張恩銘 盛群力

摘 要：大規(guī)模、開放的在線課程（慕課）是一種計算機輔助學(xué)習(xí)形式。它為無數(shù)參與者提供開放的互聯(lián)網(wǎng)教育資源，然而有人卻批評其整體質(zhì)量和實用性。在建設(shè)慕課時，大多數(shù)開發(fā)者只在最低程度上，考慮人類認(rèn)知架構(gòu)及相關(guān)的教學(xué)設(shè)計原則。本文認(rèn)為，認(rèn)知負(fù)荷理論源于人類認(rèn)知架構(gòu)和進化教育心理學(xué)，可以為任何計算機輔助學(xué)習(xí)形式（包括慕課）提供理想的教學(xué)設(shè)計原則。本文首先概述這一理論，之后提出一些教學(xué)設(shè)計原則。在計算機輔助學(xué)習(xí)環(huán)境下，人可以據(jù)此設(shè)計在線學(xué)習(xí)，并找到教學(xué)設(shè)計的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知負(fù)荷理論;進化教育心理學(xué);人類認(rèn)知架構(gòu);教學(xué)設(shè)計;慕課

一、引言

2008年以來，慕課（MOOCs）平臺越來越多。對那些想在校外學(xué)習(xí)，卻沒有正式學(xué)歷的人來說，這些平臺為其提供了開放獲?。∣pen Access）的資源和在線課程（Hew，2016;McAuley，Stewart，Siem-ens & Cormier，2015）。正是由于這種可選擇性和人們對慕課的需求，一些人研究了可能提高慕課教學(xué)質(zhì)量的因素（Deimann & Vogt，2015;Moe，2015;Siemens，2013）。然而，盡管慕課起源于學(xué)習(xí)科學(xué)，但其中大多數(shù)的組織基礎(chǔ)并不是目前對人類認(rèn)知的認(rèn)識（參見Clarà & Barberà，2014中的討論部分）。本文認(rèn)為，要想設(shè)計出教學(xué)效果更好的在線學(xué)習(xí)（包括慕課）材料，就需要用到基于人類認(rèn)知架構(gòu)（human cognitive architecture）的認(rèn)知負(fù)荷理論（cognitive load theory）（Sweller，2012;Sweller，Ayres & Kalyuga，2011）。首先，我們將對在線學(xué)習(xí)的一些理論和實踐問題進行概述，之后簡要介紹認(rèn)知負(fù)荷理論，并假設(shè)該理論同計算機輔助學(xué)習(xí)（例如慕課）相關(guān)，最后在其指導(dǎo)下，總結(jié)教學(xué)效果。

二、影響慕課設(shè)計有效性的一般因素

香檳（Champaign）等人（2014）研究了在線學(xué)習(xí)時間與表現(xiàn)和技能之間的相關(guān)性。結(jié)果表明，學(xué)生的技能水平與在線學(xué)習(xí)時間呈強烈的負(fù)相關(guān)關(guān)系。這說明領(lǐng)域內(nèi)專業(yè)知識較多的學(xué)生，只需較少的時間就可以學(xué)習(xí)相關(guān)材料。然而，在線學(xué)習(xí)時間與概念學(xué)習(xí)卻呈強烈的正相關(guān)關(guān)系。這說明學(xué)生在線學(xué)習(xí)的時間越長，概念學(xué)習(xí)效果越好。不過，作者擔(dān)心，由于被試的選擇范圍大、可用的教學(xué)技能多，很難確定究竟是哪些因素影響了學(xué)習(xí)。

休（Hew，2016）研究了影響學(xué)生在線學(xué)習(xí)參與度的教學(xué)設(shè)計因素。研究對象是參與語言、文學(xué)和藝術(shù)與設(shè)計三個慕課項目的學(xué)生。通過檢查這些學(xué)生反映的數(shù)據(jù)，他找到五個影響參與度的因素：（1）課程以問題為導(dǎo)向，有明確的解釋;（2）講師愿意與學(xué)生互動，教學(xué)富有熱情;（3）學(xué)生可以和同伴互相分享知識和見解;（4）學(xué)生專注于學(xué)習(xí)和思考正在講授的內(nèi)容;（5）學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)風(fēng)格偏好，使用和參與多種在線資源和活動。

埃爾·哈穆多娃（El-Hmoudova，2014）基于多種學(xué)習(xí)風(fēng)格偏好，探討了課程數(shù)量多但輟課率（dropout rates）高的問題。許多學(xué)生在視覺效果、活躍程度和學(xué)習(xí)順序方面有中等程度的偏好。此外，如果學(xué)生對某個學(xué)習(xí)風(fēng)格有強烈偏好，那么就會想讓在線學(xué)習(xí)環(huán)境也能適應(yīng)其風(fēng)格。鄭（Zheng，2015）等人也著重研究了輟課率。結(jié)果表明，激勵學(xué)生學(xué)習(xí)慕課的一個原因是，其可以幫助自己做好高中升大學(xué)的準(zhǔn)備。另一個原因則是社交互動（social interaction）——至少對一些學(xué)生來說，最初加入慕課的動機是認(rèn)識更多的人。此外，王和貝克（Wang & Baker，2015）關(guān)于學(xué)習(xí)動機的觀點也很引人注目，即完成慕課的學(xué)生對其內(nèi)容本身更感興趣，而未完成的學(xué)生卻只會視慕課為一次學(xué)習(xí)體驗。

三、影響慕課學(xué)習(xí)質(zhì)量的因素

有人指出，目前慕課不但教學(xué)質(zhì)量（包括內(nèi)容質(zhì)量、教學(xué)設(shè)計質(zhì)量和教學(xué)實施質(zhì)量）低，而且鮮有研究關(guān)注其提高（Bali，2014;Fischer，2014）。奧西安尼爾索等人（Ossiannilsso，Altinay & Altinay，2015）的研究表明，教學(xué)設(shè)計和學(xué)習(xí)環(huán)境會影響學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)體驗，并且這二者同開放性（openness）、個性化（personalization）、選擇性學(xué)習(xí)（choice-based learning）和協(xié)作學(xué)習(xí)環(huán)境（colla-borative learning context）一樣，會從多個方面影響慕課質(zhì)量。這些因素解釋了恩庫瓦沃西（Nkuyubwatsi，2013）的看法。他基于學(xué)生視角，從學(xué)習(xí)環(huán)境評估和慕課設(shè)計兩方面，比較了在線學(xué)習(xí)和面對面教學(xué)，并認(rèn)為慕課在開放性、可選擇性、多樣性和風(fēng)格化方面可能優(yōu)于面對面教學(xué)，但后者可以安排更多同齡人之間的互動。費希爾（Fischer，2014）認(rèn)為，就學(xué)習(xí)質(zhì)量而言，慕課也許不是最理想的在線學(xué)習(xí)形式。因為許多慕課仍采用傳統(tǒng)教學(xué)模式，并且已經(jīng)商業(yè)化。大多數(shù)批判性研究都明確指出，目前缺乏對慕課教學(xué)方法的研究（Bali，2014;Deimann & Vogt，2015;Moe，2015）。此外，不論是那些主張互動、提供協(xié)作學(xué)習(xí)空間的，還是那些提供內(nèi)容的慕課（Siemens，2013），都沒有重視在線學(xué)習(xí)者的認(rèn)知需求。

以上回顧了一些關(guān)于慕課和其他計算機輔助教學(xué)形式的研究。本文認(rèn)為，為了設(shè)計出有效的在線教學(xué)，未來可能需要基于人類認(rèn)知設(shè)計和評估計算機輔助學(xué)習(xí)環(huán)境。在下一節(jié)，我們將介紹基于人類認(rèn)知架構(gòu)的認(rèn)知負(fù)荷理論，之后從認(rèn)知角度出發(fā)，討論慕課和其他計算機輔助學(xué)習(xí)形式的結(jié)構(gòu)。

四、認(rèn)知負(fù)荷理論

知識可分為兩級：生物初級和生物高級（Geary，2007，2008，2012;Geary & Berch，2016）。隨著進化，人習(xí)得生物初級知識（biologically primary knowledge）是不費力的、順理成章的，并且不需要他人指導(dǎo)。大多數(shù)通用認(rèn)知技能都是生物初級的，例如一般的問題解決策略（Tricot & Sweller，2014）。

隨著文化的發(fā)展，人類開始需要另一類知識——生物高級知識（biologically secondary knowledge），其與生物初級知識存在本質(zhì)上的不同。習(xí)得生物高級知識需要自己下意識的努力和他人明確的指導(dǎo)（Kirschner，Sweller & Clark，2006;Sweller，Kirschner & Clark，2007），因為從本質(zhì)上講，其中大部分都是特定領(lǐng)域知識而非通用認(rèn)知知識。我們之所以需要思考“怎樣做到相關(guān)信息的最佳傳遞”，就是因為習(xí)得生物高級知識需要他人明確的指導(dǎo)。認(rèn)知負(fù)荷理論關(guān)注的就是這個問題，它與一切計算機輔助教學(xué)形式的成功密切相關(guān)。

人類認(rèn)知架構(gòu)是認(rèn)知負(fù)荷理論的基礎(chǔ)，涉及對認(rèn)知結(jié)構(gòu)、認(rèn)知功能和加工過程的組織。正因其存在，我們才能用教學(xué)設(shè)計的重頭戲——生物高級知識——來學(xué)習(xí)、思考和解決問題（Sweller et al.，2011）。人類認(rèn)知架構(gòu)類似于生物進化論中的“自然信息加工系統(tǒng)”（natural information processing system）。我們可以將其描述為“五項基本原則”（Sweller & Sweller，2006）。

信息存貯原則（Information store principle）：人若想其認(rèn)知系統(tǒng)發(fā)揮作用，就需要在長時記憶中存貯大量特定領(lǐng)域的信息（De Groot，Gobet & Jongman，1996）。我們認(rèn)為，長時記憶中的信息容量和存貯時間是沒有限制的。從教育角度看，一個人在相關(guān)領(lǐng)域有無專長，取決于他（她）之前是否習(xí)得并存貯了大量的生物高級知識和特定領(lǐng)域知識。

引用與重組原則（The borrowing and reorgani-zing principle）：認(rèn)知系統(tǒng)需要大量信息才能發(fā)揮作用，這些信息主要引用自他人。比如，我們閱讀他人的作品，聆聽他人的講話，以及模仿他人的行為（Bandura，1986）。其他物種幾乎都不具備這項生物初級技能——從他人身上獲取信息的能力。引用的信息與長時記憶中的原有知識相結(jié)合（即整合與重組）以后，才能存貯在長時記憶中。

隨機生成原則（Randomness as genesis princi-ple）：在解決問題時，人如果無法引用他人信息，那么就可以用“隨機生成和檢驗程序”來生成信息，之后將其與長時記憶中存貯的有效信息進行比較，以確定其有效性。無效的信息不能進入長時記憶。

變化最小原則（Narrow limits of change princi-ple）：“隨機生成和檢驗”過程發(fā)生在工作記憶中，但是如果需要檢驗的元素過多，那么工作記憶就不能有效工作。原因是在加工來自環(huán)境的新信息時，工作記憶容量（Cowan，2001;Miller，1956）和持續(xù)時間（Peterson & Peterson，1959）有限。不過，也正是由于工作記憶每次加工的信息量有限，長時記憶才不會發(fā)生大而迅速的變化，從而保持其正常功能。

環(huán)境組織與聯(lián)結(jié)原則（Environmental organizing and linking principle）：最后這個原則揭示了人如何從長時記憶中提取存貯的信息，并據(jù)此確定行為。環(huán)境中的外部信號激活了長時記憶中存貯的相關(guān)信息，之后人再將其轉(zhuǎn)移至工作記憶中，以確定行為。與來自環(huán)境的新信息不同，工作記憶可以無限處理來自長時記憶的良構(gòu)信息（Ericsson & Kintsch，1995）。

本節(jié)介紹了人類認(rèn)知架構(gòu)，它是認(rèn)知負(fù)荷理論的基礎(chǔ)。我們可以利用“引用與重組原則”，從他人那里獲取信息。如果獲取不到所需信息，我們也可以嘗試?yán)谩半S機生成原則”生成信息。根據(jù)“變化最小原則”，工作記憶雖然其容量和持續(xù)時間有限，但還是必須加工這些新信息。人可以利用“信息存貯原則”，將加工后的信息存貯在長時記憶中。完成存貯后，根據(jù)“環(huán)境組織與聯(lián)結(jié)原則”，環(huán)境中的線索（cues）可以激活這些已有的、熟悉的信息。

五、元素交互性與認(rèn)知負(fù)荷類型

上述結(jié)構(gòu)解釋了人如何獲取和使用信息，也指導(dǎo)了基于計算機技術(shù)的教學(xué)設(shè)計（例如慕課和計算機輔助學(xué)習(xí)）。下面我們將用元素交互性（element interactivity）的概念，討論為什么某些信息會造成繁重的工作記憶負(fù)荷。

元素交互性

元素交互性是衡量任務(wù)復(fù)雜性的指標(biāo)之一，作為一個基本概念，人們可以用它來確定認(rèn)知負(fù)荷類型。由于交互的元素之間有邏輯聯(lián)系，所以工作記憶必須同時加工它們（Sweller，2010）。例如，當(dāng)學(xué)生正在學(xué)習(xí)解代數(shù)方程時，其工作記憶負(fù)荷和問題的元素交互性都很高。這是因為方程的任何一部分發(fā)生變化，都會對整體造成影響。學(xué)生必須學(xué)習(xí)方程中的各個交互元素。反之，當(dāng)學(xué)生正在學(xué)習(xí)第二外語的單詞時，卻可以分別理解其釋義，因為其互相之間沒有邏輯聯(lián)系。學(xué)習(xí)這類材料時，元素交互性和認(rèn)知負(fù)荷都很低，原因是學(xué)生在學(xué)習(xí)某個單詞的釋義時，不需要考慮其他單詞。

兩種認(rèn)知負(fù)荷類型

最新版本的認(rèn)知負(fù)荷理論討論了兩種認(rèn)知負(fù)荷：內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷和外在認(rèn)知負(fù)荷（Kalyuga，2011）。內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷（intrinsic load）由學(xué)習(xí)材料確定，其影響因素包括學(xué)習(xí)材料性質(zhì)和元素交互性水平。之前提到的兩個示例——解代數(shù)方程和學(xué)習(xí)第二外語單詞——都隱含內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷的變化。

改變學(xué)習(xí)信息或?qū)W習(xí)者的類型，都會使內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷發(fā)生變化。例如，如果解方程的人是專家，那么與新手學(xué)習(xí)者相比，其內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷和元素交互性較低。根據(jù)“環(huán)境組織與聯(lián)結(jié)原則”，專家可以將整個方程視為一個元素，因為其長時記憶中有相關(guān)信息。

與內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷不同，外在認(rèn)知負(fù)荷（extraneous load）的影響因素是學(xué)習(xí)材料的呈現(xiàn)方式。這種認(rèn)知負(fù)荷會干擾學(xué)習(xí)，因此教師應(yīng)努力減少或消除其影響。它的另一個影響因素是元素交互性。如果我們能在不改變學(xué)習(xí)內(nèi)容的情況下，改變元素交互性，那么外在認(rèn)知負(fù)荷也會發(fā)生變化。例如，當(dāng)新手學(xué)習(xí)者采用樣例學(xué)習(xí)時，工作記憶中必須同時加工的交互性元素就會減少，而當(dāng)其嘗試解決問題時，相反的效應(yīng)就會產(chǎn)生，因為此時元素交互性水平高（Sweller，2010）。在學(xué)習(xí)樣例時，學(xué)習(xí)者只需要加工那些得到答案所必需的步驟。而在解決新問題時，學(xué)習(xí)者則需要加工那些無效的步驟，從而提高了元素交互性。

六、基于認(rèn)知負(fù)荷理論的慕課建設(shè)指南

雖然在建設(shè)慕課時，還沒有用到認(rèn)知負(fù)荷理論，但是有理由認(rèn)為，人可以將其提供的教學(xué)設(shè)計建議，直接用于慕課和其他計算機輔助學(xué)習(xí)過程。文獻中已經(jīng)指出了一些慕課的問題，我們假設(shè)這些問題由不良教學(xué)設(shè)計引起。所謂“不良”，是指忽視人類認(rèn)知架構(gòu)和進化教育心理學(xué)。在本節(jié)，我們將研究如何基于認(rèn)知負(fù)荷理論，指導(dǎo)慕課教學(xué)。

有隨機對照實驗表明，和傳統(tǒng)的教學(xué)條件相比，認(rèn)知負(fù)荷理論提出的教學(xué)條件，可以讓學(xué)習(xí)者更高級地學(xué)習(xí)。這證實了認(rèn)知負(fù)荷理論框架下的認(rèn)知負(fù)荷效應(yīng)（cognitive load effects）。我們假設(shè)，在其指示下，人可以有效建設(shè)計算機輔助學(xué)習(xí)平臺（例如慕課），以促進學(xué)習(xí)。本節(jié)我們將討論這些效應(yīng)，以直接用于計算機輔助學(xué)習(xí)。

自由目標(biāo)效應(yīng)（The goal-free effect）

自由目標(biāo)問題旨在通過“手段—目的分析法”來減少無關(guān)認(rèn)知負(fù)荷（Sweller，Van Merri nboer & Paas，1998）。假設(shè)現(xiàn)在需要解一道幾何問題：求角的值。這是一道“固定目標(biāo)問題”。新手一般會用“手段—目的分析法”，專注于問題目標(biāo)，找到一系列問題解決步驟，以減小已知條件和目標(biāo)之間的差距。在過程中，學(xué)習(xí)者需要學(xué)習(xí)許多交互性元素，這加重了工作記憶的負(fù)荷。

然而，自由目標(biāo)問題可能是一些開放性問題，例如讓學(xué)生找到所有滿足題設(shè)的角度值。學(xué)習(xí)者只需閱讀題目的已知條件，計算出可能的角度值即可。學(xué)習(xí)者在同一時間內(nèi)，只需要考慮某一個，而非一系列滿足題設(shè)的角度，這降低了元素交互性，所以他便能以更好的狀態(tài)，區(qū)分問題類型并做出相應(yīng)行為。艾爾斯（Ayres，1993）表示，與傳統(tǒng)的固定目標(biāo)問題相比，使用自由目標(biāo)問題的教學(xué)效果更好。

樣例效應(yīng)（The worked example effect）

樣例效應(yīng)是指與不提供指導(dǎo)相比，向?qū)W習(xí)者提供完整的問題解決指導(dǎo)會使其學(xué)得更好（Renkl，2014）。由前面的理論分析可知，根據(jù)引用與重組原則，學(xué)習(xí)樣例就是引用他人的良構(gòu)知識;而根據(jù)隨機生成原則，如果學(xué)習(xí)者缺乏特定領(lǐng)域知識和問題解決知識，那么在解決問題時，就需要隨機生成解決方案，并分別測試其有效性。與后者相比，學(xué)習(xí)者在加工樣例時，需要處理的交互性元素較少，其外在認(rèn)知負(fù)荷也較小。

許多研究調(diào)查并支持了樣例效應(yīng)，其內(nèi)容涉及多個領(lǐng)域（Cooper & Sweller，1987;Kyun，Kalyuga & Sweller，2013;Paas，1992;Rourke & Sweller，2009;Sweller & Cooper，1985）。有人調(diào)查了用播客提供樣例，是否可以提高學(xué)生的數(shù)學(xué)表現(xiàn)（Kay & Edwards，2012;Kay & Kletskin，2012）。學(xué)生對這些播客的反響強烈，其數(shù)學(xué)表現(xiàn)也有所提高。然而，在這些實驗中，樣例學(xué)習(xí)并未與其他形式的教學(xué)設(shè)計進行比較。

不過，并非任何程度的樣例都能有效地減少外在認(rèn)知負(fù)荷。如果提供了無效樣例，或?qū)W習(xí)者不需要的樣例，那么就可能產(chǎn)生負(fù)面影響。我們將在后面幾個部分討論這些問題。

問題補全效應(yīng)（The problem completion effect）

待補全的問題可以替代那些提供了全部解決方案的傳統(tǒng)示例。它明確提供一些解題步驟，但卻留下關(guān)鍵步驟，以供學(xué)習(xí)者補全。

范梅里恩伯爾（Van Merri nboer，1990）首次深入研究了任務(wù)補全的有效性?！叭蝿?wù)”的來源是認(rèn)知負(fù)荷理論框架下的計算機編程課。研究人員將學(xué)生隨機分為兩組：傳統(tǒng)策略組和問題補全組。在傳統(tǒng)策略組，學(xué)生需要設(shè)計和編寫新的計算機程序;而在問題補全組，學(xué)生則需要修改和擴展現(xiàn)有的計算機程序。后測結(jié)果表明，問題補全組的表現(xiàn)更好。范梅里恩伯爾和德克羅克（DeCroock，1992）進行了類似內(nèi)容的研究。后測結(jié)果也表明，問題補全比傳統(tǒng)問題解決的效果要好。

為了研究問題補全效應(yīng)，帕斯（Paas，1992）比較了三種情況：樣例、問題補全和傳統(tǒng)問題解決。結(jié)果表明，樣例組、問題補全組比傳統(tǒng)問題解決組的效果要好。然而，對問題補全組來說，或許只有在遠(yuǎn)遷移后測任務(wù)中，才能產(chǎn)生這種“好效果”（Van Merri-? nboer，Schuurman，DeCroock & Paas，2002）。

分散注意效應(yīng)（The split-attention effect）

課堂上的信息可能在空間或時間上相互分離。當(dāng)學(xué)生需要分散其注意力，以處理這些來源豐富的信息時，分散注意效應(yīng)便發(fā)生了。如果信息本身不夠清晰，并且難以理解，那么學(xué)生就需要在心理上整合（Sweller et al.，2011）。然而，如果教師已經(jīng)整合了這些信息，那么交互元素的數(shù)量就會減少。學(xué)生不再需要自行整合，其外在認(rèn)知負(fù)荷就會減少，學(xué)習(xí)效果也會變好。

多媒體學(xué)習(xí)也提出同樣的效應(yīng)。例如，卡爾優(yōu)加、錢德勒和斯維勒（Kalyuga，Chandler & Sweller，1999）將圖表和文字制作成計算機輔助教學(xué)材料，之后測試效果。他們發(fā)現(xiàn)，與分散注意的信息相比，預(yù)先整合的信息可以增強學(xué)習(xí)效果。謝里希和吉崎（Al-Shehri & Gitsaki，2010）比較了兩種教學(xué)設(shè)計：分散注意和整合呈現(xiàn)，之后評估了學(xué)習(xí)者的在線閱讀表現(xiàn)。結(jié)果表明，在線整合材料可以增強學(xué)習(xí)效果。類似地，劉、林、蔡和帕斯（Liu，Lin，Tsai & Paas，2012）研究了在物理領(lǐng)域中，移動學(xué)習(xí)（mobile learning）的分散注意效應(yīng)。結(jié)果也表明，當(dāng)文字和圖片同時出現(xiàn)在移動設(shè)備中時，學(xué)生表現(xiàn)得更好。

冗余效應(yīng)（The redundancy effect）

在認(rèn)知負(fù)荷理論的框架內(nèi)，任何不需要學(xué)習(xí)的信息都是冗余信息（Sweller et al.，2011）。例如，用多種形式提供的相同信息（如供學(xué)生聆聽或閱讀的文字），或不必要的裝飾性信息（誘人的細(xì)節(jié)，如與文字有關(guān)的動畫）。如果工作記憶加工了這些信息，那么就會增加其外在負(fù)荷。冗余信息似乎也能分散注意，因為它也來自多個信息源（source），但冗余效應(yīng)更強調(diào)，學(xué)習(xí)者不用互相對照這些信息，就能實現(xiàn)理解。例如，在多媒體學(xué)習(xí)中，當(dāng)相同的信息同時以圖表和文本，或書面和口頭的形式呈現(xiàn)時，冗余效應(yīng)就可能產(chǎn)生。

當(dāng)冗余發(fā)生時，我們應(yīng)該減少一個信息源，而不是整合來自多個信息源的信息。例如，錢德勒和斯維勒（Chandler & Sweller，1991）設(shè)計了一個生物學(xué)實驗，一組的學(xué)習(xí)材料是心臟、肺和身體的血液流動圖，以及一篇相同內(nèi)容的書面文字;而另一組則只能看到相同的流動圖。結(jié)果表明，沒有書面內(nèi)容的小組反而學(xué)得更好。梅耶、海澤和?。∕ayer，Heiser & Lonn，2001）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)學(xué)習(xí)材料只是帶有講解的動畫，而不在屏幕上附加與講解內(nèi)容一致的文字時，大學(xué)生學(xué)得更好。

雙重通道效應(yīng)（The modality effect）

怎樣使用圖表和文本？這取決于其產(chǎn)生的分散注意效應(yīng)和冗余效應(yīng)。類似地，怎樣提供視覺和聽覺信息，則取決于兩個信息源之間的邏輯關(guān)系。如前所述，我們不應(yīng)該口頭重復(fù)書面信息，因為這會造成冗余。然而，在某些嚴(yán)格界定的條件（與分散注意效應(yīng)的條件類似）下，同時提供視覺和聽覺信息反而是有益的。如果學(xué)生沒有文本就無法看懂一張圖表，那么便滿足了分散注意效應(yīng)的條件，此時最好口述內(nèi)容，而非提供書面文字，或?qū)D表和文字整合在一起。

工作記憶有兩個組成部分：視覺-空間畫板（visuo-spatial sketch pad）和語音回路（phonological loop）（Baddeley，1992）。廷德爾福特、錢德勒和斯維勒（Tindall-Ford，Chandler & Sweller，1997）指出，與只利用視覺通道相比，學(xué)習(xí)者同時利用視覺和聽覺通道，可以學(xué)得更好。可能的解釋是，同時使用兩個通道增加了工作記憶的可用容量（Penney，1989）。許多人都研究了雙重通道效應(yīng)（Kalyuga，Chandler & Sweller，2000;Mayer & Moreno，1998;Tindall-Ford et al.，1997）。廷德爾福特等人（1997）比較了兩種文字和圖表的呈現(xiàn)方式：一是分別用聽覺和視覺呈現(xiàn);二是只用視覺呈現(xiàn)。結(jié)果表明，混合呈現(xiàn)要優(yōu)于單一通道呈現(xiàn)。梅耶和莫雷諾（Mayer & Moreno，1998）也做了類似的研究，設(shè)計了多種實驗，內(nèi)容是解釋閃電形成過程或汽車制動系統(tǒng)。在實驗中，一組聆聽主要步驟的講解，而另一組則閱讀屏幕上的文字，其內(nèi)容與前一組的講解相同。結(jié)果證明，混合呈現(xiàn)的學(xué)習(xí)效果更好。

信息即逝效應(yīng)（The transient information effect）

雙重通道效應(yīng)表明，用聽覺形式呈現(xiàn)信息具有潛在優(yōu)勢。然而，這種方式有其局限性。與文本不同，口述是短暫的。如果這些冗長并且元素交互性很高的材料是書面文字，那么學(xué)習(xí)者就可以隨時重復(fù)閱讀。他們可以停下來去思考某一部分內(nèi)容（例如難點），也能根據(jù)需要回看;但是如果口述呈現(xiàn)，由于其短暫性，我們就很難甚至不可能思考和回看，因為新信息很快就會取代舊信息。如果材料的元素交互性很高，那么工作記憶就需要同時加工新舊信息，但是問題在于，舊信息已經(jīng)消失。基于認(rèn)知負(fù)荷理論，不應(yīng)以口頭形式呈現(xiàn)元素交互性高的信息。因為在舊的聲音信息消失以前，學(xué)生可能來不及加工，之后也很難，甚至不可能恢復(fù)它們，這便產(chǎn)生了信息即逝效應(yīng)。

信息即逝效應(yīng)表明，在材料的元素交互性高時，短暫式呈現(xiàn)（例如口述）比書面呈現(xiàn)相同材料的效果要差。此外，信息即逝效應(yīng)也會影響雙重通道效應(yīng)。萊希和斯維勒（Leahy & Sweller，2011）得到的“反通道效應(yīng)”（reverse modality effect）認(rèn)為，書面信息優(yōu)于聽覺信息。只有當(dāng)元素交互性高的文本分小段呈現(xiàn)時，才能得到傳統(tǒng)的“雙重通道效應(yīng)”，即聽覺信息更有用。

即逝信息不只是聽覺信息，還包括視頻和動畫。黃、萊希、馬庫斯和斯維勒（Wong，Leahy，Marcus & Sweller，2012）也研究了信息即逝效應(yīng)。他們采用講解教學(xué)和動畫輔助教學(xué)兩種形式，得到了與萊希和斯維勒（2011）相似的結(jié)果，后者檢驗了雙重通道效應(yīng)。結(jié)果表明，冗長的動畫輔助教學(xué)不如靜態(tài)圖像有效，而后者則不如分段呈現(xiàn)的動畫有效。

信息即逝效應(yīng)與計算機輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)密切相關(guān)。隨著現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我們能更加輕易地使用口頭語言、視頻和動畫。不過，使用這些技術(shù)的能力并不能解釋其自身的合理性。最終判斷教學(xué)方法有效性的不是教學(xué)技術(shù)，而是之前就出現(xiàn)的人類認(rèn)知。

想象效應(yīng)（The imagination effect）

想象效應(yīng)是指在學(xué)習(xí)程序或概念時，想象學(xué)習(xí)比傳統(tǒng)學(xué)習(xí)的效果好（Leahy & Sweller，2004）。一些研究應(yīng)用想象策略，來學(xué)習(xí)程序性和概念性知識，已經(jīng)得到了正向結(jié)果（Leahy & Sweller，2004，2005，2008）。萊希和斯維勒（2004）比較了想象策略和傳統(tǒng)學(xué)習(xí)。結(jié)果表明，使用想象策略比學(xué)習(xí)說明書的效果好。后來，萊希和斯維勒（2005，2008）擴展了他們2004年的結(jié)論：元素交互性高的材料更可能產(chǎn)生想象效應(yīng)。

洛伊特納、利奧波德和薩姆弗斯（Leutner，Leopold & Sumfleth，2009）在多媒體學(xué)習(xí)的化學(xué)課上，比較了繪制示意圖和想象分子結(jié)構(gòu)圖這兩種行為。結(jié)果表明，想象分子結(jié)構(gòu)圖降低了認(rèn)知負(fù)荷水平，并增強了學(xué)生的理解，而繪制示意圖卻提高了認(rèn)知負(fù)荷水平，并降低了其理解。

獨立元素效應(yīng)（The isolated elements effect）

獨立元素效應(yīng)是指最開始呈現(xiàn)的教學(xué)信息中，獨立的元素，而非復(fù)雜交互的元素，可以減少過多的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷。其缺點是，由于信息以獨立元素的形式呈現(xiàn)，所以學(xué)習(xí)者起初可能不太理解它們之間的關(guān)系。不過，學(xué)習(xí)者可以先形成部分圖式，之后再借助下一階段的教學(xué)，來了解它們之間的關(guān)系，進而形成整體圖式（Pollock，Chandler & Sweller，2002）。

布萊尼、卡爾優(yōu)加和斯維勒（Blayney，Kalyuga & Sweller，2010）比較了兩種教學(xué)形式：獨立—交互元素形式和完全交互元素形式。實驗的參與者是會計專業(yè)的大學(xué)生。結(jié)果表明，新手學(xué)習(xí)者從前一種形式中獲益更多，而專家學(xué)習(xí)者則在后者中的學(xué)習(xí)效果更好。在實驗中，當(dāng)專家采用獨立—交互元素形式學(xué)習(xí)時，需要動用額外的工作記憶資源，以將這些簡單的獨立元素和原有知識整合起來，這反而干擾了學(xué)習(xí)。結(jié)果還表明，獨立—交互元素策略與學(xué)習(xí)者的專業(yè)知識存在交互作用，下一節(jié)討論的就是與其相關(guān)的“專長逆轉(zhuǎn)效應(yīng)”。

專長逆轉(zhuǎn)效應(yīng)（The expertise reversal effect）

所有教學(xué)上的“效應(yīng)”，包括認(rèn)知負(fù)荷效應(yīng)，都有各自的適用范圍。專長逆轉(zhuǎn)效應(yīng)（Kalyuga，Ayres，Chandler & Sweller，2003）與許多認(rèn)知負(fù)荷效應(yīng)一樣，其邊界的來源是學(xué)習(xí)者類型和任務(wù)特征的交互作用。假設(shè)我們基于認(rèn)知負(fù)荷理論，提出了一種與傳統(tǒng)方法相比，對新手學(xué)習(xí)者更有效的新方法，那么隨著學(xué)習(xí)者專業(yè)知識的增加，新方法的相對有效性可能降低。最終，新方法可能徹底失去優(yōu)勢，其與舊方法的相對有效性甚至?xí)孓D(zhuǎn)。

人們普遍用冗余效應(yīng)來解釋專長逆轉(zhuǎn)效應(yīng)。新手學(xué)習(xí)者必需的信息，對專家學(xué)習(xí)者來說是冗余且負(fù)面的。例如，新手可能需要在樣例的協(xié)助下，才能理解問題的解法。但是隨著學(xué)習(xí)者專業(yè)知識的增加，這些樣例會變得無效、冗余，直至產(chǎn)生專長逆轉(zhuǎn)效應(yīng)（Kalyuga，Chandler，Tuovinen & Sweller，2001）。再例如，卡爾優(yōu)加（Kalyuga，2000）等人在進行對照實驗時也發(fā)現(xiàn)了專長逆轉(zhuǎn)效應(yīng)。參與實驗的兩組學(xué)生分別學(xué)習(xí)帶有和不帶有聲音講解的圖表。在實驗中，教師對學(xué)生進行了培訓(xùn)，以增加其專業(yè)知識。起初，帶聲音講解的效果更好，但隨著學(xué)生專業(yè)知識的增多，不帶聲音講解的效果反而更好。

計算機輔助學(xué)習(xí)是克服專長逆轉(zhuǎn)效應(yīng)的理想方式。根據(jù)該效應(yīng)，隨著學(xué)習(xí)者專業(yè)水平的提高，教師也應(yīng)該改變其教學(xué)類型。一種可行的辦法是：對學(xué)習(xí)者進行在線評估，據(jù)其知識水平來改變教學(xué)方法，這比“一把尺子衡量法”（one-size-fits-all regime）要合理得多（Kalyuga & Sweller，2004，2005）。

撤除指導(dǎo)效應(yīng)（The guidance fading effect）

根據(jù)專長逆轉(zhuǎn)效應(yīng)，學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計依據(jù)是學(xué)習(xí)者的專業(yè)知識。撤除指導(dǎo)效應(yīng)（Renkl，2014）提供了一種合理設(shè)計學(xué)習(xí)環(huán)境的方法。例如，我們可以將完整的樣例改成待補全的任務(wù)（參見相關(guān)章節(jié)），之后再讓學(xué)生解決問題（Van Merrinboer，Kirschner & Kester，2003;Van Merrinboer，1990）?！俺烦笇?dǎo)效應(yīng)”的提出基于這樣的假設(shè)：隨著學(xué)習(xí)者專業(yè)知識的增多，雖然其解決的問題更復(fù)雜，但仍將擁有充足的工作記憶資源。

倫克爾、阿特金森、邁爾和斯特利（Renkl，Atkinson，Maier & Staley，2002）將“逆向與正向撤除指導(dǎo)”同另外兩種教學(xué)策略——“傳統(tǒng)樣例”和“問題解決對”——進行比較。不論是課堂實驗還是實驗室實驗，“撤除指導(dǎo)”都優(yōu)于另外兩種策略。

在使用該策略時，應(yīng)該注意的另一個問題是撤除指導(dǎo)的速度。賴斯林、 蘇里文等人（Reisslein，Sulli-van & Reisslein，2007）比較了三種撤除速度：立刻撤除、快速撤除和緩慢撤除。立刻撤除組在學(xué)習(xí)樣例后直接解決問題;而快速撤除組則在學(xué)習(xí)樣例后，完成待補全的任務(wù)，其待補全程度逐漸增加（第二個任務(wù)有一步待補全，第三個任務(wù)有兩步待補全，依此類推）;緩慢撤除組與快速撤除組相比，只在待補全程度的增加速度上有差異（每兩個樣例只增加一個待補全的步驟）。實驗結(jié)果表明，撤除指導(dǎo)的速度與學(xué)習(xí)者專業(yè)知識水平之間存在交互作用。專家學(xué)習(xí)者在指導(dǎo)“立刻撤除”和“快速撤除”時獲益更多，而缺乏經(jīng)驗的學(xué)習(xí)者則在指導(dǎo)“緩慢撤除”時學(xué)得更好。充分的指導(dǎo)和慢速的教學(xué)減少了外在認(rèn)知負(fù)荷，因此更適合新手。

元素交互效應(yīng)（The element interactivity effect）

人們通常認(rèn)為，專長逆轉(zhuǎn)效應(yīng)是一種獨立的認(rèn)知負(fù)荷效應(yīng)。但最近卻有人認(rèn)為，它只是一個更普遍的效應(yīng)——元素交互效應(yīng)的特例。元素交互效應(yīng)已經(jīng)流傳多年（Sweller，1994，2010;Sweller & Chandler，

1994）。它與專長逆轉(zhuǎn)效應(yīng)都是二級效應(yīng)，都為一級效應(yīng)提供邊界。對專長逆轉(zhuǎn)效應(yīng)來說，是學(xué)習(xí)者的專業(yè)知識水平提供了邊界;而對元素交互效應(yīng)來說，提供邊界的則是材料的元素交互水平。

當(dāng)信息的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷高時，就會產(chǎn)生認(rèn)知負(fù)荷效應(yīng);反之，認(rèn)知負(fù)荷效應(yīng)就會消失，同時產(chǎn)生元素交互效應(yīng)（Sweller & Chandler，1994;Tindall-Ford et al.，1997）。實際上，當(dāng)材料的元素交互性低時，某一效應(yīng)不僅可能消失，也可能產(chǎn)生。陳、卡爾優(yōu)加和斯維勒（Chen，Kalyuga & Sweller，2015，2016）發(fā)現(xiàn)的例子很有說服力，這個例子關(guān)于元素交互效應(yīng)，是說元素交互性高的信息會產(chǎn)生傳統(tǒng)的樣例效應(yīng);而元素交互性低的信息則會產(chǎn)生“反轉(zhuǎn)效應(yīng)”，又叫“生成效應(yīng)”（generation effect），后者比樣例效應(yīng)發(fā)現(xiàn)得更早。當(dāng)后續(xù)記憶任務(wù)為學(xué)習(xí)者提供的還不如他們自己生成的答案時，生成效應(yīng)便產(chǎn)生了。

如前所述，改變元素交互性的方法有兩種。一是改變?nèi)蝿?wù)類型。例如，像我們在得到“獨立元素效應(yīng)”時那樣，減少任務(wù)中交互元素的數(shù)量。二是改變學(xué)習(xí)者的專業(yè)知識水平，這便是“專長逆轉(zhuǎn)效應(yīng)”和“元素交互效應(yīng)”的聯(lián)系之處。

假設(shè)一個人正在解題：已知……求……。對一個剛學(xué)解方程的人來說，這個問題不僅難，而且元素交互性相對較高。為了成功解題，工作記憶需要同時加工的元素數(shù)量很多。然而，只要一個人具備代數(shù)計算能力，就可以輕松地在工作記憶中加工所有元素。許多人都能輕易地心算出答案。如前所述，根據(jù)環(huán)境組織與聯(lián)結(jié)原則，人可以從長時記憶中提取相關(guān)知識，并以之解題。如果一個人已經(jīng)解出過很多類似的題目，那么就會將整個問題及其解法視為一個元素。所以對領(lǐng)域內(nèi)的專家來說，這類問題的元素交互性很低。

一個專長逆轉(zhuǎn)效應(yīng)的例子是：專家學(xué)習(xí)樣例會造成冗余，從而增加其工作記憶負(fù)荷。專業(yè)知識的變化引起了元素交互性的變化，后者又導(dǎo)致了專長逆轉(zhuǎn)效應(yīng)。從這個意義上講，專長逆轉(zhuǎn)效應(yīng)只是元素交互效應(yīng)的特例而已。

那么，綜合兩種效應(yīng)會產(chǎn)生怎樣的教學(xué)效果呢？在一項實驗中，陳等人（Chen et al.，2015）教新手計算幾何圖形面積。教學(xué)材料有兩種：一種是元素交互性低的常規(guī)幾何公式，而另一種則具有綜合性，其目的是教學(xué)生運用那些公式來計算圖形面積。對這些學(xué)生來說，后一種材料的元素交互性很高。結(jié)果表明，根據(jù)樣例效應(yīng)，在教授元素交互性高的材料時，教師應(yīng)該提供更多樣例的指導(dǎo);而根據(jù)生成效應(yīng)，在教授元素交互性低的材料時，教師則應(yīng)該讓學(xué)生自己生成答案，這樣學(xué)生的表現(xiàn)才會更好。

然而，隨著兩組學(xué)習(xí)者專業(yè)知識的增加，第二次實驗都得到了生成效應(yīng)。這是因為隨著學(xué)習(xí)者專業(yè)知識的增加，元素交互性水平反而降低。對專家來說，即便材料復(fù)雜到會產(chǎn)生很高水平的認(rèn)知負(fù)荷，過多的指導(dǎo)也是冗余的。結(jié)果表明，只有在學(xué)習(xí)元素交互性高的材料時，才會出現(xiàn)樣例效應(yīng)，這也與“元素交互效應(yīng)”的表述一致。此外，結(jié)果還說明了專長反轉(zhuǎn)效應(yīng)：對新手有益的“樣例效應(yīng)”，其實是對專家有害的“反樣例效應(yīng)”（reverse worked example effect）。

由此可見，“專長逆轉(zhuǎn)效應(yīng)”和“元素交互效應(yīng)”是相互“糾纏”的關(guān)系。隨著學(xué)習(xí)者專業(yè)知識水平的提高，元素交互性也會降低，此時教師應(yīng)降低其指導(dǎo)水平。

七、認(rèn)知負(fù)荷效應(yīng)在慕課和其他計算機輔助學(xué)習(xí)形式中的應(yīng)用

前面已經(jīng)提到多種認(rèn)知負(fù)荷效應(yīng)。盡管有人已經(jīng)利用多種計算機輔助學(xué)習(xí)形式，對其進行測試，但據(jù)我們所知，那其中不包括慕課。因此，我們只能在缺少隨機對照實驗的情況下，基于認(rèn)知負(fù)荷理論及其相關(guān)效應(yīng)，提出一些可能提高慕課學(xué)習(xí)效果的建議（假設(shè)）。實際上，由于沒有實證依據(jù)，上述假設(shè)的有效性仍有待驗證（每種假設(shè)都需要至少一條證據(jù)）。

我們有充分的理由猜測，認(rèn)知負(fù)荷效應(yīng)同樣適用于慕課。對于知識，無論是生物初級、通用技能知識還是生物高級、特定領(lǐng)域知識，無論是電子版還是打印版，人都能加工。例如，沒有證據(jù)表明，在學(xué)習(xí)效果方面，呈現(xiàn)在屏幕上的文字和圖表，與相同內(nèi)容的打印版之間有差異。在兩種條件下，認(rèn)知系統(tǒng)加工材料的方式一樣，其中的工作記憶和長時記憶也都發(fā)揮了相同的作用。

顯然，與打印材料相比，屏幕呈現(xiàn)更容易產(chǎn)生某些效應(yīng)。例如，用電子版信息更容易產(chǎn)生信息即逝效應(yīng)，從而對工作記憶造成負(fù)面影響。原因也很簡單：數(shù)字技術(shù)更容易呈現(xiàn)即逝的信息。然而，不管媒介是什么，我們的認(rèn)知系統(tǒng)都會用相同的方式，來對即逝的信息做出反應(yīng)。

八、結(jié) 論

認(rèn)知負(fù)荷理論提供了一種綜合的教學(xué)設(shè)計理論。為了引出這個理論，本文首先解釋了人類認(rèn)知架構(gòu)，之后提出了一些教學(xué)設(shè)計原則，并假設(shè)人可以直接用其來建設(shè)計算機輔助學(xué)習(xí)單元（例如慕課）。除慕課外，許多在線學(xué)習(xí)環(huán)境都已應(yīng)用這一理論，它為有效學(xué)習(xí)系統(tǒng)的建設(shè)提供了很多指南。未來仍需很多研究，以使其適用于慕課。

基于認(rèn)知負(fù)荷理論及其教學(xué)建議，我們可以解釋慕課的一些失敗之處，特別是為什么一些慕課不能說服學(xué)習(xí)者完成課程學(xué)習(xí)。另外，要強調(diào)的是，人已經(jīng)基于人類認(rèn)知架構(gòu)提出認(rèn)知負(fù)荷理論，據(jù)此提出假設(shè)，設(shè)計相關(guān)的對照實驗，根據(jù)實驗結(jié)果給出教學(xué)建議，并謹(jǐn)慎地檢驗。因此我們預(yù)計，即便在慕課環(huán)境下，這些建議也很可能有效。不同于目前多數(shù)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，“基于認(rèn)知負(fù)荷理論的計算機輔助學(xué)習(xí)單元”已經(jīng)提出了許多教學(xué)建議，我們認(rèn)為，采用這些建議會讓學(xué)習(xí)效果更好。

參考文獻：

O.Chen，G.Woolcott & J.Sweller.Using cognitive load theory to structure computer based learning including MOOCs，Journal of Computer Assisted Learning，2017，（33）：293-305.本文翻譯經(jīng)作者授權(quán)。

（責(zé)任編輯 杜丹丹）