I N T E RV E N T I O N S T U D Y

扩展认知负荷理论以纳入工作记忆资源枯竭：来自间隔效应的证据

陈欧浩 胡安·卡斯特罗-阿隆索 弗雷德·帕斯 约翰·斯韦勒

在线发布： 2017-09-30 # Springer Science+Business Media， LLC 2017

摘要 与需要较少脑力劳动的情况相比，有限的工作记忆资源可能在广泛的脑力劳动后发生，导致性能下降。这种消耗效应^可以纳入认知负荷理论，该理论涉及在设计教学时使用人类认知结构的属性，尤其是工作记忆。进行了两个实验，研究了当学习之间有时间间隙间隔的学习优于学习之间没有间隙的相同、大规模学习时发生的间隔效应。以小学生学习数学为例，发现学生在工作记忆能力测试（实验1和实验2）上的得分较低，而在集中练习后（实验2）的认知负荷评分高于间隔练习后。工作记忆容量的减少可能归因于工作记忆资源消耗相对

教育心理学修订版 （2018） 30：483–501 DOI： 10.1007/s10648-017-9426-2

* 陈欧浩

chenouhao_lucky@126.com * 约翰·斯韦勒 j.sweller@unsw.edu.au

胡安·卡斯特罗-阿隆索 jccastro@ciae.uchile.cl

弗雷德·帕斯

paas@fsw.eur.nl

新南威尔士大学教育学院，悉尼，新南威尔士州 2052，澳大利亚

现住址：新加坡南洋理工大学国立教育学院

智利大学教育高级研究中心（CIAE），智利圣地亚哥

鹿特丹伊拉斯谟大学心理学、教育和儿童研究系，荷兰鹿特丹

澳大利亚卧龙岗大学早期启动研究所

与间隔练习相比，与集体练习相关的长时间脑力劳动。讨论了认知负荷理论的扩展，以纳入工作记忆资源消耗以及教学设计的影响，包括间距效应。

关键词 认知负荷理论 .人类的认知架构。工作记忆资源枯竭。间距效果

当一项任务的认知努力由于第一个任务耗尽了完成第二个任务的可用资源而降低了后面任务的性能时，就会发生资源枯竭。特别是，当两个任务具有相似的认知成分时，就会发生工作记忆资源枯竭，而第二个任务的低迷表现是由于工作记忆容量降低。枯竭的资源可以在休息期后恢复（例如，Tyler and Burns 2008）。我们的理论目标是表明，认知负荷理论可以通过包括工作记忆资源枯竭来实质性扩展。我们的实证目标是将这种扩展应用于间距效应，从而解释间距效应并将其纳入认知负荷理论效应。与在较短时间内处理的相同信息（批量表示）相比，间隔较长的信息处理（间隔表示）具有更好的测试性能时，就会发生间隔效应。在这两种情况下，呈现的信息量和处理信息的总时间是相同的。唯一的区别是，间隔条件包括处理的信息段之间的一个或多个时间间隙，而聚集条件则具有连续呈现的所有信息，没有间隙。我们将首先讨论工作记忆资源枯竭，然后讨论它对认知负荷理论的影响，以及如何利用该理论（包括资源枯竭来增强）来解释间隔效应。设计了两个实验来检验所建议的解释。

工作记忆资源耗尽

我们知道很少有工作直接探索认知努力对工作记忆耗竭的影响。此外，可用的有限工作与学习时的认知努力无关。我们可以找到的一项相关研究是由Schmeichel（2007）进行的。他进行了四个实验，实验 1、2 和 4 通过向本科生展示困难的任务并评估对工作记忆容量的后续影响来调查资源枯竭。实验 1 发现，与未被要求忽略不相关单词的人相比，要求人们忽略屏幕上出现的不相关单词会降低他们的工作记忆容量。积极地试图忽略这些话，这是一项艰巨的任务，耗尽了资源。实验 2 要求人们在不使用字母 a 或 n 的情况下写一个故事，并将他们与同样被要求写故事但没有避免两个字母限制的人进行比较。在随后的工作记忆容量测试中的表现得分显示，与没有限制的故事相比，写一个有限制的故事会降低工作记忆容量。结果表明，在受限条件下写故事所涉及的努力比在不受限制的条件下所涉及的努力消耗的工作记忆资源更多。最后，实验4比较了那些在观看情感电影时被要求夸大情绪反应的人与只看电影的人。夸大情绪反应所涉及的努力

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耗尽的工作记忆资源比表达正常情绪还要多。这些实验提供了令人信服的证据，证明增加认知努力会耗尽工作记忆资源。这些任务都不是学习任务，但似乎可以合理地假设，随着时间的推移，需要增加认知努力或扩展认知努力的学习条件将对工作记忆资源消耗产生类似的影响。

之前有工作获得了与Schmeichel（2007）的研究一致的结果，但没有使用工作记忆容量的度量作为因变量。Schmeichel et al. （2003） 使用了与 Schmeichel （2007） 类似的自变量，但不是使用工作记忆容量作为因变量，而是使用推理、解决问题或阅读理解任务的表现。结果表明，在资源枯竭条件下，这些任务的绩效下降。根据随后的Schmeichel（2007）研究，可以推测资源耗尽活动后测试性能的恶化是由于工作记忆容量的减少。

Schmeichel及其同事的研究发现，从事自我控制任务会降低后续测试的表现，从而发现一般的消耗效应，而Healey等人（2011）通过提供更具体的工作记忆消耗效应的证据来扩展这些发现。他们改变了在初始任务中被忽略的刺激和在随后的工作记忆任务中被记住的刺激之间的相似性。在四个实验中，作者观察到，忽略单词会损害随后基于单词的工作记忆测试（实验1）的表现，但不会损害箭头（实验2），而忽略箭头会损害基于箭头的工作记忆测试（实验3）但不会损害单词（实验4）的表现。因此，Healey等人（2011）表明，只有当第一个任务中要忽略的刺激与工作记忆任务中要记住的刺激匹配时，才会发生消耗效应。同样，虽然这些消耗效应是由于认知加工造成的，但没有一个加工任务包括学习。

有趣的是，Schmeichel等人（2003）发现，在脑力劳动之后，复杂任务的表现下降并没有扩展到简单的任务。与复杂的任务不同，对无意义的音节记忆任务没有影响。鉴于元素交互性在认知负荷理论中的核心地位，使用高元素交互性而不是低元素交互性任务获得效果，这是使用认知负载理论的实验反复获得的结果（见下一节），表明工作记忆资源消耗与认知负载理论之间存在联系。拟议的联系为目前的工作提供了主要动力。因此，我们的目标是通过在理论中添加资源枯竭来扩展认知负荷理论。这种添加可能会产生一般的教学后果，但在本文中，我们将仅使用间隔效应来测试将资源枯竭添加到认知负荷理论中的可取性。

认知负荷理论

认知负荷理论是一种基于我们对进化教育心理学及其与人类认知结构的关系的知识的教学理论（Sweller et al. 2011）。该理论使用了 Geary 对生物学主要信息和生物学次要信息的划分（Geary 2008， 2012;Geary 和 Berch 2016），以确定适合教学设计的知识类别（Paas 和 Sweller，2012 年;Sweller 2016a）。例如，初级知识是引导我们解决问题、自我调节思想的能力的知识，

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或者学习听和说我们的母语，这是我们经过几代人进化而获得的。这些知识往往是通用认知的，而不是特定领域的（Sweller 2015），对我们的基本认知心理学至关重要。由于它在进化上的重要性，我们已经进化到在没有明确教导的情况下自动和无意识地获得它，因此它往往不适合指导。相比之下，生物学上的次要知识包括特定文化认为重要的信息。我们能够通过学习者的有意识的努力和教师或其他教师的明确指导来获得次要知识（Kirschner 等人，2006 年;Sweller 等人，2007 年）。与通常在生物学上是主要的通用认知技能不同，次要技能通常是特定领域的（Tricot and Sweller 2014）。实际上，教育和培训机构教授的每个主题都提供了生物学辅助知识和技能的范例。

在很大程度上，认知负荷理论关注的是获取特定领域的生物学次要信息，这些信息是教育和培训课程的主题。与认知负荷理论相关的信息过程模仿了自然选择进化的信息过程（Kirschner et al. 2006;Sweller 等人，2007 年;Sweller and Sweller 2006），并提供该理论使用的认知架构（Sweller 2016b）。这种架构可以用以下五个基本原则来描述。这些原则在生物学上是主要的，因此不能教授，因为它们是自动学习的。

&信息存储原则。所有学习到的信息，包括主要和次要信息，都存储在长期记忆中。长期记忆存储非常大，没有已知的限制。&借用和重组原则。存储在长期记忆存储中的大部分信息是通过复制他们所做的事情、听他们说的和阅读他们写的东西从其他人那里借来的。获得信息后，通过将其与先前存储的信息相结合来重新组织信息。&随机性作为创世原则。在解决问题的过程中，可以使用随机生成和测试过程来获得无法从他人那里获得的信息。

如果信息有用，则可以保留在长期记忆中，如果信息无用，则可以将其丢弃。

& 窄限变化原则。为了保存长期记忆的内容，在任何给定时间只能处理非常有限数量的新信息。

因此，来自外部环境的新信息是由工作记忆处理的，该工作记忆在容量和保存信息的持续时间上都受到严重限制。

&环境组织和链接原则。基于环境信号，无限量的信息可以从长期记忆转移到工作记忆，以产生适合当前环境的行动。在处理以前组织和存储在长期记忆中的信息时，没有已知的工作记忆限制。

这种基于生物学主要信息的认知架构用于获取、组织和存储生物学次要信息以供后续使用。因此，它为教学设计提供了认知基础。教学的目的是帮助学习者获得新的、特定领域的、生物学上的次要知识，这些知识旨在存储在长期记忆中。为了存储在长期记忆中，新信息首先必须在工作记忆中处理，而工作记忆在处理新信息时的能力受到严重限制。

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元素交互性和认知负荷

新信息沿着元素交互连续体变化，其中元素交互性是指必须同时处理的元素数量（Sweller 2010）。交互元素必须在工作内存中同时处理。例如，如果学习处理一个数学方程式，则必须同时处理构成该方程式的所有符号，因为大多数变化都会影响整个方程式。在处理数学方程式时，元素交互性很高，因此工作内存负载很高。相反，如果正在学习一个新词汇，则可以在不参考任何其他项目的情况下学习每个项目。元素交互性和工作记忆负荷很低，即使如果有很多词汇项目，任务也可能很困难。这种由信息的内在属性引起的元素交互性施加了内在的认知负荷。同样，与相同信息相关的元素交互性可能因所使用的教学程序而异，从而改变无关的认知负荷。不同的教学程序可以增加或减少必须同时处理的元素数量（Sweller 2010）。认知负荷理论的一个主要目标是设计旨在降低教学程序强加的元素交互性水平的教学。如果通过改变处理相同信息的教学程序来减少元素的交互性，则会减少无关的认知负荷。

认知负荷理论的一个隐含假设是，基于变化的狭隘极限原则，工作记忆容量是相对恒定的，影响容量的唯一主要因素是长期记忆的内容。正如环境组织和链接原则所指出的那样，如果相同的信息被存储在长期记忆中，则可以消除工作记忆在处理新信息时的局限性。高元素交互性信息，一旦存储在长期记忆中，就可以作为单个元素转移到工作记忆中，从而施加最小的工作记忆负荷。

基于本研究的工作记忆资源枯竭假说，长期记忆的内容是工作记忆特征的唯一主要决定因素的假设可能是站不住脚的。广泛的认知努力可能会大大耗尽工作记忆资源，如果是这样，那么在设计教学时，这个因素可能很重要。认知负荷理论的可能扩展为当前的实验提供了基本原理。在这些实验中，间距效应被用来研究工作记忆资源枯竭可能产生的教学后果。

间距效应

当在较长时间内呈现的信息与在较短的时间内呈现的相同信息相比，在演示集之间有空格的信息导致更好的学习效果时，就会发生间隔效应。这种效应有时被称为质量效应与间隔效应。几十年来，它已经建立了大量的复制，可以追溯到实验心理学的开端（Ebbinghaus 1885/1964）。有关最近两篇与教育相关的论文，请参阅Gluckman等人。

（2014）和Kapler等人（2015）。

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