不同教学情境中管理学生认知负荷的依据与方法

江妍雪

(福建师范大学 心理学院， 福建 福州 350117)

认知负荷是影响教学效果和学生学习效果的一个重要因素。澳大利亚认知心理学家John Sweller最早提出了认知负荷理论(Cognitive Load Theory)[1]，该理论认为个体的认知资源是有限的，要合理分配认知资源，既要减少额外的认知负担，又要保障必要的认知负荷。

教学的主要目的是学习知识，并形成对知识的长时记忆。因此，认知负荷理论提出主要有三种类型的认知负荷：内在认知负荷、外在认知负荷和相关认知负荷[1]。其中外在认知负荷是一种非必要的认知负荷，在教学中应尽量降低外在认知负荷;内在认知负荷与学习材料难度和学生的认知水平有关，应该进行合理控制;而相关认知负荷是对工作记忆的形成有所贡献的负荷。教学工作者应该帮助学生对这三种认知负荷进行有效管理，总体认知负荷要在学习者所能承受的认知负荷的范围之内[2]。教学工作者还要重视认知负荷影响学习效果时的一些调节变量的作用，例如当学习不同种类、难度各异的知识时，要适当调整管理学生认知负荷的方法。

本文依据不同的教学情境，列举了教学实践中经过实证研究的检验能够有效管理学生认知负荷的主要方法，同时梳理了管理认知负荷的方法所存在的一些边界条件，能够为教师的教学开展和学生的自主学习提供有依据的方法建议。通过对学习者认知负荷水平的有效管理，一方面有利于教师提高教学效率，另一方面能够促进学生形成对知识的长时记忆，实现对知识的迁移和应用。

1 传统课堂教学情境中管理学生认知负荷的方法

在传统的课堂教学情境中，常常以教师讲授知识、学生接受和理解知识为主要形式，其突出的特点是教师发挥对学生的引导作用、支持作用，帮助学生学习新知识，并在学习的过程中与学生进行互动，了解学生的学习进展。

支架理论提出教师在给学生讲授新知识时，要给他们提供一定的支持、引导和帮助。学习支架的一个非常重要的作用就是能够为学生的学习以及问题解决提供各种支持，降低学生的额外认知负荷，帮助学生完成学习任务。最近发展区理论认为在教师的支持下，学生能够创造最邻近发展区，实现认知水平的发展[3]。需要说明的是，一直通过支架减轻学生的认知负荷不是最有利于学生的学习方式，如果学生已经能够独立学习和应用新知识，就应该适时拆除学习支架。下文列举了传统教学情境中管理学生认知负荷的常用方法。

1.1 教学前采用先行组织者策略

先行组织者策略是指在学生学习新知识前，先为学生引入与新知识有关的引导性概念或材料作为先行组织者，其主要特点是要在学习新知识之前先引入，并且要比新知识更具抽象性和包容性。在有先行组织者的条件下，只要新的有意义材料能够被纳入现有的先行组织者的范畴，就更有利于被纳入认知结构，促进对新知识的有意义学习和记忆保持[4-5]。

先行组织者策略在传统的课堂教学中得到了大量应用，它对于减轻学生的认知负荷、提高学生的学习效率等具有积极作用。但先行组织者策略更适用于具有低先验知识的学生，如果学生对于新内容本身已经具有较高的先验知识，那么其认知结构中的知识会与外部提供的先行组织者材料发生重叠，学习者需要对内外两种材料同时进行重复的加工，这反而会增加学习者的额外认知负荷，不利于提高学习成效，这在关于文本学习的研究中得到了证实。因此，对于低先验知识水平者，可以通过先行组织策略帮助学生减轻学习新知识的认知负荷；对于具备高先验知识的学生，则可以直接开展教学[6]。

1.2 教学过程中管理学生认知负荷的方法

1.2.1 向学生提供教学样例

样例教学是指将经过加工处理的样例呈现给学习者，让学习者从样例中进行学习，相较于让学生直接解决问题的方式而言，样例学习更有利于减轻学生的认知负荷[7-8]。样例学习在程序性知识的学习中有很多应用，例如解决数学应用题或数学方程的教学中，为学生提供例题作为参考，这种方式相较于让学生自己摸索，更有助于帮助学生掌握解决问题的方法。

样例教学本身有助于减轻学生的外在认知负荷，但相关研究认为，在样例教学中，教师应该增加样例学习中学生的有效认知负荷，使学生投入更多的认知资源在其中，深化学生对问题的理解与迁移。增加样例学习的有效认知负荷的方法有样例变异设计和嵌入支架设计[7]，前者是指改变样例的呈现形式或深层结构，要求学生进行辨认、迁移；后者是指在样例中加入一些方法和学习策略的提示，引导学生在样例学习中做相关思考[9]。总而言之，样例教学是一种有助于减轻学生多余认知负荷，增强学习效果的教学方法。但在运用该方法时也要适当增加学生的必要认知负荷，实现样例教学的优势最大化。

1.2.2 绘制思维导图和概念图

双重编码理论认为，对知识进行语言和视觉上的双重加工，有助于减轻语言通道的认知负荷，增强记忆效果[10]，因此思维导图和概念图都是在教学中常用的两种可减轻认知负荷的知识可视化方法。思维导图是将知识通过类别和上下级关系进行组织，更直观地展现知识之间的相互关系[11]。概念图是指通过绘制节点和链接图来创建的概念知识图示，通常将一组材料中的概念表示为节点，概念之间的关系表示为连接节点的链接，而描述这些关系的标签则写在链接旁边。概念图有助于学生对知识的精细化学习[12]。在课堂教学中，教师可以借助思维导图和概念图的形式向学生呈现知识，也可以鼓励学生发挥发散性思维和创造性思维，自己绘制思维导图和概念图，对知识进行精细加工，形成对知识的形象化记忆。

1.2.3 在教学材料中添加文本结构标记

依据国内学者的分类，文本标记包括宏观标记和微观标记[13]，前者是指标题、摘要等从总体布局上凸显的标记；后者是指对文本中包含有重要信息的句子或关键词以标红、加下划线、加粗等方式做标记，使文本中的重要内容在视觉上突显。文本结构标记能够突出文本的关键信息，帮助读者抓住重点进行学习，将注意力资源集中到重要的信息上，以提升阅读效率。相关研究显示，在文本中添加结构标记能有效降低学习者的额外认知负荷，显著提高学习者的阅读成绩，尤其适用于高阅读水平的学习者[14]。可见，在教学中，教师应该给学生呈现有文本结构标记的学习材料，同时引导学生自己进行文本结构标记，在重要的内容上做标记或注释，除了提高学习效率以外也能够为后面的复习工作减轻认知负担。

1.3 在教学后引导学生及时复习与分类归纳

艾宾浩斯关于遗忘曲线的研究揭示：遗忘的特点是先快后慢，先多后少[15]。因此在完成对新知识的学习以后，教师应该帮助学生及时复习，对知识进行精细复述和分类归纳。在复习中充分进行有意义学习，以理解知识的方式取代死记硬背式的无意义学习，有助于减少遗忘和降低后期回忆知识的认知负荷，使知识更容易在未来的测试中被成功提取和应用。

2 在多媒体教学情境中管理学生认知负荷的方法

多媒体教学在近10年来一直受到广泛的关注。多媒体教学是指采用动画、视频等生动形象的多媒体技术来呈现学习材料的新教学形式。多媒体教学与传统教学最大的不同是其具有更为形象生动、色彩丰富的视觉表征性，是对传统教学形式的一种改进与创新。多媒体技术在视觉和空间上都具有较强表征及传递知识的优势，能够提高学习者的学习兴趣，在学校等多种教学领域中都得到了应用。如何更好地设计多媒体课程以提高学生的学习效率以及学习成绩也日益受到关注。

除了传统教学中常见的管理认知负荷的方式以外，梅耶从多媒体教学设计的实证研究成果出发提出了优化多媒体教学设计，帮助学生提高学习成效的多个原则。这些原则更关注多媒体教学的特点，并且十分重视对认知负荷的有效管理。在多媒体教学设计中，以下的一些原则强调了如何依据学习者特征和学习内容来降低学习者在多媒体学习中的额外认知负荷。

2.1 线索原则

多媒体教学设计中线索的呈现形式包括言语线索和视觉线索两种类型[16]。语言线索主要包括标题、大纲等学习支架；视觉线索则体现为一些标记上的提示，例如将学习重点以下划线、不同的颜色、高亮等形式标出。多媒体的线索类似于前文提到的传统学习教材上的文本结构标记，只是这些线索标记是在更具有视觉丰富性和动态性的多媒体教学材料中呈现的。线索能够帮助学生调整有限的认知资源，实现对知识的选择、组织和整合三个功能[17]，能够减轻学习者的外在认知负荷。国内学者进行了一项关于线索对多媒体学习的作用的元分析，结果显示：从总体而言，线索能够促进学生在多媒体学习中的保持和迁移测试成绩。在保持测验和迁移测验上，相较于动态性知识和程序性知识，线索在学习静态性知识和陈述性知识上所发挥的作用更为突出[18]。因此，在多媒体学习中，为学习者提供一些线索式的学习支架具有积极作用，特别是当学习材料为静态性或陈述性知识时。

2.2 空间邻近性原则

在多媒体教学设计中，通常会给相应的文字提供一些配图或解说图示以帮助学习者更好地理解并掌握知识内容。因此在多媒体教学设计中，研究者在实证研究的基础上提出了空间临近效应，认为不管是在书本还是在视频、动画等多媒体教材上，为学习内容搭配相关的配图或解说图示等支架时，要将其放置在临近其所对应的文字上，减少学习者用于视觉搜索所需付出的认知努力，更好地实现图文整合[19-20]。因此，教师在设计多媒体课件或制作教学PPT时，要尽可能将配图与知识点放置在同一页的临近位置。空间邻近性原则有其边界条件，该原则对于低先验知识学习者、非冗余性的文本和图片、复杂的课程以及交互呈现的模式而言是最强的。

2.3 声音解说的同步性原则

多媒体教学的一个优势是可以实现视听同步的双通道加工，在呈现学习内容的同时，配以对应的声音解说，作为一种学习支架更有利于帮助学生掌握和理解知识，且不会导致过高的外在认知负荷。关于声音解说优势的研究也证实，在多媒体教学中，为画面加入声音解说要比给画面加入文字解说更能够帮助学习者识记和理解学习材料[21]。可见，学习支架虽然有其优势，但也要根据学习内容和情境去选择合适的支架类型。

3 基于提取练习的教学情境中管理学生认知负荷的方法

基于提取练习的教学策略是依据提取练习效应提出的。提取练习效应发现在学习完知识后，相较于继续重学，在同等的时间里采用重复测试的方式进行学习更有利于巩固对知识的长时记忆[22]。这一教学策略与基于编码的教学策略的最大不同是，将测试作为一种学习策略向学生推广并采用测试的方式帮助学生掌握知识。

依据提取练习的必要难度理论和提取努力假说，在引导学生使用提取练习策略时，适当提高提取难度，例如以自由回忆的方式代替线索回忆，更能够提高学生的学习成绩[23]。这是因为在提取练习的过程中，提取难度较大时，学生会投入更多的认知资源用于回忆知识，能够增加提取练习时的相关认知负荷，在提取过程中不断更新关于信息的情境背景信息，依靠自身的提取加工为后来的回忆提供了丰富的提取线索，形成了长时记忆。

在小学生的提取练习教学中，则应该适当地为学生提供一些提取支持和引导[24]。这是因为小学生的认知发展尚未成熟，提取难度过大容易导致小学生提取失败，因此在小学生的提取练习中则不能过度强调增加提取难度和相关认知负荷。

4 总结与展望

通过对不同教学情境和不同学习方式下管理学生认知负荷的方法以及需要注意的边界条件的梳理，能够发现无论是在传统教学、多媒体教学还是基于提取练习的教学中，认知负荷与学生的学习效率、长时记忆和学习成绩都有十分密切的关系。教师在教学中应该因材施教，在不同的教学情境中利用能够有效管理认知负荷的教学方法，重视学习者特征、材料难度等的影响因素在其中的作用，对教学方式进行调整，帮助学生管理认知负荷，在减轻学生的外在认知负荷的同时，也要合理利用好学生的必要认知负荷的作用。

未来研究应该进一步厘清与认知负荷有关的调节变量，例如应该进一步明确不同认知阶段的学习者、不同类型的知识、不同的教学背景等因素对学生的认知负荷有哪些具体要求。也可以利用实证研究和元分析来进一步检验相关边界条件与不同的认知负荷水平如何共同影响学生的学习成绩。