10.3969/j.issn.1671-489X.2022.05.004

摘 要 基于認(rèn)知負(fù)荷理論，探討智能教育背景下學(xué)習(xí)者

認(rèn)知負(fù)荷的影響因素，分析學(xué)習(xí)者認(rèn)知負(fù)荷的來源，進(jìn)而為提出降低認(rèn)知負(fù)荷的相關(guān)策略提供有效支持。

關(guān)鍵詞 智能教育環(huán)境；認(rèn)知負(fù)荷理論；學(xué)習(xí)環(huán)境

中圖分類號(hào)：G442 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）05-0004-04

0 引言

當(dāng)前正處于智能時(shí)代，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算以及其他多種多樣的智能技術(shù)改變了人們學(xué)習(xí)和生活的方式，對(duì)當(dāng)前教育的發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響。將智能教育環(huán)境與傳統(tǒng)教育環(huán)境作比較，智能教育環(huán)境提供的各式各樣的學(xué)習(xí)資源、先進(jìn)的智能工具與技術(shù)等，為多種形式的教學(xué)活動(dòng)提供了有力的支持。

認(rèn)知負(fù)荷理論作為教育領(lǐng)域極為重要的指導(dǎo)理論之一，其在智能教育背景下的應(yīng)用也更加廣泛。在智能學(xué)習(xí)環(huán)境下，微課的設(shè)計(jì)與制作、虛擬資源的建設(shè)、網(wǎng)課設(shè)計(jì)等更容易使學(xué)習(xí)者產(chǎn)生認(rèn)知負(fù)荷，學(xué)習(xí)者需要加工和處理的信息更多、更復(fù)雜，以至于在學(xué)習(xí)過程中的認(rèn)知負(fù)擔(dān)變得越來越大，不利于增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。認(rèn)知負(fù)荷理論研究的目的在于盡可能減小學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的認(rèn)知負(fù)荷。因此，在智能教育環(huán)境下應(yīng)更重視認(rèn)知負(fù)荷理論對(duì)教學(xué)的指導(dǎo)作用，盡可能降低學(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)荷，從而達(dá)到有效學(xué)習(xí)，這是無數(shù)教育工作者和研究者共同關(guān)注的話題。

1 智能教育環(huán)境發(fā)展

1.1 學(xué)習(xí)環(huán)境的變化

信息技術(shù)的不斷發(fā)展促使學(xué)習(xí)環(huán)境不斷變化，在以大數(shù)據(jù)和云計(jì)算為代表的智能教育時(shí)代，當(dāng)前的學(xué)習(xí)環(huán)境與傳統(tǒng)的多媒體學(xué)習(xí)環(huán)境有顯著的差別。如在智能學(xué)習(xí)環(huán)境中，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)內(nèi)容，搭建一個(gè)“真實(shí)”的學(xué)習(xí)場(chǎng)景，給予學(xué)習(xí)者豐富的感官刺激，帶來身臨其境的體驗(yàn)，從而將已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)遷移到新場(chǎng)景的難度降低。這種新興技術(shù)為學(xué)習(xí)者提供了一個(gè)更好的環(huán)境，使學(xué)習(xí)者能夠在一個(gè)更加真實(shí)和沉浸式的環(huán)境中學(xué)習(xí)。黃榮懷等[1]指出，在日益智能化的學(xué)習(xí)環(huán)境中，可以感知學(xué)習(xí)情境，識(shí)別學(xué)習(xí)特點(diǎn)，為學(xué)習(xí)者提供合適的學(xué)習(xí)資源以及方便的交互工具，還能夠自動(dòng)記錄學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程和評(píng)估其學(xué)習(xí)結(jié)果，這是一種促進(jìn)學(xué)習(xí)者有效學(xué)習(xí)的場(chǎng)所或活動(dòng)空間。

1.2 學(xué)習(xí)方式的變化

學(xué)習(xí)環(huán)境的變化帶來學(xué)習(xí)方法的多樣化。目前，認(rèn)知負(fù)荷理論在智能教育領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在自主學(xué)習(xí)、移動(dòng)學(xué)習(xí)、游戲?qū)W習(xí)、沉浸式學(xué)習(xí)、基于計(jì)算機(jī)的模擬學(xué)習(xí)等方面[2]。自主學(xué)習(xí)是一種主動(dòng)的獨(dú)立的自我監(jiān)控的學(xué)習(xí)方式，學(xué)習(xí)者通過激發(fā)自身的學(xué)習(xí)動(dòng)力，優(yōu)化學(xué)習(xí)方式等提高學(xué)業(yè)成績(jī)。移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了移動(dòng)學(xué)習(xí)、游戲化學(xué)習(xí)、沉浸式學(xué)習(xí)等全新學(xué)習(xí)方式的形成，可以跨越時(shí)空限制，通過信息技術(shù)可以隨時(shí)隨地開展學(xué)習(xí)活動(dòng)。新的學(xué)習(xí)方式需要認(rèn)知負(fù)荷理論進(jìn)行有效指導(dǎo)。如在移動(dòng)學(xué)習(xí)中由于所學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)不當(dāng)，反而增加了學(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)荷，因此，在移動(dòng)學(xué)習(xí)中，教學(xué)設(shè)計(jì)者要基于認(rèn)知負(fù)荷理論，科學(xué)有效地進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 認(rèn)知負(fù)荷理論

認(rèn)知負(fù)荷理論是關(guān)于學(xué)習(xí)和問題解決中資源配置和優(yōu)化的理論，是指人們?cè)趯W(xué)習(xí)或完成任務(wù)時(shí)進(jìn)行信息加工的過程中所消耗的認(rèn)知資源總量[3]。認(rèn)知負(fù)荷的理論基礎(chǔ)主要有兩個(gè)：一是資源有限理論，二是圖式理論。從資源配置角度來看，在學(xué)習(xí)或解決問題的過程中，認(rèn)知加工需要消耗認(rèn)知資源。如果各種活動(dòng)帶來的認(rèn)知負(fù)荷超過用戶的認(rèn)知資源總量，就會(huì)出現(xiàn)資源配置不足的問題，影響學(xué)習(xí)或問題解決的效果。根據(jù)圖式理論，知識(shí)信息是以圖式為基本單位存儲(chǔ)的。圖式是一種認(rèn)知結(jié)構(gòu)，在學(xué)習(xí)過程中對(duì)新信息的加工和整合會(huì)不斷增加圖式的數(shù)量、規(guī)模和質(zhì)量，從而增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果[4-5]。

認(rèn)知負(fù)荷的來源分為兩類：內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷（in-

trinsic cognitive load）和外部認(rèn)知負(fù)荷（extra-

neous cognitive load）[6]。早期還包括相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷（germane cognitive load），其致力于問題解決和圖式的構(gòu)建，已被研究者歸類為一種內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷。內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷是由學(xué)習(xí)材料及內(nèi)容本身的復(fù)雜性所決定的，很難通過優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)而降低。一旦確定了學(xué)習(xí)任務(wù)及學(xué)習(xí)者的知識(shí)水平，內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷就固定了，不可改變。外部認(rèn)知負(fù)荷指由教學(xué)材料的組織和呈現(xiàn)方式帶來的不必要的認(rèn)知負(fù)荷。認(rèn)知負(fù)荷理論首要關(guān)心的問題就是盡可能減小學(xué)習(xí)者的外部認(rèn)知負(fù)荷。在智能學(xué)習(xí)環(huán)境中，多媒體資源的使用不當(dāng)很容易產(chǎn)生不必要的外部認(rèn)知負(fù)荷，給學(xué)習(xí)帶來負(fù)面影響。內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷和外部認(rèn)知負(fù)荷相加若超過認(rèn)知負(fù)荷的總量，便會(huì)造成認(rèn)知負(fù)載，對(duì)學(xué)習(xí)效果產(chǎn)生不利影響，應(yīng)該盡可能使內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷的復(fù)雜度適度，降低外部認(rèn)知負(fù)荷。

自2005年以來，我國的認(rèn)知負(fù)荷理論研究一直處于動(dòng)態(tài)發(fā)展階段。此前，研究者主要從多媒體學(xué)習(xí)視角對(duì)其進(jìn)行研究探討，先后提出許多理論模型，如多媒體學(xué)習(xí)認(rèn)知理論、多媒體學(xué)習(xí)認(rèn)知—情感理論、多媒體學(xué)習(xí)—認(rèn)知情感整合理論等。在基于大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的智能教育時(shí)代，認(rèn)知負(fù)荷理論不論是在理論還是實(shí)踐中都將會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展，將其應(yīng)用到基于智能技術(shù)的學(xué)習(xí)環(huán)境中，促進(jìn)教育發(fā)展。

3 智能教育環(huán)境下學(xué)習(xí)者認(rèn)知負(fù)荷的影響

因素

就目前的情況來說，我國關(guān)于認(rèn)知負(fù)荷影響因素的研究已經(jīng)較為成熟，大多數(shù)研究在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和多媒體環(huán)境下，將認(rèn)知負(fù)荷理論作為其理論基礎(chǔ)，圍繞教學(xué)設(shè)計(jì)，進(jìn)而對(duì)學(xué)習(xí)過程中影響學(xué)習(xí)者認(rèn)知負(fù)荷的相關(guān)因素進(jìn)行研究。李金波[7]研究發(fā)現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境下，任務(wù)特征中的任務(wù)復(fù)雜性、時(shí)間壓力、狀態(tài)元認(rèn)知、信息呈現(xiàn)方式以及與經(jīng)驗(yàn)水平、認(rèn)知風(fēng)格等的交互作用，對(duì)認(rèn)知負(fù)荷均有顯著影響。

智能教育環(huán)境中的認(rèn)知負(fù)荷是學(xué)習(xí)者在依賴智能環(huán)境學(xué)習(xí)過程中，在信息加工過程中所消耗的認(rèn)知資源。智能教育帶來豐富的學(xué)習(xí)內(nèi)容，各種資源同時(shí)顯示在學(xué)習(xí)界面上。由于學(xué)習(xí)信息充裕性的特點(diǎn)，學(xué)習(xí)者難以徹底掌握所學(xué)內(nèi)容以及把握不好學(xué)習(xí)知識(shí)的先后順序，造成學(xué)習(xí)者選擇困難，增大了在學(xué)習(xí)過程中認(rèn)知負(fù)荷超載的風(fēng)險(xiǎn)和可能性。同時(shí)，在有豐富學(xué)習(xí)資源的環(huán)境中，不同時(shí)空的學(xué)習(xí)材料需要整合才能理解，也會(huì)增加認(rèn)知負(fù)荷。根據(jù)認(rèn)知負(fù)荷的性質(zhì)和來源，影響學(xué)習(xí)者認(rèn)知負(fù)荷的主要因素包括學(xué)習(xí)材料的組織和呈現(xiàn)形式、個(gè)人認(rèn)知結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)主體與學(xué)習(xí)材料或工具的交互作用等。

3.1 智能教育環(huán)境下學(xué)習(xí)材料的組織和呈現(xiàn)形式

Lee等[8]想要通過將復(fù)雜的材料分別在兩屏呈現(xiàn)的方式來減少內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷，將復(fù)雜的化學(xué)知識(shí)材料分為兩頁進(jìn)行呈現(xiàn)，學(xué)習(xí)者可以在兩頁之間自由瀏覽。結(jié)果表明，分離呈現(xiàn)有效降低了學(xué)習(xí)者的內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷，對(duì)學(xué)習(xí)者的記憶和遷移表現(xiàn)有積極的影響。學(xué)習(xí)材料的復(fù)雜性，學(xué)習(xí)材料的設(shè)計(jì)、組織和呈現(xiàn)形式，都對(duì)學(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)荷有明顯影響。

學(xué)習(xí)材料和內(nèi)容本身的難易程度屬于內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷，難以通過改變教學(xué)方式來降低，但可以調(diào)整學(xué)習(xí)內(nèi)容的知識(shí)結(jié)構(gòu)，利用一部分認(rèn)知資源加工，承擔(dān)某種程度的內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷。將難度過高的學(xué)習(xí)材料分解成若干個(gè)小模塊，再逐次呈現(xiàn)，研究發(fā)現(xiàn)，通過這種方式取得的學(xué)習(xí)成效顯著優(yōu)于同時(shí)學(xué)習(xí)全部材料的效果。如微課教學(xué)也是基于模塊化的理論，包含許多關(guān)聯(lián)元素的教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)習(xí)者同時(shí)處理會(huì)很難理解。在微課設(shè)計(jì)過程中，把整塊知識(shí)分割成小的教學(xué)片段，以分離的形式呈現(xiàn)出來，供學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)，可以降低內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷，教學(xué)效果更好。

微課教學(xué)時(shí)間短、教學(xué)內(nèi)容精練等特點(diǎn)給學(xué)習(xí)者帶來良好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。如在程序設(shè)計(jì)課程的知識(shí)點(diǎn)講授中，涉及多層（兩層）嵌套循環(huán)，先列出外層循環(huán)的代碼，內(nèi)層循環(huán)的代碼用易于理解的文字代替。先理解外部循環(huán)的代碼后，再逐步給出內(nèi)部循環(huán)的代碼，如圖1所示。模塊化呈現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容的方式降低了內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷，保證了學(xué)習(xí)的有效性。但是知識(shí)模塊的劃分也并不是越細(xì)越好，學(xué)習(xí)材料難度的高低決定了是否將其劃分為更小的單元，為的是將內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷調(diào)整到一個(gè)相對(duì)合適的水平。

Khacharem等[9]通過對(duì)教學(xué)動(dòng)畫設(shè)計(jì)的考察，發(fā)現(xiàn)一個(gè)能夠有效降低學(xué)習(xí)者認(rèn)知負(fù)荷的教學(xué)策略，即使用靜態(tài)地圖和改變動(dòng)畫播放速度，動(dòng)畫設(shè)計(jì)策略的有效性取決于學(xué)習(xí)者專業(yè)知識(shí)水平的高低。動(dòng)畫設(shè)計(jì)是在材料組織和呈現(xiàn)方式這一層面上對(duì)外部認(rèn)知負(fù)荷產(chǎn)生影響的因素，以各種各樣的形式組織和呈現(xiàn)學(xué)習(xí)材料，充分調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)注意力，降低外部認(rèn)知負(fù)荷，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

3.2 智能教育環(huán)境下學(xué)習(xí)者主體因素

學(xué)習(xí)者是學(xué)習(xí)的主體，學(xué)習(xí)內(nèi)容的設(shè)計(jì)需要遵循人類認(rèn)知系統(tǒng)處理信息的規(guī)律。認(rèn)知負(fù)荷理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)主體的認(rèn)知水平是影響認(rèn)知負(fù)荷的主要因素。當(dāng)個(gè)體在某一領(lǐng)域有豐富的知識(shí)時(shí)，認(rèn)知圖式中的知識(shí)會(huì)幫助新信息的加工，在學(xué)習(xí)和解決問題的過程中會(huì)有效地降低認(rèn)知負(fù)荷，提升獲取知識(shí)的效率。相反，對(duì)于缺乏足夠的相關(guān)認(rèn)知圖式的個(gè)體，處理信息過程中會(huì)產(chǎn)生較高的認(rèn)知負(fù)荷。因此，學(xué)習(xí)者認(rèn)知水平的高低決定了呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的信息容量和速度等，在不同階段測(cè)試學(xué)習(xí)者的知識(shí)儲(chǔ)備狀態(tài)，再根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整下一步教學(xué)內(nèi)容。

將人類認(rèn)知結(jié)構(gòu)特點(diǎn)作為基礎(chǔ)來進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，能夠控制進(jìn)行認(rèn)知活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的認(rèn)知負(fù)荷，通過一系列有效的教學(xué)設(shè)計(jì)來降低無效的工作記憶負(fù)荷，進(jìn)一步達(dá)到學(xué)習(xí)過程中的認(rèn)知負(fù)荷最優(yōu)化，是目前國際主流研究方向。智能教育環(huán)境下的學(xué)習(xí)者的個(gè)體特征明顯不同于傳統(tǒng)環(huán)境下的學(xué)習(xí)者。對(duì)學(xué)生在課堂上通過信息技術(shù)教學(xué)進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)的自主認(rèn)知能力培養(yǎng)過程進(jìn)行研究。人在復(fù)雜反應(yīng)中進(jìn)行一系列的心理過程（如辨別、選擇等）時(shí)是需要一定時(shí)間的，同時(shí)在進(jìn)行學(xué)習(xí)與思維的過程之中，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與信息編碼之間也是存在一系列相互轉(zhuǎn)化的過程和能力的，比如語義編碼能力、抽象概括能力和長時(shí)記憶能力。學(xué)習(xí)者個(gè)體認(rèn)知能力的差異，對(duì)教學(xué)環(huán)境的設(shè)置、教學(xué)資源的需求、多媒體技術(shù)的應(yīng)用等都不同。因此，為了在智能教育環(huán)境下進(jìn)行有效學(xué)習(xí)，有必要根據(jù)學(xué)習(xí)者的個(gè)性特征去選擇與之相應(yīng)的教學(xué)資源與策略，以免認(rèn)知負(fù)荷過大。

3.3 智能教育環(huán)境下學(xué)習(xí)主體與學(xué)習(xí)材料或工具的交互作用

根據(jù)一些研究結(jié)果來看，相對(duì)于被動(dòng)觀看，學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)材料進(jìn)行交互時(shí)，學(xué)習(xí)效果更勝一籌。即相比于只允許控制學(xué)習(xí)材料的呈現(xiàn)進(jìn)度，更多地控制學(xué)習(xí)材料的內(nèi)容，能產(chǎn)生更好的學(xué)習(xí)效果[10]。使學(xué)習(xí)材料的交互性增大可以有效吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)注意力，增強(qiáng)學(xué)習(xí)動(dòng)力，對(duì)學(xué)習(xí)有一定的促進(jìn)作用。若交互設(shè)計(jì)元素設(shè)置不當(dāng)，反而會(huì)使學(xué)習(xí)者分心，注意力就會(huì)被與學(xué)習(xí)主題無關(guān)但他們又感興趣的內(nèi)容所吸引，從而減少對(duì)關(guān)鍵學(xué)習(xí)內(nèi)容的注意力。這時(shí)無關(guān)學(xué)習(xí)的信息就會(huì)將有限的認(rèn)知資源占用一部分，從而增加不必要的外部認(rèn)知負(fù)荷。利用眼動(dòng)儀等智能設(shè)備監(jiān)控學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程，采集數(shù)據(jù)，分析產(chǎn)生認(rèn)知負(fù)荷的因素，考慮交互是否真的有價(jià)值，是否需改善交互界面設(shè)計(jì)，方便學(xué)習(xí)者快速掌握，達(dá)到更好的效果。

在當(dāng)前環(huán)境中，學(xué)習(xí)者通過與計(jì)算機(jī)、平板、手機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的交互來獲取信息，若學(xué)習(xí)者不熟練人機(jī)交互操作，則不得不將一部分認(rèn)知資源用于與學(xué)習(xí)信息無關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的操作上，從而加重外部認(rèn)知負(fù)荷。因此，有效的導(dǎo)航設(shè)計(jì)可以使信息的組織和呈現(xiàn)更加明了，從而使在網(wǎng)站上尋找信息的外部認(rèn)知負(fù)荷減小。另外，移動(dòng)設(shè)備多采用觸摸式交互，在精確定位和輸入速度上不如傳統(tǒng)的鼠標(biāo)鍵盤。這一原因使得學(xué)習(xí)者必須耗費(fèi)更多的時(shí)間完成交互操作，并投入更多的認(rèn)知資源，因而也使得外部認(rèn)知負(fù)荷增加。

4 結(jié)論

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，信息技術(shù)教學(xué)產(chǎn)品正在逐步模擬人的認(rèn)知過程，向三維虛擬建模、虛擬仿真等智能化方向發(fā)展。對(duì)認(rèn)知負(fù)荷影響因素的研究，能有效地改進(jìn)教學(xué)模式，提高信息技術(shù)教學(xué)的質(zhì)量與效率，改變學(xué)習(xí)者“堂上理解，堂下卻忘記”的現(xiàn)象；能有效避免在教學(xué)中因過度使用信息技術(shù)而導(dǎo)致學(xué)習(xí)者自主認(rèn)知能力弱化的現(xiàn)象；能有效提高資源的利用率，緩解信息技術(shù)資源利用緊張的局面，避免所有學(xué)科、所有內(nèi)容都利用信息技術(shù)進(jìn)行教學(xué)的泛化現(xiàn)象產(chǎn)生。當(dāng)前智能教育背景下，對(duì)出現(xiàn)的認(rèn)知負(fù)荷問題的研究層次較淺。根據(jù)智能教育發(fā)展實(shí)際，更加深入地探討認(rèn)知負(fù)荷理論，深入剖析智能教育環(huán)境對(duì)認(rèn)知負(fù)荷的影響，探索能夠發(fā)揮智能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)促進(jìn)學(xué)習(xí)的可行措施，對(duì)增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果有著重要意義。

參考文獻(xiàn)

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*項(xiàng)目來源：江蘇省高校哲學(xué)社會(huì)研究一般項(xiàng)目“基于認(rèn)知負(fù)荷的信息技術(shù)教育應(yīng)用研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2019SJA

1061）；2020年江蘇理工學(xué)院教學(xué)改革與研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：11610312033）；江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目

（項(xiàng)目編號(hào)：202111463007Z）。

作者：張杰，江蘇理工學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)閳D像處理、教育信息化；張煜凡，江蘇理工學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，研究方向?yàn)閿?shù)字媒體技術(shù)（213001）。