认知架构与教学设计20年(下)

约翰·斯维勒　杰伦·范梅里恩伯尔　弗雷德·帕斯　李爽　盛群力

摘 要：20世纪80年代，认知负荷理论作为一种教学设计理论被引入我国，它是基于人类认知架构中几个无争议的方面建立的。我们对工作记忆、长时记忆及它们之间关系的许多特征的认识，在引入该理论之前的几十年里已经建立完备。奇怪的是，这些知识对教学设计领域的影响有限，大多数教学设计建议的措施就好像工作记忆和长时记忆不存在一样。与此相反，认知负荷理论强调，所有的新信息首先被容量和时间有限的工作记忆所处理，然后储存在无限的长时记忆中供以后使用。一旦信息被储存在长时记忆中，工作记忆的容量和持续时间限制就会消失，从而改变我们的认知能力。到20世纪90年代末，使用该理论收集到的数据已经足够多，因此，斯维勒等发表了一份扩展分析报告。自那以后，人们进行了大量的理论和实证研究，本文试图总结过去20年的认知负荷理论，并勾勒出未来研究的方向。

关键词：认知负荷理论；理论发展；教学进步

中图分类号：G4文献标志码：A文章编号：2096-0069（2023）01-0085-08

（三）1998年后的教学效应

本节将介绍1998年至2018年间研究和报道的最重要的认知负荷效应。同时，我们将在本节开始讨论“元素交互性效应”，这个效应在1998年之前就已经被发现了，但在1998年的文章中没有作为认知负荷效应提出。之前没有列出元素交互性效应的原因是，它不是一个简单的效应，而是一个所谓的复合效应，即改变了其他认知负荷效应特征的效应。在1998年的文章中，只报道了简单效应。复合效应经常表明其他认知负荷效应的局限性。下面讨论的八个新效应中的四个（不包括元素互动性效应）也被归类为复合效应，并被首先予以讨论。这可以看作是理论成熟的表现，因为这样的理论不仅包括简单效应，还包括限制简单效应范围的高阶效应。

1.元素交互效应

元素交互效应（element interactivity effect）在1998年就已经为人所知，但作为一种复合效应，它并没有被归为认知负荷效应。当使用高元素互动性信息所获得的效应消失或使用低元素互动性材料所获得的效应逆转时，就会发生这种情况。元素互动性可以通过改变专业技能水平来改变，比如在展示专长逆转效应时（见下面的描述），或者可以通过改变材料来包含更高或更低的元素互动性水平。陈（Chen）等的著作中可以找到由于改变学习者必须处理的信息中从高到低的元素互动性而改变教学优势的例子。他们使用高元素交互性的数学材料获得了传统的工作样例效果，在这些材料中，学生必须学会解决问题。相比之下，学生必须学习数学定义的低元素互动性材料则产生了反向的工作样例效应，要求做出适当反应的学生比得到正确反应的学生学得更多。

2.专长逆转效应

专长逆转效应（expertise reversal effect）在本质上是更普遍的元素互动性效应的变种。1998年以前的认知负荷效应可以通过新手学习者处理高元素互动性信息来获得。随着专业知识的增加，由于环境赋能原则，元素互动性会下降。随着专业知识的增加，由多个元素组成的概念和程序可以作为一个单一的元素储存在长时记忆中，并被转移到工作记忆中，以便在适当的环境中使用。为新手设计的处理多个相互影响的元素的教学程序，随着专业知识的增加，相互影响的元素被嵌入长时记忆的知识结构中，可能会产生反作用。因此，随着专业知识的增加，上述效应先是减少，然后消失，并最终可能逆转。例如，工作样例对新手有利。随着知识的增加，解决问题的实践变得越来越重要，而不是产生负面效应。

3.指导消退效应

指导消退效应（guidance-fading effect）是另一种复合效应，它与元素交互效应和专长逆转效应密切相关，而且冗余效应也是其核心。对于新手来说，额外的信息或特定的活动，如研习工作样例，可能是必不可少的，但随着专业知识的增加，这些同样的活动可能会变得多余，并带来不必要的认知负担。过了某个阶段，研习工作样例可能会产生反作用，它们应该被淡化，被问题取代。这个一般原则对持续时间较长的教育项目特别重要，因为在这些项目中，学习者会逐渐获得更多的专业知识。例如，针对一年级学生的教学方法需要与针对三年级学生的教学方法不同，因为三年级学生对该领域有更多的知識。元素交互效应与低元素交互性和高元素交互性材料有关，专长逆转效应与低专业知识学习者和高专业知识学习者相关，而指导消退效应则适用于较长教育项目的开始阶段和结束阶段。指导消退效应的先驱是补全策略，即教育项目从提供工作样例开始，然后是补全问题，学习者必须完成解决方案中越来越重要的部分，最后是常规问题。伦克尔（Renkl）、阿特金森（Atkinson）以及范梅里恩伯尔（Van Merri?nboer）和基尔希纳（Kirschner）等人的著作讨论了指导消退效应的其他例子。

4.瞬态信息效应

瞬态信息效应（transient information effect）是指呈现给学习者但几秒钟后就消失的信息效应，例如，在口语文本或教学视频或动画中对于非瞬态信息（如带有图片的书面文字），所有的信息都可以在同一时间提供给学习者，并且可以在需要的时候重新访问；对于瞬态信息，学习者可能需要在工作记忆中主动保留信息以便以后处理，这就增加了外部认知负荷，从而减少了学习兴趣。为了克服这些负面影响，有一些补偿策略可用，如自我配速或分段。梅耶（Mayer）和钱德勒（Chandler）报告了自定配速的效果，他们发现让学习者控制教学动画的节奏是有益的，可能是因为这有助于他们处理这些信息的瞬时性。斯潘杰斯（Spanjers）报告了分段效应，他们发现对于新手学习者来说，分段的动画（即分段的部分，中间有停顿）比连续的动画更有效率，但对于具有较高先验知识水平的学习者来说则不然。莱西（Leahy）和斯维勒（Sweller）报告了瞬态信息与通道效应的交互作用：较短的视听信息比单纯的视觉信息更有效（即传统的通道效应），但较长的视听信息不如视觉信息有效，这仅仅是因为较长的听觉信息中有丰富的瞬态信息。

5.自我管理效应

最新的效应之一是自我管理效应（self-management effect），它基于这样一个假设，即可以教会学生自己应用认知负荷原则来管理自己的认知负荷。理想情况下，学生只能接触到在设计时考虑到认知负荷的材料。然而，在现实中，互联网使任何人都可以创建和共享信息，这使得学生更有可能面临没有考虑认知负荷的低質量学习材料。可以假设，与那些只接触基于认知负荷原则的一致、结构良好的学习材料的教育体系的学生相比，那些被教导自己应用认知负荷原则来管理自己的认知负荷（认知负荷的自我管理）的学生更有能力处理这些设计糟糕的材料。

到目前为止，自我管理效应只被用于研究分散注意力的学习材料。通常情况下，自我管理效应的研究会比较3个实验条件，并由两个阶段组成。第一阶段，两个实验条件下的学生以注意力分散的形式学习多媒体学习材料。在自我管理条件下，学生被指导如何自我管理认知负荷，例如，通过重新组织文本和图示。在第3个实验条件即物理整合条件下，学生以指导性的物理整合形式学习相同的材料。第二阶段，3个条件下的学生在另一个领域中呈现相同的注意力分散的学习材料，证明自我管理效应的最重要发现体现在自我管理条件下的学生在回忆和迁移测试中的表现优异。

6.自我解释效应

自我解释效应（self-explanation effect）是独立于认知负荷理论而被证明的，但可以由该理论来解释。它源于工作样例效应，在认知负荷理论的背景下，由伦克尔等首次描述。如上所述，学习者并不总是倾向于仔细研习工作样例，他们可能只是在尝试解决常规问题之前简单地扫视一下。在这种情况下，工作样例不会对学习产生积极影响。练习的变异性可能会帮助学习者更深入地处理例子，因为变异性会刺激他们比较不同的例子。但是，这只有在呈现一个以上的例子，并且总的负荷（由于相关的处理而增加）保持在工作记忆的容量限制之内时，才会起作用。另外，当只有一个例子时，我们可以向学习者提供自我解释的提示，以引导做出学习者的复杂的自我解释。一些研究表明，只要总认知负荷不超载，工作样例与自我解释提示相结合，会优于没有自我解释提示的工作样例。

7.想象演练效应

一段时间以来我们都知道，当学习者被要求在脑海中演练一项动作任务时，学习就会得到改善。此外，改善的程度取决于动作任务具有认知成分的程度。这些发现提供了想象演练效应（imagination effect）的最初来源，当学习者被要求想象或在头脑中演练一个概念或过程时，会比被要求学习同等的教学材料时学到更多。例如，学习者可能会被要求学习一个已完成的例子中解决问题的动作，而不是转过身去想象那些动作。许多这样的实验都是在认知负荷理论框架下进行的。为了产生想象演练效果，学习者必须能够想象出相关的概念或程序。他们必须能够处理工作记忆中的信息。由于在处理新信息时工作内存的限制，给定领域的新手可能无法充分处理高元素交互活性信息。对于这样的学习者来说，想象演练可能是困难的，甚至是不可能的。因此，与想象演练相同的信息相比，研究信息会导致增强学习效果。随着知识的增加，工作记忆的极限扩大，想象材料变得越来越可行，因为它可以更容易地在工作记忆中处理。一旦信息可以充分想象，想象指导便会优于学习指导。在那之前，学习指导优于想象指导。

8.孤立元素效应

孤立元素效应（isolated elements effect）主要涉及这样一种情况：在处理新的信息时，一些非常高的元素互动性信息大大超过了工作记忆的限制，因此不能在工作记忆中处理。既然这种复杂的信息可以被习得，那么就提出了使用哪些过程的问题。波洛克（Pollock）等假设，也许单个元素首先被习得，而没有习得它们之间的相互作用。一旦单个元素被储存在长时记忆中，随后通过学习它们之间的相互作用来整合这些元素可能是可行的。如果是这样的话，只向学习者呈现单个元素，然后再呈现包括单个元素和它们之间的相互作用的所有信息的顺序，将优于呈现所有信息两次。他们的研究结果支持这一假设。由于工作记忆负担过重，两次呈现所有信息的学习者都无法正确处理这些信息。相比之下，只呈现孤立元素的学习者可以轻松地处理它们，并将它们储存在长时记忆中。当随后呈现完全整合的信息时，他们只需要学习如何整合单个元素，因此更容易吸收整个高元素互动性的信息。从简单到复杂的排序也提供了类似的效果，学习者首先练习简单的、低元素互动性的任务版本，然后才是越来越复杂的任务版本。

9.集体工作记忆效应

集体工作记忆效应（collective working memory effect）最早是由基尔希纳（Kirschner）等人描述的。他们认为协作学习者可以被视为一个由多个有限的工作记忆组成的单一信息处理系统，可以创造一个更大、更有效的集体工作空间。在协作学习中，不需要所有的小组成员都拥有所有必要的知识，也不需要单独处理所有可用的信息，同时，当面对自己的知识缺口时，他们可以利用小组其他成员提供的知识填补这个缺口（借用）。只要小组成员之间有沟通和协调，任务中的信息元素和由任务的内在性质引起的相关认知负荷就可以在更大的认知能力库中整合。然而，沟通和协调需要团体成员投入额外的认知努力（即交易成本），而这种努力是个人不需要付出的。

基尔希纳（Kirschner）等的研究表明，从施加高或低认知负荷的任务中学习，团体与个人的效率受到在团体成员之间分配信息处理的好处和交易成本之间的权衡影响。更具体地说，他们发现了一种交互效应，表明从施加高认知负荷的任务中学习会导致更有效的协作学习，而从施加低认知负荷的任务中学习则会导致更有效的个人学习。对于施加高负荷的学习任务，个人学习者没有足够的处理能力来成功处理信息。对于合作学习者来说，在彼此之间分配认知负荷的好处被证明是高于交易成本的。因此，学习者能够将释放的认知能力用于促进学习的活动。对于认知负荷较低的学习任务，无论是单独的、还是合作工作的学习者，都有足够的认知能力来自行处理所有信息。因此，个人之间的交流和信息协调是不必要的，并且会导致交易成本高于在合作学习过程中将认知负荷分配给小组成员的好处。因此，当认知负荷较低时，构建知识的质量差异表现为个人学习比协作学习的效率更高。

10.人体活动效应

瞬时信息效应被用来解释为什么学生从动态可视化中学习的效果比从静态可视化中学习的效果差，而人体活动效应（human movement effect）则认为使用动画而不是静态来教授涉及人体活动的认知任务会更好。该效应源于认知负荷理论研究的意外发现，这些研究表明瞬时的可视化形式比非瞬时的形式有更好的学习效果。这些研究的共同点是，他们使用动画和静物来教授人类的动作技能（如折纸、打结）。帕斯（Paas）和斯维勒 （Sweller）使用吉尔里（Geary）的生物学上的原发信息概念来解释，即人类已经进化出从观察别人的行动中学习并毫不费力地复制的能力，因此，要求学习者观察动画以学习动作技能可能不会对工作记忆资源造成过多的负担。赫夫勒（H?ffler）和勒特纳（Leutner）的元分析证实了这一观点。他们表明，当动画高度逼真且涉及程序性运动知识时，学习效果更佳。 范高格（Van Gog）等认为，人体活动效应反映了神经科学研究的发现，即参与执行动作的皮层回路本身也会对观察别人执行同样的动作作出自动反应（即镜像神经元系统）。

（四）认知负荷测量

自从1998年这篇文章发表以来，人们一直在努力研究与认知负荷测量相关的问题。因此，在过去20年中，在这些问题上已经取得了重大进展。在此，我们评估了这一进展，并简要概述了关于认知负荷测量的3个主要发展。该评估是基于之前对认知负荷测量的综述，如帕斯（Paas）等人的理论文章，范高格（Van Gog）和帕斯（Paas）的研究成果。此外，它还考虑了最近对相关认知负荷的重新概念化，即用于处理内部认知負荷的实际工作记忆资源。这种重新概念化的结果是，只有内部认知负荷和外部认知负荷被区分为认知负荷的基本类别。

第一个重要的发展与主观测量技术的进一步规范有关，该技术最初是由帕斯（Paas）引入的，用于认知负荷的整体测量。尽管这种测量方法已经被广泛成功使用，显示出良好的心理测量特性，但一些研究人员仍然对其测量认知负荷的能力持怀疑态度。即使与生理测量技术的比较表明，主观评价量表与客观技术一样有效和可靠，而且更容易使用。与生理技术相比，主观技术的主要优势在于其敏感性和简单性。与生理测量技术相比，主观评价量表对投入的心理努力和任务难度的微小差异很敏感。虽然主观评价量表的简单性被认为是它的主要优点，因为它可以很容易地用于研究和实践，但这也被许多人认为是它的主要缺点。由于它的简单性，它可以进行认知负荷（即内在负荷加上外在负荷）的总体测量，但不能轻易用来区分不同类型的认知负荷。因此，人们开始寻找可以用来区分不同类型的认知负荷的技术，以及寻找可以作为认知负荷的在线测量的“客观”测量技术。在更详细地讨论这两项研究进展之前，我们将首先讨论当下的对主观评价量表技术的进一步规范。

范高格（Van Gog）和帕斯（Paas）等指出，主观评价量表的使用方式与帕斯（Paas）和范梅里恩伯尔（Van Merri?nboer）最初提出的有很多不同。在其他差异中，研究人员使用了不同的语言标签（即“任务难度”而不是“投入心智”），使用较少的类别（如5或7，而不是9），在所有学习或测试任务后只使用一次测量，而不是在每次学习和测试任务后进行多次测量取平均值。前两个例子需要对改编后的评价量表的心理测量特性进行更多的研究，而后一个例子已经由高格（Gog）等和施梅克（Schmeck）等做了进一步研究。他们比较了原始的测量负荷的方式，即在每个学习和测试任务之后使用基于多次测量的平均分，和在学习阶段和测试阶段之后只使用一次测量的适应性方法。问题是，这是否会导致对认知负荷大小的不同估计？结果显示，教学或测试阶段后的一次测量总是高于学习或测试阶段的多次测量的平均值。虽然导致差异的确切原因尚不清楚，但学习或测试阶段后的单次得分较高，可能是工作记忆资源的耗竭所致。

在未来的研究中，关于主观评价量表的最佳使用，仍有很多问题需要回答。任务时间对投入的脑力劳动或任务难度的感知有什么影响？年龄和性别对评分的影响是什么？我们是否需要在参与者开始评分之前给他们一个基线？需要更多的研究来回答这些和其他问题，并进一步明确有效使用主观评价量表的条件。

第二个发展是通过设计能够区分不同类型的认知负荷的问卷来扩展主观评价技术。一些研究者试图只测量一种特定类型的认知负荷的变化，而其他研究者则调查了测量不同类型认知负荷的方法。莱平克（Leppink）等描述了一个值得注意的问题，他们调查了一个新的心理测量工具的有用性，其中不同类型的认知负荷由多个指标表示。他们总结说，这两项研究的结果都支持这样的假设，即使用心理测量工具可以区分内部和外部认知负荷。尽管明显还需要更多的经验证据，例如通过使用不同的问题和考察不同的领域，但到目前为止的研究结果认为运用该工具区分不同类型的认知负荷是有希望的。

第三个发展是与正在进行的寻找更客观的认知负荷测量工具的努力有关。认知负荷研究者一直在使用次级任务技术和认知负荷的生理测量。基于工作记忆能力有限的假设，次级任务技术将次级任务的表现作为一级任务所带来的认知负荷的指标。假设次级任务的低或高绩效表明主要任务施加的认知负荷高低。最新的次级任务技术是帕克（Park）和布吕肯（Brünken）开发的节奏法，它包括一个有节奏的敲击脚（foot-tapping）的次级任务。科尔巴赫（Korbach）等表明，这种技术对假设的心理动画组、诱惑性细节组和控制组之间的认知负荷差异很敏感。然而，次级任务技术因其侵入性（即施加可能干扰主要任务的额外认知负荷）和无法区分不同类型的认知负荷而受到批评。

生理技术是基于这样的假设：认知功能的变化是由生理变量反映的。尽管一些研究者已经提议使用神经影像技术，比如功能磁共振成像，但实际上已经用于认知负荷研究的技术是脑电图。使用一个基于超文本的学习环境，安东尼科（Antonenko）和尼德豪泽（Niederhauser）表明，EEG的几个方面反映了假设的认知负荷的差异。一种更常用的测量认知负荷的技术是基于眼球追踪的变量，如瞳孔放大、眨眼率、固定时间和眼球移动。例如，范格文（Van Gerven）表明，瞳孔扩张与年轻人的认知负荷呈正相关，但与老年人的认知负荷无关。虽然，由于移动测量设备的发展，使用生理测量变得越来越容易，但对这些技术及其测量认知负荷的潜力还需要更多的研究。

三、未来方向

认知负荷理论自诞生以来，随着数据的更新，经历了持续的理论发展。理论的发展反过来又在一个持续的过程中产生了进一步的数据。目前，有各种迹象表明，这种螺旋式的发展仍在继续，并为未来的发展提供了一个标本。本节将讨论未来的方向，即用来自其他理论的建构来扩展认知负荷理论。如资源耗竭，自我调节的学习，压力、情绪和不确定性，以及人体活动，等等。

（一）工作记忆资源耗竭

陈（Chen）等的最新研究得出了一条新的研究路线，他基于工作记忆资源耗竭假设提出了认知负荷理论的可能扩展。这一假说认为，工作记忆资源在一段时间的持续认知努力后会耗尽，导致投入更多资源的能力降低。之前的研究已经发现了一般的和特定的耗竭效应。关于“一般耗竭效应”，施迈歇尔（Schmeichel）表明，参与自控任务会降低后续工作记忆测试的成绩。关于“特定耗竭效应”，希利（Healey）等表明，当第一个任务中的被忽略刺激与工作记忆任务中的被记住刺激相匹配时，耗竭效应就会发生。

工作记忆资源耗竭在某些情况下可能与自我耗竭有关，但需要注意的是，许多关于自我耗竭的研究与工作记忆关系不大。例如，节食时不吃甜食不太可能与学习数学具有相同的工作记忆含义。自我耗竭任务的巨大差异可能导致人们对自我耗竭的影响产生怀疑。从认知负荷理论的角度来看，大多数关于自我耗竭的研究都不包括学习，只有部分文献使用了可能会产生较大工作记忆负荷的任务。对于这些任务，如果学习过程中广泛的认知努力会极大地消耗工作记忆资源，那么这个因素在设计教学时可能很重要。

认知负荷理论的一种可能延伸，以及学习任务中广泛认知努力投入后工作记忆资源耗竭的教学设计含义，为陈（Chen）等的研究提供了理论基础。他们指出，资源耗竭假说可以解释间隔效应，当信息有间隔呈现，即信息呈现或练习片段之间有间隔时，要优于相同信息在相同时间内以无间隔的形式大量处理时的效应。陈（Chen）等利用数学学习和数据得出了间隔效应，这些数据表明，与间隔教学相比，大量非间隔教学会导致工作记忆容量的减少。大量练习可能会减少工作记忆资源，而间隔练习可能会让资源得到恢复。

间隔效应可以说是已知的最古老的心理教学效应，但其成因一直没有定论。如果得到后续工作的证实，陈（Chen）等的发现可能会允许认知负荷理论作为一种理论对该效果做出解释。

通过证实以间隔效应为载体的学习任务的工作记忆资源耗竭假说，陈（Chen）等认为，认知负荷理论中关于长时记忆的内容为工作记忆特征提供唯一主要决定因素的假设可能是站不住脚的。认知负荷理论的一个隐含假设，即基于变化狭窄原则，认为工作记忆能力对于一个特定的个体是相对恒定的，影响能力的唯一主要因素是长时记忆的内容。正如环境赋能原则所指出的，如果同样的信息已经储存在长时记忆中，那么工作记忆在处理新信息时的限制就可以消除。高元素的交互性信息，一旦被组织起来并储存在长时记忆中，就可以很容易地、迅速地大量转移到工作记忆中，使工作记忆的负荷降到最低。

陈（Chen）等的研究结果表明，工作记忆容量是可变的，这不仅取决于以前通过信息存储、借用和重组及随机性作为原发原则存储的信息，而且取决于认知努力导致的工作记忆资源耗竭。因此，需要抛弃固定的工作记忆假设，而采用认知努力后工作记忆耗竭的假设。我们相信，这一变化将产生相当大的影响，并导致认知负荷理论的相当大的扩展。

（二）认知负荷与自主学习

第二项新的研究将认知负荷理论与自主学习联系起来。认知负荷理论和自主学习模型都涉及学习者对学习过程的监控，它们可能被视为在信息丰富、复杂和快速变化的社会中支持终身学习者的特别重要的视角。这两个理论框架都已经关注到学习者的调节决策，例如认知资源的分配（参见自我管理效应，学习者自己应用认知负荷原则以减少认知负荷）和学习活动的选擇。在认知负荷理论的背景下，帕斯（Paas）等引入了“任务参与”作为资源分配的衡量标准：当学习者具有相对较高的表现水平并投入了较高的心智时，得分较高（“没有付出，就没有回报”）；当学习者具有相对较低的表现水平，再加上投入的心智较低时，得分较低。此外，任务选择已被用于一系列实验，作为调节准确性的指标：当要求学习者选择自己的学习任务进行学习时，绩效和投入的心智可以用来对他们的任务选择质量做出评价（即学习者是否选择了对他们来说太难或太容易的任务）。在自主学习的背景下，学习时间的分配通常被用作资源分配的衡量标准，并用作选择学习活动、判断学习和重新学习决定（“为了提高你的理解力，你想重新学习课文的哪一部分”）以及绩效衡量标准，作为调节准确性的指标。未来的研究可能会从这些不同的资源分配和调节准确性的措施中获益。

一个普遍的发现是学习者不善于调节自己的学习。那么问题就来了：它能否被教授？一方面，学习过程的自我调节将在很大程度上依赖于原发知识，因此不可能教。另一方面，所有的学习都是原发知识和次生知识的结合，而次生知识部分当然是可教的。更高层次的调节过程，如通过应用认知负荷原则（自我管理效应）来减少注意力分散的负面影响，选择合适的学习任务（如自主学习）和选择相关的学习资源（如信息素养）可能依赖于原发和次级知识的混合，因此，至少部分是可教的。德布鲁因（De Bruin ）和范梅里恩伯尔（Van Merri?nboer）建议使用科里亚特（Koriat）的线索，利用框架作为认知负荷理论和自主学习模型之间的桥梁，并作为自主教学研究的基础。其观点是，学生使用线索来告知他们关于学习和未来表现的信息，而且，他们倾向于使用无效的线索。例如，学生经常使用“容易处理”作为理解和未来表现的线索：如果一篇文章很容易阅读，学生通常会认为他们对文章的理解程度和未来测试的表现都很高。然而，更有效的提示是在阅读文本一段时间后生成关键词的能力。类似地，一个使用手段——目的分析来解决传统问题的学习者可能会把高认知负荷作为一个无效的学习线索（“这让我付出很多努力，所以我一定学到很多”）。然而，更有效的关联处理线索是向同伴解释生成的解决方案的能力。因此，教师可以给学生一些提示，帮助他们学会使用更有效的线索来调节他们的学习（例如：“你能在读完这篇文章一小时后生成关键词吗？”“你能向同伴解释你刚刚针对这个问题提出的解决方案吗？”）。

盡管有这些可能性，就像典型的生物学上的原发知识一样，目前几乎没有证据表明自主（它将改善远处迁移任务的表现）是可以作为一个领域的一般程序来教的。这样的发现对于这个领域保持活力至关重要，但几乎没有证据表明任何领域的这种结果。

（三）情绪、压力和不确定

第三条研究路线是基于一个新的认知负荷模型，旨在确定认知负荷的环境相关因果因素。这个新模型将物理学习环境对认知负荷和学习的影响分为3种类型：认知效应（如不确定性）、生理效应（如压力）和情感效应（如情绪）。但要注意，对学习的不同影响可能是3种类型紧密交织的）。基本假设是，压力、情绪和不确定性可能会通过与任务相关的过程竞争而限制工作记忆的能力，因此，它们会增加认知负荷，阻碍学习并减少迁移。目前对这一现象有了很多的研究，但绝大多数研究的基本前提是通过防止可能对学习产生负面影响的状态，来为学习提供最好的支持。这在普通教育中可能是正确的，但在职业和专业教育中，情绪、压力和不确定性往往是执行专业任务的一个组成部分。例如，护士必须学会在照顾处于生命最后阶段的患者时处理负面情绪，安保人员必须学会在高风险的暴力情况下处理压力，而医生必须学会在不完整的患者信息基础上需要快速决策时面对不确定性。在这种情况下，在培训期间防止情绪、压力和不确定性是无益的；相反，教育计划必须精心设计，使学习者发展专业能力，使他们能够执行符合标准的专业任务，包括处理情绪、压力和不确定性的能力，并保持整体健康。

如果情绪、压力和不确定性被看作是学习的不理想状态，人们可能会说它们会造成外部认知负荷，应该通过防止出现这些状态来减少认知负荷。但是，如果情绪、压力和不确定性被看作是学习完成必须的任务的一个组成部分，它们就会造成内部认知负荷，必须以另一种方式来处理。那么，未来的研究应该有助于确定教学干预措施，帮助学习者更有效地处理压力、情绪和不确定性。例如，在执行任务之前的想象或心理练习可能会降低实际任务执行过程中的内部认知负荷，抵消压力、情绪或不确定性带来的高负荷，从而提高学习和处理未来任务的压力、情绪或不确定性的能力。然而，新手学习者还不能以生动的方式想象成功完成任务所需的过程。对他们来说，想象可能不起作用，但作为一个例子，合作可能会因为集体工作记忆效应而增加有效工作记忆能力，从而抵消压力、情绪或不确定性带来的高负荷。

（四）人体活动效应

第四条研究路线建立在人体活动效应的基础上。这种效应被用来解释为什么在教授涉及人体活动的认知任务时，动画比静态更有效。尽管对人体活动效应的研究主要集中在通过观察动作来学习，但最近的研究表明，由于在学习过程中做动作，可能会对认知负荷和学习产生类似的影响。大量证据表明，做动作，如手势和追踪，可以影响可用的工作记忆资源和认知负荷。已有研究表明，在解决问题的过程中，做手势可以用于信息的认知卸载，导致工作记忆负荷的降低。关于追踪， 胡（Hu）等研究表明，在学习几何学的纸质工作样例时，用示指追踪角度关系的学生比只学习样例的学生有更高的学习成果。同样，在一项针对一群小学生的研究中，他们在平板电脑上学习工作样例时，要么用食指描画温度图，要么不描画，阿戈斯蒂尼奥（Agostinho）等发现描画组有更高的迁移表现。

认知负荷理论认为，生物上的原发信息，如人体的活动，最多只能受到工作记忆限制的影响，与此同时，扎根认知或具身认知的理论框架已被用来解释活动对认知负荷和学习的影响。它主张认知过程（包括信息处理和学习）与环境中的感觉和活动功能密不可分，包括手势和其他人体活动。支持具身认知观点的研究表明，观察或做出手势会产生更丰富的编码，从而导致更丰富的认知表征。有趣的是，更基本的活动系统的参与似乎减少了教学过程中工作记忆负荷。这意味着更丰富的编码对认知要求较低，这也证实了认知负荷理论的进化解释。

从研究中可知，活动信息可能构成额外的模态，也能占据工作记忆的有限资源。由于似乎很难将人体活动的认知效应与认知负荷理论所采用的工作记忆模型牢固地调和起来，因此可以说人体活动可能构成一种额外的模式，应该在现有的工作记忆模型中予以考虑。这一论点在赛普（Sepp）等人提出的工作记忆的综合分布式注意模型中得到了证实。我们认为，一个能够整合不同模态的多种信息源，同时在处理过程中调整注意力的分布的单一工作记忆系统，可能有助于解释和支持认知负荷理论和未来其他领域的研究结果。

（责任编辑 李强 王策）

Cognitive Architecture and Instructional Design： 20 Years Later

Author：John Sweller1，Jeroen J.G.Van Merri?nboer2，Fred Paas3，4

Translator：Li Shuang5，Sheng Qunli6

（1.School of Education，University of New South Wales，Sydney，Australia 0252;

2.School of Health Professions Education， Maastricht University，Maastricht，Netherlands 6200;

3.Department of Psychology，Education and Child Studies，Erasmus University Rotterdam，Netherlands 3062;

4.School of Education/Early Start，University of Wollongong，Wollongong，Australia 2522;

5.Ocean College，Zhejiang University，Zhoushan，Zhejiang，China 316021;

6.College of Education，Zhejiang University，Hangzhou，Zhejiang，China 310028）

Abstract： Cognitive load theory was introduced in the 1980s as an instructional design theory based on several uncontroversial aspects of human cognitive architecture.Our knowledge of many of the characteristics of working memory，long-term memory and the relations between them had been well-established for many decades prior to the introduction of the theory.Curiously，this knowledge had had a limited impact on the field of instructional design with most instructional design recommendations proceeding as though working memory and long-term memory did not exist.In contrast，cognitive load theory emphasized that all novel information is firstly processed by capacity and duration limited working memory and then stored in an unlimited long-term memory for later use. Once information is stored in long-term memory，the capacity and duration limits of working memory disappear， so as to transform our ability to function.By the late 1990s，sufficient data had been collected using the theory to warrant an extended analysis， published by Sweller et al.Extensive further theoretical and empirical work have been carried out since that time and this paper is an attempt to summarize the last 20 years of cognitive load theory and to sketch directions for future research.

Key words： Cognitive load theory;Theoretical developments;Instructional advances

收稿日期：2022-06-18

基金項目：浙江大学2022年度教学研究处教学研究项目“哈佛大学通识教育研究”

作者/译者简介：约翰·斯维勒（John Sweller），男，新南威尔士大学教育学院教授，他以提出认知负荷理论而闻名，该理论利用进化心理学和人类认知体系结构的知识作为教学设计的基础，是被引用最多的教育心理学理论之一；杰伦·范梅里恩伯尔（Jeroen J. G. Van Merri?nboer），男，马斯特里赫特大学卫生职业教育学院学习和教学方向主席、卫生健康教育研究生院研究项目主任；弗雷德·帕斯（Fred Paas），男，荷兰伊拉斯谟大学心理学、教育和儿童研究系教育与发展心理学研究小组教授、主席，研究应用当代多学科的人类认知系统科学知识，设计高效的学习环境；李爽（1982—），女，辽宁兴城人，副教授、博士生导师，研究方向为物理海洋、教育设计；盛群力（1957—），男，上海人，教授、博士生导师，研究方向为课程和教学论。

资料来源：Sweller， J.，van Merri?nboer，J.J.G. & Paas， F.（2019） Cognitive Architecture and Instructional Design：20 Years Later. Educational Psychology Review， [J]2019（31）： 261–292. https：//doi.org/10.1007/s10648-019-09465-5.