认知负荷研究概述

第一章　认知负荷研究概述

人类进入21世纪，正经历着一场新的科技革命，即信息技术革命。信息技术革命深刻地影响着人们的工作、学习和生活等各个方面。在工作方面，从事信息处理的作业人员取代了工人成为社会劳动力的主流，信息加工作业逐渐成为主要的作业形式，并且随着现代作业系统越来越复杂，作业人员在信息加工作业中需要处理的信息量和信息的复杂性越来越大，人在作业系统中的作用也发生了根本的变化，正逐步从直接的控制人员变成监视人员和决策者。以计算机化的作业为例，计算机应用的增加正惊人地改变着传统的作业特征。首先，随着自动化程度的提高，人在系统中的任务属性逐渐从以往注重操作技能运用转化成强调作业活动中的认知活动，如问题解决和决策等;其次，随着越来越多的计算机技术与其他技术的综合应用，在计算机化作业系统中越来越强调多种认知系统(如视觉和听觉系统)的综合运用。

在学习方面，科技革命最伟大的成果之一是把信息技术应用到教育教学过程中，引起了学习环境、学习资源、学习方式等都向数字化方向发展，派生出了一种新型的教学模式——E-learning。Elearning是一种包括计算机网络、多媒体、专业网络、信息搜索、电子图书馆、远程学习以及网上教室在内的，学生通过网络进行人与计算机之间、人与人之间交互的受教育方式，又称为网络化学习或数字化学习。E-learning具有三个要素:一是E-learning环境，也就是所谓信息技术学习环境。它经过数字化信息处理具有显示多媒体化、信息传输网络化、信息处理智能化和教学环境虚拟化的特征。它包括设施、资源、平台、通信和工具。二是E-learning资源。它是指经过数字化处理，可以在多媒体计算机上或网络环境下运行的多媒体材料。包括数字视频、数字音频、多媒体软件、CDROM、网络、电子邮件、在线学习管理系统、计算机模拟、在线讨论、数据文件以及数据库等。E-learning资源是E-learning的关键，它可以通过教师开发、学生创作、市场购买以及网络下载等方式获取。E-learning资源具有切合实际、即时可信、可用于多层次探究、可操纵处理、富有创造性等特点。三是E-learning方式。利用数字化平台和数字化资源，教师、学生之间可开展协商讨论、合作学习，并通过对资源的收集利用、探究知识、发现知识、创造知识以及展示知识的方式进行学习，具有资源利用、自主发现、协商合作和实践创造几种途径。E-learning具有图文、音频并茂的丰富多彩的人机界面，网络能为学习者提供符合人类联想与记忆特点的、以超文本结构组织的大规模知识库与信息库，学生可以查阅和访问分布在世界各地的多种信息源，必要时可以从该信息源复制、下载所需的软件和资料。E-learning充分体现了学生主体作用，改革了传统的教学结构和教育本质。作为一种全新的学习方式，Elear-ning将突破传统学习的时空限制，凭借其数字化、多媒体、信息量大、交互性强、覆盖面广等特点，为更多的学习者提供接受良好教育的机会。但E-learning过程是一个需要认知投入的过程，就像我们步入一个布满广告或存放有琳琅满目商品的房子一样，尽管你不一定需要，但它同样要浸入你的感官，分配你的认知资源，因而E-learning需要有更多的认知投入去接收、信息加工、输出或迁移等，需要处理更多的信息量和更复杂的信息。

所有从事信息处理的作业人员虽然其工作对象不一样，但都具备这样一些共同特征。抽象地看，他们都是从外界接收信息，对信息进行编译、整理、分析，然后作出反应这样一个过程，这一过程即我们通常所说的信息加工过程。从认知心理学的观点来说，认知是对信息的加工，是通过选择性注意、编码、存储和提取等进行信息加工的过程。

人在信息加工过程中的信息加工容量是有限的，即可同时利用的心理资源是有限的。这种有限性主要表现在以下两个方面:一是注意的选择性。选择性是注意最根本的特性，它是指心理活动指向某些目标而忽略其他刺激。即在信息加工作业过程中经常会出现许多无关的认知问题，这就要求注意集中指向某些必须的过程;二是工作记忆容量的有限性。自从Miller^[1]在1956年发表《神奇的数字7±2:我们信息加工能力的某些局限》一文后，关于人类工作记忆容量有限性的观念就作为现代信息加工心理学的理论基石而逐步确立下来。工作记忆是信息加工的操作平台，其容量的限制性对信息加工有重要影响。

信息加工容量有限性的存在，在单位时间内认知负荷(cognitive load，CL)的大小就成了能否成功解决作业中问题乃至获得相应图式和技能的重要影响因素。信息加工作业对认知需求越高，必然导致认知负荷也越高，过高的认知负荷将影响系统中作业人员的工作绩效，进而影响到系统功能的充分发挥。尤其是在国防、航空航天、核能等复杂的人机系统中，作业人员需要在短时间内处理大量信息并快速作出反应与决策，所承受的认知负荷一般较大。不合理的认知负荷往往成为影响作业人员身心健康的重要因素，也是诱发操作事故的潜在因素之一。因此，对这些系统中作业人员的认知负荷状况进行实时监测和动态预测，对改善作业人员的工作环境、工作绩效以及避免操作事故的发生具有十分重要的意义。利用实时监测，可以对作业人员的认知负荷状况进行实时了解，以便采取必要的调控措施。对作业人员的认知负荷发展变化情况进行动态预测，则可以对即将出现的认知超负荷提前采取相应对策，防止认知超负荷的发生。

多年来，认知负荷一直是学习和问题解决等领域的研究热点之一。学习是一种复杂的认知加工活动，总要受认知资源限制。学习的任务目标中包含许多子目标，这些子目标需要进行较高水平的认知加工，因此，往往会超出个体拥有的认知资源总量。从某种程度上说，学习失败往往可归因于学习的高认知负荷和认知资源的不恰当分配。因此，人们使用什么方法和策略高效率地获取知识和技能、如何运用已有的知识快速有效地解决问题、如何表征问题等，都与认知负荷有关。

E-learning是学习者在网络化环境中通过与学习资源、学习伙伴、教育者以及课程情境等因素的相互作用中来建构知识意义的过程。这种依托网络提供的丰富学习资源、虚拟的学习环境以及泛化的学习目标，较以往的课本呈现信息量有大幅增加，更容易产生高的认知负荷和认知资源的不恰当分配。首先，由超文本/超媒体的链接方式引起的认知超负荷。网络的海量信息存储在网页的节点中，各个节点通过链和锚链接起来。为了学习某一知识内容，学习者可以通过各个链接在不同节点之间跳转。所以学习者在网络环境下学习时往往会产生额外的认知负担，如面对各种可能的选择，学习者必须不断做出决策。当前节点处于整个知识内容的什么位置?从当前的节点应跳转到哪个切点?是继续还是退回等^[2]。其次，由E-learning界面设计引起的认知超负荷。E-learning界面设计得不合理，会加重学习者的认知负担。如有些界面的背景常常含有图案或颜色，使正文显得不突出而难以辨认;讲述同一问题的图片和相应的文字说明离得太远，学习者难以两边兼顾等。第三，网络中各种媒体相互干扰引起的认知超载。与传统的教学相比，E-learning的一个优势就是能综合利用各种媒体，充分调动学习者的各种资源，增强学习效果。但是如果对各种媒体的利用不够合理，也会加重学习者的认知负担。因此，随着E-learning逐渐成为主要的教学方式，如何在E-learning的设计中减少认知负荷，使学习者更有效地学习成为迫切需要解决的问题。

正因为认知负荷在工作、学习等方面发挥的重要作用，国内外学者围绕认知负荷的内涵、理论、结构、测评、影响因素以及认知负荷的应用展开了大量的研究。经过近30年的发展，认知负荷研究已取得了长足的进展。本章首先对认知负荷的内涵、理论、结构及应用作一个简要叙述。