郑园园

（安徽财经大学文学院，安徽蚌埠233030）

21 世纪教育改革指向学生能力的提升，是终身教育理念、优质教育理念等在教育领域的延伸与回应。与有效学习、探究学习、项目学习等学习理论相比，深度学习概念的提出，使得学习的目标最终聚焦于高层次思维能力的培养，是教育回应智能社会、培养具有高阶能力学习者的一种表现。问题解决能力作为高阶能力的重要部分，是学习者掌握核心知识、能力与情感态度的重要体现，其核心在于迁移这一经典概念，是“信息化时代智慧教育发展所需要的核心支柱”[1]。因此，在“互联网+”时代随着无线接入技术与移动智能终端的发展与广泛应用，高校教学资源、教学媒介、教学方式等要素都在发生新的变革，在线学习平台、智慧课堂、“线上+线下”混合式教学等建设成为高校教育教学改革的一大特点，通过拓展教学空间，采取新型教学方式引导学生对知识的迁移与运用，以培养学生深度学习与终身学习的能力与素养。

但是，随着各式各样网络新型教学模式的提出，一系列问题也随之出现，大致包括三类：一、以记忆与理解为主要认知技能的理论概念类知识，学生在网络平台中的学习投入及其学习效果较难监测，学生理解此类知识的程度会直接影响后续知识的学习及其实践应用。二、如何有效控制在线学习环境中所产生的外界干扰，以保障学习者学习注意力的集中。除此之外，在学习投入、学习支持、学习评价、学习监管等方面也存在网络平台建设方面的一些问题。三、在问题解决学习活动中，需要学生综合运用记忆理解、应用分析及其评价创造等认知技能，通过知识的迁移解决新问题。在此过程中，问题类型、问题呈现及问题解决过程中产生的认知负荷如果处理不当，会直接影响学生问题解决学习的效果，在线学习更是如此，合理的问题设计需要教师控制任务的内在认知负荷，尽可能减少外在认知负荷与不相关认知负荷。若教学设计不当，学习者一旦进入超负荷状态，学习心理产生畏难情绪，会遏制其学习行为的发生。因此，有必要深入解剖学生在网络平台的问题解决过程中所产生的各种认知负荷，并有针对性地提出减轻学生认知负荷的措施建议，以有效促进高校网络教学建设。

一、学习的过程

要打开学生问题解决过程的黑箱，首先应了解学生的学习过程。国内学者指出，“‘学习’不是单纯的现成知识的积累，而是‘从已知世界到未知世界之旅’，是经验重建和意义生成的过程。”[2]梅耶（Richard E.Mayer）在十余年实验研究的基础上，结合Baddely的工作记忆模型、Pavio的双重编码理论、Sweller的认知负荷理论等，提出了多媒体学习的认知模型，认为在“反映增强”“知识获得”“知识建构”三种学习隐喻中，知识建构对改进教育的潜力最大，也最符合教育心理学的性质[3]。学习的过程就是知识不断建构的过程，学习通过感觉记忆、工作记忆和长时记忆三种记忆方式，对信息进行选择、组织和整合。教学的任务就是帮助学生选择相关的信息，组织信息和整合信息，使学生能够在学习中进行积极的认知加工和建构。意义学习成功的关键在于学生能否轻负高质的提取、组织并整合信息。

理清学习者学习过程中所承载的认知负荷之前，首先要明确学习者认知加工与问题解决可能发生的学习环节。罗米索斯基（Alexander Joseph Romiszowski）综合了信息加工模型的优点和知识建构的理念，提出了一种对学习过程的新认识，并构建起关于学习过程的学习回路[4]225，对于不同类型的信息，学习者进行认知加工和解决问题的过程是不同的。罗米索斯基根据信息加工的不同过程，把学习过程具体分为五类：

第一类属于反射性行为，由外界信息刺激直接产生反应，并不进行任何储存与加工，比如已形成思维定势的简单问题，或流水线工作等；第二类属于按部就班式解决问题类型，学习者接收信息后能够迅速调取记忆中已有程式解决问题，比如简单的数学运算等；第三类属于以已知求未知类型，学习者不仅需要在长时记忆中调取相关信息，还要根据问题要求设计解决思路与步骤，采取适宜的行为策略进行问题解决，比如应用文写作、多重关系的代数问题解决等；第四类属于复杂的内部加工过程，学习者利用已有的概念、规则、原理等知识来学习与理解新的概念、规则、原理，实现知识内化的过程；第五类属于矫正性行为评价过程，学习者或教学者通过学习者行为表现判断其学习效果，以进一步进行矫正与评价，比如学习策略调整、学习反思与评价等。

罗米索斯基从一种广义的角度来谈学习，但在网络学习中，需要解决的问题主要集中于第二、第三、第四类，在解决这三类问题的过程中发展认知，获取经验。一方面，第一、第五类学习均涉及学习者外在行为表现，这在网络学习中较难实现；另一方面，第一类问题较少涉及学习的主要环节——储存记忆与认知加工，与问题解决过程相关较少，至于第五类学习过程，整个解决问题的过程均要涉及基于学习者认知与元认知水平的自我监控，解决问题的难度越高，过程越复杂，与第五类学习回路的联系就会越密切。不同类型的外界刺激，需要经过不同的学习过程，对学习者的具体要求是不同的。由于信息的类型与信息呈现方式的不同，会影响感知方式，加工方式以及输出路径。

二、产生不同认知负荷的网络学习过程

美国心理学家Miller在20世纪50年代就注意到了认知负荷的存在，直至20 世纪80 年代，认知负荷理论才由澳大利亚新南威尔士大学的认知心理学家约翰·斯维勒（John Sweller）作为一种教学设计理论正式提出来。该理论认为，学习者的认知资源是有限的，学习者在解决问题过程中提取关键信息、进行回忆、联想、选择、验证等认知加工活动，都会消耗认知资源，一旦超出学习者认知资源总量，则会导致“认知超载”现象，这时相关的新的刺激将得不到加工，导致图式的不完整，进而致使问题得不到解决，或者在问题解决过程中容易出现错误[5]。

尽管在认知心理学领域，问题解决不再以信息加工理论为唯一依据，但信息加工理论仍然是解析问题解决过程的基础理论，尤其是注重学习结果的良构问题的解决。而非良构问题，一般具有高度的现实性，能够使学生在解决问题的过程中充分调动其分析、综合与评价的能力，且存在多种问题解决方案，为学生探索未知提供空间。

（一）网络学习特征

掌握学习者网络学习特征是开发在线学习平台、设计智能学习环境、评价自主学习效果的重要条件，因此，自远程教育或网络学习发展以来，网络学习特征始终是学术界关注的要点。Hill.J.R和Hannafin M.J（1997）较早对学习者网络学习认知策略进行探究，提出学习者旧有知识基础、空间定位感及其元认知等是影响网络学习的重要因素[6]。国内学者刘儒德（2004）、吴战杰（2004）、何克抗（2006）、张家华（2010）、傅钢善（2018）等进一步指出影响网络学习效果的学习者要素主要包括：学习动力（动机、态度、情绪等）、信息素养、学习策略（认知与元认知策略、资源管理策略）及学习风格等。就网络环境下问题解决的学习而言，问题的设计与呈现、问题解决过程中的资源支持以及问题解决结果的评价，都应考虑学习者的学习特征，认知负荷理论为网络平台教学提供的设计视角在于，尽可能地在问题解决的三个维度上减轻外在认知负荷和相关认知负荷，根据学生已有认知水平控制内在认知负荷，使学生在网络学习过程中获得良好的学习体验。

（二）基于认知负荷理论的问题解决过程

在网络教学中，学习者学习过程、学习效果更容易受到认知负荷的影响，所谓认知负荷，是指“同时被要求施加在工作记忆上的智力活动的全部数量，即工作记忆必须注意和处理的内容总和”[7]。学习者在工作记忆中处理信息并产生的认知负荷，根据它们的功能分为内在认知负荷（in‐trinsic cognitive load）和外在认知负荷（extraneous cognitive load）[8]。

首先，内在认知负荷是由信息的内在属性对工作记忆产生的负荷，学习者为达到学习目的需要获得的信息的基本结构，与教学程序的使用无关。内在认知负荷是指在工作记忆中对任务本身所包含的信息要素的数量及交互性进行认知加工所产生的负荷，负荷的轻重很大程度上受任务的复杂性、难度以及学习者个人的知识经验的影响。任务越复杂，任务的难度越大，内在认知负荷越重；呈现的信息与学习者长时记忆中的图式相关，工作记忆的负荷就轻，如果学习者长时记忆中不存在相关图式，工作记忆所承担的负荷则较重。外在认知负荷是由信息呈现的方式以及学习者进行的学习活动决定的，和教学材料的本质一样，用于呈现信息的教学设计方式在很多情况下会对工作记忆产生不必要的认知负荷。

其次，内在认知负荷与外在认知负荷具有相加性，认知负荷之和决定了需要加工信息的工作记忆资源，这些资源都是来自相同的工作记忆库（working memory pool）[9]。如果用来处理两种认知负荷的资源超过了工作记忆的可用资源，那么认知系统将会失败。如果学习资料所产生的内在认知负荷过低，工作记忆也不能顺利加工信息，从而产生的外在认知负荷就会增加。因此应当尽量减少外在认知负荷。

基于罗米索斯基的学习过程模型，以及对各种学习过程类型的分析，结合梅耶的多媒体认知模型，尝试建构一种基于认知负荷理论下的学习过程的模型，目的有二：一是尽可能明确地呈现信息加工的各个环节，确定在哪些类型的信息加工过程中会产生认知负荷以及哪种认知负荷；二是探讨在认知负荷理论视域下问题解决的回路与类型。

首先，学习者对网络界面信息的接收过程。网络环境下信息（刺激S）的呈现方式多种多样，且各有优势。信息主要通过文本、图片、图表等方式呈现，文本信息比较详细，而图片则比较直观，图表“冗余”信息较少，能够激活和利用学生大脑中的认知图式，帮助他们形成一定的认知支架。然而在网络学习中，信息的呈现并不是通过一种方式，而是通过两种或两种以上，比如超文本、视频等。感觉记忆的编码方式是以语音编码和视觉编码为主。当信息以不同的呈现方式进入感觉记忆时，就相应地产生视觉和听觉（1.接收器）。第二环节，工作记忆通过对这种感知的选择与组织，结合长时记忆中储存的旧有知识（2.储存器），运用认知策略与元认知策略，构建出图像模型和言语模型。第三环节，这些模型与长时记忆中的相关图式通过整合，以全新的图式状态重新储存于长时记忆中（3.加工器）。在问题解决过程中，长时记忆并不是终点，经过整合的图式对目标状态的反应（反应R），通过效应器表现出来，以达到解决问题的目的（4.效应器）。

根据图式理论的观点，图式能够将信息与产生式规则进行整合，将相关信息在工作记忆中加工成只需很少贮存空间的自动化加工单元，因而可以弥补个体工作记忆容量有限的缺点，降低个体的认知负荷。但是，当学习者在问题解决过程中的一系列认知加工活动所占用的工作记忆资源超过它的有限容量时，就会产生过高的认知负荷，从而导致问题无法解决[10]。斯维勒提出，储存在长时记忆系统中的知识经验有助于克服工作记忆容量有限的局限，但是对于尚无经验或较少经验的新手型学习者来讲，外部条件如信息的筛选和呈现方式的改善会对其产生更大的影响。

（三）网络环境下问题解决过程中产生的认知负荷

罗米索斯基多回路学习过程模型中，有四种涉及问题解决的学习过程，依据其主要产生认知负荷的类型分为三类，分别是：

第一类，S‐1‐2‐4‐R，对工作记忆产生外在认知负荷的学习过程。当学习者已具备所需要的知识和技能时进行较简单的问题解决，一旦感知到刺激情境时，直接从储存器中调出相应的图式（包括规则、系统、算法）进行解决。这个过程属于“再生性技能”的性质，较少需要“计划”这一阶段。但是仍需要学习者首先理解题意，并回忆出需要的先决知识、程序或原理来完成任务。而回忆这些知识需要从两个方面进行：“①能够解释刺激信息以确定要求什么样的知识；②哪种知识以可利用的方式贮存在记忆中。”[11]因此这类学习过程取决于学习者能否正确快速地从学习材料中提取有效信息，如果不能够提取有效信息，即使学习者长时记忆中存在相关图式，也不能够加以利用。因此信息的呈现方式决定了信息加工所占用的加工记忆资源的多少。

第二类，S‐1‐2‐3‐4‐R，产生两种认知负荷的学习过程。学习者经历了学习过程的所有阶段，具有罗米索斯基所谓的“创生性机能”的特征。学习者感知到刺激情境后，分辨出已知条件和待解决的问题，回忆需要的概念、程序和原理，在工作记忆中进行元素交互，综合运用这些知识设计一个适宜的行为策略并对外界作出反应，进行问题解决。在这种问题解决过程中，由于工作记忆需要在具体信息中提取有效信息，这与问题设计、表述方式、呈现形式均有关联，因此会产生外在认知负荷；同时又需要在工作记忆中进行信息元素的相互作用，这就涉及信息的内在属性、任务的难易、复杂程度，因此也会产生内在认知负荷。

第三类，S‐1‐2‐3‐2/S‐1‐2‐3‐4‐2/3‐4‐1‐2/3‐1‐2，产生内在认知负荷的学习过程。这些学习的环路都是用来构建或存贮新知识，在新旧知识之间进行内部信息加工，创设新的联系，构建新的图式，但并不对外界做出反应，而是在长时记忆中贮存起来。这类学习过程与记忆的任务密切相关，在信息元素的交互活动方面较明显，更多地依赖于信息的内在属性与学习者的学习经验，因此较容易产生内在认知负荷。

学习回路中的4‐1‐4/4‐R‐S‐1‐4，属于学习策略维度，包括的认知策略、元认知策略的调整与使用，学习自主反思与自主评价，在以上三种问题解决过程中均有参与，且与三类问题解决所产生的认知负荷水平有直接的联系。

三、网络环境下问题解决过程中认知负荷的控制

问题解决不是千篇一律的活动，不同内容、不同形式、不同过程的问题，形成的问题表征以及在解决问题所采取的策略上也不尽相同。专家与新手解决问题的区别就在于专家很清楚地认识不同类型的问题，从而针对问题调用长时记忆中相关的图式，进而制定解决方案，而新手由于没有完善的足够的图式储备，难以识别问题的类型，因此只能采取一般的解决策略，如手段‐目的分析策略。探讨问题的类型，对学习者形成清晰的问题表征，成功解决问题是有必要的，有助于控制问题解决过程中产生的认知负荷。

（一）对三种问题解决类型所产生认知负荷的控制

关于问题的分类，乔纳森在良构与非良构两大类的基础上，进一步根据认知任务区分问题的特征，把问题分为11 种，（1）逻辑问题，（2）算法问题，（3）故事情境问题，（4）运用规则问题，（5）做出决策问题，（6）排除故障问题，（7）诊断‐解决问题，（8）运用策略问题，（9）案例分析问题，（10）设计构思问题，（11）两难推论问题[12]。斯皮罗（Spiro al 1955）等人根据学生学习的深度，把学习分为初级学习和高级学习两种[13]。其初级学习阶段只要求学生掌握相关概念和事实，并在测验中按照原样再现出来即可，基本上对应斯维勒的主要产生外在认知负荷的学习，解决的主要是乔纳森区分的结构良好问题。而高级学习则会使学生产生较重的内在认知负荷，需要学生把握复杂的概念关系，并结合具体情境灵活运用，来解决结构不良问题。乔纳森将知识获得分为的三个阶段：初级阶段、高级阶段以及专家知识学习阶段，从产生认知负荷类型上看，与问题解决的三种类型正相对应。在网络学习平台问题设计时，应有针对性地对各个阶段问题进行认知负荷的控制。

第一，对初级阶段的问题设计尽量简洁清晰，减轻外在认知负荷。比如算法问题，规则运用问题，这些问题均属于结构良好问题，对学生的迁移和应用能力的要求较低，主要通过提取推导公式并对解决步骤进行概念性理解，因此对解决这类问题影响较大的是问题的呈现方式，是否能够让初学者在问题中提取到有效信息。

第二，高级阶段问题的设计应综合考虑双重认知负荷的总和。比如故事情节问题（应用题）、排除故障问题、诊断‐解决问题、运用策略问题、设计问题及案例分析问题。以故事情节问题为例，一个简短的故事中，学习者需要在故事中提取有效信息，然后选择最准确的解决步骤。谢里尔（Sherrill）指出，当更复杂的故事情节出现时，会干扰学习者提取关键词与关键信息，进而影响学习者问题解决技能的迁移与运用[4]561。在这个过程中，外在认知负荷增加，影响学习者对信息的加工。同时，解决这类问题还要求学习者能够把握问题的深层结构，结合已有图式解决问题，当问题的结构较复杂，问题涉及面较广时，内在认知负荷增加。

第三，专家知识学习阶段的问题设计，尽量让学习者以合作学习、探究学习等形式完成，以减轻问题所承载的较重的内在认知负荷。比如逻辑问题，决策问题以及两难推理问题。这类问题不仅要求学习者头脑中存在大量相关图式，而且要在具体情境中灵活巧妙地加以运用。以决策问题为例，马伦和罗思（Mullen&Roth,1991）把制定决策的过程分为识别问题和分析价值，产生多重选择，评价所作的选择，坚定意向和忽视隐性成本等几个因素的过程[4]562。由此来看，决策问题的解决更多地是依赖于问题的复杂程度以及问题解决者本人的决策能力，合作学习有助于此类问题更高水平的完成。

总而言之，每一类问题如果因为在问题呈现方式不当，都有可能使外在认知负荷增加。由于内在认知负荷与外在认知负荷具有相加性，因此当内在认知负荷增加时，应尽可能多地减少外在认知负荷。由于外在认知负荷可能存在于每一种问题当中，基于认知负荷理论，控制在问题解决过程中的外在认知负荷的增加，应注意问题的呈现原则。

（二）问题解决的网络学习平台设计中应注意的问题呈现原则

Sweller 等总结他们十几年来的实验研究，指出了有效降低外在认知负荷的教学设计，需要考虑6 个教学效应：自由目标效应（the Goal‐Free Ef‐fect）、样例效应（the Worked Example）、完成问题效应（the Problem Completion Effect）、注意力分散效应（the Split‐Attention Effect）、通道效应（the Modality Effect）、冗余效应（the Redundancy Ef‐fect）[14]。在这六种教学效应中，针对信息的呈现进行研究的有注意力分散效应，模式效应和冗余效应。问题设计时应遵循这三种信息呈现原则。

首先，防止注意力分散原则。在网络信息接收环节应遵循防止注意力分散原则，这意味着多种信息尽可能在时空范围内同步呈现，以降低学习者信息整合的难度，减轻工作记忆加工所需资源的负担，以减轻外在认知负荷。Mayer（1989）曾做过一个实验[15]，他将文本与注释的位置进行调整，一种是将注释分别插入文本中对应的词语旁边，一种将注释集中放在文本的下面，实验表明，用第一种信息呈现的方式进行学习的学习者成绩明显高于第二组。因此在处理文本、图表、图片等多种形式的信息时，应尽可能防止学习者注意力分散，比如凸显有效信息，尽量减少视觉的搜索。在问题呈现时，可以将有效的信息用不同颜色的字体标出；如果篇幅较长，则可以分割成小部分；结构性较强的问题可以插入或转换成图表。当需要呈现的问题信息较多时，可以在界面上设置超链接，学习者可根据需求自行打开具体信息，这样有助于学习者集中精力掌握问题的核心信息。

其次，通道原则。在网络学习环境下，信息的获取途径包括视觉、听觉两种渠道，当所要呈现的问题比较复杂，包含的各种信息较多且需要高度整合，或者学习者初次接触此类问题时，问题设计者就应协调视觉与听觉两种通道的信息承载量，以避免使用单一通道加重其认知负担，从而导致外在认知负荷增加的风险。两种通道同时使用的益处在于，能够使学习者更容易地获取信息，并在加工记忆环节对多元表征的信息之间建立联系，从而降低外在认知负荷。

最后，控制冗余信息原则。冗余信息有两种，一种是相同的信息以不同的模式同时出现时，另一种是信息虽然不同，但一部分信息对学习毫无用处，也出现在问题当中，这些都属于冗余信息。在网络学习环境下，冗余信息出现的可能性较大，会严重干扰学习者问题解决。根据Sweller 等人的研究，在问题设计中，控制冗余信息需要注意四点：一、确保信息的独立性和唯一性；二、提前了解学习者知识储备，确保学习者能够进行高水平信息交互学习；三、如果存在冗余信息，在解决问题时让学习者按照自己的学习进度进行；四、注意把握好问题篇幅的长度。

乔纳森提出，问题解决至少在三个不同维度上发生变化：问题类型，问题表征和个体差异[12]。结合认知负荷理论从问题类型维度对网络环境下问题解决进行探讨，把问题分为三种产生不同认知负荷的问题类型，以期对探讨相应的问题表征方式，解决每种问题时所要求的呈现策略，以及相应的教学设计模式有所助益。