【摘要】认知负荷理论是由澳大利亚新南威尔士大学的认知心理学家约翰·斯威勒(John

Sweller)于1988 年首先提出来的，它以Miller

等人早期的研究为基础。认知负荷理论自被提出以来，得到了世界各地研究者的诸多研究。本文欲对最新的认知负荷理论做一介绍，并总结分析其这些年来的发展情况。

【关键词】认知负荷；效应；理论发展

一、认知负荷理论

1．人类的认知结构

认知负荷理论假设人类的认知结构由工作记忆和长时记忆组成。其中工作记忆也可称为感觉记忆，它的容量有限，一次只能存储5-9

条基本信息或信息块。当要求处理信息时，工作记忆一次只能处理两到三条信息，因为存储在其中的元素之间的交互也需要工作记忆空间，这就减少了能同时处理的信息数。工作记忆可分为“视觉空间缓冲器)”及“语音圈”。长时记忆于1995

年由Ericsson 和 Kintsch

等提出。长时记忆的容量几乎是无限的。其中存储的信息既可以是小的、零碎的一些事实，也可以是大的、复杂交互、序列化的信息。长时记忆是学习的中心。如果长时记忆中的内容没有发生变化，则不可能发生持久意义上的学习。认知负荷理论认为教学的主要功能是在长时记忆中存储信息。知识以图式的形式存储于长时记忆中。图式根据信息元素的使用方式来组织信息，它提供知识组织和存储的机制，可以减少工作记忆负荷。图式可以是任何所学的内容，不管大小，在记忆中都被当作一个实体来看待。子元素或者低级图式可以被整合到高一级的图式，不再需要工作记忆空间。图式的构建，使得工作记忆尽管处理的元素数量有限，但是在处理的信息量上没有明显限制。因此，图式构建能降低工作记忆的负荷。图式构建后，经过大量的实践能进一步将其自动化。图式自动化可为其它活动释放空间。因为有了自动化，熟悉的任务可以被准确流利地操作，而不熟悉任务的学习因为获得大限度的工作记忆空间可以达到高效率。为了构建图式，信息必须在工作记忆中进行处理。在信息以图式形式存储到长时记忆中之前，信息的相关部分必须在工作记忆中提取出来并进行操作。工作记忆的负荷受来自材料的内在本质、材料的呈现形式及学生的活动的影响。长时记忆中的图式是一种知识框架，在学习新的材料时，具有中央执行官能。在学习新材料时，如果能从长时记忆中获取这类知识框架，材料就可以通过知识框架所提供的方法来进行学习；如果不能获得关于这些材料该如何组织的知识框架，则得采取随机学习的方式。除了个体本身存于长时记忆中的图式以外，其他人所习得的知识在个体的学习过程中可也充当中央执行者。

2．认知负荷理论

认知负荷是表示处理具体任务时加在学习者认知系统上的负荷的多维结构。这个结构由反映任务与学习者特征之间交互的原因维度和反映心理负荷、心理努力和绩效等可测性概念的评估维度所组成。CLT*中鉴定的任务特征为任务形式、任务复杂度、多媒体的使用、时间压力及教学步骤。相关的学习者特征由专业知识水平、年龄、空间能力组成。心理负荷是认知负荷中源于任务和主体特征交互的方面，它由我们当前关于任务的知识和主体特征来决定，它是预期的认知空间需求指标，被看作是认知负荷的先验估计。心理努力是知认知负荷中实际分配的用于容纳任务所加需求的认知容量方面。心理努力在学习者学习时测量。绩效可通过学习者的成绩来说明，如测试中答对题的数量、答错题的数量及所用的时间等。学习者所支付的努力的强度是获得可靠认知负荷估计的要素。CLT

认为有三种类型的认知负荷：内部认知负荷，外部认知负荷和关联认知负荷。由于元素间交互形成的负荷称为内部认知负荷，它取决于所要学习的材料的本质与学习者的专业知识之间的交互，教学设计者不能对它产生直接的影响。外部认知负荷是超越内部认知负荷的额外负荷，它主要是由设计不当的教学引起的。关联认知负荷于1998

年提出，是指与促进图式构建和图式自动化过程相关的负荷。外部认知负荷和关联认知负荷都直接受控于教学设计者。三种类型的认知负荷是相互叠加的。为了促进有效学习的发生，在教学过程中应尽可能减少外部认知负荷，增加关联认知负荷，并且使总的认知负荷不超出学习者个体能承受的认知负荷。认知负荷理论把人类的认知与生物的自然选择进化过程相比拟，作了如下假设：(1)教学的目的是在人类的长时记忆中建立知识；(2)处理新信息时有限的工作记忆是确保存储的大量信息发生微小但总是增加的变化的机制；(3)因为不能获得已经组织好的信息，变化是随机的，大的随机变化不可能生效；(4)鉴于没有确定变化本质的中央执行官能，随机而非预设的变化是不可避免的。认知负荷理论认为适当结构的教学应把这些内容都考虑在内，提供中央执行官能，删除不必要的随机变化，从而促进长时记忆的改变。教学允许其他人的长时记忆取代随机发生的变化和有效性测试，即执行中央执行官能。认知负荷理论提供了促进教学中央执行官能使用的结构化教学效应。世界各地的研究者提出了大量的这类效应，这些效应可归纳如下：

1.目标自由效应：用目标自由的题目来代替为学习者提供特定目标的传统题目。

2.样例效应：用已经解决好的样例代替传统的问题，这些样例必须认真学习。

3.完成问题效应：用待完成的问题来代替传统的问题，在问题中提供部分解决方案，其余的由学习者来完成。

4.分散注意力效应：用一个整合的信息源来代替多种信息源(经常是图片并伴有文字)。

5.形式效应：用口头的解释文本和视觉信息源(多种形式)代替书面文本和图表等视觉信息源(单一形式)。

6.想象效应：让他们想象或心理练习材料来代替传统的附加学习。

7.独立交互元素效应：在呈现元素高交互性的材料时，先给学习者呈现一些独立的元素，然后再呈现完全的材料。

8.元素交互效应：当使用低元素交互的材料时，想象效应等教学效应消失，而当使用高元素交互时，他们又重现。

9.变式效应：在不同变量情况或增加可变性及任务呈现的方式、定义特征的显著性、任务操作的上下文情境等情况下进行练习。

10.专业知识反效应：当对新学习者来说很有效的教学方法在学习者获得更多的专业知识时无效甚至产生相反的效果。

11.指导隐退效应：随着基于知识的中央执行者的发展，基于教学的中央执行者逐步隐退(fade)随着专业知识的增加，完整的样例可由部分完成的样例来代替；而随着专业知识 的进一步积累，部分完成的样例可由问题来代替。

12.冗余效应：用一种信息源来代替多种自洽(即他们能被独立理解)的信息源其中，专业知识反效应、冗余效应、想象效应是针对具有一定专业知识的学习者而言的；样例效应、分散注意力效应、形式效应则是针对新手而言的。

其中，专业知识反效应、冗余效应、想象效应是针对具有一定专业知识的学习者而言的；样例效应、分散注意力效应、形式效应则是针对新手而言的。

二、认知负荷理论的发展

认知负荷理论自1988

年提出来以后得到了诸多发展。从相关文献来看，其发展主要体现在以下几个方面：

1．认知结构

认知负荷理论以人类的认知结构为基础。开始时，主要是以工作记忆的有限性为基础进行讨论。随着研究的进展，提出了一些新的假设： 1992 年

Baddeley, A.提出工作记忆可分为“视觉空间缓冲器”及“语音圈”，并由一个中央控制器进行控制；1995 年由Ericsson

和 Kintsch 等提出一个独立的结构——长时记忆。2004 年，John Sweller

假定人类认知进化的方式与其他生物特征的一样，把人类的认知过程与生物的自然进化过程相比拟，试图从生物进化角度对一些教学效应进行解释。他们一部分效应的解释如下。

1.分散注意力效应：基因的两个部分可能包括某一具体功能的所有的信息，但是在结合在一起之前，不能起作用。

2.形式效应：同样的信息，不管是遗传的或是心理的，可以有不同的表现形式。一些形式比另一些形式容易整合、处理。

3.想象效应：很久以前进化的功能比新进化的功能更容易通过微调就获得很好的效果。

4.独立交互元素效应：高度复杂的功能不能通过一步进化来完成，而是需要一系列的小步骤。

5.元素交互效应：虽然自然选择的进化能够解释生物个体的微小差异，但它的主要功能是用来解释复杂的功能和物种是怎样产生的。

6.专业知识反效应：一旦某一具体功能的基因已经生成并开始生效，为同样的功能进化一组新的基因就会变得无效。

7.指导隐退效应：与物种不再相关的生物功能会在生物进化的过程中逐步消失。

8.冗余效应：如果某一信息的一部分已经能完全执行中央执行者的功能，另一部分的信息也想执行同样的功能则会出现相反的效果。

2．教学效应

认知负荷理论的最大特点就是直接对教学提供一些原则。自提出以后，认知负荷理论的教学效应研究不断。对教学效应的研究表现在两方面：一方面是从实验研究中得出新的教学效应，如变式效应、指导隐退效应；另一方面是对已提出的教学效应进行进一步研究——从短期的实验室试验研究转向长期的培训项目——以确定其适用性。对已提出的教学效应研究最多的要属样例效应。1985

年，Sweller 和 Cooper 通过几何领域的实验研究得出样例的教学效果比传统的教学效果要好。随后，Carroll(1994),

Miller、Lehman 和Koedinger (1999), Cooper 和 Sweller

(1987)，Miller、Lehman 和 Koedinger (1999)，Paas (1992)， Paas 和Van

Merriënboer (1994)， Pillay (1994)，Quilici 和 Mayer(1996)， Trafton 和

Reiser

(1993)等人的研究进一步确证了该效应，并把该效应的适用范围扩大到数学、物理、计算机、生物等其它一些学科领域。除了对样例效应进行验证以外，人们还对样例的设计进行研究。1990

年Mark Ward 和JohnSweller 的研究得出，当所给的样例要求学生心理整合多种信息源时，样例的效果就差。1994

年Mitchell J.Nathan 指出在样例学习时要求学生进行自我解释，这样才能提高教学的效果。2004 年PETER

GERJETS 等提出在使用样例教学时可以采用Molar 法而非传统的Mular

法，以减少材料的内部认知负荷。针对学习者的不同专业知识水平，Abbas Darabi

提出了面向过程和面向产品的学习样例。对初学者采用面向过程的样例而对有经验的学习者采用面向产品的样例。鉴于专业知识反效应，一些研究者又提出在教学过程中要将样例与传统的问题或问题解决教学相结合，并采取诸如指导隐退策略使得样例向问题解决平滑过渡。此外，还有研究者对样例学习在逻辑性不太强的学科、不限定时间情况下的教学效果进行研究。

3．认知负荷测量方法的研究

在教学设计时应该考虑学习者在学习任务过程中所承受的认知负荷，要保证“学习者承受的认知负荷总量不超过其个体所能承受的认知负荷总量”是认知负荷理论的主导思想。因此，如何保证认知负荷不超出学习者所能承受的认知负荷范围，从而让有意义的学习能够顺利发生是认知负荷理论关注的焦点。鉴于认知负荷是看不见的东西，因此，如何确定学习者在学习过程所承受的认知负荷——认知负荷的测量——就成为认知负荷理论研究的一个方向之一。关于认知负荷的测量，相关研究者提出了许多方法。目前可用的认知负荷测量方法可以从两个维度来进行归类：客观现实性(主观或客观)和因果关系性(直接或间接)。客观现实性维度描述这种方法是使用了主观的自我汇报的数据还是客观的对行为、心理条件或绩效的观察。因果关系性维度是依据这种方法观测到的现象和所关心的对象的实际特征的关系类型来将方法进行归类。根据这两个维度进行归类，现有认知负荷测量方法可见下表：

因果关系

客观现实

直 接

间 接

主 观

材料的难度等级

自我汇报投入的心理努力

自我汇报承受的压力水平

客 观

脑活动测量法(如，fMRI)

双重任务分析法

绩效结果测试法

行为模式或心理条件及工能分析法

生理学测量法(心率、瞳孔扩大)

每一种方法都有自己的优缺点，如生理学测量法，比较直接，但目前其所需的设备很昂贵。目前更合适的认知负荷测量法还在研究中。除了以上几个方面以外，一些文献的研究表明CLT

也在不断增加实用性，其设计水平、媒体和目标群体的数量不断增加。在设计水平方面，CLT

缓慢地从一个强烈关注呈现形式的教学信息设计理论演化到一个成熟的教学设计模式；在媒体方面，CLT

不再局限于简单地教学呈现或线性的媒体，在多媒体设计系统中有诸多应用；在目标人群方面，CLT

应用的目标人群从中小学扩展到成人学习者，包括老年人。

三、 对认知负荷理论的思索

(一)Sweller

等人的研究思路是，首先，提出认知负荷理论的基本观点；其次，认为“剔除冗余信息、降低目标明确性、提供有解样例”等是由认知负荷理论推导出的对教材设计的指导：然后，用这些条件下学习成绩的提高证明认知负荷理论的存在和正确性。他们的研究范式可概括为：

但是，他们的研究中存在两个不足之处。首先，认知负荷的减轻是否是成绩差异的唯一解释？例如：学习是获取新信息的过程，加工材料中的冗余信息并不能导致新信息的获取，但需耗费时间和精力，故学习效率必然降低，因此，认知负荷并非是冗余效应的唯一解释。再例如，对于自由目标效应也并非仅能从减轻认知负荷的角度来解释。自由目标不仅意味着目标明确性降低，更意味目标的数量增加。不要求学习者求某一特定角的值，而是要求他“求出尽可能多的角的值“，必然会导致学习者对问题空间进行更详尽的搜索。Sweller的一项研究中，自由目标下的学习者在获取阶段所花的时间圆角明确目标条件下的学习者多，故自由目标条件学学习者在测验阶段所取得的更好的成绩也可归因于获取阶段的更多的学习机会。既然认知负荷的变化不是学习成绩提高的唯一解释，那么，学习成绩的提高也就不能必然地证明认知负荷理论的正确性。学习成绩的提高虽可反映出特定的材料设计原则的合理性，但却不能有效的解释该设计原则的理论基础。其次，在Sweller等的实验中，没有对特定的材料设计原则与学习成绩变化间的中介变量——认知负荷作客观的定量分析，而是将特定学习材料设计条件下学习成绩的提高直接归因于认知负荷的减轻。这种归因的前提是肯定了认知负荷理论，若再用学习成绩的提高来证实认知负荷理论就带有“循环论证”的缺陷。因此，为了对认知负荷理论进行验证或充实，需对导致成绩变化的中介变量——认知负荷，进行定性分析和定量评定(如图二所示)，也就是说应当首先回答这个问题：Sweller等的材料设计原则是否确实导致了认知负荷的减轻？显然，Sweller等人的研究忽略了这一重要环节。

(二)认知负荷理论的核心观点是：尽量降低因学习材料的组织和呈现方式所导致的与图式获取和规则自动化无关的外部认知负荷，应向学生提供“建构”完好的学习材料，如图文已被整合、冗余信息已被剔除等，总之，教材设计者应为教材使用者做尽可能多的“建构性工作”。而依照建构主义的观点，“学习是一积极主动的建构过程，学习者必须积极参与各种建构性的活动。”因此，应向学习者提供“建构”不完全的材料，因为学习者自身对学习材料的加工和建构，如整合图文、区分有关信息和无关信息等，是有效学习得以发生的一个重要环节。如何看待认知负荷理论和建构主义学习观之间的矛盾？也就是说，减轻认知负荷是否必然会提高学习效果？在Sweller等人的系列实验中，测试阶段所考察的主要是掌握材料所呈内容的能力而不是如何掌握所呈内容的能力，并且只考察了知识获取情况而没有考察知识运用情况，这是否能科学地反映学习效果？

(三)Sweller等人的系列实验中，均没有考虑主体特征及主体与任务间的交互作用对认知负荷及资源分配的影响。尽管Nadine

Marcus，Martin Cooper and John

Sweller(1996)也提出了个体先前经验是影响认知负荷的基本因素之一，但他们所提出的个体先前经验仅仅局限于个体所具有的图式的数量和质量。而且，在Sweller等关于认知负荷理论的所有实验中，对该种意义上的个体先前经验这一影响因素也没作分析和考虑，仅仅从材料的内在本质特征和材料的组织、呈现方式两方面来考察认知负荷。因此，为了完善和充实认知负荷理论，还需要考虑主题因素以及主体与任务的交互作用对认知负荷的影响作用。也就是说，需要对学习这类型进行区分，并且需要考察学习者与学习材料间的交互作用，以检验认知负荷理论所描述的认知负荷及资源分配随材料设计的变化而变化的规律是否适用所有类型的学习者。