基于認知負荷理論的計算機實訓教學設計

李 靜，韓起云

(重慶第二師范學院 數(shù)學與信息工程系，重慶 400067)

1 引言

目前，全國各高校都在進行實訓教學改革，在教學模式上基本采用了項目教學。具體到計算機軟件技術專業(yè)來說，軟件開發(fā)崗位決定了軟件開發(fā)要遵循軟件開發(fā)過程體系，所以軟件專業(yè)課程的設置和實現(xiàn)需要按軟件開發(fā)過程體系來實施，特別是實訓課程，更要按照軟件開發(fā)過程來進行，這就需要實現(xiàn)規(guī)范的過程管理和質量保證。只有課程體系的開發(fā)，進行校企合作或引入企業(yè)案例的各類課程改革，而沒有好的實施保證, 就得不到預期的結果。

傳統(tǒng)的軟件實訓課程包括課程設計、項目設計、畢業(yè)設計等。雖然有些實訓課程引入了企業(yè)項目，但由于項目周期短、沒有切實可行的項目計劃、缺少項目監(jiān)控、風險管理、項目評審、項目的度量與分析,導致大部分項目實訓是失敗的。學生只注重功能如何實現(xiàn)，缺少項目是如何分析、設計、測試、管理等。這與真實的軟件開發(fā)相距甚遠。但如果實訓中加入了設計管理等環(huán)節(jié)，將使學習的復合性和復雜性大大提升，影響學生的實訓效果。

2 基礎理論

認知負荷理論(Cognitive Load Theory，CLT)是由澳大利亞新南威爾士大學的認知心理學家約翰·斯威勒(John Sweller)以穆勒(Miller)等人早期的研究為基礎于1988年首先提出來的。CLT假設人類的認知結構由工作記憶和長時記憶組成，其中工作記憶也稱為短時記憶，它的容量是有限的，一次只能存儲7±2條基本信息或信息塊。在處理信息時，工作記憶一次只能處理2-3條信息，因為存儲在其中的元素之間的交互也需要工作記憶空間，這就減少了能同時處理的信息數(shù)。長時記憶是學習的中心。如果長時記憶中的內容沒有發(fā)生變化，則不可能發(fā)生持久意義上的學習。CLT認為教學的主要功能是在長時記憶中存儲信息。知識以圖式的形式存儲于長時記憶中，圖式根據(jù)信息元素的使用方式來組織信息，提供知識組織和存儲的機制，可以減少工作記憶負荷。

CLT認為有三種類型的認知負荷：內在認知負荷、外在認知負荷和關聯(lián)認知負荷。內在認知負荷是指由元素間交互形成的負荷，取決于所學材料本身與學習者專業(yè)知識之間的交互。外在認知負荷是超越內在認知負荷的額外負荷。關聯(lián)認知負荷是指與促進圖式構建和圖式自動化過程相關的負荷。

CLT認為，教學干預無法改變內在認知負荷，因為它是由材料本身所決定的。但是外在認知負荷與關聯(lián)認知負荷則可由教學設計來決定。雖然二者都可因教學干預而改變，但外在認知負荷是由教學設計的缺損所造成的額外的認知加工引起的，而關聯(lián)認知負荷則是由圖式建構引發(fā)的心理努力。學習的本質是由外在認知負荷向關聯(lián)認知負荷轉化的過程，所以為了促進有效學習的發(fā)生，在教學過程中應盡可能減少外在認知負荷，增加關聯(lián)認知負荷，并且使總的認知負荷不超出學習者個體所能承受的認知負荷范圍。同時，學習作為一項復雜的認知技能，學習材料之間具有一定的相關性，學習本身具有內在認知負荷，如果學習元素之間的聯(lián)系過于復雜，會導致認知負荷的增加。三種類型的認知負荷是相互疊加的。研究表明，過低或過高的認知負荷都會降低學習的效果；只有認知負荷恰當適中，才會對學習產生積極效果。所以，有效的教學設計就是要把學習者的認知負荷控制在一定范圍之內。

學習的目的在于實現(xiàn)知識遷移，即學習者能夠在各種各樣的現(xiàn)實情境中完成復雜任務。教學設計的目的是幫助學習者掌握任務的認知邏輯規(guī)則，以便達到更好的遷移效果。外在認知負荷依賴于教學設計材料的組織和呈現(xiàn)方式。當信息設計不好時，學習者必須進行無關的或無效的認知加工；當信息設計良好時，外在認知負荷最小。文獻[2]認為內在認知負荷與學習材料的復雜性和學習者專業(yè)水平之間的關聯(lián)程度有關。好的教學設計不僅可以減少學習者的外在認知負荷，也可以分解并減輕學習材料的內在認知負荷。馮曼利伯等指出，內在認知負荷的減輕可以通過構建從簡單到復雜的認知序列達成。文獻[3]認為不能從最難的學習任務開始一門課程的學習，因為這會給學習者造成過多的認知負荷。在實際問題的解決過程中，教師應該把復雜問題分解成從簡單到復雜的認知序列，降低學習材料的內在認知負荷，使學習者能夠從簡單入手，循序漸進、逐漸過渡到難度較大的學習任務。當學習者學習難度較大的任務時，教師需要給他們必要的指引和支持；隨著學習者知識獲得的增加，這種支架式的支持逐漸減少，從而使教師的指導從“扶”到“放”，最后撤去支架。對于軟件項目開發(fā)，學習者通常在團體協(xié)作環(huán)境中學習，遵循復雜的流程，存在各種干擾因素，需要拿出一定的認知負荷處理與環(huán)境相關的信息，因此造成了認知負荷的增加，這就更需要通過好的教學設計來達到減輕學習認知負荷的目標。

3 教學設計策略

為避免教學中學生認知負荷總量超過其工作記憶容量, 認知負荷理論的教學原理就是: 盡可能降低學生的內在認知負荷和外在認知負荷；并在確保工作記憶資源有所盈余的前提下, 適當引導學生投入更多的心理努力(Mental Effort), 提高其相關認知負荷, 實現(xiàn)圖式的獲得與規(guī)則的自動化。如前所述, 教學活動中學生內在認知負荷與教學材料的特點和學生的認知水平有關, 外在認知負荷與教學材料的呈現(xiàn)方式和教學設計水平有關, 相關認知負荷與學生的認知努力(Mental Effort)有關。為此，我們可以采取以下策略來優(yōu)化教學活動中學生的認知負荷結構，提高教學效果。

(1)先行組織者策略

社會策略主要就是懂得合作式學習。學校和教師都應為大學生提供良好的合作學習平臺。學校應舉辦豐富多彩的英語活動，例如，英語角、英語咖啡屋、英語話劇比賽、英語配音比賽、英語聽寫大賽、英語辯論賽和英語演講比賽等活動，為學生提供更多與他人學習和交流英語的機會，展現(xiàn)英語水平。學生在與他人交流的過程中也能增強自信。同時，教師在課堂上要擯棄填鴨式的傳統(tǒng)教學方法，堅持以學生為中心，在教學內容和教學任務的安排上為學生提供更多的鍛煉機會，鼓勵學生嘗試。學生也應該積極配合教師的安排，主動爭取鍛煉英語的交流機會。教師要多表揚學生的參與行為，使學生獲得成就感，激發(fā)社交熱情，促進合作式學習的開展，提高英語水平。

運用先行組織者(Advance Organizer)策略， 改變學生的認知準備狀態(tài)。人們對新知識的理解總是建立在自身原有的認知結構(Cognitive Construct ion)的基礎上的, 當原有認知結構對新知識有支撐作用時，就相對容易理解新知識； 相反，如果原有認知結構中缺乏支撐新知識的內容或原有認知結構中的相關知識未被激活，對新知識的理解將變得相對困難。在軟件項目中，教師應該通過先行組織者策略，在新的學習任務開始之前, 呈現(xiàn)給學生比當前學習任務更高一層的抽象性和包攝性的引導性材料，從而激活其認知結構中與新知識相關的知識內容，為學習新知識做好認知準備，這樣就避免了在學習新知識的同時，還要到長時記憶中去搜索相關知識的認知負擔, 從而減輕外在認知負荷。

(2)樣例策略

呈現(xiàn)具有詳細解答步驟的樣例，讓學習者通過樣例學習, 歸納出隱含的抽象知識來解決新問題。雖然自由目標問題可以作為傳統(tǒng)練習或習題的一種替代， 但它僅僅應用在較小的問題空間中。當問題空間很大時，采用樣例學習，既能降低外在和內在認知負荷，又能夠有效地促進圖式獲得和規(guī)則自動化。

給出一個完整軟件項目的具體樣例，包括各種管理設計文檔和代碼，除了少數(shù)關鍵知識點，讓學習者自行歸納出隱含的抽象知識來解決新項目的新問題。

(3)完成問題策略

呈現(xiàn)給學習者沒有完成解答的樣例，讓學習者根據(jù)題目要求而完成樣例。完成問題既可以降低外在負荷，又能夠促使學習者仔細研讀樣例，增加有效負荷。

對軟件項目來說，給出部分模塊的部分代碼，可以激發(fā)學生探索的欲望，提高學習興趣和積極性，促使學習者完成任務。

(4)注意集中策略

學習者在學習過程中必須參照多元表征的信息并加以整合才能理解，所以多元表征的信息最好在空間上鄰近、時間上同時呈現(xiàn)，否則學習者將注意分散至搜索相關信息中，而浪費整合信息需要的資源，無形增加外在負荷。

軟件項目開發(fā)既要強調編碼技能，又要注重規(guī)范流程，二者必須相輔相成，在時間和空間上緊密聯(lián)系。比如編碼與測試，就需要相互融合，不能截然分開。

(5)冗余策略

學習者在面對多元表征的信息來源時，如果單一的信息呈現(xiàn)即可傳達完整且明確的信息意義，即可以獨立呈現(xiàn)，無需互相參照多元表征即能理解，否則增加外在負荷。例如，當文字以敘述方式單獨呈現(xiàn)時，學習者對呈現(xiàn)材料的理解要比同時以敘述和屏幕文本方式呈現(xiàn)要好，這里以屏幕方式呈現(xiàn)的文本信息就是多余的，應該被清除掉。

軟件項目開發(fā)的各個知識點有些關聯(lián)密切，也有的具有相對獨立性，比如一些功能開發(fā)，這時應注意去除冗余信息，幫助學習者理解知識點。

(6)通道策略

以不同的感官通道(主要是視覺、聽覺)呈現(xiàn)信息，可以擴展工作記憶的負荷。由于工作記憶本身包括相對分離的視空間感覺登記和聽覺感覺登記，表情具有分列式注意方式這一特征，因而無論是在時空上連續(xù)的還是分離的學習都會增加外在負荷。因此，若能同時使用不同的感官通道，既可降低外在負荷，又促進學習者對多元表征的信息之間建立聯(lián)系，增加有效負荷。

軟件項目開發(fā)中，經常開展各種評審討論活動，用豐富的圖表和詳盡的講解同時進行，刺激不同的感官通道，可以讓學習者了解項目的各種度量，不斷調整開發(fā)的進度和策略。

(7)部分任務與整體任務策略

部分任務策略是指先呈現(xiàn)部分任務，然后依次呈現(xiàn)其余任務，最后呈現(xiàn)整體任務。Catrambone提出的子目標方法[4]、Mayer 等提出的分割( segmentation)技術和預演( pre-t raining )技術[5]等主要屬于這類策略。子目標方法是指采用附加一個標簽或視覺分離方法，分解總學習任務為一些有意義的觀念性片段的子任務。子目標分解了總目標， 并構成有語義的信息組塊，從而降低學習任務的內在負荷；另外，子目標內部之間、子目標與總目標的內在聯(lián)系，可能會促進學習者對此整合進行自我解釋, 導向學習者有意義建構問題圖式，產生更多的有效負荷。分割技術，即將學習任務分割成系列片段，并依次呈現(xiàn)。這樣既降低內在認知負荷，又留給學習者一定時間分步深層加工學習任務。而預演技術主要是在呈現(xiàn)學習任務之前，讓學習者先接受與學習任務相關的預先指導或先行組織者?？傊?，呈現(xiàn)部分任務，從總體上降低了樣例學習的內在負荷，有利于部分圖式的形成。

整體任務策略是指首先抽取任務本身包含的元素， 接著將元素壓縮成組塊或信息單元并加以呈現(xiàn)，或逐漸釋放元素，直至呈現(xiàn)整體任務。

可以把軟件項目分割成一個個較小的模塊，每個模塊的封裝性要好，要具有單元的相對獨立性。同時教學單元要短小精悍，時間最好控制在20-30分鐘左右。

各個策略是相互聯(lián)系的，考慮其交互作用, 有利于優(yōu)化信息，最小化外在負荷。譬如, 從通道策略看, 應整合視覺表征和聽覺表征信息, 學習任務的呈現(xiàn)模式應該采用雙重表征，以產生通道效應。但如果任務的信息呈現(xiàn)不滿足空間臨近效應或時間臨近效應出現(xiàn)的條件，將分散學習者的注意, 導致外在負荷增大, 產生分散注意效應。另外，隨著學習者對任務有一定程度的理解，如果后面的任務仍然以雙重表征的方式呈現(xiàn)，會發(fā)生冗余效應。這不僅增加外在負荷，甚至激發(fā)學習者的厭煩情緒而降低有效負荷。

學習任務的復雜性和學習者的先行知識經驗是影響各個策略出現(xiàn)的重要變量, 考慮到學習任務的特征與學習者特征，降低外在負荷更有針對性。學習任務的復雜性不同，各個策略出現(xiàn)程度不同。譬如，對于簡單性學習任務來說，有些策略可能意義不大，而對復雜性任務，各種策略也許同時發(fā)生作用, 而且可能存在交互作用。先行知識經驗不同的學習者對各個策略的敏感性可能存在顯著差異。譬如，知識經驗少的學習者比知識經驗多的學習者表現(xiàn)出更多的通道策略和空間鄰近策略。今后研究需要進一步明晰各個策略所依賴的條件，不僅僅考慮學習任務的信息呈現(xiàn), 而且探索影響學習的各種因素，綜合考慮各種策略的相互作用，為不同學習任務、不同學習者提供優(yōu)化的教學信息，降低認知負荷。

4 教學設計框架

以“ASP 項目實訓”這門課程為例，以下簡要描述其教學設計框架。

表1 項目設計

實踐證明，通過引入認知負荷理論策略，學習者在軟件項目實訓中提高了對復雜知識的理解能力，較好地完成了任務。

5 結束語

按照應用型教育的要求，結合當前我國高校學生的具體情況，進行計算機實踐教學的研究迫在眉睫。針對這種情況，應對高校計算機實踐教學方式方法進行反思，探討進行計算機實踐教學改革。在計算機實訓課程中改革傳統(tǒng)的教學模式，將認知負荷理論導入到計算機軟件專業(yè)實訓課程設計中，改革了軟件實訓過程，提升了實訓質量，提高了學生實踐應用能力。提高學生的相關認知負荷，關鍵是要激發(fā)學生的學習動機(尤其是內部動機)，使學生加大自身的認知努力。為此，教育者要通過多種途徑和手段，把社會和教育者向學生提出的學習要求轉化為學習者內在的學習需要。

參考文獻：

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