数字化学习环境对认知负荷的影响分析

方文杰　张超超

摘要：认知负荷对学习效果有重要影响，适当的认知负荷水平是保证数字化学习环境下有效学习的关键，对数字化环境下认知负荷影响因素的有效控制是在数字化环境下进行教学设计的重要依据。结合数字化环境的特征对认知负荷的影响分析，找出减轻认知负荷的策略。

关键词关键词：认知负荷；数字化学习环境；认知负担

DOIDOI：10.11907/rjdk.143841

中图分类号：G434

文献标识码：A文章编号

文章编号：16727800（2015）002019703

作者简介作者简介：方文杰（1987-），男，湖北黄梅人，浙江师范大学教师教育学院硕士研究生，研究方向为数字化学习资源与环境设计和开发；张超超（1990—）， 男，河南焦作人， 浙江师范大学教师教育学院硕士研究生，研究方向为现代远程教育。

0引言

数字化学习环境具有与传统学习环境完全不同的特征。数字化学习环境是基于计算机和网络环境，具有多媒体呈现、虚拟化、超链接、运算速度快、海量资源等特征。在数字化学习环境下学习者要处理的信息量变得更大也更复杂。然而由认知负荷理论可知，信息加工的容量是有限的。分析数字化学习环境中影响认知负荷水平的因素，使学习者的认知负荷保持在适当水平，对促进学习者的学习具有积极意义。

1认知负荷理论

认知负荷理论有以下几个观点：①人的记忆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，但其容量有限，只能储存7±2个信息单元。工作记忆保存信息的时间也很短，如果没有进一步加工进入长时记忆，就会被遗忘。数字化学习环境下的学习要利用这一特性，使学习信息的容量不超过工作记忆加工的容量＼[1＼]；②长时记忆是信息储存的主要场所，长时记忆的容量被认为是无限的。认知负荷理论认为，工作记忆在容量和时间上的限制是针对新信息而言的，长时记忆中组块的加工不受这种限制＼[2＼]；③认知加工分两类：控制加工和自动加工。控制加工是有意识的加工过程，加工速度慢，并且需要占用注意资源。自动加工则是快速、自动的加工过程，不需要占用注意资源；④长时记忆呈模块化。在长时记忆中存在以图式存储的信息元素，图式建构可以将各元素组织成一个整体。图式是知识表征的基本单位，在加工过程中仅算作一个单元＼[3＼]。

2认知负荷分类

根据影响认知负荷的基本因素，可以将个体的认知负荷分为内在认知负荷（Intrinsic Cognitive Load）、外在认知负荷（Extraneous Cognitive Load）和关联认知负荷（Germane Cognitive Load）共3类。

内在认知负荷是学习内容本身带来的负荷，内在认知负荷的高低取决于学习内容的复杂程度和学习者已有经验水平。学习内容越复杂，工作记忆需要处理的信息单元就越多。如果学习者的已有经验能够对部分内容形成自动加工，那么这部分内容就被视作一个信息单元，这也有利于降低内在认知负荷。但是内在认知负荷学习内容反映了工作记忆中加工的信息元素的量，而学习者的已有学习经验也相对稳固，因此在既定学习条件下内在认知负荷较难改变＼[4＼]。

外在认知负荷是指由教学设计方式所带来的认知负荷。这种负荷干扰图式的获得和自动化是不必要的，因此被称为无效认知负荷。外在认知负荷主要由两方面引起：①学习材料的呈现方式引起工作记忆偏离形成图式；②教学活动设计不合理导致工作记忆产生不必要的认知。例如，不恰当的提问可能使学习者偏离当前学习主题。由于学习材料的呈现方式和教学活动设计都能够改变，因此外在认知负荷可以控制。降低外在认知负荷是认知负荷理论应用的一个重要方面＼[5＼]。

关联认知负荷是指在内在认知负荷较低、学习者还有足够认知资源的情况下，其在图式建构和自动化过程中意欲投入的认知资源的数量。关联认知负荷并非必需，但其有利于图式建构，与学习者的认知努力有关。关联认知负荷也与教学设计有关，良好的教学设计能够增加学习者的关联认知负荷，使其投入更多认知资源进行深层次的图式建构，从而提升学习质量＼[6＼]。

3三种认知负荷的关系

认知负荷理论认为上述3种认知负荷可以累加，累加总和不应超出工作记忆的容量限度，否则就会使学习陷入困难。内在认知负荷取决于学习材料的性质和学习者的原有知识水平，因此内在认知负荷相对固定。认知负荷调控学习的重点应放在降低外在认知负荷或增加关联认知负荷上。外在认知负荷是一种无效负荷，应尽可能地降低。在内在认知负荷和外在认知负荷总和没有超过工作记忆容量，还有认知资源剩余的情况下可以增加关联认知负荷来促进学习＼[5＼]。

4数字化学习环境对认知负荷的影响

4.1计算机存储功能对认知负荷的影响

计算机存储功能对认知负荷的影响主要表现如下：

（1）用电子笔记本等工具帮助记忆。认知负荷理论认为，工作记忆是信息加工的主要场所，但其容量有限，并且保存信息的时间也很短，如果没有进一步加工进入长时记忆就会被遗忘。现代计算机的信息加工过程与人脑的信息加工过程非常类似，但计算机拥有海量的存储空间。计算机的海量存储空间可以起到“外在长时记忆”的效果。通过电子笔记本等工具可以很方便地保存学习者的想法或感兴趣的资料，把这些内容放在“外在长时记忆”里，需要时找到它们即可调用。这样扩张了长时记忆，减轻了工作记忆的压力，同时可以将存储的知识可视化，使学习者专注于高级认知活动。

（2）利用“知识地图”减轻信息提取的负担。计算机的海量存储为帮助学习者记忆信息带来了巨大空间，但在存储的海量信息中寻找所需信息却并不容易。因此，可以发挥计算机的记忆优势，将有关知识路径的记忆工作转移到计算机上，以此减轻寻找所需信息带来的认知负荷。可构建“知识地图”，将相关资源以结构化的形式组织起来，通过“知识地图”可以呈现出所有资源的概貌，体现出层级结构和各层次之间的关系。“知识地图”可以帮助学习者快速找到所需资源的路径，减轻外在认知负荷＼[7＼]。

4.2计算机运算能力对认知负荷的影响

计算机运算能力对认知负荷的影响主要表现如下：

（1）用计算器、编程等工具帮助解决计算问题。计算机虽然只能识别简单的二进制0和1，但是现代计算机的运算速度已经快到惊人。通过0与1的组合及强大的运算能力，计算机对于很多通过计算完成的任务可瞬间得出结果。例如在数学计算中只需要掌握计算的算法，而将具体的数据运算交由计算机来完成，能够节省宝贵的认知资源，使学习者有更多精力去完成机器无法替代的复杂认知活动。

（2）用排序、搜索功能快速查找信息。对数字化信息的操作能产生许多被记录的属性信息，例如新建一个文件，计算机会自动记录其创建时间、大小、类别等属性。通过计算机的强大运算能力，可以对这些信息进行排序、筛选，从而帮助学习者快速找到符合要求的信息。数字化信息都遵循一定的标准，可以被计算机识别、运算，结合计算机的运算能力，产生了数字化环境下的搜索功能，这些都是传统纸质材料无法做到的。排序、搜索等功能有助于学习者快速找到所需信息，避免在查找信息上消耗过多的认知资源。

4.3计算机呈现方式对认知负荷的影响

计算机呈现方式对认知负荷的影响主要表现如下：

（1）综合利用多种呈现方式。双重编码理论认为，人的认知系统分为处理语言对象的子系统和处理非语言对象的子系统。如果只使用一种呈现方式，可能只用到部分工作记忆，使其它一些有效工作记忆处于空闲状态。而综合利用多种呈现方式，可以增加工作记忆的使用量，提高学习效果。例如在讲解汽车构造时，一种只以文本方式呈现相关内容，另一种则以文本加相应图片的方式呈现。这两种呈现方式中，很显然后一种呈现方式效果更好＼[8＼]。

（2）呈现信息应避免信息冗余。工作记忆的容量仅为7±2个信息单元，超过这个数量就可能导致学习困难。每个学习单元不应呈现过多内容，一些有趣但与学习内容无关的内容应尽量避免。学习中呈现过多冗余信息会使学习者将这些信息同时进行加工，增加外在认知负荷。在呈现学习内容时，如果发现某些信息是冗余的，应尽量去除掉，避免增加学习者的负担＼[9＼]。

4.4计算机网络化对认知负荷的影响

计算机网络化对认知负荷的影响主要表现如下：

（1）信息的丰富性可能消耗有限的注意力。在网络环境中学习者可以获得几乎无限的信息量，但是人的认知资源却十分有限。网络环境下，学习者自主性更大，教师缺乏传统环境中的那种约束力，学习者经常会遇到自己感兴趣但与学习主题无关的内容，使得为学习付出努力的方向发生偏移，有限的认知资源被与学习主题无关的内容占用，从而增加了认知负荷＼[10＼]。激发学习动机可以使学习者将有限的注意力资源集中到学习主题中来，使学习者愿意为学习付出更多努力。学习动机激发策略可以通过将学习内容与学习者的生活实际相结合，以及建立合理的奖励机制来给予外部奖励来实现。

（2）网络的开放性有助于构建学习共同体。网络的开放性为学习者在网络环境中的交流与共享提供了很好的平台，学习者通过构建学习共同体能够增进交流，从中获得启发和灵感。共同体中成员的相互交流可以起到帮助同伴减轻外在认知负荷的效果，同时，成员在交流中可以获得思考问题的不同视角，拓展解决问题的思路。这能够在一定程度上提高关联认知负荷，在总体认知负荷不超过工作记忆容量的前提下提高学习效果。共同体内的交流可以促进学习者的反思，帮助学习者进行元认知，减轻认知负荷。

5结语

数字化学习环境下的一些特征对认知负荷的影响非常明显。计算机的信息加工过程与人脑信息加工相似，同时具有海量存储和超强的运算能力，在辅助学习者学习，减轻认知负荷方面有诸多可取之处。但数字化学习环境下的认知负荷问题也很突出，如信息量巨大、超链接显示方式等都可能加重学习者的认知负担。只有了解数字化学习环境对认知负荷的影响，才能扬长避短，更好地发挥数字化学习环境的优势，提高数字化学习环境下的学习效果。

参考文献参考文献：

＼[1＼]BADDELEY A.Working memory＼[J＼].Science，1992（255）：556559.

＼[2＼]SCHNEIDER W，SHIFFRIN R M.Controlled and automatic human information processing＼[J＼].Psychological Review，1977，84（1）：166.

＼[3＼]CHI M，GLASER R，REES E.Expertise in problem solving＼[J＼].Advances in the Psychology of Human intelligence，1982（3）：775.

＼[4＼]SWELLER J，MERRIENBOER J，PAAS F.Cognitive architecture and instructional design＼[J＼].Educational Psychology Review，1998，10（3）：251296.

＼[5＼]PAAS F， RENKL A，SWELLER J.Cognitive loadtheory and instructional design： recent developments＼[J＼].Educational Psychologist，2003，38（1）：14.

＼[6＼]SWELLER J，MERRIENBOER J，PAAS F.Cognitive architecture and instructional design＼[J＼].Educational Psychology Review，1998，10（3）：251296.

＼[7＼]李红梅，刘宁，李世改.利用概念图减轻远程学习者认知负荷的策略探析＼[J＼].中国远程教育，2007（8）：3134，79.

＼[8＼]丁道群，罗扬眉.认知风格和信息呈现方式对学习者认知负荷的影响＼[J＼].心理学探新，2009（3）：3740，68.

＼[9＼]庞维国.认知负荷理论及其教学涵义＼[J＼].当代教育科学，2011（12）： 2328.

＼[10＼]林刚，陈国江.网络学习环境对认知负荷的影响及对策研究＼[J＼].中国远程教育，2007（8）： 3538.

责任编辑（责任编辑：孙娟）