本文在論述認知負荷主要內(nèi)容的基礎(chǔ)上,著重揭示三種認知負荷所產(chǎn)生的不同效應(yīng),并闡述減少外部認知負荷、內(nèi)部認知負荷以及增加有效認知負荷的教學設(shè)計策略,從而使認知負荷理論成為教學設(shè)計的重要理論基礎(chǔ),為有效的教學設(shè)計提供了心理學依據(jù)。
本文在論述認知負荷主要內(nèi)容的基礎(chǔ)上,著重揭示三種認知負荷所產(chǎn)生的不同效應(yīng),并闡述減少外部認知負荷、內(nèi)部認知負荷以及增加有效認知負荷的教學設(shè)計策略,從而使認知負荷理論成為教學設(shè)計的重要理論基礎(chǔ),為有效的教學設(shè)計提供了心理學依據(jù)。
1認知負荷理論的主要觀點
澳大利亞心理學家sweller在20世紀80年代提出的認知負荷理論主要吸收和應(yīng)用了認知心理學關(guān)于短時記憶和注意的研究成果。認知負荷理論習慣上把注意稱為“認知資源”,而且認為人在進行認知活動時,注意的資源是有限的。因此,人在某一特定時間內(nèi)只能有效地完成一種任務(wù)。如果在同一時間內(nèi)要完成多種任務(wù),就必須將有限的資源合理地分配這些任務(wù)中去。
同認知負荷相關(guān)的另一方面研究是短時記憶容量問題。從認知心理學的觀點來看,認知是對信息進行選擇性注意、編碼、儲存和提取等加工的過程。人的信息加工系統(tǒng)包括感覺記憶、短時記憶(又叫工作記憶)、長時記憶。感覺記憶被用于感知進入認知加工系統(tǒng)的視覺或聽覺信息,信息在這里只停留幾分之一秒,然后要么進入短時記憶,要么消退或消失。短時記憶是一種工作記憶,用于處理來自于感覺登記和長時記憶中提取出來的信息,工作記憶的容量是相當有限的,只能在很短的時間內(nèi)儲存一些信息項目,一般認為工作記憶的容量是7±2個組塊。[2] 因此,在信息加工過程中,如果要求保持在短時記憶中的信息達到一定的數(shù)量,就會超過短時記憶的容量,從而使信息加工效率受到影響,甚至使加工不可能正常進行。所以人們常把短時記憶稱為“認知容量”。[1]它的中心思想可以概括為在意識控制下的信息加工過程中認知資源與認知容量之間的高度協(xié)調(diào)和互助作用。如果超過了工作記憶的資源限度,學習是無效的。相反,長時記憶的容量在本質(zhì)上是無限的。無限的長時記憶被用于儲存很長時間的、巨大數(shù)量的信息,信息以圖式的形式儲存在長時記憶之中。圖式無論多大或多復雜,在工作記憶中都被作為一個單一個體來處理。圖式可以自動化并且可以在無意識下自動進行處理,而不需要工作記憶的有意識參與,因此降低了工作記憶容量。
Sweller綜合考慮了注意與短時記憶的研究成果而提出認知負荷理論。他認為,注意與短時記憶在信息加工過程中是一種共生的關(guān)系。當加工一個對象時,短時記憶中的目標信息很少,人就可以將注意集中于這個對象上。而當同時加工多個對象時,短時記憶中的目標信息就會增加,從而導致短時記憶的超載,對每個對象的注意也就分配不足了。
近年來,心理學家們進一步將認知負荷分為內(nèi)在認知負荷(intrinsic cognitive load )、外在認知負荷(extraneous\ineffective cognitive load )和有效認知負荷(germane\effective cognitive load )等三種類型(Kirschner, 2002; Pass, F , Alexander, Renkl, & Sweller, J, 2003)[4,5]。當任務(wù)環(huán)境作用于學習者的時候,通過這三種認知負荷與學習者原有的知識發(fā)生相互作用。因而,這三種認知負荷在教學設(shè)計中便產(chǎn)生不同的效應(yīng),對學習和教學具有積極的促進作用或消極的阻礙作用。三種形式的認知負荷兩兩之間的關(guān)系是不對稱的。在資源被分配用于處理內(nèi)部認知負荷之后,所剩余的工作記憶容量再被分配用于處理外部認知負荷和有效認知負荷。這些工作有先后次序,例如,利用更有效教學設(shè)計降低了外在認知負荷,釋放出能量以提高有效認知負荷。如果通過降低外在認知負荷的教學設(shè)計改進了學習,進步可能已經(jīng)發(fā)生,因為通過降低外在認知負荷而釋放出附加的工作記憶容量,被分配給有效認知負荷。學習的結(jié)果是通過圖式的獲得和自動化,內(nèi)在認知負荷是減少的。內(nèi)在認知負荷的減少降低了總的認知負荷,因此,釋放了工作記憶容量。釋放的工作記憶容量允許學習者利用新學的材料形成更高級圖式。一個新的循環(huán)開始。經(jīng)歷多個循環(huán),便獲得更高級知識和能力[4]。外部認知負荷與內(nèi)部認知負荷、有效認知負荷相加就是總的負荷量,當總的負荷量不超過認知資源總量時,學習活動就可以順利進行。基于這些認識的研究,產(chǎn)生了很多目的為減少外部認知負荷或操縱內(nèi)部負荷,或增加有效認知負荷的教學設(shè)計方法[6]。
最后,認知負荷理論認為學習過程要求將工作記憶積極地用于理解和處理教學材料,并把即將習得的信息進行編碼,儲存在長時記憶中。Sweller及其同事正是在考察認知心理學關(guān)于人們怎樣學習和獲得知識的理論基礎(chǔ)上,提出了關(guān)注工作記憶負荷的教學設(shè)計理論——認知負荷理論。由于認知負荷的三種類型會產(chǎn)生不同的效應(yīng),有效的教學設(shè)計便有必要認真考慮這些效應(yīng),使教學設(shè)計更加科學化,以利于促進學生的學習。
2減少外部認知負荷的教學設(shè)計
外在認知負荷(extraneous\ineffective cognitive load )是指由教學設(shè)計(如材料呈現(xiàn)方式和要求學生從事的活動)引起的工作記憶負荷。在通常情況下,外在認知負荷有可能加重學習者的心理能量,降低學習效率。但是如果改變教學材料的呈現(xiàn)方式或?qū)W習者的活動,也可降低外在認知負荷,從而促進學習。認知負荷理論家們花費大量的時間以設(shè)計可選擇的教學設(shè)計和程序,與常規(guī)教學程序相比較,更能降低外在認知負荷。
2.1自由目標效應(yīng)
“手段——目標”分析是對具體問題類型不熟悉的人們所廣泛運用于解決傳統(tǒng)問題的一種問題解決策略,它是建立在減少問題的當前狀態(tài)和目標狀態(tài)的差距的原理之上。在實踐中,這種方法常常導致問題解決者從問題的目標狀態(tài)向前操作至問題的初始狀態(tài)[8]。雖然這種策略在達到問題解決上(即對目標狀態(tài)賦值)是有效的,但是,由于這種策略要求注意同時指向問題的當前狀態(tài)、目標狀態(tài)、兩種狀態(tài)之間的差異、減少這些差異的方法以及任何可能導致問題解決的子目標上,因而,也導致了一個必然的結(jié)果,即產(chǎn)生高水平的認知負荷。自由目標就可以避免或者減少這種負面效應(yīng)。自由目標效應(yīng)(Goal - f ree Effect) 指學習目標并不十分明確或者設(shè)置多個任務(wù)目標時,學習者自已確定目標完成任務(wù)對學習效果的影響。如在解決代數(shù)方程問題時,不要求學生求出某個特定值,而是要求“求出盡可能多的值”。Sweller 等人通過大量實驗研究發(fā)現(xiàn):當運用自由目標問題或降低目標的明確性時,可提高學生學習和遷移的成績[9]。自由目標對高水平寫作者而言,有促進作用[10]。
2.2有解樣例效應(yīng)(worked example)
樣例技術(shù)對促進以數(shù)學為基礎(chǔ)的內(nèi)容的廣泛領(lǐng)域內(nèi)的學習非常有效。一些為學生提供有詳細解答步驟的樣例的教學設(shè)計方法對于圖式元素的抽取和加工可能是非常有效的[11]。樣例以直接告知的、逐步的方式呈現(xiàn)給學生解決不同問題類型所需的程序,它包含等同于圖式和自動化的清晰信息。也就是說,促進知識和技能獲得的樣例需要:確定問題所在的類型,回憶解決每一特定類型所需的步驟(序列的),最后準確無誤的執(zhí)行每一步驟。由于學習樣例所需的注意每一次只用于兩個問題狀態(tài)和與它們相關(guān)的轉(zhuǎn)換(規(guī)則算子)上,因此給工作記憶施加了很低的認知負荷[12]??紤]到樣例的特征和目的,這可能是一個可供選擇的策略。強調(diào)樣例的成功的方法是以交互的形式跟傳統(tǒng)問題一起呈現(xiàn)樣例的(即樣例A,問題A;樣例B,問題B??)。告訴學生成對材料的特征,并要求認真學習每一樣例,因為他們一旦開始學習相關(guān)的問題時,將不允許回過頭去看樣例。這樣學生將集中注意力于問題的類型和問題的相關(guān)步驟(即圖式)上[8]。在解決相關(guān)的傳統(tǒng)問題時,他們檢驗判斷自己是否已學得這些程序。這可能是一種更加真實的練習問題解決的方式。當然,呈現(xiàn)的樣例——問題對的數(shù)量、呈現(xiàn)的樣例的范圍、呈現(xiàn)的問題類型及速度等取決于相對于學習者的專門知識的材料的復雜性。相對的專門知識越多,問題類型的步驟的增加就越快。從實踐的含義來說,對于一種新方法,教學者不能指望學習者通過試誤的方法來學習怎樣使用它,因為這樣會產(chǎn)生很重的認知負擔,同時也是一種無效的學習策略,最好是構(gòu)建一個說明怎樣使用這種方法的樣例或指南。樣例對低水平學生的寫作成績有很大的促進作用[10]。莫雷,謝麗娟等的研究也表明了樣例在圖式獲得過程中有著積極的作用[13,14]。樣例對先前知識不足的學習者來說是減少外部認知負荷的有效方法。
2.3注意分散效應(yīng)
當學習者必須同時注意兩個或多個來源的信息或活動時都會產(chǎn)生注意分散。因此,涉及多來源的信息應(yīng)該在物理上被整合,以降低對有限的工作記憶的壓力并釋放出認知容量進行其他的信息處理[15]。許多教學材料既包含文字又包含圖片,傳統(tǒng)的教科書是把文字放在圖片的上方或下方或者兩側(cè),更有甚者兩者放在不同的頁碼上。這種教學呈現(xiàn)就導致了注意分散效應(yīng),學生不得不同時注意圖片和文字,因為僅僅圖片或文字都沒有提供足夠讓學生理解的信息,學生只有在智力上整合了這些多來源的信息后才能理解材料。而學習過程中需要用于整合這些圖片和文字的短時記憶部分是很難完成的,這就給短時記憶施加了不必要的負荷,影響了學習的效果。在實際教學過程中,信息呈現(xiàn)應(yīng)注意以下幾點:盡可能的把圖標的文字整合到圖表中;盡可能的把相關(guān)的材料放在同一版面上;不同版面的材料盡可能的不迫使學習者回憶前一個版面的內(nèi)容,如果需要可以在該版面作簡要的回顧。
2.4冗余效應(yīng)
把需要學習的信息以簡潔的精確的形式呈現(xiàn)給學習者,避免重復或相似的說法。Paul Chandler和John Sweller[16]用實驗證明,冗余的信息并非中性的,它們會對學習和理解造成消極的效應(yīng)。因此,如果信息對理解不是有用的——即是冗余的,最好能把這些信息省略掉。在包含文字和圖片的教學中,當文字或圖片其中單獨一種就能提供足夠的理解時,應(yīng)該僅運用一種來源的教學(或圖片或文字)就足夠了。在這種情況下,單獨來源的教學比整合的形式(把文字整合到圖片)或雙重形式(平行使用文字和圖片)都能獲得更高的學習水平。從認知負荷理論角度來看,處理非有用信息會耗盡珍貴的認知資源,從而不利于學習。冗余效應(yīng)對現(xiàn)實的信息呈現(xiàn)的含義表現(xiàn)如下:(1)最小限度的、剝離其中所有不必要的信息的計算機向?qū)П瘸R?guī)的向?qū)?這種向?qū)э@著的更長)要好;(2)屏幕應(yīng)設(shè)計成僅包含有用的信息,多余的語言文字和圖表應(yīng)消除;(3)對于網(wǎng)站,導航信息應(yīng)該在任一屏幕只出現(xiàn)一次,多余的應(yīng)被拋棄;(4)為找到所需要的信息,網(wǎng)站導航不應(yīng)迫使使用者不得不閱讀多余的或不必要的信息頁[8]。從以上陳述可以看出,分散注意和冗余效應(yīng)的相互作用。當然,信息是必要的還是冗余的取決于材料的特征和學習者專門知識的水平,在實際的設(shè)計中,當使用者的知識水平是未知的時,最好假定使用者是低知識水平的,同時在物理上整合相關(guān)的材料(而不是省略它們)。
2.5階段效應(yīng)
在解多步驟問題時,錯誤更多地出現(xiàn)于子目標實現(xiàn)處而非目標實現(xiàn)處,特別是與目標鄰近的那個子目標出[17]。Sweller等認為階段效應(yīng)表明了子目標處的認知負荷最大。因為在實現(xiàn)子目標時,工作記憶中新建了一個子目標變量,另外解題該階段還不能提供完整地的答案,多條產(chǎn)生式可被激活,這些都會增加學習者的認知負荷。設(shè)計學習材料時為了消除階段效應(yīng),應(yīng)將新知識或難度較大的知識點置于目標處,若見其置于子目標處則會認為的增加學習材料的難度,對學習產(chǎn)生不好的影響。
2.6圖表效應(yīng)
把復雜的內(nèi)容以圖表的形式呈現(xiàn),監(jiān)會減低短時記憶的認知負荷。因為他們幫助在問題的成分之間建立更加具體的和清楚的聯(lián)系;幫助減少搜索相關(guān)信息;但當外部記憶,這樣幫助我們很快形成該問題的整體框架;用具體的形式描述成分之間的復雜關(guān)系;消除不必要的的信息以集中注意于對理解有意義的部分[8]。
3控制內(nèi)部認知負荷的教學設(shè)計
內(nèi)在認知負荷(intrinsic cognitive load ),屬于整合思想或理解概念,反映所學材料內(nèi)在的、本質(zhì)的關(guān)系所需的認知負荷。學習的材料對工作記憶容量的要求是內(nèi)在的,并隨學習材料中的元素間相互作用的水平不同而不同,因此內(nèi)在認知負荷也不能因教學操作而改變。一些較簡單學習任務(wù),元素間相互作用水平低,在選擇忽略一些相互作用元素后,可以降低內(nèi)在負荷。但是對于復雜的、高元素相互作用的學習任務(wù),忽略會造成對相互作用元素的表面理解(忽略也可能是不可避免的),直到被忽略元素隨后被考慮到(盡管有高內(nèi)在認知負荷),并且只有在同時認識到所有基本元素及其相互關(guān)系,理解才能發(fā)生,而對于學習僅僅是個開始。對學習材料產(chǎn)生ICL的控制是一個全新的受人關(guān)注的領(lǐng)域,這不僅是由于它是由CLT之父提出來的,也是由于他否認了早期的假設(shè)[6]。在前期的研究當中,認為內(nèi)部認知負荷是無法控制的,因為它是由材料信息之間的相互關(guān)系造成的。近年來對內(nèi)部認知負荷的探討越來越受到關(guān)注,產(chǎn)生一些操縱內(nèi)部認知負荷的教學設(shè)計方法。
3.1通道效應(yīng)
盡管材料之間的關(guān)系我們無法改變,我們可以擴展工作記憶。Pavio和Baddeley[18]的研究表明,短時記憶是處理視覺和聽覺部分的信息的相分離的處理器,至少其中的一些部分似乎具有感官模式上的特殊性。也就是說,工作記憶的一些部分僅專注于視覺信息(特別是圖表信息),而另一些部分專注于聽覺信息(特別是口頭言語信息)。因此,分離所學的信息,如圖表信息以視覺形式呈現(xiàn),另一些信息如文字信息以聽覺形式呈現(xiàn)能促進學習。[從認知負荷理論看教學設(shè)計]通道效應(yīng)對現(xiàn)實教學設(shè)計的含義表現(xiàn)如下:(1)視聽材料是一種最有用的減少注意分散效應(yīng)的方法,如用聽覺的形式呈現(xiàn)多來源信息的文字成份;(2)在計算機界面的環(huán)境下,聽覺是呈現(xiàn)錯誤信息的一種方式(再三重復提供這些信息),然而,如果信息同時以聽覺的和視覺的形式呈現(xiàn),視覺的成份就變?yōu)槎嘤嗟牧耍?3)應(yīng)避免過多的或過復雜的聽覺成份,以避免產(chǎn)生過高的認知負荷;(4)聽覺材料應(yīng)適時安排;(5)為了普遍的獲得(如全面獲得相關(guān)知識)有時需要呈現(xiàn)冗余信息。這樣,什么是適宜的設(shè)計取決于學習者團體的組成。該種方法經(jīng)常用于多媒體教學中[19,20]
3.2增加內(nèi)部認知負荷同時減少外部認知負荷
ICL也能夠人為的減少,方法就是通過信息次序的合理編排呈現(xiàn)。在針對缺乏基礎(chǔ)圖式的初學者設(shè)計的教學程序中,把大量的信息一次性地呈現(xiàn)給學習者,盡管在開始階段他們不能很好的理解,但是在第二階段出現(xiàn)了良好的學習和遷移效果。也就是說,在高ICL情況,通過足夠的減少ELT,或者人為減少ICL下,CLT練習形成的效果才會出現(xiàn),不過學習材料究竟是否引起高ICL,只有考慮先前經(jīng)驗才能確定[6][21]。
3.3不完整樣例效應(yīng)
對于不完整樣例來說就是在樣例呈現(xiàn)過程中把一些步驟以填空的形式要求學習者自己解決。Gerjets等人也證明了通過呈現(xiàn)模塊化的樣例可以降低學習者的內(nèi)在認知負荷。他們綜合自己和他人的研究,得出結(jié)論認為:當把要學習的例題訪問結(jié)成意義完整地、可以單獨呈現(xiàn)的模塊化例題時,可以使學習者的內(nèi)在認知負荷降低,并使學習者用于樣例的時間減少,而學習成績提高。Renkl等認為在認知技能或得初期,學習不完整樣例是一個非常有效的途徑。隨著學習者知識水平的提高,用尖尖的方式呈現(xiàn)不完整樣例的解答步驟,最后演變成問題解決得一個有效途徑[21]。實驗表明這種方法可以更有效的促進遷移的產(chǎn)生[22]。
4增加有效認知負荷的教學設(shè)計
有效認知負荷(germane\effective cognitive load )是指與圖式建構(gòu)和獲得以及圖式自動化過程的努力程度有關(guān)的認知負荷[6]。學生在學習中由新手轉(zhuǎn)變?yōu)閷<遥粩嘈纬尚聢D式,以及工作記憶處理新信息進入更高級、更復雜的圖式,這些處理都發(fā)生在工作記憶并增加了工作記憶的負荷,這種認知負荷就被稱為有效認知負荷。當前關(guān)于認知負荷的研究趨勢是增加GLT,即在許可范圍內(nèi)或降低ICL或減少ECL而使CL總量保持不變。在這種情況下那些釋放出的工作記憶容量可以用于圖式的建構(gòu)或自動加工。這可以通過增加GLT來實現(xiàn),也就是刺激學習者更深層的認識學習材料。
4.1重新引導注意分配
CLT研究領(lǐng)域的最近一個趨勢是減少ECL的同時在練習策略中增加GLT兩者聯(lián)合起來,因此,重新引導學習者的注意從龐雜的外部認識過程中轉(zhuǎn)向相關(guān)的圖式建構(gòu)的理想過程中Van merrienboer等演示了這個想法,即重新引導學習者的注意分配,主要是基于同時控制ELT和GLT而作的[23]。在兩個實驗中,他首先分析了ECL和GLT各自的主效應(yīng),在第一個實驗中,他們發(fā)現(xiàn)當呈現(xiàn)有解樣例時,高的練習成績就出現(xiàn)了,這可以解釋為減少ECL,第二實驗中,通過學習內(nèi)部高相關(guān)的知識來增加GLT正如預(yù)期的,這種方法明顯產(chǎn)生了高CL (與內(nèi)容相關(guān)低的知識相比)和產(chǎn)生高位遷移的趨勢。最后,通過第三個試驗,van等試圖重新引導學習者的注意從無目的到目標明確,方法是把以上兩者結(jié)合起來應(yīng)用到一個實驗中。與他們假設(shè)相一致時的,結(jié)果出現(xiàn)了兩者聯(lián)合產(chǎn)生了更高的學習效果,不過沒有出現(xiàn)高的遷移行為。
以上提到?jīng)]有出現(xiàn)高的遷移結(jié)果(在兩個實驗中)可以總結(jié)出使GLT增加(尤其與ELT減少聯(lián)合時)必須有嚴格的指導。因此,在以后的研究中,同樣的材料應(yīng)該用于所有的實驗當中。如果僅僅在減少ELT或增加GLT情況下獲得遷移的改變,在聯(lián)合試驗重新分配注意情況下,需要對學習者的注意分配重新進行測驗,這樣才能使結(jié)果更準確。
4.2增加元認知
元認知負荷是有效認知負荷的一部分,因此在學習者學習過程中,幫助學習者進行歸納總結(jié),從而形成策略性知識,成為元認知知識的一部分;另外幫助學生進行元認知監(jiān)控,增加有效認知負荷[21]。
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