乔峰和周芷若同人小说:基于认知负荷理论的网络课程设计

基于认知负荷理论的网络课程设计 发布时间:2009-10-11    阅读:266

———以国家精品课程“现代教育技术”的网络课程为例

罗群英1　陈仕品2　张剑平1

(1.浙江师范大学教师教育学院,浙江金华321004;

2.西华师范大学教育科学与技术学院,四川南充637002)

【摘要】　当前大量的网络课程由于缺乏对认知负荷的考虑而导致了网络学习认知超载,在一定程度上影响了网络学习的质量。本文根据认知负荷理论,从内在认知负荷、外在认知负荷和关联认知负荷三方面探讨了网络课程设计的基本规律,并以国家精品课程“现代教育技术”的网络课程为例进行分析。
    【关键词】　认知负荷理论;网络课程;课程设计
　　网络课程是信息化教学资源的主要组成部分,是学习者在线学习的主要内容。随着我国高等学校本科教学质量建设的深入,大量的精品课程公布于网上。但网络课程设计通常存在着任课教师、技术人员和教学设计师之间的分离,大量的网络课程缺乏对学习者认知负荷的考虑,从而导致了学习者在网络学习过程中经常发生认知超载,严重影响了网络学习的效率。认知负荷理论深入分析了认知负荷产生的内在原因,为网络课程的设计提供了理论基础。本文以国家精品课程“现代教育技术”(2004)的网络课程为例,分析、探讨基于认知负荷理论的网络课程设计规律。
    认知负荷理论的基本观点
    认知负荷是指人在信息加工过程中所必需的心理资源的总量。认知负荷理论(Cognitive Load Theory)由澳大利亚教育心理学家John Sweller于20世纪80年代提出,其理论基础主要是资源有限理论和图式理论。资源有限理论认为,人的认知资源(主要表现在工作记忆容量上)是有限的,而任何学习和问题解决活动都要消耗认知资源,都有可能造成认知上的负荷。如果加工某种信息所需要的认知资源超过了人本身所具有的认知资源的总量,就会造成认知超负荷(Cognitive Overload),从而影响学习的效果和效率。图式理论认为,知识是以图式的形式存储于长时记忆中的,在个体学习新知识的时候,长时记忆中的图式可以根据所面临的情景进行快速而正确的归类,这种归类是一种自动化的加工过程,它不需要有意识控制和资源消耗,因而可以降低个体的认知负荷。认知负荷理论研究的主要目的就是在教学过程中控制工作记忆负荷,即最大限度地降低阻碍学习的认知负荷、优化促进学习的认知负荷,使学习者合理地利用有限的认知资源,达到最好的学习效果。(龚德英, 2005)
    研究表明,影响个体认知负荷水平的因素主要有因果性因素与评价性因素。(常欣等, 2005)因果性因素可能来自学习者变量(如学生先前知识与经验)、作业性质(如作业复杂度)及其交互影响等。评价性因素则包括心理负荷(Men-talLoad)、心理努力(MentalEffort)及其相应的行为。心理负荷是指经由作业和环境方面的要求所造成的认知负荷,心理努力是指实际上学习者分配给作业的认知容量。学习者的学习行为或绩效则是对心理负荷、心理努力以及上述提及的因果性因素的反应结果。根据影响认知负荷的基本因素,可将认知负荷分为三类(Sweller, et a.l, 1998):内在认知负荷(Intrinsic Cognitive Load)、外在认知负荷(Extraneous Cogni-tive Load)和关联认知负荷(Germane Cognitive Load)。内在认知负荷是在学习材料的内在性质与学习者的专业技能之间的互相作用中产生的,负荷的大小取决于工作记忆中同时被处理的信息数量以及与已存在的图式联系。外在认知负荷与学习过程不直接相关,但是可以通过教学设计来实现调整和改变。关联认知负荷是在学习过程中产生的,如在图式的建构和实现自动化的过程中。不同的问题情境产生不同的图式,这样就增加了相似情境在处理时被及时区分的可能性,使学习者具备了更强的学习能力。
    内在认知负荷、外在认知负荷和关联认知负荷是相互依存的。在教学过程中,问题呈现给学生的外在认知负荷的程度主要是由问题的内在认知负荷决定的。由于工作记忆的处理能力有限,如果内部认知负荷很高,那么外部认知负荷就一定要降低,必须进行相应的调整;如果内部认知负荷和外部认知负荷的总和还没有超过工作记忆的处理能力,那就可以让学生在学习过程中使用关联认知负荷,尤其是那些与图式的建构和自动化有直接关系的关联负荷。由上可知,认知负荷理论在教学设计应用的关键就是在有限的处理能力中,尽量减少外部认知负荷,而增加关联负荷;同时为了避免认知超载,对学习者已有的专业技能水平应该充分考虑,因为它直接决定了学习任务的内部认知负荷。(袁磊等,2006)
　 认知负荷理论在网络课程设计中的应用
    认知负荷理论为网络课程的内容设计和界面设计提供了理论支持,考虑认知负荷理论的网络课程将更有利于学习者的学习。“现代教育技术”作为一门高等院校师范类学生的公共必修课程,面对的是各种不同专业、不同知识能力基础的学习者,因此有效地应用认知负荷理论支持网络课程设计显得尤为重要。
    (一)内在认知负荷在网络课程设计中的应用
内在认知负荷与学习材料的复杂性和学习者专业水平之间的关联程度有关。如果学习材料比较复杂,而学习者在这方面的专业知识又比较欠缺,那么理解所要学习的学习材料就必须同时注意多个不同的元素,这些元素同时在工作记忆中进行加工,从而增加了工作记忆的负担,产生高的内在认知负荷。相反,如果学习者在这一领域有较丰富的专业知识,那么他在学习相同的材料时就会比专业知识欠缺的学习者产生更少的内在认知负荷。(孙志军, 2007)因此,要减少学习者在学习过程中的内在认知负荷就需要减少学习内容元素之间的交互作用并且考虑学习者的知识水平。国外的一些研究者对减少内在认知负荷做了相应的研究, Pollock等人(2002)的研究结果表明,在学习特别复杂的信息时安排恰当的呈现顺序可以减少认知负荷; Gerjets等人(2004)的研究证明,通过呈现模块化的样例(modular example)可以降低学习者的内在认知负荷;Renkl等人(2004)则认为在学习不完整样例的过程中,随着学习者知识水平的提高,用渐减的方式呈现不完整样例的解答步骤( fading solutionsteps),最后演变成问题解决是一个有效的途径。根据这些研究结果,我们将其应用于网络课程的设计中可归纳为以下两点:
    1.按顺序和分块呈现课程内容
Pollock等人(2002)的研究表明,在学习特别复杂的学习材料时,分阶段呈现小段的学习材料能够减少初学者的认知负荷,这是因为认知负荷是由内容元素之间交互作用引起的,因此,在分阶段呈现学习内容时应该考虑学习内容之间承上启下的关系,以做到先呈现的知识能够独立加工完成,为之后呈现的知识做好铺垫。这就为网络课程中学习内容的呈现提供了指导。在网络课程设计中学习内容的呈现应该充分考虑初学者没有专业知识基础这一特点,将学习材料进行从易到难、从简单到复杂、从基础到高层的分块组织,以减少初学者对复杂学习材料的内在认知负荷。
    在“现代教育技术”课程中,学习内容主要包括教育技术基本理论、教学资源的设计与开发及教学过程的设计与评价三部分。这三部分又细分为具体的几个部分,如图1所示。在内容排序方面,教材内容充分考虑了其适用范围,既适用于本科生或研究生的教学,也适用于作为各级各类学校教师继续教育课程的教材,同时还可供从事教育技术、信息技术教学与管理的相关人员阅读,因此,在网络课程的设计过程中只需考虑内容的呈现方式。“现代教育技术”网络课程面对的是各个专业各种水平的学习者,为了让学习者能够尽快地接受不熟悉的学习内容,在内容呈现时可将学习内容分小节进行呈现,如将“教育技术概论”这一章节中的两个小节分开呈现。如果每一小节中的内容还是比较多并且复杂,可以再将其拆分开来,以减少学习者的内在认知负荷。

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图1　“现代教育技术”网络课程知识结构示意图

2.用渐减的方式呈现样例
Renkl等人(2004)的研究也为减少内在认知负荷提供了指导。内在认知负荷不仅与学习材料的复杂性有关,还与学习者在该领域的专业水平有关。随着学习的推进,在这一领域的学习让学习者的知识水平逐步提高,因而,在为学习者提供样例时可以逐步减少样例的解答步骤,最终以问题解决的形式呈现。在“现代教育技术”课程中,教学设计是学习者必须掌握的一项技能,但是对于初学者来说难度较高,可以说是无从下手。在这一问题上,根据Renkl等人研究结果的指导,我们可以将教学设计的全过程设计成一个完整的案例,把教学设计过程(前期分析、教学目标的阐明、教学策略的制定、教学设计方案的编写与评价)的每一部分都设计完整,当学习者在学习教学设计的某部分内容时,如教学目标的阐明,根据学习进程对教学设计案例中教学目标阐明部分和前期分析部分的内容进行删减,要求学习者对其进行填补,因而巩固了已学的内容。当教学设计这一章节内容全部学完时,学习者也掌握了教学设计的每一个步骤,因此,最后就可以要求学习者自行进行教学设计了。
    (二)外在认知负荷在网络课程设计中的应用
    外在认知负荷与学习过程不直接相关,而是与学习材料的组织和呈现方式有关。对同一学习内容的学习,差的学习材料组织与呈现会使学习者需要更多的认知资源来进行与图式建构无关的活动,因而加重了学习者的认知负担。(龚德英, 2005)因此降低外在认知负荷势在必行。根据引起外在认知负荷的因素可知,优化学习材料的组织与呈现是降低外在认知负荷的一个重要途径。有许多研究者在降低外在认知负荷方面做了相关的研究,Kester等人(2001)提出了一个信息呈现的适时(Just-in-time)模型,即当学习者在问题解决中刚好需要某个信息时呈现该信息;Mayer等人(2002)以认知负荷理论、双重编码理论和建构主义学习理论为基础,提出并验证了多媒体教学设计的五个原则:多样化的呈现原则;接近原则;一致性原则;通道原则和冗余原则。这些研究对网络课程的设计有着重要的指导作用,将其归纳起来表现为以下几点:
    1.适时呈现信息
    Kester等人提出的适时模型认为,在学习者需要某个信息时适时呈现有助于减少外在认知负荷,这里的信息包括两类:支持信息和必备信息。支持信息最好在做练习之前呈现,而必备信息则最好在练习学习任务的过程中呈现。研究证明,适时的支持信息能够促进有意义学习的图式建构,适时的必备信息在学习当前任务时通过程序化或限制编码可以促进图式的自动化。(Kester, et a.l, 2001)由此可知,在适当的时机为学习者提供恰当的信息也可以减少学习者的认知负荷。在网络课程中,每一章节内容完成后可以有一系列相关的习题提供给学习者,这样不仅可以巩固学习者对这一章节内容的学习,还可以减少学习者在完成习题时的认知负荷;另外,在讲解习题或者要求学习者练习的时候可以在学习者进行操作时为学习者提供有关操作的知识。以进行教学设计为例,当向学习者演示教学设计过程时,可以在每一步进行之前向学习者展示相关的课程内容,如教学设计的第一步为前期分析,进行前期分析之前向学习者解释有关这一教学设计的前期分析所涉及的具体内容,以及如何进行分析等,这样就可以减少学习者对教学设计任务的认知负荷。
    2.提供相关的答疑和多样的学习方式
    与传统的课堂学习不同,网络学习中学习者与教师、同伴在空间上相互分离,所以学习者与网络课程的交互显得至关重要。此外,学习者在网络中进行学习也有自己的学习方式偏好,因此提供多样的学习方式可以让学习者的网络学习更为有效。“现代教育技术”网络课程为学习者提供了“在线答疑系统”,学习者可以在该答疑系统中查找与教育技术相关的问题,另外学习者还可以通过网站提供的教师联系方式向教师咨询或与教师探讨相关问题。在学习方式上,网络课程设计应该支持学习者采用多种学习方式进行在线学习。“现代教育技术”网络课程中的“Moodle教育技术资源互动平台”为学习者提供了与教育技术相关的课程学习及其资源。Moodle是澳大利亚教师Martin Dougiamas基于建构主义教育理论而开发的课程管理系统,是一个免费的开放源代码的软件,其目的是推广社会建构主义的教学思想,即教育者和学习者都是平等的主体,在教学活动中他们相互协作,并根据自己已有的经验共同建构知识。在进行课程学习的过程中,学习者可以选择在平台中进行在线阅读、在线练习以及在线讨论等学习活动。另外,Moodle教学平台为学校内的教育技术学生提供了很好的协作学习环境。在每门课程当中,只要有需要教师就可以创建相关的讨论小组并设定每一个小组的任务,学习者根据小组分配,自觉地到相应的小组参与讨论,进行协作学习。“现代教育技术”网络课程中Moodle教学平台的局限性在于只供浙江师范大学校内网使用,因此只有在学校内的学生能够方便使用。
    3.课程内容应遵循临近呈现原则
    临近呈现原则包括空间临近和时间临近两种。Mayer等人通过实验表明:多媒体呈现中有意义的学习不仅依赖于必要的信息呈现,而且更依赖于必要信息呈现时对学习者如何在心理上进行加工的引导。因此空间时间临近效应实验为多媒体设计提供了一条重要的设计原则:语词和画要在彼此临近而非远离呈现。(理查德. E.迈耶, 2006)因此,在网络课程设计中有对相应文字进行解释的图片就应当与文字临近呈现,有对相应文字进行解释的语音也应该与文字同步呈现,如在“现代教育技术”中“学与教的理论”这一章,有关加涅的信息加工模式的论述就必须与相应的信息加工模式图相临近,让学习者既能看到形象化的信息加工模式,又能通过文字理解信息加工模式的具体含义;另外,在“现代教育技术”网络课程中的音频与对应的PPT内容是同步呈现的,当音频内容讲到下一个章节时, PPT内容也会跳转到下一个章节,这样,不仅可以减少学习者用于搜索相关资源的外在认知负荷,还可以使学习者更易于理解学习内容。
    4.内容呈现应遵循多重表征原则
    认知负荷理论的相关研究认为,多媒体信息在记忆中是以双通道形式进行加工的,即视觉/图像加工和听觉/言语加工双通道,而每个通道的加工能力又是有限的。(理查德.E.迈耶, 2006)Mayer等人的研究结果表明:当制作一个包含动画和语词材料的多媒体呈现时,要以解说的形式而不是屏幕文本的形式呈现语词信息,但是这条原则适用于带解说的动画呈现以很快的速度播放,并且学习者无法控制播放的情境。国内学者王玉琴等人(2007)进行的“媒体组合与学习步调对多媒体学习影响的眼动实验研究”结果也支持这一观点,研究结果表明,对于学习效果而言,“通道效应”只出现在系统控制步调的线性多媒体学习中,而在学习者步调的多媒体学习中,声音解说相对视觉文本的优势消失了,由学习者控制学习步调,图形加视觉文本的媒体组合对学习更有利。
    由此可知,在网络课程中以固定速率呈现语词和动画画面的最佳方式是一个动画加解说的简明呈现。在“现代教育技术”网络课程中,“三分屏”(视频、演讲文稿、目录)形式的教学视频为学习者提供了很好的视觉和听觉材料,如图2所示。在这里,课程内容不仅有文本形式,同时还有其相应的解说形式,因此学习者在学习时就可以通过对文本的视觉加工和对解说的听觉加工来对课程内容进行双通道加工;另外,在虚拟实验中,大量的实验操作演示都是以解说与动画的形式呈现的,这些学习内容都是由系统控制的,因此,通过解说与动画/图片的形式呈现有利于学习者提高学习效率。

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图2　网络课程教学视频界面

5.课程界面应避免信息冗余
    冗余信息对学习效果会产生干扰。认知负荷理论认为,学习者同时要注意两个或者多个来源信息或活动时就会产生分散注意。冗余信息会产生外部认知负荷,分散学习者对重要材料的注意力,加重学习和理解的认知负荷。冗余信息主要来源于装饰性信息和重复性信息。具体而言:第一,不要加入有趣但与学习无关的文字、画面、声音、音乐等装饰性而不是支持性的信息。学习内部动机不是靠装饰性的材料所能激励的,相反这些材料会干扰学习者对学习内容的组织和整合。第二,尽量减少界面中超链接、按钮、选择框等交互形式。因为频繁的交互操作(尤其是超链接)会分散学习注意力,增加认知负荷。第三,用讲解与图片组合的方式代替讲解、图片和文本的组合呈现信息。当画面和语词都以视觉形式呈现时,视觉通道会超载。(曾巍, 2006)“现代教育技术”网络课程界面设计以蓝色为主调,使整个网络课程具有沉稳的特性,具有理智、准确的意象;在文字编排方面的设计力求简洁、不重复,给人一种紧凑感。总体看来,“现代教育技术”网络课程中装饰性的文字、画面、声音等较少。“现代教育技术”网络课程中的超链接并不复杂,而且绝大部分超链接都是正确的,一些可以直接打开的或者是可以直接下载文件的链接都只需点击一次就能完成操作,从而减少了频繁的交互操作。在“现代教育技术”网络课程中,部分内容是以解说加文字的形式呈现的,如教学视频等;有一部分内容是以动画加解说的形式呈现的,如实验操作的演示等;还有一些内容是以文本形式呈现的,如教材内容等。
    (三)关联认知负荷在网络课程设计中的应用
    关联认知负荷产生于学习者在学习某一个任务未用完所有的认知资源时,这时候学习者便可以把剩余的认知资源用到与学习有直接相关的加工(如图式建构)中去,让学习者在工作记忆中的元素活动中加入更高级的有意识的认知加工(如重组、抽象、比较和推理等),从而支持图式构建。这样的加工也会增加认知负荷,不过这种认知负荷不会阻碍学习,反而会促进学习。(孙志军, 2007)正因为如此,增加关联认知负荷成为众多研究者的追求目标,同时也有许多研究者提出了相应的对策。Paas等人(1994)认为提供样例的变式是增加关联认知负荷的一个有效途径; Renkl(2004)等人的研究表明,给学习者提供多样的问题解决方法比提供单个解决方法更能促进学习,研究者认为多样的问题解决促进了学生的自我解释,提高了学习者的关联认知负荷;国内学者龚德英(2005)寻求在多媒体学习中增加关联认知负荷的方法,结果发现,学习者采用归纳策略提高了关联认知负荷,减少了内在认知负荷,提高了迁移成绩,但是没有提高记忆成绩。这些研究结果为网络课程设计中增加关联认知负荷提供了指导,在设计中可归纳为以下几点:
    1.要注重提供样例的变式
    Paas等人(1994)的研究表明,样例之间的区别越大,情境性干扰越高,比较过程的意义越大。他们认为,问题情境的变式可以鼓励学习者发展图式,因为它使学习者更能把相似特征、相关特征与无关特征区分开来,提供变式可以更好地促进学生的学习和迁移。在一些数学、物理等理科性质的网络课程中,为学习者提供一些与样例不同情境的例子主要是变换题目的条件或者增加一些类似的条件。在这里还是以“现代教育技术”网络课程中的教学设计为例,当教学用不同的学习方式时,教学设计应该是不同的。新课改所倡导的探究性学习的目的是培养学生的能动性,学会用专家的思维来解决问题,而合作学习的目的则是培养学生之间的合作精神。因此,探究性学习方式的教学设计应该注重问题的提出和对学生思维的引导;合作学习方式的教学设计则应该注重学习过程中的角色分配与合作等。虽然两种学习方式的目的与形式不一样,但是教学设计的过程应该是一致的。所以,通过两种情境下的教学设计对比,学习者可以更加清晰地了解教学设计的过程。
    2.要求学习者适时归纳学习内容
    龚德英(2005)通过实验研究认为,归纳增加了学习者的关联认知负荷,但随着学习的推进,归纳还同时降低了学习者的内在认知负荷。归纳本身就是一种有效的学习方法,在学习过程中对学习内容进行归纳不仅有利于梳理错综复杂的关系,还有利于学习者对内容的理解。因此,不管在什么类型的课程中,让学习者适时地进行归纳是有益的。归纳的方法同样适用于网络课程,在“现代教育技术”网络课程中,每一章节的内容都要求学习者对其进行归纳,以使其对课程内容有一个宏观的了解。归纳可以是学习者主动进行,也可以是以练习的方式进行。练习可以设计成填空的形式,如在第一章节中,“教育技术的基本概念包括哪些内容”基本框架可以设计成如图3所示。当为学习者提供练习时,就可将其中的部分内容删去,要求学习者填空,另外,归纳还可以更具体,如AECT定义包括AECT’1994以及AECT’2004,教育技术的内涵包括哪几点等等,把这些内容全部归纳起来,学习者对教育技术基本概念中所涉及的内容框架也就清晰了。这样的归纳不仅是对章节内容的总结,还可能成为学习者在记忆中的框架。

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图3　教育技术基本概念的归纳

总结
    认知负荷理论从内部认知负荷、外部认知负荷以及关联认知负荷三个方面解释了认知负荷产生的规律,从而为通过设计来减少认知负荷提供了理论基础。本文根据认知负荷理论,从内在认知负荷、外在认知负荷以及关联认知负荷三方面探讨了网络课程的设计,并以“现代教育技术”网络课程为例说明、提出了相应的设计原则。从减少内在认知负荷出发,网络课程设计应该遵循:按顺序和分块呈现课程内容;用渐减的方式呈现样例等等。从减少外在认知负荷出发,网络课程设计应该遵循:适时呈现信息;提供相关的答疑系统和多样的学习方式;课程内容应遵循临近呈现原则;课程内容应遵循多重表征原则;课程界面应避免信息冗余等等。从增加关联认知负荷出发,网络课程设计应该遵循:提供样例的变式;要求学习者对学习内容进行归纳等等。通过理论分析可见,网络课程的设计不是学习材料的堆积,而是要从认知负荷的角度对网络课程的内容安排、界面设计等方面进行系统设计,从而尽量避免学习者发生认知超载,以提高网络学习的效率。
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文章来源：《开放教育研究》第15卷第2期2009年4月