論認知負荷理論及其對成人學習的啟示

○周金鳳 胡水星

認知負荷理論（Cognitive Load Theory，CLT）是對教學有重要指導作用的心理學理論，自20世紀90年代開始就受到了國內外眾多學者的廣泛關注。近些年來，認知負荷理論對當前的課程發展提供了一定的指導作用。其多數研究應用于認知負荷難度相對較大的理工科課程的教學設計中，如數學、物理；而少數研究則應用于認知負荷難度相對較小的社會科學的教學設計，如語文、歷史。隨著中國高等教育信息化2.0時代的來臨，認知負荷理論的發展趨勢、運用重點和發展方向也引起了更多研究者的重視。在第十一屆全球認知負荷理論會議上，如何在智慧時代更好地利用認知負荷理論進行新的教學模式的教學設計就成了中外研究者們熱切探討的對象。認知負荷理論在智慧教育時代的運用重點主要體現在學生自主學習、游戲化學習、沉浸式學習、移動學習和基于計算機的模擬學習等方面［1］。除此以外，認知負荷理論也逐漸應用于非教育領域，如智慧健康領域，而在教育領域的成人學習方面論述較少。筆者認為一方面是由于成人學習群體復雜，另一方面是由于成人學習的知識龐雜。但成人學習群體具有豐富的先前學習經驗、明顯的自我概念和強烈的學習需求。將認知負荷理論應用于成人學習領域，有利于成人學習群體所面臨的共同問題的改善，提高學習效益。

一、認知負荷理論的概述

“負荷”一詞最初來源于物理領域，指的是動力裝置、機械設備在特定情況下所承受的工作總量?！罢J知負荷”最先出現于心理學領域，也稱“心理負荷”。認知負荷理論在1988年被澳大利亞認知心理學家Sweller首次提出，隨后成為教育領域教學設計與學習觀念轉變的重要指導理論。認知負荷理論受早期學習理論的影響，科學解釋了人類學習過程中知識整合以及內化的過程。

（一）認知負荷理論的內涵

Sweller從人的認知心理出發把認知負荷定義為：在一個特定的作業時間段內，外界或個人施加于個體認知系統的心理活動總量［2］。在教育心理學領域可以將認知負荷理解為學習者在學習時，外界或個人施加于學習者信息加工系統的心理活動總量。為了便于研究，Sweller以資源有限理論和圖式理論為基礎，從資源分配的角度出發考察認知負荷，把認知負荷劃分成了三種類型，即內在認知負荷、外在認知負荷和相關認知負荷。

內在認知負荷指的是學習過程中由學習材料本身的難易程度引起的認知負荷。影響內在認知負荷的因素主要有兩個，一是學習材料本身的性質，二是學習者自身的特點。內在認知負荷不僅具有客觀性，也具有主體性?？陀^性指的是學習材料本身的難易程度，一般認為學習材料如果是由可以被單獨理解的不同信息源組成的，那么就認為該材料具有低元素互動性，相應的能引起的內在認知負荷也較低；反之，如果學習材料不能被單獨理解，而是需要建立在已有的知識基礎之上，那么就認為該材料具有高元素互動性，相應的能引起的內在認知負荷也較高［3］。同樣一份學習材料，對于經驗基礎不同的學習者來說，能引起的內在認知負荷也不一樣，稱其為內在認知負荷的主體性。例如，同樣是學習python語言，有計算機基礎并且善于將已有的知識經驗與即將學習的材料之間建立起有意義聯系的學習者學習新的語言就會比一般學習者（即沒有先前知識經驗的學習者）掌握這門語言更簡單。學習材料本身對應于內在認知負荷的客觀性，這一點對于教學設計者而言很難改變。學習者的特點對應于內在認知負荷的主體性，這一點教學設計者也無法在短時間內改變。但是通過將學習者已有的經驗基礎與學習材料之間建立起有利于學習者長時記憶信息儲備量的有意義聯系，學習者對學習內容的掌握程度就會達到比較高的狀態［4］。

外在認知負荷指的是學習過程中由不良的學習方式、教學設計帶來的學習干擾所引起的認知負荷。影響外在認知負荷的因素主要有學習材料的組織與呈現形式，包括學習過程中使用的信息傳遞渠道不暢通、采用的教學設計不恰當，學習的知識呈現結構邏輯不清晰等［5］。外在認知負荷也稱無關認知負荷，是在學習過程中可以避免的一種認知負荷。學習者依據自身的認知風格和學習材料的類型等因素，選擇知識組織與呈現的合理形式，有利于學習者在學習過程中外在認知負荷的降低。

相關認知負荷指的是學習過程中由優化的學習策略引起的認知負荷。該負荷的影響因素與外在認知負荷類似，但該負荷的存在與外在認知負荷的作用剛好相反。相關認知負荷的存在有利于學習者學習效率的提升，可以幫助學習者構建長時記憶外部關聯要素，是知識內化與遷移的必要途徑，也是通常說的學習過程。提高相關認知負荷的方法有很多，比如學習方式的創新、學習動機的提升、元認知策略的學習等。相關認知負荷的存在可以更好地促進學習者認知活動的順利進行和材料的有效學習。

（二）認知負荷理論的學習觀

以資源有限理論為基礎，認知負荷理論認為，學習者在學習過程中的認知資源是有限的，因而在學習過程中能承受的認知負荷也是恒定的。以圖式理論為基礎，認知負荷理論認為，學習者的認知系統是由一張張圖式構成的，新的知識只有被納入原有的圖式中，才能稱其為有意義的學習，學習的過程就是圖式不斷同化順應與平衡的過程。以建構主義為基礎，認知負荷理論認為，學習是學習者頭腦中經驗的再改造，學習的過程是動態變化的過程，學習過程中所承受的認知負荷也在不斷地變化。學習的初期階段，對于一份簡單的學習資料，學習者也存在較大的認知負荷；在學習的后期，對于一份結構復雜的學習資料，學習者也能比較輕松地掌握。這就是為什么古人常說“萬事開頭難”。根據認知負荷理論的學習觀，可以較好地解釋為什么有的學習無效，即當所學知識超過了學習者能承受的最大認知負荷，此時的學習就屬于無效學習；同時也可以在一定程度上解釋，為什么專家對其所在領域的學習比普通學習者的學習要高效與深入，即專家在該領域已具備豐富的圖式基礎，在基礎知識的學習過程中就會使用比普通人較少的認知資源，因而產生的認知負荷也會較小，專家會將更多的認知資源投入更深層面的學習中，因此專家的學習會更加高效與深入。基于上述分析，根據認知負荷理論，可以歸納認知負荷理論倡導的學習觀為：（1）總的認知資源是有限的，通過減少外部認知負荷，提高相關認知負荷有利于學習者的學習；（2）在學習者已有知識經驗基礎上的學習會更加高效；（3）學習是動態變化的過程，學習過程中利用元認知及時調整資源分配有利于學習者學習；（4）相關認知負荷的提高，有利于學習者長時記憶的構建，有利于實現有意義的學習。

（三）認知負荷理論在教育中的應用

近年來，認知負荷理論逐漸成為教學設計中的主導理論之一。越來越多的研究者開始從不同的角度出發研究認知負荷理論對教學與學習的影響，并基于認知負荷理論提出能提高教育教學效果與學習效率的相應策略。學者樊衛賓等人從學科教學角度出發探討認知負荷理論的影響因素，指出只有在深入分析影響學生三類認知負荷的基礎上進行相關教學設計，才有助于達成教師期待的教學效果、學生滿意的學習結果，并在此基礎上提出了9條教學設計策略［6］。翻轉課堂作為一種全新的教學模式的出現，打破了傳統教學步驟，顛倒了傳統學習順序，為研究者們帶來了許多新的機遇與挑戰，如何基于翻轉課堂進行有效的教學設計成為研究者們探討的焦點。學者趙東華在深入分析青年學習者的認知負荷特性、來源及其工作原理的基礎上，從創新翻轉課堂教學模式設計角度出發，提出了三條認知負荷理論對教學順序顛倒的翻轉課堂教學設計的效應啟示及發展戰略［4］。也有研究者從硬件出發，探討認知負荷理論帶來的相關設計啟示。信息系統作為教育教學的硬件輔助工具，探討其設計模式對于教育教學領域具有一定的進步意義。學者譚旸等人詳細梳理了認知負荷理論在新時代信息系統研究領域中的文獻，概括出目前認知負荷理論在信息系統研究領域中的應用主要有信息系統設計研究、信息檢索研究和信息系統效能評估3個方面。并且指出目前在這方面的研究存在“研究范圍不夠廣泛”“缺少對三類認知負荷的分別定量研究”的問題，將來的研究范圍可以在拓展到應用認知負荷理論進行各類信息系統研究情景的設計、探索更多種類的信息檢索工具與用戶的認知負荷的關系以及研究用來降低用戶的認知負荷的輔助工具等［7］。物理學習環境是硬件設施的另一方面，同樣是教學有效性的影響因素。研究者煥彩熙等人從物理學習環境角度出發，研究了其對認知負荷的影響，認為它是教學是否具有有效性的決定性因素，同時對帕斯和范梅里恩伯爾20年前提出的“認知負荷模型”進行了發展，提出將物理學習環境因素獨立出來看成是與學習任務特征、學習者特征以及將兩者結合后產生互動并列為影響學習者認知負荷的第四大影響因素，并提出通過管理學習者的物理學習環境，管理學習者的認知負荷，從而提高教育教學效果［8］。隨著教育信息化2.0時代的到來，微課逐漸盛行。學者張曉軍等人從認知負荷理論視角出發，分析了微課學習過程中學習者產生的認知負荷情況，并結合大量實例分析，同時在實踐中檢驗了降低內在認知負荷、外在認知負荷，以及提高相關認知負荷的策略和方法，提出在微課設計中關于認知負荷的研究有助于促進微課設計模式的更迭與創新［9］。

綜上所述，認知負荷理論為學者們在教學設計過程中如何合理有效地設計教學策略、善用技術工具、提高學習者學習效果、促進最高教學目標的實現提供了良好的思路。本文從認知負荷理論出發，結合成人學習特點，提出針對成人學習者的學習方法，以期最大程度提高成人學生的學習成果。

二、成人學習的特點

1968年，MalcolmKnowle教授提出了用來區別傳統學校面向青少年兒童的成人教育學。認為不同于傳統校園中青少年兒童的學習，成人學習者的先前經驗更加豐富、自我概念意識更加明顯、對學習需求的意識更加強烈。對成人學習者特點的研究有利于促進成人學習者的學習，落實終身教育理念，構建學習型社會。

（一）學習者的先前經驗更加豐富

經驗是活的教科書，是學習的重要基礎。建構主義的學習觀認為只有建立在已有知識經驗基礎上的學習才是有意義的學習，新知識的生長應該以學習者的先前知識經驗為重要基礎與必要前提。與傳統學校的青少年兒童學習者相比，由于年齡、經歷、經驗的增長，成人學習者的先前學習經驗更加豐富。成人學習者的先前經驗不僅是對其先前生活、學習經歷的總結，也是后續學習的重要鋪墊。成人學習者的先前經驗為其在大腦中構建了豐富的學習圖式，后續的學習就是圖式的不斷順應與同化，就是連續不斷的經驗構建與再構建的過程，經驗是成人學習過程中不可或缺的先決條件［6］。

（二）學習者的自我概念意識明顯

自我概念指的是學習者對自身狀態的感知。它包括學習者通過自身經驗、反思以及他人提供的反饋，逐步加深對自身各種情況的了解。學習者的自我概念意識明顯指的是，相較于傳統學校的青少年兒童學習者而言，成人學習者會更加關注自己的學習狀態。它體現在成人學習者會主動地分析自身的學習需求、設定合理的學習目標、選擇科學的學習方法、制訂嚴密的學習計劃并有效評估學習結果及時做出調整［10］。相對于青少年兒童學習者，成人學習者無論是否能夠得到教師或其他學習者的支持，對于自身所需要學習的內容都有一定判斷，能針對自身的學習情況，及時做出科學合理的評估，發現自身在學習中存在的不足，從而主動尋求相應的調整策略，更好地完成學習任務。

（三）學習者對學習需求的意識強烈

學習需求指的是學習者的學習動機。相對于青少年兒童學習者，成人學習者的學習動機更加強烈。成人學習通常是圍繞問題的學習，而非圍繞學科的學習。問題是成人學習的核心，在學習過程中，成人學習者既豐富了自身的學科理論與解決問題的能力，也滿足了其解決實際問題的需求［11］。這表明成人學習通常是任務驅動式的學習，與學習者自身的社會背景和面臨的工作任務有很大聯系，對于學習結果的期望也更具體。明確的學習目標、具體的學習結果、強烈的學習需求，促使成人學習者具備更強烈的學習動機，從而更好地掌握學習內容。

三、認知負荷理論對成人學習的啟示

認知負荷理論強調資源的合理分配與圖式的有效構建。資源的合理分配具體指的是減少外部認知負荷，提高相關認知負荷，從而促進學習者長時記憶的構建；圖式指的就是學習者的已有知識經驗基礎，圖式的有效構建具體指的是學習者在已有基礎與新的學習材料之間架起一座橋梁。成人學習者不同于一般意義上的學習者，相對于一般意義上的學習者，成人學習者具有更豐富的社會與生活經驗——圖式豐富，同時也面臨更多的學習干擾因素——外部認知負荷，因此認知負荷理論不僅適用于K12教學中教師的學科教學改革，同樣也可以為成人學習者提供更多的學習指導意見。

（一）基于強烈的學習需求，科學判斷認知水平，降低內在認知負荷

內在認知負荷指的是由材料本身的難度引起的認知負荷，它無法消除，是學習者學習過程中必須克服的挑戰。成人學習者與傳統學習者相比，自我概念意識更加明顯，可以根據自己的學習需求和個人學習能力選擇更切合自己學習習慣的學習方式和學習內容，因此科學認識成人學習者的認知水平，選擇難度適中的學習材料，是學習事半功倍的關鍵。一般認為，一份考試試題如果答卷者只能答對百分之五十，那么這份試卷難度就過高；如果能答對百分之九十，那么這份試卷難度就過低，一般認為，答卷者能答對百分之八十的題目的試卷最為科學，此次評價也最能發揮診斷、激勵和導向的作用。同樣，學習任務的制定也是如此。正如維果斯基所說：教學應走在學生最低發展水平與最高發展水平之間，即落在最近發展區之內。成人學習者只有科學判斷自身的認知水平，才能選擇合適的學習內容，繼而在學習時運用適當的心理努力，承擔剛好能接受的內在認知負荷材料，達到最大的學習績效水平。

學習者在學習時的認知資源總量是有限的，因此通過降低內在認知負荷，有利于學習者把更多的認知資源用來對抗相關認知負荷，從而有利于長時記憶的構建和有意義學習的發生。對于成人學習者來說，他們已經具備強烈的學習需求，因此，為成人學習者設計教學資源的教師就要盡可能減少學習動機的設計，應將設計重點放在幫助成人學習者科學判斷自己的認知水平上，幫助其選擇適合自己的學習資料。例如，對于學習經驗豐富的成人學習者，應該推薦元素互動性較高的學習材料，這有利于學習者進行深度學習；對于某方面知識欠缺的成人學習者，學習材料所包含的元素互動性較低更有利于學習者的學習，有利于拓寬學習者的視野、夯實學習者的學習基礎。

成人學習者常采用的學習方式包括函授學習、培訓學習和視頻在線學習等。函授學習更多的是為了學歷提升的需要，培訓學習更多的是為了工作的需要，視頻在線學習更具個性化，它可能是出于興趣拓展，也可能是出于能力的提升。無論哪一種，成人學習者的目的都是確定的，盡管不盡相同。因此，這就啟示成人教師無需再對課程內容的重要性進行強調，以節省成人學習者的認知資源。成人學習者盡管已具備強烈的學習需求，但是不一定每一個成人學習者都能找到適合自己的學習材料。因此無論是函授教學、培訓教學還是視頻在線教學，教學設計者們都應該考慮到一點：教給學習者判斷自我認知水平的方法。只有基于對自我認知水平的科學判斷，學習者才能選擇適合自己的學習材料，讓自己的已有經驗與學習材料之間建立更多的有意義的聯系，從而降低內在認知負荷，使更多的認知資源投入到相關認知負荷。這一點在成人學習者群體中更為突出，因為成人學習群體相比于青少年學習群體，無論是生理還是心理都表現出更大的學習障礙。這也是為什么古人常說“學習要趁早”。教學設計者通過有效的教學設計，呈現豐富多彩的教學材料，提供成人學習者科學判斷自我認知水平的方法，從而使成人學習者選擇適合自身學習的材料，有利于降低成人學習時產生的內在認知負荷，促進成人學習者的有效學習，落實終身學習理念。

（二）基于豐富的學習經驗，合理組織學習資源，減少外在認知負荷

外在認知負荷也稱無關認知負荷，是學習材料組織不當或學習者采用不當的學習方式產生的額外的認知負荷，是學習者在學習過程中需要盡力減少的認知負荷。根據斯威勒的認知負荷理論，學習者在認知過程中能承擔的總的認知負荷量是不變的，因此只有減少外在認知負荷，才能承擔更多的內在認知負荷和相關認知負荷，繼而最大限度地提高學習者的學習績效。成人學習者與傳統的學校學習者相比，學習具備更大的自由度，可以自行選擇學習時間、學習地點、學習內容、學習方式，因此成人學習者也更能根據自身的認知水平和學習偏好方式，把學習資源整合成更適合自己的形式。然而，當今時代，快節奏的生活方式伴隨著快節奏的學習方式，很多成人學習者利用網絡資源，直接開展學習，并未考慮到學習資源的有效整合，學習效果也常常不如傳統學習好。因此，面對泛在學習時代的到來，成人學習者更要意識到根據自身的認知風格和學習偏好合理組織收集到的學習資源，才能有效減少外在認知負荷，增加內在認知負荷和相關認知負荷承擔水平，提高學習績效。

教學設計者在這一方面除了是學習資源的提供者以外，也承擔著學習促進者的角色。基于成人學習者豐富的學習經驗、多樣的認知風格、獨特的認知偏好，教學設計者們應設計更為豐富的教學資源。只有教學資源足夠豐富，成人學習者才能選擇對于自己更有針對性的學習資源。例如，要分別考慮程序性知識和陳述性知識的相關教學設計。對于同一個知識點，要考慮基于先前知識經驗的教學設計和提供先前概念的教學設計。這樣設計的教學資源才更具有大眾化的特點，既符合已有知識經驗基礎的專家學習者的學習，又符合沒有先前概念的新手學習者學習。

總之，成人學習者相比于青少年學習者而言，盡管隨著年齡的增加，流體智力在逐步下降，但是晶體智力在逐步上升。豐富的學習經驗使得成人學習者大腦中已存在豐富的圖式，盡管大部分圖式可能與當前所學知識沒有直接聯系。但是根據建構主義的學習觀點，學習就是學習者頭腦中經驗的再改造，也就是說，同樣的一份學習資料對于成人學習者來說，具有比青年學習者更大的學習區別，從而產生更大的學習結果差距。因此，教學設計者要更加注重學習資源的多元化設計，成人學習者也要基于自身豐富的學習經驗，合理有效地組織學習資源，從而最大限度地避免外在認知負荷的產生，將更多的認知資源分配給內在認知負荷和相關認知負荷——內在認知負荷有利于學習者間接經驗的學習，相關認知負荷有利于學習者直接經驗的掌握。

（三）基于明顯的自我概念，善于利用學習策略，提升相關認知負荷

相關認知負荷指的是學習過程中由優化的學習策略引起的認知負荷，是學習過程中需要大力提升的認知負荷，相關認知負荷的提升有利于學習者學習績效的提升。通常認為內在認知負荷和學習內容相關，相關認知負荷和學習策略相關。增加內在認知負荷，有利于學習結果的提升；增加相關認知負荷，有利于學習遷移水平的提升。成人所學內容是基于自身的學習需要，因此學習遷移水平的提升比學習結果的提升更加重要。換言之，成人的學習應該更加靈活。另一方面，成人學習時間遠不如傳統學校學習者學習時間充裕，因此通過利用學習策略學習，進而提升成人學習者的外在認知負荷，有利于成人學習遷移水平的提升，從而更加適應成人學習的需求。

已有研究曾經針對學習者的學習特點提出了大量的學習策略。例如，選取合適的樣例學習比基于問題學習的手段更有利于學習者對新知識點的掌握，但是樣例學習這一學習策略只在學習的初期階段有效，當學習者成為某一領域的專家時，樣例效應又會帶來熟悉逆轉效應；利用多通道的學習比利用單通道的學習更有利于學習者學習績效的提高，已有的通道研究包括視覺通道、聽覺通道，近些年來隨著虛擬學習技術的發展又提出了觸覺通道，多通道學習的原理假設的是學習者進行認知加工的通道是分離的，每個通道占有的認知資源也是獨立的，通過多通道進行認知加工，有利于認知資源的最大化使用；減少冗余信息也是一種較好的學習策略，它的原理是降低外在認知負荷；另外還有一些學習策略是通過對知識的加工，例如利用圖表呈現學習材料比利用文字呈現學習材料更有利于大部分學習者的學習，理解性記憶知識比刻板記憶知識更有利于知識的長時儲存。

青少年學習者在學習之初，教師就會教授相關的學習策略，以便學習者開啟更好的學習體驗之旅，到達更高的學習目的地。但是，青少年學習者的自我概念不強，很少有學生會關注到自己的學習狀態，例如選擇的學習材料是否適合，調用的學習策略是否恰當。因此，他們對于相關認知負荷的提高僅停留在教師輸出的層面，即教師教什么，他們就會學什么。成人學習者則不同。他們具有明顯的自我概念，能通過自身以及外界的反饋及時察覺到自身學習狀態的細微變化。相比于青少年學習者，他們在自己以往的學習歷程中就已經掌握了大量的具有普適性的學習策略。針對當下的學習，成人學習者更應該關注到的是針對特定知識的學習策略以及更切合當下自身學習狀態的學習策略的掌握。因此，教學設計者們在設計課程的時候，也應該因地制宜、量體裁衣，推出適合成人學習者學習特點的學習策略。例如，成人學習者的學習地點分散、學習時間不集中，那么針對成人的學習材料就要更加凝練，學習方式就要更加多元，學習地點就要更加靈活，學習時間就要更加機動。例如，可以采用短視頻學習、微信推文學習、社群學習等。總而言之，成人學習者面臨比青少年兒童更大的學習壓力，基于明顯的自我概念，善于利用學習策略，提升相關認知負荷，才能最大化地提升學習者的學習效率，達到“低投入，高回報”的學習效果。

成人學習者相比于傳統的學校學習者具備更加豐富的先前經驗，即學習基礎強大或者學習干擾更大；更明顯的自我概念，即更強大的元認知能力或更凸顯的學習壓力；更強烈的學習需求，即更強的學習動機。這些特點一方面有利于成人的學習，一方面也會阻礙成人的學習。只有科學地認識這些特點所伴隨的認知負荷，妥當處理好內在認知負荷、外在認知負荷、相關認知負荷之間的關系，通過科學判斷認知水平、合理組織學習資源、善于利用學習策略，成人學習者才能化劣勢為優勢，最大限度地提升學習績效水平和學習遷移水平，適應終身學習社會。