基于認知負荷理論的微課視頻設(shè)計與應(yīng)用研究

馮小燕，王志軍，李睿蓮，厲飛飛

(1.河南科技學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003; 2.天津師范大學(xué) 教育科學(xué)學(xué)院，天津 300387)

基于認知負荷理論的微課視頻設(shè)計與應(yīng)用研究

馮小燕1,2，王志軍2，李睿蓮1，厲飛飛2

(1.河南科技學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003; 2.天津師范大學(xué) 教育科學(xué)學(xué)院，天津 300387)

微課視頻在教學(xué)中的應(yīng)用日益廣泛，但在設(shè)計與制作時存在教學(xué)設(shè)計不足、知識點切分不到位、對學(xué)生認知特點和學(xué)習(xí)需求分析不足等問題。本研究對理論進行梳理后提出通過降低內(nèi)在認知負荷、減少外在認知負荷和增加相關(guān)認知負荷的策略提高微課視頻的質(zhì)量和應(yīng)用效果；在此基礎(chǔ)上，以認知負荷理論為指導(dǎo)，對“思維導(dǎo)圖及其制作”微課視頻進行設(shè)計，并進一步開展了應(yīng)用效果的對比實驗。結(jié)果表明，基于認知負荷理論設(shè)計制作的微課視頻可以有效提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果。

微課視頻設(shè)計； 認知負荷； 學(xué)習(xí)效果

0 引 言

有關(guān)微課的定義，不同學(xué)者從不同視角進行了闡述。胡鐵生認為微課是以教學(xué)視頻為主要載體，反映教師在教學(xué)過程中某個知識點或環(huán)節(jié)中開展的各種教學(xué)資源的有機整合[1]。焦建利認為微課是以闡釋某一知識點為目標，以學(xué)習(xí)或教學(xué)應(yīng)用為目的，短小精悍的在線教學(xué)視頻；黎加厚認為微課是目標明確，內(nèi)容短小，問題相對單一的10 min以內(nèi)的小課程，以教學(xué)視頻為主要載體[2]?？梢钥闯龈鲗W(xué)者對微課核心組成和主要特點的界定十分相似，即教學(xué)視頻是微課的核心組成部分，知識點突出，是十分有效的教學(xué)和學(xué)習(xí)資源。

微課視頻作為微課資源的核心組成部分，其質(zhì)量高低在很大程度上影響著微課的學(xué)習(xí)效果。但從教學(xué)設(shè)計、內(nèi)容適切性和應(yīng)用效果角度分析已有的微課資源和參賽作品，發(fā)現(xiàn)微課視頻開發(fā)與應(yīng)用中存在的問題主要有：① 缺少精心設(shè)計與制作技法處理，將微課視頻變成了課堂或教材的翻版，沒有根據(jù)微課特點對知識點進行分解。② 將任意類型的教學(xué)內(nèi)容制作成微課視頻，沒有根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的適切性進行選擇。③ 呈現(xiàn)的知識點存在細化與切分不足或不當?shù)膯栴}。④ 對學(xué)習(xí)者需求和認知特點分析不足，雖制作精良但沒有起到應(yīng)有的效果，這些問題得不到有效解決將導(dǎo)致微課視頻在實際應(yīng)用中的滿意度下降，影響學(xué)習(xí)效果。因此，微課視頻在設(shè)計與制作時應(yīng)符合學(xué)習(xí)者的認知規(guī)律，富有吸引力；同時遵循多媒體畫面語言規(guī)則，要素設(shè)計既豐富生動，又和諧簡潔[3]。有關(guān)微課視頻的內(nèi)容選取、教學(xué)設(shè)計、畫面設(shè)計、知識表達等應(yīng)成為關(guān)注的重點[4]。

1 認知負荷理論

建立在信息加工心理學(xué)基礎(chǔ)上的認知負荷理論，其存在的基礎(chǔ)是人類信息加工容量的有限性[5]。斯韋勒(Sweller)以資源有限理論、工作記憶理論和圖式理論為基礎(chǔ)，認為認知負荷是指在一個特定學(xué)習(xí)時間內(nèi)施加于個體認知系統(tǒng)的心理活動總量[6]。認知負荷的產(chǎn)生與具體任務(wù)相關(guān)，需要工作記憶中的有限認知資源的參與，認知負荷的大小成為能否有效解決問題及獲得圖式的重要影響因素。

認知負荷分為內(nèi)在認知負荷、外在認知負荷和相關(guān)認知負荷3類，三者之和為認知負荷總量。其中內(nèi)在認知負荷主要受學(xué)習(xí)材料復(fù)雜性和學(xué)習(xí)者原有知識水平的影響；外在認知負荷又稱為無關(guān)認知負荷，一般是由教學(xué)設(shè)計或教學(xué)活動的不當所造成的額外的認知加工所引起的；相關(guān)認知負荷是由學(xué)習(xí)者在圖式建構(gòu)和自動化過程中投入的認知資源數(shù)量，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者把認知資源分配到學(xué)習(xí)活動上去。相關(guān)認知負荷受到外在認知負荷、內(nèi)在認知負荷和總的認知負荷的影響[7]。

2 基于認知負荷理論的微課視頻設(shè)計規(guī)則

在認知負荷理論指導(dǎo)下進行優(yōu)化設(shè)計，微課視頻的上述問題有望得到較好的解決?？梢詮慕档蛯W(xué)習(xí)者的內(nèi)在認知負荷，減少外在認知負荷，提高相關(guān)認知負荷，促進學(xué)習(xí)者的深層次認知加工方面加以考察。

2.1降低內(nèi)在認知負荷

微課視頻并不適應(yīng)于所有的教學(xué)內(nèi)容，對于適應(yīng)于微課視頻的教學(xué)內(nèi)容，其內(nèi)在認知負荷較低，學(xué)習(xí)效果較好；不適應(yīng)于微課視頻的教學(xué)內(nèi)容采用微課視頻的方式教學(xué)，反而會增加學(xué)習(xí)者內(nèi)在認知負荷，影響學(xué)習(xí)積極性和效果。如果呈現(xiàn)的內(nèi)容過多或過于復(fù)雜則會使學(xué)習(xí)認知負荷超載。微課視頻對知識點細化不足或切分不當，增加了學(xué)習(xí)者的內(nèi)在認知負荷。降低內(nèi)在認知負荷的策略包括：① 根據(jù)教學(xué)內(nèi)容選擇微課視頻，讓合適的內(nèi)容借助微課視頻呈現(xiàn)，有效降低學(xué)習(xí)者的內(nèi)在認知負荷。② 學(xué)習(xí)內(nèi)容越多，任務(wù)越復(fù)雜，對學(xué)習(xí)者的認知加工的要求就越高，所占用的認知資源達到一定的量就會超負荷[8]。在學(xué)習(xí)復(fù)雜內(nèi)容之前，應(yīng)對其進行適當?shù)姆纸猓植綄嵤?，循序漸進；在掌握到一定程度后可適當增加復(fù)雜的知識內(nèi)容，促進知識的有意義建構(gòu)，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量和效率。

2.2減少外在認知負荷

設(shè)計不良的微課視頻會占用學(xué)習(xí)者的認知資源，增加外在認知負荷[9]。在微課中添加一些吸引學(xué)習(xí)者注意但與學(xué)習(xí)內(nèi)容無關(guān)的元素、相關(guān)信息的分離、信息傳遞通道的選擇不當或不足、學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)目標不明確等[10]，都會使學(xué)習(xí)者分出不必要的認知資源，增加外在認知負荷。降低外在認知符合的策略有：① 充分考慮學(xué)習(xí)者的先前經(jīng)驗，考慮不同學(xué)習(xí)者的知識水平和能力層次。② 明確教學(xué)目標，將學(xué)習(xí)者的注意力引向與學(xué)習(xí)緊密相關(guān)的內(nèi)容，促進知識的深度加工。③ 在使用多種媒體元素來呈現(xiàn)同一或相關(guān)的知識內(nèi)容時，應(yīng)避免將相關(guān)元素分開而增加學(xué)習(xí)者外在認知負荷。④ 盡量注意減少冗余信息，避免干擾學(xué)生注意力的分配。

2.3增加相關(guān)認知負荷

學(xué)習(xí)者的相關(guān)認知負荷有利于促進學(xué)習(xí)，應(yīng)適度增加微課視頻的相關(guān)認知負荷，提高學(xué)習(xí)效果。微課視頻的信息承載量應(yīng)適當，以提高相關(guān)性認知負荷，優(yōu)化學(xué)習(xí)過程達到更好的學(xué)習(xí)效果。微課視頻制作中增加相關(guān)認知符合的策略有：① 創(chuàng)設(shè)接近現(xiàn)實任務(wù)的情境，促進學(xué)習(xí)者對其進行有意義建構(gòu)與加工，提高問題解決的能力。② 注意多通道原則的運用，當信息呈現(xiàn)形式單一時，學(xué)習(xí)者認知加工時會出現(xiàn)部分認知資源閑置而造成浪費，應(yīng)綜合利用視聽觸覺等多種通道，有效提高工作記憶的使用情況。③ 有效利用樣例提高學(xué)習(xí)效果，微課視頻時間短，對于初學(xué)者而言提供其所熟知的內(nèi)容作為樣例能促進學(xué)習(xí)者對課程知識的理解，提高其解決相關(guān)問題的能力。

3 基于認知負荷理論的微課視頻的設(shè)計與實現(xiàn)

心理學(xué)家安德森將知識分為陳述性知識和程序性知識，陳述性知識包括所知道的事實，程序性知識包括曉得如何進行的技能；技能的學(xué)習(xí)經(jīng)過認知、聯(lián)結(jié)和自動化3個階段[11-12]。本研究選取“思維導(dǎo)圖及其制作”作為微課視頻的呈現(xiàn)內(nèi)容，主要包括有關(guān)思維導(dǎo)圖理論的陳述性知識和如何制作思維導(dǎo)圖的程序性知識，以探究不同知識類型微課視頻對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)效果及認知負荷的影響[13]。從微課資源網(wǎng)上選取一個點擊率較高，講授“思維導(dǎo)圖及其制作”的微課視頻，時長8 min 30 s。以認知負荷理論視角分析發(fā)現(xiàn)，該微課視頻存在所講內(nèi)容較多、表現(xiàn)形式過于單一、教學(xué)設(shè)計不合理、缺少恰當?shù)臉永葐栴}，在諸多方面不符合本研究提出的設(shè)計原則，故將其作為對照組。在認知負荷理論指導(dǎo)下對該微課視頻進行了改良和優(yōu)化。為了驗證不同類型的知識分開呈現(xiàn)與合并呈現(xiàn)哪種形式的學(xué)習(xí)效果更好，分別制作了兩組微課視頻，將陳述性知識與程序性知識進行了分開呈現(xiàn)與合并呈現(xiàn)的對比實驗，即實驗組1和實驗組2。3組微課視頻在設(shè)計與制作方面的主要差異如表1所示。為保證微課內(nèi)容的統(tǒng)一性，實驗組1與實驗組2中在“思維導(dǎo)圖及其制作”的教學(xué)內(nèi)容上與對照組保持一致，時長誤差不超過20 s。

表1 基于認知負荷理論的微課視頻優(yōu)化設(shè)計

4 微課視頻學(xué)習(xí)效果的實驗驗證

為了考察對于相同的學(xué)習(xí)內(nèi)容，符合認知負荷理論的微課視頻是否能夠顯著提高學(xué)習(xí)效果，進行了進一步的實驗探索。

4.1方法

(1) 實驗設(shè)計。本實驗采用單因素被試間設(shè)計，自變量只有一個，即微課視頻，分為3個水平：原微課視頻，在認知負荷理論指導(dǎo)下優(yōu)化但未分段的微課視頻，在認知負荷理論指導(dǎo)下優(yōu)化并分段的微課視頻；因變量為學(xué)習(xí)效果(保持成績和遷移成績)和認知負荷。

(2) 實驗?zāi)康摹Ｌ骄课⒄n視頻在設(shè)計制作時有無認知負荷理論指導(dǎo)對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)效果的影響，從而驗證本研究提出的基于認知負荷理論的微課視頻設(shè)計規(guī)則的合理性與可行性。

(3) 實驗材料。實驗材料包括前測材料、微課視頻學(xué)習(xí)材料和后測材料。前測材料主要用來篩選被試，保證被試有關(guān)思維導(dǎo)圖的先前知識處于同一水平。微課視頻學(xué)習(xí)材料為3份，即原微課視頻、經(jīng)過改良未分塊的微課視頻和經(jīng)過改良并分塊的微課視頻，所講內(nèi)容均為“思維導(dǎo)圖及其制作”。后測材料主要包括保持成績、遷移成績、認識負荷的測試題。其中保持成績測試題6道；遷移成績測試包括測試題3道和被試獨立創(chuàng)作的思維導(dǎo)圖作品一個，作品評分由3名研究人員獨立評定，求平均分；認知負荷采用5點式主觀量表測量學(xué)習(xí)者的認知努力程度[14]，其程度從“非常吃力”到“非常輕松”被分為5個水平，得分越高表示認知負荷越小。在正式實驗開始前，請相關(guān)專家對實驗材料進行評定，并根據(jù)專家的意見對測試題進行了調(diào)整與完善，保證了實驗材料的內(nèi)容效度；之后進行了小范圍的試測，a信度系數(shù)為0.738，說明所設(shè)計的材料具有良好的信度。

(4) 被試。隨機選取42名大一本科生，分為3組，每組14人；視聽力正常，所有被試都事先告知實驗內(nèi)容，并知情同意。

(5) 實驗過程。實驗在數(shù)字媒體制作實驗室進行，3組實驗材料隨機存放在不同機器中統(tǒng)一指定的路徑下；視頻采用統(tǒng)一播放器全屏播放，配有耳機；機器均裝有思維導(dǎo)圖軟件Sharemind。實驗過程為：首先引導(dǎo)被試進入實驗室隨機就坐，告知實驗要求和注意事項，并進行先前知識測驗；其次讓被試觀看指定類型的視頻，結(jié)束后使用Sharemind軟件獨立制作一個思維導(dǎo)圖，并按要求保存作品；最后被試完成后測試題，整個實驗用時約45 min。

4.2數(shù)據(jù)分析

使用SPSS22.0對被試的學(xué)習(xí)效果和認知負荷進行統(tǒng)計，結(jié)果如表2所示。無論是保持成績、遷移成績還是總成績均為實驗組2成績最高，實驗組1次之，對照組成績最低。標準差越大說明該組成績越分散，越小說明該組成績越均衡；通過標準差可以看出，無論是保持成績、遷移成績還是總成績，標準差均為對照組最大、實驗組1次之，實驗組2最??；說明不同類型知識分開呈現(xiàn)的實驗組2保持成績整體偏高且水平均衡，而對照組成績整體偏低且水平不均衡。

表2 不同分組的測試成績

本實驗在進行認知負荷測量時，分值越高表示學(xué)習(xí)越輕松，認知負荷越小，測試結(jié)果如表3所示?？梢钥闯觯瑢嶒灲M2認知負荷最小，實驗組1認知負荷次之，對照組認知負荷最大。表明基于認知負荷理論進行改良和優(yōu)化的微課視頻在一定程度上可以減少學(xué)習(xí)者的認知負荷，若能將不同知識類型的學(xué)習(xí)內(nèi)容分模塊呈現(xiàn)，則可以更有效地降低學(xué)習(xí)者的認知負荷。

表3 不同分組的認知負荷成績

經(jīng)檢驗3組被試的保持成績、遷移成績、總成績和認知負荷成績均具有方差齊性，適合進行單因素方差分析。對3組的保持成績、遷移成績、總成績和認知負荷進行單因素方差分析，保持測試成績：F(2，39)=5.32，P=0.009lt;0.01，3組間差異達到極其顯著水平；遷移測試成績：F(2，39)=2.947，P=0.064gt;0.05，3組間差異雖然未達到顯著性水平，但比較接近顯著性差異；總成績：F(2，39)=7.466，P=0.02lt;0.05，3組間差異達到顯著水平。認知負荷：F(2，39)=0.91，P=0.414gt;0.05，實驗組1和2的認知負荷比對照組低，但未達到統(tǒng)計學(xué)上的顯著性水平，說明學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)這3組微課的時候投入的努力程度比較相近。

使用LSD對保持成績、遷移成績和總成績進行事后多重比較發(fā)現(xiàn)，保持成績：對照組和實驗組1之間差異顯著(P=0.014lt;0.05)，對照組與實驗組2間的差異極其顯著(P=0.004lt;0.01)，實驗組1和2之間差異不顯著(P=0.669gt;0.05)。遷移成績：對照組和實驗組1之間差異不顯著(P=0.087gt;0.05)，對照組和實驗組2之間差異顯著(P=0.025lt;0.05)，實驗組1和2之間差異不顯著(P=0.571gt;0.05)?？偝煽儯簩φ战M與實驗組1差異顯著(P=0.05)，對照組與實驗組2差異達到極其顯著水平(P=0.001lt;0.01)，實驗組1和2差異不顯著(P=0.532gt;0.05)。

4.3討論

對于保持成績，對照組、實驗組1和2依次上升；由顯著性分析可知，對照組與實驗組1之間具有顯著差異，對照組與實驗組2之間具有極其顯著差異，實驗組1與2之間差異不顯著，說明認知負荷理論指導(dǎo)下設(shè)計的微課視頻有利于提高學(xué)習(xí)者的保持成績；實驗組2與1相比，在基于認知負荷理論基礎(chǔ)上，將陳述性知識與程序性知識采用了分片段呈現(xiàn)的方式，這種方式在一定程度上提升了學(xué)習(xí)者的保持測試成績，但差異未達到顯著水平，說明將不同類型知識進行分模塊呈現(xiàn)是提高保持成績的一個要素，但不是主要要素。

對于遷移成績，對照組、實驗組1和2的遷移測試成績也是依次上升；由顯著性分析可知，與對照組相比，認知負荷理論指導(dǎo)下設(shè)計的微課視頻對于“思維導(dǎo)圖及其制作”這類軟件操作類知識，能有效促進學(xué)習(xí)者的知識遷移，若使用分片段呈現(xiàn)的方式可以使這種差異達到顯著水平。說明利用微課視頻進行軟件操作類內(nèi)容的學(xué)習(xí)時，將陳述性知識與程序性知識分開呈現(xiàn)有利于學(xué)習(xí)者遷移成績的提高。

對于認知負荷，對照組、實驗組1和2的認知負荷水平依次降低，但3組之間沒有達到統(tǒng)計學(xué)上的顯著水平，說明3組實驗中學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中的心里努力程度比較接近。學(xué)習(xí)者在付出的心理努力水平相接近的情況下，基于認知負荷理論設(shè)計制作的微課視頻可以顯著提高學(xué)習(xí)效果，若能在此基礎(chǔ)上將不同類型的知識分模塊呈現(xiàn)，則學(xué)習(xí)效果更好。因此，在設(shè)計與制作微課時，應(yīng)根據(jù)講授內(nèi)容所涉及的知識類型進行適當?shù)囊曨l片段劃分，而不能僅僅以據(jù)時間長短的限制來確定微課的教學(xué)信息容量。

5 結(jié) 語

認知負荷水平相近的情況下，基于認識負荷理論改良并根據(jù)知識類型分模塊呈現(xiàn)知識的微課視頻，學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果最好；基于認知負荷理論改良但未根據(jù)知識類型分模塊呈現(xiàn)的微課視頻學(xué)習(xí)效果次之；缺乏認知負荷理論指導(dǎo)的微課視頻學(xué)習(xí)效果最差。由于軟件操作類學(xué)習(xí)內(nèi)容需要學(xué)習(xí)者對所學(xué)知識進行系統(tǒng)的理解和不同情境下的應(yīng)用[15]，對學(xué)習(xí)者的能力要求較高，這種類型的微課視頻更需要基于認知負荷理論進行設(shè)計；根據(jù)教學(xué)需要和學(xué)習(xí)者特點及接受能力將不同類型的知識分模塊呈現(xiàn)可以有效降低學(xué)習(xí)者的內(nèi)在認知負荷，有利于提高學(xué)習(xí)效果。因此，應(yīng)以認知負荷理論為指導(dǎo)，從降低內(nèi)在認知負荷、減少外在認知負荷、增加相關(guān)認知負荷方面優(yōu)化微課視頻的設(shè)計與制作，在充分考慮學(xué)習(xí)者、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)媒體的匹配基礎(chǔ)上開發(fā)和制作優(yōu)質(zhì)的微課資源。

受實驗條件所限，選取的被試為大一學(xué)生，實驗結(jié)論適應(yīng)于大學(xué)低年級的學(xué)生。在后續(xù)研究中將充分考慮不同學(xué)歷和年齡層次對研究結(jié)果的影響，以提高研究結(jié)論的可推廣性。另外，僅選取了軟件操作類學(xué)習(xí)內(nèi)容的陳述性知識和程序性知識作為實驗內(nèi)容，有關(guān)不同學(xué)科知識類型微課視頻對學(xué)習(xí)效果和認知負荷的影響仍需進一步的探究。

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AnApplicationResearchontheDesignofMicro-videoBasedonCognitiveLoadTheory

FENGXiaoyan1,2，WANGZhijun2，LIRuilian1，LIFeifei2

(1.School of Information Technology, Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, Henan, China;2.School of Education Science, Tianjin Normal University, Tianjin 300387, China)

The micro-video is more widely used ineducation.Buttheres till exist some problems, the instruction aldesign, the segmentation of knowled gepoints, the analysis of students’ cognitive characteristics and learning needs alllack.Asa result, the learning effectis notideal.We can improve the quality and application effect of micro-video by reducing the internal cognitive load, lowering the external cognitive load and increasing there lated cognitive load.Taking mind map and its making” as the main content, we designed the micro-video according to the rules of cognitive load theory, and carried out a comparative experiment.The results showed that if the design and making of micro-video were based on cognitive load theory, the learner’ slearning effect can be significantly improved, and the learner’s cognitive load can bereduced to acertain extent.

microlecture video design; cognitive load; learning effect

G 642.0

A

1006-7167(2017)10-0218-05

2016-10-24

河南省教育廳人文社會科學(xué)研究項目“科學(xué)知識可視化促進青少年科學(xué)素養(yǎng)提升研究”(2017-ZZJH-158)；天津市哲學(xué)社會科學(xué)規(guī)劃項目“面向深度學(xué)習(xí)的教育媒體優(yōu)化設(shè)計研究”(TJJX16-009)；江蘇省教育廳社會科學(xué)基金項目“信息碎片化時代青少年注意力提升策略研究”(2016SJB190013)天津市哲學(xué)社會科學(xué)規(guī)劃項目“學(xué)習(xí)者網(wǎng)絡(luò)視頻學(xué)習(xí)行為分析及其支持策略研究”(TJJXWT16-006)

馮小燕(1979-)，女，河南新鄉(xiāng)人，博士生，講師，從事多媒體學(xué)習(xí)、數(shù)字化學(xué)習(xí)資源設(shè)計開發(fā)研究。Tel.: 18222861556; E-mail: haiyan9639@sina.com