矛盾與策略：數(shù)字化學(xué)習(xí)中基于外在認(rèn)知負(fù)荷的學(xué)習(xí)分析

高潔 彭紹東

[摘 ? 要] 新興技術(shù)在教育中的運(yùn)用推動(dòng)著面向數(shù)字化學(xué)習(xí)情境的認(rèn)知負(fù)荷理論發(fā)展，為破解“現(xiàn)有認(rèn)知負(fù)荷理論中外在認(rèn)知負(fù)荷強(qiáng)調(diào)教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)避免添加任何與學(xué)習(xí)無關(guān)的因素，以防止工作記憶負(fù)荷超載而導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果下降”與“數(shù)字化學(xué)習(xí)中因添加了數(shù)字化元素，雖造成一定外在認(rèn)知負(fù)荷卻促使學(xué)習(xí)效果上升”之間的矛盾，研究首先從交互式學(xué)習(xí)媒體、不流暢效應(yīng)、虛擬現(xiàn)實(shí)情境和冗余元素四種數(shù)字化元素出發(fā)對(duì)現(xiàn)有矛盾現(xiàn)象進(jìn)行探討。其次提出規(guī)避矛盾的兩步解決策略：（1）將學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)納入相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷中利用成本收益模型觀點(diǎn)解釋；（2）所誘發(fā)的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)需作用于學(xué)習(xí)任務(wù)及以學(xué)習(xí)目標(biāo)為導(dǎo)向。利用該策略修正現(xiàn)有認(rèn)知負(fù)荷理論，研究期望能在最大限度減小外在認(rèn)知負(fù)荷的同時(shí)擁抱新興技術(shù)。

[關(guān)鍵詞] 數(shù)字化學(xué)習(xí)； 外在認(rèn)知負(fù)荷； 學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)； 成本收益模型； 矛盾沖突

[中圖分類號(hào)] G434 ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A

[作者簡(jiǎn)介] 高潔（1995—），女，重慶人。博士研究生，主要從事智能教育與學(xué)習(xí)分析研究。E-mail：gaoj1995724@163.com。彭紹東為通訊作者，E-mail：pengshd@163.com。

一、引 ? 言

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化學(xué)習(xí)已成為當(dāng)代學(xué)習(xí)者的重要學(xué)習(xí)途徑，疫情當(dāng)下，以在線學(xué)習(xí)為代表的數(shù)字化學(xué)習(xí)方式更是成為一種常態(tài)。在數(shù)字化學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)者可以利用數(shù)字媒體遨游于虛擬現(xiàn)實(shí)情境，與數(shù)字化產(chǎn)品交互，通過資源檢索、軌跡分析、個(gè)性化推薦等智能手段輕松獲取專屬知識(shí)來提升學(xué)習(xí)效果。但研究表明諸如虛擬現(xiàn)實(shí)情境、交互式學(xué)習(xí)媒體等數(shù)字化元素的添加會(huì)增加學(xué)習(xí)者的外在認(rèn)知負(fù)荷，認(rèn)知負(fù)荷理論強(qiáng)調(diào)外在認(rèn)知負(fù)荷上升易對(duì)學(xué)習(xí)造成消極影響，降低學(xué)習(xí)效果[1]。因此，數(shù)字化學(xué)習(xí)呈現(xiàn)結(jié)果與現(xiàn)有認(rèn)知負(fù)荷觀點(diǎn)相悖。鑒于數(shù)字化學(xué)習(xí)的快速發(fā)展，以及《2022年版課標(biāo)》要求以學(xué)習(xí)者認(rèn)知水平為依據(jù)，遵循學(xué)習(xí)與學(xué)科規(guī)律合理設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)材料來優(yōu)化學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)結(jié)構(gòu)、培養(yǎng)核心素養(yǎng)，面對(duì)理論與結(jié)果之間的矛盾沖突，急需開展深入研究以尋求解決方法和策略?；诖耍狙芯繑M對(duì)數(shù)字化學(xué)習(xí)中基于外在認(rèn)知負(fù)荷的矛盾現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)剖析，力求將認(rèn)知負(fù)荷理論融入數(shù)字化學(xué)習(xí)，整合矛盾沖突，使其更好地服務(wù)于數(shù)字化時(shí)代的教育教學(xué)。

二、認(rèn)知負(fù)荷理論發(fā)展

（一）認(rèn)知負(fù)荷早期理論模型

認(rèn)知負(fù)荷理論由Sweller提出，它是學(xué)習(xí)者工作記憶的理論模型，具體表現(xiàn)為學(xué)習(xí)者在信息加工過程中產(chǎn)生的心理資源總量[2]。最初，Sweller將認(rèn)知負(fù)荷的本質(zhì)界定為學(xué)習(xí)者必須同時(shí)在其工作記憶中加工的信息單元，這些信息單元之間具有內(nèi)在邏輯性且相互作用，因此不能單獨(dú)剝離。由于此時(shí)認(rèn)知負(fù)荷被視為一個(gè)不可分割的整體，因此本文將未被分化的認(rèn)知負(fù)荷模型稱為早期理論模型。隨后，Walker指出學(xué)習(xí)者工作記憶容量受時(shí)間因素影響無法恒定不變，當(dāng)學(xué)習(xí)時(shí)間越長(zhǎng)，學(xué)習(xí)者工作記憶能夠加工的信息單元數(shù)量越少[3]，這時(shí)僅靠信息單元之間的相互作用已無法解釋。為彌補(bǔ)指導(dǎo)作用的不足，Kalyuga試圖納入時(shí)間因素并重新定義認(rèn)知負(fù)荷為在特定學(xué)習(xí)時(shí)間內(nèi)，學(xué)習(xí)者利用工作記憶執(zhí)行認(rèn)知操作時(shí)所需要承擔(dān)的心理資源總量[4]?；谠摱x，根據(jù)學(xué)習(xí)者工作記憶容量、時(shí)間特點(diǎn)及先驗(yàn)知識(shí)水平來設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)材料，是認(rèn)知負(fù)荷早期理論模型的重要應(yīng)用。

（二）認(rèn)知負(fù)荷中期理論模型

未被分化的認(rèn)知負(fù)荷無法解釋在學(xué)習(xí)者工作記憶中所執(zhí)行的認(rèn)知操作和認(rèn)知資源分配問題，隨著研究的深入，認(rèn)知負(fù)荷成分開始分化。最先研究者將認(rèn)知負(fù)荷分為三類，即內(nèi)在、外在和相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，它們相互獨(dú)立卻又具有累加性，將三者相加才是學(xué)習(xí)者產(chǎn)生的總認(rèn)知負(fù)荷。但也有研究者質(zhì)疑該劃分方式，認(rèn)為相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷與外在認(rèn)知負(fù)荷之間存在矛盾，根據(jù)其定義描述，外在認(rèn)知負(fù)荷要求教學(xué)設(shè)計(jì)盡量精簡(jiǎn)，而相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷建議教學(xué)設(shè)計(jì)提供更多有助于圖式構(gòu)建的資源。諸如此類討論，Kalyuga等人將認(rèn)知負(fù)荷成分簡(jiǎn)化為僅有內(nèi)在和外在認(rèn)知負(fù)荷構(gòu)成的二維結(jié)構(gòu)模型[5]，并提出應(yīng)把相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷看作是內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷的一部分。二維結(jié)構(gòu)模型認(rèn)為相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷主要由學(xué)習(xí)者內(nèi)在、外在認(rèn)知負(fù)荷之間的關(guān)系決定，不是獨(dú)立存在的，因而不能將其作為成分累加。

（三）認(rèn)知負(fù)荷后期理論模型

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，研究者更為重視外在認(rèn)知負(fù)荷對(duì)學(xué)習(xí)的影響。Hollender等人建議將外在認(rèn)知負(fù)荷重新定義為通過教學(xué)設(shè)計(jì)和源于數(shù)字化軟件使用產(chǎn)生的認(rèn)知負(fù)荷兩種[6]。該定義引入一個(gè)新增概念，即與數(shù)字化軟件交互也會(huì)增加外在認(rèn)知負(fù)荷。由于數(shù)字化學(xué)習(xí)情境具有的多重優(yōu)點(diǎn)，它提升學(xué)習(xí)效果和效率的能力毋庸置疑。但從認(rèn)知負(fù)荷角度來看，數(shù)字化學(xué)習(xí)中引發(fā)外在認(rèn)知負(fù)荷的元素確實(shí)更加復(fù)雜多變，因此有研究者提出成本收益模型試圖對(duì)其中的矛盾作出解釋[7]。該模型的核心觀點(diǎn)假設(shè)因教學(xué)設(shè)計(jì)或數(shù)字化環(huán)境產(chǎn)生的外在認(rèn)知負(fù)荷屬于投資成本，學(xué)習(xí)者績(jī)效成績(jī)?yōu)樽罱K收益，只要在學(xué)習(xí)過程中權(quán)衡好“成本風(fēng)險(xiǎn)”與“績(jī)效收益”之間的關(guān)系，最大化數(shù)字化學(xué)習(xí)效果，增加外在認(rèn)知負(fù)荷也具有一定優(yōu)勢(shì)。

認(rèn)知負(fù)荷成本收益模型的提出促進(jìn)了數(shù)字化學(xué)習(xí)時(shí)代認(rèn)知負(fù)荷理論的發(fā)展，對(duì)指導(dǎo)數(shù)字化環(huán)境中的教與學(xué)具有積極意義。但現(xiàn)有研究并未解釋清楚來自學(xué)習(xí)者認(rèn)知負(fù)荷的內(nèi)部矛盾，尤其是外在認(rèn)知負(fù)荷所帶來的理論研究與實(shí)際結(jié)果之間的差異問題?；诖?，本研究將進(jìn)一步分析和總結(jié)數(shù)字化學(xué)習(xí)面臨的矛盾與挑戰(zhàn)，期望能以此推動(dòng)認(rèn)知負(fù)荷理論發(fā)展。

三、基于外在認(rèn)知負(fù)荷的矛盾現(xiàn)象

（一）矛盾之一：交互式學(xué)習(xí)環(huán)境支持的學(xué)習(xí)互動(dòng)

交互式學(xué)習(xí)環(huán)境是指利用各種數(shù)字技術(shù)結(jié)合多媒體及網(wǎng)絡(luò)資源營(yíng)造的學(xué)習(xí)環(huán)境。按交互程度劃分，其最低層次僅提供基本的、用戶直觀上易于理解的交互控制，最高層次則表現(xiàn)為完全虛擬的沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境，在二者之間即為中等層次的交互。根據(jù)外在認(rèn)知負(fù)荷，一般認(rèn)為高水平的交互容易因過于分散注意力而耗盡學(xué)習(xí)者的認(rèn)知資源。然而對(duì)于哪種交互程度真正有益于學(xué)習(xí)還存在巨大的分歧。研究認(rèn)為低層次的交互帶來了更高的外在認(rèn)知負(fù)荷，而沉浸式的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境卻使其顯著降低[8]。但大多數(shù)研究贊同在學(xué)習(xí)中添加適當(dāng)?shù)慕换ピ?，因?yàn)榛诰呱碚J(rèn)知或具身學(xué)習(xí)的思想，適當(dāng)?shù)慕换ネǔ?qiáng)調(diào)了身體對(duì)認(rèn)知過程中增強(qiáng)理解的重要性。

與低層次交互式學(xué)習(xí)環(huán)境相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)者僅使用手指在操作界面滑動(dòng)這種最簡(jiǎn)單交互方式相比于傳統(tǒng)被動(dòng)學(xué)習(xí)而言，已大大提升了學(xué)習(xí)效果[9]。為了解釋該現(xiàn)象，認(rèn)知負(fù)荷理論學(xué)家將生物學(xué)中的初級(jí)思維過程和次級(jí)思維過程之間的思維差異整合到教學(xué)研究中，認(rèn)為手指在操作界面滑動(dòng)可以看作初級(jí)思維過程，如同識(shí)別人臉或圖形一樣，這個(gè)過程不需要邏輯推理，僅使用最原始的思維方式就能實(shí)現(xiàn)。而界面上呈現(xiàn)的學(xué)習(xí)任務(wù)必須通過次級(jí)思維過程，依靠學(xué)習(xí)者合理分析和推理才能完成。由于初級(jí)思維過程是次級(jí)思維過程的下層思維模式，對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)入以邏輯推理為主的次級(jí)思維過程有一定的幫助，因此依靠手指滑動(dòng)等簡(jiǎn)單互動(dòng)方式對(duì)幫助學(xué)習(xí)者進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)、激活邏輯思維具有積極意義。從這一角度來看，將以具身認(rèn)知思想為主的交互方式引入學(xué)習(xí)，是一種對(duì)提升學(xué)習(xí)效果頗有益處的指導(dǎo)思路，因?yàn)橐话氵\(yùn)用初級(jí)思維過程只會(huì)對(duì)學(xué)習(xí)者產(chǎn)生極少部分的認(rèn)知需求，從而保證學(xué)習(xí)者工作記憶中的認(rèn)知資源能夠用于處理學(xué)習(xí)任務(wù)本身。

沉浸式交互學(xué)習(xí)方式的典型案例為游戲化學(xué)習(xí)，意在將游戲理念和游戲元素融入學(xué)習(xí)中，通過創(chuàng)設(shè)情境、保持動(dòng)機(jī)、增強(qiáng)交互來達(dá)到樂學(xué)的效果，其中嚴(yán)肅游戲是游戲化學(xué)習(xí)領(lǐng)域的重要概念。研究表明學(xué)習(xí)者在進(jìn)行嚴(yán)肅游戲時(shí)，在學(xué)習(xí)過程中體驗(yàn)到的樂趣并不一定有助于獲得實(shí)際學(xué)習(xí)優(yōu)勢(shì)，并且當(dāng)嚴(yán)肅游戲中包含具體學(xué)習(xí)任務(wù)時(shí)容易導(dǎo)致更差的學(xué)習(xí)遷移能力和更高的外在認(rèn)知負(fù)荷。但相比于傳統(tǒng)模擬互動(dòng)型教學(xué)，使用嚴(yán)肅游戲確實(shí)有利于學(xué)習(xí)者深入思考。因此，在嚴(yán)肅游戲中學(xué)習(xí)者的興趣、學(xué)習(xí)狀態(tài)和外在認(rèn)知負(fù)荷之間并不是一種簡(jiǎn)單的關(guān)系，但游戲化學(xué)習(xí)對(duì)于促進(jìn)深度學(xué)習(xí)確實(shí)具有重要作用。

總之，對(duì)交互式學(xué)習(xí)環(huán)境的研究表明，最簡(jiǎn)單直接的學(xué)習(xí)任務(wù)表現(xiàn)方式并不是最佳的，一定程度的交互性可用于創(chuàng)設(shè)更具吸引力和激勵(lì)性的學(xué)習(xí)情境。這種學(xué)習(xí)情境也具有潛在的缺點(diǎn)，即由于情境中含有某些與任務(wù)無關(guān)的因素或因?yàn)閷W(xué)習(xí)者需要先對(duì)交互規(guī)則進(jìn)行學(xué)習(xí)而導(dǎo)致了不必要的外在認(rèn)知負(fù)荷。但不論是低層次的簡(jiǎn)單互動(dòng)，抑或是高層次的游戲化學(xué)習(xí)，均有利于學(xué)習(xí)過程，雖然當(dāng)前研究尚未厘清為什么增加了外在認(rèn)知負(fù)荷仍能促進(jìn)學(xué)習(xí)，但上述的成本收益模型為更全面解釋這一問題提供了重要參考價(jià)值：假設(shè)將交互式學(xué)習(xí)環(huán)境中產(chǎn)生的外在認(rèn)知負(fù)荷看作是投資成本，當(dāng)完成任務(wù)帶來的收益超過成本時(shí)，將有利于促進(jìn)學(xué)習(xí)。因此一定程度上使用交互式學(xué)習(xí)方式比傳統(tǒng)學(xué)習(xí)或多媒體學(xué)習(xí)方式更具優(yōu)勢(shì)。

（二）矛盾之二：不流暢效應(yīng)對(duì)主觀感受的作用

認(rèn)知負(fù)荷理論強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)材料組織形式或呈現(xiàn)方式不合理會(huì)阻礙學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)，產(chǎn)生外在認(rèn)知負(fù)荷。然而并不是學(xué)習(xí)材料流暢度越高，學(xué)習(xí)效果越好，研究認(rèn)為適度增加學(xué)習(xí)者對(duì)材料的主觀感受難度更有利于學(xué)習(xí)，這種現(xiàn)象被稱為不流暢效應(yīng)[10]，并將其結(jié)果歸因于當(dāng)學(xué)習(xí)者感知難度增加時(shí)，其分析思維能力得到激發(fā)促使其進(jìn)入更深層次學(xué)習(xí)，從而提升學(xué)習(xí)效果。在數(shù)字化學(xué)習(xí)中主要通過設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)材料呈現(xiàn)時(shí)的文本、圖形、聲音或視頻等形式來操縱學(xué)習(xí)過程的不流暢程度，它的基本原理是試圖通過要求學(xué)習(xí)者投入更多的認(rèn)知資源進(jìn)而保證其注意力的高度集中。Diemand通過操控文本字體來影響學(xué)習(xí)者對(duì)材料難度的主觀感受，發(fā)現(xiàn)不流暢組比流暢組學(xué)習(xí)效果更佳[11]。但不流暢效應(yīng)的結(jié)果不是唯一的，Rummer采用與Diemand相同的材料試圖驗(yàn)證結(jié)果卻未能成功復(fù)制不流暢效應(yīng)，并且其研究結(jié)果表示由于不流暢組學(xué)習(xí)者需花費(fèi)更多時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)，增加材料的不流暢程度不僅不能提升學(xué)習(xí)效果，反而降低了學(xué)習(xí)效率[12]。由此可見，不流暢效應(yīng)也受到了一些研究者的質(zhì)疑。通常影響不流暢效應(yīng)的因素包括操縱對(duì)象、操縱方法及操縱程度。但即便針對(duì)同一對(duì)象采用同樣的方法進(jìn)行操縱，對(duì)學(xué)習(xí)者來說感受到的操縱程度也可能有所不同，因?yàn)閷W(xué)習(xí)并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的過程，學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、工作記憶容量等均會(huì)影響不流暢效應(yīng)的結(jié)果。因此Diemand認(rèn)為出現(xiàn)不同的研究結(jié)果也屬正?，F(xiàn)象。

質(zhì)疑并不代表對(duì)不流暢效應(yīng)的否定，這恰恰表示它還存在極大的探究空間，因?yàn)樵趯W(xué)習(xí)過程中引入困難對(duì)促進(jìn)學(xué)習(xí)者深度學(xué)習(xí)和提高記憶的能力是真實(shí)可見的。根據(jù)不同研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低水平的不流暢性容易因?qū)W習(xí)材料太過簡(jiǎn)單導(dǎo)致學(xué)習(xí)者注意力不集中，短時(shí)記憶保留時(shí)間過短無法轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)時(shí)記憶而影響學(xué)習(xí)效果；高水平的不流暢性可能出現(xiàn)因?qū)W習(xí)者無法識(shí)別材料而干擾學(xué)習(xí)的情況。因此，關(guān)注不流暢效應(yīng)的邊界條件有助于加強(qiáng)對(duì)數(shù)字化學(xué)習(xí)的指導(dǎo)?；谶@一目的，Seufert通過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，不流暢效應(yīng)對(duì)學(xué)習(xí)效果的影響遵循一條倒U型曲線，即中等水平的不流暢性在數(shù)字化學(xué)習(xí)中更有效[13]。這一結(jié)果也類似于成本收益模型，我們可以假設(shè)中等水平的不流暢性只增加少量外在認(rèn)知負(fù)荷，不占據(jù)學(xué)習(xí)者工作記憶的重要部分卻有利于促進(jìn)其投入更多的認(rèn)知努力，因此，它帶來的學(xué)習(xí)效果往往優(yōu)于“流暢”的學(xué)習(xí)材料。

（三）矛盾之三：虛擬現(xiàn)實(shí)所賦予的臨場(chǎng)感體驗(yàn)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種通過利用計(jì)算機(jī)或傳感器營(yíng)造極具現(xiàn)實(shí)主義的虛擬情境從而使學(xué)習(xí)者沉浸其中的現(xiàn)代新興技術(shù)。根據(jù)沉浸程度將其分為低沉浸型和高沉浸型虛擬現(xiàn)實(shí)。長(zhǎng)時(shí)間以來，虛擬現(xiàn)實(shí)中極具真實(shí)的視、聽、觸覺感受被研究者認(rèn)為是導(dǎo)致外在認(rèn)知負(fù)荷的來源，因?yàn)轭愃朴谡鎸?shí)世界的細(xì)節(jié)呈現(xiàn)難以讓學(xué)習(xí)者輕松提取與學(xué)習(xí)任務(wù)相關(guān)的內(nèi)容。按照認(rèn)知負(fù)荷理論，解決這一難題的方法是盡量避免現(xiàn)實(shí)主義，使用更加簡(jiǎn)潔的可視化方式呈現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容。然而與簡(jiǎn)單可視化學(xué)習(xí)相比，在虛擬現(xiàn)實(shí)情境中學(xué)習(xí)者擁有更加豐富的臨場(chǎng)感體驗(yàn)，主觀體驗(yàn)感是影響學(xué)習(xí)效果的直接因素[14]，因此極具現(xiàn)實(shí)主義的虛擬情境對(duì)提升學(xué)習(xí)效果有重要作用。Skulmowski對(duì)比圖式可視化與虛擬現(xiàn)實(shí)可視化，發(fā)現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)情境中學(xué)習(xí)者理解能力更強(qiáng)，但外在認(rèn)知負(fù)荷也更高[15]。由于學(xué)習(xí)者外在認(rèn)知負(fù)荷增加卻導(dǎo)致了更優(yōu)的學(xué)習(xí)效果這一結(jié)果與認(rèn)知負(fù)荷理論相矛盾，Skulmowski將其稱為“虛擬現(xiàn)實(shí)主義悖論”。

類似于Skulmowski的研究結(jié)果一部分被納入不流暢效應(yīng)范圍內(nèi)，其解釋為學(xué)習(xí)者外在認(rèn)知負(fù)荷增加的主要原因是虛擬現(xiàn)實(shí)情境激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，以致學(xué)習(xí)者更加主動(dòng)處理不流暢的學(xué)習(xí)內(nèi)容；研究結(jié)果的另一部分被納入交互式學(xué)習(xí)環(huán)境范圍，認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)情境涉及學(xué)習(xí)者與環(huán)境之間的交互問題，有效交互促使了學(xué)習(xí)者更為積極的思考。但研究認(rèn)為已有歸類的解釋比較牽強(qiáng)，一方面，虛擬現(xiàn)實(shí)情境并不一定包含不流暢的學(xué)習(xí)內(nèi)容，相反其流暢程度可能高于多媒體呈現(xiàn)形式；另一方面，當(dāng)學(xué)習(xí)者在低沉浸型虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境（如桌面型虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境）中進(jìn)行記憶類學(xué)習(xí)時(shí)未涉及過多與環(huán)境之間的交互，但學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果依舊優(yōu)于使用圖式形式的學(xué)習(xí)者，其原因在于桌面型虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境能夠呈現(xiàn)更多真實(shí)細(xì)節(jié)而非交互作用的結(jié)果。因此，本研究認(rèn)為與“虛擬現(xiàn)實(shí)悖論”類似的研究結(jié)果應(yīng)該獨(dú)立劃分，在虛擬現(xiàn)實(shí)情境中極具真實(shí)的細(xì)節(jié)才是導(dǎo)致學(xué)習(xí)者外在認(rèn)知負(fù)荷增加但學(xué)習(xí)效果提升的主要因素。綜合考慮成本收益模型，如果一個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)需要以虛擬現(xiàn)實(shí)方式呈現(xiàn)，在能為學(xué)習(xí)者帶來較好臨場(chǎng)感體驗(yàn)的前提下，可適當(dāng)增加外在認(rèn)知負(fù)荷。

（四）矛盾之四：冗余元素下學(xué)習(xí)者的情感牽引

設(shè)計(jì)數(shù)字化學(xué)習(xí)材料時(shí)或多或少會(huì)添加一些與學(xué)習(xí)無關(guān)的元素，它們?cè)谡J(rèn)知負(fù)荷理論視角下被歸類為會(huì)增加學(xué)習(xí)者外在認(rèn)知負(fù)荷的有害元素。這一觀點(diǎn)下最具代表性的實(shí)例為冗余效應(yīng)，該效應(yīng)表明學(xué)習(xí)者使用由“動(dòng)畫+解說”組成的學(xué)習(xí)材料比由“動(dòng)畫+解說+字幕”組成的材料表現(xiàn)出的學(xué)習(xí)效果更優(yōu)。根據(jù)認(rèn)知負(fù)荷理論，這是由于動(dòng)畫與字幕內(nèi)容相同且均屬視覺內(nèi)容，因此當(dāng)字幕信息被加工時(shí)，會(huì)產(chǎn)生比沒有字幕組更多的外在認(rèn)知負(fù)荷，導(dǎo)致學(xué)習(xí)者工作記憶分配給處理學(xué)習(xí)任務(wù)本身的認(rèn)知資源減少，學(xué)習(xí)效果下降。然而汪存友基于冗余效應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)與無字幕相比，呈現(xiàn)關(guān)鍵字幕有利于提升學(xué)習(xí)者的保持測(cè)驗(yàn)和遷移測(cè)驗(yàn)成績(jī)，即在“動(dòng)畫+語音”基礎(chǔ)上同步呈現(xiàn)字幕內(nèi)容不會(huì)降低學(xué)習(xí)效果[16]。這也表明在設(shè)計(jì)數(shù)字化學(xué)習(xí)材料時(shí)可適當(dāng)添加冗余元素，但究竟何種程度的冗余會(huì)影響學(xué)習(xí)，其邊界條件還有待探尋。

情感設(shè)計(jì)因素能夠誘導(dǎo)學(xué)習(xí)者產(chǎn)生積極態(tài)度、提升認(rèn)知參與，因此被認(rèn)為是促進(jìn)學(xué)習(xí)的重要因素。為學(xué)習(xí)材料添加情感元素可以增強(qiáng)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，在促進(jìn)學(xué)習(xí)者對(duì)知識(shí)進(jìn)行記憶、理解和遷移的同時(shí)，降低其對(duì)學(xué)習(xí)材料的感知難度[17]。但由于情感設(shè)計(jì)元素僅被用于修飾學(xué)習(xí)材料，并不會(huì)改變材料本身的內(nèi)容和難度，因此它也被視為一種冗余元素。認(rèn)知負(fù)荷理論和冗余元素的矛盾，類似于其與不流暢效應(yīng)、情感設(shè)計(jì)這類“修飾”性冗余元素是促進(jìn)還是阻礙數(shù)字化學(xué)習(xí)也存在長(zhǎng)期爭(zhēng)議。持支持態(tài)度的研究者認(rèn)為它們不會(huì)占用認(rèn)知資源、影響學(xué)習(xí)效果；反對(duì)者則將其視為學(xué)習(xí)者外在認(rèn)知負(fù)荷的潛在來源。

面對(duì)此類沖突問題，我們應(yīng)該關(guān)注為什么有的研究添加了冗余元素卻并未影響學(xué)習(xí)，與認(rèn)知負(fù)荷理論背道而馳。上述研究中汪存友表示這得益于學(xué)習(xí)者對(duì)字幕符號(hào)比較熟悉，一方面便于自動(dòng)加工字幕內(nèi)容，另一方面相對(duì)熟悉的內(nèi)容能夠激發(fā)學(xué)習(xí)者情感參與度，促使其更加專注處理學(xué)習(xí)任務(wù)本身，不容易引發(fā)認(rèn)知超載。因此，在某些情況下被認(rèn)為與實(shí)際任務(wù)無關(guān)或起修飾效果的元素也能提高學(xué)習(xí)效果，基于成本收益模型的啟發(fā)，只要因添加冗余元素產(chǎn)生的投資成本小于在學(xué)習(xí)方面回饋的收益即可。

四、基于外在認(rèn)知負(fù)荷的矛盾剖析

根據(jù)以上論述，現(xiàn)有認(rèn)知負(fù)荷理論與數(shù)字化學(xué)習(xí)之間的矛盾集中在四個(gè)方面，即“外在認(rèn)知負(fù)荷觀點(diǎn)下教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)避免添加任何與學(xué)習(xí)無關(guān)的因素，以防止學(xué)習(xí)者因工作記憶負(fù)荷超載而導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果下降”與“數(shù)字化學(xué)習(xí)中因添加了上述四種數(shù)字化元素，最終促使學(xué)習(xí)效果上升”之間的矛盾。具體剖析每種矛盾成因，我們發(fā)現(xiàn)均與學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)密切相關(guān)。在交互式學(xué)習(xí)環(huán)境中學(xué)習(xí)者與情境、教師或同伴的交互有利于增加學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、提高學(xué)習(xí)積極性；基于不流暢效應(yīng)適當(dāng)增加學(xué)習(xí)者對(duì)材料的感知難度，能夠激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、促進(jìn)認(rèn)知參與；虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境呈現(xiàn)真實(shí)細(xì)節(jié)讓學(xué)習(xí)者擁有臨場(chǎng)感體驗(yàn)的同時(shí)，幫助誘發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、提升學(xué)習(xí)效果；適當(dāng)添加冗余元素誘導(dǎo)學(xué)習(xí)者產(chǎn)生積極情緒也能增強(qiáng)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、保持專注度。由于學(xué)習(xí)效果與認(rèn)知負(fù)荷、學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)之間均緊密相關(guān)，是否認(rèn)知負(fù)荷與學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)之間也存在某種關(guān)聯(lián)，這值得我們進(jìn)一步研究，因此以學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)為出發(fā)點(diǎn)，解釋數(shù)字化學(xué)習(xí)與現(xiàn)有認(rèn)知負(fù)荷理論的矛盾是一個(gè)至關(guān)重要的突破口。

當(dāng)前，Paas已關(guān)注到認(rèn)知負(fù)荷與學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的關(guān)系，他提出將表現(xiàn)為學(xué)習(xí)者高度參與的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)量化為高認(rèn)知負(fù)荷與高學(xué)習(xí)成績(jī)的結(jié)合[18]，即當(dāng)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)增強(qiáng)時(shí)，雖然認(rèn)知負(fù)荷增加，但學(xué)習(xí)效果也會(huì)提升。然而正如前述研究所言，添加各種數(shù)字化元素雖有助于增強(qiáng)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，但并不一定都能帶來好的學(xué)習(xí)效果，這還與此類元素的添加程度及外在認(rèn)知負(fù)荷增加量有關(guān)。事實(shí)上，在數(shù)字化學(xué)習(xí)中加入這些與學(xué)習(xí)本身無關(guān)但能夠增強(qiáng)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的元素，有利于幫助學(xué)習(xí)者調(diào)用更多認(rèn)知資源處理知識(shí)的生成性加工，從而增加相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷。根據(jù)相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷觀點(diǎn)，當(dāng)學(xué)習(xí)者受到心理努力的影響時(shí)，若其分配給學(xué)習(xí)任務(wù)本身的認(rèn)知資源沒有耗盡，剩余部分的認(rèn)知資源可用于處理其他相關(guān)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)更深層次的認(rèn)知加工，完成內(nèi)部圖式構(gòu)建。在相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷作用下構(gòu)建的圖式越多，學(xué)習(xí)者內(nèi)部圖式越系統(tǒng)，自動(dòng)化程度越高，就能降低后續(xù)學(xué)習(xí)任務(wù)的認(rèn)知負(fù)荷。因此，相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷增加有利于學(xué)習(xí)。按照這一思路，在保證學(xué)習(xí)者認(rèn)知資源不超負(fù)載的前提下，數(shù)字化學(xué)習(xí)中盡可能添加能夠增強(qiáng)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的因素是可取的，因?yàn)殡m然會(huì)增加一定外在認(rèn)知負(fù)荷，但更有利于促進(jìn)學(xué)習(xí)者的認(rèn)知參與，提升相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，若學(xué)習(xí)者形成的內(nèi)部圖式與后續(xù)學(xué)習(xí)任務(wù)相關(guān)，還有可能因?qū)W習(xí)者先驗(yàn)知識(shí)水平上升而降低學(xué)習(xí)任務(wù)對(duì)學(xué)習(xí)者的相對(duì)難度，減小內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷。根據(jù)成本收益模型，為提高學(xué)習(xí)者主動(dòng)參與學(xué)習(xí)任務(wù)的意愿，將適當(dāng)增加的外在認(rèn)知負(fù)荷看作動(dòng)機(jī)成本，只要有益于提升學(xué)習(xí)效果，給學(xué)習(xí)者帶來的學(xué)習(xí)收益大于動(dòng)機(jī)成本，即是一種有價(jià)值的處理方式。

總之，數(shù)字化學(xué)習(xí)中基于外在認(rèn)知負(fù)荷的矛盾現(xiàn)象凸顯了一個(gè)重要問題，即若想對(duì)其進(jìn)行合理解釋必須修正現(xiàn)有認(rèn)知負(fù)荷模型，以便能夠在認(rèn)知負(fù)荷理論的正確指導(dǎo)下最大限度避免外在認(rèn)知負(fù)荷給數(shù)字化學(xué)習(xí)帶來不利影響的同時(shí)擁抱新興技術(shù)。

五、基于外在認(rèn)知負(fù)荷的矛盾解決策略

為優(yōu)化學(xué)習(xí)效果，認(rèn)知負(fù)荷理論指導(dǎo)下教學(xué)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是盡可能降低學(xué)習(xí)者內(nèi)在、外在認(rèn)知負(fù)荷，增加相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，轉(zhuǎn)換到數(shù)字化學(xué)習(xí)領(lǐng)域同樣需要遵循這一原則。而根據(jù)本研究論述因數(shù)字化元素添加后學(xué)習(xí)者外在認(rèn)知負(fù)荷增加卻并未降低學(xué)習(xí)效果，為合理解釋這一現(xiàn)象，本研究將學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)因素納進(jìn)有利于幫助學(xué)習(xí)者構(gòu)建內(nèi)部圖式的相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷中，這樣既可從相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷增加的角度解釋為何學(xué)習(xí)績(jī)效有所提升，也不違背認(rèn)知負(fù)荷理論指導(dǎo)原則。

在現(xiàn)有認(rèn)知負(fù)荷理論中，影響學(xué)習(xí)者相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷的因素并不包含學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，盡管近年來有研究者也試圖將學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)因素納入其中[19]，但卻并未解釋清楚納入的具體原因以及學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)與認(rèn)知負(fù)荷之間的內(nèi)在聯(lián)系。根據(jù)成本收益模型觀點(diǎn)推測(cè)，如果在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)添加一些能夠誘發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的額外因素，即可通過投入少量的外在認(rèn)知負(fù)荷成本來產(chǎn)生更多有利于促進(jìn)學(xué)習(xí)者深層次學(xué)習(xí)的相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，這只要確保在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)遵循了學(xué)習(xí)者最終產(chǎn)生的總認(rèn)知負(fù)荷不超過其工作記憶所能承受的范圍這一前提，就能有效助力最終學(xué)習(xí)結(jié)果。因此，將學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)納入相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷變得合情合理，這時(shí)相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷也可被認(rèn)為是學(xué)習(xí)者在數(shù)字化學(xué)習(xí)過程中能夠調(diào)動(dòng)其工作記憶中認(rèn)知資源的動(dòng)機(jī)程度。然而，并不是所有增強(qiáng)了學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都顯示學(xué)習(xí)效果得到了提升，也有在適當(dāng)添加數(shù)字化元素后學(xué)習(xí)效果不升反降的案例，這些結(jié)果證明即使將學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)納入相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，僅依靠成本收益模型也不足以解釋數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境對(duì)不同學(xué)習(xí)結(jié)果的影響。因此，為能夠從認(rèn)知負(fù)荷角度全面解釋數(shù)字化學(xué)習(xí)結(jié)果，本研究對(duì)納入相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)展開深入討論，并提出以下兩種解決策略。

（一）誘發(fā)的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)應(yīng)作用于學(xué)習(xí)任務(wù)

數(shù)字化學(xué)習(xí)可通過添加多種因素誘發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，但它們?cè)谠黾訉W(xué)習(xí)者不必要外在認(rèn)知負(fù)荷的同時(shí)并不都有利于提升相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，這依賴于誘發(fā)的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)與學(xué)習(xí)任務(wù)之間的關(guān)系。例如在講述化學(xué)反應(yīng)知識(shí)時(shí)，為避開危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)操作教師會(huì)選擇使用數(shù)字化工具搭建模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，這時(shí)平臺(tái)的沉浸感、真實(shí)感、交互性等均可能成為外在認(rèn)知負(fù)荷的來源，然而我們知道學(xué)習(xí)這類知識(shí)需要學(xué)生親身經(jīng)驗(yàn)反應(yīng)過程才能更好地掌握相應(yīng)內(nèi)容。這種因生動(dòng)的視覺印象和煩瑣的實(shí)驗(yàn)操作而產(chǎn)生的外在認(rèn)知負(fù)荷，在教學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)層面上雖與學(xué)習(xí)任務(wù)無關(guān)，但這些學(xué)習(xí)需求是完成任務(wù)的基本條件和重要組成部分，所誘發(fā)的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)最終也作用于學(xué)習(xí)任務(wù)本身，因此有利于增加相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷。反之，教師在設(shè)計(jì)數(shù)字化學(xué)習(xí)情境時(shí)僅向?qū)W生提供操作體驗(yàn)，這也誘發(fā)了學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，但落腳點(diǎn)不在知識(shí)本身，這種類型的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)不僅不會(huì)提升學(xué)習(xí)效果，反而有可能引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知障礙。因此從認(rèn)知加工的角度來看，在數(shù)字化學(xué)習(xí)中添加的元素應(yīng)當(dāng)對(duì)完成當(dāng)前任務(wù)來說是一種積極的內(nèi)部元素，能夠保證其誘發(fā)的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)作用于任務(wù)本身，因?yàn)橹挥凶饔糜趯W(xué)習(xí)任務(wù)的動(dòng)機(jī)才能在學(xué)習(xí)者工作記憶的認(rèn)知資源加工下形成相關(guān)圖式，進(jìn)而提升數(shù)字化學(xué)習(xí)效果。

（二）應(yīng)以目標(biāo)為導(dǎo)向誘發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)

不同學(xué)習(xí)任務(wù)有不同的學(xué)習(xí)目標(biāo)，針對(duì)某個(gè)特定學(xué)習(xí)任務(wù)也有不同層次的學(xué)習(xí)目標(biāo)。若為誘發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)而添加的數(shù)字化元素不以學(xué)習(xí)目標(biāo)為導(dǎo)向，則可能對(duì)學(xué)習(xí)產(chǎn)生消極影響。例如在沉浸式學(xué)習(xí)情境中學(xué)習(xí)者對(duì)于知識(shí)的理解和遷移能力強(qiáng)于記憶能力，若此時(shí)學(xué)習(xí)目標(biāo)是希望識(shí)記相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，采用沉浸式學(xué)習(xí)方法誘發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)將不利于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。因此，若需采取數(shù)字化學(xué)習(xí)方式，在不可避免地會(huì)造成學(xué)習(xí)者外在認(rèn)知負(fù)荷增加的情形下添加的數(shù)字化元素應(yīng)盡可能保證以學(xué)習(xí)目標(biāo)為導(dǎo)向，因?yàn)榻虒W(xué)設(shè)計(jì)中以不同方式誘發(fā)的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)會(huì)導(dǎo)致學(xué)習(xí)者工作記憶中的認(rèn)知資源處理不同類別的內(nèi)容。換句話說，在數(shù)字化學(xué)習(xí)情境中若想最大化學(xué)習(xí)收益，不是避免添加數(shù)字化元素、產(chǎn)生外在認(rèn)知負(fù)荷，而是應(yīng)通過正確的學(xué)習(xí)目標(biāo)導(dǎo)向來誘發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，確保學(xué)習(xí)者能夠調(diào)用足夠的認(rèn)知資源來處理與學(xué)習(xí)目標(biāo)一致的學(xué)習(xí)內(nèi)容，這樣才能真正發(fā)揮數(shù)字化學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)，不給學(xué)習(xí)者造成過多因數(shù)字技術(shù)而帶來的認(rèn)知困擾。

六、結(jié) ? 語

本研究試圖將學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)納入相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷中利用成本收益模型觀點(diǎn)修正現(xiàn)有認(rèn)知負(fù)荷理論，解釋其與數(shù)字化學(xué)習(xí)之間的矛盾沖突。根據(jù)探討，納入學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)后確實(shí)解釋了大部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但無法解釋為何數(shù)字化學(xué)習(xí)中會(huì)出現(xiàn)學(xué)習(xí)效果不升反降的情形。為盡可能全面解釋結(jié)果，優(yōu)化數(shù)字化學(xué)習(xí)，研究提出因數(shù)字化元素誘發(fā)的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)應(yīng)作用于學(xué)習(xí)任務(wù)和以目標(biāo)為導(dǎo)向兩種解決策略。當(dāng)然，因添加數(shù)字化元素產(chǎn)生的總認(rèn)知負(fù)荷不能超過學(xué)習(xí)者工作記憶所能承受的范圍，如果這些條件得到滿足，就能真正發(fā)揮數(shù)字化學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)學(xué)習(xí)者有效學(xué)習(xí)。

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Contradictions and Strategies： Learning Analytics Based on

Extrinsic Cognitive Load in Digital Learning

GAO Jie， ?PENG Shaodong

（School of Educational Science， Hunan Normal University， Changsha Hunan 410081）

[Abstract] The application of emerging technologies in education promotes the development of cognitive load theory oriented to digital learning environments. In order to resolve the contradiction between "the existing cognitive load theory， which emphasizes that instructional design should avoid adding any factors unrelated to learning in order to prevent the learning effect from decreasing due to the overload of working memory" and "the digital learning， which causes a certain external cognitive load but promotes the learning effect due to the addition of digital elements"， this study firstly discusses the existing contradictions from four digital elements： interactive learning media， disfluency effects， virtual reality situations， and redundant elements. Secondly， a two-step strategy to avoid the contradiction is proposed：（1）integrating learning motivation into the relevant cognitive load and explaining it from the perspective of the cost-benefit model; （2）the induced learning motivation acting on the learning task， and being oriented by the learning goal. By using this strategy to modify the existing cognitive load theory， this study expects to embrace emerging technologies while minimize extrinsic cognitive load.

[Keywords] Digital Learning; Extrinsic Cognitive Load; Learning Motivation; Cost-benefit Model; Contradiction