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John Sweller在20世纪80年代末发展了认知负荷理论,以解释任务的难度水平如何影响我们在长期记忆中处理和存储材料的能力。认知负荷理论在很大程度上依赖于“工作记忆”的概念一种短期存储系统,它不仅受信息量的限制,而且受存储时间的限制。认知负荷高的任务会耗尽工作记忆容量,从而影响执行的任何并发任务的性能。
为了衡量任务的“认知负荷”,研究人员传统上既使用任务难度的主观评级,也使用次要任务的表现等客观指标。近年来,研究人员还探索了瞳孔大小的变化在多大程度上可以提供认知负荷指数。
这篇博客对工作记忆、认知负荷和瞳孔大小之间的联系进行了广泛的概述。如果你对某一特定部分感兴趣,下面是快速跳转:
工作记忆
“工作记忆”一词最早由乔治·米勒、尤金·加兰特和卡尔·普里布拉姆于1960年用于描述计划行为。他们将“工作记忆”系统概念化,该系统可以保存一个计划、多个计划或计划的组成部分,并安排计划的执行。几年后,Richard Atkinson和Richard Shiffrin使用“工作记忆“一词来描述统一短期记忆库在他们极具影响力的信息处理论文中。不久之后,Alan Baddeley和Hitch开发了一种即时临时记忆的多模式模型,按顺序称其为“工作记忆”。强调其作用超出了简单的存储”
工作记忆模型仍然是描述复杂认知的有用框架,并被用作理论的构建块,包括John Sweller的认知负荷理论。在进入认知负荷理论之前,我们先来看看一些早期的工作记忆模型。
Atkinson和Shiffrin(1968)
历史上,Richard-Atkinson和Richard Shiffrin在1968年关于信息处理的论文中使用“工作记忆”来描述他们的短期记忆(如下图所示)。Atkinson和Shiffrin认为,来自世界的信息在短时间内进入感官寄存器,只会衰减或丢失,除非信息传递到短期存储,或者可能直接传递到长期存储——一种相当永久的记忆。短期存储保存的信息量有限,时间为15-30秒,排练时间更长,并充当从长期存储、学习和其他任务中检索内容所需的“工作记忆”。

当患有特定的短期记忆缺陷被证明能够学习和过上正常的生活,而不是在长期记忆检索或学习方面遇到严重困难。Alan Baddeley和Graham Hitch认为,在这类患者中只有一部分短期记忆受损(存储语言/声学信息的能力)。为了解释这一点,以及在包含单一短期存储的记忆模型中难以适应的其他结果,Baddeley和Hitch提出了一个工作记忆的三组分模型。
Baddeley和Hitch(1974, 2000)
这多组分模型(下图)包括一个中央执行器—个注意力控制系统—由两个短期存储系统支持:用于操纵视觉图像的视觉空间画板和用于排练语言声学材料的语音循环。Baddeley和Hitch认为上述脑损伤患者的语音回路受损。

更新的多成分工作记忆模型添加了第四个成分,即情景缓冲区(见下图)这种新的缓冲区将工作记忆和长期记忆中的语音循环和视觉空间草图中的信息结合成一个统一的、多维的表示。这种新的缓冲区将工作记忆和长期记忆中的语音循环和视觉空间草图中的信息结合成一个统一的、多维的表示。正如预期的那样,考虑到工作记忆的性质,情节缓冲是容量有限的和暂时的。然而,它需要有意识的意识来发挥作用,换句话说,就是意图。这个模型在这一方面与最初的模型不同——重点是注意力整合来自子系统的信息,而不是孤立语音回路和视觉空间画板。根据Badelley的说法,允许模型处理“工作记忆中执行控制的更复杂方面。”

很明显,即使在工作记忆开始的时候,新的研究也导致了概念的变化,竞争模型的数量只会随着时间的推移而增加。然而,即使在认知领域,普遍的共识是,工作记忆的资源有限,并参与保留和操纵信息以成功完成任务。
认知负荷–Sweller(1988、1994、1998)
John Sweller引入了认知负荷一词来解释学习和解决问题过程中认知资源的分布。认知负荷理论的重点(1988,1994,1998)是关于工作记忆的局限性的。约翰·斯威勒没有将自己局限于工作记忆的特定概念化,而是从一般的角度出发,认为这种短期存储的容量是有限的,具有部分独立的子成分来保存听觉和视觉信息,这些都是Baddeley和Hitch模型中熟悉的概念。
请记住,约翰·斯威勒是一位教育心理学家。因此,他的理论、实例和研究都是为了有效地学习和教学。一般来说,在学习过程中,一个人在将工作记忆中的信息存储在长期记忆中的模式中之前,会提取并操纵该信息。图式是我们周围一切事物的知识结构,包括数学概念、事件、地点、物体、音乐和人。因此,创建一个有效的模式是最终目标。
Cognitive Load Sources
Sweller认为,当学习或解决问题时,认知负荷可能来自三个来源:
- 内在认知负荷—材料的内在复杂性,无法改变
- 额外的认知负荷—例如,糟糕的教学带来的不必要负荷
- Germane认知负荷—构建学习材料所需的模式或活动的努力
要取得成功的学习成果,必须使用有效的教学方法(即减少外部认知负荷),并将心理资源用于学习材料(即增加密切相关的认知负荷)。从本质上讲,如果工作记忆中的认知负荷过高,学习和向长期记忆的转移将受到影响。

认知负荷的测量
有很多方法可以测量认知负荷,包括主观的自我报告量表和更客观的测量。对于这些自我报告测量,参与者对脑力劳动或任务难度,从非常低(1)到非常高(9)不等。然后将这些评分与任务表现进行比较,因为认知负荷增加,更努力或更困难的任务预计会导致较差的表现。
相反,客观的测量只关注表现或生理反应。例如,双重任务负荷测量要求一个人同时执行两项任务。假设当学习任务的认知负荷增加时,第二项任务的表现会下降。
还有许多生理指标被用作认知负荷的指标,包括瞳孔直径,瞳孔大小随认知负荷水平而增加。
在过去,精确测量瞳孔大小是一项复杂而艰巨的任务。如今,对测量瞳孔大小(及其与认知负荷的关系)感兴趣的研究人员经常使用基于视频的眼动仪,该眼动仪每秒可以自动提供数百次瞳孔大小测量。
请记住,有很多因素会影响瞳孔大小,包括光线这样简单的因素。有关瞳孔测量和眼动追踪的精彩概述,请查看瞳孔测量术后。
学生规模与认知负荷:历史研究
瞳孔直径作为心理活动指标的使用早于约翰·斯威尔斯的认知负荷理论。Eckhard Hess和James Polt在1964年提出 瞳孔直径随着乘法问题的难度而增加。尽管随后的研究人员批评了Eckhard Hess的实验,但显示难度水平对瞳孔大小影响的基本结果在各个研究领域都得到了重复。此外,最近的研究复制了Eckhard Hess和James Polt的乘法实验,现在人们普遍认为脑力劳动的增加与瞳孔直径的增加有关。
在另一篇论文中,Daniel Kahneman和Jackson Beatty表明,参与者在工作记忆中需要存储的数字越多,他们的瞳孔直径越大。他们还注意到,当报告数字或超过工作记忆能力时,瞳孔直径会减小。他们得出结论,“瞳孔直径为受试者在执行心理任务时的瞬时负荷提供了一个非常有效的指标。”
小学生规模与认知负荷:近期研究
最近,研究人员提供了一个认知负荷测量的有效性检查。当参与者回答多项选择题和算术题时,Szulewezki和同事同时测量了难度和瞳孔大小的主观评分。他们发现,对于难度较大的问题和回答错误的问题,瞳孔直径和心理努力的自我报告测量都更高,表明两者都在研究同一概念。
尽管许多研究仍在继续调查认知负荷对学习的作用,研究测试了瞳孔扩张与典型学习环境之间的相互作用,如做数学题或通过查看图表,研究人员也开始探索最新技术的影响。例如,Dami Huh和他的同事在整个数学视频讲座,发现讲座中难度较大的部分与瞳孔扩大较大有关。
未来,甚至有可能开发出一种技术,在学习者接触学习材料时监测他们的眼球运动,并将瞳孔大小作为认知负荷的指标。有了关于这个人的视线和认知负荷的信息,自适应系统可以 调整内在负荷,减少外部负荷,促进密切相关负荷,以增强在线学习。有关瞳孔测量的更多信息,我们有一份使用 EyeLink眼动仪,用于测量瞳孔大小。
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