认知负荷理论对当前“大学一般理论课”教学设计的启示
摘要：随着信息技术的迅猛发展，大学生的学习环境越来越趋向智能化。但新技术的使用，并没有改变学生用于信息加工的认知系统，其与传统教学环境下的知识建构过程是一致的。智能化的学习环境，使得学习内容更加丰富，同时也提高了学习过程中认知负荷超载的风险和可能性。如何针对目前大学生学习环境智能化的现状进行有效的教学设计，促进学习者的认知加工和学习效果？本文从认知负荷理论的视角出发，从课程内容、媒介选择、教学策略三个方面提出针对“大学一般理论课”课程教学设计的建议。
关键词：认知负荷理论；大学一般理论课；教学设计
中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）48-0233-02
笔者一直承担信息管理与信息系统专业必修课“运筹学”的一线教学工作，根据多年的教学经验发现，学生普遍认为这门课难度大，掌握起来较为困难。为了更好地改进教学，根据认知负荷理论，从课程内容的呈现、媒介的选择与使用以及教学策略的选择三个方面，具体说明降低认知负荷从而促进有效教学的教学设计策略。
认知负荷理论最早由教育心理学家John Sweller、Fred G.W.C.Paas等在20世纪80年代提出[1]。该理论关注个体的认知结构与信息结构之间的交互作用，认为教学过程中呈现的信息结构必须要与学习者的认知结构系统相适应，才能实现有效教学。该理论认为，人类大脑负责信息加工的主要场所是工作记忆，而工作记忆容量小，保存时间短；人类大脑中储存的信息大多以图示（Schema）的形式存储在长时记忆中。内部认知负荷是指由学习任务和学习材料本身的难度产生的认知负荷，与学习者的先验知识和学习材料或任务的复杂性有关。外部认知负荷是指由于不恰当的教学方式或资料呈现和组织方式，带来的不必要的认知负荷[2]。对于像“运筹学”这样的大学一般理论课程，内在认知负荷一般来说会比较高，有时甚至会超出工作记忆的容量。因此，适当减少内在认知负荷，以保证学习的顺利进行，是教学设计要解决的关键问题之一。
一、关于课程内容的呈现
课程本身的难度属于内部认知负荷，其总量是无法减少的，但可以通过调整课程的知识结构进行调节。对于难度较高的学习材料，可以将知识分解为具有联系的多个小模块，避免一次性呈现所有信息。另外，在呈现新的信息之前，最好先介绍信息的结构，帮助学生建立一个“脚手架”，之后按顺序呈现所有的学习材料。学生可以依靠已经存储在长时记忆中的相关信息帮助处理信息，将认知负荷控制在工作记忆能够承受的范围内。比如，对“运输问题的求解”这个知识点，由于“运输问题”属于“线性规划问题”，因此，先介绍一般线性规划问题的解法——先建立初始基可行解，然后进行解的最优性检验，如果不是最优解，需要迭代求新的基可行解，再介绍运输问题的特殊性——技术系数矩阵为稀疏矩阵，由此引出运输问题的求解方法——表上作业法。根据学生已经建立的一般线性规划问题的求解方法，分三个阶段介绍表上作业法，减少学生同时加工的信息数量，让问题特征和解法的联系更加清晰。
二、关于媒介选择与使用
很多高校在积极推进数字化校园建设，在面对面的课堂教学中，教师借助多媒体技术展开教学，课下学生借助网络教学平台进行自主学习。网络学习环境带来了信息传递的多元性，使得学习内容更加丰富，教学模式更加多样，学习动机得到激发，同时也提高了学习过程中认知负荷超载的风险和可能性[3]。因此，选择使用任何技术和工具，都需要慎重考虑。
课堂上，借助多媒体技术展开教学的过程中，要注意学生学习的认知负荷超载现象，对于幻灯片、动画及视频等多媒体信息的呈现，要注意速度问题。如果速度过快，前一段信息还没完成加工（存储到长时记忆中），就开始加工下一段信息，那么新信息会对前面的加工产生干扰，影响学习效果。因此，要给学生留有更多的时间处理前一段信息，或者在动画场景中保留一些关键信息的视觉线索，他们就可以在需要时反复加工这些信息，而不需要将之前的信息一直保持在工作记忆里。同时，可以将视频和音频相结合，增加工作记忆的信息加工能力，提高学习效果。
网络学习环境中，学习材料通过超链接组织在一起，当链接很烦琐时，会耗费大量的认知资源，造成认知负荷超载。因此，网络课程中的路径结构优化很重要。系统要能提供清晰的导航，减少每条路径上冗余的链接，避免信息的无规律布局和冗余。学生的知识状态随着学习进程发生着动态变化，应该让他们选择适合自己当前状态的学习策略。
“运筹学”这门课包含一定的数学建模方法和工程思想及管理思想[4]，对于定量分析部分需要严格数学推导的基本理论，建议采用传统板书的形式，这样可以更好地展现解决问题的逻辑思维过程，避免多媒体信息超载问题。而对于数据量较大的实际问题的解决，建议借助多媒体工具来呈现。
三、关于教学策略的选择
内部认知负荷的高低，取决于学生的先验知识水平[3]。高水平学生已经在长时记忆中建立了较多的关于领域知识的认知图式，当新信息进入工作记忆加工时，长时记忆会提取出认知图式里的相关知识，帮助新信息的加工。相反，低水平学生因其长时记忆缺乏足够的相关认知图式，当新信息进入工作记忆时，需要逐个处理每个元素以及元素之间的关系，造成较高的认知负荷。正所谓“温故而知新”，每次新课之前，应该让学生先复习在先修课程里用到的知识点。比如，在介绍线性规划求解的“换基迭代”这个步骤的时候，用到了“矩阵的初等行变换”这个知识点。该知识点在之前的先修课程“线性代数”中已经介绍了。通过复习，有利于新知识的接受。
在教学过程中，要特别注意“能力反转效应”，即对初学者有用的方法可能对熟练者无效，甚至可能阻碍学习[5]。对于低水平学生，可以提供包含声音、视频、文字、图形等多媒体信息，帮助他们更好地理解抽象知识，而对于高水平学生，可以只提供文字材料，因为额外的多媒体信息可能干扰其学习过程。另外，教学材料的组织顺序，也需要考虑学生水平的差异。若教学策略使用不当，产生过高的外部认知負荷，就会导致总认知负荷的超载。
综上，对于像“运筹学”这样有一定难度的“大学一般理论课”，其教学过程应以学生的认知结构为基础，以工作记忆的局限性为核心，控制同一时间传递信息的数量和关联程度，避免认知负荷超载对学习的负面影响，才能提升学习效果。
参考文献：
[1]John Swller，Cognitive Load During Problem Solving：Effects on Learning[J].Cognitive Science，1988（12）：257-285.
[2]赵立影，吴庆麟.基于认知负荷理论的复杂学习教学设计[J].电化教育研究，2010，（04）：44-48.
[3]高媛，黄真真，李冀红，黄荣怀.智慧学习环境中的认知负荷问题[J].开放教育研究，2017，23（01）：56-64.
[4]《运筹学》教材编写组.运筹学[M].第四版.北京：清华大学出版社，2012.
[5]张冬梅，路海东，祖雅桐.认知负荷视角下的知识反转效应[J].心理科学进展，2016，24（4）：501-509.