認知負荷理論對當前“大學一般理論課”教學設計的啟示

唐麗娜

摘要：隨著信息技術的迅猛發展，大學生的學習環境越來越趨向智能化。但新技術的使用，并沒有改變學生用于信息加工的認知系統，其與傳統教學環境下的知識建構過程是一致的。智能化的學習環境，使得學習內容更加豐富，同時也提高了學習過程中認知負荷超載的風險和可能性。如何針對目前大學生學習環境智能化的現狀進行有效的教學設計，促進學習者的認知加工和學習效果？本文從認知負荷理論的視角出發，從課程內容、媒介選擇、教學策略三個方面提出針對“大學一般理論課”課程教學設計的建議。

關鍵詞：認知負荷理論；大學一般理論課；教學設計

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）48-0233-02

筆者一直承擔信息管理與信息系統專業必修課“運籌學”的一線教學工作，根據多年的教學經驗發現，學生普遍認為這門課難度大，掌握起來較為困難。為了更好地改進教學，根據認知負荷理論，從課程內容的呈現、媒介的選擇與使用以及教學策略的選擇三個方面，具體說明降低認知負荷從而促進有效教學的教學設計策略。

認知負荷理論最早由教育心理學家John Sweller、Fred G.W.C.Paas等在20世紀80年代提出[1]。該理論關注個體的認知結構與信息結構之間的交互作用，認為教學過程中呈現的信息結構必須要與學習者的認知結構系統相適應，才能實現有效教學。該理論認為，人類大腦負責信息加工的主要場所是工作記憶，而工作記憶容量小，保存時間短；人類大腦中儲存的信息大多以圖示（Schema）的形式存儲在長時記憶中。內部認知負荷是指由學習任務和學習材料本身的難度產生的認知負荷，與學習者的先驗知識和學習材料或任務的復雜性有關。外部認知負荷是指由于不恰當的教學方式或資料呈現和組織方式，帶來的不必要的認知負荷[2]。對于像“運籌學”這樣的大學一般理論課程，內在認知負荷一般來說會比較高，有時甚至會超出工作記憶的容量。因此，適當減少內在認知負荷，以保證學習的順利進行，是教學設計要解決的關鍵問題之一。

一、關于課程內容的呈現

課程本身的難度屬于內部認知負荷，其總量是無法減少的，但可以通過調整課程的知識結構進行調節。對于難度較高的學習材料，可以將知識分解為具有聯系的多個小模塊，避免一次性呈現所有信息。另外，在呈現新的信息之前，最好先介紹信息的結構，幫助學生建立一個“腳手架”，之后按順序呈現所有的學習材料。學生可以依靠已經存儲在長時記憶中的相關信息幫助處理信息，將認知負荷控制在工作記憶能夠承受的范圍內。比如，對“運輸問題的求解”這個知識點，由于“運輸問題”屬于“線性規劃問題”，因此，先介紹一般線性規劃問題的解法——先建立初始基可行解，然后進行解的最優性檢驗，如果不是最優解，需要迭代求新的基可行解，再介紹運輸問題的特殊性——技術系數矩陣為稀疏矩陣，由此引出運輸問題的求解方法——表上作業法。根據學生已經建立的一般線性規劃問題的求解方法，分三個階段介紹表上作業法，減少學生同時加工的信息數量，讓問題特征和解法的聯系更加清晰。

二、關于媒介選擇與使用

很多高校在積極推進數字化校園建設，在面對面的課堂教學中，教師借助多媒體技術展開教學，課下學生借助網絡教學平臺進行自主學習。網絡學習環境帶來了信息傳遞的多元性，使得學習內容更加豐富，教學模式更加多樣，學習動機得到激發，同時也提高了學習過程中認知負荷超載的風險和可能性[3]。因此，選擇使用任何技術和工具，都需要慎重考慮。

課堂上，借助多媒體技術展開教學的過程中，要注意學生學習的認知負荷超載現象，對于幻燈片、動畫及視頻等多媒體信息的呈現，要注意速度問題。如果速度過快，前一段信息還沒完成加工（存儲到長時記憶中），就開始加工下一段信息，那么新信息會對前面的加工產生干擾，影響學習效果。因此，要給學生留有更多的時間處理前一段信息，或者在動畫場景中保留一些關鍵信息的視覺線索，他們就可以在需要時反復加工這些信息，而不需要將之前的信息一直保持在工作記憶里。同時，可以將視頻和音頻相結合，增加工作記憶的信息加工能力，提高學習效果。

網絡學習環境中，學習材料通過超鏈接組織在一起，當鏈接很煩瑣時，會耗費大量的認知資源，造成認知負荷超載。因此，網絡課程中的路徑結構優化很重要。系統要能提供清晰的導航，減少每條路徑上冗余的鏈接，避免信息的無規律布局和冗余。學生的知識狀態隨著學習進程發生著動態變化，應該讓他們選擇適合自己當前狀態的學習策略。

“運籌學”這門課包含一定的數學建模方法和工程思想及管理思想[4]，對于定量分析部分需要嚴格數學推導的基本理論，建議采用傳統板書的形式，這樣可以更好地展現解決問題的邏輯思維過程，避免多媒體信息超載問題。而對于數據量較大的實際問題的解決，建議借助多媒體工具來呈現。

三、關于教學策略的選擇

內部認知負荷的高低，取決于學生的先驗知識水平[3]。高水平學生已經在長時記憶中建立了較多的關于領域知識的認知圖式，當新信息進入工作記憶加工時，長時記憶會提取出認知圖式里的相關知識，幫助新信息的加工。相反，低水平學生因其長時記憶缺乏足夠的相關認知圖式，當新信息進入工作記憶時，需要逐個處理每個元素以及元素之間的關系，造成較高的認知負荷。正所謂“溫故而知新”，每次新課之前，應該讓學生先復習在先修課程里用到的知識點。比如，在介紹線性規劃求解的“換基迭代”這個步驟的時候，用到了“矩陣的初等行變換”這個知識點。該知識點在之前的先修課程“線性代數”中已經介紹了。通過復習，有利于新知識的接受。

在教學過程中，要特別注意“能力反轉效應”，即對初學者有用的方法可能對熟練者無效，甚至可能阻礙學習[5]。對于低水平學生，可以提供包含聲音、視頻、文字、圖形等多媒體信息，幫助他們更好地理解抽象知識，而對于高水平學生，可以只提供文字材料，因為額外的多媒體信息可能干擾其學習過程。另外，教學材料的組織順序，也需要考慮學生水平的差異。若教學策略使用不當，產生過高的外部認知負荷，就會導致總認知負荷的超載。

綜上，對于像“運籌學”這樣有一定難度的“大學一般理論課”，其教學過程應以學生的認知結構為基礎，以工作記憶的局限性為核心，控制同一時間傳遞信息的數量和關聯程度，避免認知負荷超載對學習的負面影響，才能提升學習效果。

參考文獻：

[1]John Swller，Cognitive Load During Problem Solving：Effects on Learning[J].Cognitive Science，1988（12）：257-285.

[2]趙立影，吳慶麟.基于認知負荷理論的復雜學習教學設計[J].電化教育研究，2010，（04）：44-48.

[3]高媛，黃真真，李冀紅，黃榮懷.智慧學習環境中的認知負荷問題[J].開放教育研究，2017，23（01）：56-64.

[4]《運籌學》教材編寫組.運籌學[M].第四版.北京：清華大學出版社，2012.

[5]張冬梅，路海東，祖雅桐.認知負荷視角下的知識反轉效應[J].心理科學進展，2016，24（4）：501-509.endprint