認(rèn)知負(fù)荷理論基礎(chǔ)上的移動學(xué)習(xí)資源設(shè)計策略研究

□ 司國東 宋鴻陟 趙 玉

一、引言

移動學(xué)習(xí)是一種新的學(xué)習(xí)模式，被定義為使用移動設(shè)備和無線通信技術(shù)在任何時間、任何地點獲取知識和技能[1]。移動學(xué)習(xí)的優(yōu)點包括：彈性的學(xué)習(xí)方式、改進(jìn)交流與協(xié)作能力、對不同地理位置的人提供同等的學(xué)習(xí)機(jī)會、鼓勵主動學(xué)習(xí)、加強(qiáng)學(xué)習(xí)效果的反饋、學(xué)習(xí)過程更具情境性等[2]。移動學(xué)習(xí)的缺點主要是由移動設(shè)備的技術(shù)特性引起的，例如：小屏幕、內(nèi)存小、網(wǎng)速慢、交互不便、電池待機(jī)時間短等[3]。隨著通信技術(shù)和移動技術(shù)的快速發(fā)展，除了小屏幕和交互方式外，其他的技術(shù)問題已經(jīng)逐步解決。一些研究者指出了移動設(shè)備的技術(shù)特性對學(xué)習(xí)者造成的不利影響，例如：學(xué)習(xí)者在手機(jī)上閱讀文本要比在紙上閱讀困難得多；受屏幕尺寸限制難以顯示復(fù)雜的圖像；由于缺乏鍵盤或鼠標(biāo)這樣的交互設(shè)備，交互操作比較困難等[4-6]。

總的來看，移動設(shè)備的小屏幕和交互方式會讓學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生較高的認(rèn)知負(fù)荷，這是對學(xué)習(xí)者造成不利影響和限制移動學(xué)習(xí)被廣泛使用的主要原因，也是移動學(xué)習(xí)資源設(shè)計者們必須面對的問題。從技術(shù)發(fā)展趨勢看，移動設(shè)備的小屏幕和現(xiàn)有的交互方式在短時期內(nèi)還不會有根本性的改變，要想降低這些不利影響，保證移動學(xué)習(xí)的效果，學(xué)習(xí)資源的設(shè)計至關(guān)重要。本文以認(rèn)知負(fù)荷理論為依據(jù)，詳細(xì)分析了移動學(xué)習(xí)過程中由移動設(shè)備技術(shù)特性所引發(fā)的認(rèn)知負(fù)荷來源，并以降低認(rèn)知負(fù)荷為目的，給出了一些移動學(xué)習(xí)資源設(shè)計的方法和策略，供移動學(xué)習(xí)領(lǐng)域的研究者使用參考。

二、認(rèn)知負(fù)荷理論

澳大利亞認(rèn)知心理學(xué)家約翰·斯威勒（John Sweller）在1988年提出了認(rèn)知負(fù)荷理論，經(jīng)過20多年的發(fā)展，認(rèn)知負(fù)荷理論已經(jīng)成為繼建構(gòu)主義理論之后又一個對教學(xué)設(shè)計起重要指導(dǎo)作用的心理學(xué)理論[7]。認(rèn)知負(fù)荷指的是人們在信息加工過程中需要投入的認(rèn)知資源總量。認(rèn)知負(fù)荷理論的主要基礎(chǔ)是資源有限理論和圖式理論[8]。資源有限理論認(rèn)為，人的認(rèn)知資源(主要表現(xiàn)在工作記憶容量上)是有限的（一次只能存儲大約7±2條基本信息或信息塊），而任何學(xué)習(xí)和問題解決活動都要消耗認(rèn)知資源。當(dāng)加工某種信息需要的認(rèn)知資源總量超過了人本身所具有的認(rèn)知資源總量時，就會造成認(rèn)知超負(fù)荷，影響學(xué)習(xí)的效果和效率。圖式理論認(rèn)為，知識是以圖式的形式存儲于長時記憶中的，在個體學(xué)習(xí)新知識的時候，長時記憶中的圖式可以根據(jù)所面臨的情景進(jìn)行快速而正確的歸類，這種歸類是一種自動化的加工過程，它不需要有意識控制和資源消耗，因而可以降低個體的認(rèn)知負(fù)荷。

認(rèn)知負(fù)荷按來源分為三類：內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷、外部認(rèn)知負(fù)荷和相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷[9]。內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷依賴信息材料的內(nèi)在難度、有多少組成成分和它們之間是如何影響的。當(dāng)信息材料的組成成分很多，且相互作用很復(fù)雜時，學(xué)習(xí)者的內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷會非常高[10]。外部認(rèn)知負(fù)荷依賴信息的設(shè)計方式、材料組織方式和呈現(xiàn)方式。當(dāng)信息的設(shè)計與呈現(xiàn)方式不夠友好時，學(xué)習(xí)者必須從事與信息無關(guān)的認(rèn)知加工，外部認(rèn)知負(fù)荷會增高[11]。相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷是與學(xué)習(xí)者主觀領(lǐng)域相關(guān)的信息，指學(xué)習(xí)者在圖式建構(gòu)和自動化過程中意欲投入的認(rèn)知資源的數(shù)量，它與學(xué)習(xí)者的認(rèn)知努力有關(guān)，提高學(xué)習(xí)者的相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，可以引導(dǎo)學(xué)習(xí)者利用剩余認(rèn)知資源進(jìn)行深層次的圖式建構(gòu)，是圖式建構(gòu)和自動化的工具[12]。這三類認(rèn)知負(fù)荷是疊加的，外部認(rèn)知負(fù)荷與知識建構(gòu)無關(guān)，應(yīng)盡量減少，內(nèi)部和相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷與知識建構(gòu)相關(guān)，應(yīng)作為認(rèn)知資源使用的主體。為保證學(xué)習(xí)效果，學(xué)習(xí)過程中三類認(rèn)知負(fù)荷的總量不能超過學(xué)習(xí)者個體所能承受的認(rèn)知負(fù)荷。

三、移動學(xué)習(xí)過程中的認(rèn)知負(fù)荷來源分析

在學(xué)習(xí)者使用移動設(shè)備（智能手機(jī)、PDA、平板電腦等）進(jìn)行移動學(xué)習(xí)的過程中，移動設(shè)備的屏幕尺寸、交互方式、使用環(huán)境都有可能增加學(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)荷。

移動設(shè)備的屏幕尺寸較?。ㄖ悄苁謾C(jī)和PDA3-5英寸、平板電腦5-10英寸），提供了便攜性的同時，也給學(xué)習(xí)者的信息檢索和知識傳遞帶來了一些不利的影響。在紙質(zhì)學(xué)習(xí)材料（A4幅面）或計算機(jī)（20英寸以上）上顯示為一個頁面的學(xué)習(xí)內(nèi)容，在移動設(shè)備不得不被拆分為多頁顯示，原有的材料組織方式和呈現(xiàn)方式可能會被破壞。例如：關(guān)聯(lián)性很強(qiáng)的語詞和畫面被分離顯示、結(jié)構(gòu)性被破壞甚至消失（原本具備過程性或并列關(guān)系的段落被分割在不同頁面）、較大的圖片被縮小顯示（丟失細(xì)節(jié)信息）等。為恢復(fù)被破壞的信息結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)者不得不通過工作記憶去整合被拆分的信息，并進(jìn)行一些額外的交互操作，這顯然增加了學(xué)習(xí)者的外部認(rèn)知負(fù)荷。鑒于屏幕尺寸帶來的問題，一些研究者提出了信息壓縮的方法，將學(xué)習(xí)資源中的核心部分歸納總結(jié)后顯示在小屏幕上，并且不丟失原意[13]；但另一些研究者認(rèn)為很難在壓縮信息和保留原意這兩點之間找到一個平衡[14]，這可能會使學(xué)習(xí)者花費更多的精力去重構(gòu)信息[15]，反而增加了認(rèn)知負(fù)荷。

移動設(shè)備的交互方式也會影響學(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)荷，特別是當(dāng)學(xué)習(xí)者使用的學(xué)習(xí)資源在交互設(shè)計上不規(guī)范時。移動設(shè)備多采用觸控式交互，和鍵盤鼠標(biāo)相比，這種交互方式存在一定的局限性。在文本信息輸入方面，軟鍵盤輸入速度比鍵盤慢很多，且輸入的同時屏幕會被部分遮擋；在精確定位上，用手指定位的精確度遠(yuǎn)低于鼠標(biāo)（人的手指只有點擊超過0.6cm的按鈕時才能保證精確度），容易產(chǎn)生誤操作；在頁面導(dǎo)航方面，還無法提供鼠標(biāo)滾輪或鍵盤Home和End鍵那樣的精確導(dǎo)航功能；在快捷交互方面，無法提供快捷鍵或組合鍵，相當(dāng)一部分操作只能通過多次交互完成?？偟膩砜?，當(dāng)學(xué)習(xí)者通過移動設(shè)備訪問學(xué)習(xí)資源時，移動設(shè)備的交互方式使學(xué)習(xí)者需要花費更多的時間完成交互操作，并投入更多的認(rèn)知資源，產(chǎn)生更高的外部認(rèn)知負(fù)荷。另外，移動學(xué)習(xí)的泛在特性使學(xué)習(xí)者更容易受到環(huán)境因素的干擾（如網(wǎng)絡(luò)信號差或嘈雜的外界環(huán)境等），分散注意力。

四、移動學(xué)習(xí)資源的設(shè)計策略

從認(rèn)知負(fù)荷的角度看，為保證移動學(xué)習(xí)的效果，認(rèn)知負(fù)荷的總量不能超過學(xué)習(xí)者個體所能承受的認(rèn)知負(fù)荷。因此，在學(xué)習(xí)資源的設(shè)計上，一方面應(yīng)該選擇合適的學(xué)習(xí)內(nèi)容，設(shè)計結(jié)構(gòu)良好的學(xué)習(xí)對象，降低內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷；另一方面應(yīng)該根據(jù)移動學(xué)習(xí)和移動設(shè)備的特點，有針對性地進(jìn)行界面設(shè)計和交互設(shè)計，降低外部認(rèn)知負(fù)荷。

（一）學(xué)習(xí)內(nèi)容的選擇

什么樣的學(xué)習(xí)內(nèi)容適用于移動學(xué)習(xí)，這個問題并沒有標(biāo)準(zhǔn)化的答案。從認(rèn)知負(fù)荷的角度看，移動學(xué)習(xí)的特點是外部認(rèn)知負(fù)荷較高。因此，學(xué)習(xí)資源的建設(shè)根據(jù)學(xué)習(xí)者的群體特性，選擇那些內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷較低（結(jié)構(gòu)簡單，難度較低）的學(xué)習(xí)內(nèi)容，這樣才能保證較好的學(xué)習(xí)效果。也就是說學(xué)習(xí)者的群體特性是影響認(rèn)知負(fù)荷的一個重要因素，以閱讀為例，閱讀的難易程度除了閱讀材料自身以外，還取決于讀者的背景知識，讀者對閱讀內(nèi)容的背景知識了解得越多，閱讀難度就越低[16]。

移動教育應(yīng)用的市場現(xiàn)狀似乎可以證明這一點（數(shù)據(jù)來源于《Ambient Insight’s 2012 Learning Technology Research Taxonomy》）：美國銷量最高的移動學(xué)習(xí)產(chǎn)品是為兒童設(shè)計的教育游戲和為老齡人口設(shè)計的腦力游戲；德國是英語和西班牙語學(xué)習(xí)應(yīng)用；韓國是英語學(xué)習(xí)測驗；印度的法語和漢語學(xué)習(xí)應(yīng)用排在前列；臺灣地區(qū)排在前三位的移動應(yīng)用是托業(yè)測驗、傳統(tǒng)漢語學(xué)習(xí)和日語學(xué)習(xí)；印度尼西亞用戶喜歡購買語言學(xué)習(xí)類產(chǎn)品，如中文、越南語、英語、阿拉伯語和波斯語；土耳其的消費者購買希臘語、英語、日語的語言學(xué)習(xí)產(chǎn)品，以及少兒教育類產(chǎn)品；在尼日利亞，消費者更喜歡西班牙語和漢語學(xué)習(xí)產(chǎn)品；俄羅斯銷量最高的是語言學(xué)習(xí)和天文產(chǎn)品[17]。從蘋果公司最新的App Store教育軟件銷售排名看，國內(nèi)的用戶更喜歡少兒教育類產(chǎn)品和語言類產(chǎn)品，如圖1所示。綜合來看，整個移動學(xué)習(xí)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的還是語言學(xué)習(xí)類和少兒教育類產(chǎn)品。這些產(chǎn)品共同的特點是目標(biāo)用戶群體大、內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷低（學(xué)習(xí)內(nèi)容比較簡單，學(xué)習(xí)單元長度較短）。

圖1 iTunesApp Store上的教育類軟件排名（采集于2012-12-28）

（二）學(xué)習(xí)對象設(shè)計

確定了學(xué)習(xí)內(nèi)容之后，下一步的工作應(yīng)該是根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容設(shè)計學(xué)習(xí)對象。學(xué)習(xí)對象是模塊化的、自包含的、“具有教育單元意義”的數(shù)字化學(xué)習(xí)資源，具有可重用、可定制化的特點[18]。在設(shè)計移動學(xué)習(xí)資源的學(xué)習(xí)對象時，應(yīng)盡量使用小粒度（單個學(xué)習(xí)對象的大?。┑脑O(shè)計策略。這種設(shè)計一方面使學(xué)習(xí)對象中知識內(nèi)容的組成成分和相互作用關(guān)系減少，內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷較低；另一方面，單次學(xué)習(xí)的時間較短，學(xué)習(xí)者無論能力高低，都能比較容易地控制學(xué)習(xí)進(jìn)度和分配認(rèn)知資源，也能減少外界環(huán)境對學(xué)習(xí)造成干擾的可能性。建設(shè)小粒度學(xué)習(xí)對象的方法有兩大類：一類是顧小清等提出的微型學(xué)習(xí)資源方法，以較小的學(xué)習(xí)單元或時間較短的學(xué)習(xí)活動為資源建設(shè)的目標(biāo)[19]，這也是筆者推薦使用的方法；另一類方法類似于早期小屏幕設(shè)備上Web頁面的轉(zhuǎn)換方法，將學(xué)習(xí)對象中大段的知識內(nèi)容通過歸納總結(jié)的方法轉(zhuǎn)換為較少的內(nèi)容，并且要保證不丟失主體性信息[20]，但這種方法實施起來有一定難度，也有一些研究質(zhì)疑這種方法的有效性[21]，需要謹(jǐn)慎使用。學(xué)習(xí)對象的小粒度設(shè)計策略也存在健康方面的考慮，較短的學(xué)時可以避免長時間注視小屏幕對學(xué)習(xí)者視力造成的不良影響。

學(xué)習(xí)對象作為一個獨立封裝的學(xué)習(xí)資源，除了主體的知識內(nèi)容外，還可以包含學(xué)習(xí)目標(biāo)、練習(xí)、測評、反饋等輔助性內(nèi)容。從圖式理論角度看，在展示學(xué)習(xí)對象的知識內(nèi)容之前，可以考慮提前給予學(xué)習(xí)者一些相關(guān)的提示性信息（中心思想、組織結(jié)構(gòu)等），這些提示信息將會成為學(xué)習(xí)者的先存知識，能讓學(xué)習(xí)者在后續(xù)學(xué)習(xí)過程中更準(zhǔn)確、更有目的性地分配認(rèn)知資源進(jìn)行圖式構(gòu)建，應(yīng)該可以降低認(rèn)知負(fù)荷。常用的信息提示方法包括：提前展示學(xué)習(xí)目標(biāo)或課前想一想等提示性文字[22]、閱讀前指導(dǎo)和概念圖等。閱讀前指導(dǎo)指的是在學(xué)習(xí)者開始閱讀之前先給予他們一些指導(dǎo)性信息（例如給出一些有針對性的問題或要求他們帶有某種目的去閱讀），讓他們把注意力集中在文本中某些特定的部分，或者幫助他們避開某些不重要的部分，從而改善他們對特定內(nèi)容的記憶效果，教育心理學(xué)領(lǐng)域的大量研究證明了這種方法的有效性[23-25]。概念圖是以知識表述和組織的一種圖形表示方法，主要用來表示概念間的相互關(guān)系，由節(jié)點、連接和說明文字等組成[26]。概念圖是一種有效的可視化認(rèn)知工具，除了能用于提前展示概念間關(guān)系外，也能作為一種內(nèi)容導(dǎo)航工具，用于網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和移動學(xué)習(xí)。

（三）界面設(shè)計和交互設(shè)計

界面設(shè)計和交互設(shè)計要遵循人機(jī)交互的基本原理和多媒體學(xué)習(xí)資源設(shè)計的基本原則。界面設(shè)計的主要工作是根據(jù)學(xué)習(xí)資源的特點，選擇合適的信息呈現(xiàn)方法。交互設(shè)計的主要工作是為學(xué)習(xí)者和學(xué)習(xí)資源之間的交互提供一套簡捷高效的操作方法。這兩種設(shè)計實際上是相輔相成的，一般需要通盤考慮。針對移動學(xué)習(xí)的特點，筆者給出以下幾條設(shè)計建議：

1.分頁顯示

文本信息應(yīng)盡量使用分頁顯示（給出頁碼），避免使用滾動條（Scrollbar）或上下滑動的顯示方式。以學(xué)習(xí)為目的的信息獲取和一般意義的信息獲取在導(dǎo)航方式上差別較大，學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中為了實現(xiàn)對學(xué)習(xí)內(nèi)容的分類、歸納、關(guān)聯(lián)、識記，常常會對一些特定文本的空間位置創(chuàng)建心理表征，并通過這些空間位置在不同文本片段之間進(jìn)行導(dǎo)航[27]，這種導(dǎo)航方式往往是跳躍的、非線性的。相對于使用滾動條或滑動的顯示方式，信息分頁顯示時，學(xué)習(xí)者對某個特定文本的空間位置（具體頁碼）和相對位置（某一頁中具體位置）更加敏感，并且翻頁操作是一種可預(yù)知的精確操作，這些都有利于學(xué)習(xí)者快速地完成導(dǎo)航操作。

2.彈出式菜單和手勢定義

小屏幕設(shè)備的可視區(qū)域越大，用戶在信息檢索時的性能和滿意度就越高[28]。界面設(shè)計上應(yīng)該為學(xué)習(xí)內(nèi)容提供盡可能大的可視空間，顯示盡可能少的可視控件（例如按鈕）。筆者建議結(jié)合使用彈出式菜單（隱藏式菜單）和手勢定義（輕敲、雙擊、拖動、滑動、捏、展開、按、旋轉(zhuǎn)等），常用的功能操作（前后翻頁、回目錄等）用手勢定義，不常用的操作選項保存在彈出式菜單中。

3.多層顯示技術(shù)

理查德.E.邁耶（Richard E.Maye）在其著作《多媒體學(xué)習(xí)》中提出了多媒體學(xué)習(xí)資源的空間接近原則：“當(dāng)書頁或屏幕上對應(yīng)的語詞與畫面彼此接近時，學(xué)習(xí)者就不必使用認(rèn)知資源在書頁或屏幕上搜尋，并且更有可能將它們同時保持在短時記憶中。而當(dāng)書頁或屏幕上對應(yīng)的語詞與畫面彼此遠(yuǎn)離時，學(xué)習(xí)者必須使用認(rèn)知資源在書頁或屏幕上搜尋。這樣，學(xué)習(xí)者就不太可能將兩者同時納入短時記憶”[29]。語詞與畫面同時出現(xiàn)也符合邁耶的雙通道假設(shè)理論，文字模型與視覺模型的整合在大多數(shù)情況下能起到更好的學(xué)習(xí)效果。在移動學(xué)習(xí)資源的建設(shè)過程中，由于屏幕尺寸較小，一些關(guān)聯(lián)密切的語詞與畫面很有可能無法顯示在同一頁面，這違背了空間接近原則，產(chǎn)生額外的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，也無法應(yīng)用雙通道信息傳遞方式。

筆者建議使用多層信息顯示技術(shù)改善這一問題，降低由于信息分離所導(dǎo)致的認(rèn)知負(fù)荷。多層顯示技術(shù)能讓學(xué)習(xí)者通過交互的方式訪問多層信息，同時又不丟失當(dāng)前關(guān)注焦點的上下文信息，能部分地降低學(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)荷?？梢詫崿F(xiàn)多層顯示的技術(shù)包括Over?view+Detail技術(shù)、焦點與上下文技術(shù)、半透明技術(shù)、彈出式窗口技術(shù)。

Overview+Detail技術(shù)提供一個能訪問全部信息空間的整體性視圖（Overview）和部分信息的細(xì)節(jié)性視圖（Detail），用戶通過Overview視圖在信息空間內(nèi)導(dǎo)航(如圖2所示)。當(dāng)整個信息空間遠(yuǎn)大于屏幕尺寸，且信息空間不能被分離顯示時，Overview+Detail技術(shù)是一個很好的選擇。

焦點與上下文技術(shù)將用戶關(guān)注的焦點放大，將上下文信息按比例縮小。它的特點是展示焦點細(xì)節(jié)的同時，不丟失焦點的上下文信息。焦點放大的方式包括物理放大和語義放大，物理放大能展示焦點更清晰的細(xì)節(jié)（例如放大顯示圖片的某一部分），語義放大則顯示焦點的更豐富的語義信息，如圖3所示（可以是圖片或文字）。

圖3 焦點與上下文技術(shù)示例圖

半透明技術(shù)和彈出式窗口技術(shù)的方法比較相似，當(dāng)用戶點擊屏幕上的焦點時，使用半透明信息層或彈出式窗口顯示焦點所對應(yīng)的相關(guān)信息，如圖4所示。需要注意的是，在顯示多層信息時，半透明技術(shù)的前景層（半透明層）和背景層之間會相互干擾，而彈出式窗口的前景層則會完全遮擋背景層，這兩種技術(shù)都有可能影響學(xué)習(xí)者的信息獲取，使用時要盡量避免遮擋用戶關(guān)注焦點的上下文信息。

圖4 半透明技術(shù)示例圖

4．簡單交互

學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)資源的交互應(yīng)該盡量使用簡單的交互操作，減少學(xué)習(xí)者為交互操作投入的認(rèn)知資源。學(xué)習(xí)者與正在使用的學(xué)習(xí)對象之間應(yīng)盡量使用一步交互（一次手勢操作）。學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)資源的不同部分間導(dǎo)航時，使用兩步交互（進(jìn)入導(dǎo)航頁面，選擇導(dǎo)航目標(biāo)）。當(dāng)需要學(xué)習(xí)者輸入信息時，盡量減少使用軟鍵盤，下拉列表或自動完成都是比較好的選擇。

五、結(jié)語

學(xué)習(xí)資源的研究一直是教育技術(shù)研究的重點。移動設(shè)備在提供便攜性和泛在特性的同時，也讓學(xué)習(xí)者產(chǎn)生了更高的認(rèn)知負(fù)荷，對設(shè)計優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)資源提出了更高的要求。本文從認(rèn)知負(fù)荷的角度，介紹了移動學(xué)習(xí)資源設(shè)計的一些策略和方法，希望能起到拋磚引玉的作用，為移動學(xué)習(xí)的理論研究和資源建設(shè)提供一種新的視角。

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