基于认知负荷理论的计算机实训教学设计

李 静，韩起云

(重庆第二师范学院 数学与信息工程系，重庆 400067)

1 引言

目前，全国各高校都在进行实训教学改革，在教学模式上基本采用了项目教学。具体到计算机软件技术专业来说，软件开发岗位决定了软件开发要遵循软件开发过程体系，所以软件专业课程的设置和实现需要按软件开发过程体系来实施，特别是实训课程，更要按照软件开发过程来进行，这就需要实现规范的过程管理和质量保证。只有课程体系的开发，进行校企合作或引入企业案例的各类课程改革，而没有好的实施保证, 就得不到预期的结果。

传统的软件实训课程包括课程设计、项目设计、毕业设计等。虽然有些实训课程引入了企业项目，但由于项目周期短、没有切实可行的项目计划、缺少项目监控、风险管理、项目评审、项目的度量与分析,导致大部分项目实训是失败的。学生只注重功能如何实现，缺少项目是如何分析、设计、测试、管理等。这与真实的软件开发相距甚远。但如果实训中加入了设计管理等环节，将使学习的复合性和复杂性大大提升，影响学生的实训效果。

2 基础理论

认知负荷理论(Cognitive Load Theory，CLT)是由澳大利亚新南威尔士大学的认知心理学家约翰·斯威勒(John Sweller)以穆勒(Miller)等人早期的研究为基础于1988年首先提出来的。CLT假设人类的认知结构由工作记忆和长时记忆组成，其中工作记忆也称为短时记忆，它的容量是有限的，一次只能存储7±2条基本信息或信息块。在处理信息时，工作记忆一次只能处理2-3条信息，因为存储在其中的元素之间的交互也需要工作记忆空间，这就减少了能同时处理的信息数。长时记忆是学习的中心。如果长时记忆中的内容没有发生变化，则不可能发生持久意义上的学习。CLT认为教学的主要功能是在长时记忆中存储信息。知识以图式的形式存储于长时记忆中，图式根据信息元素的使用方式来组织信息，提供知识组织和存储的机制，可以减少工作记忆负荷。

CLT认为有三种类型的认知负荷：内在认知负荷、外在认知负荷和关联认知负荷。内在认知负荷是指由元素间交互形成的负荷，取决于所学材料本身与学习者专业知识之间的交互。外在认知负荷是超越内在认知负荷的额外负荷。关联认知负荷是指与促进图式构建和图式自动化过程相关的负荷。

CLT认为，教学干预无法改变内在认知负荷，因为它是由材料本身所决定的。但是外在认知负荷与关联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，但外在认知负荷是由教学设计的缺损所造成的额外的认知加工引起的，而关联认知负荷则是由图式建构引发的心理努力。学习的本质是由外在认知负荷向关联认知负荷转化的过程，所以为了促进有效学习的发生，在教学过程中应尽可能减少外在认知负荷，增加关联认知负荷，并且使总的认知负荷不超出学习者个体所能承受的认知负荷范围。同时，学习作为一项复杂的认知技能，学习材料之间具有一定的相关性，学习本身具有内在认知负荷，如果学习元素之间的联系过于复杂，会导致认知负荷的增加。三种类型的认知负荷是相互叠加的。研究表明，过低或过高的认知负荷都会降低学习的效果；只有认知负荷恰当适中，才会对学习产生积极效果。所以，有效的教学设计就是要把学习者的认知负荷控制在一定范围之内。

学习的目的在于实现知识迁移，即学习者能够在各种各样的现实情境中完成复杂任务。教学设计的目的是帮助学习者掌握任务的认知逻辑规则，以便达到更好的迁移效果。外在认知负荷依赖于教学设计材料的组织和呈现方式。当信息设计不好时，学习者必须进行无关的或无效的认知加工；当信息设计良好时，外在认知负荷最小。文献[2]认为内在认知负荷与学习材料的复杂性和学习者专业水平之间的关联程度有关。好的教学设计不仅可以减少学习者的外在认知负荷，也可以分解并减轻学习材料的内在认知负荷。冯曼利伯等指出，内在认知负荷的减轻可以通过构建从简单到复杂的认知序列达成。文献[3]认为不能从最难的学习任务开始一门课程的学习，因为这会给学习者造成过多的认知负荷。在实际问题的解决过程中，教师应该把复杂问题分解成从简单到复杂的认知序列，降低学习材料的内在认知负荷，使学习者能够从简单入手，循序渐进、逐渐过渡到难度较大的学习任务。当学习者学习难度较大的任务时，教师需要给他们必要的指引和支持；随着学习者知识获得的增加，这种支架式的支持逐渐减少，从而使教师的指导从“扶”到“放”，最后撤去支架。对于软件项目开发，学习者通常在团体协作环境中学习，遵循复杂的流程，存在各种干扰因素，需要拿出一定的认知负荷处理与环境相关的信息，因此造成了认知负荷的增加，这就更需要通过好的教学设计来达到减轻学习认知负荷的目标。

3 教学设计策略

为避免教学中学生认知负荷总量超过其工作记忆容量, 认知负荷理论的教学原理就是: 尽可能降低学生的内在认知负荷和外在认知负荷；并在确保工作记忆资源有所盈余的前提下, 适当引导学生投入更多的心理努力(Mental Effort), 提高其相关认知负荷, 实现图式的获得与规则的自动化。如前所述, 教学活动中学生内在认知负荷与教学材料的特点和学生的认知水平有关, 外在认知负荷与教学材料的呈现方式和教学设计水平有关, 相关认知负荷与学生的认知努力(Mental Effort)有关。为此，我们可以采取以下策略来优化教学活动中学生的认知负荷结构，提高教学效果。

(1)先行组织者策略

社会策略主要就是懂得合作式学习。学校和教师都应为大学生提供良好的合作学习平台。学校应举办丰富多彩的英语活动，例如，英语角、英语咖啡屋、英语话剧比赛、英语配音比赛、英语听写大赛、英语辩论赛和英语演讲比赛等活动，为学生提供更多与他人学习和交流英语的机会，展现英语水平。学生在与他人交流的过程中也能增强自信。同时，教师在课堂上要摈弃填鸭式的传统教学方法，坚持以学生为中心，在教学内容和教学任务的安排上为学生提供更多的锻炼机会，鼓励学生尝试。学生也应该积极配合教师的安排，主动争取锻炼英语的交流机会。教师要多表扬学生的参与行为，使学生获得成就感，激发社交热情，促进合作式学习的开展，提高英语水平。

运用先行组织者(Advance Organizer)策略， 改变学生的认知准备状态。人们对新知识的理解总是建立在自身原有的认知结构(Cognitive Construct ion)的基础上的, 当原有认知结构对新知识有支撑作用时，就相对容易理解新知识； 相反，如果原有认知结构中缺乏支撑新知识的内容或原有认知结构中的相关知识未被激活，对新知识的理解将变得相对困难。在软件项目中，教师应该通过先行组织者策略，在新的学习任务开始之前, 呈现给学生比当前学习任务更高一层的抽象性和包摄性的引导性材料，从而激活其认知结构中与新知识相关的知识内容，为学习新知识做好认知准备，这样就避免了在学习新知识的同时，还要到长时记忆中去搜索相关知识的认知负担, 从而减轻外在认知负荷。

(2)样例策略

呈现具有详细解答步骤的样例，让学习者通过样例学习, 归纳出隐含的抽象知识来解决新问题。虽然自由目标问题可以作为传统练习或习题的一种替代， 但它仅仅应用在较小的问题空间中。当问题空间很大时，采用样例学习，既能降低外在和内在认知负荷，又能够有效地促进图式获得和规则自动化。

给出一个完整软件项目的具体样例，包括各种管理设计文档和代码，除了少数关键知识点，让学习者自行归纳出隐含的抽象知识来解决新项目的新问题。

(3)完成问题策略

呈现给学习者没有完成解答的样例，让学习者根据题目要求而完成样例。完成问题既可以降低外在负荷，又能够促使学习者仔细研读样例，增加有效负荷。

对软件项目来说，给出部分模块的部分代码，可以激发学生探索的欲望，提高学习兴趣和积极性，促使学习者完成任务。

(4)注意集中策略

学习者在学习过程中必须参照多元表征的信息并加以整合才能理解，所以多元表征的信息最好在空间上邻近、时间上同时呈现，否则学习者将注意分散至搜索相关信息中，而浪费整合信息需要的资源，无形增加外在负荷。

软件项目开发既要强调编码技能，又要注重规范流程，二者必须相辅相成，在时间和空间上紧密联系。比如编码与测试，就需要相互融合，不能截然分开。

(5)冗余策略

学习者在面对多元表征的信息来源时，如果单一的信息呈现即可传达完整且明确的信息意义，即可以独立呈现，无需互相参照多元表征即能理解，否则增加外在负荷。例如，当文字以叙述方式单独呈现时，学习者对呈现材料的理解要比同时以叙述和屏幕文本方式呈现要好，这里以屏幕方式呈现的文本信息就是多余的，应该被清除掉。

软件项目开发的各个知识点有些关联密切，也有的具有相对独立性，比如一些功能开发，这时应注意去除冗余信息，帮助学习者理解知识点。

(6)通道策略

以不同的感官通道(主要是视觉、听觉)呈现信息，可以扩展工作记忆的负荷。由于工作记忆本身包括相对分离的视空间感觉登记和听觉感觉登记，表情具有分列式注意方式这一特征，因而无论是在时空上连续的还是分离的学习都会增加外在负荷。因此，若能同时使用不同的感官通道，既可降低外在负荷，又促进学习者对多元表征的信息之间建立联系，增加有效负荷。

软件项目开发中，经常开展各种评审讨论活动，用丰富的图表和详尽的讲解同时进行，刺激不同的感官通道，可以让学习者了解项目的各种度量，不断调整开发的进度和策略。

(7)部分任务与整体任务策略

部分任务策略是指先呈现部分任务，然后依次呈现其余任务，最后呈现整体任务。Catrambone提出的子目标方法[4]、Mayer 等提出的分割( segmentation)技术和预演( pre-t raining )技术[5]等主要属于这类策略。子目标方法是指采用附加一个标签或视觉分离方法，分解总学习任务为一些有意义的观念性片段的子任务。子目标分解了总目标， 并构成有语义的信息组块，从而降低学习任务的内在负荷；另外，子目标内部之间、子目标与总目标的内在联系，可能会促进学习者对此整合进行自我解释, 导向学习者有意义建构问题图式，产生更多的有效负荷。分割技术，即将学习任务分割成系列片段，并依次呈现。这样既降低内在认知负荷，又留给学习者一定时间分步深层加工学习任务。而预演技术主要是在呈现学习任务之前，让学习者先接受与学习任务相关的预先指导或先行组织者。总之，呈现部分任务，从总体上降低了样例学习的内在负荷，有利于部分图式的形成。

整体任务策略是指首先抽取任务本身包含的元素， 接着将元素压缩成组块或信息单元并加以呈现，或逐渐释放元素，直至呈现整体任务。

可以把软件项目分割成一个个较小的模块，每个模块的封装性要好，要具有单元的相对独立性。同时教学单元要短小精悍，时间最好控制在20-30分钟左右。

各个策略是相互联系的，考虑其交互作用, 有利于优化信息，最小化外在负荷。譬如, 从通道策略看, 应整合视觉表征和听觉表征信息, 学习任务的呈现模式应该采用双重表征，以产生通道效应。但如果任务的信息呈现不满足空间临近效应或时间临近效应出现的条件，将分散学习者的注意, 导致外在负荷增大, 产生分散注意效应。另外，随着学习者对任务有一定程度的理解，如果后面的任务仍然以双重表征的方式呈现，会发生冗余效应。这不仅增加外在负荷，甚至激发学习者的厌烦情绪而降低有效负荷。

学习任务的复杂性和学习者的先行知识经验是影响各个策略出现的重要变量, 考虑到学习任务的特征与学习者特征，降低外在负荷更有针对性。学习任务的复杂性不同，各个策略出现程度不同。譬如，对于简单性学习任务来说，有些策略可能意义不大，而对复杂性任务，各种策略也许同时发生作用, 而且可能存在交互作用。先行知识经验不同的学习者对各个策略的敏感性可能存在显著差异。譬如，知识经验少的学习者比知识经验多的学习者表现出更多的通道策略和空间邻近策略。今后研究需要进一步明晰各个策略所依赖的条件，不仅仅考虑学习任务的信息呈现, 而且探索影响学习的各种因素，综合考虑各种策略的相互作用，为不同学习任务、不同学习者提供优化的教学信息，降低认知负荷。

4 教学设计框架

以“ASP 项目实训”这门课程为例，以下简要描述其教学设计框架。

表1 项目设计

实践证明，通过引入认知负荷理论策略，学习者在软件项目实训中提高了对复杂知识的理解能力，较好地完成了任务。

5 结束语

按照应用型教育的要求，结合当前我国高校学生的具体情况，进行计算机实践教学的研究迫在眉睫。针对这种情况，应对高校计算机实践教学方式方法进行反思，探讨进行计算机实践教学改革。在计算机实训课程中改革传统的教学模式，将认知负荷理论导入到计算机软件专业实训课程设计中，改革了软件实训过程，提升了实训质量，提高了学生实践应用能力。提高学生的相关认知负荷，关键是要激发学生的学习动机(尤其是内部动机)，使学生加大自身的认知努力。为此，教育者要通过多种途径和手段，把社会和教育者向学生提出的学习要求转化为学习者内在的学习需要。

参考文献：

[1]Alexander, Seeshing, Yeung et a1. Cognitive Load and Learner Expertise: Split-Attention and Redundancy Effects in Reading with Explanatory Notes[J] . Contemporary Educational Psychology, 1998,23(1):1-21.

[2]盛群力,马兰.面向完整任务教学设计复杂学习过程——冯曼利伯论四元培训与教学设计模式[J].远程教育杂志,2010，(4):51-61.

[3]Van Merri?nboer. Ten Steps to Complex Learning: A Systematic Approach to Four-Component Instructional Design[M].Mahwah, NJ: Lawrence Erlbaum, 2007.

[4]Mayer R E. Nine way s to r educe cognitive load in multimedia learning[J] . Educational Psychologist, 2003, 38( 1): 43-52.

[5]Mayer R E, Moreno R. Aids to computer-based multimedia learning[J] . Learning and Instruction, 2002, 12: 107-119.