认知负荷理论视角下的微课程多媒体课件设计

张晓君　李雅琴　王浩宇　丁雪梅

摘要：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。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，实践了降低原生性认知负荷、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。

关键词：微课程；认知负荷；多媒体课件；设计

【中图分类号】G40-057【文献标识码】A【论文编号】1009—8097（2014）02—0020—06【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2014.02.003

一 研究背景

2012年11月，教育部发布了《关于举办首届全国高校微课教学比赛的通知》，旨在推动高校教师专业发展和教学能力提升，促进信息技术与学科教学融合，搭建高校教师教学经验交流和教学风采展示平台。通知要求，微课程的时长要限制在10～20分钟以内，所使用的多媒体教学课件要围绕教学目标、反映主要教学内容、与教学视频合理搭配。2013年5月，中国教育技术协会等部门联合发布了《关于举办首届全国微课程大赛的通知》，提出微课程所讲述的知识点必须是学生自主学习时的重难点、易错点，学生能够自己通过阅读教材理解的内容，不需要教师制作微课程；微课程的时间要控制在10分钟以内，抓住学生注意力的最佳黄金时段，简明扼要地概述知识点。微课程在一次次比赛中逐步趋向完善，与此同时，其要求的不断提高，也让广大教师和教育技术工作者聚焦于如何更加简明扼要的表述知识以及如何设计多媒体课件会更利于知识的快速获得。

二 微课程对多媒体课件的需求分析

微课程的教学时间短，教学内容精练，动感、精美的微课程应用于在线学习及移动学习会给学习者带来良好的学习体验，丰富学习者的课余生活；应用于教师的经验交流有助于先进教学方式方法的传播，提升教师课改的积极性；应用于在线评课，能够有效节约成本，并支持反复观看，使评价更加客观。

要制作如此精美的微课程，需要教师的精心准备。不仅讲授语言要生动，还需要配以美观大方、多媒体化的课件。文字、图片、动画、视频等多种媒体元素相互配合，有利于吸引和保持学习者的注意力。另外，一些微观的或需展现实验操作的知识，更有必要使用课件来表达，简单的文字描述无法说清楚相对复杂的教学内容。

那么，如何整合文字、图片、动画、视频等这些媒体元素，怎样在有限时间内既恰当地表达知识内容，又使每一页所显示的知识量都恰到好处，为学习者所接受呢？这个问题成为微课

三 认知负荷的概念及分类

1 认知负荷的概念及主要观点

认知负荷理论（Cognitive Load Theory）起源于19世纪80年代，并且在全球研究者的推动下经历了快速发展和拓展的90年代，成为研究认知过程和教学设计框架的一个主要理论。它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[2]，即施加到工作记忆中的待处理信息的总量。

人类的记忆主要包含工作记忆和长时记忆，工作记忆是信息加工的主要场所，在面对新信息时，其容量是非常有限的，一般能接收、处理或贮存7±2个信息组块；长时记忆以图式为基本单元，图式具有复杂性，并且可以自动化，其中的信息被调用到工作记忆时，所调用到的所有信息仅作为一个组块进行加工处理。因为工作记忆的容量有限，当学习者要解决复杂的问题或被给予复杂的学习内容时，就会出现超载的情况，这种超载抑制了学习，因此，避免了认知超载的学习过程才是有效的教学过程。微课程课件的设计也要遵循认知负荷理论，使课件整体及局部的信息承载量适当，促进学习的信息加工。

2 认知负荷的分类

影响工作记忆的认知负荷可以分为三类：原生性认知负荷、无关性认知负荷和相关性认知负荷，它们与学习者在微课程学习过程中的信息理解息息相关。

原生性认知负荷（Intrinsic Cognitive Load）取决于知识本身的复杂程度，它与知识是如何呈现的或学习者以何种方式学习以及如何达到学习的最佳化无关。对于一个指定的学习任务和指定的学习者知识水平来讲，原生性认知负荷是固定的，不可改变的。只有当已有知识被扩展或处在学习过程中时，原生性认知负荷才会改变。也就是说，当微课程的选题选定时，对于特定阶段的某个学习者来讲，其原生性认知负荷就已经被确定了，想要降低原生性认知负荷，要从学习者能力提升方面或间接降低选题难度方面着手。

设计不当的教学过程会给工作记忆带来额外的负荷，这部分负荷即无关性认知负荷（Extraneous or Ineffective Cognitive Load）。采用何种技术来降低无关性认知负荷是认知负荷理论首要关心的问题。根据学习内容的不同，采用适宜的方法，会促进学习者的学习，减少无关性认知负荷。微课程课件设计过程中，降低无关性认知负荷在设计中起着非常重要的作用，设计不良的多媒体课件会占用学习者大量的工作记忆去处理与课程内容无关的事物，使本就不长的教学时间更加紧张。

相关性认知负荷（Germane or Effective Cognitive Load）是学生的图式建构和自动化过程所占用工作记忆的资源。无关性认知负荷妨碍学习，与此相反，相关性认知负荷促进学习。在微课程课件设计过程中，要给相关性认知负荷留有一定的空间，不能让同时出现的学习内容过多，否则会妨碍学习者构建长时记忆图式，进而影响教学效果。

认知负荷理论所关注的焦点就是复杂问题给学生有限的工作记忆空间所带来的压力，教学设计的核心原则是要使原生性认知负荷的复杂度适度、要通过降低无关性认知负荷来释放工作记忆空间、要通过调节相关性认知负荷使负荷最优化。

四 多媒体课件的设计策略

认知负荷理论不仅使我们更深刻地理解学习过程，还能为教学媒体设计提供强有力的指导，从而构建出适合学习者工作记忆加工的学习对象。根据内容的不同，选用不同的认知负荷策略对多媒体课件进行设计，会使教师的实时讲授效果更加出色。

1 降低原生性认知负荷策略

（1）分离关联元素，逐步呈现教学内容

有些教学内容很复杂，包含了很多的关联元素，要完全理解，必须要把这些关联元素同时在工作记忆中进行处理。如果教学内容自身的关联元素数量大于工作记忆能够处理的数量，就会很难理解。将一部分内容以分离的形式呈现出来，经工作记忆进行处理，并存储到长时记忆中，无疑会提高学习者的能力，此时，再进一步与其他内容相结合，就能很好地解决这个问题。

例如，在C语言课程的《选择排序法》知识点讲授中，涉及两层循环，如果将两层循环的代码同时呈现出来，会占用初学者过多的工作记忆空间，不易于理解。因此，可以先列出外部循环的代码，并将内部循环代码用易于理解的文字表述代替，讲通了外部循环的代码后，再逐步给出内部循环中的细节代码（如图1所示），会更易于学习者对整体内容的信息加工，教学效果更好。

（2）实行指导渐减，避免消极效果产生

伴随着学习者相关知识的不断增加，工作记忆的空间会逐步释放，此时逐步减少指导，并提高问题解决要求对学习者的知识加工有促进作用，有助于提升学习者解决问题的能力。原有的对新手学习者较为适用的一些方法，如全程的详细的样例解答方法会随之变成其前进的绊脚石，因为不必要的详细解答会带来新的无关性认知负荷，产生消极效果。因此，在设计多媒体课件时，初始时期可以使用详细的样例解答方法，当学习者已经理解部分内容时，就要使指导渐减，以适应能力渐强的学习者。

例如，对于C语言课程的教学后期，学习者对代码的书写已理解透彻，此时的命题答案可以只表述解题思路，给学习者留出自己解决问题的空间。

2 降低无关性认知负荷

（1）选取合适样例

对于初学者，寻找解决问题的方法需要尝试，盲目地寻找会带来过高的无关性认知负荷，微课程时间短，需要提供学习者所熟知的内容作为样例，并对其有一个基本的理解，当学生把已掌握的原理应用到新问题时，就会有更进一步的理解加深，有助于学生发现已掌握原理和新问题解决方法之间的差距，有效地促进学习。另外，耳熟能详的事物作为引子也会使记忆更加深刻。

（2）利用多通道表达

工作记忆对视觉信息和听觉信息的加工是分离的，同样的信息通常可以用多种方式来呈现，对不同学习者而言，某些形式可能会比其他形式更容易整合或加工，而单纯使用一种信息呈现形式，可能只用到一部分工作记忆，使其他部分处于闲置状态。微课程的课件要综合利用多种信息呈现形式，有效提高工作记忆的使用量。

例如，在中国服装史的《满族女子服装》知识点讲授中，涉及清朝各时期旗袍形制特点，领口、袖口、开衩、衣长等方面都有当时女子服装的特色，因此可以使用的三维模型来展示服装的形体特点，旋转的三维模型能够带来良好的全局感受，不带任何花纹装饰能够将学习者的注意力集中于衣着的线条；还可以使用图片来展示服装的工艺纹样以及色彩，平面图更加适合细节的展示，与三维模型同步显示（如图2所示），还可以让学习者对旗袍的长度及各部分大致比例有所了解，一举两得。

（3）减少冗余信息

信息可由多种方式来呈现，但单凭一种呈现方式就足以传达这些信息时，如果将相同的信息以多种方式同时呈现，学习者就会将冗余的信息同时进行加工，导致外在认知负荷增加，降低学习质量。在微课程的多媒体设计中，要尽量减少冗余信息，并适当添加注意引导标识，以减少无关性认知负荷的产生。

（4）避免相关内容分离

在信息的呈现过程中，有时有必要用多种媒体元素来呈现同一知识内容或相关知识内容，此时，如果这些媒体元素被不明智地分隔开，就会产生无关性认知负荷。因为想弄懂这些信息，首先要花费精神去整合他们。这种情况在微课程多媒体课件的制作过程中，是一定要避免的，微课程时间短，学习者如果再花费时间去整合这些无关信息，就会影响其理解教师接下来所讲授的内容。

例如：在生理学课程的《生物电现象》知识点讲授中，要让学习者了解细胞在受到刺激后的动作电位和细胞膜内外离子分布变化情况。折线图比较适合显示动作电位的变化，分时段显示数值的方式更加直观；动画比较适合揭示细胞膜内外离子的分布变化，生动的离子运动过程更适于学习者理解记忆。两者放在同一页面中（如图3所示），会让学习者快速理解伴随电位变化的同时，离子是如何运动的，但是如果将两者分开，学习者在理解时，就会消耗部分工作记忆空间来整合，导致无关认知负荷的产生。

3 增加相关性认知负荷

在问题解决练习中，变换不同的问题状态和情境，虽然增加认知负荷，但能促进学习迁移。问题情境的变化有助于学习者识别问题及其解答方法的共同特征，分辨其中的无关特征，从而有助于图式的建立和自动化。

例如：在物理学课程的《光的偏振》知识点讲授中，将两个偏振片重叠，转动其中一片，重叠部分会有光线的明暗变化，表明光线的明暗变化与偏振片的偏振化方向有关。在知识点表述结束后，可以让学习者试着运用偏振知识来诠释生活中常见的相关现象，如偏光太阳镜的鉴别。其中的一个方法就是利用液晶屏，当偏光太阳镜放在液晶屏上时，因为液晶屏的光线是偏振光，转动屏幕时，透过眼镜的光线就会有明暗变化，以此来证明该太阳镜确实是偏光镜。通过提出类似的问题，既能使学习者加深对理论的理解，又能提高其在实践当中的应用能力，实现知识的迁移。

五 结语

微课程是目前新兴的一种教学方法，短小精悍、随时随地是其主要的特点，在学习者的学习过程中，精心设计的微课程能够充分利用学习者有限的注意集中时间，快速地传递知识，这其中多媒体课件的精心设计尤为重要。认知负荷为微课程的多媒体课件设计提出了包括知识内容设计与界面设计等多方面的理论参考，有效控制学习者的原生性、无关性和相关性认知负荷会让微课程更加出色，更加人性化。

编辑：李婷