，选择有利于我实施伏击的地区设下埋伏，尔后追击分队继续对敌实施追击。追击过程中既不紧逼犯罪分子，又不能让其逃脱，始终使其处于我牢牢控制范围之内。待违法犯罪分子逃离至我伏击地域时对其实施伏击，进而将其捕歼。

2.降低网络环境下学习者内部认知负荷的策略

降低网络环境下学习者内部认知负荷的手段也很丰富，实证研究证明比较有效的策略如下：策略一：了解学习者的知识水平，设计交互水平适中的学习材料；策略二：清晰的知识结构图，将重点内容进行标记；策略三：提供准确丰富的“先行组织者”，预先培训形成相关的智力模型；策略四：分化复杂学习任务，将学习材料分割成片段，模块化呈现；策略五：利用网络环境下的各种电子学习工具等。

3.提高网络环境下学习者相关认知负荷的策略

提高学习者的相关认知负荷主要是想办法努力让学习者将更多的认知资源、工作记忆容量投入到更深层次的图式构建、加工和存储上。策略一：多种信息表征方式激发学生的学习兴趣，建立奖励机制激发学习动机；策略二：学习内容与生活相关联，创设生动活泼的学习情境；策略三：了解学习者的认知风格；策略四：合理利用工具将记忆活动和认知活动进行转移；策略五：构建学习共同体，适时交互，及时反馈。

(三)网络学习环境下学习者认知负荷的测量研究

认知负荷测量方法研究已经成为认知负荷研究领域的新动向，并且认知心理学在此领域已经做了很多相关研究。Brunkenetal对认知负荷的测量方法进行分类组织，认为认知负荷的测量可根据主观维度、客观维度和直接、间接维度来划分。Brunkenetal等人采用双重任务范式对认知负荷进行测量。在任务特性上，可分为主要任务、次要任务和与主要任务不相关的干扰的测量。Xie & Salvendy[11]认为可以使用主观评定、任务绩效测量、生理测量等三种方法测量学习者的认知负荷。国内有学者提出，可以通过测量工作记忆中“语句的数量、激活的产生式的数量”、“工作循环的次数”以及“条件匹配的数量”来测量学习或问题解决过程中认知负荷的大小[12]。随着对认知负荷多维特性的认识，研究者普遍认为认知负荷的测量方法中的任何一类都不能全面反映不同任务下的认知负荷状况，利用多维度指标对认知负荷作综合评估是认知负荷测评的发展方向[13]。

21世纪的学习者是信息时代的学习者，学习环境是传统与网络化学习环境的混合，关于认知负荷测量的研究，随着学习者的特征及学习环境的变化，研究者逐渐探索网络学习环境下认知负荷的测量。例如，有研究在简介现有E-learning环境中学习者认知负荷测量方法的基础上，分析现有方法的不足，提出了一种综合性的E-learning环境中认知负荷的测量方法，即“成绩测量+主观评定”的测量方法。该方法分别采用成绩测量法和主观评定法，对E-learning环境中学习者的认知负荷进行测量，通过计算相关系数，对所得结果进行验证以增强其可信度[14]。李金波等人通过设计模拟的人机交互实验，分析持续作业过程中认知负荷在评估指标上的变化；采用Elman神经网络和BP神经网络两种建模方法，探索人机交互过程中认知负荷变化预测建模的构建方法[15]。并且通过设计模拟的网络化学习实验，探讨网络化学习过程中认知负荷的评估方法，结果显示，心理努力、任务主观难度、注视时间、注视次数、主任务反应时、主任务正确率等评估指标对认知负荷变化敏感；采用多维综合评估模型对认知负荷进行测量总体上比采用单一评估指标的测量更为有效。还有研究通过比较几种认知负荷主观测量工具的灵敏度与效度，运用较为理想的测量工具探讨了多媒体学习环境中学习方式与学习风格对认知负荷及学习结果的影响，并提出了影响认知负荷及学习结果的因素模型[16]。

(四)基于认知负荷理论的网络学习资源的设计研究

在开展信息化教育的过程中，信息化学习资源是信息化教育的运行基础，是实施信息化教育的重要条件和内容，日益受到人们的广泛关注，但是大量的信息化学习资源的设计缺乏对学习者认知负荷的考虑，导致学习者在网络学习中经常发生认知超载，严重影响网络学习环境下学习者的学习的效率、效果。针对此现象，研究者以认知负荷理论为理论基础展开一系列研究。有研究基于认知负荷理论，从认知负荷三种类型、学习者、信息内容和媒体类型等方面分析学习者在网络课程学习中产生认知负荷的内在原因，探讨网络课程设计的基本规律。例如，课程内容呈现形式上应遵循适时呈现、临近呈现和多重表征的原则；课程导航设计上符合学习者的浏览习惯和学习路径，表述无歧义；课程交互界面设计上应简洁清楚，体现一致性和指导性原则；课程学习支持服务上具有友好的帮助和提示信息、智能学具及智能的答疑或搜索功能等。同时提出在网络课程的设计过程中，要充分考虑学习者、课程内容、媒体类型等三者的特性和相互间的关系，是合理、有效地组织与呈现网络课程的必要前提[17]。

随着学习环境、学习理念及学习方式的改变，学习者对资源的需求也在发生改变。移动学习作为一种特殊的、全新的学习模式，学习对象、呈现方式、传输载体等因素影响着移动学习资源的设计。研究提出，需在充分考虑认知负荷理论和多媒体学习认知理论的基础上，按照明确定位、界面简单、小模块呈现、随机进入、双通道、去除冗余、适当排序、情境认知等八大设计原则，设计既不增加学习者认知负荷又符合移动学习者特点和需求，且能充分发挥移动通信技术，特别是多网络媒体技术优势的移动课程，实现高效的移动学习[18]。微课程以其短小精悍、随时随地的特性渐渐步入教育领域。与此同时，如何设计微课程的网络多媒体课件，使其在短时间内充分展现知识内容，并符合学习者的学习规律，成为微课程设计的焦点。有实证研究从认知负荷理论视角，分析了学习过程中的认知负荷情况，并结合大量实例，实现了降低内在认知负荷、无关性认知负荷，以及提高相关性认知负荷的策略和方法，实现了认知负荷在微课程课件设计中的导向性作用[19]。

四、相关研究启示

(一)利用网络学习环境下多媒体的优势，有效调控学习者认知负荷

多媒体是一种以计算机为媒体的交互式呈现方式，包括文本、声音、静态图像和动画等元素，当计算机呈现的材料包含两种以上元素时，就可以认为这是多媒体的呈现。与只有文字和少量静态图像的传统纸质材料相比，多媒体本身所具有的优势，多媒体呈现具有形象、生动、丰富的特点，更能吸引学习者的注意力，激发他们的学习动机和兴趣等。

在教与学过程中，教师应依据教学目的和内容恰当选择教学媒体与策略，课件的建设应体现教学内容的结构化呈现和传递的策略，将抽象知识直观化、具体化降低学习的难度，减少学生学习过程中的不自信，降低其外部负荷；适当使用多媒体创设问题情景，促进网络化学习中师生之间的沟通交流，并给学习者提供展示分享观点的平台，激发学生学习的动机和兴趣，鼓励学习者发表自己的感受与观点，让学生充分参与、体验网络学习，促进师生之间的互动，增加学习者的相关认知负荷。对认知负荷的适当调控可以有效提高学习者的学习成绩，但是对认知负荷的有效控制并不是要一味降低认知负荷，而对相关认知负荷的增加则对学习结果有利[20]。另外，由于媒体学习本身的特殊性，外在认知负荷不能降到最低，而要保持在一定限度内，以保持其特有的丰富性、趣味性和直观性。

(二)在信息化教学设计中要充分考虑学习者的认知负荷

随着教育信息化的发展，信息化教学是大势所趋。信息化教学是为了促进学习，在信息化环境中，师生合理有效地运用现代教育媒体、信息资源而进行的教与学的双边活动，值得注意的是，信息化教学设计是“信息化教学”的设计，而不是“信息化”的教学设计，信息化教学设计是面向过程和基于资源的设计，突出“学”。

与传统教学相比，信息化教学最大的特点是信息技术的有效应用、丰富的资源支持、良好的媒体环境和合理的教与学的过程。然而在当前信息化教学中，信息技术滥用、信息资源的超载，以及不合理的信息表征方式、呈现方式造成了学习者的认知负荷，因为技术的应用反而降低了学习效果。因此可以看出，在信息化教学设计中考虑学习者认知负荷的必要性，认知负荷理论能在信息化教学设计中发挥重要的指导作用。在信息化教学设计中要充分考虑学习者的认知负荷，基于认知负荷理论，整合多种信息技术手段、良好的媒体环境及丰富的资源支持，可以支持教学情境的创设、在线活动的设计和设置教学内容，优化教学内容的信息结构、信息的呈现次序和表征方式等，从而可降低内在认知负荷、外在认知负荷和增加相关认知负荷。

(三)信息化学习资源的设计与开发能符合学习者的认知负荷

信息化学习资源是信息化教育的基础，是学习者学习的主要内容，但是对于信息化学习资源的建设及应用效果常遭质疑，其本质是在信息化学习资源的设计过程中缺乏对教学内容进行信息加工以及学习者认知上的考虑，仅仅成为教材或纸质资料的搬家、数字化。研究表明，信息化学习资源的设计与开发应符合学习者的认知负荷和信息加工特点，能够降低学习者的外部与内部认知负荷，提高相关认知负荷。信息化学习资源主要功能应当集中于学习情境的创设、直观、结构化呈现教学内容上，帮助学习者进行信息加工和交互学习，不能停留在对教材的低级数字化和翻版；在信息化学习资源中，学习内容的呈现应结构化，信息量要适中，过多的动画、音效和繁杂的色彩容易造成学习者的信息超载和认知负荷；在学习内容的设计加工过程中，应当充分依据心理学基础和信息加工理论，对信息呈现的结构、表征方式、呈现速度予以关注[21]；此外，在资源的开发中，不能为了追求技术而忽略学习者的认知过程，三维动画、虚拟现实技术、仿真实验、智能代理等技术的选择应能够解决学习内容设计上存在的问题，对学习者在学习内容的加工和认知上有帮助，而不能只是为了追求技术的利用而用技术。

[1][20]龚德英.多媒体学习中认知负荷的优化控制[D].重庆:西南大学博士学位论文,2009.

[2][7]王朋娇,田 华,孙 革.远程学习者认知负荷水平的调控策略研究[J].现代远距离教育,2009(1):8-11.

[3][17]陈树刚,朱永海.基于认知负荷理论的网络课程信息呈现研究[J].现代远程教育研究,2009(1):63-65.

[4][16]孙崇勇.认知负荷的测量及其在多媒体学习中的应用[D].苏州:苏州大学博士学位论文,2012.

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[8]吴 岚.信息呈现方式与经验水平对多媒体学习中认知负荷的影响[D].长沙:湖南师范大学硕士学位论文,2009.

[9]李金波.网络学习者状态元认知对认知负荷影响的实验研究[J].现代远程教育研究,2010(2):75-78.

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[14]白成杰,曹 娟.E-learning环境中学习者认知负荷的测量[J].电化教育研究,2011(5):32-35，48.

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【方中玉：陕西师范大学教育学院硕士研究生，主要从事网络与远程教育研究】

G727

A

1009-4156(2014)10-034-04

国家级精品资源共享课“现代教育技术”课程项目(编号：994974)和2012年陕西师范大学校级重点教学改革研究项目(编号：884426)】