教科书的认知负荷类型初步探索

王小明 许志毅 白旸 寇延臣

摘   要：在教科书学习过程中，教科书中呈现的内容会给学生容量有限的工作记忆施加一定的认知负荷，教科书的这类认知负荷是评价教科书质量的一个重要指标。该研究采用问卷调查的方法来探索教科书认知负荷的类型。首先依据认知负荷的理论阐释，编制教科书认知负荷问卷，而后施测于四年级学生数学教科书的学习和八年级学生物理教科书的学习。对施测结果的因素分析表明，在教科书学习情境中，在未受过认知负荷理论培训的条件下，学生学习教科书时体验到的认知负荷可以区分出被动认知负荷和主动认知负荷两种类型，学生的元认知发展水平对用问卷法测查出的教科书认知负荷的可靠性有一定影响。

关键词：教科书的认知负荷；被动认知负荷；主动认知负荷；元认知

一、问题的提出

教科书是学生在学校进行学习活动和发展核心素养的重要依托，教科书质量的重要性不言而喻，因而对教科书质量所进行的科学评价，不仅是课程实施监测的主要方面，也是确保核心素养得以落地的重要保证。目前有关教科书质量的评价，以相关专家和研究者在教科书实际使用情境之外进行的评价居多1，依据教科书的重要用户——学生——学习和使用教科书的体验来进行的教科书评价很少23，这不利于从多个角度全面地评价教科书的质量。因而，通过收集学生使用教科书的相关调查分析来对教科书质量进行评价，不仅是完善教科书评价的客观要求，也是提升教科书编写水平与使用效果的重要推手。

根据当代心理学的研究，学生在阅读教科书时，对教科书呈现内容的处理是在其工作记忆中有意识地进行的，而工作记忆能同时加工信息的数量以及暂存信息的时间都是有一定限制的。当教科书中大量信息通过阅读不断进入学生的工作记忆中进行处理时，加工和暂存信息均受限制的工作记忆就会承受一定的负荷。当这种负荷较重时，学生就无法完成对大量信息的有效处理，学习效果也会受到削弱，学生的学习体验通常表现为“脑子不够用”“脑子转不过弯”等。我们把学生学习教科书时体验到的这种负荷称之为教科书的认知负荷。教科书的认知负荷是从学生立场评价教科书质量的一个重要指标，评价结果关于判断教科书的内容及其呈现方式，对学生学习的适切性有着重要意义。

研究者对认知负荷这一概念进行了深入探讨，提出认知负荷是一个多维概念，因其来源不同可分为不同类型。目前，共有三种比较流行的认知负荷分类。第一种分类主张区分出三种类型的认知负荷，分别是内部、外部和相关认知负荷。1 内部认知负荷是由学习材料的复杂性而施加给学习者的认知负荷，如对于高中生来说，记忆某课的英语单词这一学习任务较为简单，而理解地球上气压带、风带的形成原因则非常复杂，这两种学习任务会给学习者施加轻重不同的认知负荷，这种完全由学习材料的复杂性而施加给学习者的认知负荷就属于内部认知负荷。外部认知负荷通常是由不良的或未予优化的教学设计所施加的认知负荷，如教师在呈现新知识的同时，还附带了大量与新知识无关的文字、图片、视频等内容。对这些无关的内容，学生也需要在其容量有限的工作记忆中进行加工，因加工这些无关内容而给学生施加的认知负荷就是外部认知负荷，外部认知负荷可通过优化教学来降低或消除。相关认知负荷是指学生为厘清学习的内容而主动执行一些加工信息的活动给其工作记忆施加的负荷，如学生在学习过程中主动探求几条新知识之间内在联系、学生主动采用精加工策略来更好地记忆相关事实等，这些活动给学生施加的就是相关认知负荷，可见，相关认知负荷对学生的学习有促进作用。

对认知负荷的另外两种分类都是在第一种分类基础上提出的。第二种分类主张仅区分出内部和外部，没有必要增加相关认知负荷，因为相关认知负荷不过是学习者将有限的工作记忆容量用于加工新学习的内容而已，可以将其隶属于内部认知负荷。2 第三种分类主张区分两类认知负荷：被动和主动。前者是指将学习材料、学习任务施加给学习者的认知负荷，学习者是在被动接受的情况下体验到的；后者是指学习者因主动引发的学习活动而给自己施加的认知负荷。

认知负荷的上述三种分类法都有各自的理论逻辑和一定的研究依据。那么，在学生学习教科书的情境中，学生体验到的认知负荷具体涉及哪些认知负荷类型？用上述认知负荷分类的哪种框架描述比较合适？对这一问题的探索，不仅有助于采用更细致的指标来评价教科书的认知负荷，也有助于认知负荷本质与类型的理论探讨。

二、研究的设计与实施

研究者在研究认知负荷类型时，主要采用实验研究和问卷调查的方法来收集相关证据。在实验研究中，主要通过控制学习材料的内容来改变学习材料的内部或外部认知负荷，而后观察学习者的学习表现及其报告的学习体验来获得认知负荷具体类型的信息。问卷调查则依据对认知负荷类型的理论描述，结合学生学习的具体任务，设计针对不同类型认知负荷的题目，而后对学生施测，通常采用因素分析、结构方程等方法处理施测结果后获得认知负荷类型的证据。由于认知负荷主要涉及学习者的学习体验，因而问卷调查的方法更为常用。为探讨学生学习教科书时体验到的认知负荷的具体类型，本研究采用问卷调查的方法进行探索，首先编制教科书认知负荷的问卷，而后对刚学习完教科书的学生施测，对问卷结果进行因素分析和信度检验，根据提取出的因素数目来对教科书认知负荷的类型做出相对可靠的回答。

1.教科书认知负荷问卷的编制

教科书认知负荷问卷是用来探索学校教育情境中学生学习教科书时体验到的认知负荷类型的，学生主要是指小学生和中学生；教科书主要是指中小学各门学科的教科书。由于本研究是初步探索，因而在学生和教科书的选取上兼顾代表性和经济性。在教科书的选取上，考虑到数学、物理、化学这些理科性质的学科内容复杂，基础不同的学生也易于体验到轻重不同的认知负荷，这些特征很符合认知负荷理论擅长解释复杂内容学习的特点3，因此我们决定选取数学和物理两门学科的教科书进行研究；在学生的选取上，考虑到书面问卷对学生语言理解能力有一定要求，而且将来要施测于不同年段的学生，因而我们决定选取四年级和八年级学生来开展调查。结合中小学课程开设的实际情况，最终确定调查四年级学生学习数学教科书和八年级学生学习物理教科书的情况，来探讨教科书认知负荷的类型。

根据认知负荷三种分类框架之间的逻辑关系，我们从第一种分类对内部、外部与相关认知负荷的理论描述出发，参考国内外有关认知负荷的问卷题目，结合我国义务教育阶段教科书的内容、编排体例及学生使用教科书的情况，编拟教科书认知负荷问卷的题目。首先根据上述要求，初拟11道题目，其中，旨在测量内部认知负荷的有4道，旨在测量外部认知负荷的有4道，旨在测量相关认知负荷的有3道。

其次，邀请专家对初步拟定的问卷题目的内容效度做出判断。评价专家既要具备有关认知负荷类型的知识，又要熟悉义务教育教科书。根据上述标准，选择三位专家参与对题目内容效度的评价。专家当面研讨，直至形成一致意见为止。最终，专家在题项“书上的插图或表格对我理解书上的文字内容帮助很大”上存在争议，经协商讨论，将其测量的认知负荷类型由外部认知负荷调整为相关认知负荷。

最后，抽取目标学生进行问卷题目的试测与访谈，以尽可能地确保学生准确理解问卷题目的含义。根据问卷题目的内容，学生需要有学习教科书的体验，因而有必要先确定试测和访谈的时机。认知负荷的研究发现，学习者的认知负荷受其原有知识的影响较大，对同样的内容，原有知识丰富的学习者体验到的认知负荷相对较轻，原有知识贫乏的学习者体验到的认知负荷相对较重。在实际的学习情境中，原有知识对学生认知负荷的影响体现为：早已学过教科书上相应内容的学生与初次学习的学生相比，两者体验到的认知负荷可能不同。我们认为，测查学生按正常教学进度初次学习教科书时体验到的认知负荷更有意义和价值，因而试测（包括接下来的正式施测）的时机需要在学生初次学习教科书相关内容之后进行。为此，根据本研究选定的研究对象，抽取5名小学四年级学生和4名八年级学生为试测对象，先安排其预习正常教学进度下教科书中的相应内容，预习结束后逐一呈现问卷题目，先要求学生判断自己是否理解该题目，再要求学生用自己的话复述题目内容或举例说明问卷题目。访谈结果表明，对于旨在测量内部认知负荷的题项“我在预习时脑子里要同时想着许多内容”，受访的四年级学生难以理解，结合任课教师和专家的建议，将该题目修改为“预习书上的内容时我经常有脑子转不过弯的感觉”，受访学生均能正确理解。于是最终的教科书认知负荷问卷由11道题目组成，其中，第1、4、5、9题旨在测量内部认知负荷，第7、8、10题旨在测量外部认知负荷，第2、3、6、11题旨在测量相关认知负荷，各题均采用李克特7点量表计分。

2.教科书认知负荷问卷的施测过程与结果

问卷施测前要求学生按正常教学进度预习教科书上的相关内容，预习结束后发放教科书认知负荷问卷，报告自己的预习感受。为防止学生跳过预习而直接作答问卷的倾向，在问卷结束时要求学生写下预习过程中不理解的、需要教师解答的问题。收齐学生的问卷后，利用SPSS 22软件对数据进行因素分析和信度检验。

（1）四年级学生学习数学教科书的施测结果分析

以上海市某小学四年级164名学生为施测对象，其中男生82人，女生82人，学生平均年龄10.29岁，标准差0.61岁。学生预习的数学教科书内容为“解决问题（2）”共4页内容。发放问卷164份，有效回收164份，有效问卷率100%。采用主成分分析法进行探索性因素分析。取样充分性度量KMO=0.777，巴特利特球形检验χ2=331.14，df=55，p<0.001，说明数据适合进行因素分析。采用最大方差法进行旋转，对旋转后的因素载荷依据特征根≥1的原则并参考碎石图进行因素提取，共提取出两个因素，两个因素能解释42.7%的总方差。两个因素在问卷各题目上的载荷，见表1。

从表1可以看出，因素1在题目1、4、5、7、8、9、11上的载荷较大，说明这5道题目有较强相关性，可归为一类，结合这5道题目的内容，可将其命名为教科书施加的认知负荷，与被动认知负荷的含义接近；因素2在题目2、3、6上的载荷较大，说明这三道题目相关较强，结合题目内容，可将该因素命名为学生引发的认知负荷，与主动认知负荷的含义接近。提取出的两个因素在问卷的第10题“书上我喜欢看的地方常常不是要学习的内容”上具有接近载荷且载荷均未超过0.5，可以考虑删除该题。1 而后对两组题目各自组成的分问卷及整个问卷进行信度检验，因素1包含的7道题目的克隆巴赫α系数为0.76，为较好的信度；因素2包含的3道题目的克隆巴赫α系数为0.37，信度欠佳；整个问卷的克隆巴赫α系数为0.58，有些偏低。

（2）八年级学生预习物理教科书的施测结果分析

选取山东省济南市某中学266名八年级学生为施测对象，其中男生130名，女生136名，学生平均年龄13.72岁，标准差0.54岁。学生预习的教科书内容为八年级物理教科书第十章第三节“做功了吗”，共计4页内容。共发放问卷266份，回收266份，剔除无效问卷18份，有效问卷率93.2%。采用主成分分析法进行探索性因素分析。取样充分性度量KMO=0.853，巴特利特球形检验χ2=1009.9，df=55，p<0.001，说明数据适合进行因素分析。采用最大方差法进行旋转，对旋转后的因素载荷依据特征根≥1的原则并参考碎石图进行因素提取，共提取出两个因素，两个因素能解释54.2%的总方差，两个因素在问卷各题目上的载荷，见表2。

根据表2呈现的结果，因素1在第1、4、5、7、8、9、10、11题上载荷超过0.5，这八道题目的含义都是关于教科书内容对学生工作记忆的影响，可将其命名为教科书施加的认知负荷，与被动认知负荷的含义相近；因素2在第2、3、6道题上载荷较大，这三道题目均涉及学生学习教科书中的主动付出，可将其命名为学生施加的认知负荷，与主动认知负荷的含义相近。对两组题目各自组成的分问卷及整个问卷进行信度检验，发现因素1包含的8道题目的克隆巴赫α系数为0.87，信度较高；因素2包含的3道题目的克隆巴赫α系数为0.51，信度偏低；整个问卷的克隆巴赫α系数为0.73。和四年级的施测结果相比，所提取的两个因素除了在第10题上的因素载荷模式不同外，在其他各题上的因素载荷模式完全一样，因素提取的结果与四年级的结果基本一致，而且，八年级施测结果的信度也较四年级有了明显提高。

（3）八年级学生学习物理教科书的再测结果分析

对两次问卷调查的因素分析结果加以比较后发现，虽然问卷设计最初旨在测量内部、外部和相关认知负荷三种类型，但因素分析的结果只能提取出两个因素，对两个因素含义的解释支持主动认知负荷与被动认知负荷的分类法。按三类认知负荷类型拟定的问卷题目，除去第10题因在四年级数学教科书学习上施测后的因素载荷未达到0.5而被删除外，其余各题在两个年级、两门学科教科书学习上的施测结果类似，应当予以保留。用来测量被动认知负荷的分问卷信度达到较高或很高的水平，用来测量主动认知负荷的分问卷信度欠佳或偏低。导致主动认知负荷分问卷信度不理想的一个可能原因是题项数过少。测量被动认知负荷的分问卷由7道题目构成，测量主动认知负荷的分问卷由3道题目构成。由于题项数会影响问卷的信度，因而主动认知负荷分问卷的信度不如被动认知负荷分问卷的信度高就可以理解了。另外，问卷中一些题目的语言表述不够清晰，如问卷题目中使用的“一些”“经常”等词语，会给学生在7点李克特量表上进行判断时带来更多的不确定性，从而也有可能拉低问卷的信度。

根据上述分析，要进一步完善教科书的认知负荷问卷，需增加旨在测量主动认知负荷的题数，同时还需修改问卷题目的语言表述，使之更为清晰明确，尽可能降低学生判断时的不确定性。此外，教科书的认知负荷问卷如果要经常施测于学生的教科书学习的话，题数过少固然会影响问卷信度，但题数过多又可能增加学生负担，因而需要探索合适的问卷题数，使问卷既有良好的信度，又不加重学生负担。为此，对被动认知负荷和主动认知负荷尝试各采用4道题目来进行测量。在对问卷题目的用词用语进行完善、使题意更为清楚的基础上，参考国际上流行的认知负荷问卷中相关认知负荷的题目，增加了一条旨在测量主动认知负荷的题目（“本次预习活动增进了我对预习内容的理解”），以提高主动认知负荷分问卷的信度。最终调整后的认知负荷问卷由8题组成，其中1、3、5、7题旨在测量被动认知负荷，2、4、6、8题旨在测量主动认知负荷。

对修改后的教科书认知负荷问卷进行验证性因素分析。以上海市某中学八年级72名学生为施测对象，其中男生45名，女生27名，学生平均年龄13.83岁，标准差0.48岁。预习内容为八年级物理下册“大气压强”一节内容（共4页），发放问卷72份，有效回收72份，问卷有效率100%。采用主成分分析法进行验证性因素分析。取样充分性度量KMO=0.743，巴特利特球形检验χ2=244.13，df=28，p<0.001，说明数据适合进行因素分析。采用最大方差法进行旋转，对旋转后的因素载荷依据特征根≥1的原则并参考碎石图进行因素提取，共提取出两个因素，两个因素能解释65.4%的总方差。两个因素在问卷各题目上的载荷，见表3。

结果进一步支持了教科书认知负荷的主动与被动认知负荷分类：因素1在旨在测量被动认知负荷的第1、3、5、7题上载荷较大；因素2在旨在测量主动认知负荷的第2、4、6、8题上载荷较大。此外，被动认知负荷分问卷的分半信度系数为0.90，主动认知负荷分问卷的分半信度系数为0.72，整个问卷的分半信度系数为0.83，两个因素之间的相关也很弱（r=-0.17，p>0.05），表明两个分问卷各自测量的因素之间相互独立，从而为教科书的两类认知负荷分类提供了有力支持。

三、结论与讨论

采用问卷调查的方法，对不同年级学生学习不同学科教科书的认知负荷进行了三轮施测，结合施测结果，可以对教科书的认知负荷的类型进行探讨。

首先，可以将教科书的认知负荷分为被动和主动两类。虽然本研究的出发点是将教科书的认知负荷分为三类，但在教科书学习的情境下，学生体验到的认知负荷包括来自教科书中相关内容所施加的被动认知负荷，以及来自学习者自己施加的主动认知负荷。不过不能用这一发现来简单地否定认知负荷的内部、外部和相关认知负荷三分类法。一方面，有一些研究采用三类认知负荷的概念框架编制认知负荷问卷并进行施测，从施测结果中提取对应三类认知负荷的三个因素，给该分类法提供了一定的支持；另一方面，本研究的情境与这类研究的情境有所不同。在测出三类认知负荷的研究中，学习的情境通常是典型的教学情境：有学习者自己、有学习者要学习的材料、有专门为学习者讲授相关内容的教员，而且相应的认知负荷问卷题目也分别针对学习材料、教员的教学以及学习者的学习收获来设计。1 本研究中的学习情境仅有要学习的材料（教科书上的预习内容）和学生自己的学习感受，缺乏明确的教师教学。在这种学习情境下，学生仅获得学习材料和学习者自己两方面的提示，这可能是本研究三轮施测均只能提取出分别对应于教科书内容和学习者两个因素的重要原因。这就是说，采用问卷的方法，学习者能识别出的认知负荷类型是两类还是三类，其中，学习情境的特点可能起重要影响作用。

其次，用问卷测量出学生学习教科书时的两类认知负荷，是在学生不具备有关认知负荷专业知识的情况下实现的。认知负荷理论的创始者斯威勒（John Sweller）认为，由于学习者不具备认知负荷的专业知识，他们不大可能区分出不同类型的认知负荷，因而他对于用问卷法能测量出不同类型的认知负荷持悲观态度。2 不过近年来的一些研究为问卷法测量认知负荷类型带来了一些希望。一方面，有研究者探索了事先教给学习者认知负荷专业知识的情况下，问卷法能否测量到认知负荷的类型。这方面的初步研究表明，受过认知负荷训练的学习者在完成相应的学习活动后，能在认知负荷问卷上较好地体现出识别内部、外部与相关认知负荷的反应。3 另一方面，有研究者探索了事先不对学习者进行认知负荷专业知识教学的情况下，问卷法能否测量到不同类型的认知负荷，如上所述，这方面的研究获得了肯定的证据。我们的研究也对此给予有限支持。研究中参与施测的学生均为义务教育阶段的学生，认知负荷及其类型的概念不会在其学校学习活动中习得，事先我们也没有对他们进行认知负荷知识的教学，因而我们所调查的学生在完成问卷前不具备有关认知负荷的专业知识。在这种情况下，教科书认知负荷问卷测量的结果表明，学生能识别出被动认知负荷和主动认知负荷这两种类型。但我们问卷设计的初衷是测量出学生对三类认知负荷的区分，学生的实际反应则表明他们未能区分出内部与外部认知负荷。究其原因，可能在于问卷题目没有明确有效地指向教科书学习情境中的内部与外部认知负荷线索；也可能在于学生事先没有习得内部与外部认知负荷的相关知识；还有可能确实如斯威勒所言，在问卷情境下学习者不大可能区分出内部与外部认知负荷。1 具体是哪一种可能，还需要进一步的研究来回答，因此，我们的调查结果目前还不能完全支持问卷法可测量出认知负荷类型的观点。

第三，通过自陈问卷收集教科书认知负荷资料的稳定性，一定程度上受学生元认知发展水平的影响。调查表明，以这种方式收集的教科书认知负荷的部分资料信度不够理想，对于学生自己施加的主动认知负荷而言尤其如此。导致这一结果的原因与主动认知负荷的题数较少和题目语言表述不够明晰有一定关系，增加题数和完善题目用语后，相应的信度得到了明显提高，达到了较好的信度水平。但比较不同年级的施测结果，同样的题目组，在四年级学生那里得到的信度系数明显低于八年级学生，这不可能用题数和题目用语这些因素来予以充分解释，可能还需要考虑不同年级学生元认知发展水平的差异。完成教科书认知负荷问卷所需要的学生回顾、反思自己的学习过程与学习感受的活动，是典型的元认知活动。不同年龄段的学生元认知发展水平不一致。2 四年级学生的元认知发展水平总体上不如八年级学生，这在一定程度可以解释为何四年级学生问卷结果的信度较八年级学生偏低。同时，这一解释也提示我们，应谨慎对待用问卷获得的低年级学生的教科书认知负荷资料。综合教科书认知负荷的多方面、多指标资料，有助于对学生的教科书认知负荷情况做出更为综合和全面的判断。

A Preliminary Study on the Types of Cognitive Load of Textbooks

WANG Xiaoming1，XU Zhiyi2，BAI Yang3，KOU Yanchen4

（1.Institute of Curriculum and Instruction，East China Normal University，Shanghai，200062；2.Guhua Primary School of Fengxian District，Shanghai，201499；3.Meilong Middle School of Putuo District，Shanghai，200333；4.Experimental Middle School of Licheng District，Jinan Shandong，250199）

Abstract： In the process of textbook learning，the content presented in textbooks impose a certain cognitive load on studentsworking memory with limited capacity，and this type of cognitive load is an important indicator for evaluating the quality of textbooks. This study uses a questionnaire to explore the types of cognitive load of textbooks. Firstly，a textbook cognitive load questionnaire was developed based on the theoretical interpretation of cognitive load. And then administered to fourth-grade students studying math textbooks and eighth-grade students studying physics textbooks. Factor analysis of the test results shows that in the context of textbook learning，without training in the theory of cognitive load，the cognitive load experienced by students when learning from textbooks can be classified into two types：passive cognitive load and active cognitive load. The level of studentsmetacognitive development has a certain impact on the reliability of the cognitive load of textbook measured by the questionnaire method.

Key words： cognitive load of textbooks，passive cognitive load，active cognitive load，metacognition