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編輯推薦： 《基于数字技术的学习科学：理论、研究与实践》旨在向读者介绍21世纪以来国外，特别是美国，在学习科学方面的理论和研究成果。这些成果不仅涵盖了21世纪前十年的理论创新和实践创新，还包括了*近几年的研究新发现。本书既包含了教育学、心理学方面的理论，还包含了相关的研究设计和实践探讨；既有用平实语言介绍的理论概念，又有用较为学术语言写成的研究案例。因此，它既能为教育和心理等领域的科学研究人员所用，以本书为起点，深入钻研学习科学中的具体领域；又能帮助教师和各类教育从业人员，为他们的教育实践创新提供依据。 內容簡介： 《基于数字技术的学习科学：理论、研究与实践》共包含十七章。第一章用比较平实的语言介绍了科学研究的概念，旨在让读者认识到科学研究的意义，特别是对教育实践的意义。第二章至第八章侧重在文献的基础上对相关理论和概念进行系统的介绍，具体为：第二章介绍认知负荷理论，第三章介绍使用图像对学习的促进作用，第四章介绍的视觉线索以及第五章介绍的学习代理人是学习科学领域中两个较为微观的研究方向，第六章介绍的基于数字技术的教育游戏是近十年来美国学习科学领域研究中的一个热点，第七章介绍绘图对于学习的效应，则从认知过程的角度出发，探讨促进积极学习的有效策略，第八章涉及近年来兴起的社交媒体，着重探讨社交媒体的教育意义。第九章至第十七章为研究案例，旨在向读者介绍相关主题的研究设计。 關於作者： 林立甲， 江苏苏州人，2011年毕业于美国亚利桑那州立大学教育技术专业，获哲学博士学位Ph.D.，赴美前于2007年毕业于东华大学教育技术专业，获学士学位；现为华东师范大学心理与认知科学学院讲师，发展与教育心理学研究所副所长。 林立甲的研究主要聚焦如何运用数字技术和认知策略来促进学习，其研究广泛发表于Computers & Education, Interactive Learning Environments, Journal of Educational Computing Research, Journal of Experimental Education, Educational Technology Research & Development等多个高水平国际期刊。他主编的学术著作Educational Technologies： Challenges, Applications and Learning Outcomes由美国Nova Science 出版社出版。目前他担任Learning and Instruction, Computers & Education, Journal of Educational Computing Research, Educational Technology Research & Development, Journal of Computing in Higher Education, Computers in Human Behavior等国际期刊的论文匿名评审。他还在多次在美国教育研究协会年会AERA和教育传播技术协会年会AECT上报告其研究成果，获得世界相关学者的关注。目前，他主持上海市浦江人才计划、上海晨光计划、上海市哲学社会科学课题、教育部留学回国人员科研启动基金、上海市曹光彪基金等省部级科研项目。 目錄： 前言 第一章 科学研究 第二章 认知负荷理论 第三章 使用图像促进学习 第四章 视觉线索 第五章 学习代理人 第六章 教育游戏 第七章 绘画 第八章 社交媒体 第九章 研究案例一：图像与视觉线索 第十章 研究案例二：自我解释与视觉线索 第十一章 研究案例三：学习代理人与教学反馈 第十二章 研究案例四：图像与自我解释 第十三章 研究案例五：样例学习 第十四章 研究案例六：教育游戏实验 第十五章 研究案例七：教育游戏调查 第十六章 研究案例八：绘图策略与想象策略 第十七章 研究案例九：混合学习 內容試閱： 第二章认知负荷理论 二十世纪八十年代末九十年代初，澳大利亚的John Sweller以及欧洲的Fred Paas 和Jeroen van Merrienboer等研究人员，在一系列实证实验的研究基础上，提出了认知负荷理论cognitive load theory, Sweller, 1994; Sweller, van Merrinboer, & Paas, 1998。在那个时代，该理论的提出和建立，继承了部分先前认知心理学的理论模型。具体来说，认知负荷理论承认，人的认知建构是由瞬时记忆、工作记忆和长时记忆构成的。并且，人的工作记忆容量是有限的，而长时记忆的容量是无限的。信息在长时记忆中是以图式的形式存储的。人的学习和认知过程实质上就是图式的建构过程。认知负荷理论，可谓影响深远。它将外部教学信息的呈现方式教学设计，与人的内在认知结构和过程相关联、相结合，从而指导了教学设计人员、研究人员以及广大教育工作者的研究和实际工作。本章首先将回顾认知负荷理论，然后将阐述该理论的最新发展，最后将阐述认知负荷领域面临的问题和挑战。 认知负荷理论的形成以及发展 认知负荷的三元论 认知负荷是完成某一项任务对认知系统所造成的负荷 Paas &Merrienboer, 1994a，对工作记忆存储和信息处理的任何需求p. 471, Schnotz & Kurschner, 2007。它的本质是学习和认知对工作记忆造成的负荷。早期有关认知负荷的理论研究集中在如何降低外在认知负荷上Sweller, 1988。之后，研究人员发现，一些由于外在认知负荷引起的效应（如注意力分离效应）在不同学习材料或者学习任务中不同，因此开始考虑学习材料或者学习任务本身这个因素，由此引入了内在认知负荷。在理论上和实验中，研究人员和学者认为，内在认知负荷和外在认知负荷是需要控制和减少的，因此，需要引入一个因素，来解释人因有意识的学习而造成的对工作记忆的负担。由此，关联认知负荷被加入到了认知负荷理论中Sweller et al., 1998，形成了较为成熟的认识负荷理论的三元论。 理论认为，认知负荷不是一个单一的结构，它由三个组成部分内在认知负荷、外在认知负荷和关联认知负荷。这就是我们认为的认知负荷的三元论。 内在认知负荷是由学习材料或者学习任务的自然属性（即难度）决定的。学习材料或者学习任务由各个元素组成。元素是学习或者处理任何信息单元。元素交互程度element interactivity决定了内在认知负荷所处的水平。当元素交互程度很低时，内在认知负荷就处于一个较低水平。例如我们记忆化学元素符号时，各化学元素（例如铁Fe和铜Cu）之间交互性很低，因此记忆化学元素符号这项学习任务的内在认知负荷水平较低。当学习材料或者学习任务中的元素关联交互程度很高时，内在认知负荷就处于高水平。例如，在多媒体学习环境中，学习者可能在看教学动画的时候，还要收听有关解释教学内容的录音，并不时看教学动画旁边配的文字说明。学习者需要在录音、文字说明和教学动画之间建立联系，从而学习知识。在这种情况下，各元素互相联系，交互程度很高，因此我们认为这个时候的内在认知负荷水平很高。外在认知负荷是指与学习无关的、或者妨碍学习的工作记忆负荷。它是由于不恰当的教学设计造成的。例如，当教学图片和与之相对应的说明文字在空间或者时间上分离时，学习者就需要在大脑的工作记忆中保持住一部分信息（如图象信息），然后寻找与之相对应的言语信息，再把这些信息关联起来学习。这种注意力分离现象是由不恰当的教学设计造成的，产生了外在认知负荷，阻碍了学习Ayres & Sweller, 2005。关联认知负荷是那些与学习有关的、促进学习的工作记忆负荷，是用于图式建构的认知负荷。这三类认知负荷存在可加性。它们相加的总量不能超过人的工作记忆的容量。 一些实证实验的结果也在一定程度上支持了认知负荷的三元论。DeLeeuw和 Mayer 2008招募了155名大学生参与了他们的两项实验。这些被试通过实验室的计算机上的多媒体课程学习有关发电机原理的知识。DeLeeuw和 Mayer使用了三种测量认知负荷的工具在完成学习任务（主要任务）时的主观大脑努力程度评分、完成二级任务的反应时间以及完成学习后的主观难度评分。实验结果显示，上述三种认知负荷的测量工具分别对应了内在认知负荷、外在认知负荷和关联认知负荷。另外，Gerjets, Scheiter和 Catrambone 2004, 2006以及Lin和 Atkinson 2011使用了NASA-TLX Hart & Staveland, 1988的主观测试题目来测量认知负荷，并且认为NASA-TLX中的测试题目分别对应了三种不同类型的认知负荷。 认知负荷的一元论 早期的认知负荷理论研究人员和学者认为，认知负荷不是一个单一的结构，而是由内在认知负荷、外在认知负荷和关联认知负荷三个子成分构成的。因此，在认知负荷以及多媒体学习的研究中，应该将这一点考虑进去。 Sweller 2010却提出了不一样的看法。他首先承认，元素的交互性是内在认知负荷的决定性因素。但是，他认为，研究人员应该去探寻造成外在认知负荷的深层次原因。而这个深层次的原因就是元素的交互程度造成工作记忆负荷的主要原因，而工作记忆负荷是内在和外在认知负荷的主因。决定认知负荷是内在认知负荷还是外在认知负荷取决于需要学习的内容。如果在学习的内容和学习目标不变的情况下，元素交互性可以降低，那么这时候的认知负荷就为外在认知负荷；如果在只有改变学习内容和学习目标的情况下才能改变元素交互的程度，那么这时的认知负荷就是内在认知负荷。例如，如果我们的学习目标是学习和理解国民经济体系，那么诸如通货膨扎、国民生产总值等专业术语的出现就会妨碍我们理解整个国民经济体系，那些术语就是造成了外在认知负荷；但是，如果我们的学习目标是学习有关经济术语，那么，通货膨扎、国民生产总值等术语就是造成内在认知负荷的主要因素。 另一方面，Sweller 2010认为，关联认知负荷并不是独立的。它与内在认知负荷和外在认知负荷有关。具体来说，由于人的工作记忆容量是有限的，因此，关联认知负荷会随着内在认知负荷和外在认知负荷的增减而变化。如果内在认知负荷很高而外在认知负荷很低，那么，学习者需要耗费大量脑细胞去学习理解有一定难度的学习材料，而由于外在认知负荷很低，学习者仍有一定的认知资源（工作记忆容量），因此，关联认知负荷会很高。如果外在认知负荷增加了，那么学习者就需要分配更多的认知资源来用于处理无关学习的信息，关联认知负荷会相应的减少。而内在认知负荷和外在认知负荷的变化取决于元素交互的程度。所以，总体认知负荷overall cognitive load就至少在理论可以存在，因为元素交互程度使得三类认知负荷在深层次上相关联。 认知负荷的二元论 认知负荷的二元论是在其一元论的基础上发展起来的。简单来说，二元论指出，关联认知负荷这个概念已不需要存在，认知负荷可细分为内在认知负荷和外在认知负荷。 虽然Renkl和 Atkinson 2011通过总结实证实验结果，得出结论：在学习样例worked example的时候自我解释可以增加关联认知负荷，从而促进学习。但是，Kalyuga 2011认为，这些对于关联认知负荷的实证实验的依据太少；并且，这些已有的实证依据也能被内在认知负荷所解释。在学习者自我解释的过程中，学习者将自己以有的知识与正在学习的原理相融合，从而使得学习者工作记忆中的元素交互程度增加即内在认知负荷增加。因此，关联认知负荷在概念上也与内在认知负荷部分重合。 另一方面，我们必须承认对于关联认知负荷的测量始终是这个领域的一个挑战。这和认知负荷的测量问题有关。Gerjets, Scheiter和 Catrambone 2004, 2006认为NASA-TLX中的测试题目分别对应了三种不同类型的认知负荷。但是，之后，他们以及其他学者（如Schnotz, & Kurschner, 2007）承认，很难在实际中测量某一类型的认知负荷。并且，认知负荷领域以及多媒体学习领域的研究人员在实验中通过自我报告的方法，采用了各式各样的主观测量认知负荷的量表。但是，目前还没有哪位研究人员或者哪个研究团队能够证明和做到，某一个量表是为测量某一类认知负荷而设计的。 Sweller认为，目前，在实验中分别测量不同类型的认知负荷是无意义的和徒劳的。但是，通过人为的实验控制手段，改变学习任务的复杂性或者学习材料的难度，或者改变教学信息的呈现形式（即教学设计方式），就可以达到改变内在认知负荷或者外在认知负荷的目的。因此，在实验控制的情况下，如果研究人员能够用测量心理能量或者难度来测量总体认知负荷的变化，那么，任何总体认知负荷的变化就可以找到原因学习任务材料的变化亦或是教学设计方式的变化。基于以上阐述，我们可以看到，内在认知负荷和外在认知负荷是和学习任务材料的属性和设计有关的。而关联认知负荷却不能够通过人为的实验控制手段来改变。它只能从它最初的定义用于与学习有关的认知资源出发，通过学习者的学习结果或者表现结果来推测，由此造成了关联认知负荷与其它两类认知负荷区分的困难，尤其是实验操作上区分的困难。回顾认知负荷的最初发展历史，我们可以发现，关联认知负荷并不像内在认知负荷和外在认知负荷那样是基于教学现象和效应的，而是为了完成理论而产生的。这也从本质上解释了为什么其在实际实验操作中难以测量和与其它认知负荷难以区分。 基于关联认知负荷概念上的不清晰以及测量操作上的困难这两个原因，Kalyuga 2011提出了认知负荷的二元论认知负荷不是单一的结构，而是分为内在认知负荷和外在认知负荷。 认知负荷的二元论认为，宏观上，内在认知负荷不仅仅取决于学习任务或者材料的自然属性，而是取决于学习任务以及这些任务相对应具体的学习目标。内在认知负荷和所有导致在长时记忆中产生新的或者修正的知识结构认知活动有关。而这些认知活动包括在工作记忆中交互元素的处理，以及根据具体的学习目标对这些已有的知识结构的整合。微观上，和之前的认知负荷三元论和一元论相同，二元论也认为内在认知负荷本质上是由元素的交互程度决定的，而外在认知负荷是由不恰当的教学设计形式造成的。 认知负荷理论的问题和发展趋势 和所有理论的产生相同，认知负荷理论的产生，解释了先前理论所不能解释的实验现象；认知负荷理论的发展，是随着实证实验的累积而不断修正的。未来认知负荷理论将何去何从呢？ 为了认知负荷理论的进一步发展，研究人员必须解决一个核心却一直悬而未解决的问题怎样测量认知负荷。以下我们从测量工具和认知负荷结构这两个角度来阐述。 从认知负荷理论产生到现在，对于它的测量工具的研究和讨论一直是这个领域的热门研究方向之一。我们必须承认测量认知负荷的工具可谓五花八门，但总的来说分为三大类主观自我报告、双重任务和生理测量工具。主观的自我报告方式通常使用量表的形式，通过让学习者回忆他们的学习经验并对相应的测试题目做出选择，来反应他们感觉到的认知负荷。这种方式因为其简单易实施而被这个领域的研究人员广为采用。不过，和其它的自我报告一样，这种测量方式建立在学习者能够回顾自己的认知过程并且反应在数值量表上这一假设上的Gopher & Braune, 1984，因此具有一定的局限性。目前比较流行的自我报告测量工具主要是NASA-TLXHart, & Staveland, 1988和难度Paas &Merrienboer, 1994b。一般来说，研究人员根据各自的实验和涉及的学习内容，对这些量表进行适当的修改后再用于实验中。双重任务的测量方法是在实验任务（即学习任务）以外，设置一个和学习实验无关而又比较简单的二级任务，比如当看到计算机屏幕下端出现某个单词时按键盘上的空格键。由于人的工作记忆容量是有限的，通过学习者在二级任务上的表现（如错误率和反应时间等）来推测学习者在处理主要学习任务时的认知负荷水平。Brnken, Plass和 Leutner 2004以及Brnken, Steinbacher, Plass 和Leutner2002采用了双重任务的测量方法，测量了学习者在学习多媒体材料时的认知负荷，研究结果验证了他们预期的认知负荷的结构。但是，双重任务测量认知负荷的方法在认知负荷领域和多媒体学习领域的研究中并不常见。原因在于：（1）整个实验的开发特别是开发两个实验任务比较耗时；（2）由于二级任务既不能和主要任务有关，又需要简单，因此对选择合适的二级任务比较困难。随着科技的日新月异，越来越精密的设备被设计和开发出来，随之而来的是生理测量越来越精密和准确，而价格越来越便宜。近年来，认知负荷领域记忆多媒体学习领域的研究人员引入眼动技术，通过观察学习者在学习过程中的眼球运动，来推测认知负荷的水平Mayer, 2010.。但是，眼动指标和眼动参数有很多很多，而不同的研究人员都根据自身的理解和需要，运用不同的眼动指标和参数来反应不同类型的认知负荷，甚至不同的研究人员运用了相同的眼动指标和参数，却各自将这些指标和参数对应到了不同类型的认知负荷上。因此，眼动指标和参数与不同类型的认知负荷之间的对应仍然需要进一步研究。 认知负荷的结构这个问题的模糊以及理论对于概念的定义解释的变化，也给研究人员测量认知负荷带来了困难。如果认为认知负荷不是一个单一的结构，而是多维度的结构，那么，就不能测量认知负荷，而应该测量各种不同类型的认知负荷。研究人员试图找到能够对应到不同类型认知负荷进行测量的工具（例如，Gerjets, Scheiter, & Catrambone 2004, 2006）。但是累积的实验的结果显示，很难找到很好的测量工具去对应不同类型的认知负荷。回顾从三元论到一元论到二元论，认知负荷理论的不断发展，理论所阐述的概念的变化，也使得测量认知负荷变得困难。 测量工具和认知负荷结构这两个方面的问题，使得认知负荷的测量既成为该领域几十年来研究的热点课题，也成为该领域长期以来的一道难题，为此有学者批评其缺乏科学性de Jong, 2010。因此，认知负荷理论要继续发展，研究人员和理论家必须及早解决认知负荷的测量问题，仅仅停留在通过实验控制某类型的认知负荷、从总体认知负荷来推测具体某一类认知负荷的变化这一点是不够的。 未来认知负荷的发展，还需要能够充分的解释目前文献中不一致的实验结果。认知负荷理论将认知心理学与教学设计相结合。它和一系列由实证实验验证过的教学原理和效应联系在一起，例如注意力分离效应和样例效应。但是，从文献中可以反映出来，以认知负荷理论为理论框架、验证一系列教学原理和效应的实验，累积的实验结果并不一致。几十年的文献显示，对应于某一个基于认知负荷理论的教学原理（例如视觉线索效应visual cueing effect），不同学习领域的实验得出了不同的实验结果比如有的实验发现视觉线索促进了学习和认知 Atkinson, Lin & Harrison, 2009; de Koning, Tabbers, Rikers & Paas, 2007; Lin & Atkinson, 2011，而有的实验却发现视觉线索对学习和认知没有积极效应 Jeung, Chandler & Sweller, 1997。虽然研究人员在论文中都做了充分的解释和讨论，但是认知负荷理论并不能很好的解释这些不一致的实验现象和结果。这样的现状促使了该领域的研究人员继续努力实验和研究，但是也影响了认知负荷理论更大的发展。我们在此提出和建议两个解决的办法：（1）继续修正理论，将学习领域的不同、学习者已有的知识、情感、原认知等因素包含进认知负荷理论中；（2）研究人员应该不断完善实验设计，控制和排除可能影响实验结果的因素和变量。 结语 认知负荷理论自二十世纪八十年代末九十年代初形成以来，不仅形成了自己的独立的研究小领域，还影响了诸如教育技术、教育心理、认知心理等大的研究领域。它将人的认知建构和教学设计相结合，指导了教师、教学设计和开发人员的实际工作。理论家和研究人员不懈努力，推动认知负荷理论不断发展，使得理论的概念越来越清晰，也使得理论能够解释现有的实验现象。本文回顾了认知负荷理论的发展，阐述和总结了该理论发展中需要解决的问题，以及将来的研究方向，希望对相关研究人员有所启发。

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