智能教育背景下認知負荷影響因素研究

10.3969/j.issn.1671-489X.2022.05.004

摘 要 基于認知負荷理論，探討智能教育背景下學習者

認知負荷的影響因素，分析學習者認知負荷的來源，進而為提出降低認知負荷的相關策略提供有效支持。

關鍵詞 智能教育環境；認知負荷理論；學習環境

中圖分類號：G442 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）05-0004-04

0 引言

當前正處于智能時代，大數據、云計算以及其他多種多樣的智能技術改變了人們學習和生活的方式，對當前教育的發展產生巨大的影響。將智能教育環境與傳統教育環境作比較，智能教育環境提供的各式各樣的學習資源、先進的智能工具與技術等，為多種形式的教學活動提供了有力的支持。

認知負荷理論作為教育領域極為重要的指導理論之一，其在智能教育背景下的應用也更加廣泛。在智能學習環境下，微課的設計與制作、虛擬資源的建設、網課設計等更容易使學習者產生認知負荷，學習者需要加工和處理的信息更多、更復雜，以至于在學習過程中的認知負擔變得越來越大，不利于增強學習效果。認知負荷理論研究的目的在于盡可能減小學習者在學習過程中產生的認知負荷。因此，在智能教育環境下應更重視認知負荷理論對教學的指導作用，盡可能降低學習者的認知負荷，從而達到有效學習，這是無數教育工作者和研究者共同關注的話題。

1 智能教育環境發展

1.1 學習環境的變化

信息技術的不斷發展促使學習環境不斷變化，在以大數據和云計算為代表的智能教育時代，當前的學習環境與傳統的多媒體學習環境有顯著的差別。如在智能學習環境中，利用虛擬現實技術設計學習內容，搭建一個“真實”的學習場景，給予學習者豐富的感官刺激，帶來身臨其境的體驗，從而將已有知識經驗遷移到新場景的難度降低。這種新興技術為學習者提供了一個更好的環境，使學習者能夠在一個更加真實和沉浸式的環境中學習。黃榮懷等[1]指出，在日益智能化的學習環境中，可以感知學習情境，識別學習特點，為學習者提供合適的學習資源以及方便的交互工具，還能夠自動記錄學習者的學習過程和評估其學習結果，這是一種促進學習者有效學習的場所或活動空間。

1.2 學習方式的變化

學習環境的變化帶來學習方法的多樣化。目前，認知負荷理論在智能教育領域的應用主要體現在自主學習、移動學習、游戲學習、沉浸式學習、基于計算機的模擬學習等方面[2]。自主學習是一種主動的獨立的自我監控的學習方式，學習者通過激發自身的學習動力，優化學習方式等提高學業成績。移動通信技術的發展促進了移動學習、游戲化學習、沉浸式學習等全新學習方式的形成，可以跨越時空限制，通過信息技術可以隨時隨地開展學習活動。新的學習方式需要認知負荷理論進行有效指導。如在移動學習中由于所學內容設計不當，反而增加了學習者的認知負荷，因此，在移動學習中，教學設計者要基于認知負荷理論，科學有效地進行設計。

2 認知負荷理論

認知負荷理論是關于學習和問題解決中資源配置和優化的理論，是指人們在學習或完成任務時進行信息加工的過程中所消耗的認知資源總量[3]。認知負荷的理論基礎主要有兩個：一是資源有限理論，二是圖式理論。從資源配置角度來看，在學習或解決問題的過程中，認知加工需要消耗認知資源。如果各種活動帶來的認知負荷超過用戶的認知資源總量，就會出現資源配置不足的問題，影響學習或問題解決的效果。根據圖式理論，知識信息是以圖式為基本單位存儲的。圖式是一種認知結構，在學習過程中對新信息的加工和整合會不斷增加圖式的數量、規模和質量，從而增強學習效果[4-5]。

認知負荷的來源分為兩類：內部認知負荷（in-

trinsic cognitive load）和外部認知負荷（extra-

neous cognitive load）[6]。早期還包括相關認知負荷（germane cognitive load），其致力于問題解決和圖式的構建，已被研究者歸類為一種內部認知負荷。內部認知負荷是由學習材料及內容本身的復雜性所決定的，很難通過優化教學設計而降低。一旦確定了學習任務及學習者的知識水平，內部認知負荷就固定了，不可改變。外部認知負荷指由教學材料的組織和呈現方式帶來的不必要的認知負荷。認知負荷理論首要關心的問題就是盡可能減小學習者的外部認知負荷。在智能學習環境中，多媒體資源的使用不當很容易產生不必要的外部認知負荷，給學習帶來負面影響。內部認知負荷和外部認知負荷相加若超過認知負荷的總量，便會造成認知負載，對學習效果產生不利影響，應該盡可能使內部認知負荷的復雜度適度，降低外部認知負荷。

自2005年以來，我國的認知負荷理論研究一直處于動態發展階段。此前，研究者主要從多媒體學習視角對其進行研究探討，先后提出許多理論模型，如多媒體學習認知理論、多媒體學習認知—情感理論、多媒體學習—認知情感整合理論等。在基于大數據和云計算的智能教育時代，認知負荷理論不論是在理論還是實踐中都將會得到進一步發展，將其應用到基于智能技術的學習環境中，促進教育發展。

3 智能教育環境下學習者認知負荷的影響

因素

就目前的情況來說，我國關于認知負荷影響因素的研究已經較為成熟，大多數研究在網絡環境和多媒體環境下，將認知負荷理論作為其理論基礎，圍繞教學設計，進而對學習過程中影響學習者認知負荷的相關因素進行研究。李金波[7]研究發現，在網絡學習環境下，任務特征中的任務復雜性、時間壓力、狀態元認知、信息呈現方式以及與經驗水平、認知風格等的交互作用，對認知負荷均有顯著影響。

智能教育環境中的認知負荷是學習者在依賴智能環境學習過程中，在信息加工過程中所消耗的認知資源。智能教育帶來豐富的學習內容，各種資源同時顯示在學習界面上。由于學習信息充裕性的特點，學習者難以徹底掌握所學內容以及把握不好學習知識的先后順序，造成學習者選擇困難，增大了在學習過程中認知負荷超載的風險和可能性。同時，在有豐富學習資源的環境中，不同時空的學習材料需要整合才能理解，也會增加認知負荷。根據認知負荷的性質和來源，影響學習者認知負荷的主要因素包括學習材料的組織和呈現形式、個人認知結構、學習主體與學習材料或工具的交互作用等。

3.1 智能教育環境下學習材料的組織和呈現形式

Lee等[8]想要通過將復雜的材料分別在兩屏呈現的方式來減少內部認知負荷，將復雜的化學知識材料分為兩頁進行呈現，學習者可以在兩頁之間自由瀏覽。結果表明，分離呈現有效降低了學習者的內部認知負荷，對學習者的記憶和遷移表現有積極的影響。學習材料的復雜性，學習材料的設計、組織和呈現形式，都對學習者的認知負荷有明顯影響。

學習材料和內容本身的難易程度屬于內部認知負荷，難以通過改變教學方式來降低，但可以調整學習內容的知識結構，利用一部分認知資源加工，承擔某種程度的內部認知負荷。將難度過高的學習材料分解成若干個小模塊，再逐次呈現，研究發現，通過這種方式取得的學習成效顯著優于同時學習全部材料的效果。如微課教學也是基于模塊化的理論，包含許多關聯元素的教學內容，讓學習者同時處理會很難理解。在微課設計過程中，把整塊知識分割成小的教學片段，以分離的形式呈現出來，供學習者學習，可以降低內部認知負荷，教學效果更好。

微課教學時間短、教學內容精練等特點給學習者帶來良好的學習體驗。如在程序設計課程的知識點講授中，涉及多層（兩層）嵌套循環，先列出外層循環的代碼，內層循環的代碼用易于理解的文字代替。先理解外部循環的代碼后，再逐步給出內部循環的代碼，如圖1所示。模塊化呈現學習內容的方式降低了內部認知負荷，保證了學習的有效性。但是知識模塊的劃分也并不是越細越好，學習材料難度的高低決定了是否將其劃分為更小的單元，為的是將內部認知負荷調整到一個相對合適的水平。

Khacharem等[9]通過對教學動畫設計的考察，發現一個能夠有效降低學習者認知負荷的教學策略，即使用靜態地圖和改變動畫播放速度，動畫設計策略的有效性取決于學習者專業知識水平的高低。動畫設計是在材料組織和呈現方式這一層面上對外部認知負荷產生影響的因素，以各種各樣的形式組織和呈現學習材料，充分調動學習者的學習注意力，降低外部認知負荷，增強學習效果。

3.2 智能教育環境下學習者主體因素

學習者是學習的主體，學習內容的設計需要遵循人類認知系統處理信息的規律。認知負荷理論認為，學習主體的認知水平是影響認知負荷的主要因素。當個體在某一領域有豐富的知識時，認知圖式中的知識會幫助新信息的加工，在學習和解決問題的過程中會有效地降低認知負荷，提升獲取知識的效率。相反，對于缺乏足夠的相關認知圖式的個體，處理信息過程中會產生較高的認知負荷。因此，學習者認知水平的高低決定了呈現教學內容的信息容量和速度等，在不同階段測試學習者的知識儲備狀態，再根據實際情況調整下一步教學內容。

將人類認知結構特點作為基礎來進行教學設計，能夠控制進行認知活動時產生的認知負荷，通過一系列有效的教學設計來降低無效的工作記憶負荷，進一步達到學習過程中的認知負荷最優化，是目前國際主流研究方向。智能教育環境下的學習者的個體特征明顯不同于傳統環境下的學習者。對學生在課堂上通過信息技術教學進行學習時的自主認知能力培養過程進行研究。人在復雜反應中進行一系列的心理過程（如辨別、選擇等）時是需要一定時間的，同時在進行學習與思維的過程之中，實踐經驗與信息編碼之間也是存在一系列相互轉化的過程和能力的，比如語義編碼能力、抽象概括能力和長時記憶能力。學習者個體認知能力的差異，對教學環境的設置、教學資源的需求、多媒體技術的應用等都不同。因此，為了在智能教育環境下進行有效學習，有必要根據學習者的個性特征去選擇與之相應的教學資源與策略，以免認知負荷過大。

3.3 智能教育環境下學習主體與學習材料或工具的交互作用

根據一些研究結果來看，相對于被動觀看，學習者與學習材料進行交互時，學習效果更勝一籌。即相比于只允許控制學習材料的呈現進度，更多地控制學習材料的內容，能產生更好的學習效果[10]。使學習材料的交互性增大可以有效吸引學生的學習注意力，增強學習動力，對學習有一定的促進作用。若交互設計元素設置不當，反而會使學習者分心，注意力就會被與學習主題無關但他們又感興趣的內容所吸引，從而減少對關鍵學習內容的注意力。這時無關學習的信息就會將有限的認知資源占用一部分，從而增加不必要的外部認知負荷。利用眼動儀等智能設備監控學習者的學習過程，采集數據，分析產生認知負荷的因素，考慮交互是否真的有價值，是否需改善交互界面設計，方便學習者快速掌握，達到更好的效果。

在當前環境中，學習者通過與計算機、平板、手機等網絡設備的交互來獲取信息，若學習者不熟練人機交互操作，則不得不將一部分認知資源用于與學習信息無關的網絡設備的操作上，從而加重外部認知負荷。因此，有效的導航設計可以使信息的組織和呈現更加明了，從而使在網站上尋找信息的外部認知負荷減小。另外，移動設備多采用觸摸式交互，在精確定位和輸入速度上不如傳統的鼠標鍵盤。這一原因使得學習者必須耗費更多的時間完成交互操作，并投入更多的認知資源，因而也使得外部認知負荷增加。

4 結論

伴隨著計算機技術、網絡技術以及通信技術的迅猛發展，信息技術教學產品正在逐步模擬人的認知過程，向三維虛擬建模、虛擬仿真等智能化方向發展。對認知負荷影響因素的研究，能有效地改進教學模式，提高信息技術教學的質量與效率，改變學習者“堂上理解，堂下卻忘記”的現象；能有效避免在教學中因過度使用信息技術而導致學習者自主認知能力弱化的現象；能有效提高資源的利用率，緩解信息技術資源利用緊張的局面，避免所有學科、所有內容都利用信息技術進行教學的泛化現象產生。當前智能教育背景下，對出現的認知負荷問題的研究層次較淺。根據智能教育發展實際，更加深入地探討認知負荷理論，深入剖析智能教育環境對認知負荷的影響，探索能夠發揮智能技術的優勢促進學習的可行措施，對增強學習效果有著重要意義。

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*項目來源：江蘇省高校哲學社會研究一般項目“基于認知負荷的信息技術教育應用研究”（項目編號：2019SJA

1061）；2020年江蘇理工學院教學改革與研究項目（項目編號：11610312033）；江蘇省大學生創新創業訓練計劃項目

（項目編號：202111463007Z）。

作者：張杰，江蘇理工學院計算機工程學院，高級實驗師，主要研究方向為圖像處理、教育信息化；張煜凡，江蘇理工學院計算機工程學院，研究方向為數字媒體技術（213001）。