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摘 要：通过阐述大脑的认知过程，揭示在多媒体指导下的学生学习可能存在的认知超负荷问题，并且简述了九种能够在多媒体教学中运用的有效减少认知负荷的方法。同时，也提出了对多媒体指导下进行高效学习的未来研究方向。
关键词：多媒体；教学；学习；认知负荷
在教学中应用多媒体技术是为了更有效的帮助学生掌握知识。然而，借助多媒体进行教学，我们真的达到更有效的学习吗？要回答该问题，我们首先要了解学生是如何在多媒体的指导下进行学习的。这就需要对多媒体学习的认知理论进行研究。
一、多媒体教学和多媒体学习理论的概述
多媒体教学指的是通过文字和图片进行教学，从事实、概念和程序上匹配学生的语言和图像发展的一种方式。多媒体学习理论是指人们如何获得和处理信息等相关认知科学的指导性原则。
如何通过教学来帮助学生进行高效学习一直是研究者所关注的。高效学习的本质是提高有意义学习。有意义学习是深层次理解，包含材料的呈现和将其组织进我们的认知结构中。有意义学习过程中需要大量的认知加工，但是学习者的认知加工能力是有限的。多媒体教学是在科学学习的基础上，使用高效的方法去呈现材料，用这种方式来学习事物及促进有意义的学习。但是在人们利用多媒体进行学习时，可能会出现认知超负荷现象。在了解认知超负荷之前，我们必须先了解在多媒体条件下我们的大脑是如何进行学习的。
二、大脑学习的认知过程
关于大脑学习的认知过程，已有的研究存在三种假设：双通道假设，有限容量假设和激活加工假设。
（一）双通道假设。双通道假设的核心是Paivio的双重编码理论和Baddeley的工作记忆理论中的人类信息加工系统包含两个独立的通道——听觉通道和视觉通道。
（二）有限容量假设。有限容量假设主要来自于Chandler和Sweller的认知负荷理论和Baddeley的工作记忆理论。该理论认为人类信息加工系统的容量是有限的，在任一时刻的听觉通道和视觉通道中，只能发生有限的认知加工。
（三）激活加工假设。激活加工假设主要来源于Wittrock（1989）的生成学习理论和Mayer的激活学习选择性组织整合理论。其指的是在听觉和视觉的通道中需要发生大量的认知加工，包括对当前学习内容的注意、将其组织成流畅的结构以及将其与已有知识进行整合的过程。
根据这三假设就形成了多媒体学习的认知理论。具体如下图，行代表视听两种信息处理通道。列表示知识表征的模式：物理表征、感觉表征、浅层工作记忆表征、深层工作记忆表征和长时记忆表征。信息在物理上和长时记忆中的表征数量可以是无限的，但是能进入工作记忆的信息是有限的。箭头代表认知加工方向，当外界的信息刺激视听感官后，学习者根据自身的情况对信息进行初步的筛选，之后进行组织，形成图式，最后与长时记忆中已有知识进行整合。被激活的知识也会对选择和组织产生影响[1]。
三、认知超负荷
在认知系统中存在三种认知需求：必要加工、附属加工和表征的保持。必要加工是指使学习内容意义化的加工，存在五个核心加工过程：选择文字，选择图片，组织文字，组织图片以及整合。附属加工是指不需要使内容意义化的加工，虽然不是需要学习的内容，但是在设计学习任务方面，可能会起到很重要的作用，如背景音乐的设置。表征的保持指的是认知加工在工作记忆中要对脑中的表征保持一段时间。对于学习材料进行完整的有意加工通常都包含了必要加工、附属加工和表征的保持。在借助多媒体进行教学中，通过学习任务诱发学生对学习内容的加工需求超过学生的认知加工能力，这种现象称为认知超负荷。认知超负荷的发生会降低我们的学习效果，如何在对媒体学习中，避免学生认知超负荷现象的发生就变得尤为重要了[2]。
四、在多媒体学习中，九种方式减少认知负荷
以多媒体学习理论为基础，Richard E.Mayer和Roxana Moreno经过12年的实证研究，总结了在五种超负荷情况下的九种方式可以减少认知负荷。
（一）分散负荷。当必要加工需求在一个通道上超负荷时，可将一些信息用另一个通道来呈现，从而分散负荷。这启发教学应尽可能视听结合来呈现学习内容，能够促进学生的学习效率。
（二）分段呈现或者预训练。如果学习的内容很丰富且呈现速度快，学生完成随后组织整合的加工之前，还必须对不断呈现的信息进行选择，这就会给认知容量造成负担。Mayer和Chandler用实验证实了可控的阶段式呈现的效果比持续呈现的好，这就是所谓的分段效应。
当分阶段呈现材料不可行时，可用预训练的办法。预训练就是事先让学生学习部分信息。心理学认为构建一个心理图式需要两步——建立部分图式（比如每个部分如何工作的表征）以及建立因果图式（比如在系统中的一个改变是如何引起另一个改变的表征等）。通过对部分的预训练，学习者能更有效对部分信息进行加工，从而将重点放在构建因果图式上。
这启发教学应注重模块式、分段式讲授，在学生有一定的基础上再进行整体的讲授。
（三）汰旧更新和设置标记。如果必要加工和附属加工使得一个或者双通道超负荷，可剔除有趣但无关的材料。这样学生理解多媒体演示的效果更好，这称为一致性效应。
但在实际教学中，移除所有的修饰信息是不太可能的，这时可设置标记，因为大脑认知能够通过线索来学习如何选择和组织材料。通过关键词、图表等带有标记的材料来指导学生的认知加工，其能更好的理解多媒体语言，这称为标记效应。
这启示教学时制作的PPT应尽量保证简约性和主体性，同时对重要信息可用加粗、高亮等方法来强调。
（四）调整和剔除冗余。在眼动研究中，Hegartv和Just指出学生倾向于阅读文字后看相应的图像。当文字距离对应的图像很远时，学生需要用有限的认知资源去寻找相对应的部分。如果文字信息在图像中，那么大量的附属加工就可以减少，这种呈现方式，我们称之为整体呈现。Moreno和Mayer的研究证实了整体呈现效果好于分散呈现。当把文字信息放在靠近对应的动画时，学生能够更好的理解多媒体演示，这样的结果被称为空间相邻效应。 在同一PPT中，动画、旁白和文字同时呈现，就变成了冗余呈现。这样，学生可能会把认知资源用于分辨文字和动画。这就加大了附属加工，减少了必要加工。Mayer和Moreno等人也证实了学生在无冗余呈现时，表现较好。
这启发制作教学PPT应将相对应的信息放在邻近位置，同时避免相同的信息重复出现在一个通道中，这样反而会降低学生的学习效率。
（五）同步化和个体化。视觉和听觉信息依次呈现，就需要一定的认知容量对先呈现的视觉信息的表征进行保持，这样就会减少学生的选择、组织和整合的认知加工容量。直接的解决办法是将视觉和相对应的听觉材料同步呈现。Mayer和Moreno等人证实了同时呈现时效果更好，这被称为时间连续性效应。
当同时呈现不太可能时，就需要保证学生拥有保持加工心理表征的技能。空间能力和完成有意义学习之间的相互作用称为空间能力效应。高空间能力能用最少的心理能量保持和操控心理图像。低空间能力学习者不擅长同时呈现，因为他们必须花费很多的认知加工去保持心理图像。
这启发教学要注重个体差异，给低空间能力学生匹配高质量多媒体设计来减少认知负荷的方法可能并不有效[3]。
五、运用多媒体学习理论指导教学
Park和Hannafin指出多媒体的教学设计大多数仍然是建立在设计者的直觉想法而不是以实证研究为基础。近些年，大量文献表明在学生学习简短课程的实验中，成功运用多媒体原则能提高学习效益。
然而，在真实课堂背景下的研究最近才开始，Issa等人的研究表明在回忆测验中，观看改进后PPT的表现优于传统PPT。之后，有研究改进Issa等人的实验，学习课程变为连续的7个学期，一半课程幻灯片根据Mayer的多媒体原则修改，一半使用传统的，然后随机呈现。结果表明在短时和长时记忆的保持上，修改后的幻灯片对学习都更好[4]。
六、未来研究的方向
多媒体学习将是教育心理学研究的重要组成部分。今后的研究将有5个方面趋势：
1.在减少认知负荷方法方面，今后研究需要对认知负荷进行测量。特别是，对拥有不同先验知识背景的学习者的认知负荷，同时对教学材料的认知需求也要有所研究。
2.多媒体学习理论的研究对象将从大学生扩展到各个年龄层的学习者。
3.丰富研究所用的材料，而不局限于科技说明文，提高理论的生态效度[5]。
4.在我国，对于多媒体教学的研究，还处于理论或者少数的实验室研究，今后，应在真实课堂下进行研究。
5.在应用多媒体原则时，关于个体空间能力，协调能力，经验等差异的研究会进一步深入。
参考文献：
[1]Roxana Moreno，Richard E. Mayer，Cognitive Principles of Multimedia Learning：The Role of Modality and Contiguity.Educational Psychology Journal，1999，91（ 2），358-368.
[2]Park，B，Flowerday，T，& Brünken，R.（2015）.Cognitive and affective effects of seductive details in multimedia learning.
[3]Richard E.Mayer，Roxana Moreno，Nine Ways to Reduce Cognitive Load in Multimedia Learning. Educational Psychologist，2003，38（1），43-52.
[4]Catherine E.Overson，Applying Multimedia Principles to Slide Shows for Academic Presentation. Applying Science of Learning in Education，2014，252-258.
[5]Wang，Z，& Adesope，O.O.（2014）.Effects of Seductive Details on Multimedia Learning.Journal of Studies in Education，4（3），32-44.
（作者单位：福建师范大学教育学院）
关键词：多媒体；教学；学习；认知负荷
在教学中应用多媒体技术是为了更有效的帮助学生掌握知识。然而，借助多媒体进行教学，我们真的达到更有效的学习吗？要回答该问题，我们首先要了解学生是如何在多媒体的指导下进行学习的。这就需要对多媒体学习的认知理论进行研究。
一、多媒体教学和多媒体学习理论的概述
多媒体教学指的是通过文字和图片进行教学，从事实、概念和程序上匹配学生的语言和图像发展的一种方式。多媒体学习理论是指人们如何获得和处理信息等相关认知科学的指导性原则。
如何通过教学来帮助学生进行高效学习一直是研究者所关注的。高效学习的本质是提高有意义学习。有意义学习是深层次理解，包含材料的呈现和将其组织进我们的认知结构中。有意义学习过程中需要大量的认知加工，但是学习者的认知加工能力是有限的。多媒体教学是在科学学习的基础上，使用高效的方法去呈现材料，用这种方式来学习事物及促进有意义的学习。但是在人们利用多媒体进行学习时，可能会出现认知超负荷现象。在了解认知超负荷之前，我们必须先了解在多媒体条件下我们的大脑是如何进行学习的。
二、大脑学习的认知过程
关于大脑学习的认知过程，已有的研究存在三种假设：双通道假设，有限容量假设和激活加工假设。
（一）双通道假设。双通道假设的核心是Paivio的双重编码理论和Baddeley的工作记忆理论中的人类信息加工系统包含两个独立的通道——听觉通道和视觉通道。
（二）有限容量假设。有限容量假设主要来自于Chandler和Sweller的认知负荷理论和Baddeley的工作记忆理论。该理论认为人类信息加工系统的容量是有限的，在任一时刻的听觉通道和视觉通道中，只能发生有限的认知加工。
（三）激活加工假设。激活加工假设主要来源于Wittrock（1989）的生成学习理论和Mayer的激活学习选择性组织整合理论。其指的是在听觉和视觉的通道中需要发生大量的认知加工，包括对当前学习内容的注意、将其组织成流畅的结构以及将其与已有知识进行整合的过程。
根据这三假设就形成了多媒体学习的认知理论。具体如下图，行代表视听两种信息处理通道。列表示知识表征的模式：物理表征、感觉表征、浅层工作记忆表征、深层工作记忆表征和长时记忆表征。信息在物理上和长时记忆中的表征数量可以是无限的，但是能进入工作记忆的信息是有限的。箭头代表认知加工方向，当外界的信息刺激视听感官后，学习者根据自身的情况对信息进行初步的筛选，之后进行组织，形成图式，最后与长时记忆中已有知识进行整合。被激活的知识也会对选择和组织产生影响[1]。
三、认知超负荷
在认知系统中存在三种认知需求：必要加工、附属加工和表征的保持。必要加工是指使学习内容意义化的加工，存在五个核心加工过程：选择文字，选择图片，组织文字，组织图片以及整合。附属加工是指不需要使内容意义化的加工，虽然不是需要学习的内容，但是在设计学习任务方面，可能会起到很重要的作用，如背景音乐的设置。表征的保持指的是认知加工在工作记忆中要对脑中的表征保持一段时间。对于学习材料进行完整的有意加工通常都包含了必要加工、附属加工和表征的保持。在借助多媒体进行教学中，通过学习任务诱发学生对学习内容的加工需求超过学生的认知加工能力，这种现象称为认知超负荷。认知超负荷的发生会降低我们的学习效果，如何在对媒体学习中，避免学生认知超负荷现象的发生就变得尤为重要了[2]。
四、在多媒体学习中，九种方式减少认知负荷
以多媒体学习理论为基础，Richard E.Mayer和Roxana Moreno经过12年的实证研究，总结了在五种超负荷情况下的九种方式可以减少认知负荷。
（一）分散负荷。当必要加工需求在一个通道上超负荷时，可将一些信息用另一个通道来呈现，从而分散负荷。这启发教学应尽可能视听结合来呈现学习内容，能够促进学生的学习效率。
（二）分段呈现或者预训练。如果学习的内容很丰富且呈现速度快，学生完成随后组织整合的加工之前，还必须对不断呈现的信息进行选择，这就会给认知容量造成负担。Mayer和Chandler用实验证实了可控的阶段式呈现的效果比持续呈现的好，这就是所谓的分段效应。
当分阶段呈现材料不可行时，可用预训练的办法。预训练就是事先让学生学习部分信息。心理学认为构建一个心理图式需要两步——建立部分图式（比如每个部分如何工作的表征）以及建立因果图式（比如在系统中的一个改变是如何引起另一个改变的表征等）。通过对部分的预训练，学习者能更有效对部分信息进行加工，从而将重点放在构建因果图式上。
这启发教学应注重模块式、分段式讲授，在学生有一定的基础上再进行整体的讲授。
（三）汰旧更新和设置标记。如果必要加工和附属加工使得一个或者双通道超负荷，可剔除有趣但无关的材料。这样学生理解多媒体演示的效果更好，这称为一致性效应。
但在实际教学中，移除所有的修饰信息是不太可能的，这时可设置标记，因为大脑认知能够通过线索来学习如何选择和组织材料。通过关键词、图表等带有标记的材料来指导学生的认知加工，其能更好的理解多媒体语言，这称为标记效应。
这启示教学时制作的PPT应尽量保证简约性和主体性，同时对重要信息可用加粗、高亮等方法来强调。
（四）调整和剔除冗余。在眼动研究中，Hegartv和Just指出学生倾向于阅读文字后看相应的图像。当文字距离对应的图像很远时，学生需要用有限的认知资源去寻找相对应的部分。如果文字信息在图像中，那么大量的附属加工就可以减少，这种呈现方式，我们称之为整体呈现。Moreno和Mayer的研究证实了整体呈现效果好于分散呈现。当把文字信息放在靠近对应的动画时，学生能够更好的理解多媒体演示，这样的结果被称为空间相邻效应。 在同一PPT中，动画、旁白和文字同时呈现，就变成了冗余呈现。这样，学生可能会把认知资源用于分辨文字和动画。这就加大了附属加工，减少了必要加工。Mayer和Moreno等人也证实了学生在无冗余呈现时，表现较好。
这启发制作教学PPT应将相对应的信息放在邻近位置，同时避免相同的信息重复出现在一个通道中，这样反而会降低学生的学习效率。
（五）同步化和个体化。视觉和听觉信息依次呈现，就需要一定的认知容量对先呈现的视觉信息的表征进行保持，这样就会减少学生的选择、组织和整合的认知加工容量。直接的解决办法是将视觉和相对应的听觉材料同步呈现。Mayer和Moreno等人证实了同时呈现时效果更好，这被称为时间连续性效应。
当同时呈现不太可能时，就需要保证学生拥有保持加工心理表征的技能。空间能力和完成有意义学习之间的相互作用称为空间能力效应。高空间能力能用最少的心理能量保持和操控心理图像。低空间能力学习者不擅长同时呈现，因为他们必须花费很多的认知加工去保持心理图像。
这启发教学要注重个体差异，给低空间能力学生匹配高质量多媒体设计来减少认知负荷的方法可能并不有效[3]。
五、运用多媒体学习理论指导教学
Park和Hannafin指出多媒体的教学设计大多数仍然是建立在设计者的直觉想法而不是以实证研究为基础。近些年，大量文献表明在学生学习简短课程的实验中，成功运用多媒体原则能提高学习效益。
然而，在真实课堂背景下的研究最近才开始，Issa等人的研究表明在回忆测验中，观看改进后PPT的表现优于传统PPT。之后，有研究改进Issa等人的实验，学习课程变为连续的7个学期，一半课程幻灯片根据Mayer的多媒体原则修改，一半使用传统的，然后随机呈现。结果表明在短时和长时记忆的保持上，修改后的幻灯片对学习都更好[4]。
六、未来研究的方向
多媒体学习将是教育心理学研究的重要组成部分。今后的研究将有5个方面趋势：
1.在减少认知负荷方法方面，今后研究需要对认知负荷进行测量。特别是，对拥有不同先验知识背景的学习者的认知负荷，同时对教学材料的认知需求也要有所研究。
2.多媒体学习理论的研究对象将从大学生扩展到各个年龄层的学习者。
3.丰富研究所用的材料，而不局限于科技说明文，提高理论的生态效度[5]。
4.在我国，对于多媒体教学的研究，还处于理论或者少数的实验室研究，今后，应在真实课堂下进行研究。
5.在应用多媒体原则时，关于个体空间能力，协调能力，经验等差异的研究会进一步深入。
参考文献：
[1]Roxana Moreno，Richard E. Mayer，Cognitive Principles of Multimedia Learning：The Role of Modality and Contiguity.Educational Psychology Journal，1999，91（ 2），358-368.
[2]Park，B，Flowerday，T，& Brünken，R.（2015）.Cognitive and affective effects of seductive details in multimedia learning.
[3]Richard E.Mayer，Roxana Moreno，Nine Ways to Reduce Cognitive Load in Multimedia Learning. Educational Psychologist，2003，38（1），43-52.
[4]Catherine E.Overson，Applying Multimedia Principles to Slide Shows for Academic Presentation. Applying Science of Learning in Education，2014，252-258.
[5]Wang，Z，& Adesope，O.O.（2014）.Effects of Seductive Details on Multimedia Learning.Journal of Studies in Education，4（3），32-44.
（作者单位：福建师范大学教育学院）