降低外在认知负荷

一、降低外在认知负荷

由于外在认知负荷主要是由于学习材料的组织和呈现方式引起的，所以使学习材料的呈现方式最优化是降低学习者外在认知负荷的一个重要途径。在认知负荷理论的指导下，研究者进行了一系列的教学设计研究，并在研究中观察到了许多可能影响到学习效果的因素。大致说来，认知负荷理论研究中观察到的影响学习的效应主要包括以下几类^[135][136]:

(一)自由目标效应

所谓自由目标是指目标不确定，如在一个三角形问题中，不要求学习者求某一特定角的值，而是要求“求出尽可能多的角的值”。Sweller(1988)^[137]通过实验发现:当运用自由目标问题或降低目标明确性时，可提高学习和迁移成绩，这就是自由目标效应。Sweller等对该效应的解释是:自由目标问题可阻止手段—目标分析策略的使用。手段—目标分析策略最显著的特点是消除当前状态与目标状态间的差异，而自由目标问题没有明确的目标状态，故无法采用该策略，而认知负荷理论认为该策略的使用会导致沉重的认知负荷，因此自由目标可节省大量资源用于图式获取，从而促进学习。

(二)样例学习效应

传统学习过程中呈现给学习者的是一系列特定的资料(已知信息)和一个定义良好的目标(指出什么是需要解决的)。Larkin等人^[138]证实，“手段—目标”分析是对具体问题类型不熟悉的学习者广泛运用于解决传统学习问题的一种问题解决策略。它是建立在减少问题的当前状态和目标状态的差距的原理之上。在实践中，这种方法常常导致问题解决者从问题的目标向前操作至问题的已知部分。虽然这种策略在获得答案上(即对目标状态赋值)是有效的，但是，由于这种策略要求注意同时指向问题的当前状态、目标状态、两种状态之间的差异、减少这些差异的方法以及任何可能导致问题解决的子目标上，因而，也导致高水平的认知负荷。虽然自由目标问题可以作为一种替代，但它限制应用在问题空间很小的情境中，当问题空间变得很大，在问题解决的每一步都面临着不断增加数量的选择时，再运用这种技术就显得不切实际了。而在样例学习条件下，学习者不需要运用手段—目标分析策略，不需进行错误的解题尝试和错误学习，只需注意样例解答中与图式获取有关的问题方面，故可减轻认知负荷。另外，在样例设计中，通过提高样例变异性可促进图式获取，通过增加样例数量可促进规则自动化。但是，并非所有样例均可促进学习，设计不合理的样例不仅不能促进学习，甚至有害于学习。总的来说，有效的样例应能有效地将学习者的注意资源引到与学习有关的问题方面，能减轻学习者的认知负荷，特别是消除无关认知负荷。

Cooper＆Sweller等^[139]通过一系列实验证明了样例技术对促进以数学为基础内容的广泛领域内的学习非常有效。样例以直接告知的、逐步的方式呈现给学习者解决不同问题类型所需的程序，它包含等同于图式和自动化的清晰信息。也就是说，促进知识和技能获得的样例需要确定问题所在的类型;回忆解决每一特定类型所需的步骤(序列的);最后准确无误地执行每一步骤。由于学习样例所需的注意每一次只用于两个问题状态和与它们相关的转换(规则算子)上，因此给工作记忆施加了很低的认知负荷。

另外，一种强调样例的成功的方法是以交互的形式跟传统问题一起呈现样例(即样例A，问题A;样例B，问题B……)。告诉学生成对材料的特征，并要求认真学习每一样例，因为他们一旦开始学习相关的问题时，将不允许回过头去看样例。这样学生将集中注意力于问题的类型和问题的相关步骤(即图式)上。在解决相关的传统问题时，他们检验判断自己是否已掌握这些程序。这可能是一种更加真实的练习问题解决的方式。当然，呈现的样例—问题成对的数量、呈现的样例的范围、呈现的问题类型及速度等取决于相对于学习者的专门知识材料的复杂性。相对的专门知识越多，问题类型的步骤的增加就越快。

(三)注意分散效应

许多学习材料既包括图片信息成分又包括文字信息的成分。传统上，图片与相关的文字一般是一起呈现的，文字或放在图片上面、或者下面、或者旁边。这种呈现方式使学习者不得不同时注意图片和文字，在多种离散的信息源之间分配注意资源，导致注意分散效应。仅仅图片，或者文字，都没有提供让学生能够理解的足够信息，学生只有在智力上整合了这些多来源的信息后才能理解材料。而学习过程中需要用于整合这些图片和文字的工作记忆部分是难以获得的，这样给我们有限的工作记忆施加了不必要的负担，学习变得非常无效。

注意分散效应来自学习材料中分离了的文字和图片成分，但不限于此，只要学习者必须同时注意两个或更多来源信息或活动时都会产生分散注意。因此，涉及多来源的信息应该在物理上被整合，以降低对有限的工作记忆的压力并释放出认知容量进行其他的信息处理。在实践上，适当地把文字整合到图片中有利于学习。Chandle＆Sweller^[140]提供的证据表明，由于结论部分和讨论部分分离，但又必须同时考虑这两部分以理解结果的复杂性及其含义，人们在阅读传统实验报告时产生了注意分散效应。通过整合结果和讨论部分重新组织实验报告，可以消除注意分散效应。

在实践中，为消除注意分散效应，信息呈现应注意以下几点:(1)如果可能，谈及图表的文字应该尽量整合到图表之中;(2)相关的文字应包含在同一屏幕上或同一张纸上;(3)界面不能迫使使用者从一个屏幕回忆信息，同时又需要把回忆的信息键入到另一个屏幕上;(4)网络导航不能迫使学习者阅读很多不必要的页面信息，从而使他们在所在之处和想要达到之处之间分散注意力。

(四)冗余效应

Chandler和Sweller^[141]用实验证明，冗余的信息并非中性的，它们会对学习和理解造成消极的效应。因此，如果信息对理解不是基本的亦即是冗余的，最好能把这些信息省略掉。在包含文字和图片的学习中，当文字来源的或图片来源的学习其中单独一种就能提供足够的理解时，应该仅运用一种来源的学习(或图片或文字)，而另一种来源的学习则是多余的，应该彻底地从学习材料中剔除出去。在这种情况下，单独来源的学习比整合的形式(把文字整合到图片)或双重形式(平行使用文字和图片)都能获得更高的学习水平。从认知负荷理论角度来看，处理非基本信息会耗尽珍贵的认知资源，从而不利于学习。

冗余效应对现实的信息呈现的含义表现如下:(1)最小限度的、剥离了其中所有不必要的信息的计算机向导比常规的向导(这种向导显著变长)要好;(2)屏幕应设计成仅包含基本的信息，多余的语言文字和图表应消除(如“Google”网站的简洁);(3)对于网站，导航信息应该在任一屏幕只出现一次，多余的应被抛弃——和产生屏幕混乱一样，多余的导航信息导致额外的处理负担;(4)为找到所需要的信息，网站导航不应迫使使用者阅读多余的或不必要的信息页。

从以上陈述可以看出，分散注意和冗余效应的相互作用。当然，信息是必要的还是冗余的取决于材料的特征和学习者专门知识的水平。在实际的设计中，当使用者的知识水平是未知的时候，最好假定使用者是低知识水平，同时在物理上整合相关的材料(而不是省略它们)。

(五)简化搜索

从认知负荷理论看来，在屏幕上搜索相关的信息对认知有很高的要求，并且损耗宝贵的认知资源。因此，无论作为网络页面设计者还是教材设计者，都应想方设法尽力简化学习者的搜索过程，大致来说，可以通过以下途径:(1)不要把太多的信息放在同一屏幕上或同一张纸上;(2)整合相关的信息;(3)使用稳定的屏幕版面，这样人们知道在哪里寻找信息;(4)使用颜色、字体、粗体等以强调重要信息。

(六)图表效应

如果所学信息的成分之间的关系是复杂的，同时图表是有意义的、熟悉的和不太抽象的，图表能促进理解。图表降低工作记忆负荷是因为它们:(1)帮助在问题的成分之间建立更加具体的和清楚的联系;(2)帮助减少搜索相关信息;(3)担当外部记忆，这样帮助我们很快地想像整个问题;(4)用一种更不抽象的形式帮助描述问题的成分之间的复杂关系;(5)消除不必要的信息以集中注意于对理解来说是关键的部分。因而，如果可能，教学设计者可以使用设计良好的图表以促进学习者的学习。

(七)形式效应

前面所提的效应都是在工作记忆的有限性的前提下强调降低认知负荷的必要性。尽管学习的信息加工模型一向强调稳定的有限的工作记忆，有证据表明:在某些场合下，我们可以扩展工作记忆。

Mousavi和Low的研究表明，工作记忆是处理视觉和听觉部分的信息的相分离的处理器，至少其中的一些部分似乎具有感官模式上的特殊性。也就是说，工作记忆的一些部分仅专注于视觉信息(特别是图表信息)，而另一些部分专注于听觉信息(特别是口头言语信息)。因此，分离所学的信息，如图表信息以视觉形式呈现，另一些信息如文字信息以听觉形式呈现能促进学习^[142]。

形式效应对现实教学设计的含义表现如下:(1)视听材料是一种最有用的减少注意分散效应的方法，如用听觉的形式呈现多来源信息的文字成分;(2)在计算机界面的环境下，听觉是呈现错误信息的一种方式(再三重复提供这些信息)，然而，如果信息同时以听觉和视觉的形式呈现，视觉的成分就变为多余的了;(3)应避免过多的或过复杂的听觉成分，以免产生过高的认知负荷;(4)听觉材料应适时安排;(5)为了普遍的获得(如全面获得相关知识)有时需要呈现冗余信息。这样，什么是适宜的设计取决于学习者团体的组成。

在上述效应之外，研究者们还提出了阶段效应、部分完成问题效应、专业知识效应、指导隐退效应等多种效应。

在认知负荷理论的基础上，针对多媒体教学，一些研究者还根据实验研究结果提出了一些有效的设计原则^[143][144]:

1.多种表征原则

指用文字和相应的图画来呈现教学材料比单纯用文字或图画呈现的效果好。一般地，图画提供形象具体的信息，而文字能表达深层的语义信息。按照双编码假设，人以视觉和语词两种编码进行信息加工，但两个加工单元是相对独立的。如果只呈现文字信息，学习者可能建立文字心理表征，而不太可能建立视觉心理表征并把它与文字表征联系起来。如果文字和相应的图画同时呈现，学习者就容易在它们之间建立联系，即整合信息，这就提高了有意义的学习。Mayer等人(2001)^[145]的研究表明，在多媒体教学中使用视听方式呈现的效果更好，学习者的迁移成绩更高。后来的很多实验都证明了这一结果，即多媒体学习中的通道效应，研究者认为两种通道是用不同的方式加工信息，使用不同的工作记忆，所以采取两种方式呈现信息既增加了工作记忆容量，也降低了同一通道的认知负荷，从而产生更好的学习效果。

2.接近性原则

指在呈现教学材料时应当同时而不是相继地(时间接近性)，应该邻近而不是远离地(空间接近性)呈现相应文字和图画信息。按照多媒体学习认知理论，当学习者能够在工作记忆中在相应的视觉和语词表征之间建立联系时就出现了有意义学习。如果动画和叙述在时间上是协调的，学习者就更可能同时把相应的视觉和语言表征保持在工作记忆中。对比之下，在相继呈现条件下，工作记忆能量的有限性使相应的视觉表征和语言表征不能同时出现在工作记忆中，从而会影响到两者的信息整合。同样，当文字与相应的图画在屏幕上彼此相邻时，学习者可以最短的视觉搜索找到相应的视觉与文字信息，这样也就容易在它们之间建立联系而促进信息整合。相继的或空间分离的信息呈现需要学习者分裂注意(split-attention)，因此会增加外部认知负荷^[146]。

3.聚合性原则

指应该以支持性而不是装饰性方式使用多媒体。在教学中，以一种媒体呈现的知识应该支持、联系或扩展以其他媒体呈现的知识，并且多媒体呈现的知识应该是知识因果链中的核心步骤。当前有些教学设计者为了给学习带来乐趣，为文本或叙述材料配上了一些有趣的图画、背景音乐或声音等，他们认为利用有趣的多媒体材料可使学习者产生努力学习的动机。然而，正如Hede的整合模型指示的，多媒体界面的设计特点是外部动机因素，只能在学习初期诱导学习者访问材料，只有令人感兴趣和挑战性的内容才是内部动机因素，可激励学习者持续地努力学习。而且，装饰性的无关材料会分散学习者对关键的文字和图画内容的注意，阻碍在知识因果链的步骤间建立联系。但是以支持性的方式使用多媒体能促进有意义的学习。

4.通道原则

指在呈现图画的同时用听觉通道呈现的叙述比用视觉通道呈现文本效果好。当文本以视觉通道方式呈现时，至少在最初，它们必须与图片、动画或视频图像一起通过视觉系统进行加工。这样，文本与图画将竞争视觉资源，引起视觉“分裂注意效应”(split-attention effect)^[147]。当文本以听觉通道呈现时，它们在语词通道中加工，因此视觉通道释放出的能量就可用于对图画信息更深层加工。同样，若在语词通道中增加一些额外的非文本信息，也会与文本信息竞争听觉资源，产生听觉“分裂注意效应”而影响学习^[148]。

5.冗余原则

指动画和听觉叙述两种方式同时呈现比动画、听觉叙述和屏幕显示文本三种方式同时呈现效果要好，因为这样减少了学习内容的冗余。不适宜的冗余信息会分散学习者的注意力和引起工作记忆超负荷，最终导致没有足够的认知能量来建立视觉与语词表征的联系，起到了适得其反的效果。

6.一致性原则

指呈现多媒体解释时应当包含较少的无关的词和声音，这样更有利于理解。

7.个体差异原则

指多媒体教学的效果及界面设计应该依据学习者的智力、学习风格等个体差异而有不同。