信息技术环境下学科教学认知负荷超载与卸载研究

吴 华， 张嘉桐

(1.辽宁师范大学 数学学院，辽宁 大连 116029；2.北票市高级中学，辽宁 朝阳 122100)

信息技术环境下学科教学认知负荷超载与卸载研究

吴 华1， 张嘉桐2

(1.辽宁师范大学 数学学院，辽宁 大连 116029；2.北票市高级中学，辽宁 朝阳 122100)

Mayer的认知负荷理论对信息技术环境下的学科课堂教学产生了重要的影响。本研究以Mayer的认知负荷理论为基础，结合学科教学设计了信息技术环境下学生的认知加工模型；根据认知负荷理论提出了学科教学认知负荷三种超载形式；明确了学生在选择、组织、整合三个信息加工环节中存在的不同超载类型；针对不同环节中的信息超载现象，提出了导向性原则、双通道原则、分割原则、操作性原则、结构性原则等信息技术环境下的教学卸载原则；应用卸载原则设计了学科教学中的具体实施方案，为信息技术环境下的教学改革提供新思路。

信息技术；教学；认知负荷；超载；卸载

一、问题的提出

知识是独立于个体之外的客观存在，学习即是学生有意识地对教师提供的外部信息进行登记、选择、组织、整合、贮存的过程。知识内化不是学生单纯地将知识放到长时记忆中，而是将以碎片形式存在的外部信息经过工作记忆并进行加工整理，建立新旧观念之间的有机联系，构造完整的个体认知体系。客观存在与个体主观知识体系(长时记忆)都具有无限性的特征，而信息加工体系受工作记忆有限性限制，成为个人完成学习任务的阻碍。

认知负荷理论主要是针对信息加工过程中工作记忆有限性限制提出的，它最早由澳大利亚新南威尔士大学的Sweller在20世纪80年代提出，在20世纪90年代得到了比较好的发展，到21世纪初，逐渐形成了完整的理论体系。在对认知负荷理论的诸多研究中，美国当代倡导教育心理学与教育技术学结合的著名教育心理学家Mayer的研究尤为出色。

教育技术所关注的是媒体技术，但教学应以学生为中心而非技术*MAYER R E. The cambridge handbook of multimedia learning [M]. Cambridge:Cambridge University Press，2005:135.，应该以认知负荷理论为基础，在该理论的指导下逐步实现以学生为主体的教学过程最优化，有效整合信息技术与课堂教学。

Mayer提出，多媒体学习有三个基本假设——双通道假设(人类对视觉、听觉信息的加工由两个相对独立的通道完成)、有限容量假设(在每个通道中，信息的加工量是有限的)、主动加工假设(在学习过程中，人类会主动摄取知识)。三个假设主要体现在Mayer提出的“多媒体学习的认知理论模型”*MAYER R E. Multimedia learning [M]. Cambridge:Cambridge University Press，2001:10.中。Mayer进一步指出如下三点：第一，双通道具有彼此关联的特性，学生可以将呈现给一个通道的信息转移到另一通道获得表征；第二，工作记忆容量的有限性促使学生产生必要加工、附带必要加工以及表征保持三种认知负荷；第三，主动学习的三个基本加工过程是，选择相关的认知信息，组织工作记忆中的认知信息，以及对已有认知信息和新信息进行整合*MCLAREN B M，DELEEUW K E，MAYER R E. A politeness effect in learning with web-based intelligent tutors[J]. International journal of human-computer studies，2010(1): 70-79.。

Mayer关于多媒体学习的论述揭示了信息技术环境下学生的信息加工过程，他同时指出了信息技术环境下信息加工的信息表征形式的互通性、信息容量的有限性和学生学习的主动性。信息技术的发展对教育理念、教学模式和学习方式的变革产生了深刻的影响。新一轮的课程改革要求教师改变教育观念，提倡教学方法、教学模式的创新*张景中，江春莲，彭翕成.《动态几何》课程的开设在数学教与学中的价值[J].数学教育学报，2007，16(3): 1-5.，作为新一轮课程改革的重要方面之一，信息技术为教学改革带来了机遇和挑战。目前，技术改革教学实践正在进行，但缺少相关的教育理论指导，特别是信息技术环境下学生信息加工过程的理论研究严重缺失。本研究以Mayer的认知负荷理论为基础，结合学科教学实际，探索信息技术环境下学生信息加工过程中的认知负荷超载问题，并有针对性地提出认知负荷的卸载原则，希望为信息技术与课堂教学有效整合提供理论支撑，促进教育信息化。

二、认知加工模型的建构与分析

(一)认知加工模型的建构

Mayer的认知负荷理论具有普遍性的特点，将其应用到学科教学中，应根据学科特点，结合学科教学实际，对其进一步细化和具体化，体现学科的特殊性。如在数学学科教学中，外部信息主要以文字、数字、符号、图像、图形等形式存在，学生的数学认知加工过程有一定的特殊性。在信息技术环境下，数学认知加工模型如图1所示。

图1 数学认知加工模型

由图1可知，外部信息分别进入学生视觉和听觉，形成双通道的感觉记忆。工作记忆组织信息，转变浅层编码信息为深层编码信息，进而提取长时记忆中的相关认知，并与新的信息进行认知编码整合，贮存到长时记忆中。

不同的信息加工阶段存在不同的信息超载类型。信息选择阶段存在附带加工信息认知负荷超载，编码组织阶段存在必要加工信息认知负荷超载，认知整合阶段存在表征保持认知负荷超载，如图2所示。

图2 信息加工阶段与超载类型对应图

降低认知负荷就是要重新分配必要加工、减少附带加工, 或者减少表征保持*MAYER R E，郭兆明 ，宋宝和，等.在多媒体学习中减少认知负荷的9种方法[J].中国电化教育，2005(8):91-93.。应结合工作记忆过程，从选择、组织、整合三个阶段入手，基于信息技术环境，研究工作记忆认知负荷的卸载问题，探究学科教学中认知负荷的卸载原则。

(二)认知加工模型的分析

1.信息选择阶段的附带加工信息认知负荷超载

学生完成学习任务，首先要通过感觉器官对外界信息进行登记进而形成感觉记忆，在此过程中，认知以机械的复述形式存在，需要信息加工程序对其进行选择，这一阶段完成了认知从机械描述向浅层编码的转变，信息通过选择进入工作记忆才算是真正意义上的信息加工的开始。这一阶段主要产生的是与学习材料自身意义关系不大、由信息呈现而引起的附带加工信息的超载，具体表现为盲目拣选。

在信息选择阶段，神经系统会自发选择有用信息纳入短时工作记忆。然而，学生对有用信息的选取未必完全符合教师意愿，这样就形成了学生对信息的盲目拣选。知识是一种具有抽象性、严谨性的逻辑体系, 是一个符号化的形式系统*曹一鸣，辛兴云. 从数学本质解读数学课程改革[J]. 数学教育学报，2005，14(1):42-45.，对它的任何推理与证明都需要有充足而必要的条件作为支撑。依据心理学家Miller的“组块理论”*MILLER G A. The magical number sever plus or minus two: some limits on our capacity for processing information[J].The psychology review，1956(2):81-97.，盲目拣选造成大量看似有用、实则无用的信息占据有限的工作记忆空间。在接下来的编码组织阶段，学生很难建立零碎知识之间的联系，尤其在逻辑性较强的学科学习中，建立已知条件与求证结果之间的联系已非易事，大量无用信息的存在造成附带加工信息的超载现象，势必降低学生的学习效率。

出现在信息选择阶段的超载现象其影响主要体现在以下两个方面：一是大量附带加工信息会挤占实际有用信息的存储空间；二是在后继的编码组织与认知整合过程中，附带加工信息的出现会对信息组块间的彼此关联形成阻碍。

2.编码组织阶段的必要加工信息认知负荷超载

认知浅层编码在信息选择阶段具有形象性、客观性的特征，认知深层编码则是具有程序化特性的内在表征，它与长时记忆中的主观认知结构体系中的信息存在形式还有较大区别，需要神经系统在工作记忆中将其转译为具有程序化特性的内在表征*MAYER R E. The promise of educational psychology:learning in the content areas[M]. N.J. Merrill:Upper Saddle River, 1999:11-12.，这一过程叫作组织。在编码组织阶段，以浅层编码形式存在的工作记忆信息需要信息加工系统进行组织加工，模糊视听边界，完成信息由客观物理表征向主观心像表征的蜕变。

如果信息选择阶段的附带加工信息认知负荷得以成功卸载，在编码组织阶段，学生为弄清所要学习材料的本身意义而引起的必要加工信息认知负荷超载就成为主要超载类型，必要加工信息认知负荷超载可分为绝对认知负荷超载与相对认知负荷超载两种类型。

绝对认知负荷超载是指学生的工作记忆系统进行编码组织时，加工信息占用了信息的视觉、听觉两个通道，加工的信息量超过了信息加工通道可以承受的范围，这一现象也被称为信息拥塞。

相对认知负荷超载是指在进行编码组织的过程中，学生的工作记忆系统里，视觉或听觉加工通道出现某一通道信息过量而另一通道信息闲置的现象，这一现象称为通道失调。这种超载现象并非是由被加工信息完全占据了工作记忆空间造成的，而是由信息呈现方式不合理引起的，这种超载现象被认为是相对认知负荷超载现象。

3.认知整合阶段的表征保持认知负荷超载

依据Wittrock提出的生成学习理论*陈琦，刘儒德. 当代教育心理学[M]. 北京:北京师范大学出版社，2007: 189-190.，经过编码组织的深层认知信息与长时记忆认知结构中的信息具有共同之处，即它们都脱离了外在物理表征，以抽象表征形式存在；其区别在于，长时记忆认知结构中的信息是彼此关联的有机整体，而深层认知编码信息以游离态存在于工作记忆中，需要深层心像表征中的语词编码、模型编码和来自长时记忆中的相关认知共同整合，这三种认知加工在工作记忆中的保持被称作表征保持。

乱序重组是表征保持认知负荷超载的主要类型，是指语词编码、模型编码和已有相关认知同时出现在工作记忆中，由于信息呈现方式多而复杂，需要工作记忆系统对三者的建构进行更多的操作，表征保持认知负荷超载现象由此产生。在信息加工过程中的任一阶段都可能出现表征保持认知负荷的超载问题，但一般来说，在认知整合阶段更容易出现表征保持认知负荷超载现象。

需要明确的是，在信息加工的每个阶段，一般以存在某一种认知负荷超载现象为主，而不是只存在唯一一种认知负荷超载。也就是说，在信息加工的每个阶段都可能存在附带加工信息、必要加工信息和表征保持的认知负荷超载问题，只是超载的表现程度不同而已。

三、信息技术环境下学科教学认知负荷卸载原则

工作记忆中的三个不同阶段会出现类型各异的认知负荷超载形式，笔者参考Mayer提出的多媒体认知原则，根据教学认知负荷超载的不同类型，探索信息技术环境下相应的认知负荷卸载方式，提出认知负荷卸载原则，如表1所示。

表1 信息技术环境下学科教学认知负荷卸载原则

(一)导向性原则

导向性原则是指在学科教学中，教师应引导学生拣选新知识；在设计多媒体学习材料时，突出教学重点，为学生拣选有用信息创设有利条件。

在教学过程中，教师要引导学生朝着有益于问题解决的方向去分析问题，积极干预学生对知识的拣选。对附带加工信息认知负荷的卸载，教师的积极干预和正确引导必不可少。因此，我们提倡遵循主动加工假设*VERONIKAS S，SHAUGHNSSY M F. 教育心理学与教育技术学联盟: 促进学习者认知变化——与理查德·迈耶教授访谈[J]. 盛群力,译.远程教育杂志，2008 (1): 21-26.的导向性原则。这一原则主要是针对信息选择阶段的盲目拣选现象提出的。在信息选择过程中，学生盲目拣选信息，会导致增加工作记忆空间的附带加工信息量，从而减少必要加工信息量，阻碍信息加工的后续工作。

例如，在数学教学中，立体几何图形较为复杂，场依存型学习风格的学生对几何图形的已知条件的提取较为困难，面对位置、大小、形状等诸多信息，很难辨别哪些是有用信息，这就要求教师对学生进行有效引导，可借助课件设计帮助学生卸载无用信息，突出有用信息，找出点、线、面之间的关系，同时结合导向性讲解，促进信息选择，把握数学本质。

(二)双通道原则

双通道原则是指在学科教学中，作为教师应该为学生呈现具有多种表征形式的信息，使学生的视觉、听觉双通道同时对信息进行加工，特别是在信息时代，更应充分发挥多媒体呈现信息的优势。

双通道原则是针对认知负荷超载中通道失调现象提出的，目的在于协调工作记忆空间的视觉和听觉通道。在教学过程中，信息对象确定后，其信息量是固定的，如果以单一表征方式呈现信息，另一通道闲置，会造成信息加工通道不协调，导致信息加工资源的浪费。另外，以单一表征方式呈现信息，很可能造成信息加工通道的认知负荷超载，降低信息加工的效率。

例如，在平面解析几何教学中，教师一味地突出几何图形或只强调数学表达式都会使学生产生工作记忆中单一通道信息超载，而另一编码组织通道闲置的问题。教师应考虑运用动态几何演示软件，协调图文信息比例。这不仅有助于解决单通道信息超载问题，同时还会推进双通道编码信息交叉融合，模糊视听边界，为后继信息的认知整合做好铺垫。

(三)分割原则

分割原则是指在学科教学中，教师可将教学内容分割为若干个相互关联的小单元，经过多个单元的多次教学来帮助学生完成新知识的学习。这一原则主要适用于知识点较多的教学内容。针对这一类型的教学内容，考虑到学生的信息承载能力，可以对教学内容进行合理分割，分阶段进行教学。

分割原则主要是针对编码组织阶段信息拥塞现象提出的。由于工作记忆空间是有限的，大量待加工认知信息在一段时间内同时占据工作记忆空间,视觉、听觉双通道由于信息拥堵造成工作记忆负担过重，不利于信息加工的顺利进行。

例如，关于“瞬时速度与导数”的问题，学生在学习此内容之前应对瞬时速度的相关内容有所了解，为避免大量占用课堂时间，造成信息拥塞，这时应坚持分割原则，使用微课等信息技术教学方式帮助学生回顾瞬时速度相关知识，奠定学生接纳新知识的理论基础。

(四)操作性原则

操作性原则是指在学科教学过程中，学生通过操作和活动进行学习。例如，学生利用现代信息技术手段，通过人机交互活动，在操作过程中主动完成学习。

操作性原则主要是针对编码组织阶段必要加工信息认知负荷超载现象提出的。教学中依据操作性原则，可以为学生直接呈现动态信息，缩减静态向动态的转化过程。如果学生在学习时首先接收的是静态信息，工作记忆中的静态信息首先进入工作记忆空间，然后静态信息在工作记忆空间完成动态组织，在这一过程中，由于学生在工作记忆中保持信息过多，由此产生表征保持超载现象。所以，依据操作性原则设计教学时，尽可能简化操作过程，强化操作与学习材料之间的关联性。操作性原则可使学生优先选择动态信息，降低工作记忆中的表征保持量，以实现认知负荷的卸载。

从学习方式来看，学生通过操作性学习，以小组讨论的形式，开展小组合作学习，能够进一步凸显教学中学生的主体地位。

例如，关于“函数变换”的问题，如果以静态形式呈现函数变换过程，那么纳入学生工作记忆中的浅层表征就仍是静态的图文信息；但如果我们借助信息技术，就会使学生在编码组织中迅速完成信息由静态到动态的转换，卸载认知负荷。采用人机交互活动方式，可以让学生在操作过程中观察函数变换过程，在动态的变化过程中找到不变的规律，实现动态信息直接进入工作记忆，省略信息加工中零碎信息由静态向动态的转换环节，避免信息拥塞。

(五)结构性原则

结构性原则是指在学科教学中，通过展现知识结构图的方式向学生呈现知识点，构建知识之间的联系，促进学生深入理解知识，帮助学生建立良好的认知结构*王光明. 高效数学教学行为的特征[J]. 数学教育学报，2011，20 (1): 35-38.。这一原则主要是针对认知整合阶段表征保持的乱序重组现象提出的。

例如，关于“三角函数”的问题，这部分内容较多，学好这部分知识的关键之一是明确各公式之间的内在联系，即建立知识结构图。教师的教学应紧紧围绕知识结构图，探明各部分之间的关系，建立知识点网状结构。

四、结 语

Mayer的认知负荷理论是非常重要的教育心理学理论，该理论契合了我国正在进行的学科课程改革发展方向，符合教育信息化十年发展规划的精神。在信息技术背景下，教师应充分发挥现代信息技术在学科课堂教学中的独特优势，并在认知负荷理论指导下设计教学过程，解决学生在信息加工过程中出现的认知困境，卸载认知负荷，增强学生自主学习与合作学习的能力，不断创新学科课堂教学模式，实现高效教学。

〔责任编辑：张秀红〕

Research on overloading and unloading of subject teaching cognitive loadunder the environment of information technology

Wu Hua1, Zhang Jiatong2

(1.School of Mathematics, Liaoning Normal University, Dalian 116029, China, 2.Beipiao Senior High School, Chaoyang 122100, China)

The Theory of Cognitive Load，represented by Mayer，is affecting the subject classroom under the environment of information technology．This paper relies on the Theory of Cognitive Load and designed the cognitive processing model under the environment of information technology by subject teaching．According to cognitive load theory. This paper proposes three overload of subject teaching cognition，puts forward the different style of overloading in selecting，organizing and integrating,and puts forward the principle of unloading:the principle of leading,the principle of double tunnel，the principle of separating,the principle of operation and the principle of structure under the enviroment of information technology．Applying unloading principle to design specific implementation plan in the teaching provides the new idea of teaching reform under the information technology environment．

information technology；teaching；cognitive load；overloading；unloading

10.16216/j.cnki.lsxbwk.201705016

2017-03-15

：辽宁省教育科学“十三五”规划立项课题“互联网下整合技术与基础学科教学的研究与实践——以辽宁省数学学科为例”(JG17CB360);辽宁省高教学会“十三五”规划高教研究课题“互联网整合技术与大学课堂教学的理论与实践研究”(GHYB160077)；辽宁师范大学教师教育研究中心项目“基于迈耶理论的数学翻转课堂教学研究与实践”(LSJSJY201502)

吴 华(1964-)，女，辽宁沈阳人，辽宁师范大学教授，主要从事学科教学论和教育信息化研究。

G447

：A

：1000-1751(2017)05-0016-06