Исследование: предварительные знания не уменьшают, а увеличивают когнитивную нагрузку

Если дать новичкам и тем, кто уже знаком с темой, одинаковое учебное задание по этой теме, то последние справятся с ним значительно лучше — ведь им помогут уже существующие знания и опыт. Логично? Нет, совместное исследование немецких и австралийских учёных показало, что люди, уже подкованные в теме, совершают даже больше умственных усилий, чем новички (а значит, больше устают), тогда как новички могут попросту не осознать поначалу всю сложность задания. Поэтому и та и другая группа учащихся требует особых мер поддержки от разработчиков учебных материалов.

Почему раньше считалось, что опыт и знания снижают когнитивную нагрузку

В своей работе исследователи опираются на теорию когнитивной нагрузки Джонатана Свеллера. Напомним, эта теория подразумевает, что, давая учебное задание, важно соблюдать оптимальный уровень когнитивной нагрузки, то есть умственных усилий, которые необходимы мозгу учащегося для обработки поступающей информации.

При этом один из постулатов теории — что одна и та же информация или одно и то же задание требует разного уровня когнитивной нагрузки у тех, кто совсем новичок в теме, и у тех, у кого уже есть предварительные знания по ней. Считается, что у человека с предварительными знаниями когнитивная нагрузка ниже, потому что он уже владеет терминологией, основными концепциями, знает алгоритмы и взаимосвязи между ними. А вот новичкам нужно упрощать подачу, потому что иначе им придётся прилагать слишком много умственных усилий — возникнет перегрузка, что помешает усвоению знаний.

Нужно учесть, что любой учебный материал представляет собой некий набор элементов, который нужно изучить для освоения темы. Элемент — информация, которая обрабатывается в оперативной памяти как единое целое. Таких элементов, связанных между собой в рамках темы, может быть много, а обрабатываются они одновременно: понятия, концепции, формулы, схемы, примеры и так далее.

Чем больше элементов и связей между ними нужно обработать рабочей памяти, тем сложнее кажется задача и тем выше уровень внутренней когнитивной нагрузки учащегося.

Действительно, исследования в области когнитивной нагрузки часто описывают ситуации, когда люди с уже существующими знаниями по теме легче справляются с задачей или проблемой.

Однако авторы того немецко-австралийского исследования, о котором идёт речь, предположили, что в комплексных темах и задачах условным экспертам может быть сложнее, чем условным новичкам. Дело в том, что новички будут ориентироваться исключительно на предоставленные им исходные данные, не задумываясь о каких-то дополнительных деталях. А вот эксперты, кроме исходных данных, задействуют свои предыдущие знания — и в результате могут слишком «заморочиться», выстраивая связи с ними. Уровень их внутренней когнитивной нагрузки по сравнению с новичками будет больше.

Свою гипотезу авторы исследования проверили в двух экспериментах — с участием взрослых и детей.

Читайте также:

Как управлять когнитивной нагрузкой в обучении

Как проводили эксперименты

Темой первого эксперимента выбрали влияние изменения климата на лесные массивы, поэтому взрослых участников набрали из двух категорий — из тех, кто хорошо знаком с лесничеством (55 человек), и тех, кто не обладает специальными знаниями в этой области (62 человека).

Эксперимент проходил в онлайн-режиме. Участников попросили прочесть газетную статью, посвящённую Чёрному лесу (массиву Шварцвальд на юго-западе Германии) и его адаптации к климатическим изменениям, а потом письменно ответить на вопрос — нужно ли в будущем посадить в этом лесу больше дугласовых пихт, дубов и буков?

Исследователи предположили, что участники, которые изначально были «не в теме», в поисках ответа будут ориентироваться исключительно на прочитанный текст. А вот знатоки станут учитывать и факторы, не упомянутые в статье, — например, вспомнят свойства тех или иных видов деревьев, их стоимость или восприимчивость к паразитам. Это повысит уровень их когнитивной нагрузки, поскольку они задействуют дополнительные связи между элементами информации.

Все ответы закодировали с помощью эксперта по лесному хозяйству и экологической биологии. Проще говоря, исследователи маркировали информацию в ответах по ключевым словам или фразам, а потом подсчитывали, сколько их встречалось в ответах.

Уровень знаний участников проверяли двумя способами: во-первых, задавали ряд вопросов-утверждений по теме, а во-вторых, спрашивали, сколько информации из статьи в процентном соотношении участникам знакомо. А уровень внутренней когнитивной нагрузки измеряли с помощью опросника из трёх утверждений — «Этот вопрос комплексный», «Этот вопрос содержит множество аспектов, о которых мне нужно помнить одновременно», «Этот вопрос требует серьёзных размышлений, чтобы на него ответить». Каждое утверждение нужно было оценить по шкале от 1 до 7. Такую оценку проводили дважды: после того как участники исследования закончили читать статью (на это у них было шесть минут) и после выполнения письменного задания (на него давалось десять минут).

Исследователи приводят такие результаты первого эксперимента:

• У знатоков уровень внутренней когнитивной нагрузки действительно получился значительно выше, чем у новичков, — как после прочтения статьи, так и после выполнения задания. То есть уже во время чтения статьи знатоки напрягали мышление сильнее, чем новички в теме, — видимо, как раз из-за того, что соотносили информацию из текста с собственными знаниями, тогда как новичкам её соотносить было не с чем.
• Уровень внутренней нагрузки у новичков существенно вырос после выполнения второго задания. У знатоков он после второго задания тоже получился выше, чем после прочтения статьи, но не с таким большим отрывом. Авторы исследования предположили, что новички во время чтения просто недооценили всю сложность проблемы, а осознали её только на стадии выполнения письменного задания, тогда как знатоки изначально рассматривали задание как сложное.
• Самое интересное, знатоки не предложили более развёрнутых и обоснованных ответов. Исследователи посчитали, что у этого могут быть два объяснения. Во-первых, у них, как и у новичков, было мало времени на ответ, и им не предлагали дать подробные объяснения с опорой на их знания. Во-вторых, во время выполнения задания их ещё и поторапливали. Хотя, конечно, нельзя исключать и того, что те ответы, которые они дали, — предел их возможностей.

Второй эксперимент провели с десятилетними австралийскими школьниками. Учитель показывал ребятам два видео длительностью чуть больше минуты — про принципы экспоненциального роста и частичных вычислений. По каждой из тем нужно было решить три задачи с кратким числовым ответом. Это были такие задачи, которые не показались бы новичкам сложными, но и элементарно простыми они не были. Уровень когнитивной нагрузки ребят исследователи оценивали тем же способом, что и в предыдущем эксперименте, слегка адаптировав утверждения в анкете под детскую аудиторию.

В одном классе дети сначала смотрели видео и потом решали задачи, а в другом — наоборот, задачи предшествовали просмотру видео с объяснением. Авторы предположили, что ребята, которым сначала дали посмотреть объяснение, продемонстрируют повышенный уровень внутренней когнитивной нагрузки по сравнению со сверстниками, которые сразу возьмутся за решение задачек, но зато и справятся с решением лучше. Ведь у первых уже будет база для формирования связей между элементами задач и их знаниями, а у вторых нет.

Какие выводы сделали исследователи

Авторы статьи выделяют три важных вывода из результатов экспериментов:

• Оценить субъективно уровень внутренней когнитивной нагрузки может быть сложнее, чем кажется.

Новичок не всегда понимает реальную сложность кажущихся простыми заданий, тогда как человек, уже имеющий знания по теме, именно благодаря этим знаниям осознаёт их сложность. Методистам и преподавателям при разработке заданий для учащихся важно учитывать такие особенности субъективной оценки.

• Желательно демонстрировать учащимся реальную сложность заданий.

В первом эксперименте исследователи заметили после выполнения финального задания, что уровень когнитивной нагрузки у новичков повышен — вероятно, потому, что они изначально недооценили сложность. Авторы эксперимента пришли к выводу, что это обманчивое ощущение простоты можно компенсировать, если регулярно давать небольшие задачи для решения — например, частично проработанные примеры или задачи на «продуктивные неудачи». Тогда новички оценят их сложность и будут уделять им должное внимание.

• Тем, у кого есть знания по теме, тоже нужно помочь оптимизировать когнитивную нагрузку.

Обычно мысли методистов и разработчиков учебных материалов сконцентрированы на заботе о новичках — потому что у них когнитивная нагрузка сильнее. И кажется, что люди с предварительными знаниями в такой заботе не нуждаются — им можно дать сразу большой сложный текст и задач побольше. Но эксперименты показали, что у тех, кто обладает высоким уровнем предварительных знаний, и уровень когнитивной нагрузки тоже получается высоким — именно из-за их знаний.

Тут, конечно, загвоздка в том, что предварительные знания у каждого ученика могут быть свои и на своём индивидуальном уровне — как это всё учесть при разработке учебных материалов? Исследователи рекомендуют как минимум предупреждать учащихся о том, что в некоторых случаях они могут ощутить повышенную нагрузку, а также — научить их самостоятельно оптимизировать её (например, разбивать информацию на маленькие блоки и осваивать постепенно).

Британский эксперт и педагог Эндрю Уотсон, комментируя результаты исследования, предложил такую схему: для начала стоит в целом выяснить, какие у учащихся есть знания, потом убедиться, что их достаточно для выполнения задания. Но главное — вовремя остановиться и подумать, могут ли эти знания помешать знатокам выполнить то или иное задание — возможно, у них возникнут сложности, которые составители этого задания даже не предполагали.