約翰·斯維勒　杰倫·范梅里恩伯爾　弗雷德·帕斯　李爽　盛群力

摘 要：20世紀80年代，認知負荷理論作為一種教學設計理論被引入我國，它是基于人類認知架構中幾個無爭議的方面建立的。我們對工作記憶、長時記憶及它們之間關系的許多特征的認識，在引入該理論之前的幾十年里已經建立完備。奇怪的是，這些知識對教學設計領域的影響有限，大多數(shù)教學設計建議的措施就好像工作記憶和長時記憶不存在一樣。與此相反，認知負荷理論強調，所有的新信息首先被容量和時間有限的工作記憶所處理，然后儲存在無限的長時記憶中供以后使用。一旦信息被儲存在長時記憶中，工作記憶的容量和持續(xù)時間限制就會消失，從而改變我們的認知能力。到20世紀90年代末，使用該理論收集到的數(shù)據已經足夠多，因此，斯維勒等發(fā)表了一份擴展分析報告。自那以后，人們進行了大量的理論和實證研究，本文試圖總結過去20年的認知負荷理論，并勾勒出未來研究的方向。

關鍵詞：認知負荷理論；理論發(fā)展；教學進步

中圖分類號：G4文獻標志碼：A文章編號：2096-0069（2023）01-0085-08

（三）1998年后的教學效應

本節(jié)將介紹1998年至2018年間研究和報道的最重要的認知負荷效應。同時，我們將在本節(jié)開始討論“元素交互性效應”，這個效應在1998年之前就已經被發(fā)現(xiàn)了，但在1998年的文章中沒有作為認知負荷效應提出。之前沒有列出元素交互性效應的原因是，它不是一個簡單的效應，而是一個所謂的復合效應，即改變了其他認知負荷效應特征的效應。在1998年的文章中，只報道了簡單效應。復合效應經常表明其他認知負荷效應的局限性。下面討論的八個新效應中的四個（不包括元素互動性效應）也被歸類為復合效應，并被首先予以討論。這可以看作是理論成熟的表現(xiàn)，因為這樣的理論不僅包括簡單效應，還包括限制簡單效應范圍的高階效應。

1.元素交互效應

元素交互效應（element interactivity effect）在1998年就已經為人所知，但作為一種復合效應，它并沒有被歸為認知負荷效應。當使用高元素互動性信息所獲得的效應消失或使用低元素互動性材料所獲得的效應逆轉時，就會發(fā)生這種情況。元素互動性可以通過改變專業(yè)技能水平來改變，比如在展示專長逆轉效應時（見下面的描述），或者可以通過改變材料來包含更高或更低的元素互動性水平。陳（Chen）等的著作中可以找到由于改變學習者必須處理的信息中從高到低的元素互動性而改變教學優(yōu)勢的例子。他們使用高元素交互性的數(shù)學材料獲得了傳統(tǒng)的工作樣例效果，在這些材料中，學生必須學會解決問題。相比之下，學生必須學習數(shù)學定義的低元素互動性材料則產生了反向的工作樣例效應，要求做出適當反應的學生比得到正確反應的學生學得更多。

2.專長逆轉效應

專長逆轉效應（expertise reversal effect）在本質上是更普遍的元素互動性效應的變種。1998年以前的認知負荷效應可以通過新手學習者處理高元素互動性信息來獲得。隨著專業(yè)知識的增加，由于環(huán)境賦能原則，元素互動性會下降。隨著專業(yè)知識的增加，由多個元素組成的概念和程序可以作為一個單一的元素儲存在長時記憶中，并被轉移到工作記憶中，以便在適當?shù)沫h(huán)境中使用。為新手設計的處理多個相互影響的元素的教學程序，隨著專業(yè)知識的增加，相互影響的元素被嵌入長時記憶的知識結構中，可能會產生反作用。因此，隨著專業(yè)知識的增加，上述效應先是減少，然后消失，并最終可能逆轉。例如，工作樣例對新手有利。隨著知識的增加，解決問題的實踐變得越來越重要，而不是產生負面效應。

3.指導消退效應

指導消退效應（guidance-fading effect）是另一種復合效應，它與元素交互效應和專長逆轉效應密切相關，而且冗余效應也是其核心。對于新手來說，額外的信息或特定的活動，如研習工作樣例，可能是必不可少的，但隨著專業(yè)知識的增加，這些同樣的活動可能會變得多余，并帶來不必要的認知負擔。過了某個階段，研習工作樣例可能會產生反作用，它們應該被淡化，被問題取代。這個一般原則對持續(xù)時間較長的教育項目特別重要，因為在這些項目中，學習者會逐漸獲得更多的專業(yè)知識。例如，針對一年級學生的教學方法需要與針對三年級學生的教學方法不同，因為三年級學生對該領域有更多的知識。元素交互效應與低元素交互性和高元素交互性材料有關，專長逆轉效應與低專業(yè)知識學習者和高專業(yè)知識學習者相關，而指導消退效應則適用于較長教育項目的開始階段和結束階段。指導消退效應的先驅是補全策略，即教育項目從提供工作樣例開始，然后是補全問題，學習者必須完成解決方案中越來越重要的部分，最后是常規(guī)問題。倫克爾（Renkl）、阿特金森（Atkinson）以及范梅里恩伯爾（Van Merri?nboer）和基爾希納（Kirschner）等人的著作討論了指導消退效應的其他例子。

4.瞬態(tài)信息效應

瞬態(tài)信息效應（transient information effect）是指呈現(xiàn)給學習者但幾秒鐘后就消失的信息效應，例如，在口語文本或教學視頻或動畫中對于非瞬態(tài)信息（如帶有圖片的書面文字），所有的信息都可以在同一時間提供給學習者，并且可以在需要的時候重新訪問；對于瞬態(tài)信息，學習者可能需要在工作記憶中主動保留信息以便以后處理，這就增加了外部認知負荷，從而減少了學習興趣。為了克服這些負面影響，有一些補償策略可用，如自我配速或分段。梅耶（Mayer）和錢德勒（Chandler）報告了自定配速的效果，他們發(fā)現(xiàn)讓學習者控制教學動畫的節(jié)奏是有益的，可能是因為這有助于他們處理這些信息的瞬時性。斯潘杰斯（Spanjers）報告了分段效應，他們發(fā)現(xiàn)對于新手學習者來說，分段的動畫（即分段的部分，中間有停頓）比連續(xù)的動畫更有效率，但對于具有較高先驗知識水平的學習者來說則不然。萊西（Leahy）和斯維勒（Sweller）報告了瞬態(tài)信息與通道效應的交互作用：較短的視聽信息比單純的視覺信息更有效（即傳統(tǒng)的通道效應），但較長的視聽信息不如視覺信息有效，這僅僅是因為較長的聽覺信息中有豐富的瞬態(tài)信息。

5.自我管理效應

最新的效應之一是自我管理效應（self-management effect），它基于這樣一個假設，即可以教會學生自己應用認知負荷原則來管理自己的認知負荷。理想情況下，學生只能接觸到在設計時考慮到認知負荷的材料。然而，在現(xiàn)實中，互聯(lián)網使任何人都可以創(chuàng)建和共享信息，這使得學生更有可能面臨沒有考慮認知負荷的低質量學習材料。可以假設，與那些只接觸基于認知負荷原則的一致、結構良好的學習材料的教育體系的學生相比，那些被教導自己應用認知負荷原則來管理自己的認知負荷（認知負荷的自我管理）的學生更有能力處理這些設計糟糕的材料。

到目前為止，自我管理效應只被用于研究分散注意力的學習材料。通常情況下，自我管理效應的研究會比較3個實驗條件，并由兩個階段組成。第一階段，兩個實驗條件下的學生以注意力分散的形式學習多媒體學習材料。在自我管理條件下，學生被指導如何自我管理認知負荷，例如，通過重新組織文本和圖示。在第3個實驗條件即物理整合條件下，學生以指導性的物理整合形式學習相同的材料。第二階段，3個條件下的學生在另一個領域中呈現(xiàn)相同的注意力分散的學習材料，證明自我管理效應的最重要發(fā)現(xiàn)體現(xiàn)在自我管理條件下的學生在回憶和遷移測試中的表現(xiàn)優(yōu)異。

6.自我解釋效應

自我解釋效應（self-explanation effect）是獨立于認知負荷理論而被證明的，但可以由該理論來解釋。它源于工作樣例效應，在認知負荷理論的背景下，由倫克爾等首次描述。如上所述，學習者并不總是傾向于仔細研習工作樣例，他們可能只是在嘗試解決常規(guī)問題之前簡單地掃視一下。在這種情況下，工作樣例不會對學習產生積極影響。練習的變異性可能會幫助學習者更深入地處理例子，因為變異性會刺激他們比較不同的例子。但是，這只有在呈現(xiàn)一個以上的例子，并且總的負荷（由于相關的處理而增加）保持在工作記憶的容量限制之內時，才會起作用。另外，當只有一個例子時，我們可以向學習者提供自我解釋的提示，以引導做出學習者的復雜的自我解釋。一些研究表明，只要總認知負荷不超載，工作樣例與自我解釋提示相結合，會優(yōu)于沒有自我解釋提示的工作樣例。

7.想象演練效應

一段時間以來我們都知道，當學習者被要求在腦海中演練一項動作任務時，學習就會得到改善。此外，改善的程度取決于動作任務具有認知成分的程度。這些發(fā)現(xiàn)提供了想象演練效應（imagination effect）的最初來源，當學習者被要求想象或在頭腦中演練一個概念或過程時，會比被要求學習同等的教學材料時學到更多。例如，學習者可能會被要求學習一個已完成的例子中解決問題的動作，而不是轉過身去想象那些動作。許多這樣的實驗都是在認知負荷理論框架下進行的。為了產生想象演練效果，學習者必須能夠想象出相關的概念或程序。他們必須能夠處理工作記憶中的信息。由于在處理新信息時工作內存的限制，給定領域的新手可能無法充分處理高元素交互活性信息。對于這樣的學習者來說，想象演練可能是困難的，甚至是不可能的。因此，與想象演練相同的信息相比，研究信息會導致增強學習效果。隨著知識的增加，工作記憶的極限擴大，想象材料變得越來越可行，因為它可以更容易地在工作記憶中處理。一旦信息可以充分想象，想象指導便會優(yōu)于學習指導。在那之前，學習指導優(yōu)于想象指導。

8.孤立元素效應

孤立元素效應（isolated elements effect）主要涉及這樣一種情況：在處理新的信息時，一些非常高的元素互動性信息大大超過了工作記憶的限制，因此不能在工作記憶中處理。既然這種復雜的信息可以被習得，那么就提出了使用哪些過程的問題。波洛克（Pollock）等假設，也許單個元素首先被習得，而沒有習得它們之間的相互作用。一旦單個元素被儲存在長時記憶中，隨后通過學習它們之間的相互作用來整合這些元素可能是可行的。如果是這樣的話，只向學習者呈現(xiàn)單個元素，然后再呈現(xiàn)包括單個元素和它們之間的相互作用的所有信息的順序，將優(yōu)于呈現(xiàn)所有信息兩次。他們的研究結果支持這一假設。由于工作記憶負擔過重，兩次呈現(xiàn)所有信息的學習者都無法正確處理這些信息。相比之下，只呈現(xiàn)孤立元素的學習者可以輕松地處理它們，并將它們儲存在長時記憶中。當隨后呈現(xiàn)完全整合的信息時，他們只需要學習如何整合單個元素，因此更容易吸收整個高元素互動性的信息。從簡單到復雜的排序也提供了類似的效果，學習者首先練習簡單的、低元素互動性的任務版本，然后才是越來越復雜的任務版本。

9.集體工作記憶效應

集體工作記憶效應（collective working memory effect）最早是由基爾希納（Kirschner）等人描述的。他們認為協(xié)作學習者可以被視為一個由多個有限的工作記憶組成的單一信息處理系統(tǒng)，可以創(chuàng)造一個更大、更有效的集體工作空間。在協(xié)作學習中，不需要所有的小組成員都擁有所有必要的知識，也不需要單獨處理所有可用的信息，同時，當面對自己的知識缺口時，他們可以利用小組其他成員提供的知識填補這個缺口（借用）。只要小組成員之間有溝通和協(xié)調，任務中的信息元素和由任務的內在性質引起的相關認知負荷就可以在更大的認知能力庫中整合。然而，溝通和協(xié)調需要團體成員投入額外的認知努力（即交易成本），而這種努力是個人不需要付出的。

基爾希納（Kirschner）等的研究表明，從施加高或低認知負荷的任務中學習，團體與個人的效率受到在團體成員之間分配信息處理的好處和交易成本之間的權衡影響。更具體地說，他們發(fā)現(xiàn)了一種交互效應，表明從施加高認知負荷的任務中學習會導致更有效的協(xié)作學習，而從施加低認知負荷的任務中學習則會導致更有效的個人學習。對于施加高負荷的學習任務，個人學習者沒有足夠的處理能力來成功處理信息。對于合作學習者來說，在彼此之間分配認知負荷的好處被證明是高于交易成本的。因此，學習者能夠將釋放的認知能力用于促進學習的活動。對于認知負荷較低的學習任務，無論是單獨的、還是合作工作的學習者，都有足夠的認知能力來自行處理所有信息。因此，個人之間的交流和信息協(xié)調是不必要的，并且會導致交易成本高于在合作學習過程中將認知負荷分配給小組成員的好處。因此，當認知負荷較低時，構建知識的質量差異表現(xiàn)為個人學習比協(xié)作學習的效率更高。

10.人體活動效應

瞬時信息效應被用來解釋為什么學生從動態(tài)可視化中學習的效果比從靜態(tài)可視化中學習的效果差，而人體活動效應（human movement effect）則認為使用動畫而不是靜態(tài)來教授涉及人體活動的認知任務會更好。該效應源于認知負荷理論研究的意外發(fā)現(xiàn)，這些研究表明瞬時的可視化形式比非瞬時的形式有更好的學習效果。這些研究的共同點是，他們使用動畫和靜物來教授人類的動作技能（如折紙、打結）。帕斯（Paas）和斯維勒 （Sweller）使用吉爾里（Geary）的生物學上的原發(fā)信息概念來解釋，即人類已經進化出從觀察別人的行動中學習并毫不費力地復制的能力，因此，要求學習者觀察動畫以學習動作技能可能不會對工作記憶資源造成過多的負擔。赫夫勒（H?ffler）和勒特納（Leutner）的元分析證實了這一觀點。他們表明，當動畫高度逼真且涉及程序性運動知識時，學習效果更佳。 范高格（Van Gog）等認為，人體活動效應反映了神經科學研究的發(fā)現(xiàn)，即參與執(zhí)行動作的皮層回路本身也會對觀察別人執(zhí)行同樣的動作作出自動反應（即鏡像神經元系統(tǒng)）。

（四）認知負荷測量

自從1998年這篇文章發(fā)表以來，人們一直在努力研究與認知負荷測量相關的問題。因此，在過去20年中，在這些問題上已經取得了重大進展。在此，我們評估了這一進展，并簡要概述了關于認知負荷測量的3個主要發(fā)展。該評估是基于之前對認知負荷測量的綜述，如帕斯（Paas）等人的理論文章，范高格（Van Gog）和帕斯（Paas）的研究成果。此外，它還考慮了最近對相關認知負荷的重新概念化，即用于處理內部認知負荷的實際工作記憶資源。這種重新概念化的結果是，只有內部認知負荷和外部認知負荷被區(qū)分為認知負荷的基本類別。

第一個重要的發(fā)展與主觀測量技術的進一步規(guī)范有關，該技術最初是由帕斯（Paas）引入的，用于認知負荷的整體測量。盡管這種測量方法已經被廣泛成功使用，顯示出良好的心理測量特性，但一些研究人員仍然對其測量認知負荷的能力持懷疑態(tài)度。即使與生理測量技術的比較表明，主觀評價量表與客觀技術一樣有效和可靠，而且更容易使用。與生理技術相比，主觀技術的主要優(yōu)勢在于其敏感性和簡單性。與生理測量技術相比，主觀評價量表對投入的心理努力和任務難度的微小差異很敏感。雖然主觀評價量表的簡單性被認為是它的主要優(yōu)點，因為它可以很容易地用于研究和實踐，但這也被許多人認為是它的主要缺點。由于它的簡單性，它可以進行認知負荷（即內在負荷加上外在負荷）的總體測量，但不能輕易用來區(qū)分不同類型的認知負荷。因此，人們開始尋找可以用來區(qū)分不同類型的認知負荷的技術，以及尋找可以作為認知負荷的在線測量的“客觀”測量技術。在更詳細地討論這兩項研究進展之前，我們將首先討論當下的對主觀評價量表技術的進一步規(guī)范。

范高格（Van Gog）和帕斯（Paas）等指出，主觀評價量表的使用方式與帕斯（Paas）和范梅里恩伯爾（Van Merri?nboer）最初提出的有很多不同。在其他差異中，研究人員使用了不同的語言標簽（即“任務難度”而不是“投入心智”），使用較少的類別（如5或7，而不是9），在所有學習或測試任務后只使用一次測量，而不是在每次學習和測試任務后進行多次測量取平均值。前兩個例子需要對改編后的評價量表的心理測量特性進行更多的研究，而后一個例子已經由高格（Gog）等和施梅克（Schmeck）等做了進一步研究。他們比較了原始的測量負荷的方式，即在每個學習和測試任務之后使用基于多次測量的平均分，和在學習階段和測試階段之后只使用一次測量的適應性方法。問題是，這是否會導致對認知負荷大小的不同估計？結果顯示，教學或測試階段后的一次測量總是高于學習或測試階段的多次測量的平均值。雖然導致差異的確切原因尚不清楚，但學習或測試階段后的單次得分較高，可能是工作記憶資源的耗竭所致。

在未來的研究中，關于主觀評價量表的最佳使用，仍有很多問題需要回答。任務時間對投入的腦力勞動或任務難度的感知有什么影響？年齡和性別對評分的影響是什么？我們是否需要在參與者開始評分之前給他們一個基線？需要更多的研究來回答這些和其他問題，并進一步明確有效使用主觀評價量表的條件。

第二個發(fā)展是通過設計能夠區(qū)分不同類型的認知負荷的問卷來擴展主觀評價技術。一些研究者試圖只測量一種特定類型的認知負荷的變化，而其他研究者則調查了測量不同類型認知負荷的方法。萊平克（Leppink）等描述了一個值得注意的問題，他們調查了一個新的心理測量工具的有用性，其中不同類型的認知負荷由多個指標表示。他們總結說，這兩項研究的結果都支持這樣的假設，即使用心理測量工具可以區(qū)分內部和外部認知負荷。盡管明顯還需要更多的經驗證據，例如通過使用不同的問題和考察不同的領域，但到目前為止的研究結果認為運用該工具區(qū)分不同類型的認知負荷是有希望的。

第三個發(fā)展是與正在進行的尋找更客觀的認知負荷測量工具的努力有關。認知負荷研究者一直在使用次級任務技術和認知負荷的生理測量。基于工作記憶能力有限的假設，次級任務技術將次級任務的表現(xiàn)作為一級任務所帶來的認知負荷的指標。假設次級任務的低或高績效表明主要任務施加的認知負荷高低。最新的次級任務技術是帕克（Park）和布呂肯（Brünken）開發(fā)的節(jié)奏法，它包括一個有節(jié)奏的敲擊腳（foot-tapping）的次級任務?？茽柊秃眨↘orbach）等表明，這種技術對假設的心理動畫組、誘惑性細節(jié)組和控制組之間的認知負荷差異很敏感。然而，次級任務技術因其侵入性（即施加可能干擾主要任務的額外認知負荷）和無法區(qū)分不同類型的認知負荷而受到批評。

生理技術是基于這樣的假設：認知功能的變化是由生理變量反映的。盡管一些研究者已經提議使用神經影像技術，比如功能磁共振成像，但實際上已經用于認知負荷研究的技術是腦電圖。使用一個基于超文本的學習環(huán)境，安東尼科（Antonenko）和尼德豪澤（Niederhauser）表明，EEG的幾個方面反映了假設的認知負荷的差異。一種更常用的測量認知負荷的技術是基于眼球追蹤的變量，如瞳孔放大、眨眼率、固定時間和眼球移動。例如，范格文（Van Gerven）表明，瞳孔擴張與年輕人的認知負荷呈正相關，但與老年人的認知負荷無關。雖然，由于移動測量設備的發(fā)展，使用生理測量變得越來越容易，但對這些技術及其測量認知負荷的潛力還需要更多的研究。

三、未來方向

認知負荷理論自誕生以來，隨著數(shù)據的更新，經歷了持續(xù)的理論發(fā)展。理論的發(fā)展反過來又在一個持續(xù)的過程中產生了進一步的數(shù)據。目前，有各種跡象表明，這種螺旋式的發(fā)展仍在繼續(xù)，并為未來的發(fā)展提供了一個標本。本節(jié)將討論未來的方向，即用來自其他理論的建構來擴展認知負荷理論。如資源耗竭，自我調節(jié)的學習，壓力、情緒和不確定性，以及人體活動，等等。

（一）工作記憶資源耗竭

陳（Chen）等的最新研究得出了一條新的研究路線，他基于工作記憶資源耗竭假設提出了認知負荷理論的可能擴展。這一假說認為，工作記憶資源在一段時間的持續(xù)認知努力后會耗盡，導致投入更多資源的能力降低。之前的研究已經發(fā)現(xiàn)了一般的和特定的耗竭效應。關于“一般耗竭效應”，施邁歇爾（Schmeichel）表明，參與自控任務會降低后續(xù)工作記憶測試的成績。關于“特定耗竭效應”，希利（Healey）等表明，當?shù)谝粋€任務中的被忽略刺激與工作記憶任務中的被記住刺激相匹配時，耗竭效應就會發(fā)生。

工作記憶資源耗竭在某些情況下可能與自我耗竭有關，但需要注意的是，許多關于自我耗竭的研究與工作記憶關系不大。例如，節(jié)食時不吃甜食不太可能與學習數(shù)學具有相同的工作記憶含義。自我耗竭任務的巨大差異可能導致人們對自我耗竭的影響產生懷疑。從認知負荷理論的角度來看，大多數(shù)關于自我耗竭的研究都不包括學習，只有部分文獻使用了可能會產生較大工作記憶負荷的任務。對于這些任務，如果學習過程中廣泛的認知努力會極大地消耗工作記憶資源，那么這個因素在設計教學時可能很重要。

認知負荷理論的一種可能延伸，以及學習任務中廣泛認知努力投入后工作記憶資源耗竭的教學設計含義，為陳（Chen）等的研究提供了理論基礎。他們指出，資源耗竭假說可以解釋間隔效應，當信息有間隔呈現(xiàn)，即信息呈現(xiàn)或練習片段之間有間隔時，要優(yōu)于相同信息在相同時間內以無間隔的形式大量處理時的效應。陳（Chen）等利用數(shù)學學習和數(shù)據得出了間隔效應，這些數(shù)據表明，與間隔教學相比，大量非間隔教學會導致工作記憶容量的減少。大量練習可能會減少工作記憶資源，而間隔練習可能會讓資源得到恢復。

間隔效應可以說是已知的最古老的心理教學效應，但其成因一直沒有定論。如果得到后續(xù)工作的證實，陳（Chen）等的發(fā)現(xiàn)可能會允許認知負荷理論作為一種理論對該效果做出解釋。

通過證實以間隔效應為載體的學習任務的工作記憶資源耗竭假說，陳（Chen）等認為，認知負荷理論中關于長時記憶的內容為工作記憶特征提供唯一主要決定因素的假設可能是站不住腳的。認知負荷理論的一個隱含假設，即基于變化狹窄原則，認為工作記憶能力對于一個特定的個體是相對恒定的，影響能力的唯一主要因素是長時記憶的內容。正如環(huán)境賦能原則所指出的，如果同樣的信息已經儲存在長時記憶中，那么工作記憶在處理新信息時的限制就可以消除。高元素的交互性信息，一旦被組織起來并儲存在長時記憶中，就可以很容易地、迅速地大量轉移到工作記憶中，使工作記憶的負荷降到最低。

陳（Chen）等的研究結果表明，工作記憶容量是可變的，這不僅取決于以前通過信息存儲、借用和重組及隨機性作為原發(fā)原則存儲的信息，而且取決于認知努力導致的工作記憶資源耗竭。因此，需要拋棄固定的工作記憶假設，而采用認知努力后工作記憶耗竭的假設。我們相信，這一變化將產生相當大的影響，并導致認知負荷理論的相當大的擴展。

（二）認知負荷與自主學習

第二項新的研究將認知負荷理論與自主學習聯(lián)系起來。認知負荷理論和自主學習模型都涉及學習者對學習過程的監(jiān)控，它們可能被視為在信息豐富、復雜和快速變化的社會中支持終身學習者的特別重要的視角。這兩個理論框架都已經關注到學習者的調節(jié)決策，例如認知資源的分配（參見自我管理效應，學習者自己應用認知負荷原則以減少認知負荷）和學習活動的選擇。在認知負荷理論的背景下，帕斯（Paas）等引入了“任務參與”作為資源分配的衡量標準：當學習者具有相對較高的表現(xiàn)水平并投入了較高的心智時，得分較高（“沒有付出，就沒有回報”）；當學習者具有相對較低的表現(xiàn)水平，再加上投入的心智較低時，得分較低。此外，任務選擇已被用于一系列實驗，作為調節(jié)準確性的指標：當要求學習者選擇自己的學習任務進行學習時，績效和投入的心智可以用來對他們的任務選擇質量做出評價（即學習者是否選擇了對他們來說太難或太容易的任務）。在自主學習的背景下，學習時間的分配通常被用作資源分配的衡量標準，并用作選擇學習活動、判斷學習和重新學習決定（“為了提高你的理解力，你想重新學習課文的哪一部分”）以及績效衡量標準，作為調節(jié)準確性的指標。未來的研究可能會從這些不同的資源分配和調節(jié)準確性的措施中獲益。

一個普遍的發(fā)現(xiàn)是學習者不善于調節(jié)自己的學習。那么問題就來了：它能否被教授？一方面，學習過程的自我調節(jié)將在很大程度上依賴于原發(fā)知識，因此不可能教。另一方面，所有的學習都是原發(fā)知識和次生知識的結合，而次生知識部分當然是可教的。更高層次的調節(jié)過程，如通過應用認知負荷原則（自我管理效應）來減少注意力分散的負面影響，選擇合適的學習任務（如自主學習）和選擇相關的學習資源（如信息素養(yǎng)）可能依賴于原發(fā)和次級知識的混合，因此，至少部分是可教的。德布魯因（De Bruin ）和范梅里恩伯爾（Van Merri?nboer）建議使用科里亞特（Koriat）的線索，利用框架作為認知負荷理論和自主學習模型之間的橋梁，并作為自主教學研究的基礎。其觀點是，學生使用線索來告知他們關于學習和未來表現(xiàn)的信息，而且，他們傾向于使用無效的線索。例如，學生經常使用“容易處理”作為理解和未來表現(xiàn)的線索：如果一篇文章很容易閱讀，學生通常會認為他們對文章的理解程度和未來測試的表現(xiàn)都很高。然而，更有效的提示是在閱讀文本一段時間后生成關鍵詞的能力。類似地，一個使用手段——目的分析來解決傳統(tǒng)問題的學習者可能會把高認知負荷作為一個無效的學習線索（“這讓我付出很多努力，所以我一定學到很多”）。然而，更有效的關聯(lián)處理線索是向同伴解釋生成的解決方案的能力。因此，教師可以給學生一些提示，幫助他們學會使用更有效的線索來調節(jié)他們的學習（例如：“你能在讀完這篇文章一小時后生成關鍵詞嗎？”“你能向同伴解釋你剛剛針對這個問題提出的解決方案嗎？”）。

盡管有這些可能性，就像典型的生物學上的原發(fā)知識一樣，目前幾乎沒有證據表明自主（它將改善遠處遷移任務的表現(xiàn)）是可以作為一個領域的一般程序來教的。這樣的發(fā)現(xiàn)對于這個領域保持活力至關重要，但幾乎沒有證據表明任何領域的這種結果。

（三）情緒、壓力和不確定

第三條研究路線是基于一個新的認知負荷模型，旨在確定認知負荷的環(huán)境相關因果因素。這個新模型將物理學習環(huán)境對認知負荷和學習的影響分為3種類型：認知效應（如不確定性）、生理效應（如壓力）和情感效應（如情緒）。但要注意，對學習的不同影響可能是3種類型緊密交織的）?；炯僭O是，壓力、情緒和不確定性可能會通過與任務相關的過程競爭而限制工作記憶的能力，因此，它們會增加認知負荷，阻礙學習并減少遷移。目前對這一現(xiàn)象有了很多的研究，但絕大多數(shù)研究的基本前提是通過防止可能對學習產生負面影響的狀態(tài)，來為學習提供最好的支持。這在普通教育中可能是正確的，但在職業(yè)和專業(yè)教育中，情緒、壓力和不確定性往往是執(zhí)行專業(yè)任務的一個組成部分。例如，護士必須學會在照顧處于生命最后階段的患者時處理負面情緒，安保人員必須學會在高風險的暴力情況下處理壓力，而醫(yī)生必須學會在不完整的患者信息基礎上需要快速決策時面對不確定性。在這種情況下，在培訓期間防止情緒、壓力和不確定性是無益的；相反，教育計劃必須精心設計，使學習者發(fā)展專業(yè)能力，使他們能夠執(zhí)行符合標準的專業(yè)任務，包括處理情緒、壓力和不確定性的能力，并保持整體健康。

如果情緒、壓力和不確定性被看作是學習的不理想狀態(tài)，人們可能會說它們會造成外部認知負荷，應該通過防止出現(xiàn)這些狀態(tài)來減少認知負荷。但是，如果情緒、壓力和不確定性被看作是學習完成必須的任務的一個組成部分，它們就會造成內部認知負荷，必須以另一種方式來處理。那么，未來的研究應該有助于確定教學干預措施，幫助學習者更有效地處理壓力、情緒和不確定性。例如，在執(zhí)行任務之前的想象或心理練習可能會降低實際任務執(zhí)行過程中的內部認知負荷，抵消壓力、情緒或不確定性帶來的高負荷，從而提高學習和處理未來任務的壓力、情緒或不確定性的能力。然而，新手學習者還不能以生動的方式想象成功完成任務所需的過程。對他們來說，想象可能不起作用，但作為一個例子，合作可能會因為集體工作記憶效應而增加有效工作記憶能力，從而抵消壓力、情緒或不確定性帶來的高負荷。

（四）人體活動效應

第四條研究路線建立在人體活動效應的基礎上。這種效應被用來解釋為什么在教授涉及人體活動的認知任務時，動畫比靜態(tài)更有效。盡管對人體活動效應的研究主要集中在通過觀察動作來學習，但最近的研究表明，由于在學習過程中做動作，可能會對認知負荷和學習產生類似的影響。大量證據表明，做動作，如手勢和追蹤，可以影響可用的工作記憶資源和認知負荷。已有研究表明，在解決問題的過程中，做手勢可以用于信息的認知卸載，導致工作記憶負荷的降低。關于追蹤， 胡（Hu）等研究表明，在學習幾何學的紙質工作樣例時，用示指追蹤角度關系的學生比只學習樣例的學生有更高的學習成果。同樣，在一項針對一群小學生的研究中，他們在平板電腦上學習工作樣例時，要么用食指描畫溫度圖，要么不描畫，阿戈斯蒂尼奧（Agostinho）等發(fā)現(xiàn)描畫組有更高的遷移表現(xiàn)。

認知負荷理論認為，生物上的原發(fā)信息，如人體的活動，最多只能受到工作記憶限制的影響，與此同時，扎根認知或具身認知的理論框架已被用來解釋活動對認知負荷和學習的影響。它主張認知過程（包括信息處理和學習）與環(huán)境中的感覺和活動功能密不可分，包括手勢和其他人體活動。支持具身認知觀點的研究表明，觀察或做出手勢會產生更豐富的編碼，從而導致更豐富的認知表征。有趣的是，更基本的活動系統(tǒng)的參與似乎減少了教學過程中工作記憶負荷。這意味著更豐富的編碼對認知要求較低，這也證實了認知負荷理論的進化解釋。

從研究中可知，活動信息可能構成額外的模態(tài)，也能占據工作記憶的有限資源。由于似乎很難將人體活動的認知效應與認知負荷理論所采用的工作記憶模型牢固地調和起來，因此可以說人體活動可能構成一種額外的模式，應該在現(xiàn)有的工作記憶模型中予以考慮。這一論點在賽普（Sepp）等人提出的工作記憶的綜合分布式注意模型中得到了證實。我們認為，一個能夠整合不同模態(tài)的多種信息源，同時在處理過程中調整注意力的分布的單一工作記憶系統(tǒng)，可能有助于解釋和支持認知負荷理論和未來其他領域的研究結果。

（責任編輯 李強 王策）

Cognitive Architecture and Instructional Design： 20 Years Later

Author：John Sweller1，Jeroen J.G.Van Merri?nboer2，F(xiàn)red Paas3，4

Translator：Li Shuang5，Sheng Qunli6

（1.School of Education，University of New South Wales，Sydney，Australia 0252;

2.School of Health Professions Education， Maastricht University，Maastricht，Netherlands 6200;

3.Department of Psychology，Education and Child Studies，Erasmus University Rotterdam，Netherlands 3062;

4.School of Education/Early Start，University of Wollongong，Wollongong，Australia 2522;

5.Ocean College，Zhejiang University，Zhoushan，Zhejiang，China 316021;

6.College of Education，Zhejiang University，Hangzhou，Zhejiang，China 310028）

Abstract： Cognitive load theory was introduced in the 1980s as an instructional design theory based on several uncontroversial aspects of human cognitive architecture.Our knowledge of many of the characteristics of working memory，long-term memory and the relations between them had been well-established for many decades prior to the introduction of the theory.Curiously，this knowledge had had a limited impact on the field of instructional design with most instructional design recommendations proceeding as though working memory and long-term memory did not exist.In contrast，cognitive load theory emphasized that all novel information is firstly processed by capacity and duration limited working memory and then stored in an unlimited long-term memory for later use. Once information is stored in long-term memory，the capacity and duration limits of working memory disappear， so as to transform our ability to function.By the late 1990s，sufficient data had been collected using the theory to warrant an extended analysis， published by Sweller et al.Extensive further theoretical and empirical work have been carried out since that time and this paper is an attempt to summarize the last 20 years of cognitive load theory and to sketch directions for future research.

Key words： Cognitive load theory;Theoretical developments;Instructional advances

收稿日期：2022-06-18

基金項目：浙江大學2022年度教學研究處教學研究項目“哈佛大學通識教育研究”

作者/譯者簡介：約翰·斯維勒（John Sweller），男，新南威爾士大學教育學院教授，他以提出認知負荷理論而聞名，該理論利用進化心理學和人類認知體系結構的知識作為教學設計的基礎，是被引用最多的教育心理學理論之一；杰倫·范梅里恩伯爾（Jeroen J. G. Van Merri?nboer），男，馬斯特里赫特大學衛(wèi)生職業(yè)教育學院學習和教學方向主席、衛(wèi)生健康教育研究生院研究項目主任；弗雷德·帕斯（Fred Paas），男，荷蘭伊拉斯謨大學心理學、教育和兒童研究系教育與發(fā)展心理學研究小組教授、主席，研究應用當代多學科的人類認知系統(tǒng)科學知識，設計高效的學習環(huán)境；李爽（1982—），女，遼寧興城人，副教授、博士生導師，研究方向為物理海洋、教育設計；盛群力（1957—），男，上海人，教授、博士生導師，研究方向為課程和教學論。

資料來源：Sweller， J.，van Merri?nboer，J.J.G. & Paas， F.（2019） Cognitive Architecture and Instructional Design：20 Years Later. Educational Psychology Review， [J]2019（31）： 261–292. https：//doi.org/10.1007/s10648-019-09465-5.