揭开学习的奥秘——认知负荷理论简介

  吴先强

           作者简介：吴先强（1982-），男，安徽含山人。中学化学一级教师，硕士研究生学历，主要从事高中化学教学及德育工作研究，现为华东师范大学教育研究院在职博士生。

      我想和大家一起来探讨这样一个问题。一谈到学习效果，我们的同学经常会问，为什么我的成绩老是提高不了？有没有一些可以让我的学习成绩迅速提高的有效方法？在寻求高效学习方法的同时，我们往往忽视了另外一个重要的问题，那就是为什么我的学习是无效的。只有解决了这个本质问题，我们才能真正找到适合自己的有效学习方法。

一、有趣的人类记忆极限

一般来说，按照发生的先后顺序，人类的记忆可分为感官记忆（持续半秒左右）、工作记忆（持续20秒左右）和长时记忆（持续1分钟以上，甚至终生不忘）。外界知识先进入瞬时记忆，然后经过工作记忆的处理，最后进入长时记忆，最终成为我们习得的知识。由此可见，工作记忆是完成学习活动的基本成分，外界信息只有进入到工作记忆中，才能被加工和认识。但大量的科学研究表明，工作记忆只能同时加工7个左右的信息组块，而且其负有加工、组织、比较等任务，这样一来，工作记忆就只能同时记住2～3信息组块。如果同时进入工作记忆的信息组块超过数量限制，记忆容量就会超载，信息加工活动就会受阻或根本无从开展。

举个例子来说吧，我们在选择电话号码的时候都喜欢“连号”的数字，因为这样好记。大家看一下这几个数字：853，6724，28293，673217，7826951，12243648（制成大的卡片或幻灯片展示给到场的学生看，每个数字只看5秒后，让学生立刻复述）。

同时，我们的学习又是始于注意的。注意最基本的特征是选择性。我们在学习过程中，会出现许多无法预测的额外认知活动，这势必会分散我们的注意力，而注意大量信息无疑又会加重认知负荷。集中注意对某些信息进行深度、细致加工，工作记忆中的目标信息会相应地减少，而工作记忆中的信息超载问题实质上就是注意资源分配不足问题。工作记忆容量的有限性和可同时利用心理资源的有限性，决定了存在着认知负荷问题的存在。

二、什么是学习时的认知负荷？

认知负荷是在某种场合下施加到工作记忆中的智力活动的总的数量，对认知负荷起主要作用的是工作记忆必须注意内容的数量。认知负荷理论认为有三种类型的认知负荷：内部认知负荷，外部认知负荷和关联认知负荷。

由于知识间交互形成的负荷称为内部认知负荷，它取决于学习材料本身与我们已有知识之间的交互。外部认知负荷是超越内部认知负荷的额外负荷，它主要是由不当的知识组织和呈现方式引起的。关联认知负荷是指与促进知识构建过程相关的负荷，这三种类型的认知负荷是相互叠加的。为了促进有效学习的发生，在学习过程中应尽可能减少外部认知负荷，增加关联认知负荷，并且使总的认知负荷不超出我们能承受的认知负荷总量。

三、认知负荷对学习效果的影响？

认知负荷与学习者的学习效果有着重要的关联。学习过程中，认知负荷过低，会造成时间浪费；认知负荷过高，又会阻碍学习者的信息加工活动。学习的理想模式是学习者可以满负荷工作。

（附表nbsp 认知负荷理论所研究的传统效应及其与外部认知负荷的关系）

Rankl and Atkinson等人研究表明，学习的最初阶段，内部认知负荷很高，这是因为我们大脑中可以利用的知识很少，我们应该在教师的指导下进行学习。在学习的中级阶段，逐渐增加的知识类型和数量增强了我们的工作记忆能力，这时我们应该通过工作样例来学习，并通过自我拓展来增加相关认知负荷。在学习的高级阶段，很强的工作记忆能力会让我们的问题解决能力大大提高。

Van Merrienboer et al.认为按难度逐渐增加顺序组织的支架可以减少我们的内部认知负荷，先呈现固有工作样例学习支架，再分步呈现问题，最后解决综合性问题，这样的顺序可以减少外部认知负荷。他还强调本质知识如果呈现顺序不当会增加认知负担，首先呈现基本的辅助性信息可以帮助我们形成问题解决图式，而特别程序的信息只能在它被需要的那一刻才能呈现出来。

四、如何利用认知负荷理论改进我们的学习？

认知负荷理论提出的“冗余效应”要求学习内容必须是剔除了冗余信息的核心内容，“形式效应”则要求学习内容可以充分调动起我们的各种感官通道，以免学习信息在工作记忆中“堵车”，而“注意力分散效应”的排除需要各种学习内容呈现方式之间的整合。

1.多多借助“图表”学习

以图表为代表的视觉呈现方式可以包含很高的信息内容，给我们工作记忆带来的“冗余”信息较少，从而降低学习过程中的认知负荷。同时，它们还能为我们提供一种可视化的方法来观察那些太小、太大、太快或者太慢，甚至是无法直接观察和经历的抽象现象。研究发现，难度较大的复杂学习内容，图表在减轻认知负荷方面的作用尤为明显。这是因为图表可以激活和利用我们大脑中的认知图式，从而减少外部认知负荷，我们只要在工作记忆中操作少数信息元素就可以进行有效的学习。特别是在新手学习的起始阶段，大脑中还没有形成学习新知识的基本图式，这就需要图表来帮助我们形成一定的认知支架。

2.多种感官并用

由于知识的复杂性和学习过程的交互性，单纯的视觉呈现方式已不能很好地降低认知负荷。在不同的外部呈现方式之间寻找关联性会增加我们的外部认知负荷，即产生“注意力分散效应” Chandler amp Sweller,1992。

为了减少“注意力分散效应”对学习效果的影响，一个较好的方法就是把课文、图片、表格和动画多种呈现方式相互补充、相互整合加以学习。这是因为文本呈现方式占用工作记忆中的言语部分，图片或动画占用工作记忆中视觉部分，这样可以充分利用工作记忆空间，减少认知负荷。在具体的学习过程中，我们可以让文字和图片紧靠在一起，这样就能很容易地在工作记忆中同时建立起文字和图片之间的联系。也就是说，整合多种呈现方式可以让我们避免从不同信息源获取知识并加以整合时出现的注意力分散，从而降低认知负荷。

在开发和选择学习材料时，我们可以通过整合文字、表格和图形使得学习材料易学（可以降低内部认知负荷），通过形象、生动的图片使得我们自己爱学（可以增加相关认知负荷），从而实现自主发展。

3.有效利用已有知识

我们是从已有知识中建构概念的，即利用已有知识从各种外部呈现方式中选择相关信息，然后将所选信息与已有知识相结合，并最终形成自己的知识结构。

Hyunjeong Lee amp Jan L.Plass等人的研究发现，当知识复杂性较高时，学习者高水平的已有知识有利于图式的形成，这些图式又可以帮助选择信息建立新的图式，从而降低学习者的内部认知负荷。

因此，基础较差的同学可以利用诸如表格、概念图等引起较低认知负荷的内容，防止因认知负荷超载而降低课堂学习效率；而对于那些基础较好的学生，则可以利用一些内容交互性大的复杂材料，在保证负荷总量不超标的情况下，让自己尽量满负荷工作，以实现最大程度的发展。

4.背景音乐效果因人而异

我们许多同学喜欢一边听音乐，一边看书或做作业，这种学习方式好吗？Moreno R. amp Mayer R. E.的研究发现，已有知识水平较高的学生，背景音乐会提高他们的学习效果，而对于低水平已有知识的学生来说，背景音乐的作用恰好相反。相同的学习内容，低已有知识水平的学生会产生较高的内部认知负荷，背景音乐也会增加相关认知负荷，这样他们认知负荷的总量就很容易超标。但高水平的已有知识可以降低教学内容本身所引起的内部认知负荷，这就使得背景音乐的激励情感的积极作用要大于所增加认知负荷的消极作用。该研究还发现，个人的音乐兴趣也会对研究结果也会产生一定的影响，如果背景音乐与学生的欣赏取向和教学信息的特点相匹配，它就可以在更大程度上增加学习者的相关认知负荷，从而提高已有知识水平学习者的学习效果。