摘要：目前数字教育资源海量化，但优质教育资源依旧不足。优质教育资源的产出需要好的教学设计。根据基于认知负荷理论的梅耶多媒体教学设计原则提出了远程教育微课教学设计原则框架，包括减少外来认知加工的原则、善用必要认知加工的原则和促进生成认知加工的原则。并将其应用在城市燃气工程技术专业核心课程的微课教学设计实践中。实践与调查研究表明，利用微课教学设计原则进行教学设计的微课在各项微课评价指标测评中均占绝对优势，尤其在情景创设、问题设计、兴趣培养和思维表征等方面表现突出。
关键词：认知负荷；多媒体认知学习理论；多媒体教学理论；远程教育；多媒体教学设计原则；微课
中图分类号：G432 文献标志码：A 文章编号：2095-5383（2017）04-0058-05
Abstract： At present， digital educational resources are massively produced， but the quality educational resources are still not enough. The output of quality educational resources is guided by good instructional design. In the light of multimedia teaching design principles of Mayer based on cognitive load theory（CLT）， the design principles framework of micro-lecture teaching was proposed， including reducing the external cognitive processing principle， efficiently implementing the necessary cognitive processing principle and promoting the formation of cognitive processing principle. Then， the proposed framework was applied to the teaching design practice of micro-lectures of the core courses of urban gas engineering technology specialty. Practice and investigation show that the micro-lectures based on the micro-lecture teaching design principle framework have superior performance in various micro-lecture curriculum evaluation index tests， especially in the fields of scenarios creation， knowledge application， question design， interest cultivation and thinking representation.
Keywords：Cognitive Load Theory； Multimedia Cognitive Learning Theory； Multimedia Teaching Theory； Distance Education ； Multimedia Teaching Design Principles ； Multimedia Instructional Design； Micro Lectures
0 引言
《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》明确提出要“推进教育信息化，发展远程教育，扩大优质教育资源覆盖面”[1]，进一步扩大优质教育资源覆盖面是构建“人人皆学、处处能学、时时可学”的学习型社会的主要推进方式。当前数字教育资源海量化，但优质教育资源依旧不足[2]。优质教育资源是资源共享渠道畅通、共享机制健全的前提；而优质教育资源的产出需要好的教学设计。教学设计属于教学科学研究的范畴。教学科学的任务是“创造以经验证据为基础的一系列原理，这些原理可以帮助和促进人的学习”[3]。著名的教育心理学和认知心理学家梅耶提出了基于认知负荷理论（Cognitive Load Theory，CLT）的多媒体教学设计理论。CLT认为人的工作记忆是有限的，而长时记忆的容量几乎是无限的，教学的主要功能是尽量在长时记忆中以图式方式存储信息。只有认知负荷恰当适中，才会对学习产生积极的效果[4]。梅耶及其团队提出的10条多媒体教学设计原则就是建立在约100项实验研究的基础上为教育设计实践提供的具有处方性意义的行动指南。本文在国家开放大学城市燃气工程技术专业核心课程微课建设基础上展开理论与实践研究，根据基于认知负荷理论的梅耶多媒体教学设计原则提出了远程教育微课教学设计原则框架，并以此实践指导微课教学设计过程，验证了其有效性。
1 理论基础
1.1 認知负荷理论对多媒体教学设计的指导意义
CLT是由澳大利亚新南威尔士大学的认知心理学家约翰·斯威勒（John Sweller）以穆勒（Miller）等人早期的研究为基础于1988年首先提出来的[5]。CLT把人类的认知结构分为两个部分：工作记忆和长时记忆。其中工作记忆又称为短时记忆，它的容量是有限的，一次只能存储5～9条基本信息。并且存储在工作记忆中的元素之间的交互也需要占用工作记忆空间，能同时处理的信息数量就更少了，一次只能处理2～3条基本信息。但长时记忆的容量几乎是无限的，其中存储的信息既可以是小的、零碎的信息，也可以是大的、复杂交互、序列化的信息。长时记忆是学习的中心，如果长时记忆中的内容没有发生变化，持久的意义学习则不可能发生。认知负荷理论认为教学的主要功能是试图在长时记忆中存储信息。
成都工业学院学报http：//paper.cdtu.edu.cn/第20卷人类内在的认知架构和外在的教学措施通过CLT紧密地连接在一起，并且CLT在两者之间建立起了有效的映射关系，很多学者在CLT基础上提出并验证了一系列具体有效的教学设计原则。20世纪90年代末，梅耶和莫雷诺（Moreno）首次讨论了认知负荷理论中的三种面向多媒体学习的认知负荷，即内部认知负荷，外部认知负荷和相关认知负荷。内部认知负荷是由学习材料的本质与学习者的专业知识之间的交互形成的，教学设计者无法对它产生直接的影响。外部认知负荷是在内部认知负荷之外的额外的负荷，主要是由不当的教学设计引起的。相关认知负荷是指与促进图式构建和图式自动化过程相关的负荷。外部认知负荷和相关认知负荷可以通过教学设计调节。三种类型的认知负荷在量上是叠加的。为了促进有效学习的发生，教学设计者在教学过程中应尽可能减少外部认知负荷，增加相关认知负荷，并且使总的认知负荷低于学习者个体能承受的认知负荷总量。上述三类认知负荷对应三种认知加工，即必要加工（Essential Processing）、外来加工（又称无关认知加工）（Extraneous Processing）以及生成加工（Generative Processing），并由此构成了梅耶多媒体学习的认知负荷三元模型，如图1所示。好的多媒体教学设计应该在教学中实现对有限认知资源的最优配置。尽量减少外在认知加工，善用必要认知加工，促进生成认知加工[6]，这也是认知负荷理论对多媒体教学设计的关键指导意义所在。
1.2 多媒体认知学习理论到多媒体教学理论的转化
多媒体认知学习理论的最终目标是试图解决这样一个实践问题：如何对多媒体教学进行组织，并应用更有效的教学策略帮助学习者进行有效学习[7]。严莉等认为，梅耶在多媒体认知学习理论模型的基础上，通过引入认知负荷理论的思想与方法，创造性地实现了由学习理论向教学理论的转化，衔接了教学、学习以及技术之间的交叉联系，进一步证明了多媒体教学设计理论的科学性和合理性[8]。梅耶深入研究了多媒体学习的认知规律，依据双通道假设、容量有限性假设和主动加工假设的心理学原理提出了10条多媒体教学设计原则以及这些原则使用的边际条件和详细的认知加工处理指导，并进行了大量的实验研究，是有扎实的理论基础和实证经验的。梅耶10条多媒体教学设计原则具体有减少外在认知加工的一致性原则、信号原则、冗余原则、空间接近原则和时间接近原则；善用必要认知加工的分段原则、前训原则和通道原则；促进生成认知加工的多媒体原则和人性化原则。
2 远程教育微课教学设计原则框架
微课是指运用信息技术按照认知规律，呈现碎片化学习内容、过程及扩展素材的结构化数字资源。据调查，目前远程教育学习者有一定工作经验，但专业基础理论知识和自主学习能力薄弱，超过50%的本科学生没有远程求知经验[9]，且学习时间零碎。微课短小精干、主题突出、相对完整以及多样传播等特点尤其适合远程教育，能满足原有知识水平低的学习者的学习需求。
为了让学习者对学习材料主动进行选择、组织及整合，理解所学知识，并将所学知识的一般原理迁移到各式各样的现实情景中解决问题、完成任务，有效实现学习迁移，在进行微课教学设计时，要科学遵循基于认知负荷理论的多媒体教学设计原则，使负荷总量低于学习者能够承受的认知负荷，尽可能减少外在认知加工、擅于利用内部认知加工，从而促进生成性认知加工，并实现最终的意义学习。
依据梅耶多媒体教学设计原则以及远程教育学习者的知识水平，本文提出远程教育微课教学设计原则框架，如图2所示。
3 远程教育微课教学设计原则解析及其在实践中的应用
3.1 聚焦要义原则
聚焦要义原则是指在多媒体教学设计中，删除那些与教学目标达成无关的文字、图片和声音等所谓的“花边细节”（Seductive Details）。梅耶提出应当删除那些有趣但又无关的文字和画面、声音和音乐，删除那些多余的文字和符号[3]。这样做的目的是为了尽量降低认知负荷、有效利用学习者有限的认知资源。“花边细节”会“分散”学习者的注意力，“占用”有限的工作记忆，甚至“误导”学习者将无关的学习材料组织到原有的知识结构体系中，从而“破坏”学习者长时记忆中的认知图式，达不到预设的教学目标。聚焦要义原则对工作记忆容量较小或专业领域知识水平较低的学习者更为有效。
聚焦要义原则应用在城市燃气工程技术专业微课教学设计中应考虑以下两个问题：一是背景音乐的取舍；二是关键知识点文字的显现。微课样片显示：制作公司选取和教师语速匹配的背景音乐；有时甚至出现“黑板搬家”的情况，教师的讲述内容与屏显文字完全吻合。根据聚焦要义原则，修改后的成片取消了背景音乐；同时只屏显提炼后的关键文字。
3.2 导学原则
导学原则是指在多媒体教学设计中，如果适当引入一些引导，给学习者学习提示，突出主要学习材料的组织，那么学习者的效果会更好[3]。在多媒体学习中，如果学习材料难度大，需要大量的内在认知加工；或者是與教学目标无关，但又因为能提高学习者的学习兴趣从而无法舍去的花边细节过多，导致学习者无所适从，难以对基本材料进行认知加工，加重学习者的认知负荷。这时如果能加入一些提示或线索，有助于让学习者忽略修饰成分，将注意力直接引向关键学习材料；节约有限的认知容量来加工关键学习材料，去掉加工无关材料的认知需求，毫无疑问这将促进学习者学习。
《工程力学基础》课程涉及了结构力学、材料力学及理论力学三大力学。主讲教师在微课教学设计中引入了“导学”，理清了三大力学之间的关系，分析比较了三大力学分别解决工程中的问题类型。并通过工程实例的引入，课程内容对应的力学类型和应采用的学习方式都给学习者提前做了引导。学习者在后期的学习中，能够根据导学有针对性地完成学习，促进学习目标的有效达成。
3.3 控制冗余原则
控制冗余原则是指以图画、解说两种形式呈现信息所产生的学习效果要比以图画、解说、文本三种形式呈现信息所产生的效果好[3]。也就是说当图画、解说与文本表达的是相同的含义时，文本就是冗余的，阻碍了学习的发生。为什么说文本是冗余的？这要结合梅耶提出的另外一条双重通道原则，同时利用视觉、听觉来加工教学材料比单纯使用视觉加工效果要好。Wayne Leahy等的研究还表明，视觉信息伴随听觉信息的呈现要比单纯呈现听觉信息好。同时听觉或视觉材料都不能单独被理解，也就是说视觉和听觉材料具有相关性[10]。认知负荷理论主张以视觉、听觉两种通道感官来输入学习内容，有利于减轻学习者的认知负荷。
3.4 以目标达成为基础、以任务为中心原则
以目标达成为基础、以任务为中心原则是指在微课教学设计中，要尽量提供在模拟或真实的任务情景中学习，并要能达到预设的教学目标。但传统的以教师为中心的教育模式统一了学习者的学习步调，没有考虑学习者之间的个性化差异。以目标达成为基础的教育首先能够保证学习者在完全掌握当前知识后再进行下一项任务的学习，满足了学习者以个性化学习方式达成掌握学习内容的目标。而且，教学目标明确也是微课基本的特点和要求。以任务为中心的教学原则，能够帮助学习者增强内在学习动机；提供在真实任务情境中学习的机会，尝试探索新的知识完成任务[11]。
以目标达成为基础、以任务为中心的教学设计原则特别适用于工科专业课程。工科专业课程知识点前后联系紧密，如果学习者没有有效习得前一知识点，后续知识的学习就会受到影响。在具体的教学设计中，适合结合工程实例或案例来进行讲解，提出具体学习任务，将学习目标细化、分解、重组，给学习者适时提供“脚手架”，从而促进学习者进行有效思考，培养其高效的操作行为。
3.5 预先准备原则
预先准备原则是指如果学习者预先了解一些主要概念的名称、特征，那么他们就会取得更好的学习效果[3]。当学习者利用有限的认知资源对学习材料进行必要加工的时候，如果他的长时记忆中已经存在学习材料中的关键术语图式，那么将会很容易地构建出学习材料心理表征，减少必要认知加工的数量，从而降低必要认知负荷。
《燃气工程概论》课程涉及到实际气体状态方程和天然气爆炸极限知识点，学习者需要提前了解分子量、密度及相对密度等基本的化学知识。主讲教师在微课教学设计中，对其预先做了铺垫，降低了学习者学习后续知识点的难度，减少了学习者必要的认知负荷。
3.6 双重通道原则
双重通道原则是指学习者根据画面和画面解说学习比根据画面和画面的文字说明学习能取得更好的学习效果[12]。心理学中的通道效应是指在学习过程中，学习者对同时来自视觉和听觉通道的信息加工，比单独来自某一种通道的信息加工效果要好。研究表明，通过同时使用视觉和听觉工作记忆部分，比单纯使用其中的一个部分，可以拓展有效工作记忆的容量。也就是说，通过使用视觉与听觉双重表征技術将两类资源有效整合就能促进学习。这也意味着，多媒体教学设计要避免过多使用单一的通道表征方式，采用“文本加解说”或者“图像加解说”的听觉、视觉组合方式更好。同时，解说与文本或图像表征要能完美契合，避免加重学习者的认知负荷。
如图3所示，城市燃气工程技术专业微课内容有两种呈现方式，即文本加解说或者图像加解说。
3.7 对话风格原则、原音呈现原则、形象在屏原则
对话风格原则是指在多媒体教学环境下，如果采用对话风格来呈现言语信息，那么学习者的学习效果会更好[3]。原音呈现原则和形象在屏原则可以说是对话风格原则的拓展和延伸。原音呈现原则是指当多媒体材料中的语言以标准口音的人声发出而非机器合成发声或是外国口音的人声发出时，学习者会学得更加深入。形象在屏原则是指当多媒体材料中发声者的形象出现在屏幕上时不一定就能比不呈现带来更好的效果[7]。究其原因，原音呈现和形象在屏能让学习者产生强烈的社会存在感，在一定程度上激发学习者的学习动机，从而促进主动认知加工。然而，梅耶及其同事所做的有关形象在屏的研究结果显示，形象在屏原则的作用并不明显，只是起到了一点点促进作用[13]，而有的甚至起到了反作用[14]。
如图4所示，《燃气工程概论》微课在讲述如何处理燃气中毒事件时，主讲教师与三名学生一起探讨，采用对话方式呈现教学信息。对话中学生提到的问题经过了调查收集，是具有代表性的共性问题。通过访谈方式表征言语信息，学习者沉浸到模拟的教学场景中，就会增加学习者的社会存在感，更易培养学习者的学习兴趣，进而主动学习。
此外，样片中主讲教师授课图像在整个微课中出现时间长达60%，过多的形象在屏反而会分散学习者的注意力，是典型的花边细节。调整后的样片大幅度缩短了主讲教师在微课中出现的时长，减少了出现的频率，对教学内容进行了进一步提炼并辅以图像信息。
4 微课样片效果评价
邱甜等基于微课评价的内涵、原则、特点及应用现状，构建了一套相对完善的微课评价指标体系[15]。由于主要考察评价微课教学设计原则的使用效果，保留了与微课质量相关的10项指标，删减了其中的“网上评价”指标，如表1所示。本研究使用表1中的评价指标体系将城市燃气工程技术课程初始样片和根据远程教育微课教学设计原则调整后的样片（以下简称修改样片）做了对比。
4 结语
认知负荷理论是梅耶多媒体学习理论向教学理论转化的关键点。教学与学习之间是相互依赖、相互促进的辩证关系。基于认知负荷理论的梅耶多媒体教学设计原则有着扎实的理论基础和丰富的实践证明。本研究根据基于认知负荷理论的梅耶多媒体教学设计原则提出了远程教育微课教学设计框架，并以此来实践指导我校城市燃气工程技术专业核心课程微课的教学设计，且对初始样片和修改样片进行了实验对比，调查结果显示使用基于认知负荷理论的远程教育微课教学设计原则来指导微课的教学设计是科学的，效果是良好的。
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