基于认知负荷理论的职业教育教材设计——以《汽车发动机构造与拆装》教材为例

邬郑希

（中国铁道出版社，北京 100054）

一、引言

我国从20世纪80年代开始发展职业教育，职业教育取得了空前发展，出版的职业教育教材不计其数，但是质量却良莠不齐。出现问题的原因很多，从教材出版专业编辑角度来说，既有专业编辑在教材出版的选题策划、组稿、初审、编辑加工等环节存在没有对内容进行深度挖掘的问题，更深层的原因是专业编辑只具备深厚的专业知识而缺乏相关的职业教育理论知识。这些问题的解决，需要现代教育理论，特别是现代课程理论、学习理论、教学理论和传播理论的支撑。[1]目前，关于职业教育教材设计的相关书籍、文献和实例较少，通过中国知网搜寻以“职业教育教材设计”为篇名的文献不到20篇。本文以认知负荷理论为切入点，根据笔者参与设计的《汽车发动机构造与拆装》[2]教材中的案例进行剖析，详细展示教育学、心理学等理论如何具体指导职业教育教材的设计。

二、认知负荷理论概述

认知负荷理论（Cognitive Load Theory，简称CLT）于20世纪80年代由澳大利亚认知心理学家约翰·斯威勒（John Sweller）首先提出，是研究教育心理学和教学设计等领域的一个主要理论，并得到不断发展。

（一）人类记忆的内涵

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，其容量非常有限，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。[3-4]因此，当面对复杂的学习内容时，教材设计关注的首要问题是呈现什么样的内容合适和对内容呈现的形式进行设计、加工帮助学生有效利用有限的认知资源。

（二）认知负荷的类型

根据影响认知负荷的基本因素不同，可以分为外在认知负荷（Extraneous Cognitive Load）、内在认知负荷（Intrinsic Cognitive Load）与相关认知负荷（GermaneCognitive Load）三种认知负荷类型。外在认知负荷主要由信息的呈现方式决定。内在认知负荷是由学习内容本身引起的，其高低主要取决于内容的复杂程度。相关认知负荷是指在新的图示建构或图示自动化的过程中占用的认知资源。[5]因此，教材设计必须根据具体内容采取一系列教学策略来降低或提高学生的认知负荷。比如，设计教材内容的呈现应注意利用外在认知负荷，处理需要理解的多种内容相互关系时采用内在认知负荷，利用相关认知负荷展示案例。

三、认知负荷理论在教材设计中的应用

（一）教材结构设计

很多学生在看完教材听完课后，做习题时却提取不出知识，原因在于大脑没有对长时记忆中提取的信息进行组块加工，形成知识的有效融合。为此，教材结构设计应设计知识引导模块（见图1），帮助学生将所学内容用思维导图的形式呈现，不仅可以增加学生的相关认知负荷，还可以降低学生的内在认知负荷。因为这样可以将知识归纳、整合成一体，提高学生的学习效率，教给学生处理知识及学习知识的方法。

图1 知识引导

1. 采用中央图像，形成学习的焦点。首先印入眼帘的是图1的图片，也就是中心图像，来自动吸引学生的眼睛和大脑的注意力，由它触发联想。

2. 以中心图像为原点进行发散。按照逻辑顺序展示分支，先是讲了为什么要排放控制，然后分别是什么是排放控制、如何排放控制，最后是对每个分支的具体阐述。在这个过程中通过有序组织内容、合理规划层次来减小认知负荷，达到有效学习的目的。

3. 突出呈现重点内容。突出呈现形式多种多样，可以采用加入图像、字号大小变化、色块标注、不同编码等。例如，对碳罐、三元催化器、PCV阀三大重要部件加入图像，凸显事物，有立体感，更容易被记忆。分析发动机排放控制这一支采用字号逐级降低，给人层次感，表明事物的相对重要性。对重要掌握的内容“碳罐的工作过程”标注红色，避免色彩单一的文字图片使大脑感到单调，容易瞌睡，同时通过不同的颜色刺激左右脑，激发学生的记忆力和创造力，帮助学生快速获取重要内容，轻松记住信息。在发动机燃烧与污染源及污染物之间使用箭头建立联系。通过箭头标注自动引导学生的眼睛把事物连接在一起，对有效记忆非常有帮助。

（二）教材内容的设计

教材内容的设计和教材的结构设计同样重要。对同一教材内容不同的组织与呈现形式，学生使用的认知资源数量不同，相应的认知负担也不同。以教材中“汽车发动机总体构造”这个知识点为例进行说明。在第一本教材中，第二段写到汽油机是什么机构和系统组成，柴油机与汽油机有什么区别，并为这段文字配了张发动机总体构造图（见图2）。文字内容没有什么专业性知识错误，但是从受众者学生角度阅读，必须读完所有的文字，才知道学习的内容是什么。看完配图后会产生疑惑，不知道发动机总体构造和系统外观具体是怎么样的。

图2 样例1

再看第二本教材的编写（见图3）。文字内容也是介绍发动机的机构和系统组成，再介绍每一个机构由什么部件组成，配图列出了发动机的43个部件，学习内容比较复杂，学生理解时需要在工作记忆中同时加工多个不同的元素，工作记忆负担大，内在认知负荷高，学生不愿意阅读。而根据认知负荷理论，人类的工作记忆容量有限，一次只能存储7±2 个信息块，不能一次提供过多信息给学生。像图3（b）中的43个部件名称，学生很难记忆。

图3 样例2

因此，我们在设计时以学生为中心，以认知负荷理论为指导，进行有效设计（见图4）。

1.对于图4中的文字部分，利用提高相关认知负荷的方式之一促进学习者自我解释活动（Self-Explanation）中的一般性提示策略，采用绿色加粗的形式标注关键字词，吸引学生重点阅读汽油机的主要机构和系统，使学生在此处停顿进行自我解释，更好地理解教材内容。

图4 样例3

2.在教材内容设计中，外在认知负荷主要体现在内容的组织和呈现方式上。好的内容组织与呈现会减少学生需要的认知资源数量，减轻学习者的认知负担。为此，设计图4呈现形式与文字内容紧密结合，把汽油机的图片作为中心图，把各机构和系统的整体概念图围绕在周围，将所有图片当作一个实体来看待，缩小工作记忆空间，降低工作记忆的负荷。

3.为了帮助学生有效组织信息，提高相关认知负荷，采用情境干扰策略（Contextual Inference）降低相邻信息的干扰，将原本无序的发动机机构和系统图片采用空间临近，形成不同视觉单元。为此，将两大机构图归类一起，放置在中心图的左边，采用蓝色虚线框标注。五大系统图归类一起，放置在中心图右边，采用绿色虚线框标注。为了进一步降低学生的内在认知负荷，采用知识渐进（Knowledge Progression）策略，在图中左边的两个机构图旁标注关键词“两大机构”，右边的五个系统图旁标注关键词“五大系统”，帮助学生先识记第一层次“两大机构”“五大系统”，为再识记具体的机构名称和系统名称做好铺垫 。

本文基于认知负荷理论对教材的结构、内容进行教学设计，旨在给予广大教材编写者和教材编辑以启发，将学习理论、教学理论和传播理论等理论有效应用到职业教育的教材设计与编写中，以更好地促进职业教育教材设计的专业性、有效性发展。