认知负荷理论在网络教育中的应用及启示

过去十年间,认知负荷理论（Cognitive Load Theory,以下简称CLT）已成为学习、教学领域中公认的指导理论之一。认知负荷理论以工作记忆理论和图式加工理论为基础,综合考虑学习材料的性质、学习者的知识水平及教学设计等多方面因素。本文在分析认知负荷理论的基础上,重点介绍了近期网络教育、教学中有关认知负荷研究的新成果,以期对当前网络教育的发展带来些许启示。     

工作记忆对知觉类别学习的影响:问题与构想

人们学习将感知到的客体按照不同的标准或规则分类存储,即类别学习。而工作记忆作为多种认知加工的基础,对类别学习具有重要作用。基于已有研究,分别梳理了言语工作记忆和视空工作记忆对基于规则和信息整合类别结构的影响。目前,执行功能是否影响内隐类别学习系统、工作记忆负荷对内隐外显类别学习系统的影响是否一致还存在争议。此外,工作记忆影响知觉类别学习的认知加工阶段尚不清晰。未来的研究还需明确工作记忆负荷对内隐和外显类别学习的影响,进一步验证工作记忆影响类别学习的认知加工阶段假设的合理性。     

自由目标效应与样例效应对学生写作成绩影响

“自由目标效应”和“样例效应”是认知负荷理论为解决学习者的认知资源限制而提出的两个重要的教学设计原则。通过两个实验,研究“自由目标效应”和“样例效应”对不同写作水平学生写作成绩的影响。被试为406名初中一年级学生。结果表明,“自由目标效应”和“样例效应”受学生写作水平的影响。“自由目标效应”对高水平写作者有促进作用,但会降低低水平写作者的成绩;“样例效应”对低水平写作者有促进作用,但对高水平写作者的写作成绩无显著影响。     

图文横排促进低熟悉词汇再认:基于8岁儿童和成人证据

图文信息广泛存在于书面材料中,但是图文材料相对呈现位置和熟悉性如何交互影响信息加工效率,及其认知机制尚不清楚。本研究基于认知负荷理论框架,采用学习-再认范式,结合学习者的认知能力（注意、工作记忆、识字量等）,考察图文材料呈现位置（横排/竖排）和熟悉性（高/低）对32名儿童（7.89 ±0.30岁）和32名成人（22.67 ±3.48岁）词汇再认的影响。结果显示：（1）总体上,低熟悉性词汇在图文横排呈现时再认正确率较高,但高熟悉性词汇不受位置影响;（2）儿童对高熟悉性词汇的再认正确率较高,但成人对低熟悉性词汇的再认正确率较高;（3）儿童识字量越大,词汇再认速度越快;成人注意力、工作记忆广度、识字量成绩越高,再认正确率越高。结果表明,无论对儿童还是成人,外在负荷（呈现位置）和内在负荷（熟悉性）之间均存在交互作用,即外在负荷显著影响高内在负荷信息的加工,但对低内在负荷信息的加工影响较弱,验证了认知负荷理论。本研究成果为不同难度水平的教材排版设计和词汇识别学习提供了科学依据。     

情感代理能否提高多媒体学习的效果?

近年来,情感代理如何影响学习受到了研究者们的高度重视。情感代理是可以通过面部表情、声音、肢体动作和言语信息等影响学习者情感体验的教学代理。以往研究主要关注两种类型的情感代理：表达型情感代理和移情型情感代理。表达型情感代理是仅通过自身的情绪表达(如：使用微笑的面部表情和热情的声音)以影响学习者情绪体验的代理。移情型情感代理则是能根据学习者的学习表现或情绪状态给予情感反馈(如;点头、鼓励和共情)的代理,其目的是为了调节学习者的情绪、激励其继续努力。虽然不同的研究者对情感代理的具体操作有所不同,但无论哪种类型的情感代理均是为了增加学习者的积极情绪,提高内部动机,最终促进学习。关于情感代理的潜在作用,研究者基于不同的理论观点给出了不同的解释。情绪感染理论认为一个人的情绪状态容易受到另一个人情绪表达的影响,因此界面代理的情绪会直接影响学习者的情绪和动机。情绪反应理论认为如果教师的言语和非言语线索诱发了积极的情绪,学习者就会产生趋近学习的行为(例如,制定相应的学习计划)。多媒体学习认知情感理论强调了学习过程中情感和动机的重要性。基于多媒体学习认知情感理论,情感代理能唤起学习者的积极情绪,增加学习动机,进而提高学习成绩。而认知负荷理论和干扰理论却认为情感代理丰富的面部表情和手势动作可能会增加学习者的外部认知负荷,吸引学习者的注意力,减少对关键信息的注意,因此干扰学习效果。在上述理论的指导下,研究者们对情感代理的效果进行了探究,结果发现,情感代理可以有效地唤起学习者的积极情绪(d_积极情绪= 0.45),提高学习动机(d_内部动机= 0.52)。但不一定能影响认知负荷（d_{内部认知负荷} = -0.01;d_{外部认知负荷} = 0.09;d_{相关认知负荷} = 0.08）,并且在学习效果上的作用也比较微弱(d_保持 = 0.18;d_理解 = 0.32;d_迁移 = 0.14;d_联合 = 0.32)。情感代理在学习效果上的作用不稳健的原因可能是受到了潜在调节因素的影响。例如,学习者的个体特征（如,工作记忆能力和年级水平）、情感代理的类型、任务特征和测验时间等。总之,尽管目前关于情感代理的研究结果存在不一致,但整体而言,在积极情感代理条件下,学习者更加快乐,更有动力。因此,在教育实践中,教学设计者可以考虑为学习者呈现一个积极的教学代理以帮助他们更加快乐地学习。未来关于情感代理的研究需要继续关注情感代理的操纵和评定方法;探究影响情感代理效果的边界条件;考察情感代理影响学习背后的神经机制;提高情感代理研究的生态效度等。     

教学设计中的成绩表现和心流体验:基于认知负荷视角

教学设计是为优化教学效果而形成的教学实施方案。为提高学习表现,认知负荷理论认为在组织教学设计时需考虑内、外认知负荷两大因素,但少有研究关注学生在学习过程中的体验。本研究通过单词复合性操纵内在负荷,通过呈现方式操纵外在负荷,探究两类负荷对心流体验及表现的影响。结果发现,内在负荷对心流及表现均有影响,外在负荷仅在低水平组表现出对心流及表现的影响,另外内外负荷在低水平组的表现上存在交互作用。结果表明,教学设计中的内在负荷是影响心流及表现的稳定因素,外在负荷不仅受知识水平影响,其对表现的有效性还受内在负荷的调节。     

认知负荷视角下的知识反转效应

知识反转效应研究始于20世纪90年代中期, 在认知负荷的框架下对学习者先备知识与教学方法有效性之间的交互作用进行研究, 其研究范式起源于能力倾向与教学处置交互作用模型。认知负荷理论认为知识反转效应的产生是由于高先备知识者接受冗余教学而产生了额外的认知负荷, 动机理论却认为, 高先备知识者由于冗余的认知加工而产生的负荷可能是一种动机资源负荷。在优化外在认知负荷与相关认知负荷的教学设计中发现了大量知识反转效应的实验证据, 其教学的启示意义在于需要随着学习者领域知识的不断变化适宜性地调整教学方法。未来需要在完善研究方法、拓展研究领域的基础上, 整合研究成果以建立效应发生与发展的理论模型。     

振动触觉频率信息的工作记忆容量及存储机制

工作记忆可以同时保存多个信息并且容量有限, 这一内在机制是工作记忆研究的重点问题。视觉和言语等研究领域都发现工作记忆能够存储多个信息单元, 但对振动触觉工作记忆是否能存储多个频率信息目前尚无相关研究。由于振动触觉频率刺激和视觉刺激具有不同的神经编码机制, 以及振动频率信息是通过躯体感觉产生的模拟的、单维的、参数化信息, 振动触觉工作记忆容量及其加工存储机制的研究也必不可少。首先, 本项目将采用新的实验范式, 探究不同的刺激呈现方式以及不同反应报告方式下, 振动触觉工作记忆的容量及其认知机制。其次, 本项目也将同时运用功能磁共振成像(fMRI)技术, 来阐述振动触觉工作记忆加工存储的神经机制。探究基于触觉频率信息的参数工作记忆容量及其神经机制是完善工作记忆模型的重要补充, 将有助于提高我们对工作记忆系统的理解, 并为视觉、听觉、触觉多模态感知觉信息的跨通道研究奠定基础。     

工作记忆容量与儿童算术认知加工

工作记忆容量的差别是个体认知差异的一个重要方面。工作记忆容量在多种运算规则下与运算技能、概念性知识等因素交织在一起共同对儿童的算术认知加工产生影响,并且它是数学学习不良儿童学习困难的一个重要影响因素。同时,儿童的工作记忆容量本身也受到多种因素的制约,进而影响儿童的算术认知成绩。     

第二语言语义提取中的工作记忆效应

本文报告一项针对工作记忆容量是否制约中国英语学习者第二语言语义提取效率的实验。实验考查了工作记忆广度中的个体差异是否抑制学习者对第二语言单词语义信息的提取问题,还探索了工作记忆广度和第二语言词汇知识水平的相关性。研究以通用容量工作记忆模型为基础,采用运算广度的工作记忆测试,得出工作记忆广度对单词语义信息的提取没有显著抑制作用的结果。结果还显示工作记忆广度与第二语言词汇知识水平之间没有显著的线性关系。     

听觉警报失聪的认知因素

无意失聪是指当人们集中精神做事时,会忽略非预期的听觉刺激。这种现象在现实生活中普遍存在,它对航空和交通安全构成巨大威胁。研究者们发现高知觉和高认知负荷条件下因认知资源有限导致无意失聪。且随着负荷增加,被忽略的听觉刺激诱发的早期（N100）和晚期（P300）神经活动有所减弱。这表明非预期听觉刺激可以进入晚期加工阶段,但其能否被感知可能取决于与工作记忆相关的额顶网络的抑制控制程度。而工作记忆容量及其负荷与无意失聪关系的现有研究结果之间还存在不一致性。未来研究可以将其范式和理论拓展到其他安全生产领域,并运用认知训练等方式规避无意失聪,从而减少人因失误。     

Managing split‐attention and redundancy in multimedia instruction

Two experiments investigated alternatives to split‐attention instructional designs. It was assumed that because a learner has a limited working memory capacity, any increase in cognitive resources required to process split‐attention materials decreases resources available for learning. Using computer‐based instructional material consisting of diagrams and text, Experiment 1 attempted to ameliorate split‐attention effects by increasing effective working memory size by presenting the text in auditory form. Auditory presentation of text proved superior to visual‐only presentation but not when the text was presented in both auditory and visual forms. In that case, the visual form was redundant and imposed a cognitive load that interfered with learning. Experiment 2 ameliorated split‐attention effects by using colour coding to reduce cognitive load inducing search for diagrammatic referents in the text. Mental load rating scales provided evidence in both experiments that alternatives to split‐attention instructional designs were effective due to reductions in cognitive load. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

Time constraints and resource sharing in adults' working memory spans

This article presents a new model that accounts for working memory spans in adults, the time-based resource-sharing model. The model assumes that both components (i.e., processing and maintenance) of the main working memory tasks require attention and that memory traces decay as soon as attention is switched away. Because memory retrievals are constrained by a central bottleneck and thus totally capture attention, it was predicted that the maintenance of the items to be recalled depends on both the number of memory retrievals required by the intervening treatment and the time allowed to perform them. This number of retrievals:time ratio determines the cognitive load of the processing component. The authors show in 7 experiments that working memory spans vary as a function of this cognitive load.     

On the law relating processing to storage in working memory

Working memory is usually defined in cognitive psychology as a system devoted to the simultaneous processing and maintenance of information. However, although many models of working memory have been put forward during the last decades, they often leave underspecified the dynamic interplay between processing and storage. Moreover, the account of their interaction proposed by the most popular A. D. Baddeley and G. Hitch's (1974) multiple-component model is contradicted by facts, leaving unresolved one of the main issues of cognitive functioning. In this article, the author derive from the time-based resource-sharing model of working memory a mathematical function relating the cognitive load involved by concurrent processing to the amount of information that can be simultaneously maintained active in working memory. A meta-analysis from several experiments testing the effects of processing on storage corroborates the parameters of the predicted function, suggesting that it properly reflects the law relating the 2 functions of working memory.     

负荷越大，转换更难-来自数字大小交替比较的证据

工作记忆与认知灵活性是执行功能的两个核心成分,但两者之间的关系并不清晰。本研究在一个数字大小交替比较任务中操纵工作记忆负荷,考察转换代价在不同记忆负荷下的差异。结果显示与非转换条件相比,转换条件下的反应时更长,正确率更低。另外,高记忆负荷下的转换代价显著高于低记忆负荷下的转换代价。这些结果表明工作记忆负荷越大,转换越难,代价越大。     

High working memory load leads to more Ebbinghaus illusion

The evidence that distractor processing increases with greater load on working memory has come mainly from Stroop-type interference tasks, making it difficult to establish whether cognitive load affects distractor processing at the perceptual level or during response selection. We measured the Ebbinghaus illusion under varying levels of working memory load to test whether cognitive control is also relevant for preventing processing of distractors that do not produce any response conflict, and instead affect target processing at the perceptual level. The Ebbinghaus illusion was greater under high working memory load, suggesting that availability of cognitive control functions is critical to reduce distractor processing even for distractors that are not associated with a response. We conclude that the effect of loading working memory during selective attention leads to greater distractor perception.     

工作记忆对顿悟和分析型问题解决的影响

摘要 采用顿悟-分析自我报告范式,以远距离联想任务为实验材料,从工作记忆容量和工作记忆负荷两个角度考察了工作记忆对顿悟和分析型问题解决的影响。结果表明,高工作记忆容量个体分析型问题解决的表现优于低工作记忆容量者,但在顿悟表现上无显著差异;工作记忆负荷较小时个体分析型问题解决表现更佳,但对顿悟表现没有影响。说明通过分析解决创造性问题的表现依赖于工作记忆的支持,而通过顿悟解决问题的表现与工作记忆无关。     

Load theory of selective attention and cognitive control

A load theory of attention in which distractor rejection depends on the level and type of load involved in current processing was tested. A series of experiments demonstrates that whereas high perceptual load reduces distractor interference, working memory load or dual-task coordination load increases distractor interference. These findings suggest 2 selective attention mechanisms: a perceptual selection mechanism serving to reduce distractor perception in situations of high perceptual load that exhaust perceptual capacity in processing relevant stimuli and a cognitive control mechanism that reduces interference from perceived distractors as long as cognitive control functions are available to maintain current priorities (low cognitive load). This theory resolves the long-standing early versus late selection debate and clarifies the role of cognitive control in selective attention.     

工作记忆训练对认知功能和大脑神经系统的影响

工作记忆训练成为近年来提升个体认知绩效的一种有效方式。工作记忆训练主要是指采用工作记忆广度任务、刷新任务以及各种复杂工作记忆任务在计算机上以循序渐进的方式进行训练。近年来的研究发现, 工作记忆训练能提升工作记忆、流体智力、抑制、注意、阅读和数学等认知功能。神经机制的研究发现：工作记忆训练引起大脑额-顶区域激活减弱, 而皮层下结构包括纹状体和尾状核区域的激活增强; 工作记忆训练减少了大脑灰质的数量, 增强了大脑白质的功能连通性; 工作记忆训练引起尾状核上多巴胺受体的变化。未来的研究需要在研究设计、被试人群、研究手段上进一步确认和扩展工作记忆训练的有效性和内在认知神经机制。     

认知负荷对小学生工作记忆资源分配策略的影响

以不同认知负荷的连环数认知运算为实验材料,以小学三到六年级175名学生为被试,考察了认知负荷对小学生工作记忆资源分配策略的影响。结果表明:认知负荷的难度明显地影响到了小学生工作记忆资源分配策略。在策略的选择方面,认知负荷对于小学生认知操作成绩的影响力在低年龄段时没有达到显著性差异,而小学六年级则差异显著;在策略的正确率方面,认知负荷难度的影响力随年级的升高而相对减少;在策略的解题速度方面,认知负荷的难度也明显地影响到了小学生工作记忆资源分配策略的解题速度。