象棋大师在下第一步棋时已在脑中布下了“天罗地网”，钢琴八级在击第一个音时也已在心中谱演了“荡气回肠”。专家与新手在操作经验上的这种差异是如何形成的呢？澳大利亚新南威尔士大学教授、国际著名学习科学家约翰·斯维勒（John Sweller）在认知负荷方面的研究，给出了一些重要的答案。
认知系统加工的知识形态
学者吉尔里将进入认知系统加工的知识可以分为生物初级知识与生物高级知识两种类型。前者如倾听、说话等，是人们自然而然就能掌握的，由于不涉及意识的主动参与，因而并不需要刻意学习；后者则需要人们有意识地、付出相当程度的努力去学习，并且往往还需要接受明确具体的教学指导。这两种知识在作用上也存在重要的区别。一般来说，初级知识往往由通用类的认知技能所组成，这类技能可适用于各种不相关的领域，既是各种情境下现成的“万金油”，也是解决特定的或复杂问题的基石；高级知识则通常指向特定领域的专业技能，如前面提到的象棋大师、钢琴八级，这些专家拥有的“未雨绸缪”的能力便是来自他们所掌握的关于特定领域的专业知识。这种知识并不能轻易掌握，它需要人们主动参与学习，主动进行认知加工，因而大脑在处理这类知识时存在着一套独特的认知系统加工模式。不过，虽然高级知识与专业技能在性质上并不属于通用认知类，但其中的部分知识与技能也具有相当的普遍性。阅读就是这样的一种具有通用领域性质的高级技能。人们在学龄前就已经能说话和倾听，但只有到了学校，接受了教育，才能学会如何阅文、如何读书。换句话说，这类技能虽然具有普遍性（通用性），但要掌握这项技能依旧需要付出主动学习，也即必然会经历认知系统的信息加工流程。由此可见，某项知识或技能的习得是否需要认知参与，不是由该知识或技能的作用（通用、特殊）决定的，而是由其本身的性质（初级、高级）所决定的。
认知系统加工的工作特征
斯维勒等学者认为，人类认知与物竞天择的自然选择过程有些类似，既不是所有的信息都会被大脑选中，也不是所有的信息都会被大脑保存。那么，学习到底是怎样发生的呢？根据梅耶等学者的观点，学习发生于学习者对新信息进行适当认知加工的过程。学习的发生包含了三种记忆存贮类型。感觉记忆能在短时间内记录大量的信息，但维持时间很短，如若不主动引导信息进入下一步加工，非常容易遗漏；工作记忆是意识加工信息的主战场，但其加工容量与维持时间也比较有限，即一次性只能主动加工少量（2〜3条）从感觉记忆中登记下来的信息；长时记忆是信息的永久入驻地，只要工作记忆中加工的信息能得到长时记忆的整合，便能永久存贮在长时记忆中，其容量也不受限制。
从这个角度来说，既然感觉记忆与长时记忆都能“无限”收纳信息，那么真正让“术业有专攻”的原因在于工作记忆上的能力差异，而工作记忆上的差异又是由长时记忆中存贮的知识量的不同所引起的。相较于新手，专家在长时记忆中已存贮了大量关于特定领域的高级知识，因而同样在工作记忆加工能力受限的情况下，专家能更快地拆解、重组信息，并高效地将之与长时记忆中的已有知识进行匹配整合，所以所谓的专家与新手之间的经验差，一方面指的是长时记忆中存贮信息量的差，另一方面则指的是工作记忆处理信息的能力效率差。既然工作记忆的加工能力是有限的，专家与新手在工作记忆处理信息时在效率上有显著的差异，那么两者在工作记忆工作时所感受到的负担程度也是不一样的。斯维勒等学者将工作记忆所产生的认知负荷区分成了三种类型：内在认知负荷、相关认知负荷与外在认知负荷。内在认知负荷与学习任务的复杂性和学习者自身的学习水平有关；相关认知负荷指的是促进学习者从长时记忆中提取信息与从外部接收到的新信息进行整合、建构图式时所产生的负荷；而外在认知负荷则是超越内在负荷的额外负荷，主要由设计不良的、与学习目标达成无关的教学程序所引起。这三种类型的认知负荷是相互叠加的，即要想让学习者进行有效学习，就应尽可能地让总的认知负荷水平不超出学习者个体所能承受的负荷量，而教学设计的用武之地也正在于此。
认知负荷与教学设计
既然工作记忆的加工能力很有限，那么短时间内大量呈现信息就很有可能使学习者的工作记忆超负荷。因为想要将外部环境中的信息存贮到长时记忆中必然要受到工作记忆容量和维持时间的限制，而从长时记忆中提取已存贮的信息时却并不会受到工作记忆的限制。因此，基于工作记忆的加工过程与产生的负荷类型，在设计教学时应重点考虑如何妥善调控不同类型的认知负荷，并使总负荷水平实现优化，即既要避免超负荷，也要避免负荷过轻。
设计优良教学，减少外在负荷。根据近年来学界对认知负荷做出的各项实证研究，不良的教学程序可能会包含冗杂且不相关的信息，由于学习者需要在工作记忆中同时加工这些信息，这些冗杂且不相关的信息就会加重学习者承担外在的认知负荷，因而缩减教学程序中的信息数量是减少外在认知负荷的有效手段之一。“样例效应”便是这种认知负荷效应的典型应用，即相较于自己解决同等程度的问题，从样例中学习能取得更好的学习效果。未知的问题可能会包含大量未知的信息，由于不能预估工作记忆需要处理的信息量，因而对工作记忆带来的负担也无法估量。与之相反，成熟的样例会提供现成的问题解决信息与策略，工作记忆就不需要同时处理大量新信息，从而减少了认知负荷量。
增加元素互动，调控内在（相关）负荷。除了尽可能地想办法减少外在认知负荷，内在认知负荷的作用也是教学设计中不容忽视的。内在认知负荷的产生主要取决于学习材料的性质与学习者的专业知识之间的交互影响。教学设计虽不能直接对其产生影响，但依旧存在一些效应可以增加学习者的内在认知负荷，从而促进学习者的学习，如“ 变式度效应”。这一效应指的是如果学习材料（样例）的变式度（信息交互性高）提升，学习者不仅能学习解决某一类的问题，还能学习如何拓展应用至其他的问题类型。这里其实涉及两种负荷类型——内在负荷与相关负荷。相关负荷是在促进图式建构的过程中产生的，它会通过对工作记忆增加元素互动性而增加内在负荷。当学习者的内在负荷水平提高，那么学习者便会有充分的工作记忆资源来处理新增的信息元素；反过来说，这一效应能发挥作用的前提也在于学习材料没有信息的冗余，能为学习者腾出充分的记忆资源。如果对学习者来说，信息已经带来了认知加工上的负荷，那就有必要在工作记忆处理这些信息前就剔除部分信息元素以提升学习效率。
关注学习成长，调节从扶到放。值得注意的是，认知负荷效应的效果还与学习者本身的知识水平有关。如上所述的“样例效应”就只对新手学习者有显著效果，随着学习者逐步积累知识，成长为专家学习者时，再继续使用样例就可能会阻碍他们的学习，这便是“专长翻转效应”。它指的是当学习者自身的专业知识增加时，教学程序的设计优势就不再显要。对于新手学习者来说，大量的信息涌入认知系统之所以会让他们觉得吃力，是因为他们会倾向于将信息视为一个个独立的元素，因而会给工作记忆带来过重的负荷；而对专家学习者来说，他们对信息的判断更为理性，且长时记忆中的已有积累也能为信息的组织提供更多有理有据的方法或模式，因而信息的整合并不会给工作记忆带来太大的负荷。由此可见，对于新手来说，如果教学程序本身是设计得当的，那么一开始有可能会给他们带来工作负荷的便是内在认知负荷，给新手学习者呈现的学习材料越是复杂，他们越难以厘清材料中交互的信息元素，就越会加重这一负荷，那么即使外在负荷被调控在一个很低的水平，总负荷也可能会超出学习者自身所能承受的范围。从这个角度来说，在学习者进行学习的整个过程中要注意教学指导的提供方式。在学习者刚开始学习时，为学习者提供部分教学指导（样例学习、模拟问题、补全问题）等，有助于降低学习者对不熟的信息进行加工的认知负荷（内在负荷），这便是为学习者搭建“脚手架”的过程。但是，不可避免的，这种支持也常常会使得学习任务缺乏真实性。所以，随着学习者专业知识的增加就应该逐步减少辅助量，撤除“脚手架”。对于逐渐成长起来的学习者来说，他们对复杂学习材料的处理不再像新手那样“手忙脚乱”，即对学习材料中元素交互性的感知水平已经下降，所以这时候学习者的内在认知负荷便不会过度拔高。从一个完整且有序的教学过程来说，学习者就有可能从示范样例开始，中间加入情境模拟（问题），最后则以解决新问题结束。“脚手架”从扶到放的这一过程也是学习者逐步丰富图式建构，随之摆脱外界帮助而最终完成学习任务的过程，这对于学习者掌握特定领域的专业知识与技能具有重要意义。
总的来说，认知负荷理论的相关研究为教学设计开启了新的思路，通过教学设计来减少外在认知负荷或调控内在（相关）认知负荷，同时关注教学过程中学习者自身的成长。从这个角度来说，更好地认识人类认知系统的结构尤其是工作记忆的作用与局限性，可帮助我们更深地理解学习的发生过程，明了认知负荷与教学设计之间的重要联系。
（作者单位：浙江大学教育学院）
