认知负荷认知负荷理论（cognitive load theory）是Sweller等人在20世纪80年代提出的，主要从认知资源分配的角度考察学习和问题解决。Sweller等人认为，问题解决和学习过程中的各种认知加工活动均需消耗认知资源，若所有活动所需的资源总量超过个体拥有的资源总量，就会引起资源的分配不足，从而影响个体学习或问题解决的效率，这种情况被称为认知超载（cognitive overload）[1]。
背景起源近年来，Sweller等人在大量研究基础上，提出了基于认知负荷理论的两条重要的教学设计原则，即“自由目标效应”和“样例效应”。自由目标效应（Goal-free Effect）指学习目标并不十分明确或者设置多个任务目标时，学习者自已确定目标完成任务对学习效果的影响。如在解决代数方程问题时，不要求学生求出某个特定值，而是要求“求出尽可能多的值”。通常，人们认为明确的目标能提高学习者的学习效率，而认知心理学家却发现，学习目标不十分明确时，有时反而有更高的学习效率。Sweller等人通过大量实验研究发现：当运用自由目标问题或降低目标的明确性时，可提高学生学习和迁移的成绩[7]。例如，将一段相关的说明性文字放在图表的合适位置，可促进学习者对图表内容的理解。此时，学习者面临的目标比没有说明性文字时多，但却减少了对图表意义的不必要的猜测，从而降低了工作记忆的认知负荷。Mayer和Gallini发现，学生认知不连续的文字材料、无标记的图表有困难，需在工作记忆中对文字材料或图表进行语义联想、联结，并进行猜测，这样就大大加重了学习者的认知负荷[8]。同时，Mayer和Anderson发现，文字生动活泼的记叙文能促进学生的阅读。他们认为，文章中的“生动活泼的内容”相当于一些认知的子目标，这些子目标分散了读者对主目标的关注程度，减轻了阅读时工作记忆中的认知负荷[9]。
“样例效应”指从具有详细解答步骤的实例中归纳出隐含的抽象知识来解决问题。Sweller等人认为，在处理复杂的认知任务时，样例学习能有效地促进图式获得和规则自动化，因而减轻工作记忆中的认知负荷，问题的相似性有助于规则的自动生成，问题的差异性有助于图式获得[10]。万云英曾分别以“标题”和“主题句”来标明文章结构；结果表明，清晰的文章结构有助于信息的回忆、保持及中心思想的概括[11]。莫雷和张金桥的研究表明，源文章结构可通过类比映射方式影响学生对目标文章结构的构思，源文章的结构越清晰，对目标文章结构的映射效应越显著[12]。上述研究从不同角度说明清晰的文章结构和样例对学习者写作的重要性，在一定程度上揭示了样例学习的内部心理机制。
认知负荷基本理论1．人类的认知结构
认知负荷理论假设人类的认知结构由工作记忆和长时记忆组成。其中工作记忆也可称为感觉记忆，它的容量有限，一次只能存储5—9条基本信息或信息块。当要求处理信息时，工作记忆一次只能处理两到三条信息，因为存储在其中的元素之间的交互也需要工作记忆空间，这就减少了能同时处理的信息数。工作记忆可分为“视觉空间缓冲器)”及“语音圈”。长时记忆于1995年由Ericsson和Kintsch等提出。长时记忆的容量几乎是无限的。其中存储的信息既可以是小的、零碎的一些事实，也可以是大的、复杂交互、序列化的信息。长时记忆是学习的中心。如果长时记忆中的内容没有发生变化，则不可能发生持久意义上的学习。
认知负荷理论认为教学的主要功能是在长时记忆中存储信息。知识以图式的形式存储于长时记忆中。图式根据信息元素的使用方式来组织信息，它提供知识组织和存储的机制，可以减少工作记忆负荷。图式可以是任何所学的内容，不管大小，在记忆中都被当作一个实体来看待。子元素或者低级图式可以被整合到高一级的图式，不再需要工作记忆空间。图式的构建，使得工作记忆尽管处理的元素数量有限，但是在处理的信息量上没有明显限制。因此，图式构建能降低工作记忆的负荷。图式构建后，经过大量的实践能进一步将其自动化。图式自动化可为其它活动释放空间。因为有了自动化，熟悉的任务可以被准确流利地操作，而不熟悉任务的学习因为获得大限度的工作记忆空间可以达到高效率。
为了构建图式，信息必须在工作记忆中进行处理。在信息以图式形式存储到长时记忆中之前，信息的相关部分必须在工作记忆中提取出来并进行操作。工作记忆的负荷受来自材料的内在本质、材料的呈现形式及学生的活动的影响。
长时记忆中的图式是一种知识框架，在学习新的材料时，具有中央执行官能。在学习新材料时，如果能从长时记忆中获取这类知识框架，材料就可以通过知识框架所提供的方法来进行学习；如果不能获得关于这些材料该如何组织的知识框架，则得采取随机学习的方式。除了个体本身存于长时记忆中的图式以外，其他人所习得的知识在个体的学习过程中可也充当中央执行者。
2．认知负荷理论
认知负荷是表示处理具体任务时加在学习者认知系统上的负荷的多维结构。这个结构由反映任务与学习者特征之间交互的原因维度和反映心理负荷、心理努力和绩效等可测性概念的评估维度所组成。cu 中鉴定的任务特征为任务形式、任务复杂度、多媒体的使用、时间压力及教学步骤。相关的学习者特征由专业知识水平、年龄、空间能力组成。心理负荷是认知负荷中源于任务和主体特征交互的方面，它由我们当前关于任务的知识和主体特征来决定，它是预期的认知空间需求指标，被看作是认知负荷的先验估计。心理努力是知认知负荷中实际分配的用于容纳任务所加需求的认知容量方面。心理努力在学习者学习时测量。绩效可通过学习者的成绩来说明，如测试中答对题的数量、答错题的数量及所用的时间等。学习者所支付的努力的强度是获得可靠认知负荷估计的要素。
CLT 认为有三种类型的认知负荷：内部认知负荷，外部认知负荷和关联认知负荷。由于元素间交互形成的负荷称为内部认知负荷，它取决于所要学习的材料的本质与学习者的专业知识之间的交互，教学设计者不能对它产生直接的影响。外部认知负荷是超越内部认知负荷的额外负荷，它主要是由设计不当的教学引起的。关联认知负荷于1998年提出，是指与促进图式构建和图式自动化过程相关的负荷。外部认知负荷和关联认知负荷都直接受控于教学设计者。三种类型的认知负荷是相互叠加的。为了促进有效学习的发生，在教学过程中应尽可能减少外部认知负荷，增加关联认知负荷，并且使总的认知负荷不超出学习者个体能承受的认知负荷。
认知负荷理论把人类的认知与生物的自然选择进化过程相比拟，作了如下假设：
(1)教学的目的是在人类的长时记忆中建立知识；
(2)处理新信息时有限的工作记忆是确保存储的大量信息发生微小但总是增加的变化的机制；
(3)因为不能获得已经组织好的信息，变化是随机的，大的随机变化不可能生效；
(4)鉴于没有确定变化本质的中央执行官能，
随机而非预设的变化是不可避免的。认知负荷理论认为适当结构的教学应把这些内容都考虑在内，提供中央执行官能，删除不必要的随机变化，从而促进长时记忆的改变。教学允许其他人的长时记忆取代随机发生的变化和有效性测试，即执行中央执行官能。认知负荷理论提供了促进教学中央执行官能使用的结构化教学效应。世界各地的研究者提出了大量的这类效应，这些效应可归纳如下：
教学效应及其描述
教学效应 描述
1.目标自由效应 用目标自由的题目来代替为学习者提供特定目标的传统题目
2.样例效应 用已经解决好的样例代替传统的问题，这些样例必须认真学习
3.完成问题效应 用待完成的问题来代替传统的问题，在问题中提供部分解决方案，其余的由学习者来完成
4.分散注意力效应 用一个整合的信息源来代替多种信息源(经常是图片并伴有文字)
5.形式效应 用口头的解释文本和视觉信息源(多种形式)代替书面文本和图表等视觉信息源(单一形式)
6.想象效应 让他们想象或心理练习材料来代替传统的附加学习
7.独立交互元素效应 在呈现元素高交互性的材料时，先给学习者呈现一些独立的元素，然后再呈现完全的材料
8.元素交互效应 当使用低元素交互的材料时，想象效应等教学效应消失，而当使用高元素交互时，他们又重现
9.变式效应 在不同变量情况或增加可变性及任务呈现的方式、定义特征的显著性、任务操作的上下文情境等情况下10.进行练习专业知识反效应 当对新学习者来说很有效的教学方法在学习者获得更多的专业知识时无效甚至产生相反的效果
11.指导隐退效应 随着基于知识的中央执行者的发展，基于教学的中央执行者逐步隐退(fade)随着专业知识的增加，完整的样例可由部分完成的样例来代替：而随着专业知识的进一步积累，部分完成的样例可由问题来代替
12.冗余效应 用一种信息源来代替多种自洽(即他们能被独立理解)的信息源
其中，专业知识反效应、冗余效应、想象效应是针对具有～定专业知识的学习者而言的；样例效应、分散注意力效
应、形式效应则是针对新手而言的。
认知负荷理论在教学设计中的应用及其启示在教学设计中,认知负荷理论有助于激励学习者的学习活动、使之表现出良好的学习绩效.认知负荷理论主要依赖于以容量有限的工作记忆为核心的认知结构的支持.工作记忆包括相对独立的视觉、听觉信息加工单元,同时又与容量较大的长时记忆共同承担着对信息的贮存与理解.根据该理论,可以通过把多个信息单元编码成一个完整的认知图式,或通过自动化加工规则,或使用多媒介(多感觉通路)呈现形式等多种方法来设法规避工作记忆的有限性.此文总结了可通过样例学习增加适当的认知负荷的教育技巧,样例-精细化训练对于降低认知干扰及超负荷的影响,样例对学习者的认知负荷的影响,以认知负荷理论为基础的教学设计原则,以及基于认知负荷理论研发的教学设计在各方面业已取得的进展及其存在的问题与可能的发展趋势。
认知负荷理论相关文献1 Sweller J. Cognitive load during problem solving: Effects on learning. Cognitive Science.1988,12.257-285 2 2 Sweller J. Cognitive load theory, learning difficulty and instructional design. Learning and Instruction，1994，4，295-312 3 Donna R. Recht, Lauren Leslie. Effect of prior knowledge on good and poor readers’memory of text. Journal of Educational Psychology，1988，1，16-20 4 McCutchen D，Covill A，Hoyne S H，Mildes K. Individual differences in writing: Implications of translating fluency. Journal of Educational Psychology， 1994， 2，256-266 5 5 Marsha L，Stephen L. Individual Differences in interest and narrative writing. Contemporary Educational Psychology，1996， 21，305-324 6 6 Sweller J，Tuovinen J E. A comparison of cognitive load associated with discovery learning and worked examples. Journal of Educational Psychology，1999，2，334-341 7 Sweller J.Why some material is difficult to learn. Cognitive and Instruction，1994，12，185-233 8 8 Mayer R, Gallini J. When is an illustration worth ten thousand words? Journal of Educational Psychology, 1990,82,715-726 9 9 Mayer R, Anderson R. The instructive animation: Helping students build connections between words and pictures in multimedia learning. Journal of Educational Psychology, 1992,84,444-452 10 10 Graham Cooper，Sweller J. Effects of schema acquisition and rule automation on mathematical problem-solving transfer. Journal of Educational Psychology， 1987， 4，347-362 11 11 万云英.小学生作文用词、造句和构思特点初析.心理发展与教育,1988,2:12-15 12 莫雷，张金桥.文章对写作的结构映射迁移的实验研究.心理发展与教育.1999,1 13 Fred G. W. C. Paas, J. G. Van Merriënboer. Variability of worked examples and transfer of geometrical problem-solving skills:A cognitive-load approach.Journal of Educational Psychology，1994，1，122-133 14 Swanson H Lee，Berninger V W. Individual differences in children’s working momory and writing skill. Journal of Experimental Child Psychology，1996，63，358-385 15 15 Brandt, R. & Perkins, D, The evolving science of learning. Education in a new era. 2000,1, 65-102 16 16 Gentner D, Structure-mapping: A theoretical framework for analogy. Cognitive Science, 1983,7,155-170
