В когнитивный психологии , когнитивный нагрузка относится к используемому количеству рабочей памяти ресурсов. Существует три типа когнитивной нагрузки: внутренняя когнитивная нагрузка - это усилие, связанное с определенной темой; посторонняя когнитивная нагрузка относится к способу представления информации или задач учащемуся; а соответствующая когнитивная нагрузка относится к работе, вложенной в создание постоянного хранилища знаний ( схемы ).
Теория Когнитивная нагрузка была разработана в конце 1980 - х годов из изучения решения задач по Джону Sweller . [1] Свеллер утверждал, что учебный дизайн можно использовать для снижения когнитивной нагрузки у учащихся. Намного позже другие исследователи разработали способ измерения воспринимаемого умственного усилия, которое указывает на когнитивную нагрузку. [2] [3] Зрачковая реакция, вызванная задачей, является надежным и точным измерением когнитивной нагрузки, которая напрямую связана с рабочей памятью . [4]Информация может храниться в долговременной памяти только после того, как она впервые была обработана и обработана рабочей памятью. Однако рабочая память крайне ограничена как по объему, так и по продолжительности. Эти ограничения при некоторых условиях будут препятствовать обучению. Сильная когнитивная нагрузка может отрицательно сказаться на выполнении задачи, и важно отметить, что опыт когнитивной нагрузки не у всех одинаков. Пожилые люди, студенты и дети испытывают разную, а чаще более высокую когнитивную нагрузку.
Фундаментальный постулат теории когнитивной нагрузки заключается в том, что качество учебного дизайна повысится, если больше внимания будет уделяться роли и ограничениям рабочей памяти. Из-за того, что ученики больше отвлекаются, особенно от использования мобильного телефона, они более склонны испытывать высокую когнитивную нагрузку, которая может снизить академическую успеваемость. [5]
«Теория когнитивной нагрузки была разработана, чтобы предоставить рекомендации, призванные помочь в представлении информации таким образом, чтобы поощрять деятельность учащихся, оптимизирующую интеллектуальную деятельность». [6] Теория Свеллера использует аспекты теории обработки информации, чтобы подчеркнуть неотъемлемые ограничения одновременной нагрузки на рабочую память при обучении во время обучения. Схема используется в качестве основной единицы анализа для разработки учебных материалов .
История теории когнитивной нагрузки восходит к началу когнитивной науки в 1950-х годах и работам Г.А. Миллера . В своей классической статье [7] Миллер был, пожалуй, первым, кто предположил, что объем нашей рабочей памяти имеет внутренние ограничения. Его экспериментальные результаты показали, что люди обычно способны удерживать только семь плюс-минус две единицы информации в краткосрочной памяти. А в начале 1970-х Саймон и Чейз [8] первыми использовали термин «кусок» для описания того, как люди могут организовать информацию в краткосрочной памяти. Такое разделение компонентов памяти также было описано как построение схемы .
В конце 1980-х годов Джон Свеллер разработал теорию когнитивной нагрузки (CLT), изучая решение проблем. [1] Изучая учащихся по мере того, как они решают проблемы, он и его коллеги обнаружили, что учащиеся часто используют стратегию решения проблем, называемую анализом средств и результатов . Он предполагает, что решение проблем с помощью анализа средств и целей требует относительно большого объема когнитивных вычислительных мощностей, которые нельзя использовать для построения схемы. Свеллер предлагает разработчикам учебных пособий предотвращать эту ненужную когнитивную нагрузку, создавая учебные материалы, не связанные с решением проблем. Примеры альтернативных учебных материалов включают так называемые отработанные примеры и задачи без цели. [ необходима цитата ]
В 1990-е годы теория когнитивной нагрузки применялась в нескольких контекстах. Эмпирические результаты этих исследований привели к демонстрации нескольких эффектов обучения: эффект проблемы завершения; [9] эффект модальности ; [10] [11] эффект разделения внимания ; [12] эффект отработанного примера ; [13] [14] и эффект отмены экспертизы . [15]
Теория когнитивной нагрузки обеспечивает общую основу и имеет широкое значение для разработки учебных программ , позволяя разработчикам учебных программ контролировать условия обучения в среде или, в более общем плане, в большинстве учебных материалов. В частности, он предоставляет эмпирические рекомендации, которые помогают разработчикам учебных программ снизить постороннюю когнитивную нагрузку во время обучения и, таким образом, переориентировать внимание учащегося на актуальные материалы, тем самым увеличивая когнитивную нагрузку, связанную со схемой. Эта теория различает три типа когнитивной нагрузки: внутренняя когнитивная нагрузка, соответствующая когнитивная нагрузка и посторонняя когнитивная нагрузка. [6]
Внутренняя когнитивная нагрузка - это внутренний уровень сложности, связанный с конкретной учебной темой. Этот термин впервые был использован в начале 1990-х годов Чендлером и Свеллером. [16] Согласно им, все инструкции имеют присущую им сложность (например, вычисление 2 + 2 по сравнению с решением дифференциального уравнения ). Преподаватель не может изменить эту внутреннюю трудность. Однако многие схемы могут быть разбиты на отдельные «подсхемы» и обучаться изолированно, чтобы впоследствии их снова собрать вместе и описать как единое целое. [17]
Посторонняя когнитивная нагрузка создается тем, как информация представляется учащимся, и находится под контролем разработчиков учебных программ. [16] Эту нагрузку можно отнести к оформлению учебных материалов. Поскольку существует единственный ограниченный когнитивный ресурс, использующий ресурсы для обработки внешней нагрузки, количество ресурсов, доступных для обработки внутренней нагрузки и соответствующей нагрузки (т. Е. Обучения), уменьшается. Таким образом, особенно когда внутренняя и / или германская нагрузка высока (то есть когда проблема сложна), материалы должны быть спроектированы таким образом, чтобы уменьшить постороннюю нагрузку. [18]
Пример посторонней когнитивной нагрузки возникает, когда есть два возможных способа описать квадрат ученику. [19] Квадрат - это фигура, и ее следует описывать с помощью фигурального носителя. Конечно, инструктор может описать квадрат в устной форме, но требуется всего секунда и гораздо меньше усилий, чтобы увидеть, о чем говорит преподаватель, когда ученику показывают квадрат, а не его словесное описание. В этом случае предпочтение отдается эффективности визуальной среды. Это потому, что он не загружает излишне ненужной информацией учащегося. Эта ненужная когнитивная нагрузка описывается как посторонняя. [ необходима цитата ]
Чендлер и Свеллер ввели понятие посторонней когнитивной нагрузки. Эта статья была написана для отчета о результатах шести экспериментов, которые они провели для изучения этой нагрузки на рабочую память. Во многих из этих экспериментов использовались материалы, демонстрирующие эффект разделения внимания . Они обнаружили, что формат учебных материалов либо способствует обучению, либо ограничивает его. Они предположили, что различия в успеваемости были связаны с более высоким уровнем когнитивной нагрузки, обусловленной форматом обучения. «Посторонняя когнитивная нагрузка» - это термин для обозначения этой ненужной (искусственно вызванной) когнитивной нагрузки. [ необходима цитата ]
Текущие исследования показывают, что посторонняя когнитивная нагрузка может иметь разные компоненты, такие как четкость текстов или интерактивные требования образовательного программного обеспечения. [20]
Немецкая когнитивная нагрузка - это обработка, построение и автоматизация схем . Впервые он был описан Свеллером, Ван Мерриенбоером и Паасом в 1998 году. Хотя внутренняя когнитивная нагрузка обычно считается неизменной (хотя методы могут применяться для управления сложностью путем сегментации и упорядочивания сложного материала), разработчики учебных материалов могут манипулировать посторонней и уместной нагрузкой. Предполагается, что они ограничивают постороннюю нагрузку и способствуют увеличению нагрузки. [6]
До статьи Свеллера, Ван Мерриенбёра и Пааса в 1998 г. теория когнитивной нагрузки в первую очередь концентрировалась на снижении посторонней когнитивной нагрузки. В этой статье исследователи когнитивной нагрузки начали искать способы перепроектирования инструкций, чтобы перенаправить то, что было бы посторонней нагрузкой, чтобы теперь сосредоточиться на построении схемы (релевантной нагрузке). Таким образом, для разработчиков учебных материалов очень важно «уменьшить постороннюю когнитивную нагрузку и перенаправить внимание учащихся на когнитивные процессы, которые имеют непосредственное отношение к построению схем». [6]
Паас и Ван Мерриенбоер [2] разработали конструкцию (известную как относительная эффективность состояния), которая помогает исследователям измерять воспринимаемое умственное усилие, индекс когнитивной нагрузки. Эта конструкция обеспечивает относительно простые средства сравнения условий обучения. Он сочетает в себе оценки умственных усилий с оценками производительности. Средние z-значения группы представлены в виде графика, и их можно сравнить с односторонним дисперсионным анализом (ANOVA) . [ необходима цитата ]
Паас и Ван Мерриенбоер использовали относительную эффективность условий для сравнения трех учебных условий (рабочие примеры, задачи завершения и практика открытия). Они обнаружили, что учащиеся, изучавшие рабочие примеры, были наиболее эффективными, за ними следовали те, кто использовал стратегию завершения задачи. Начиная с этого раннего исследования, многие другие исследователи использовали эту и другие конструкции для измерения когнитивной нагрузки, связанной с обучением и обучением. [21]
Эргономическая подход направлена количественное выражение нейрофизиологического когнитивный нагрузки , которая может быть измерена с помощью обычных инструментов, например , с использованием частоты сердечных сокращений - давление крови продукта (RPP) в качестве меры как когнитивный и физической нагрузки профессиональной. [22] Они считают, что можно использовать меры RPP для установления ограничений на рабочую нагрузку и для установления надбавки за работу.
Реакция учеников на задачу - это форма измерения, которая напрямую отражает когнитивную нагрузку на рабочую память . Установлено, что большее расширение зрачка связано с высокой когнитивной нагрузкой. [4] Сужение зрачка возникает при низкой когнитивной нагрузке. [4] Реакция ученика на задание показывает прямую корреляцию с рабочей памятью, что делает его эффективным методом измерения когнитивной нагрузки, явно не связанной с обучением.
Некоторые исследователи сравнили разные показатели когнитивной нагрузки. [3] Например, Deleeuw and Mayer (2008) [23] сравнили три широко используемых показателя когнитивной нагрузки и обнаружили, что они по-разному реагируют на постороннюю, внутреннюю и релевантную нагрузку. Недавнее исследование показывает, что могут существовать различные компоненты спроса, которые вместе образуют постороннюю когнитивную нагрузку, но это, возможно, необходимо измерить с помощью разных вопросников. [20]
Установленные показатели движения глаз и реакции зрачков на когнитивную нагрузку: [24]
Были обнаружены некоторые свидетельства того, что люди систематически различаются по способностям обработки. [26] [27] Например, у новичков и экспертов есть индивидуальные различия в возможностях обработки. [28] Эксперты имеют больше знаний или опыта в отношении конкретной задачи, что снижает когнитивную нагрузку, связанную с задачей. Новички не имеют такого опыта или знаний и, следовательно, имеют большую когнитивную нагрузку.
Было высказано предположение, что обедненная среда может способствовать когнитивной нагрузке. [29] Независимо от поставленной задачи или процессов, используемых при ее решении, люди, которые испытывают бедность, также испытывают более высокую когнитивную нагрузку. На когнитивную нагрузку у людей с более низким социально-экономическим статусом влияет ряд факторов , которых нет у людей среднего и высшего классов. [30]
Определение способности людей к обработке данных может быть чрезвычайно полезным для дальнейшей адаптации инструкций (или прогнозирования поведения) людей. Соответственно, очевидно, что необходимы дальнейшие исследования. Во-первых, важно вычислить нагрузку на память, вызванную подробным анализом используемых процессов. Во-вторых, важно убедиться, что отдельные субъекты действительно используют эти процессы. Последнее требует интенсивной предварительной подготовки. [ необходима цитата ]
Сильная когнитивная нагрузка обычно создает ошибку или какое-то вмешательство в выполнение поставленной задачи. [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] Тяжелая когнитивная нагрузка также может усилить стереотипы . [31] Стереотипы - это расширение фундаментальной ошибки атрибуции, частота которой также увеличивается с увеличением когнитивной нагрузки. [32] Понятия когнитивной нагрузки и возбуждения вносят свой вклад в "гипотезу перегрузки", объясняющую социальную помощь.: в присутствии аудитории испытуемые, как правило, хуже справляются с субъективно сложными задачами (тогда как они, как правило, лучше справляются с субъективно легкими задачами).
Опасность тяжелой когнитивной нагрузки наблюдается у пожилых людей. Старение может вызвать снижение эффективности рабочей памяти, что может способствовать повышению когнитивной нагрузки. [33] Взаимосвязь между тяжелой когнитивной нагрузкой и контролем центра масс в значительной степени коррелирует в пожилом населении. По мере увеличения когнитивной нагрузки у пожилых людей усиливается раскачивание центра масс . [34] В другом исследовании изучалась взаимосвязь между колебаниями тела и когнитивной функцией и их взаимосвязь во время многозадачности, и было обнаружено, что нарушения баланса приводят к снижению производительности при выполнении когнитивной задачи. [35] Сильная когнитивная нагрузка может нарушить баланс.у пожилых людей. И наоборот, возрастающая потребность в балансе может увеличить когнитивную нагрузку.
В связи с широким распространением ноутбуков в классе серьезной проблемой является возрастающая когнитивная нагрузка во время учебы в школе. При использовании Facebook и других социальных форм общения добавление нескольких задач ухудшает успеваемость учащихся в классе. Когда доступно много когнитивных ресурсов, вероятность переключения с одной задачи на другую высока и не приводит к оптимальному поведению переключения. [36] И студенты, которые были активными пользователями Facebook, и студенты, которые сидели рядом с теми, кто были активными пользователями Facebook, показали плохие результаты, что привело к более низкому среднему баллу . [37] [38]
Компоненты рабочей памяти, предложенные британскими психологами Аланом Баддели и Грэмом Хитчем , присутствуют в 6-летнем возрасте. [39] Однако существует явная разница между знаниями взрослых и детей. Эти различия связаны с увеличением эффективности обработки. [39] Детям не хватает общих знаний, и это создает повышенную когнитивную нагрузку у детей. Дети из бедных семей часто испытывают даже более высокую когнитивную нагрузку в учебной среде, чем дети из семей среднего класса. [40] Эти дети не слышат, не говорят и не узнают о школьных концепциях, потому что их родители часто не имеют формального образования. [необходимая цитата ]Когда дело доходит до обучения, отсутствие у них опыта работы с числами, словами и понятиями увеличивает их когнитивную нагрузку.
По мере взросления у детей развиваются превосходные базовые навыки и способности. [40] Они также развивают метапознание , которое помогает им понимать свою собственную когнитивную деятельность. [40] Наконец, они получают больше знаний о содержании благодаря своему опыту. [40] Эти элементы помогают снизить когнитивную нагрузку у детей по мере их развития.
Жесты - это техника, которую дети используют для снижения когнитивной нагрузки во время разговора. [41] Жестами они могут освободить рабочую память для других задач. [41] Указание позволяет ребенку использовать объект, на который он указывает, как лучшее его представление, что означает, что ему не нужно удерживать это представление в своей рабочей памяти , тем самым снижая свою когнитивную нагрузку. [42] Кроме того, жестикулирование отсутствующего объекта снижает сложность его мысленного представления. [41]
Телесная активность может быть как полезной, так и вредной для обучения, в зависимости от того, как эта деятельность осуществляется. [43] Теоретики когнитивной нагрузки запросили обновления, которые сделают CLT более совместимым с выводами исследований воплощенного познания . [44] В результате была предложена теория воплощенной когнитивной нагрузки в качестве средства для прогнозирования полезности интерактивных функций в обучающей среде. [45] В этой структуре преимущества интерактивной функции (например, более простой когнитивной обработки) должны превышать ее когнитивные затраты (такие как координация движений), чтобы воплощенный способ взаимодействия увеличивал результаты обучения.
С увеличением количества второстепенных задач внутри кабины оценка когнитивной нагрузки стала важной проблемой как для водителей автомобилей, так и для пилотов. Проблема исследования исследуется под различными названиями, такими как обнаружение сонливости, обнаружение отвлечения внимания и так далее. Для водителей автомобилей исследователи изучали различные физиологические параметры [46], такие как частота сердечных сокращений, выражение лица [47] параметры зрения [48] и так далее. В авиации проводятся многочисленные симуляционные исследования по анализу отвлечения и внимания пилотов с использованием различных физиологических параметров. [49] Для военных пилотов на быстрых реактивных самолетах исследователи исследовали атаки с пикированием «воздух-земля» и записали сердечные, ЭЭГ [50] и параметры зрения. [51]
Тем, кто хочет узнать больше о теории когнитивной нагрузки, рекомендуется прочитать эти журналы и специальные выпуски этих журналов:
Стандарты эргономики см .: