冯小燕，王志军，李睿莲，厉飞飞

(1.河南科技学院 信息工程学院，河南 新乡 453003; 2.天津师范大学 教育科学学院，天津 300387)

基于认知负荷理论的微课视频设计与应用研究

冯小燕1,2，王志军2，李睿莲1，厉飞飞2

(1.河南科技学院 信息工程学院，河南 新乡 453003; 2.天津师范大学 教育科学学院，天津 300387)

微课视频在教学中的应用日益广泛，但在设计与制作时存在教学设计不足、知识点切分不到位、对学生认知特点和学习需求分析不足等问题。本研究对理论进行梳理后提出通过降低内在认知负荷、减少外在认知负荷和增加相关认知负荷的策略提高微课视频的质量和应用效果；在此基础上，以认知负荷理论为指导，对“思维导图及其制作”微课视频进行设计，并进一步开展了应用效果的对比实验。结果表明，基于认知负荷理论设计制作的微课视频可以有效提高学习者的学习效果。

微课视频设计； 认知负荷； 学习效果

有关微课的定义，不同学者从不同视角进行了阐述。胡铁生认为微课是以教学视频为主要载体，反映教师在教学过程中某个知识点或环节中开展的各种教学资源的有机整合[1]。焦建利认为微课是以阐释某一知识点为目标，以学习或教学应用为目的，短小精悍的在线教学视频；黎加厚认为微课是目标明确，内容短小，问题相对单一的10 min以内的小课程，以教学视频为主要载体[2]。可以看出各学者对微课核心组成和主要特点的界定十分相似，即教学视频是微课的核心组成部分，知识点突出，是十分有效的教学和学习资源。

微课视频作为微课资源的核心组成部分，其质量高低在很大程度上影响着微课的学习效果。但从教学设计、内容适切性和应用效果角度分析已有的微课资源和参赛作品，发现微课视频开发与应用中存在的问题主要有：① 缺少精心设计与制作技法处理，将微课视频变成了课堂或教材的翻版，没有根据微课特点对知识点进行分解。② 将任意类型的教学内容制作成微课视频，没有根据教学内容的适切性进行选择。③ 呈现的知识点存在细化与切分不足或不当的问题。④ 对学习者需求和认知特点分析不足，虽制作精良但没有起到应有的效果，这些问题得不到有效解决将导致微课视频在实际应用中的满意度下降，影响学习效果。因此，微课视频在设计与制作时应符合学习者的认知规律，富有吸引力；同时遵循多媒体画面语言规则，要素设计既丰富生动，又和谐简洁[3]。有关微课视频的内容选取、教学设计、画面设计、知识表达等应成为关注的重点[4]。

建立在信息加工心理学基础上的认知负荷理论，其存在的基础是人类信息加工容量的有限性[5]。斯韦勒(Sweller)以资源有限理论、工作记忆理论和图式理论为基础，认为认知负荷是指在一个特定学习时间内施加于个体认知系统的心理活动总量[6]。认知负荷的产生与具体任务相关，需要工作记忆中的有限认知资源的参与，认知负荷的大小成为能否有效解决问题及获得图式的重要影响因素。

认知负荷分为内在认知负荷、外在认知负荷和相关认知负荷3类，三者之和为认知负荷总量。其中内在认知负荷主要受学习材料复杂性和学习者原有知识水平的影响；外在认知负荷又称为无关认知负荷，一般是由教学设计或教学活动的不当所造成的额外的认知加工所引起的；相关认知负荷是由学习者在图式建构和自动化过程中投入的认知资源数量，引导学习者把认知资源分配到学习活动上去。相关认知负荷受到外在认知负荷、内在认知负荷和总的认知负荷的影响[7]。

在认知负荷理论指导下进行优化设计，微课视频的上述问题有望得到较好的解决。可以从降低学习者的内在认知负荷，减少外在认知负荷，提高相关认知负荷，促进学习者的深层次认知加工方面加以考察。

2.1降低内在认知负荷

微课视频并不适应于所有的教学内容，对于适应于微课视频的教学内容，其内在认知负荷较低，学习效果较好；不适应于微课视频的教学内容采用微课视频的方式教学，反而会增加学习者内在认知负荷，影响学习积极性和效果。如果呈现的内容过多或过于复杂则会使学习认知负荷超载。微课视频对知识点细化不足或切分不当，增加了学习者的内在认知负荷。降低内在认知负荷的策略包括：① 根据教学内容选择微课视频，让合适的内容借助微课视频呈现，有效降低学习者的内在认知负荷。② 学习内容越多，任务越复杂，对学习者的认知加工的要求就越高，所占用的认知资源达到一定的量就会超负荷[8]。在学习复杂内容之前，应对其进行适当的分解，分步实施，循序渐进；在掌握到一定程度后可适当增加复杂的知识内容，促进知识的有意义建构，提高学习质量和效率。

2.2减少外在认知负荷

设计不良的微课视频会占用学习者的认知资源，增加外在认知负荷[9]。在微课中添加一些吸引学习者注意但与学习内容无关的元素、相关信息的分离、信息传递通道的选择不当或不足、学习者对学习目标不明确等[10]，都会使学习者分出不必要的认知资源，增加外在认知负荷。降低外在认知符合的策略有：① 充分考虑学习者的先前经验，考虑不同学习者的知识水平和能力层次。② 明确教学目标，将学习者的注意力引向与学习紧密相关的内容，促进知识的深度加工。③ 在使用多种媒体元素来呈现同一或相关的知识内容时，应避免将相关元素分开而增加学习者外在认知负荷。④ 尽量注意减少冗余信息，避免干扰学生注意力的分配。

2.3增加相关认知负荷

学习者的相关认知负荷有利于促进学习，应适度增加微课视频的相关认知负荷，提高学习效果。微课视频的信息承载量应适当，以提高相关性认知负荷，优化学习过程达到更好的学习效果。微课视频制作中增加相关认知符合的策略有：① 创设接近现实任务的情境，促进学习者对其进行有意义建构与加工，提高问题解决的能力。② 注意多通道原则的运用，当信息呈现形式单一时，学习者认知加工时会出现部分认知资源闲置而造成浪费，应综合利用视听触觉等多种通道，有效提高工作记忆的使用情况。③ 有效利用样例提高学习效果，微课视频时间短，对于初学者而言提供其所熟知的内容作为样例能促进学习者对课程知识的理解，提高其解决相关问题的能力。

心理学家安德森将知识分为陈述性知识和程序性知识，陈述性知识包括所知道的事实，程序性知识包括晓得如何进行的技能；技能的学习经过认知、联结和自动化3个阶段[11-12]。本研究选取“思维导图及其制作”作为微课视频的呈现内容，主要包括有关思维导图理论的陈述性知识和如何制作思维导图的程序性知识，以探究不同知识类型微课视频对学习者学习效果及认知负荷的影响[13]。从微课资源网上选取一个点击率较高，讲授“思维导图及其制作”的微课视频，时长8 min 30 s。以认知负荷理论视角分析发现，该微课视频存在所讲内容较多、表现形式过于单一、教学设计不合理、缺少恰当的样例等问题，在诸多方面不符合本研究提出的设计原则，故将其作为对照组。在认知负荷理论指导下对该微课视频进行了改良和优化。为了验证不同类型的知识分开呈现与合并呈现哪种形式的学习效果更好，分别制作了两组微课视频，将陈述性知识与程序性知识进行了分开呈现与合并呈现的对比实验，即实验组1和实验组2。3组微课视频在设计与制作方面的主要差异如表1所示。为保证微课内容的统一性，实验组1与实验组2中在“思维导图及其制作”的教学内容上与对照组保持一致，时长误差不超过20 s。

表1 基于认知负荷理论的微课视频优化设计

为了考察对于相同的学习内容，符合认知负荷理论的微课视频是否能够显著提高学习效果，进行了进一步的实验探索。

4.1方法

(1) 实验设计。本实验采用单因素被试间设计，自变量只有一个，即微课视频，分为3个水平：原微课视频，在认知负荷理论指导下优化但未分段的微课视频，在认知负荷理论指导下优化并分段的微课视频；因变量为学习效果(保持成绩和迁移成绩)和认知负荷。

(2) 实验目的。探究微课视频在设计制作时有无认知负荷理论指导对学习者学习效果的影响，从而验证本研究提出的基于认知负荷理论的微课视频设计规则的合理性与可行性。

(3) 实验材料。实验材料包括前测材料、微课视频学习材料和后测材料。前测材料主要用来筛选被试，保证被试有关思维导图的先前知识处于同一水平。微课视频学习材料为3份，即原微课视频、经过改良未分块的微课视频和经过改良并分块的微课视频，所讲内容均为“思维导图及其制作”。后测材料主要包括保持成绩、迁移成绩、认识负荷的测试题。其中保持成绩测试题6道；迁移成绩测试包括测试题3道和被试独立创作的思维导图作品一个，作品评分由3名研究人员独立评定，求平均分；认知负荷采用5点式主观量表测量学习者的认知努力程度[14]，其程度从“非常吃力”到“非常轻松”被分为5个水平，得分越高表示认知负荷越小。在正式实验开始前，请相关专家对实验材料进行评定，并根据专家的意见对测试题进行了调整与完善，保证了实验材料的内容效度；之后进行了小范围的试测，a信度系数为0.738，说明所设计的材料具有良好的信度。

(4) 被试。随机选取42名大一本科生，分为3组，每组14人；视听力正常，所有被试都事先告知实验内容，并知情同意。

(5) 实验过程。实验在数字媒体制作实验室进行，3组实验材料随机存放在不同机器中统一指定的路径下；视频采用统一播放器全屏播放，配有耳机；机器均装有思维导图软件Sharemind。实验过程为：首先引导被试进入实验室随机就坐，告知实验要求和注意事项，并进行先前知识测验；其次让被试观看指定类型的视频，结束后使用Sharemind软件独立制作一个思维导图，并按要求保存作品；最后被试完成后测试题，整个实验用时约45 min。

4.2数据分析

使用SPSS22.0对被试的学习效果和认知负荷进行统计，结果如表2所示。无论是保持成绩、迁移成绩还是总成绩均为实验组2成绩最高，实验组1次之，对照组成绩最低。标准差越大说明该组成绩越分散，越小说明该组成绩越均衡；通过标准差可以看出，无论是保持成绩、迁移成绩还是总成绩，标准差均为对照组最大、实验组1次之，实验组2最小；说明不同类型知识分开呈现的实验组2保持成绩整体偏高且水平均衡，而对照组成绩整体偏低且水平不均衡。

表2 不同分组的测试成绩

本实验在进行认知负荷测量时，分值越高表示学习越轻松，认知负荷越小，测试结果如表3所示。可以看出，实验组2认知负荷最小，实验组1认知负荷次之，对照组认知负荷最大。表明基于认知负荷理论进行改良和优化的微课视频在一定程度上可以减少学习者的认知负荷，若能将不同知识类型的学习内容分模块呈现，则可以更有效地降低学习者的认知负荷。

表3 不同分组的认知负荷成绩

经检验3组被试的保持成绩、迁移成绩、总成绩和认知负荷成绩均具有方差齐性，适合进行单因素方差分析。对3组的保持成绩、迁移成绩、总成绩和认知负荷进行单因素方差分析，保持测试成绩：F(2，39)=5.32，P=0.009lt;0.01，3组间差异达到极其显著水平；迁移测试成绩：F(2，39)=2.947，P=0.064gt;0.05，3组间差异虽然未达到显著性水平，但比较接近显著性差异；总成绩：F(2，39)=7.466，P=0.02lt;0.05，3组间差异达到显著水平。认知负荷：F(2，39)=0.91，P=0.414gt;0.05，实验组1和2的认知负荷比对照组低，但未达到统计学上的显著性水平，说明学习者学习这3组微课的时候投入的努力程度比较相近。

使用LSD对保持成绩、迁移成绩和总成绩进行事后多重比较发现，保持成绩：对照组和实验组1之间差异显著(P=0.014lt;0.05)，对照组与实验组2间的差异极其显著(P=0.004lt;0.01)，实验组1和2之间差异不显著(P=0.669gt;0.05)。迁移成绩：对照组和实验组1之间差异不显著(P=0.087gt;0.05)，对照组和实验组2之间差异显著(P=0.025lt;0.05)，实验组1和2之间差异不显著(P=0.571gt;0.05)。总成绩：对照组与实验组1差异显著(P=0.05)，对照组与实验组2差异达到极其显著水平(P=0.001lt;0.01)，实验组1和2差异不显著(P=0.532gt;0.05)。

4.3讨论

对于保持成绩，对照组、实验组1和2依次上升；由显著性分析可知，对照组与实验组1之间具有显著差异，对照组与实验组2之间具有极其显著差异，实验组1与2之间差异不显著，说明认知负荷理论指导下设计的微课视频有利于提高学习者的保持成绩；实验组2与1相比，在基于认知负荷理论基础上，将陈述性知识与程序性知识采用了分片段呈现的方式，这种方式在一定程度上提升了学习者的保持测试成绩，但差异未达到显著水平，说明将不同类型知识进行分模块呈现是提高保持成绩的一个要素，但不是主要要素。

对于迁移成绩，对照组、实验组1和2的迁移测试成绩也是依次上升；由显著性分析可知，与对照组相比，认知负荷理论指导下设计的微课视频对于“思维导图及其制作”这类软件操作类知识，能有效促进学习者的知识迁移，若使用分片段呈现的方式可以使这种差异达到显著水平。说明利用微课视频进行软件操作类内容的学习时，将陈述性知识与程序性知识分开呈现有利于学习者迁移成绩的提高。

对于认知负荷，对照组、实验组1和2的认知负荷水平依次降低，但3组之间没有达到统计学上的显著水平，说明3组实验中学习者在学习过程中的心里努力程度比较接近。学习者在付出的心理努力水平相接近的情况下，基于认知负荷理论设计制作的微课视频可以显著提高学习效果，若能在此基础上将不同类型的知识分模块呈现，则学习效果更好。因此，在设计与制作微课时，应根据讲授内容所涉及的知识类型进行适当的视频片段划分，而不能仅仅以据时间长短的限制来确定微课的教学信息容量。

认知负荷水平相近的情况下，基于认识负荷理论改良并根据知识类型分模块呈现知识的微课视频，学习者的学习效果最好；基于认知负荷理论改良但未根据知识类型分模块呈现的微课视频学习效果次之；缺乏认知负荷理论指导的微课视频学习效果最差。由于软件操作类学习内容需要学习者对所学知识进行系统的理解和不同情境下的应用[15]，对学习者的能力要求较高，这种类型的微课视频更需要基于认知负荷理论进行设计；根据教学需要和学习者特点及接受能力将不同类型的知识分模块呈现可以有效降低学习者的内在认知负荷，有利于提高学习效果。因此，应以认知负荷理论为指导，从降低内在认知负荷、减少外在认知负荷、增加相关认知负荷方面优化微课视频的设计与制作，在充分考虑学习者、教学内容和教学媒体的匹配基础上开发和制作优质的微课资源。

受实验条件所限，选取的被试为大一学生，实验结论适应于大学低年级的学生。在后续研究中将充分考虑不同学历和年龄层次对研究结果的影响，以提高研究结论的可推广性。另外，仅选取了软件操作类学习内容的陈述性知识和程序性知识作为实验内容，有关不同学科知识类型微课视频对学习效果和认知负荷的影响仍需进一步的探究。

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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

河南省教育厅人文社会科学研究项目“科学知识可视化促进青少年科学素养提升研究”(2017-ZZJH-158)；天津市哲学社会科学规划项目“面向深度学习的教育媒体优化设计研究”(TJJX16-009)；江苏省教育厅社会科学基金项目“信息碎片化时代青少年注意力提升策略研究”(2016SJB190013)天津市哲学社会科学规划项目“学习者网络视频学习行为分析及其支持策略研究”(TJJXWT16-006)

冯小燕(1979-)，女，河南新乡人，博士生，讲师，从事多媒体学习、数字化学习资源设计开发研究。Tel.: 18222861556; E-mail: [email protected]

实验室研究与探索2017年10期