认知负荷理论的发展及在数学课堂教学中的研究

李钰 吴华

[摘           要]  认知负荷理论是在20世纪80年代作为一种教学设计理论基础引入的，它以人类认知结构的几个方面为基础。我们对其许多特征的了解，如工作记忆、长期记忆以及它们二者之间的关系，在引入该理论之前几十年就已经建立了。然而，该理论对教学设计领域的影响大多只停留在教学设计建议层面。认知负荷理论假设所有的新信息首先由容量和持续时间有限的工作存储器处理，然后存储在一个无限的长期存储器中供以后使用。一旦信息存储在长期记忆中，工作记忆的容量和持续时间限制消失，改变了我们的自身能力。到20世纪90年代末，该理论收集了足够的数据来保证一个扩展的分析结果。自那以后，相关学者进行了大量的理论和实证工作。试图对过去20年的认知负荷理论进行总结，对该理论在国内数学课堂中的发展做一个归纳，并勾勒出其未来的研究方向。

[关    键   词]  认知负荷理论;理论发展;数学课堂;教学进展

[中图分类号]  G642                   [文献标志码]  A                    [文章编号]  2096-0603（2020）07-0050-02

一、引言

认知负荷理论旨在解释学习任务所引起的信息处理负荷如何能影响学生处理新信息和在长期记忆中构建知识的能力。它的基本前提是人类的认知加工受到我们有限的工作记忆的严重制约。因为工作记忆一次只能处理有限数量的信息元素，当不必要的需求强加于认知系统时，认知负荷就会增加。如果认知负荷过高，就会阻碍学习和迁移。这些需求包括不充分的学习教学方法对学生进行有关某一学科的教育以及不必要的环境干扰。认知负荷也可能通过与学习相关的过程而增加。为了促进学习和转移，认知负荷的管理方式最好是使学习加工被最小化，与学习相关的认知加工被最优化，使负荷总是在可用的认知能力限度内。

认知负荷理论的根源可追溯至1982年，但是第一次完整的描述是在1988年的文章《问题解决期间的认知载荷：对学习的影响》[1]中给出的。在接下来的十年里，许多认知负荷效应和相关的教学方法由各国专业的研究人员进行了调查。这些新的结论也在1998年的文章中发表。1998年以后，认知负荷理论迅速成为教育心理学领域最热门的理论之一，来自世界各地的研究人员致力于它的进一步发展。

在信息全球化的当代，我国对认知负荷理论密切关注，对其进行了各种研究。唐剑岚老师早在2008年的《认知负荷理论及其研究的进展与思考》[2]中就对当时该理论在国内的发展情况进行了概述。尤其是近些年来，认知负荷理论不仅在教育学心理学中逐步发展，对我国的中小学教学也有着很深刻的启发作用。

二、认知负荷理论简介

1998年的文章《认知结构与教学设计》[3]讨论了人类认知结构，包括认知负荷理论概述及其一般原理以及认知结构的描述。认知负荷效应由理论和与测量认知负荷相关的问题产生。接下来本文将对1998年前后的理论发展分别归纳总结。

（一）1998年人类认知架构的应用

1.认知架构

1998年使用的认知架构反映了我們当时对人类认知的认识，该体系结构的基本组件、工作记忆、长期内存以及它们之间的关系是众所周知的。然而对于教学设计来说，很少有教学建议强调长期记忆的作用，虽然人们都知道工作记忆和长期记忆，但它们之间的重要关系却很少受到重视。在处理新信息时，工作记忆在容量和持续时间上受到限制。内存处理从长期内存传输的信息，以及从长期记忆中获取的大量有组织的信息可以使工作记忆有效发挥作用，因而在处理此类信息时没有已知的限制。这些过程提供了认知结构，导致1998年认知负荷理论的教学启示。

2.认知负荷类别

1998年，我们讨论了认知负荷的三种类型：内在的、外在的和相关的。内在认知负荷指的是正在处理信息的复杂性，它涉及元素交互性的概念;外在认知负荷不是由信息的内在复杂性决定的，而是由如何呈现信息以及由教学过程所需的学习者是什么决定的。与内在认知负荷不同，它可以通过改变教学程序来改变;相关认知负荷被定义为学习所需的认知负荷，它指的是处理内在认知负荷而非结外的工作记忆资源。

（二）1998—2018年认知负荷理论的发展

认知负荷理论在过去的20年里有了很大的发展。首先，它的理论基础通过为人类认知架构奠定坚实的基础而得到加强，进化了心理学。其次，四部分教学设计（4C/ID）被发展成一个双生子理论，专注于较长时间的教育项目的设计。认知负荷理论提供了可应用于教学消息或相对较短的教学单位的设计的循证原则，如课程、书面材料、文本和图片以及教育多媒体（教学动画、视频、模拟、游戏）。再次，研究产生了一系列新的认知负荷效应，包括所谓的复合效应，即改变其他简单认知负荷效应特征的效应，此外还包括元素互动性效应、专长反转效应、制导衰落效应、瞬态信息效应、自我管理效应、自我解释效应、集体工作记忆效应、人的运动效应等诸多效应。最后，开发了新的仪器来测量不同类型的认知负荷。

三、认知负荷理论与数学教学研究

（一）教学理论中调节认知负荷

自认知负荷理论发展以来，我国的学者一直在结合该理论进行教学设计的改革。有效的教学设计的基本原则简称为“减负增效”[4]。所谓“减负增效”，就是指教学设计应该降低内在认知负荷与外在认知负荷，并且增加有效认知负荷，最终使三者之和不超过工作记忆的总负荷。

（二）数学课堂中的具体应用

除了相关学者根据CLT理论对教学方式提出理论研究外，我国中小学一线教师也结合该理论对教学设计不断修正与创新。迄今为止，各类教学设计层出不穷。信息化的教学中调节认知负荷所使用的多媒体也越来越广泛，如PPT、FLASH、AR、几何画板等乃至它们之间的综合运用。在各个不同的年级也都有着对应课题的教学设计：小学中的应用题教学、分数的初步认识教学等;初中的三角形教学、解二元一次方程组、中考数学题讲解、二次函数教学、垂径定理、图形相似、平方差公式等;高中的平面向量基本定理、基本不等式、函数定义、对数定义、三角函数诱导公式、直线与直线方程等都是根据认知负荷理论在调整教学设计，进而让学生更易理解和接受。

由此看来，认知负荷理论与现在国内中小学教学确实是密切相关的。在教学过程中，教师都会修正自己的教学设计进而帮助学生调节认知负荷。在大量教学实例面前，认知负荷理论绝不是一纸空谈。不过国内现在对提出的新的教学设计是否能从根本上调节好学生的认知负荷，在测量方面仍旧无法提供较多较好的数据，由此，该理论的实际效用方面仍需要大量的研究。

四、认知负荷理论未来发展探索

随着新数据的不断发展，认知负荷理论也经历了不断的发展，理论发展又产生了更多的数据再去促进理论。这种螺旋式的继续为今后的发展提供了目标，接下来将讨论扩展认知的未来方向。

（一）延长认知负荷理论

世卫组织根据工作记忆资源耗竭假说提出了延长CLT的可能性。相关研究结果表明，工作记忆容量可能是可变的。因此，需要抛弃固定的工作记忆假设。那么，这一变化将产生相当大的后果，并将导致认知负荷理论相当大的扩展。

（二）认知负荷理论与自我调节学习

另一条新的研究方向是将认知负荷理论与自我调节学习联系起来，认知负荷理论和自我调节学习模型都涉及学习者的学习过程。控制他们的学习过程，可以被看作是在一个信息丰富、复杂和快速变化的社会中支持终身学习者的特别重要的因素。

五、结语

本文总结了我们对20多年来认知负荷理论研究的思考，这些研究有助于认知负荷理论的发展。其心理学基础、新的教学效果、范围、测量结果等方面的进展又为理论提供了依据。认知负荷理论的进展反映在相关理论中，也为未来的发展指明了方向。

总之，我们看到认知负荷理论在过去20年中发生的重大变化，并考虑到认知负荷理论目前在教育研究和实际教育中的流行。我们期待在未来20年中同样可以继续产生重要的变化，也期待着在国内的教育教学，尤其是数学课程的教学中，为一线教师注入新的想法和活力。本文也概述了一些我们认为有希望进一步发展的理论的研究方向，尽管未来是不可预测的，这些想法最终证明对该理论的进一步发展至关重要。所以在专家学者的研究下，在一线教师的配合下，该理论的发展前景会一片光明。

参考文献：

[1]Sweller，J.Cognitive load during problem solving： ef-fects on learning[J]. Cognitive Science，1988（12）：275-285.

[2]唐劍岚，周莹.认知负荷理论及其研究的进展与思考[J].广西师范大学学报（哲学社会科学版），2008（4）：75-83.

[3]Sweller，J.， van Merri·nboer， J. J. G.， & Paas， F. Cognitive architecture and instructional design[J].Educational Psychology Revi-ew，1998（10）：251-296.

[4]陈昕然，唐剑岚，张小雄.用几何画板优化学生数学认知的策略探讨：基于认知负荷理论[A].全国数学教育研究会2014年国际学术会议论文集[C]，2014.

◎编辑 陈鲜艳