李 靜，韓起云

(重慶第二師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與信息工程系，重慶 400067)

1 引言

目前，全國各高校都在進行實訓(xùn)教學(xué)改革，在教學(xué)模式上基本采用了項目教學(xué)。具體到計算機軟件技術(shù)專業(yè)來說，軟件開發(fā)崗位決定了軟件開發(fā)要遵循軟件開發(fā)過程體系，所以軟件專業(yè)課程的設(shè)置和實現(xiàn)需要按軟件開發(fā)過程體系來實施，特別是實訓(xùn)課程，更要按照軟件開發(fā)過程來進行，這就需要實現(xiàn)規(guī)范的過程管理和質(zhì)量保證。只有課程體系的開發(fā)，進行校企合作或引入企業(yè)案例的各類課程改革，而沒有好的實施保證, 就得不到預(yù)期的結(jié)果。

傳統(tǒng)的軟件實訓(xùn)課程包括課程設(shè)計、項目設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等。雖然有些實訓(xùn)課程引入了企業(yè)項目，但由于項目周期短、沒有切實可行的項目計劃、缺少項目監(jiān)控、風(fēng)險管理、項目評審、項目的度量與分析,導(dǎo)致大部分項目實訓(xùn)是失敗的。學(xué)生只注重功能如何實現(xiàn)，缺少項目是如何分析、設(shè)計、測試、管理等。這與真實的軟件開發(fā)相距甚遠。但如果實訓(xùn)中加入了設(shè)計管理等環(huán)節(jié)，將使學(xué)習(xí)的復(fù)合性和復(fù)雜性大大提升，影響學(xué)生的實訓(xùn)效果。

2 基礎(chǔ)理論

認知負荷理論(Cognitive Load Theory，CLT)是由澳大利亞新南威爾士大學(xué)的認知心理學(xué)家約翰·斯威勒(John Sweller)以穆勒(Miller)等人早期的研究為基礎(chǔ)于1988年首先提出來的。CLT假設(shè)人類的認知結(jié)構(gòu)由工作記憶和長時記憶組成，其中工作記憶也稱為短時記憶，它的容量是有限的，一次只能存儲7±2條基本信息或信息塊。在處理信息時，工作記憶一次只能處理2-3條信息，因為存儲在其中的元素之間的交互也需要工作記憶空間，這就減少了能同時處理的信息數(shù)。長時記憶是學(xué)習(xí)的中心。如果長時記憶中的內(nèi)容沒有發(fā)生變化，則不可能發(fā)生持久意義上的學(xué)習(xí)。CLT認為教學(xué)的主要功能是在長時記憶中存儲信息。知識以圖式的形式存儲于長時記憶中，圖式根據(jù)信息元素的使用方式來組織信息，提供知識組織和存儲的機制，可以減少工作記憶負荷。

CLT認為有三種類型的認知負荷：內(nèi)在認知負荷、外在認知負荷和關(guān)聯(lián)認知負荷。內(nèi)在認知負荷是指由元素間交互形成的負荷，取決于所學(xué)材料本身與學(xué)習(xí)者專業(yè)知識之間的交互。外在認知負荷是超越內(nèi)在認知負荷的額外負荷。關(guān)聯(lián)認知負荷是指與促進圖式構(gòu)建和圖式自動化過程相關(guān)的負荷。

CLT認為，教學(xué)干預(yù)無法改變內(nèi)在認知負荷，因為它是由材料本身所決定的。但是外在認知負荷與關(guān)聯(lián)認知負荷則可由教學(xué)設(shè)計來決定。雖然二者都可因教學(xué)干預(yù)而改變，但外在認知負荷是由教學(xué)設(shè)計的缺損所造成的額外的認知加工引起的，而關(guān)聯(lián)認知負荷則是由圖式建構(gòu)引發(fā)的心理努力。學(xué)習(xí)的本質(zhì)是由外在認知負荷向關(guān)聯(lián)認知負荷轉(zhuǎn)化的過程，所以為了促進有效學(xué)習(xí)的發(fā)生，在教學(xué)過程中應(yīng)盡可能減少外在認知負荷，增加關(guān)聯(lián)認知負荷，并且使總的認知負荷不超出學(xué)習(xí)者個體所能承受的認知負荷范圍。同時，學(xué)習(xí)作為一項復(fù)雜的認知技能，學(xué)習(xí)材料之間具有一定的相關(guān)性，學(xué)習(xí)本身具有內(nèi)在認知負荷，如果學(xué)習(xí)元素之間的聯(lián)系過于復(fù)雜，會導(dǎo)致認知負荷的增加。三種類型的認知負荷是相互疊加的。研究表明，過低或過高的認知負荷都會降低學(xué)習(xí)的效果；只有認知負荷恰當(dāng)適中，才會對學(xué)習(xí)產(chǎn)生積極效果。所以，有效的教學(xué)設(shè)計就是要把學(xué)習(xí)者的認知負荷控制在一定范圍之內(nèi)。

學(xué)習(xí)的目的在于實現(xiàn)知識遷移，即學(xué)習(xí)者能夠在各種各樣的現(xiàn)實情境中完成復(fù)雜任務(wù)。教學(xué)設(shè)計的目的是幫助學(xué)習(xí)者掌握任務(wù)的認知邏輯規(guī)則，以便達到更好的遷移效果。外在認知負荷依賴于教學(xué)設(shè)計材料的組織和呈現(xiàn)方式。當(dāng)信息設(shè)計不好時，學(xué)習(xí)者必須進行無關(guān)的或無效的認知加工；當(dāng)信息設(shè)計良好時，外在認知負荷最小。文獻[2]認為內(nèi)在認知負荷與學(xué)習(xí)材料的復(fù)雜性和學(xué)習(xí)者專業(yè)水平之間的關(guān)聯(lián)程度有關(guān)。好的教學(xué)設(shè)計不僅可以減少學(xué)習(xí)者的外在認知負荷，也可以分解并減輕學(xué)習(xí)材料的內(nèi)在認知負荷。馮曼利伯等指出，內(nèi)在認知負荷的減輕可以通過構(gòu)建從簡單到復(fù)雜的認知序列達成。文獻[3]認為不能從最難的學(xué)習(xí)任務(wù)開始一門課程的學(xué)習(xí)，因為這會給學(xué)習(xí)者造成過多的認知負荷。在實際問題的解決過程中，教師應(yīng)該把復(fù)雜問題分解成從簡單到復(fù)雜的認知序列，降低學(xué)習(xí)材料的內(nèi)在認知負荷，使學(xué)習(xí)者能夠從簡單入手，循序漸進、逐漸過渡到難度較大的學(xué)習(xí)任務(wù)。當(dāng)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)難度較大的任務(wù)時，教師需要給他們必要的指引和支持；隨著學(xué)習(xí)者知識獲得的增加，這種支架式的支持逐漸減少，從而使教師的指導(dǎo)從“扶”到“放”，最后撤去支架。對于軟件項目開發(fā)，學(xué)習(xí)者通常在團體協(xié)作環(huán)境中學(xué)習(xí)，遵循復(fù)雜的流程，存在各種干擾因素，需要拿出一定的認知負荷處理與環(huán)境相關(guān)的信息，因此造成了認知負荷的增加，這就更需要通過好的教學(xué)設(shè)計來達到減輕學(xué)習(xí)認知負荷的目標(biāo)。

3 教學(xué)設(shè)計策略

為避免教學(xué)中學(xué)生認知負荷總量超過其工作記憶容量, 認知負荷理論的教學(xué)原理就是: 盡可能降低學(xué)生的內(nèi)在認知負荷和外在認知負荷；并在確保工作記憶資源有所盈余的前提下, 適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生投入更多的心理努力(Mental Effort), 提高其相關(guān)認知負荷, 實現(xiàn)圖式的獲得與規(guī)則的自動化。如前所述, 教學(xué)活動中學(xué)生內(nèi)在認知負荷與教學(xué)材料的特點和學(xué)生的認知水平有關(guān), 外在認知負荷與教學(xué)材料的呈現(xiàn)方式和教學(xué)設(shè)計水平有關(guān), 相關(guān)認知負荷與學(xué)生的認知努力(Mental Effort)有關(guān)。為此，我們可以采取以下策略來優(yōu)化教學(xué)活動中學(xué)生的認知負荷結(jié)構(gòu)，提高教學(xué)效果。

(1)先行組織者策略

社會策略主要就是懂得合作式學(xué)習(xí)。學(xué)校和教師都應(yīng)為大學(xué)生提供良好的合作學(xué)習(xí)平臺。學(xué)校應(yīng)舉辦豐富多彩的英語活動，例如，英語角、英語咖啡屋、英語話劇比賽、英語配音比賽、英語聽寫大賽、英語辯論賽和英語演講比賽等活動，為學(xué)生提供更多與他人學(xué)習(xí)和交流英語的機會，展現(xiàn)英語水平。學(xué)生在與他人交流的過程中也能增強自信。同時，教師在課堂上要擯棄填鴨式的傳統(tǒng)教學(xué)方法，堅持以學(xué)生為中心，在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)任務(wù)的安排上為學(xué)生提供更多的鍛煉機會，鼓勵學(xué)生嘗試。學(xué)生也應(yīng)該積極配合教師的安排，主動爭取鍛煉英語的交流機會。教師要多表揚學(xué)生的參與行為，使學(xué)生獲得成就感，激發(fā)社交熱情，促進合作式學(xué)習(xí)的開展，提高英語水平。

運用先行組織者(Advance Organizer)策略， 改變學(xué)生的認知準備狀態(tài)。人們對新知識的理解總是建立在自身原有的認知結(jié)構(gòu)(Cognitive Construct ion)的基礎(chǔ)上的, 當(dāng)原有認知結(jié)構(gòu)對新知識有支撐作用時，就相對容易理解新知識； 相反，如果原有認知結(jié)構(gòu)中缺乏支撐新知識的內(nèi)容或原有認知結(jié)構(gòu)中的相關(guān)知識未被激活，對新知識的理解將變得相對困難。在軟件項目中，教師應(yīng)該通過先行組織者策略，在新的學(xué)習(xí)任務(wù)開始之前, 呈現(xiàn)給學(xué)生比當(dāng)前學(xué)習(xí)任務(wù)更高一層的抽象性和包攝性的引導(dǎo)性材料，從而激活其認知結(jié)構(gòu)中與新知識相關(guān)的知識內(nèi)容，為學(xué)習(xí)新知識做好認知準備，這樣就避免了在學(xué)習(xí)新知識的同時，還要到長時記憶中去搜索相關(guān)知識的認知負擔(dān), 從而減輕外在認知負荷。

(2)樣例策略

呈現(xiàn)具有詳細解答步驟的樣例，讓學(xué)習(xí)者通過樣例學(xué)習(xí), 歸納出隱含的抽象知識來解決新問題。雖然自由目標(biāo)問題可以作為傳統(tǒng)練習(xí)或習(xí)題的一種替代， 但它僅僅應(yīng)用在較小的問題空間中。當(dāng)問題空間很大時，采用樣例學(xué)習(xí)，既能降低外在和內(nèi)在認知負荷，又能夠有效地促進圖式獲得和規(guī)則自動化。

給出一個完整軟件項目的具體樣例，包括各種管理設(shè)計文檔和代碼，除了少數(shù)關(guān)鍵知識點，讓學(xué)習(xí)者自行歸納出隱含的抽象知識來解決新項目的新問題。

(3)完成問題策略

呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者沒有完成解答的樣例，讓學(xué)習(xí)者根據(jù)題目要求而完成樣例。完成問題既可以降低外在負荷，又能夠促使學(xué)習(xí)者仔細研讀樣例，增加有效負荷。

對軟件項目來說，給出部分模塊的部分代碼，可以激發(fā)學(xué)生探索的欲望，提高學(xué)習(xí)興趣和積極性，促使學(xué)習(xí)者完成任務(wù)。

(4)注意集中策略

學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中必須參照多元表征的信息并加以整合才能理解，所以多元表征的信息最好在空間上鄰近、時間上同時呈現(xiàn)，否則學(xué)習(xí)者將注意分散至搜索相關(guān)信息中，而浪費整合信息需要的資源，無形增加外在負荷。

軟件項目開發(fā)既要強調(diào)編碼技能，又要注重規(guī)范流程，二者必須相輔相成，在時間和空間上緊密聯(lián)系。比如編碼與測試，就需要相互融合，不能截然分開。

(5)冗余策略

學(xué)習(xí)者在面對多元表征的信息來源時，如果單一的信息呈現(xiàn)即可傳達完整且明確的信息意義，即可以獨立呈現(xiàn)，無需互相參照多元表征即能理解，否則增加外在負荷。例如，當(dāng)文字以敘述方式單獨呈現(xiàn)時，學(xué)習(xí)者對呈現(xiàn)材料的理解要比同時以敘述和屏幕文本方式呈現(xiàn)要好，這里以屏幕方式呈現(xiàn)的文本信息就是多余的，應(yīng)該被清除掉。

軟件項目開發(fā)的各個知識點有些關(guān)聯(lián)密切，也有的具有相對獨立性，比如一些功能開發(fā)，這時應(yīng)注意去除冗余信息，幫助學(xué)習(xí)者理解知識點。

(6)通道策略

以不同的感官通道(主要是視覺、聽覺)呈現(xiàn)信息，可以擴展工作記憶的負荷。由于工作記憶本身包括相對分離的視空間感覺登記和聽覺感覺登記，表情具有分列式注意方式這一特征，因而無論是在時空上連續(xù)的還是分離的學(xué)習(xí)都會增加外在負荷。因此，若能同時使用不同的感官通道，既可降低外在負荷，又促進學(xué)習(xí)者對多元表征的信息之間建立聯(lián)系，增加有效負荷。

軟件項目開發(fā)中，經(jīng)常開展各種評審討論活動，用豐富的圖表和詳盡的講解同時進行，刺激不同的感官通道，可以讓學(xué)習(xí)者了解項目的各種度量，不斷調(diào)整開發(fā)的進度和策略。

(7)部分任務(wù)與整體任務(wù)策略

部分任務(wù)策略是指先呈現(xiàn)部分任務(wù)，然后依次呈現(xiàn)其余任務(wù)，最后呈現(xiàn)整體任務(wù)。Catrambone提出的子目標(biāo)方法[4]、Mayer 等提出的分割( segmentation)技術(shù)和預(yù)演( pre-t raining )技術(shù)[5]等主要屬于這類策略。子目標(biāo)方法是指采用附加一個標(biāo)簽或視覺分離方法，分解總學(xué)習(xí)任務(wù)為一些有意義的觀念性片段的子任務(wù)。子目標(biāo)分解了總目標(biāo)， 并構(gòu)成有語義的信息組塊，從而降低學(xué)習(xí)任務(wù)的內(nèi)在負荷；另外，子目標(biāo)內(nèi)部之間、子目標(biāo)與總目標(biāo)的內(nèi)在聯(lián)系，可能會促進學(xué)習(xí)者對此整合進行自我解釋, 導(dǎo)向?qū)W習(xí)者有意義建構(gòu)問題圖式，產(chǎn)生更多的有效負荷。分割技術(shù)，即將學(xué)習(xí)任務(wù)分割成系列片段，并依次呈現(xiàn)。這樣既降低內(nèi)在認知負荷，又留給學(xué)習(xí)者一定時間分步深層加工學(xué)習(xí)任務(wù)。而預(yù)演技術(shù)主要是在呈現(xiàn)學(xué)習(xí)任務(wù)之前，讓學(xué)習(xí)者先接受與學(xué)習(xí)任務(wù)相關(guān)的預(yù)先指導(dǎo)或先行組織者?？傊?，呈現(xiàn)部分任務(wù)，從總體上降低了樣例學(xué)習(xí)的內(nèi)在負荷，有利于部分圖式的形成。

整體任務(wù)策略是指首先抽取任務(wù)本身包含的元素， 接著將元素壓縮成組塊或信息單元并加以呈現(xiàn)，或逐漸釋放元素，直至呈現(xiàn)整體任務(wù)。

可以把軟件項目分割成一個個較小的模塊，每個模塊的封裝性要好，要具有單元的相對獨立性。同時教學(xué)單元要短小精悍，時間最好控制在20-30分鐘左右。

各個策略是相互聯(lián)系的，考慮其交互作用, 有利于優(yōu)化信息，最小化外在負荷。譬如, 從通道策略看, 應(yīng)整合視覺表征和聽覺表征信息, 學(xué)習(xí)任務(wù)的呈現(xiàn)模式應(yīng)該采用雙重表征，以產(chǎn)生通道效應(yīng)。但如果任務(wù)的信息呈現(xiàn)不滿足空間臨近效應(yīng)或時間臨近效應(yīng)出現(xiàn)的條件，將分散學(xué)習(xí)者的注意, 導(dǎo)致外在負荷增大, 產(chǎn)生分散注意效應(yīng)。另外，隨著學(xué)習(xí)者對任務(wù)有一定程度的理解，如果后面的任務(wù)仍然以雙重表征的方式呈現(xiàn)，會發(fā)生冗余效應(yīng)。這不僅增加外在負荷，甚至激發(fā)學(xué)習(xí)者的厭煩情緒而降低有效負荷。

學(xué)習(xí)任務(wù)的復(fù)雜性和學(xué)習(xí)者的先行知識經(jīng)驗是影響各個策略出現(xiàn)的重要變量, 考慮到學(xué)習(xí)任務(wù)的特征與學(xué)習(xí)者特征，降低外在負荷更有針對性。學(xué)習(xí)任務(wù)的復(fù)雜性不同，各個策略出現(xiàn)程度不同。譬如，對于簡單性學(xué)習(xí)任務(wù)來說，有些策略可能意義不大，而對復(fù)雜性任務(wù)，各種策略也許同時發(fā)生作用, 而且可能存在交互作用。先行知識經(jīng)驗不同的學(xué)習(xí)者對各個策略的敏感性可能存在顯著差異。譬如，知識經(jīng)驗少的學(xué)習(xí)者比知識經(jīng)驗多的學(xué)習(xí)者表現(xiàn)出更多的通道策略和空間鄰近策略。今后研究需要進一步明晰各個策略所依賴的條件，不僅僅考慮學(xué)習(xí)任務(wù)的信息呈現(xiàn), 而且探索影響學(xué)習(xí)的各種因素，綜合考慮各種策略的相互作用，為不同學(xué)習(xí)任務(wù)、不同學(xué)習(xí)者提供優(yōu)化的教學(xué)信息，降低認知負荷。

4 教學(xué)設(shè)計框架

以“ASP 項目實訓(xùn)”這門課程為例，以下簡要描述其教學(xué)設(shè)計框架。

表1 項目設(shè)計

實踐證明，通過引入認知負荷理論策略，學(xué)習(xí)者在軟件項目實訓(xùn)中提高了對復(fù)雜知識的理解能力，較好地完成了任務(wù)。

5 結(jié)束語

按照應(yīng)用型教育的要求，結(jié)合當(dāng)前我國高校學(xué)生的具體情況，進行計算機實踐教學(xué)的研究迫在眉睫。針對這種情況，應(yīng)對高校計算機實踐教學(xué)方式方法進行反思，探討進行計算機實踐教學(xué)改革。在計算機實訓(xùn)課程中改革傳統(tǒng)的教學(xué)模式，將認知負荷理論導(dǎo)入到計算機軟件專業(yè)實訓(xùn)課程設(shè)計中，改革了軟件實訓(xùn)過程，提升了實訓(xùn)質(zhì)量，提高了學(xué)生實踐應(yīng)用能力。提高學(xué)生的相關(guān)認知負荷，關(guān)鍵是要激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(尤其是內(nèi)部動機)，使學(xué)生加大自身的認知努力。為此，教育者要通過多種途徑和手段，把社會和教育者向?qū)W生提出的學(xué)習(xí)要求轉(zhuǎn)化為學(xué)習(xí)者內(nèi)在的學(xué)習(xí)需要。

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