基于認知負荷理論的職業教育教材設計
——以《汽車發動機構造與拆裝》教材為例

鄔鄭希

（中國鐵道出版社，北京 100054）

一、引言

我國從20世紀80年代開始發展職業教育，職業教育取得了空前發展，出版的職業教育教材不計其數，但是質量卻良莠不齊。出現問題的原因很多，從教材出版專業編輯角度來說，既有專業編輯在教材出版的選題策劃、組稿、初審、編輯加工等環節存在沒有對內容進行深度挖掘的問題，更深層的原因是專業編輯只具備深厚的專業知識而缺乏相關的職業教育理論知識。這些問題的解決，需要現代教育理論，特別是現代課程理論、學習理論、教學理論和傳播理論的支撐。[1]目前，關于職業教育教材設計的相關書籍、文獻和實例較少，通過中國知網搜尋以“職業教育教材設計”為篇名的文獻不到20篇。本文以認知負荷理論為切入點，根據筆者參與設計的《汽車發動機構造與拆裝》[2]教材中的案例進行剖析，詳細展示教育學、心理學等理論如何具體指導職業教育教材的設計。

二、認知負荷理論概述

認知負荷理論（Cognitive Load Theory，簡稱CLT）于20世紀80年代由澳大利亞認知心理學家約翰·斯威勒（John Sweller）首先提出，是研究教育心理學和教學設計等領域的一個主要理論，并得到不斷發展。

（一）人類記憶的內涵

人類的記憶主要包含工作記憶和長時記憶，工作記憶是信息加工的主要場所，在面對新信息時，其容量非常有限，一般能接收、處理或貯存“7±2”個信息組塊；長時記憶以圖式為基本單元，圖式具有復雜性，并且可以自動化，其中的信息被調用到工作記憶時，所調用到的所有信息僅作為一個組塊進行加工處理。[3-4]因此，當面對復雜的學習內容時，教材設計關注的首要問題是呈現什么樣的內容合適和對內容呈現的形式進行設計、加工幫助學生有效利用有限的認知資源。

（二）認知負荷的類型

根據影響認知負荷的基本因素不同，可以分為外在認知負荷（Extraneous Cognitive Load）、內在認知負荷（Intrinsic Cognitive Load）與相關認知負荷（GermaneCognitive Load）三種認知負荷類型。外在認知負荷主要由信息的呈現方式決定。內在認知負荷是由學習內容本身引起的，其高低主要取決于內容的復雜程度。相關認知負荷是指在新的圖示建構或圖示自動化的過程中占用的認知資源。[5]因此，教材設計必須根據具體內容采取一系列教學策略來降低或提高學生的認知負荷。比如，設計教材內容的呈現應注意利用外在認知負荷，處理需要理解的多種內容相互關系時采用內在認知負荷，利用相關認知負荷展示案例。

三、認知負荷理論在教材設計中的應用

（一）教材結構設計

很多學生在看完教材聽完課后，做習題時卻提取不出知識，原因在于大腦沒有對長時記憶中提取的信息進行組塊加工，形成知識的有效融合。為此，教材結構設計應設計知識引導模塊（見圖1），幫助學生將所學內容用思維導圖的形式呈現，不僅可以增加學生的相關認知負荷，還可以降低學生的內在認知負荷。因為這樣可以將知識歸納、整合成一體，提高學生的學習效率，教給學生處理知識及學習知識的方法。

圖1 知識引導

1. 采用中央圖像，形成學習的焦點。首先印入眼簾的是圖1的圖片，也就是中心圖像，來自動吸引學生的眼睛和大腦的注意力，由它觸發聯想。

2. 以中心圖像為原點進行發散。按照邏輯順序展示分支，先是講了為什么要排放控制，然后分別是什么是排放控制、如何排放控制，最后是對每個分支的具體闡述。在這個過程中通過有序組織內容、合理規劃層次來減小認知負荷，達到有效學習的目的。

3. 突出呈現重點內容。突出呈現形式多種多樣，可以采用加入圖像、字號大小變化、色塊標注、不同編碼等。例如，對碳罐、三元催化器、PCV閥三大重要部件加入圖像，凸顯事物，有立體感，更容易被記憶。分析發動機排放控制這一支采用字號逐級降低，給人層次感，表明事物的相對重要性。對重要掌握的內容“碳罐的工作過程”標注紅色，避免色彩單一的文字圖片使大腦感到單調，容易瞌睡，同時通過不同的顏色刺激左右腦，激發學生的記憶力和創造力，幫助學生快速獲取重要內容，輕松記住信息。在發動機燃燒與污染源及污染物之間使用箭頭建立聯系。通過箭頭標注自動引導學生的眼睛把事物連接在一起，對有效記憶非常有幫助。

（二）教材內容的設計

教材內容的設計和教材的結構設計同樣重要。對同一教材內容不同的組織與呈現形式，學生使用的認知資源數量不同，相應的認知負擔也不同。以教材中“汽車發動機總體構造”這個知識點為例進行說明。在第一本教材中，第二段寫到汽油機是什么機構和系統組成，柴油機與汽油機有什么區別，并為這段文字配了張發動機總體構造圖（見圖2）。文字內容沒有什么專業性知識錯誤，但是從受眾者學生角度閱讀，必須讀完所有的文字，才知道學習的內容是什么?？赐昱鋱D后會產生疑惑，不知道發動機總體構造和系統外觀具體是怎么樣的。

圖2 樣例1

再看第二本教材的編寫（見圖3）。文字內容也是介紹發動機的機構和系統組成，再介紹每一個機構由什么部件組成，配圖列出了發動機的43個部件，學習內容比較復雜，學生理解時需要在工作記憶中同時加工多個不同的元素，工作記憶負擔大，內在認知負荷高，學生不愿意閱讀。而根據認知負荷理論，人類的工作記憶容量有限，一次只能存儲7±2 個信息塊，不能一次提供過多信息給學生。像圖3（b）中的43個部件名稱，學生很難記憶。

圖3 樣例2

因此，我們在設計時以學生為中心，以認知負荷理論為指導，進行有效設計（見圖4）。

1.對于圖4中的文字部分，利用提高相關認知負荷的方式之一促進學習者自我解釋活動（Self-Explanation）中的一般性提示策略，采用綠色加粗的形式標注關鍵字詞，吸引學生重點閱讀汽油機的主要機構和系統，使學生在此處停頓進行自我解釋，更好地理解教材內容。

圖4 樣例3

2.在教材內容設計中，外在認知負荷主要體現在內容的組織和呈現方式上。好的內容組織與呈現會減少學生需要的認知資源數量，減輕學習者的認知負擔。為此，設計圖4呈現形式與文字內容緊密結合，把汽油機的圖片作為中心圖，把各機構和系統的整體概念圖圍繞在周圍，將所有圖片當作一個實體來看待，縮小工作記憶空間，降低工作記憶的負荷。

3.為了幫助學生有效組織信息，提高相關認知負荷，采用情境干擾策略（Contextual Inference）降低相鄰信息的干擾，將原本無序的發動機機構和系統圖片采用空間臨近，形成不同視覺單元。為此，將兩大機構圖歸類一起，放置在中心圖的左邊，采用藍色虛線框標注。五大系統圖歸類一起，放置在中心圖右邊，采用綠色虛線框標注。為了進一步降低學生的內在認知負荷，采用知識漸進（Knowledge Progression）策略，在圖中左邊的兩個機構圖旁標注關鍵詞“兩大機構”，右邊的五個系統圖旁標注關鍵詞“五大系統”，幫助學生先識記第一層次“兩大機構”“五大系統”，為再識記具體的機構名稱和系統名稱做好鋪墊 。

本文基于認知負荷理論對教材的結構、內容進行教學設計，旨在給予廣大教材編寫者和教材編輯以啟發，將學習理論、教學理論和傳播理論等理論有效應用到職業教育的教材設計與編寫中，以更好地促進職業教育教材設計的專業性、有效性發展。