认知负荷理论及其对学科教学的启示

樊卫宾，孙明明

（天水师范学院 政法学院，甘肃 天水 741001）

认知负荷理论及其对学科教学的启示

樊卫宾，孙明明

（天水师范学院 政法学院，甘肃 天水 741001）

认知负荷理论原是有关认知资源分配的心理学理论，后被引申运用为教育教学指导性理论。Sweller等人认为，问题解决和学习过程中的各种认知加工活动均需消耗一定的认知资源，若活动所需资源量超过个体的认知资源总量，就会引起资源的分配不足，从而降低个体学习或问题解决的效率，形成认知超载。从学科教学角度研究认知负荷理论，可在深入分析影响学生认知负荷因素的基础上，通过更加合理的教学设计，及更高效的教学方法选择，达到“低投入、高回报”的教学效果，以最大限度地缓解学生学习压力，并推动教师教学方式的更新和社会教育教学改革的深化。

认知负荷理论；学科教学；影响因素；管控措施

所谓认知，简单地说就是认识。即人类对外界事物的信息加工活动，包括个体对信息的识别、加工、合成、编码、转换、重建和存储等一系列过程。认知负荷理论本质上是关于认知承载量的理论，澳大利亚心理学家John Sweller在现代认知心理学研究成果的基础上，从认知资源分配视角提出了该理论。现阶段，有关认知负荷的具体内涵众说纷纭，学术界尚未对其形成明确、统一的界定。一般认为，认知负荷是学习者在信息加工处理、知识内化，或完成学习任务时所需投入的心理资源总量，以及所作的心理努力，即心理投入度的大小。

一、认知负荷理论简述

1.认知负荷理论的理论基础

（1）资源限制理论。资源限制理论也叫有限容量理论，是卡尼曼(Kahneman)于1973年在《注意与努力》一书中提出的。卡尼曼把注意看作心理资源，认为人的心理资源总量是有限的，注意的功能就是资源分配。认知资源有限，主要包括两个方面。一方面，在学习过程中，学习者的注意资源是有限的，当活动或任务中包含的无关信息过多，会使学习活动受到干扰，降低学习效率。另一方面，工作记忆的容量也是有限的。在同时进行几个或多个任务时，资源分配便会遵循“此多彼少，总量恒定”的原则。若加工某信息需要消耗的资源超出了个体认知资源的总量，便会造成认知负荷超载现象，对学习产生消极影响。

（2）图式理论。是指围绕某一个主题组织起来的，以知识的表征和贮存方式为基础的理论。图式概念最早来自19世纪德国哲学家康德，他把图式（schema）看成是“原发想象力”（productive imagi⁃nation）的一种特定形式或规则，并将其应用到实现知识或体验过程的感知中。后来，瑞士著名儿童心理学家皮亚杰（Piaget）借此理论，实证性考察了“图式”在儿童成长中的作用。

现代图式理论中，“图式”是“根据信息特点将其归纳为一体的特殊认知结构”。[1]即图式是一种根植于记忆的抽象归纳方法，这种归类是个体在学习过程中，长时记忆为弥补短时记忆容量有限不足，而产生的无意识、自动的加工过程。知识通常以图式形式储存于长时记忆中，个体运用固有知识时无需额外耗费资源，但却对新信息的加工起到了基石性作用。因此，长时记忆及图式在认知过程中的作用至关重要。

（3）工作记忆理论。工作记忆是对信息进行暂时加工和贮存，容量有限的记忆系统，这种记忆易被抹去并随时更换，因而最初被称为短时记忆。1974年，Baddeley和Hitch在模拟短时记忆障碍实验的基础上，提出了工作记忆的三系统概念，用“工作记忆”（working memory，WM）替代了原来的“短时记忆”（short-term memory，STM）。显然，更换后的概念更契合这一记忆方式的动态化特性。

人的信息加工系统包括感觉记忆、工作记忆（即短时记忆）和长时记忆，它们在信息加工过程中的功能各不相同。一般来讲，长时记忆的容量是无限的，是一种长久性的信息存储。感觉记忆又叫瞬时记忆，是信息被感觉并一瞬间保留的记忆，瞬时记忆加以注意可转入工作记忆。而工作记忆的容量仅为几个组块，是感觉记忆和长时记忆对信息加工的暂时储存，工作记忆的信息经过复述强化可转入长时记忆系统，因此对学习者意义重大。

除上述三个理论之外，有研究者认为，认知负荷的基础理论还包括双重编码理论、注意的中枢能量理论、建构主义理论等。总体而言，认知负荷理论是在这些已有理论的基础上，结合学习者心理特征发展起来的重要认知理论。

2.认知负荷理论的教育学基本观点

大量的理论研究和实践表明，认知负荷是影响教学的重要因素之一。认知负荷理论在教育教学中的运用，意在减少对学习产生阻碍作用的认知荷载，使学习者合理利用自身有限的认知资源，在能力范围内尽可能接近“满负荷”状态，用最少精力和时间达到最优学习效果。

对此，美国著名教育心理学家布鲁纳在《教育过程》（The Process of Education)中提到，“应培养学生‘经济地运用心智’”。[2]即在学习过程中，教师要引导学生遵循认知的客观规律，学会合理分配注意力及认知心智。他认为教学应遵守“动机-结构-序列-强化”原则，利用学生天然的好奇心和学习愿望，激发其强烈的求知欲，并采用恰当、适合于学生认知结构的方式，编写教案和组织教学，使知识结构尽量与学生的认知结构相匹配，按最佳顺序呈现教学内容，并随时准备修正和适时进行强化。认知负荷理论主要包括三方面的基本观点：

其一，个体认知负荷的总量是有限的，超过此限度的学习是低效甚至无效的。一般来说，学习材料的复杂程度越高，需要学习者耗费的认知资源就越多，分配到其它学习环节的认知资源必然就会减少。[3]此外，除了对学习材料的加工处理外，信息的再加工，与他人的交流互动，以及思维的再拓展也均需要学习者投入更多的认知资源，由此便往往会造成超出一般范围的高认知负荷，而认知负荷过高对学习效率具有负面作用。因此，教学设计的首要任务是合理配置有限认知资源，将信息和任务控制在适度范围内，以避免超出学生工作记忆的加工容量。

其二，人的认知系统主要由工作记忆和长期记忆（长时记忆）两部分组成。其中，工作记忆虽容量有限，仅能处理部分信息，但却对来自长时记忆和感觉记忆的理解、运算，和推理等信息的加工及认知过程至关重要，它支持着学习者的思维过程。长期记忆的容量在理论上说是无限的，它可将工作记忆进行转化和加工，并以图式的形式序列化长期储存，克服工作记忆的局限性。

其三，“图式建构和自动化可以有效降低工作记忆的负荷”。[4]长时记忆中已有的图式及知识体系，可将大量简单、零散的新信息系统化，组成符合学习者逻辑的大模块内容和新图式。当低水平的信息要素被自动归纳整理为信息组块时，信息被加工所需的注意力和精力就会相对减少，便于学习者记忆与整理。

认知负荷理论借鉴认知结构理论，对学生进行符合认知发展水平的描述，以此理解人类思维的可塑性和缺陷。并建议把认知容量控制在学生可接受范围内，使学生了解学科的基本结构和逻辑组织，将知识框架存储为长时记忆。同时认为借助知识脉络和基础认知，学生能更好完成对新知的思考、探究和总结，最终将其内化为自身永久性的知识与技能。

二、影响认知负荷的主要因素

认知负荷可分为内在认知负荷、外在认知负荷以及相关认证负荷三类。其中，内在认知负荷是指由学习者原有知识水平、材料的固有属性，以及二者之间的相互作用所决定的荷载。材料的固有属性指学习材料的数量、复杂度等，学习者的元认知水平和材料的相互作用主要指个体遇到信息时，原有知识体系发挥的“支架”性作用，及材料对元认知的弥补和冲击作用。外在认知负荷主要是指因教师的教学设计和材料的组织，及其呈现方式与教学策略等由于缺乏合理性，所产生的不必要认知资源消耗，通常作为无关性额外消耗对学习形成干扰。“同一学习材料，它所引起的内部或外部认知负荷是由学习目标决定的”。[5]也就是说，判断某一学习材料对学习者是否造成认知负荷，抑或造成的认知负荷是内部还是外部的，不可单纯只看材料本身，应结合课时教学目标，以及学习者实际认知状况进行判断。相关认知负荷也叫有效认知负荷，主要指学习者在知识建构和内化过程中，意欲投入的认知资源总量。相关认知负荷增加的过程即学习过程，它与学生想要付出的精力和努力程度有直接关系，所以Banner将其看作是长时记忆中图式建构和自动化的工具。

值得说明的是，认知负荷总量并非三者简单相加之和，而主要由内部和外部认知负荷共同决定。对于相关认知负荷，Sweller认为它与另外两者不同，并非一个独立的工作记忆负荷来源，[6]而是与外部认知负荷互补发生作用。总体上说，三者之间相互影响且影响互相叠加，因此无论是进行教学设计还是实施课堂教学，都应合理控制内部和外部认知负荷水平，尤其是外部认知负荷量，将认知负荷总量控制在个体可承受的范围内。

1.内在认知负荷的影响因素

影响内在认知负荷的因素主要是学习者的元认知水平和学习材料的特点。建构主义认为，学生不是空着脑袋进入课堂的，其已有的经验、知识和能力可为合乎逻辑的假设奠定基础，元认知水平是新知识的基点和生长点。元认知水平越高，理解知识的速度就越快，理解的程度就越深，解决新问题的效率就会越高。从这个意义上说，准确把握学生现有的知识层次和水平，有针对性地组织教学是顺应学生认知活动规律的关键。

另外，影响内在认知负荷的因素还包括学习材料的特点，即材料的难度和数量的大小等。一般说来，数量越大、难度越高，材料涵盖的信息要素及其内涵的交互关系就会越复杂，需要学习者投入的心理资源越多，内在认知负荷就会越大。实际课堂教学中，课时较集中的重难点会消耗较多的认知资源，有可能导致部分学生的认知能力过载，因而需要教师对整体教学内容合理布局、统筹规划。

2.外在认知负荷的影响因素

首先，无用信息的数量。认知心理学认为，与图式获取有关的信息是必要信息，反之则是无关信息。不必要的无关信息大量存在，在某种程度上会影响学生认知资源的分配，甚至会造成对学生思路的误导。课堂中，有些青年教师喜欢使用华丽的页面，制作动画效果繁多的PPT，但过度动感的音效和纷繁的图片会耗费学生宝贵的精力，增加其外在认知负荷量。

其次，材料呈现的顺序。课堂所用教学材料，必然要存在种种联系。哲学原理告诉我们，一旦改变事物的内在逻辑顺序，就有可能使事物产生质的变化。教学材料呈现的顺序不科学，就有可能使学生的理解陷入困顿。因此，教师应充分考虑材料之间的客观联系性，并遵循由易到难、由简入繁、层层递进的原则加以处理，以适应学生的认知发展能力，从而最大限度地减少外在认知负荷的干扰。

再次，教学策略的选择与实施。如果其它条件不变，则教师选用的教学手段和方法就是课堂教学成败的决定因素。选择与教学内容贴合度差的教学策略，会额外加重学生的认知负荷，教学效果甚至会适得其反。新课改环境下，新的教学方法层出不穷。但教师要根据自身特长和教学风格，结合教学内容特征与学生特点等多重因素，综合考虑、仔细斟酌，选取最佳方式手段进行优化组合，以达到最优教学效果。切不可为追求教学模式新颖，而忽略放弃讲授法等最基本的方法。

3.关联认知负荷的影响因素

关联认知负荷受多方面因素影响，其中最为重要的是两个方面，即学生个体因素和外界评价。学生个体因素包括学生的个性特征、学习习惯、注意力、心理承受能力、认知风格，以及学习策略等。即便相同的学习材料，对于每个学生而言难易程度感受也会各自不同，主观因素同样会影响他们自身的心理调节。学习上，当遇到难度系数较大的问题时，有些学生内心强大的探知欲会被激起，他们就会凭借顽强毅力不断尝试弄清；而某些学生遇此则会退缩不前，不愿继续投入认知资源以独立获得真知。

此外，外界评价对学生认知资源的再分配亦很重要。来自教师、同学及家长的正向评价，尤其是自身的成就获得感，可进一步刺激和促进学生心理与情感投入度的增加，形成较大的关联认知负荷需求，并抵消内、外在认知负荷产生的困扰，成为学习绩效的倍增器。因此，调整评价方式和标准，在日常教学中多给予学生积极的鼓励和评价，不仅非常必要，更是非常重要。

三、认知负荷理论对学科教学改革的重要启示

基础教育改革大潮流下，多数教师已开始转变旧的思想观念，关注学生的主体性地位。同时，许多学校和教师也在想方设法减轻学生压力，提升学生学习的主动性和积极性。但是，由教学内容的综合性、复杂性和多样性等特点，及每周只有几课时的课堂时间所限，完成教学任务必然极其紧张。因此，很多情况下教师的良好愿望只能让位于教学任务。繁杂的学习内容，繁多的课堂活动节点，加之高考制度下分数攀比的压力，及课外活动时间的严重不足，使学生的认知负荷大大增加。对此，认知负荷理论为教改提供了有益的方向性启示。

学习负担的本质即认知负荷，学习需要学生投入注意、感觉、情感、时间、想象、记忆、思维等认知资源，并对学习结果进行内化吸收。合理的认知负荷量有助于学生优化学习过程，使自身认知资源与外部获得资源达到动态平衡，记忆效能与学习效果达到最大值。这就要求在具体实际工作中，教师的教学设计和教学活动要注意减少感觉分散效应、冗余效应等干扰，尽可能降低学习者的外在认知负荷，提高学生学习专注度，使“以人为本”的理念在教学中真正得到贯彻。

1.尽力控制和降低内在认知负荷

首先，巧妙安排教学内容的呈现方式，使之序列化、模块化、层次化、条理化。根据布鲁纳的认知结构教学理论，将复杂的学习任务分解为可单独呈现的模块，有利于学生运用自身已习得的经验解决问题，并通过思考逐步使问题清晰化，降低原生性认知负荷因素。因而，教师应站在学生的角度处理教学内容，将复杂的内容分段或分块呈现，以降低难度，帮助学生理解，减少注意分散和表征保存。

其次，精选材料，删除冗余。人的大脑容量虽是无限的，但同时能接受的信息量却极为有限。Millerr认为“人的工作记忆容量是7±2个信息组块”，[7]即短时记忆的容量一般是5～9个项目，均值为7。中学阶段学科内容的偏多，教师对重点内容的拓展和补充，课堂学习时间的紧迫，无疑都会使学生不得不留意一些无关的冗余信息。因此，从减负角度适当删减无关内容极为必要。当然，所谓删减，并非是指对相关内容完全不涉及。除必要内容外，部分内容可采取学生课下自学，或课堂快速阅读等方式完成。

2.合理优化外在认知负荷

第一，合理安排教学进度，掌控课堂节奏。学习者的认知速度与其原认知水平紧密联系，并与教学安排密切相关。教师设置恰当的教学进度和节奏，有助于学生在掌握已有知识的基础上继续前进，并有足够的时间进行认知加工，不会因速度过快或过慢导致“跟不上”和“不够吃”的现象发生。要实现这一目标，就要求教师在教学组织上通盘考虑，在教学时间上精准谋划，做到不紧不慢，张弛有度。除此之外，教师要灵活发挥教学机智才能，以随时应对课堂中的各种突发状况，尽量避免因学生的个别问题而打断紧凑有序的课堂节奏。

第二，整合相关任务信息。当任务信息因过于繁琐、零碎而无法单独理解时，学习者就必须将其进行心理整合，而这个过程会额外加重外在认知负荷，造成一定学习负担。因此，教师将相关的信息预先有机整合，可形成物理整合替代心理整合的方式。它不仅可使学习者从宏观上整体把握学习内容，理清其中的交互关系；更能将其注意资源集中于关键部位，着力解决重、难点问题。整合过程中，教师应结合学生“最近发展区”情况，将最靠近“最近发展区”的部分整合后优先出示，而将远离“最近发展区”，及较抽象的内容后置或选择性出示。

第三，借助多媒体辅助教学时，PPT的设计力求简洁直观、风格统一。美国著名教育心理学家Richard E.Mayer指出，“当多媒体的设计符合人类大脑的工作特点时，才能促进学习”。[8]信息时代的到来，使多媒体在课堂中发挥着越来越重要的作用。但如果在制作课件时，一味追求视觉效果，则繁多的花样会使学生眼花缭乱、应接不暇，无形增加学生的认知负荷，削弱教学的主题。因此，PPT课件应避免多、杂、乱，减少不必要的链接，取消无关的动画和图片，做到格调统一、清晰明了，在赏心悦目的同时，突出重点、突破难点、强化主线。

第四，开发利用符合学生认知负荷特点的课程资源。教学准备阶段，教师可搜集符合学生心理特征和认知规律的材料，并将其以文字、图形和表格等多种形式加以整合，以提高学生学习的直观性和趣味性，使学习内容形成较低的内部认知负荷，并使学生产生较高的相关认知负荷。

第五，兼顾学生个体差异，因材施教。对学生个体特征的了解和把握是因材施教的前提，教师应根据不同班级、不同层次学生的具体情况，制定针对性的差异化引导策略，为其提供符合各自认知程度的个性化教学内容。对元认知水平整体较低的班级或学生，可采用图形、表格等辅助教学工具，采用实践性知识与理论性知识结合讲授的方式，降低学生的外在认知负荷。而对于元认知水平较高的班级或学生，则应给予更多自主探究和思考的时间，及相对复杂、较有高度的材料，使其充分调动注意力资源，深挖细凿，进一步发展和拓展思维。

3.恰当增加相关认知负荷

首先，多角度激发学生的学习动机和热情。激发学生的内在学习动机，对增加其相关认知负荷非常重要。教师可采用风趣幽默的语言，丰富多彩的活动，贴近生活且发人深省的情景设置，灵活多样的课堂组织形式，民主和谐的课堂氛围，使学生从内心深处转变对课堂的态度。使学习不再是枯燥乏味的漫长过程，而是可增长知识、发展能力、趣味横生的一种体验，学生无需教师的外部督促，便能自愿主动去积极努力。由兴趣引领课堂，由学生主宰课堂，在强烈求知欲的驱使下去发现和感悟知识，既是新课改的本质要求，也是有效增加相关认知负荷的根本途径。另外，教师在进行教学评价时，应遵循多奖少罚的原则，依靠对学生的正向评价，帮助其提高学习兴趣，强化其内在学习动机。

其次，及时系统整理归纳学习内容，适时进行练习。对知识的及时梳理和总结，有助于学习者对知识间错综复杂关系的理解和掌握，有利于巩固知识，形成认知的图式化框架结构，学习者的相关认知负荷也会随着知识间脉络清晰度的增加而加强。因而在课堂教学中，教师应重视课堂小结及单元的复习总结，适时进行课堂和课外练习，帮助学生形成独立、完整的知识体系。

总体上说，认知负荷理论是依托认知心理学发展起来的新型理论，目前虽取得了一定研究成果，但随着教改深化仍有广阔的讨论空间。运用认知负荷理论，合理安排学习材料容量与时间，更科学呈现非结构性知识，是认知趋近理想化状态的保证。同时，应该看到与其它教育理论一样，认知负荷理论也不是普适性的，在其基础上衍生出来的样例效应、目标自由效应等都具有条件性，因此在教学选用时应综合多重因素慎重进行考虑。

[1]FRED PASS,ALEXANDER RENKL,JOHN SWELLER.Cofnitive Load Theory and Instructional Design:Recent Devel⁃opments[J].Educational Psychologist,2003,38(1):1-4.

[2]杰罗姆·西摩·布鲁纳.教育过程[M].北京:文化教育出版社,1960.

[3]杨丽恒,原文志,马建宏.基于认知负荷理论的数学“翻转课堂”教学模式探究[J].教学与管理,2015,(21):102

[4]王海艳.认知负荷理论在高中思想政治课教学中的运用[D].苏州:苏州大学,2013:11.

[5]陈锋娟.关于认知负荷理论的几点新认识[J].软件导刊·教育技术,2014,(4):11.

[6]JOHN SWELLERR.Element interactivity and intrinsic,extraneous,and germane cognitive load[J].Educational Psychol⁃ogy Review,2010,(22):123-138.

[7]刘荣,贾静.认知负荷理论对多媒体教学设计的启示[J].教育技术导刊,2006,(11):21.

[8]RICHARD E.MAYER.多媒体学习[M].北京:商务印书馆, 2006.

〔责任编辑 王小风〕

Cognitive Load Theory and its Enlightenment on Subject Teaching

Fan Weibin,Sun Mingming
(School of Political Science and Law,Tianshui Normal University,Tianshui Gansu741001,China)

Cognitive load theory,originally a theory of psychology about cognitive resource allocation,was later ap⁃plied into education and became an educational guidance theory.From the perspective of subject teaching,the study of cognitive load theory can produce what is called“low investment,high return”effect via scientific analysis of the factors influencing the students’cognitive load,reasonable teaching design and more efficient teaching methods, which is believed to be able to relieve the students’tension up to the hit and promote the teachers’up-dating of their teaching methods and the deepening of social education reform.

cognitive load theory;subject teaching;influencing factors;control measures

G642

A

1671-1351（2016）06-0110-05

2016-08-19

樊卫宾（1966-），男，甘肃天水人，天水师范学院政法学院教授，硕士研究生导师。