基于认知负荷理论的有效教学设计的发展途径
基于认知负荷理论的有效教学设计的发展途径 教学设计是提高教学效率和教学质量的支点，如何进行 有效教学设计一直是有效教学关注的焦点与践行的着力点。然而，当前关涉有效教学设计的研究大多从教师的“教”入 手，致力于“有效地教”的理论建构与现实践行，却在一定 程度上有意或无意地忽视了“有效地学”。事实上，基于教 师层面“有效地教”固然重要，但教师层面的“有效地教” 必须基于学生层面的“有效地学”，“有效地学”是“有效 地教”的出发点与归宿，倘若学生不能“有效地学”，那么 教师再“有效地教”也往往徒然。因此，有效教学设计必须 基于学生“有效地学”，教学设计所采取的一切措施与展开 的一切活动都必须符合学习者的认知规律。鉴于此，本文基 于认知负荷理论这一基于人类认知结构与外界信息结构交 互作用而决定教学设计的理论，探究进行有效教学设计所亟 须注意的方面及方法，旨在为有效教学设计提供新的理论思 路与践行策略。
一 认知负荷理论概述 认知负荷(Cognitive Load, CL)指认知主体在信息加 工过程中所需心理资源的总量，该概念最初由澳大利亚教育 心理学家John Sweller[1]于1988年首次提出。研究发现认 知任务所引发的认知负荷量主要取决于该认知任务的组织、 呈现方式，内在本质特性以及认知者的专长水平这三个因素， 缘此也就产生外在认知负荷、内在认知负荷以及相关认知负荷这三种类型的认知负荷[2]。其中外在认知负荷主要是由 认知任务设计与呈现得不科学所引起的，这些与实质性认知 加工过程无关的活动会额外引发工作记忆的认知操作，从而 挤占一定的认知资源，因此外在认知负荷也常常被称为无效 认知负荷。内在认知负荷是工作记忆在加工处理认知任务本 身所蕴含的信息内容及其交互性时所产生的负荷。内在认知 负荷的高低主要取决于认知任务本身及认知者固有的相关 知识经验背景。一般来说，内在认知负荷在一定程度上标示 着认知任务的复杂性或难易度，因为认知任务越复杂、难度 越高，工作记忆所需承受的负荷就越大。然而如若学习者具 有与认知任务相关联的图式，那么在加工处理相同的认知任 务时，即使认知任务包含大量元素且元素间交互性强，但它 们在工作记忆中也只是一个组块，从而会比其他认知者产生 更少的内在认识负荷。相关认知负荷通常是由认知加工过程 中用于建构图式或图式自动化的操作活动所引发的，它可以 促使认知主体把剩余的认知资源投入到实质性认知加工活 动中去。与外在认知负荷阻碍认知加工明显不同的是，相关 认知负荷非但不会阻滞认知加工，反而能促进有效的认知加 工，因此相关认知负荷也常常被称为有效认知负荷。
二 认知负荷理论的理论基础及其对有效教学设计 的启示 1 认知负荷理论的理论基础 认知负荷理论主要基于人类认知结构(由工作记忆和长时记忆组成)理论之上，而工作记忆、长时记忆义与图式 (根据信息功能及其用途范畴化的信息单元)关涉甚密。为此， 要清晰而全面地介绍认知负荷理论的理论基础，有必要从工 作记忆、长时记忆以及图式理论三个方面切入。
首先，工作记忆系统的容量是有限的。决定人类学习 心理机制的认知结构是由工作记忆系统与长时记忆系统所 组成。其中工作记忆系统是对认知任务予以加工处理的心理 结构[3]，其突出特点是同时加工新信息的容量是极其有限 的。倘若同时进行若干种认知加工活动，则不可避免地会涉 及资源分配的问题，并且在资源分配时严格遵守“总量不变， 此多彼少”的分配原则。因此如若个体在加工处理某认知任 务时所需认知资源的总量超过了其本身所固有的认知资源 总量，就会导致认知负荷超载，继而影响到认知活动的效率 与质量。其次，长时记忆系统的贮存容量是无限的。长时记 忆系统是对经过工作记忆系统加工处理后的信息赋予意义 并将其长久贮存起来的心理结构。相比工作记忆系统容量的 有限性，长时记忆系统的贮存容量却是无限的，储存有大量 的缄默知识，这些缄默知识对于人类的认知活动意义重大， 因为在加工处理外界新信息时，外界新信息必须先与这些缄 默知识中的“相似块”进行耦合、接通和活化，继而才能被 接受、编码和存储[4]。第三，图式可以整合信息及其产生 式规则，成为贮存空间小且无需控制性过程的自动化加工单 元。根据图式理论，长时记忆中的知识是以图式的形式贮存的，图式的构建可以有效减轻工作记忆的负荷[5]。此外， 工作记忆系统处理图式的能力是很强的。工作记忆系统在加 工处理新信息时需要用到储存在长时记忆系统中的缄默知 识，而这些关联缄默知识如果是以图式的方式编码存在的话， 那就可以有效减轻工作记忆在加工处理过程中所需承受的 负荷，从而优化其工作。
2 有效教学设计应科学管理三种认知负荷 认知过程是认知主体的认知结构与外在信息结构两 者交互作用的过程。前面已经提到，人类的认知结构是由容 量有限的工作记忆系统与贮存容量无限的长时记忆系统所 组成。一方面，对于某一具体的认知任务来说，认知主体容 量有限的工作记忆系统是固化的、不可扩充的，可谓认知活 动的瓶颈，因此这就客观要求在教学设计时，必须想办法确 保个体加工处理认知任务所需认知资源的总量不超过工作 记忆系统所能承载的总量。尽管内在认知负荷是学习任务本 身固有，是不可改变的，但在教学设计时可通过降低学习任 务本身元素的数量及其交互性来降低内在认知负荷；
而外在 认知负荷是无效的，在教学设计时要通过相关针对性策略来 控制它。总之，要使容量有限的工作记忆系统能够、并且有 效加工处理学习任务，有效地教学设计必须优化学习任务的 信息结构，降低外在认知负荷与内在认知负荷。另一方面， 长时记忆系统中存有大量的缄默知识，而这些缄默知识如果 是以图式编码存在的话，将非常有助于工作记忆系统加工处理外界信息，同时也可以直接驱动行为。由此，为了增强教 学设计的实效性，在教学设计时一定要充分调动与利用认知 主体长时记忆系统中的图式。图式的形成与发展又需历经图 式建构与图式自动化，而相关认知负荷有助于促进图式建构 与自动化。因此，有效的教学设计必定要设法增加相关认知 负荷。总之，教学设计与认知负荷密切相关。认知负荷过低 会造成资源的浪费，而过高又会阻碍认知活动的顺利有效进 行，且外在、内在与相关认知负荷三者又具有可加性。因此， 有效教学设计必须降低外在认知负荷与内在认知负荷，同时 增加相关认知负荷，使学习者在认知过程中所承受的三种认 知负荷之和不超过但趋近其工作记忆的总负荷。
三 认知负荷理论视阈下的有效教学设计策略研究 1 降低外在认知负荷的有效教学设计策略 外在认知负荷主要源于认知任务设计与呈现的不科 学，因此要降低外在认知负荷，在教学设计时必须设法改善 与优化学习任务的设计与呈现方式。笔者根据自由目标效应、 分散注意效应、冗余效应以及通道效应这四个外在认知负荷 效应，提出相应的四种有效降低外在认知负荷的教学设计策 略，具体如下：(1)自由目标策略。由自由目标效应可知， 当学习者面对单个明确的任务目标时，他们会诉诸“手段— 目的”分析范式予以解决。为此首先需要分析问题原始状态 与目标状态之间的差距，继而寻求潜在的解题方案并评价其 绩效，这一复杂的解题程序会耗费大量的认知资源，继而形成较大的外在认知负荷，削减了学习者用于建构和获得图式 的认知资源投入；
而当面对一个自由目标任务时，他们的注 意力将从目标导向的搜索方法转向关注任务状态及可用的 方法上来，相视而言，其解题程序就能简化很多，这样产生 的认知负荷就很小[6]。因此，根据自由目标效应，在教学 设计时，宜采用自由目标策略。即在任务呈现时，彰显学习 目标的二重性，让其在“预设”与“生成”的张力下进行或 者为学习者设计多个学习目标。(2)关联信息捆绑策略。由 分散注意效应可知，如果认知任务包含两种或多种分散的信 息源时，认知主体在加工处理时必须将注意力分散至搜索并 整合各种信息源的关联信息上，从而产生较大的外在认知负 荷[7]。因此，鉴于分散注意效应，在教学设计时，宜将各 种关联信息捆绑在一起，使其在空间上邻近分布，时间上同 步呈现。如在进行既含文本解释，又有图表的样例教学设计 时，宜将文本解释整合到相应的图表中去，捆绑起来一并呈 现。(3)一步到位策略。根据冗余效应，如果单一的信息呈 现即可完整而明确地传达清楚信息意义，最好独立呈现，否 则认知主体在面对多元表征的信息来源时，需要耗费一定的 认知资源来分析各个多元表征的信息源以及它们之间的关 联，从而产生较高的外在认知负荷，降低了学习效果[8]。
因此，根据冗余效应，在教学设计时宜采取一步到位策略。
即在呈现信息时，如果单一的信息呈现即可完整而明确地表 征信息意义，那么就不要采用内容重复的多元信息表征，独立呈现即可。(4)多通道策略。根据通道效应可知，同时以 不同的感官通道(主要是视觉和听觉)呈现信息，由于工作记 忆中听觉加工和视觉加工是相对独立的，从而可以有效减少 视觉或听觉单一通道加工信息的认知负荷[9]。因此，为了 减少外在认知负荷，根据通道效应，在教学设计宜采用多通 道教学设计策略，即同时利用视觉和听觉呈现信息的不同部 分。
2 降低内在认知负荷的有效教学设计策略 内在认知负荷的高低主要取决于认知任务本身及认 知者固有的相关知识经验背景，但对具体的认知主体来说， 内在认知负荷的高低主要取决于认知任务本身，即元素数量 及各元素间的交互性。因此在教学设计时要降低内在认知负 荷，必须设法降低认知任务本身的元素数量及各元素间的交 互性。鉴于此，我们可以采用任务先“分”后“整”逐步呈 现策略与任务先“简”后“繁”二次呈现策略来降低内在认 知负荷，具体如下：(1)任务先“分”后“整”逐步呈现策 略。所谓的任务先“分”后“整”逐步呈现策略是指先呈现 部分认知任务，然后依次逐步呈现其余的认知任务，最后呈 现完整的认知任务，这里的“分”与“整”指认知任务的部 分与整体。任务先“分”后“整”逐步呈现策略可以有效降 低内在认知负荷，其科学依据是先呈现部分认知任务，可以 从总体上降低认知任务的内在认知负荷，有利于部分图式的 建构。操作性强且实效性高的任务先“分”后“整”逐步呈现策略有Mayer等[10]提出的分割技术和Catrambone[11]提 出的子目标方法。其中，分割技术是指事先将学习任务分割 为一系列学习片段，再依次呈现；
而子目标方法是指从总学 习任务中提炼出一系列相互独立的子目标。(2)任务先“简” 后“繁”二次呈现策略。鉴于任务先“分”后“整”逐步呈 现策略可能会影响到认知主体对认知任务的完整理解，进而 制约完整图式的构建。因此，为了更有效地降低内在认知负 荷，宜采用任务先“简”后“繁”二次呈现策略来有效降低 内在认知负荷。所谓任务先“简”后“繁”二次呈现策略是 指先抽取认知任务所包含的主要元素并将其压缩成组块或 信息单元予以呈现，然后呈现完整的认知任务。可见任务先 “简”后“繁”二次呈现策略即分两次呈现任务，只是第一 次呈现的是任务的简洁版本，而第二次呈现的是任务的完整 版本。任务先“简”后“繁”二次呈现策略可以更有效地降 低内在认知负荷，其科学依据在于在认知之初，压缩或简化 认知任务所包含的元素，降低内在认知负荷，继而有利于建 构不失整体的部分图式；
而在后续的认知活动中，尽管所需 加工处理的认知元素增多了，但工作记忆系统因有了先前建 构的部分图式为基础，从而有利于加工处理完整的认知任务， 建构较为完整的图式，在此过程中先前建构的部分图式的不 完整性也得以弥补。现实中Pollock等[12]提出的独立元素 法就是切实有效的任务先“简”后“繁”二次呈现策略。所 谓Pollock等独立元素法是指在呈现学习任务时要分两次予以呈现，其中第一次通过压缩或简化的办法呈现该学习任务 的简洁版本，在第一次简洁版本的基础上，第二次呈现学习 任务的完整版本。
3 增加相关认知负荷的有效教学设计策略 相关认知负荷可以促使认知主体把剩余的认知资源 投入到实质性认知加工活动中去。研究发现：对于耗时较长 的学习任务，尤其是那些时间跨度比较大的长期学习任务来 说，即使将外在认知负荷与内在认知负荷都尽可能降至最低 了，但学习者的学习效率与质量并没有因此而得以明显的提 高与改善，研究表明这是由于学习者主观上不愿或客观上不 能将富余的认知资源有效地投入认知任务所致[13]。因此欲 增加相关认知负荷，必须确保学习者愿意并能有效投入认知， 在教学设计时要设法唤醒、引发学习者的认知投入，同时引 领与帮助学习者的认知投入。变异任务策略和嵌入支架策略 可以有效唤醒、引发学习者的认知投入，并促使学习者将认 知有效地投入到图式建构和自动化活动中，从而可以有效增 加相关认知负荷，是增加相关认知负荷的有效策略，具体如 下：(1)变异任务策略。所谓变异任务策略是指在设计学习 任务时，对学习任务本身及其呈现方式予以变异，其中学习 任务本身的变异又包括学习任务表面内容的变异与学习任 务深层结构的变异两个方面。变异任务策略之所以能有效增 加相关认知负荷主要在于它可以唤醒、激发认知主体，引发 其投入更多的心理努力。但值得注意的是，变异任务策略也不是万灵药，对任何学习者都有效，它具有一定的适用阈。
如果学习者的学习水平较高，那么使用变异任务策略可以有 效唤醒、激发认知主体，引发其投入更多的心理努力，从而 增加相关认知负荷；
但倘若学习者的学习水平较低的话，使 用变异任务策略往往非但不能增加相关认知负荷，反而极可 能会额外增加外在认知负荷，进而阻滞认知活动，所以在使 用变异任务策略前一定要弄清楚学习者的学习水平，慎重使 用。(2)嵌入支架策略。所谓的嵌入支架策略是指在设计学 习任务时，嵌入一些诸如暗示与反馈这样支持学习者学习的 支架，旨在唤醒、引发学习者投入与图式建构和图式自动化 相关的认知活动。从所嵌入支架的显隐性维度来看，嵌入支 架策略具体又可以划分为嵌入显性支架与嵌入隐性支架两 种策略。其中嵌入显性支架策略是指在设计学习任务时，有 意把学习者加工处理学习任务所需的某些关键信息较为明 显地展露给学习者，从而促进其进行有效认知。Chi等[14] 研究发现：样例中嵌入的反思问题或暗示信息会引发学习者 对其解答历程的自我解释，而自我解释不仅可以有效填充样 例文本与学习者心理模型之间的空缺，同时也可以改善与优 化学习者原有的心理模型，有利于图式的建构与精致化，从 而有效增加了相关认知负荷。而嵌入隐性支架策略是指在设 计任务时，有意对任务本身做一些引领性处理，使呈现给学 习者的任务潜在地暗含认知活动，从而诱导、促进学习者的 认知投入。