2012 认知负荷的测量及其在多媒体学习中的应用_孙崇勇

中文摘要认知负荷的测量及其在多媒体学习中的应用

中文摘要

认知负荷的测量对于认知负荷理论来说是一个根本的挑战。所以，认知负荷理论一经提出来，研究者们就开始寻求科学的测量方法。已有的认知负荷测量方法大致分为三类，即主观测量法、任务绩效测量法、生理测量法。在实际研究中，主观测量法以其特有的优势在三类方法中具有举足轻重的地位，这就使得主观测量工具的敏感性与效度显得尤为重要。另外，目前国内外学者围绕任务特征、教学设计等方面对认知负荷的影响已经做过不少的实证研究，但针对学习者特征、学习方式与认知负荷的关系研究还缺乏比较深入的考察。本研究运用调查法、测量法、实验法等心理学研究方法，设计了系列实验，进行了以下研究。首先，通过比较三种认知负荷主观测量工具的灵敏度与效度，找到了较为理想的测量工具；其次，运用该测量工具，探讨了多媒体学习环境中学习方式与学习风格对认知负荷及学习结果的影响。最后，在以上研究和借鉴前人研究的基础上，提出了影响认知负荷及学习结果的因素模型。本研究的结果将为多媒体学习中认知负荷的测量及教学设计与个性化学习提供重要的参考。

具体来说，本研究的主要结论如下：

（1）在本研究任务条件下，WP量表的敏感性略高于PAAS量表，NASA-TLX 量表的敏感性最弱；WP量表的诊断性较好；PAAS量表、WP量表的效度较高，且好于NASA-TLX量表。综合各项指标，在中低难度任务下，WP量表是目前认知负荷较为理想的测量工具。另外，次任务反应时的稳定性、抗干扰性较好，可以作为不同难度任务下认知负荷的效标使用。认知负荷综合指标的敏感性较好。

（2）在本研究条件下，教育者归纳降低了学习者的内在认知负荷，能提高学生的各种学习成绩；自我归纳提高了学生的相关认知负荷，只能提高学生的迁移成绩。教育者归纳组在两种材料下的各种成绩都好于自我归纳组与不归纳组。归纳方式与材料难度在对认知负荷与学习结果的影响上有交互作用。

（3）在本研究条件下，元认知提问对认知负荷与学习成绩有显著的影响，它增加了学习者的元认知负荷与认知负荷总量，并能提高其学习成绩。在难学习材

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认知负荷的测量及其在多媒体学习中的应用中文摘要料下，元认知提示提问引起的认知负荷显著高于元认知呈现问题。元认知提问与材料难度在对认知负荷及学习结果的影响上存在交互作用。

（4）在本研究条件下，学习风格与材料呈现方式对认知负荷有显著影响，学习风格与材料难度有交互作用，但与材料呈现之间无显著的交互作用。针对难学习材料，视觉型学习者的认知负荷显著高于言语型学习者；全文呈现引起的认知负荷显著高于概述呈现。学习风格与材料呈现方式对学习成绩没有独立的影响，在对迁移成绩、回忆成绩的影响上两者有交互作用，但对再认成绩的影响上没有交互作用。

（5）在全面总结本研究和前人研究的基础上，提出了影响认知负荷及学习结果的因素模型。本模型揭示了：学习方式主要影响有效的认知负荷即相关认知认知负荷与元认知负荷，学习风格主要影响内在认知负荷；内部因素主要影响相关认知负荷、元认知负荷与内在认知负荷，外部因素主要影响内在认知负荷与外在认知负荷；内部因素与外部因素存在一定的交互作用。

关键词：认知负荷；认知负荷测量；多媒体学习；归纳；元认知；学习风格

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Abstract Cognitive Load Measurement and its Application in Multimedia Learning

Cognitive Load Measurement and its Application

in Multimedia Learning

Abstract

After Cognitive Load Theory （CLT）was proposed by John Sweller in 1980s’, researchers began to invent new methods for measuring cognitive load. Along with the development of cognitive load theory, a fundamental challenge for itself is how to measure cognitive load. At present, the measurement methods can be devided into three categories, namely, subjective measures, task performance measures and physiological measures. Because of its simplicity, practicability and convenience, subjective measure was the most popular in recent influential researches on cognitive load. In addition , lots of research effort have been donated on the effects of task characteristic and instructional design on cognitive load, while the relationship between learner’s characteristic or learning mode and cognitive load have been neglected. Using many popular research methods in psychology, including investigation technique, measuring method, experimental method, the present study was designed by combining a series of experiments to investigate the following phenomenon in CLT. Firstly, by comparing the sensitivity and validity of three subjective rating scales, the most effective one of the three was identified. Secondly, using this identified scale, the effects of the learner characteristic and learning mode on the cognition load and learning performance in the multimedia learning environment were probed. Finally, based on the above mentioned results and previous literature, a model on how learner’s characteristics and learning mode affect cognition load and learning performance was proposed. The study provided important basis for the cognitive load measurement in the multimedia learning, instructional design and personalized learning.

The main results of the research were:

1. In the present task condition, the sensitivity, validity and diagnosticity of the Workload Profile Index Ratings（the WP）were higher than the Paas Cognitive Load Scale（the PAAS）, while the ones of the NASA Task Load Index（the TLX）were the worst. Base on the above mentioned results, the WP was the most effective subjective

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Cognitive Load Measurement and its Application in Multimedia Learning Abstract rating scales of the three ones, especially for medium or lower difficulty task.The results also showed that the sensitivity and intrusiveness of response time of secondary-task were both better and it could be used as reference object to subjective measures. The sensitivity of cognitive load’s composite index was also better.

2. In the present research condition, the generalization from educator reduced the learner’s intrinsic cognitive load, and increased their recall and transfer test performance; while the generalization from learner increased their germane cognitive load, but increased their transfer test performance only. The learning performance of the generalization from educator was better than that of the generalization from learner and not generalization, either for difficult materials or for easy ones.There was interaction effect on cognition load and learning performance between generalization style and material difficulty.

3. In the present research condition, meta-cognitive questioning had significant influence on cognitive load and learning performance，for it increased meta-cognitive load and total amount of cognitive load, and it can also increased the learner’s learning performance. For the complex learning materials, cognitive load from meta-cognitive hinting questions was higher significantly than one from meta-cognitive presenting questions. There was interaction effect on cognition load and learning performance between meta-cognitive questioning and material difficulty.

4. In the present research condition, learning style and material presentation mode had significant influence on cognitive load, while there was interaction effect between learning style and material difficulty, but there was no interaction effect between learning style and material presentation mode. For the complex learning materials, cognitive load from the learner of visual learning style was higher significantly than one from the learner of verbal learning style, and cognitive load from full-text presentation was higher significantly than one from summarizing presentation. The learning style and material presentation mode had no significant main effect on the learner’s learning performance, while there was interaction effect on transfer and recall test performance between them, except for recognition one.

5. Based on the above mentioned results and previous literature, a model on how learner’s characteristics and learning mode affect cognition load and learning performance was proposed. The model showed that, learning mode （i.e. generalization

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Abstract Cognitive Load Measurement and its Application in Multimedia Learning or meta-cognitive questioning） affected effective cognition load, including germane cognitive load and meta-cognitive load, while learning style affected affected intrinsic cognitive load; interior factors affected germane cognitive load，meta-cognitive load and intrinsic cognitive load, while external factors affected intrinsic and extraneous cognitive load. In addition to, there was interaction effect on cognition load and learing performance between interior factors and external ones.

Key words Cognitive load；Measurement of Cognitive load; Multimedia Learning; Generalization；Meta-cognitive; Learning Style

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目 录

第一部分 文献综述 (1)

1. 认知负荷理论 (1)

1.1 关于认知负荷的概念 (1)

1.2 认知负荷的理论基础 (3)

1.3 认知负荷的分类 (5)

1.4 认知负荷的特点 (10)

2.认知负荷的评价指标 (12)

2.1 认知负荷评价依据 (12)

2.2 主观评价指标 (13)

2.3 客观评价指标 (14)

3.认知负荷常用的测量方法 (20)

3.1主观测量法 (20)

3.2任务绩效测量 (26)

3.3 生理测量法 (28)

3.4 多指标综合评价方法 (29)

3.5 认知负荷的分别测量 (30)

4.认知负荷的影响因素 (33)

4.1 元认知与认知负荷 (34)

4.2 认知风格与认知负荷 (36)

第二部分 问题提出与研究设计 (38)

1.问题提出 (38)

1.1已有的测量方法还须不断完善 (38)

1.2 认知负荷与多媒体学习的研究须考虑学习者特征与学习方式 (39)

1.3 认知负荷大小须与学习结果综合起来考察 (40)

2.本研究的理论基础 (41)

2.1 认知负荷理论 (41)

2.2 测量学理论 (42)

2.3 建构主义理论 (42)

3.研究目的与意义 (43)

4.研究的总体设计 (44)

5.研究的基本假设 (46)

第三部分 实验研究 (47)

研究一：认知负荷的几种主观评价量表比较 (47)

1.引言 (47)

2.研究方法 (49)

2.1 实验设计 (49)

2.2 被试 (50)

2.3 实验仪器和测试工具 (50)

2.4 实验程序 (51)

2.5 统计分析 (53)

3.结果 (53)

3.1 被试主、次反应时成绩结果 (53)

3.2 各种认知负荷评价指标的敏感性比较 (54)

3.3 三种量表的效度检验 (59)

3.4 各指标与综合指标比较 (61)

4.讨论 (62)

4.1 主、次任务反应时的稳定性、抗干扰性分析 (62)

4.2 三种主观评价量表的敏感性与效度分析 (64)

4.3 认知负荷综合指标分析 (66)

5.小结 (67)

研究二：多媒体学习中不同归纳方式对认知负荷及学习结果的影响 (68)

1.引言 (68)

2.研究方法 (70)

2.1 实验设计 (70)

2.2 被试 (70)

2.3 实验材料 (70)

2.4 实验程序 (71)

2.5 统计分析 (72)

3.结果 (73)

3.1被试的先前知识情况 (73)

3.2 认知负荷测量结果 (73)

3.3学习结果 (76)

3.4认知负荷与学习结果之间的关系 (78)

4.讨论 (80)

4.1 归纳对学习者认知负荷的影响分析 (80)

4.2 归纳对学习者学习成绩的影响分析 (82)

5.小结 (83)

研究三：多媒体学习中元认知提问对认知负荷及学习结果的影响 (84)

1.引言 (84)

2.研究方法 (86)

2.1 实验设计 (86)

2.2 被试 (86)

2.3 实验材料 (86)

2.4 实验程序 (87)

2.5 统计分析 (88)

3.结果 (89)

3.1被试的先前知识情况 (89)

3.2 认知负荷测量结果 (90)

3.3 学习结果 (91)

3.4 认知负荷与学习结果之间的关系 (93)

4.讨论 (95)

4.1 元认知提问对认知负荷的影响分析 (95)

4.2 元认知提问对学习结果的影响分析 (97)

5.小结 (98)

研究四：学习风格与材料呈现方式对认知负荷及学习结果的影响 (99)

1.引言 (99)

2.研究方法 (101)

2.1 实验设计 (101)

2.2 被试 (101)

2.3 实验材料 (101)

2.4 实验程序 (104)

2.5 统计分析 (104)

3.结果 (105)

3.1被试的先前知识情况 (105)

3.2 认知负荷测量结果 (107)

3.3学习结果 (109)

4.讨论 (113)

4.1 学习风格与材料呈现方式对认知负荷的影响 (113)

4.2 学习风格与材料呈现方式对学习结果的影响 (115)

5.小结 (117)

第四部分 总讨论与结论 (118)

1.总讨论 (118)

1.1 WP量表是认知负荷测量较为理想的工具 (118)

1.2 学习方式与学习风格对认知负荷影响的差异性 (119)

1.3 学习方式与学习风格对学习结果影响的差异性 (120)

1.4 影响认知负荷及学习结果的因素模型 (122)

2.总结论 (124)

3.不足与展望 (125)

参考文献 (126)

附 录 (140)

致 谢 (152)

认知负荷的测量及其在多媒体学习中的应用第一部分文献综述

第一部分 文献综述

1. 认知负荷理论

1.1 关于认知负荷的概念

认知负荷（cognitive load）的理论研究最初来源于脑力负荷或心理负荷（mental workload）的诸多研究成果。国际上对脑力负荷或心理负荷的研究发端较早，最早可以追溯到美国心理学家Miller，他从1956年就开始了这方面的研究。此后，国外一些心理学者对心理负荷的含义、结构和测评方法进行了大量的研究。在20世纪60年代，就已经有人使用次任务和主观度量法来研究人在脑力任务中的负荷。

负荷最初是一个物理学概念，其本义是动力设备、机械设备以及生理组织等在单位时间内所担负的工作量，也指建筑构件承受的重量，又称为负载或载荷。脑力负荷最初是被用来作为与体力负荷相对应的一个术语，但学术界长期以来一直对它没有形成一致的定义。O’Donnell等人（1986）将脑力负荷定义为工作者用于执行特定任务时使用的那部分信息处理能力，脑力负荷的测量就是对这部分信息处理能力的测量；Hart等人（1988）认为脑力负荷是个体知觉到的心理加工能力或资源与任务需求量之间的关系；国内学者廖建桥（1995）把脑力负荷定义为衡量人的信息处理系统工作时被使用情况的一个指标，并与人的闲置未用的信息处理能力成反比。也就是说，个体的信息处理能力就是脑力负荷与闲置未用的信息处理能力之和。肖元梅（2005）认为脑力负荷一般涉及工作要求、时间要求、劳动者的能力及努力程度、行为表现和其他因素。崔凯等人（2008）认为，脑力负荷是形容人在工作中的心理压力或信息处理能力的一个概念。脑力负荷是一个多维的概念，应用的领域比较广，主用用于航空航天、人类工效学、劳动卫生与环境卫生学等领域。

认知负荷这一术语早在上世纪70年代就有人使用（Atwood & Polson, 1976）, 但把它作为一种理论并在此基础上进行实验研究的则是澳大利亚的认知心理学家John Sweller。20世纪80年代末，Sweller对认知负荷进行了系统研究并建立起理论假设。他认为，认知负荷是指在一个特定的作业时间内施加于个体认知系统的

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第一部分文献综述认知负荷的测量及其在多媒体学习中的应用心理活动总量（Sweller, 1988）。他以资源有限理论和图式理论为基础，从资源分配的角度来考察认知负荷，较为完整、系统地论述了认知负荷理论（Cognitive Load Theory，简称CLT）。Sweller等于是率先把人类工程学领域的脑力负荷或心理负荷研究移植到认知心理学领域，并更名为认知负荷研究。当然，认知负荷的研究受到重视得益于认知心理学成为主流心理学，与工作记忆理论、认知资源理论、认知过滤与衰减理论、建构主义理论等现代认知理论的发展分不开的，是在大的认知心理学范畴下开展研究才取得了大量的研究成果。

迄今为止，研究者对认知负荷的定义还没有形成统一的认识，不同的研究者从各自的角度提出对认知负荷的理解，表达出不同的看法，尤其是操作性定义有较大的差别。Cooper（1990）将认知负荷定义为一个特定的作业时间内施加于个体的工作记忆的心理活动总量；Paas和Van Merrienboer（1994a）则认为，认知负荷由多维度构成，是执行一项具体任务时加于个体认知系统的负荷；Quiroga等人（2004）认为，认知负荷通常被界定为用来促进学习活动的认知资源投入程度。在国内，辛自强和林崇德（2002）认为，认知负荷可视为加工特定数量信息所要求的“心理能量”水平，随着要加工的信息数量的增加，认知负荷也增加；曹宝龙等（2005）认为，认知负荷指一个事例中智力活动强加在工作记忆上的总数；赖日生等（2005）认为，认知负荷指的是在某种场合下施加到工作记忆中的智力活动的总的数量；赵俊峰（2007）认为，认知负荷存在着理论与实践两个层面：理论层面主要着眼于实验室研究，它是指学生学习过程中完成所给认知任务而需要的心理资源数量；实践层面主要着眼于实际应用研究，与教育实践紧密结合，它是指在单位时间内学生知觉到的认知加工任务的份量。苏月东（2010）认为，学生学习过程中的认知负荷是指学生对学习任务、责任以及时间压力的知觉和体验。对该概念认识上的不统一源于认知负荷的多维性、复杂性、内隐性等特点。

目前，在国内外的研究中，与认知负荷相关的英文名称和中文翻译比较混乱。比如英文名称最为常见的是“cognitive load”, 除此之外，还有“cognitive workload”，“mental workload”，“mental load”，“workload”，“mental effort”等。与英文名称相对应，中文翻译除了“认知负荷”外，还有“心理负荷”，“脑力负荷”，“工作负荷”，“心理努力”。从严格意义上说，心理负荷与认知负荷是有一定的区别。心理负荷的范畴比认知负荷要大，因为认知负荷是心理负荷的一个组成部分，除

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认知负荷的测量及其在多媒体学习中的应用第一部分文献综述了认知负荷外，心理负荷还包括情绪负荷、任务压力等。它们两者的关系有点类似于心理过程与认知过程的关系，是包含与被包含的关系。但在实际运用过程中，人们一般把认知负荷与心理负荷混合使用，没有严格区分，甚至在Paas等人（1994a）提出的认知负荷结构模型中，心理负荷还被看成是认知负荷评价维度的一个方面。

实际上，认知负荷与脑力负荷在本质上相差不大，都是关于人在不同的工作和任务中大脑信息处理能力与所消耗的心理资源之间的关系，只是脑力负荷的研究由来已久，应用领域也比较广，而Sweller的认知负荷理论提出较晚，主要是关于复杂任务学习中认知资源的优化和充分利用的问题，涉及的领域不如脑力负荷广，只局限于认知心理学、教育心理学等领域。不过，脑力负荷的研究成果完全可以为认知负荷研究所借鉴，比如测量方法与技术。

本研究中，认知负荷是一个认知心理学范畴，是指人在学习或任务完成中进行信息加工所耗费的认知资源总量。从这个定义出发，认知负荷的产生至少具有以下几个条件：1）认知负荷与某项具体的任务相联系，学习者没有具体的任务就不会产生认知负荷，就像汽车如不载物就不会产生物理负荷一样；2）这项任务的完成必须要动用工作记忆中有限的资源，在工作记忆中进行操作；3）该任务各项操作的顺利进行，必须要有相应心智能量的支持。

1.2 认知负荷的理论基础

认知负荷的理论基础主要包括资源有限理论和图式理论。

1.2.1 资源有限理论

资源有限理论是美国心理学家卡尼曼（Kahneman）于1973年在《注意与努力》一书中提出的，又称为资源分配理论或有限容量理论。这里的资源主要指心理资源，包括认知资源和注意资源，其中认知资源主要表现在工作记忆容量上。所以，这也是认知心理学中的一种认知资源理论。这一理论的基本假设是，完成每一项任务都需要运用心理资源；操作几项任务可以共用心理资源，但是人的心理资源的总量是有限的。这些加工过程产生一定数量的输出，人在操作几项任务时根据特定数量的资源和输出在质量上的变化，将资源量分配给这些任务的操作。只要同时进行的两项任务所需要的资源之和不超过人的心理资源的总量，那么，同时操作这两项任务就是可能的。如果加工某种信息所需要的认知资源超过了人本身

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第一部分文献综述认知负荷的测量及其在多媒体学习中的应用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（黄希庭，1991）。比如个体总的心理资源为50个单位，操作任务1用去了40个单位，剩下的10个单位可以分配给另一项任务。如果任务2的最佳操作所需的资源是10个单位或以下，个体能很好地同时操作；如果任务2的最佳操作所需的资源超过10个单位，个体就不能很好地同时操作两个任务，因为这时个体已超负荷。

1.2.2 图式理论

认知负荷的另一理论基础是图示理论。“图式”（scheme）一词早在康德的哲学著作中就已出现。在近代心理学研究中，格式塔心理学最早对图式给以理论上的高度重视。20世纪70年代后期，信息科学、计算机科学深入到心理学领域，使心理学中关于人的认知研究发生了深刻变化，现代图式理论逐步发展起来。图式是指围绕某个主题组织起来的知识表征和贮存方式。个体一生要学习和掌握大量知识，这些知识并不是杂乱无章地贮存在大脑中的，而是围绕某一主题相互联系起来并形成一定的知识单元，这种单元就是图式。图式理论认为，图示是知识与信息储存的一种经济方式，当图示变得自动化时，加工容量就被释放出来，这样就可将更多的工作记忆用于理解文本或解决问题之类的任务了（Kirschner, 2002; Paas, Renkl, & Sweller, 2003）。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。

知识信息以图示的方式储存在长时记忆中。一个图示可以包含大量的信息，却以单个单元的形式在工作记忆中被处理加工。图示可以整合信息元素、产生式规则并使之自动化，这样就只需要很少的储存空间。图示也可以减少工作记忆负荷。虽然工作记忆每次只能加工数量有限的元素，但元素的大小、难度与复杂性却不是这样的。总之，图示建构有利于信息在长时记忆中的储存和组织化，并且降低工作记忆负荷（Kirschner, 2002）。

认知负荷理论认为，人的认知资源是有限的，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。因此，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

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认知负荷的测量及其在多媒体学习中的应用 第一部分 文献综述 5的学习效果（龚德英，2009）。

1.3 认知负荷的分类

1.3.1 Sweller 等人的分类

在Sweller 之后，经过许多心理学不懈的努力，认知负荷理论也逐渐得到完善。根据影响认知负荷主要因素（即学习材料的复杂性、个体的先前知识经验与学习材料的组织和呈现方式）的来源及性质，Sweller 等人把认知负荷分有三大类，即内在认知负荷（Intrinsic Cognitive Load, 简称ICL ）、外在认知负荷（Extraneous Cognitive Load, 简称ECL ）和相关认知负荷（Germane Cognitive Load, 简称GCL ），三种认知负荷相加就是认知负荷总量，即总的认知负荷（Total Amount of Cognitive Load, 简称TCL ） （Sweller, Van Merrienboer, & Paas, 1998；Paas, Renkl, & Sweller, 2003） （见图1）。

图 1：认知负荷的横向分类

（资料来源：Seufert, Janen, & Brünken, 2007）

（1）内在认知负荷

内在认知负荷主要受学习材料的复杂性和学习者先前知识的影响（Sweller, Van Merrienboer, & Paas, 1998）。学习材料的复杂性即学习材料之间的交互活动，它与材料涉及的元素数量和图式有关。图式一般储存在长时记忆中，为了构建它们，信息必须在工作记忆中加工。如果学习材料与大脑中储存的图式之间缺乏联系，或联系不够紧密，则工作记忆需要临时构建与大脑中储存的图式之间的联系；如长时记忆中没有现成的图式可用，学习者还须临时构建新的图式，而工作记忆的容量与资源又是有限的，所以个体就会感受到较高的内在认知负荷。另一方面，针对同样的材料，不同的学习者感受的难度与复杂性程度可能是不同的，这里还

第一部分文献综述认知负荷的测量及其在多媒体学习中的应用牵涉到另一个变量的影响，即学习者先前的知识经验。如果一个学习者对学习材料所涉及的领域有较为丰富的专业知识，那么他可以很快地将这些材料纳入到已有的图式中，或者与这些图式建立联系，工作记忆所要加工的元素就很少了，就会减轻工作记忆的负担，产生较低的内在认知负荷。反之，如果学习者在该领域的专业知识较为贫乏，他在同一时间内需要同时加工更多的材料，工作记忆的负担就较重，产生的内在负荷也就较高了。这就可以很好地解释在某一个领域的专家学习该领域的新知识比新手更快、更容易。

Seufert等人（2007）根据决定内在认知负荷的两大因素来源，把内在认知负荷又分为外因决定的内在认知负荷（externally determined intrinsic cognitive load，简称EICI）和内因决定的内在认知负荷（internally determined intrinsic cognitive load，简称IICI）。外因决定的内在认知负荷主要是由学习材料的复杂性引起的，由外部因素决定；内因决定的内在认知负荷主要受学习者先前知识经验的影响，而它又会影响认知图式的可获得性，由内部因素决定。

（2）外在认知负荷

外在认知负荷也称为无效认知负荷（ineffective cognitive load），主要与学习材料的组织和呈现方式有关，被认为是由学习过程中对学习没有直接贡献的心理活动引起的。当学习材料组织或呈现的方式与构建图式或自动化之间没有直接的联系，或产生干扰时，就会产生额外的认知负荷。由于外在认知负荷需要的认知资源占据人的工作记忆容量，甚至使之超负荷，因而可能阻碍学习，影响学习效果。研究者用材料元素间的互动作为基本的机制来界定与解释内在认知负荷已经有很多年了，但Sweller（2010）最近的研究发现，这种机制也可以用来界定与解释外在认知负荷。他认为，内在认知负荷与外在负荷之间显著关系的建立是有条件的，这要看元素间的互动对于手边的任务是否是必须的，或元素间的互动是否是教学程序的一项功能。美国当代心理学家Mayer（2005）在他的专著《多媒体学习》中提到了多媒体学习过程中容易产生的冗余效应。他认为，当学习材料由动画加解说再加屏幕文本的组合形式呈现时，并且解说的内容与屏幕文本的内容一样，学习者就会产生冗余效应，学习效果下降。根据认知资源有限理论，学习者加工以视觉呈现的材料和加工以听觉形式呈现的材料的资源都是有限的，当语词信息（即屏幕文本）以视觉形式呈现时，就会参与视觉通道有限认知资源的竞

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认知负荷的测量及其在多媒体学习中的应用第一部分文献综述争，给视觉信息加工渠道增加额外的负担，从而也就增加了视觉通道的认知负荷，这种认知负荷就是外在认知负荷。可见，外在认知负荷主要来自于某个认知通道（如视觉通道或听觉通道）超负荷，就像给学习者提供了大量多余的、没有用的信息一样。

现在，互联网越来越普及，通过互联网查阅资料是再平常不过的事情了，但互联网资料的丰富程度与呈现方式也容易让人们产生“信息综合症”现象，即人们要从大量的解释信息中搜索出自己需要的信息，一些相似的图片和文字材料让人觉得无所适从，从而增加了人们的外在认知负荷，浪费宝贵的时间和精力。

（3）相关认知负荷

相关认知负荷也称为有效认知负荷（effective cognitive load）。在完成某一任务过程中，当学习者把未用完的剩余认知资源用到与学习直接相关的加工（如重组、提取、比较和推理等）时，就会产生相关认知负荷（Sweller, 1994）。与外在认知负荷相同的是，相关认知负荷也会占用工作记忆的资源，会对学习产生一定的干扰。但与之不同的是，相关认知负荷不仅不会阻碍学习，反而会促进学习，因为相关认知负荷占用的工作记忆资源主要用于搜寻、图式构建和自动化，从而提高学习效果。根据三种认知负荷可加性的特点（Paas, Renkl, & Sweller, 2003），相关认知负荷的高低主要受制于认知负荷的总量和内在认知负荷、外在认知负荷的高低。当认知负荷的总量很大，而内在认知负荷与外在认知负荷又很低的时候，相关认知负荷就很高。如果内在、外在认知资源很高，两者之和接近认知负荷总量的时候，就没有多少资源用于相关认知负荷了。另外，相关认知负荷还会受到学习者的认知、元认知和动机等因素的影响，比如阅读文本和图画的认知策略、映射策略、元认知反思策略等都有利于学习（Seufert, Janen, & Brünken, 2007）。由于人的认知资源总量是有限的，三种认知负荷在完成同一任务过程中存在着此消彼长的现象。但是，总的认知负荷即三种认知负荷的总量不能超过工作记忆所允许的范围（Brünken, Plass & Leutner, 2003），否则会造成认知超负荷，从而阻碍学习。另外，既然相关认知负荷的大小以内、外在认知负荷为前提，那么只有在内、外在认知负荷相对较小的情况下，才能有多余的资源用于相关的信息加工。

关于认知负荷是线性相加还是非线性相加，研究者们并没有形成一致的看法。过去长时间以来，很多研究者认为认知负荷是线性可加的，即随着要完成的任务

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第一部分文献综述认知负荷的测量及其在多媒体学习中的应用数量和相对难度的增加或减少，认知负荷也成比例相应的增加或减少。但是，最近Whelan（2006）的研究结果表明，认知负荷并不是线性可加的，而是非线性可加的。这就意味着，认知负荷并不一定随着要完成的任务数量和相对难度的变化而比例相应地增加或减少，这取决于所获得的认知资源。认知负荷可能随着任务数量或难度的增加并不随之呈比例的增加，两者可能是一条曲线关系。比如，当学习者觉得任务太多或太难、不太可能完成时，可能会放弃努力，这样认知负荷反而会下降。最近，也有学者对认知负荷的三分法提出了异议，如Kalyuga（2011）认为，相关认知负荷与内在认知负荷相重合，从本质上难以区分，认知负荷理论框架只需要外在认知与内在认知两重维度就足够了，相关认知负荷这个概念也许是多余的。当然，把相关认知负荷排除出认知负荷的框架除了需要理论思考外，还需要特定的实证结果来加以证实。

1.3.2 Xie等人的分类

Sweller等人（1998）的分类有一个问题，就是忽略了认知负荷的动态性特征。Xie 和 Salvendy（2000）认为，学习者在学习或完成任务过程中的认知负荷具有动态性，其投入的心理努力和感受到的难度在不同的时间段可能有所不同，处于波动之中。因此，他们认为，以往认知负荷的分类还不能精确地描述认知负荷，由此提出了认知负荷的多重分类模型，把认知负荷分为瞬时负荷（instantaneous load）、高峰负荷（peak load）、累积负荷（accumulated load）、平均负荷（average load）和总负荷（overall load）（见图2）。在他们看来，多重分类模型能更准确、完整地描述认知负荷，每种类型都有自己的独特含义，不能混合使用。其他研究者也指出了关注认知负荷动态性的必要性。例如，Van Gog等人指出，研究在不同的学习阶段，总负荷和投入的心理努力是如何波动将是十分有趣的问题（Van Gog, Kester, Nievelstein, & Paas, 2009）。总的来说，Sweller等人的分类体现了截取的某个时间段或时间点的认知负荷构成，我们可以看作是横向分类，而Xie & Salvendy 等人的分类考虑了认知负荷的动态性，我们可以看作是纵向分类。

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认知负荷的测量及其在多媒体学习中的应用 第一部分 文献综述

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图 2：认知负荷的多重分类模型

（资料来源：Paas, Tabbers, & Van Gerven, 2003）

瞬时负荷代表了认知负荷的动态性，与以往单一类型中负荷静态性的特征不同，它随着个体加工任务的不同瞬间而波动。有研究指出，大部分生理测量法测出的认知负荷值都属于瞬时负荷的值（Sharit & Salvendy, 1982）。其他的认知负荷测量技术，例如主观测量和绩效测量也可以用来评价瞬时负荷，或至少是短期负荷（Antin & Wierwile, 1984; Verwey & Veltman, 1996）。

高峰负荷是在完成某个任务时瞬时负荷被检测到的最大值。在Jex 和Soede 的研究报告中，发现已使用过高峰负荷这个概念（Jex, 1988；Soede, 1979）。通过比较所有瞬时负荷的量值可以获得高峰负荷。如果高峰负荷超过了个体认知资源总量，则大脑处理器就会在那一时刻处于超负荷状态，导致任务绩效降级。所以，保持高峰负荷一直处于超负荷之下将有利于保持任务操作者绩效的稳定。

累积负荷是学习者在完成某个任务中所感受到的总的负荷量，它是花在完成任务过程中的各个时间段的瞬时负荷的总和。累计负荷和平均负荷都可以通过瞬时负荷获得与解释。累计负荷就是图2中位于瞬时负荷曲线之下的那些区域。

平均负荷是学习者在完成某个任务中所感受到的负荷的平均强度。平均负荷是瞬时负荷的平均值，它等于累计负荷在各时间单元的平均分配。如果用比特来描述累计负荷，那么每秒的比特数就是平均负荷的量。

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