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。