教科书认知负荷评价方法探析.pdf

收稿日期：作者简介：2024-03-10邵平譞，男，华东师范大学教师教育学院在读博士生；邵川华，男，华东师范大学课程与教学研究所在读博士生（通信作者）；迟少辉，女，华东师范大学教师教育学院教授。邵平譞邵川华迟少辉（华东师范大学，上海 200062）教科书认知负荷评价方法探析摘要：教科书认知负荷现象受到高度关注，并成为以学生视角研究教科书编写的理论依据之一。对教科书认知负荷的评价主要有静态、动态两大视角，静态评价关注教科书内容本身，动态评价重视教科书与学生之间的交互作用。基于评价视角和评价类型两个维度，可将教科书认知负荷评价方法划分为静态主观、静态客观、动态主观、动态客观四种类型，每种类型包含多种具体评价方法。合理选择和运用评价方法，对深入研究教科书认知负荷水平、提升教科书质量具有重要意义。我国教科书认知负荷评价研究一方面要整合教科书认知负荷评价视角，探索科学合理的评价方式；另一方面要借鉴认知负荷评价结果，优化教科书的内容组织编排。关键词：教科书；教科书评价；认知负荷；分析视角；静态评价；动态评价【中图分类号】G405【文献标识码】A【文章编号】1005-8427（2024）04-0029-10DOI:10.19360/ki.11-3303/g4.2024.04.004教科书作为国家意志、民族文化、社会进步与科技发展的集中体现，不仅是知识传播和课程理念落实的媒介，更是践行立德树人根本任务的重要载体，其中蕴含的思想和价值理念甚至会影响学生未来的人生选择1。近年来，教育部相继颁布了 关于加强和改进新形势下大中小学教材建设的意见 全国大中小学教材建设规划（20192022年）等政策文件，党的二十大报告中也提出要加强教材建设与管理2。由此可见，提高教科书质量、完善教科书编制管理机制成为新时期课程改革推进的重要任务之一。在减负增效的背景下，教科书学习难度成为教师、家长以及课程研究者关注的热点问题。已有不少研究者从教科书内容、呈现形式、习题等方面入手，在揭示我国教科书难度水平的同时也基于国际比较视野提出教科书编写策略3-4。然而，这些研究多关注教科书内容本身，忽视教科书使用的主体学生因素，因此容易导致教科书难度评价脱离实际5。认知负荷理论是探讨学习者在完成具体任务过程中认知系统所承受负荷的理论6。该理论从一种新的视角衡量认知资源的使用情况，为以学生视角研究教科书质量提供理论指导。学生在使用教科书学习并进行认知建构的过程中，产生相应的认知负荷。有研究指出，认知资源使用程度过低会导致资源浪费，而过高又会增加学生的学习负担并导致学习效率降低；只有当认知资源被恰当地使用时，即认知处于一定负荷但未超过承受阈值时，学习效率最为理想7。众多学者围绕教科书认知负荷展开研究，以期减少学习负Journal of China Examinations2024年第4期No.4,20242024年第4期担，提高学生学习效率8-9，在此过程中，教科书认知负荷如何评价便成为焦点问题，引起国内外学者的广泛关注。本文系统梳理教科书认知负荷的测评方法，并分析当前国际教科书认知负荷的基本理论与评价方式，以期在丰富我国教科书评价研究的同时，为优化教科书编写提供理论支撑。一、教科书认知负荷的相关理论基础早在1956年，美国学者Miller最先开展认知负荷相关的研究，并在脑力负荷或心理负荷（mental workload or mental load）领域取得众多研究成果。1988年，澳大利亚认知心理学家Sweller提出认知负荷理论并将其应用于教育学研究中10。在教育领域，认知负荷理论认为学生的工作记忆容量有限，即在一段时间内只能处理有限的几个项目。因此，为确保高效学习，维持一定水平的认知负荷非常重要。有研究认为，学生在学习过程中的认知负荷已经逐步发展为教学活动组织、教学材料设计过程中必须考虑的重要因素11。认知负荷是针对某一特定的认知任务，工作记忆系统在对其进行加工和保持信息过程中所承受的负荷总量12，主要分为内在认知负荷（intrinsic cognitive load）、外在认知负荷（extraneous cognitive load）和关联认知负荷（germane cognitive load）三大类13。（一）内在认知负荷内在认知负荷是学习者对任务本身的内容进行认知加工所产生的负荷，其由学习任务决定，任务所含内容越多，复杂度越高，相应的内在认知负荷越高。例如，识记两个小于10的随机数字比识记三个大于 100 的数字要简单得多。此外，学习者的先验性知识也是影响内在认知负荷的重要因素，具有一定先验知识的学习者可以根据内容之间的相互联系将多个关联的元素视为一个整体，从而有效地增加工作记忆的容量。因此，相较于缺乏经验的初学者，具有先验知识的学习者在面对同样的学习任务时表现出更低的内在认知负荷14。有研究指出，学生的先验知识和任务难度共同决定内在认知负荷水平。学习任务所含的信息内容越多，复杂性过大，且学生缺乏一定的经验，则会给学生带来较高的认知负荷，学生难以启动认知加工与架构，进而导致学习效率低下15。学生在使用教科书过程中所面临的内在认知负荷主要源于教科书自身的学习难度。以科学教科书为例，书中包含的图形符号、宏观现象、微观结构等内容，要求学生在使用教科书过程中整合多个维度进行思考加工，因此具有较高的认知负荷水平；此外，教科书中所呈现的富有挑战性的科学探究活动，其本身就承载一定的认知负荷。这些探究活动不仅涵盖大量的知识内容，还包含系统的探究流程，在内容的深度和广度上更为复杂，因而学生在学习过程中往往会遇到一定的阻碍，这些因素共同构成了教科书内在认知负荷的表现形式。（二）外在认知负荷外在认知负荷是指学生在学习任务中未用于认知加工而浪费的认知资源，主要来源于学生在完成任务过程中寻找有用信息或关注无效内容时分散的认知努力16。当教科书呈现多条内容时，学生需要筛选、联系多个知识点以构建关系网络，该过程产生的外在认知负荷水平主要与教科书内容的分布排列和组织形式有关。图 1为编排方式产生的外在认知负荷示意图，其中：图1a中将知识与图式有机组合，学生在读图的过程中能够根据箭头指引了解对应结构的用途及原理；图1b将文本内容与图式信息相分离，学生在认知加工信息时要先根据文本内容找到对应图式，因此阅读图1b时需要面临较高的外在认知负荷。有研究发现，教科书中包含的与认30知活动无关的图文会占用有限的工作记忆空间，并带来一定程度的外在认知负荷17。例如，教科书中过于夸张的装饰性图片会吸引学生的注意力进而影响认知加工，并产生一定程度的外在认知负荷。由于调整教科书的呈现方式能够有效控制外在认知负荷，提升学生的学习效率，因此优化教科书内容编排是早期认知负荷理论关注的重点话题18。（三）关联认知负荷如果学习任务带来的内在认知负荷较低，学习者还有多余的认知资源可以调配时，就可以投入额外的认知资源帮助认知加工。这种在认知加工过程中不是必须投入但可以有效促进学习者理解概念、建构图式的认知负荷，即为关联认知负荷19。例如，学生在阅读教科书的过程中会对陌生或重点的知识内容圈点勾画、做笔记，并联系已有知识及先验经验建构新的知识和概念体系，尽管这些行为在一定程度上会增加学生的认知负荷，但由于其能帮助理解、促进学习，因此属于关联认知负荷的表现形式。研究表明，良好的教科书设计可以适度增加学生的关联认知负荷，使学生在完成学习任务过程中能投入更多的心智努力，寻求更好的信息加工策略，从而提升自身学习质量20。例如，教科书中常设置实验探究、交流讨论以及课后习题等栏目，在提升学生认知参与水平的同时提高关联认知负荷，从而促进学生自主学习。在真实的学习过程中，学习者面临的认知负荷是上述三种认知负荷的总和。当总的认知负荷超出工作记忆的总体承载能力时，学习就会陷入困境，因此要从内在、外在、关联三个维度分别对教科书认知负荷水平进行调整优化21。内在认知负荷主要由教科书内容的复杂性与学生的先验知识决定；外在认知负荷来源于不良的或未优化的组织、编排因素等，不利于学生学习，因此应最大限度地避免发生；关联认知负荷是学生在学习教科书时投入概念建构过程中的心智努力，可以促进学习，因此需要保持恰当的水平。二、教科书认知负荷评价的分析视角Sweller等从不同角度阐释学生在使用教科书过程中面临认知负荷的原因及表现形式，并据此构建不同的分析框架对教科书认知负荷进行评价。本研究在梳理国内外教科书认知负荷分ab图1 编排方式产生的外在认知负荷示意图邵平譞 等：教科书认知负荷评价方法探析312024年第4期析框架的基础上，从静态、动态两大分析视角对教科书认知负荷进行介绍。（一）静态的评价分析视角静态的评价分析视角侧重教科书本身，主要从教科书呈现的内容容量、复杂程度、表征形式及关联程度等角度对其认知负荷进行分析和评价。例如，Sweller等从三个方面分析学生学习过程中面临的认知负荷，包括学习材料的内容容量与复杂度、材料的内部组织与呈现形式，以及材料与学生已有知识的匹配程度，并据此提出学习材料认知负荷的评价框架22。静态评价视角立足认知负荷特征，通过梳理教科书文本内容与呈现形态评价其认知负荷水平。例如，通过分析教科书的内容容量、难度和表征形式等因素，评价教科书内在认知负荷；通过比较教科书图文编排形式、内容联系和装饰性图案的呈现等因素，评价教科书外在认知负荷。由于静态的评价分析视角不涉及教科书与学生间的交互作用，因此评价过程中研究者只能依据教科书呈现的实然情况对其进行评估，所评估的认知负荷也仅针对内在认知负荷与外在认知负荷，忽略了学生在使用教科书过程中所可能面临的关联认知负荷。（二）动态的评价分析视角动态的评价分析视角，关注学生使用教科书过程中面临的认知负荷，围绕学生在阅读教科书过程中的认知与行为表现开展评价。荷兰学者Paas等建构了通过学习任务测量认知负荷的模型，该模型由因果因素（causal factors）和评价因素（assessment factors）两部分构成，具体结构见图223。因果因素主要体现认知负荷的来源。学生在使用教科书时，个人属性、教科书内容特点及二者的交互作用是学生产生认知负荷的根本原因。评价因素主要用于测量学习者的认知负荷程度，包括心智负荷、心智努力及表现情况三个变量。具体而言：心智负荷主要来自教科书的复杂程度（如知识点的多少与关联程度等）、学生特征（如先验知识、认知水平等），是对学生使用教科书过程中产生认知负荷的一种原始评估；心智努力指学生的内在控制处理，是学生在阅读、学习教科书的过程中所要付出努力的总和，主要指学生从教科书中获取知识并进行有效认知建构时的认知投入，多被用于反映学习者真实的认知负荷；表现情况主要由学习效果决定，可以间接反映认知负荷情况，如阅读学习教科书所需的时间与教科书内容的掌握程度等。总之，心智负荷是认知负荷产生的根本源头，心智努力是学生参与任务过程中的投入，表现情况是学习教科书的结果。在评价学生认知负荷的过程中只有全面分析三者情况，才能对学生阅读教科书过程中的认知负荷进行综合评价。三、教科书认知负荷评价的研究方法通过建立分析框架对教科书认知负荷评价的研究方法进行类属划分，以清晰了解不同方法的特征及其适用情境。从教科书认知负荷的研究视角看，可分为静态和动态两种分析视角；从测量方法看，可分为主观性评价、客观性评价两大类24。将上述两种分类标准相结合，以静态动态指标作为横坐标，主、客观指标作为纵坐标，建立教科书认知负荷测评的四象限分类框架，具体见图3。图2 Paas等的认知负荷评价框架教科书（内容）学生与教科书的交互作用心智负荷心智努力表现情况因果因素评价因素认知负荷学生32（一）主观静态的测评方法主观测评是认知负荷研究中最常用的评估方法，其基本假设是个体可以评估自己的认知过程，并能对自身在完成任务过程中所消耗的认知资源进行自主评级7。在主观静态的测评方法中，通常采用单一维度的量表让学生评估教科书的学习难度，其常用的测评工具包括 CH 量表（Cooper-Harper Scale）和 OW 量表（Overall Workload Scale）。CH量表由Cooper于1969年提出，最初主要用于脑力负荷检测，应用到认知负荷测评领域后仍具有较高的信效度。CH量表对学生感知的认知负荷进行操作性定义，并划分为10个等级，等级越高代表所需要的认知负荷量越高25。OW量表由Vidulich于1987年提出，学生根据学习过程中的整体负荷进行主观评分，分值越高说明认知负荷水平越高26。主观静态的测评方法主要使用单一维度的简单设问对学生阅读教材的认知负荷水平进行测评，便于实施；但该方法主观性较强，且并未探讨产生教科书认知负荷差异的原因，因此存在局限性。首先，量表的问题较为笼统和直接，学生在回答问题时容易参考教科书的内容容量、编排特征、学科表观信息等进行直接评估，由此导致量表信度难以保证；其次，学生在阅读教科书过程中面临的认知负荷水平差异是由教科书难度、学生能力水平、阅读与注意习惯等多种因素导致的，单一维度的量表难以覆盖全面。总之，基于主观静态测评方法的单一维度量表虽然可以大致估测学生的认知负荷水平，但无法对相关数据作进一步解释，因此适用场景范围较窄，在教科书认知负荷研究中较少使用。（二）主观动态的测评方法主观动态测评方法的前提假设是学生在阅读教科书的过程中所面临的认知负荷水平与任务难度、心智努力、时间压力等要素紧密相关27。该方法注重学生在教科书学习过程中多维的体验与感受，不仅对学生使用教科书的任务难度进行直接测评，还通过考查心智努力、心智负荷、时间压力、学习成效等维度，全面了解学生面临的教科书认知负荷水平。Leppink等基于认知负荷的三大特征开发了教科书认知负荷的调查问卷。其中，维度13主要考查学生对主题本身的复杂性感知，以此了解内在认知负荷；维度46主要考查学生在学习过程中是否受到干扰影响，用于评估外在认知负荷；维度710重点关注教科书呈现内容对学生认识建构是否存在促进作用，从而评价关联认知负荷27。在此基础上，Leppink等还收集学生学习时间、学习投入、心智负荷三个维度的数据，依据权重系数进行计算后，用于整体刻画学生感知到的教科书认知负荷水平27。多维度评估问卷涉及一些专业或生僻内容，评价过程较为复杂。在测试过程中，受试者常在不理解题目含义的情况下根据主观感受填写问卷，由此导致学界对多维度评估试卷的信度一直存在争议。为解决该问题，Klepsch等在优化问卷的基础上开展知情评价，即在评价前先给被试介绍有关认知负荷的概念和特征，然后完成教科书邵平譞 等：教科书认知负荷评价方法探析图3 教科书认知负荷测评方法分类框架脑科学技术（脑成像、脑电波）主观静态的测评方法主观动态的测评方法CH 量表OW 量表文本分析图形分析主观客观静态动态客观静态的测评方法客观动态的测评方法多维评估问卷眼动追踪技术332024年第4期学习任务，最后进行认知负荷评价28。尽管知情评价是一种较为有效的评价认知负荷的方法，但由于其成本较高且耗时较长而难以大规模推广。此外，学业成绩也经常被作为衡量学生认知负荷的重要指标；但有研究认为学业成绩不能直接反映教科书认知负荷水平，只能作为参考材料29。Mikk从文本长度、内容复杂度两个维度调查中学生在阅读过程中的认知负荷水平，结果发现学生最容易理解和掌握的文本长度为50130字30，这为教材编写提出实证数据支持。综上，使用多维度评估问卷测量教科书认知负荷是一种方便操作且容易被接受的方法，但该方法通常是在学生阅读教科书、完成学习任务后进行的事后评价；因此，既无法测量学生在学习过程中认知负荷的实时变化情况，也无法深入研究教科书具体内容与编排方式对学生认知负荷的影响，导致其适用范围存在一定局限。（三）客观静态的测评方法客观测评法是基于客观的数据、证据对教科书认知负荷水平实施评估。客观静态的测评方法兼具教科书认知负荷测评的客观性与静态性，从静态的评价视角对教科书的内容选择、表征方式、逻辑关系等特征进行文本分析，进而评价教科书认知负荷水平。Nyachwaya等通过聚焦教科书内容的表征形式，从表征数目（number of representations）、表征位置（physical integration）、图示说明（figure indexing）、拓展标题（extended captions）、标签注释（labeling）、表征作用（representation function）、概念整合（conceptual integration）等七个维度综合评估教科书的认知负荷，发现教科书中的标题和注解有助于减少学生的内在和外在认知负荷，图文结合的内容介绍有助于学生理解教科书中较为抽象的概念，帮助学生建构概念，但过多的表征内容和过于丰富的表征形式会产生较高的内在认知负荷31。Upahi等结合化学教科书编排特点与认知负荷理论，构建了以“表征种类、图文联系、标题类型”为一级标准的教科书认知负荷评价框架，发现教材中符号表征占总表征种类的87.9%，且过多的符号表征会使部分学生认知负荷过载；与教学内容相关却没有提示指引的表征占总数的77.6%，导致部分学生需要寻找额外有用信息而产生外在认知负荷32。由于客观静态的测评方法多采用文本分析，对教科书认知负荷评价的重点聚焦于教科书内容本身，较少涉及学生等因素干扰，因此可以直接对教科书进行评估。此外，研究者还可以根据评价框架对不同版本的教科书认知负荷水平进行横向比较。然而，由于缺少学生参与，运用此评价方法得到的认知负荷与学生使用教科书过程中真实的认知负荷水平存在一定差距。（四）客观动态的测评方法随着信息技术与教育测量的进一步融合发展，新的测量手段不断丰富教科书认知负荷研究途径。通过实时收集学生在阅读教科书、完成学习任务过程中的生理数据，客观动态的测评方法可以及时评估学生面临的认知负荷水平。眼动追踪法可以实时关注被试注视的位置及持续时间。Mayer认为，眼动跟踪法不仅有助于理解学生在学习时的注意与感知过程，还有助于理解注意的发生过程并以此推测认知过程33。基于该理论，Lin等将眼动追踪应用于认知负荷的测评中，研究者通过眼视系统（eye gaze system）记录学生的眼球运动情况，如瞳距变化、关注焦点及注意保持时长等，建立认知负荷水平与眼球运动相关参数间的关系，进一步验证眼动追踪法作为认知负荷评估工具的有效性34。使用脑科学技术记录被试在阅读教科书、完成学习任务过程中大脑生理指标的变化，是一种具有广阔应用前景的认知负荷评估方法。现阶34段，认知负荷测评领域运用较多的是脑成像技术和脑电技术。脑科学研究发现，大脑不同区域负责不同的工作记忆功能，因此学习任务执行过程中额外的认知负荷会导致大脑的某些区域由此发生改变35，这也是脑成像技术用于评估大脑认知负荷的理论基础，主要包含功能性磁共振成像（fMRI）和功能性近红外光谱技术（fNIRS）两种方法。Callicott等使用fMRI技术对被试的工作记忆能力进行预先监测，然后监测被试阅读教科书过程中的核磁共振数据，比较两次成像数据后发现被试的脑区成像图在阅读教科书前后发生显著变化，进一步分析得出学生在学习教科书过程中产生的认知负荷水平36。脑电技术主要分为脑电图（EEG）和事件相关电位（ERP）两种，可以实时收集被试的脑电波和认知电位，了解被试的认知资源负荷情况，进而实施认知负荷的测评37。Castro-Meneses等使用脑电图分析被试在完成高认知负荷任务过程中的脑电数据，为进一步探究认知负荷水平及实时波动情况奠定基础38。客观动态的测评方法由于不受学生阅读习惯等个人特征影响，因此具有一定的稳定性。此外，该方法能实时了解学生的认知负荷水平变化，灵敏度较高。但该方法也因要求较高而存在局限性：一是对研究者要求较高，要能熟练操作仪器并解读数据；二是对仪器设备和测评环境要求较高，整个研究过程必须在实验室进行。基于上述对四类教科书认知负荷评价方法的比较分析，笔者从准确性、稳定性、灵敏性、实时性、便利性等五个方面进一步比较各类研究方法，见表1。结果发现各类研究方法均有其优势和不足：教科书文本分析、问卷调查、访谈等方式虽然操作简单、高效便捷，却难以全面地反映学生在使用教科书过程中产生认知负荷的特征；采用脑科学技术、眼动追踪技术等生理数据虽能较客观地展现认知负荷的产生和表现，但存在成本高、效率低、周期长等弊病，因此亟须创新教科书认知负荷的评价方式。四、对我国教科书认知负荷评价研究的启示本研究对静态、动态两大教科书认知负荷分析视角进行梳理分析，并基于研究视角和测量方法的四象限分类方法对教科书认知负荷测评进行横向比较，得到以下两方面启示。（一）整合教科书认知负荷评价视角，探索科学合理的评价方式教科书认知负荷具有多样性和复杂性，目前在学界尚无认可度较高的评价方法。已有研究多采用单一的静态或动态的评价视角，其局限性在于无法对三类认知负荷进行全面评价。为解决这一困境，一方面可以将静态、动态研究视角相结合，通过静态的评价视角从内容选择、表征方式和结构顺序等维度对教科书进行评价，同时兼顾动态评价视角，在学生使用教科书的过程中进行外在、关联认知负荷的评价；另一方面可以将静态评价视角与动态评价视角的研究结果进行一致性分析，研究内在、外在、关联认知负荷之方法类型主观静态法主观动态法客观静态法客观动态法具体方法单维量表（CH、OW量表）多维评估问卷文本分析、图形分析眼动追踪技术脑科学技术（fMRI、fNIRS）脑电波技术准确性中高中高高高稳定性中中中高高高灵敏性低中低中高高实时性低低低高高高便利性高高高中低低表1 教科书认知负荷评价的研究方法比较邵平譞 等：教科书认知负荷评价方法探析352024年第4期间的联系及相互影响，并以此揭示认知负荷产生的内在机制。尽管教育学与心理学领域都高度关注教科书的认知负荷，但相关的评价研究仍难以形成固定范式。首先，主观测评凭借其较高的便利性、可接受度及较低的使用门槛，一直是教科书认知负荷测评的首选方法，且占比最大；但该方法因受主观因素影响较大而受到学者质疑。其次，基于教育技术的认知负荷测评方法对研究人员要求较高、对仪器设备的依赖性较重，且在收集数据的过程中存在干扰学习任务的可能，因此可接受度较低。有学者提出整合多种评价方法的有效手段，如将问卷调查与眼动分析技术相结合，在学生主观判断认知负荷的情况下结合生理数据，实现客观有效的评价39。此外，还可以依托网络信息技术评价学生认知负荷，如通过学生阅读材料时的鼠标轨迹和相关问答反馈进行实时有效的评价，但相关研究还待进一步深入探索。（二）借鉴认知负荷评价结果，优化教科书的内容组织编排保障学生在阅读教科书过程中不产生过高的认知负荷，提高学生阅读、自学的兴趣与效率，是开展教科书认知负荷评价研究的根本目的。此外，通过相关研究还能帮助教科书编写者和教师从评价过程中汲取思想和灵感，并将其转化为教科书编写建议及指导教学的相关策略。通过文本分析评价教科书内在认知负荷发现，过多或过于复杂的知识内容给学生带来较高的认知负荷，因此需要优选教科书内容和优化教科书编排方式，控制各单元的知识容量。基于眼动分析评价教科书外在认知负荷可以了解学生阅读教科书时的关注点，判断教科书是否存在一些干扰学生学习的无关信息，进而为教科书内容呈现和编排提供相应的建议。教科书内容编排还要加强知识的结构化，将知识内容合理整合，尽可能减少无关的装饰性内容，避免学生查找而浪费精力。通过学生问卷调查、访谈等方法评价教科书关联认知负荷，有助于理解学生通过使用教科书构建知识的认知过程，进而发现学生学习难点与障碍，提示教科书编写时需要考虑学生的学习困难，并提供相应的“脚手架”促进学生知识转化。此外，相关的评价也可以进一步指导教师如何开展教学活动设计。总之，从教科书认知负荷评价中汲取优化教科书编写思路，从评价结论中获取教学组织建议不失为一条“提高学生学习效率，真正落实减负增效”的有效途径。参考文献1 余宏亮.建设教材强国:时代使命,主要标志与基本路径J.课程 教材 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