泛在學習系統中認知負荷的產生及其優化控制*

付道明

(韓山師范學院 教育科學學院，廣東 潮州 521041)

泛在學習系統中認知負荷的產生及其優化控制*

付道明

(韓山師范學院 教育科學學院，廣東 潮州 521041)

學習者通過超媒體學習時，認知負荷與知識獲取之間呈顯著相關性。泛在學習系統通過上下文感知系統增加人機信息流，但同時不可避免地增加了人們對于信息過載的恐懼感和認知負荷量。該研究在認知負荷理論的基礎上分析了泛在學習系統中認知負荷的產生，構建了泛在學習中認知負荷的結構模型，并基于信息呈現方式的設計提出認知負荷優化控制的策略和方法。

泛在學習；認知負荷；優化控制；結構模型；信息呈現

人們對未來計算模式的一種普遍觀點是人機交互將由桌面交互向環境交互發展。普適傳感系統可以持續觀察人們的活動并提示上下文。這種上下文將為人們在需要的時間和場所顯示信息。研究人員希望通過這樣的上下文感知系統增加人機信息流，而不是增加人們對于信息過載的恐懼感[1]。大量的研究表明，認知負荷是學習效果與學習效率的重要影響因素之一。因此，從認知負荷理論的角度來審視泛在學習環境并對學習者認知負荷進行優化控制，根據信息加工的特點來指導信息呈現方式有助于更好地建設泛在學習環境，對提升泛在學習績效有著重要的意義。

一、研究概述

(一)認知負荷理論

1988年，澳大利亞教育心理學家John Sweller首次提出了認知負荷理論(Cognitive Load Theory)。John Sweller等指出，認知負荷是指人在完成任務過程中進行信息加工所需要的認知資源的總量，是學習者為了完成認知任務，在工作記憶上進行信息存儲、信息提取和信息加工處理等一系列心智活動所需的全部心智能量。認知負荷理論的主要目的是盡量減少阻礙學習的認知負荷、優化促進學習的認知負荷，使學習者能夠合理地使用有限的認知資源，以實現最佳的學習效果[2]。

根據Sweller的理論，認知負荷主要有三個影響因素，即學習的復雜性、學習的組織呈現方式和個人經驗水平。內在認知負荷產生的根源在于學習材料本身，如知識的結構、難易程度等，與學習內容之間聯系的復雜程度有關。外在認知負荷與學習的組織呈現方式密切相關，通常是由不正確的信息呈現方式造成的。如果信息呈現方式符合學習者認知規律，則可以有效減少外在認知負荷。

(二)目前泛在學習系統的不成熟產生的認知負荷

泛在學習(Ubiquitous Learning)是由普適計算技術支持的、以人們能夠自由自在地進行信息的獲取與處理，使得學習者能夠在任何時間、任何地點、以任何方式獲取合適的學習資源或學習服務。在網絡學習中，學習者首先必須掌握計算機操作技術與網絡瀏覽技術。這在無形中增加學習者的認知負荷，嚴重的時候還會使學習者產生莫名的挫敗感，注意力分散，失去學習的動力。而泛在學習環境中，學習者將不再需要花費精力去學習計算機的使用方法，它們已經自然地融入了我們的日常生活。就像當你走向感應門時門會自動打開一樣，你會覺得這是很自然的一件事，而不會去刻意了解計算機在其中發揮的作用。也就是說，泛在學習環境中的學習是以學習者為中心的，以學習任務為主要目標。就像Mark Weiser所說的，“技術可以支持學習，但不應該干擾學習?！睆碗s的技術操作將會變成一種自然的存在，使學習者的認知負擔不再額外增加，注意力集中在學習內容上，在輕松愉快的氛圍中完成自己的學習任務。

泛在學習系統中，信息呈現直接決定了泛在學習者能否有效地獲取自己所需要的信息，同時也影響到學習者后期對信息的進一步加工、存儲和提取，并最終影響學習效果。泛在學習的泛在性和情景感知能力使它區別于其他學習方式，也就是說它能最大限度地利用學習者周邊的環境和學習者所使用的學習工具，同時根據學習者已記錄在數據庫中的個人信息特征，通過一系列算法分析準確理解學習者當前的學習行為和學習需求，從而以合適的信息呈現方式為學習者推送恰當的學習內容和服務，產生有效學習行為。這就要求泛在學習平臺具有極高的智能判斷能力，準確識別學習者的意圖。然而由于資金、技術、管理等多方面的現實問題，目前泛在學習仍在小規模實驗的道路上摸索著。泛在學習信息個性化呈現的學習平臺相對比較少見，大多數相關的應用都只是重視學習平臺的開發和學習資源的整合，對學習者本身的認知水平和認知能力研究不足，存在學習支持不足、平臺智能性不強、信息推送形式單一、課程內容陳舊死板等缺陷，在無形中增加學習者額外的認知負荷。這些平臺并沒有做到泛在學習所強調的根據學習者的個人信息特征和周圍學習情境提供個性化學習服務。

(三)認知負荷的優化控制在泛在學習系統中產生積極的作用

根據信息加工理論的觀點，在泛在學習過程中，學習者在信息加工時額外需要掌握的知識越多，其占用工作記憶容量的比例就越高，所導致的認知負荷量就會越高，從而影響學習績效。因此，在泛在學習系統中，要使學習者獲得最佳的學習效果，就必須對系統產生的認知負荷加以有效控制。

首先，對于外在認知負荷的優化控制可以有效降低由于泛在學習系統操作性知識給學習者造成的額外負擔。與普通學習系統不同，泛在學習系統中的外在認知負荷并不是越低越好。由于泛在學習系統的知識呈現以視聽覺信息和交互信息為主，豐富的多通道信息在帶來額外的外在認知負荷的同時，也將激發泛在學習者的學習興趣。因此，對于泛在學習系統中的外在認知負荷的優化控制應根據具體的學習內容和學習目標進行優化設計。

其次，內在認知負荷的降低將使得泛在學習者的學習績效有效提升。在泛在學習系統中，采用碎片化的知識呈現設計，使得學習材料的復雜性有效降低，從而減少內在認知負荷對于學習者的影響。

最后，對于相關認知負荷的調控可以有效降低對學習者的影響。在泛在學習系統中，相關認知負荷會受到外在和內在認知負荷高低的影響，在適當的外在認知負荷和較低的內在認知負荷的基礎上，有效調控相關認知負荷，使得學習者可以將更多的認知資源運用到相關加工上，可以有效提升學習者的學習績效。

二、泛在學習中認知負荷的產生及其結構模型

Paas等人針對樣例和幾何問題解決技能的轉換首次建構了認知負荷的結構模型[3]，并提出學習者的認知負荷的產生是由學習任務、學習者以及學習任務和學習者的相互作用這三個因素引起的。根據Paas的模型，我們認為泛在學習系統中學習任務和學習者個體差異是影響認知負荷產生的兩個重要的因素，同時學習者與學習環境的相互作用也是產生認知負荷的重要方面。在泛在學習系統中，學習者的學習表現(結果)是衡量認知負荷的量化的指標。同時，學習者因認知加工而投入的心理努力的大小即心理負荷直接受學習任務的影響而產生，學習者個體投入的認知資源的量的多少形成了不同大小的心理努力。

(一)泛在學習的生成

美國著名教育心理學家梅耶(Richard E.Mayer)與其合作者在結合認知心理學有關信息加工理論和100多個實驗研究的基礎上，提煉出著名的多媒體學習生成理論模型[4][5]，如圖1所示。

圖1 Richard E.Mayer的多媒體學習生成理論模型

泛在學習是以多媒體學習和網絡學習為主要形式的一種學習形態，因此根據梅耶提出的生成模型的多通道假設、工作記憶有限性假設以及積極加工假設，我們認為：

1.學習者在有效性泛在學習活動中主要通過聲音、語言通道對隨時隨地的環境中進入到自身認知系統的聽覺語言信息進行加工和處理。口語語言以聲音的形式進入學習者聽覺系統并以詞語的形式得到信息加工，其信息加工過程主要包括“選擇音頻—組織音頻—形成聽覺性模型”。

2.圖形圖像等視覺信息通過學習者的眼睛進入認知系統，并以圖像的形式進行知識的生成，其信息加工過程主要包括“選擇圖像—組織文本—形成視覺性模型”。

3.文本性信息仍然通過學習者的眼睛進入認知系統，學習者轉換、整合已有文本庫從而生成新的文本性語言知識和經驗，其認知加工過程主要包括“選擇文本—組織文本—形成文本性模型”。

由圖2可以看出，泛在學習包括三個基本環節：一是選擇。學習者需要使用視聽覺信息加工系統對信息進行選擇；二是組織。當學習者完成對信息的選擇性注意之后，需要將經過選擇編碼的信息組合起來；三是整合。在構建了基于視聽覺的心理模型之后，學習者需要在兩類表征之間建立聯系，進行整合，進而完成有意義的泛在學習。

圖2 泛在學習的生成模型

(二)泛在學習系統中認知負荷的結構模型

隨著多媒體技術和網絡技術的普及，Mayer、Heiser、 Lonn以及Moreno等人在21世紀初開始嘗試研究多媒體學習和網絡學習的認知理論[6][7]。總的來看，以多媒體學習和網絡學習為基礎的泛在學習的認知理論研究，主要形成了雙通道假設、容量有限假設和積極加工假設三個理論流派。雙通道假設流派認為，學習者的認知負荷主要產生于視覺和聽覺兩個信息通道的信息加工過程中；容量有限假設流派認為，學習者的信息加工不能區分為哪一個通道，其信息加工的量是有限的，在多媒體信息加工過程中，學習者將產生認知負荷，并通過元認知策略來優化控制認知負荷并分配認知資源；積極加工流派認為，學習者在多媒體信息加工過程中，學習者積極投入認知加工過程、優化控制認知負荷，并最終建立相關知識的心理表征。

筆者依據認知負荷理論和泛在學習認知理論構建泛在學習中認知負荷的結構模型，如圖3所示。模型側重解釋泛在學習系統中認知負荷產生的原因及其結果的呈現。從模型中可以看出，泛在學習中的認知負荷由泛在學習環境(學習任務)、泛在學習者特征以及泛在學習環境與泛在學習者的交互作用所產生。

圖3 泛在學習中認知負荷的結構模型

1.多通道呈現泛在時代的知識

泛在學習系統以多媒體學習和網絡學習為基礎，存在視覺信息呈現、聽覺信息呈現、交互信息呈現以及多感官信息呈現等多個通道。系統傳遞真實世界、文字世界以及虛擬世界的信息，并在多通道傳遞過程中產生學習者的認知負荷。因此，教學信息的呈現方式控制是影響學習者認知負荷的重要因素。

2.泛在學習材料與教學信息的整合形成泛在學習環境(學習任務)

泛在學習材料由于受到學習材料的復雜程度、性質以及系統呈現知識的類型等因素影響，會對學習者產生認知負荷。隨時隨地的學習方式改變了傳統學習的信息呈現方式和對學習材料的組織方式，因此在學習過程中會產生一些對學習沒有直接貢獻的心理活動，造成學習者的信息過載，形成無效認知負荷。如泛在學習系統中常常以各種交互方式給學習者呈現信息，并根據學習者的位置信息智能感知學習需求，并為學習者推送信息，而這些交互信息產生的冗余信息就會給學習者造成額外的外在認知負荷，降低學習效率。因此，在優化控制系統中的認知負荷時，應注重整合的泛在學習環境(學習任務)設計。

3.泛在學習者個體特征因素

學習者個體特征因素(包括智力因素和非智力因素)是影響學習績效的關鍵要素之一。學習材料復雜程度與學習者先前知識之間的關系，決定了學習者內在認知負荷的大小。通過提高學習者泛在學習能力，如信息加工能力、信息鑒別能力、網上交流能力、網上學習注意力、學習輔助能力、網絡學習時間管理能力以及應對考試能力等，可以提高學習者在學習系統中學習效率，提高學習者的非智力因素如泛在學習興趣、動機以及態度等，有效控制認知負荷量。

4.認知負荷優化控制

Zumbach等學者的研究表明，學習者通過超媒體學習時，認知負荷與知識獲取之間呈顯著相關性。同時，認知負荷評價的提高與學習結果的降低有關[8]。在泛在學習系統中，要使學習者獲得最佳的學習效果，就必須對系統產生的認知負荷加以有效控制:(1)系統中外在認知負荷的優化控制可以有效降低由于泛在學習系統操作性知識給學習者造成的額外負擔，適當的外在認知負荷量將有效激發泛在學習者的學習興趣；(2)有效降低學習材料的復雜程度將使得學習者內在認知負荷得以降低，從而改善學習效果減少內在認知負荷對于學習者的影響；(3)在適當的外在認知負荷和較低的內在認知負荷的基礎上，有效調控相關認知負荷，可以使得學習者將更多的認知資源運用到相關加工上，有效提升學習者的學習績效。

5.泛在學習結果的產生

一般認為，認知負荷的優化控制可以產生學習者良好的生理狀態、良好的學習行為、良好的學習績效以及適當的認知負荷量：(1)從學習者生理狀態來看，過高的認知負荷量會使得泛在學習者產生過高的學習心理負擔，從而妨礙學習結果。同時，過低的認知負荷會讓學習者失去學習動力；(2)從學習行為角度來看，認知負荷的優化控制將形成泛在學習者的良好的認知風格、認知能力和智力發展；(3)認知負荷與泛在學習者的知識獲得呈顯著相關，適當的認知負荷將產生良好的學習績效。

三、泛在學習中認知負荷的優化控制——基于信息呈現的設計

就本質而言，泛在學習與其他學習方式一樣，都是把外在認知負荷轉化為相關認知負荷。在泛在學習環境中，恰當的信息呈現方式能提高學習者注意力，激發學習興趣，在降低學習者的外在認知負荷的同時增加相關認知負荷。下面我們將從認知負荷理論的角度出發，著重探討如何優化泛在學習環境中的信息呈現方式，減少多余的認知負荷。

在泛在學習教學設計的時候，課程開發者通常需要考慮：學習者本身的認知水平、學習內容的選取和組織形式以及符合學習者認知規律和學習內容所決定的媒體類型，這三者通常會相互影響，最終決定泛在學習的信息呈現。在泛在學習環境的教學設計中，要把學習者、學習內容與媒體類型三者的特征和相互關系作為研究的重點，從而尋找能夠合理有效組織呈現學習內容的正確方法。從信息呈現影響因素的概念圖中可以看出(如下頁圖4所示)，在泛在學習的教學設計過程中，可以以學習者、學習內容或媒體類型這其中一個因素作為設計的基礎，與此同時合理運用另外兩個因素的特征以及相互之間的影響來進行教學設計。但是，考慮到泛在學習“以學習者為中心”這個本質特點，與其他學習方式有所不同：在泛在學習環境下，學習是一種自發行為，學習者可以主動地進行學習并且愉快地享受著學習過程。所以在進行教學設計時，學習者是整個教學設計過程的核心，通過分析學習者的認知特征以及對各種媒體類型的認知水平，合理安排學習內容的呈現結構，盡最大努力降低學習者在泛在學習環境中產生的多余認知負荷，提高學習者的學習效果。

圖4 信息呈現的主要影響因素

(一)學習者

學習者是泛在學習環境中學習的主體，是信息的主要呈現對象，所有的學習活動都應該圍繞學習者展開。同時，學習者在進行泛在學習過程中還會受到來自原有知識體系的影響，學習者之所以能接受新信息的本質原因是新信息被學習者原有知識結構所容納。所以在進行泛在學習課程設計之前，應根據認知負荷理論的觀點，系統分析學習者的個人認知能力和認知特性，對學習者的預備知識有一個清楚的認識，因材施教，完善學習者的預備經驗，充實學習者的儲備知識和技能水平，提高學習者合理運用自身認知負荷的水平。在確保學習內容與學習者認知結構相協調的基礎上，依據信息加工模型原理在教學目標的指引下組織教學活動。

1.學習者的特征分析

根據認知負荷理論可以知道，學習者先前的知識經驗對泛在學習環境信息加工中的內在認知負荷會產生不可忽略的影響。由于學習者的認知風格和水平有所差異，他們在進行新知識的學習時會不由自主地帶入先前已習得的知識技能，而這些主觀因素往往會對新知識的理解和掌握能力產生影響，同時解決問題能力的差異也會凸顯出來。因此，對不同認知風格的學習者應提供不同的學習層次。

2.學習者的動機分析

相關認知負荷是指學習者在學習新內容時，工作記憶需要建立新的圖式或激活已有圖式的數量，由學習者本身產生。通常情況下，學習的外部動機會激發學習者的學習興趣，而內部學習動機才是學習得以持續的關鍵。目前大多數相關的應用都只是重視學習平臺的開發和學習資源的整合，對學習者本身的學習動機研究不足。

針對這種情況，可以充分利用泛在學習教學行為的場景性。學習應該與學習者的日常生活融為一體，通過泛在學習系統的感知，可以自然地呈現學習者所遇到的問題或急需的知識。學習內容的真實可信有利于學習者更好地注意問題的情境性，引起學習者的認知努力。

泛在學習平臺提倡無所不在的學習理念，提倡學習者在工作空閑之余隨時充電學習。學習者依據自己的學習興趣個性化的設置智能推送相對應的電子資源，通過電子終端方便快捷地進行信息的接收和學習。由于目前感知技術不成熟而且技術昂貴等原因，泛在學習項目在系統感知方面的能力稍顯欠缺，不過其模塊化和可擴展性等特點將可以支持學習模式和學習模塊升級。

(二)學習內容

在泛在學習系統中，選擇和處理學習內容時要全面深入地了解內容的內在聯系和相互之間的邏輯關系，特別注重學習內容的呈現方式和呈現順序的合理性。在運用多媒體傳遞學習內容的過程中要充分了解各種媒體的優勢和劣勢，考慮學習者所在環境的學習支持能力。與此同時，要確保學習者對使用媒體類型的熟悉程度，避免學習者在使用媒體過程中產生不必要的認知負荷。

1.學習內容微型化設計

在現實的工作生活中，學習者往往需要能夠及時解決棘手問題的片段性知識。而信息量龐大的學習內容會使學習者“迷航”，難以獲得清晰的知識體系結構，導致認知負荷過重，學習者不能及時消化所學內容。因而，泛在學習環境中學習資源的粒度應該適中，學習者無需花費過多時間便可完全掌握一個知識點，并能將其運用到實際解決問題中去。同時，泛在學習的互動過程是不穩定的，學習者隨時有可能中斷學習行為，而學習內容所包含的信息量越大，學習者學習掌握的時間就越長，學習行為被中斷的可能性就越大。因此，在泛在學習環境中，學習者更加需要以知識點為最小粒度的學習內容。

為了減少學習者學習過程的認知負荷，課程開發者在進行學習設計的時候應該注意以下幾個問題：(1)人的工作記憶容量有限，一般為5-9個組塊，一個屏幕同時出現的概念不應該過多；(2)學習內容要經過精簡提煉；(3)學習內容上下文要有較強的邏輯關系；(4)確保屏幕上內容的完整性。

2.元認知監控設計

所謂元認知指的是學習者對自己的認知加工過程的自我覺察、自我評價和自我調節。學習者在多媒體信息加工過程中的相關認識負荷與元認知監控密切相關。大量的科學研究證實，對學習者進行適當地元認知指導可以促進學習者的有效學習。泛在學習是學習者自主學習的過程，而元認知能力則是保證認知效果的主要因素之一。因此，泛在學習的課程開發者要依據學習要求和學習者的認知特點，在恰當的時機呈現元認知監控提示。盡量減少學習者在元認知活動中輸出的心智努力，在確保學習效率的情況下，減少認知負荷水平，使得學習者隨時掌握學習狀態，把握學習進程，方便快捷地調整自己的學習步調。

3.利用生成性信息

在泛在學習的環境中，學習者能夠協同編輯資源信息。學習過程中產生的生成性信息，如對學習內容的評價、標注等也可以通過泛在網絡分享給其他的學習者。學習者可以隨時記錄并分享自己的想法，在擴展工作記憶的空間，減少短時記憶壓力的同時，可以把存儲在記憶系統中的無形化知識可視化，在一定程度上減輕工作記憶提取信息的負擔。

基于學習者的視角，經過分析學習者對學習內容的評價、標注等信息，可以知道學習者的學習偏好，從而更新學習者的用戶資料庫?；趯W習內容的視角，經過挖掘學習者對學習內容的評價、標注等信息，可以知道學習內容的相關質量問題，有助于在今后的學習中為學習者呈現更高質量的學習內容。

4.倡導合作交流

泛在學習不僅要實現通訊、資源層面的共享，還要實現人際層面、社會認知層面的共享。社會建構主義理論指出，學習是學習者基于一定的社會文化情境，在與學習環境的互動中自我建構意義、共享和參與社會認知網絡的過程。未來的泛在學習不僅僅是基于資源的自主學習，還包括與學習網絡空間中其他學習者的互動和交流。交流討論可以使學習者獲得啟發和靈感，并完善自己的思考。當學習者在泛在學習環境中為了解決一個具有挑戰性的問題而共同工作時，他們會不斷地交流，共享解決問題的思路。學習者不僅可以拓寬視野，學會多角度看問題，而且可以以其他成員為參照物，反思自己的學習方法和思路，及時做出調整，進而幫助學習者減輕學習的認知負荷。

(三)媒體類型

多媒體信息的呈現形式主要包括文字、圖形、圖像、聲音、視頻、動畫等。它給學習者提供了多種感官的綜合刺激，能激發學習者的興趣和學習積極性。在進行信息呈現時，要充分考慮各種媒體的優缺點，根據學習內容、學習目的和學習者本身，合理選擇媒體形式的種類，從而達到提高學習效果的目的。

由認知負荷理論的通道效應我們可以知道，媒體呈現信息的過程中利用視覺或聽覺單一通道的學習效果遠比不上同時利用兩者進行同步呈現。所以，在保證網絡傳輸速度的基礎上，應盡可能多地使用視音頻等雙通道媒體加工形式。

四、結論及討論

泛在學習系統通過上下文感知系統增加人機信息流，但同時不可避免地增加了人們對于信息過載的恐懼感和認知負荷量。筆者通過文獻研究、模型建構和邏輯推理等過程和方法分析了泛在學習系統中認知負荷的產生，構建了泛在學習中認知負荷的結構模型，并基于信息呈現方式的設計提出認知負荷優化控制的策略和方法，拓展和發展了泛在學習時代的認知負荷理論，對于人們豐富泛在學習的認識和泛在學習績效理論有著重要的意義。泛在學習教學設計應根據學習者本身的認知水平、學習內容的選取和組織形式以及符合學習者認知規律和學習內容所決定的媒體類型，為泛在學習提供更為科學的教學策略和方法，有效調節學習者的認知資源，達到最優化的學習效果。

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[7]Moreno R,Mayer R E.Cognitive principles of multimedia learning:the role of modality and contiguity[J].Journal of Educational Psychology,1999,91(2):358-368.

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付道明：副教授，博士后，碩士生導師，研究方向為教育傳播、學習科學與技術(jetinchina@21cn.com)。

2014年11月5日

責任編輯：趙興龍

A Research on the Generation of Cognitive Load and Its Optimal Control in Ubiquitous Learning System

Fu Daoming
(College of Educational Science,Hanshan Normal College,Guangdong Chaozhou 521041)

There are signi fi cant differences between the cognitive load and knowledge when learners learn things through hypermedia.As everyone knows that ubiquitous learning system can increase the man-machine information fl ow,but at the same time,it will inevitably form the sense of fear of information overload and cognitive load to people.On the basis of the cognitive load theory,this paper analyzed the generating of the cognitive load in ubiquitous learning system,and then constructed its structure model.At last,on the basis of information presented design,this paper proposed some optimal control strategies and methods of cognitive load.

Ubiquitous Learning;Cognitive Load;Optimal Control;Structure Model;Information Presentation

G434

A

1006—9860(2015)03—0097—06

* 本文系2013年教育部人文社科青年基金課題“區域教育信息化推進策略與可持續發展研究”(課題批準號：13YJC880080)階段性成果。