Как управлять когнитивной нагрузкой в обучении

Татьяна Леднева

Аспирант НИУ ВШЭ по направлению «Психофизиология», исследователь в Институте когнитивных нейронаук (группа изучения когнитивного контроля коммуникации и восприятия). В магистратуре изучала тему когнитивной нагрузки в обучении.

---

На очередном семинаре ВШЭ «Нейронауки в образовании» Татьяна выступила с докладом «Управление когнитивной нагрузкой при создании цифрового образовательного материала». В этой статье мы собрали её основные тезисы и примеры о том, как сделать нагрузку оптимальной для учеников.

Что такое когнитивная нагрузка и как её измеряют

Теорию когнитивной нагрузки предложил в 1980-х годах австралийский психолог и педагог Джон Свеллер.

Эта концепция основана на нескольких теоретических предпосылках:

• У человека два вида памяти — потенциально бесконечная долговременная и ограниченная рабочая (своего рода «оперативка» мозга).
• Аудиальная и визуальная информация обрабатываются разными каналами внимания, поэтому одновременно в рабочей памяти можно удерживать по несколько элементов разного вида (модальности). Ранее это «магическое число» считали равным 7 ± 2, сейчас оценки сместились на 5 ± 2.
• В долговременной памяти знание хранится в виде когнитивных схем. Причём одна и та же информация из конкретной области может быть представлена разными схемами — одни характерны для новичков, другие для экспертов. Классический пример — восприятие шахматной доски дилетантом и опытным шахматистом. Там, где новичок видит набор отдельных фигур, эксперт выделяет несколько значимых комбинаций.

Когнитивная нагрузка в образовании — тот объём информации, который ученику приходится обрабатывать в конкретный момент занятия в рабочей памяти.

Сегодня теория когнитивной нагрузки становится всё более важной. Современные образовательные форматы мультимедийны и включают по несколько разных модальностей. С одной стороны, это хорошо: видео, анимация, разнообразные иллюстрации и инфографики помогают учащимся погрузиться в предмет изучения и лучше разобраться в нём. С другой стороны, обилие информации может создавать избыточную когнитивную нагрузку. В этом случае человек просто не в состоянии пропустить через свою рабочую память все объяснения, и обучение не достигает цели.

Хотя объём рабочей памяти принято определять количественно, конкретным числом элементов, измерения когнитивной нагрузки сводятся к общей оценке — высокая она или не слишком. Для этого применяются опросы, в которых учащихся просят оценить, насколько им было сложно удержать в уме данные при выполнении того или иного задания, а также более объективные методы — анализ ошибок (чем выше когнитивная нагрузка, тем больше недочётов будет в выполнении задания) и психофизиологические измерения.

Среди последних популярен айтрекинг, то есть отслеживание движений глаз. Например, признаками повышенной когнитивной нагрузки считается, если испытуемый на каких-то точках в учебном материале фиксирует взгляд дольше, чем на других, или в целом его фиксации взгляда более долгие, чем у других участников. Также показательны возвраты назад по тексту или изображению и увеличение диаметра зрачков.

Хорошая новость в том, что управлять когнитивной нагрузкой учащихся можно, даже не отслеживая их состояние с помощью айтрекинга. Для этого достаточно использовать несколько базовых принципов.

Принципы управления когнитивной нагрузкой

Джон Свеллер изначально разделил когнитивную нагрузку на внешнюю, внутреннюю и релевантную (уместную).

К внешней относится всё, что нагружает ученика помимо самой задачи — и лишние иллюстрации в учебнике, и посторонние звуки в классе.

Внутренняя когнитивная нагрузка определяется сложностью задачи и будет, соответственно, разной для людей с разным багажом знаний.

Релевантная (уместная) нагрузка привлекла внимание исследователей и практиков в последние годы. Её определяют как работу по образованию новых схем знаний или обогащению существующих, а также по извлечению информации из уже усвоенных схем для решения текущих задач. Это требует усилий, поэтому тоже считается нагрузкой, но, по сути, результат этой работы — цель всего обучения.

По мере развития теории когнитивной нагрузки подходы к управлению ею менялись. Поначалу рекомендации сводились к тому, чтобы её снижать (в основном за счёт уменьшения внешней нагрузки). Но с накоплением данных стало понятно, что делать учебные материалы слишком лёгкими, с минимальной когнитивной нагрузкой, нельзя — без релевантной нагрузки ученики не только теряют мотивацию, но и хуже усваивают знания.

Поэтому в современных представлениях логика управления когнитивной нагрузкой следующая:

• внешнюю — снизить;
• внутреннюю — оптимизировать (снижать её иногда нельзя, если при упрощении материал может потерять смысл);
• релевантную — увеличить.

Как снизить внешнюю когнитивную нагрузку

Для этого рекомендуется использовать следующие приёмы.

Принцип модальности основан на том, чтобы разделить каналы обработки информации и не перегружать учащихся сигналами одного вида. Например, визуальная и аудиальная информация обрабатываются разными каналами и вполне сочетаются друг с другом. А вот использовать одновременно устную речь и большое количество текста уже не стоит. Дело в том, что большинство людей, читая, проговаривают текст, тем самым загружая каналы восприятия речи двумя потоками — собственным и речью оратора. Информация из одного из потоков так или иначе будет подавляться.

Принцип сигнализации подразумевает, что ключевые моменты в лекции, презентации, задании стоит выделять — ярким цветом и подсветкой, стрелками и подчёркиваниями, паузами в речи.

Принцип смежности соблюдается, когда вся справочная информация даётся рядом с тем элементом, который нуждается в пояснении. Иначе говоря, чтобы увидеть определение нового термина, не нужно проматывать страницу до конца в поисках сноски или открывать новые вкладки. Согласно этому же принципу, подписи лучше располагаются рядом с иллюстрациями. Это, помимо прочего, помогает зафиксировать связь между объектом и его обозначением.

Итак, для уменьшения внешней когнитивной нагрузки необходимо:

• разделить информационные потоки между разными каналами обработки;
• убрать из учебного материала всё, что не относится к теме;
• выделить в содержании самое важное различными сигнальными элементами;
• создать связи «объект — значение», соблюдая принцип смежности.

Как оптимизировать внутреннюю когнитивную нагрузку

Тут выделяют три ключевых принципа.

Принцип сегментации означает, что сложные объекты изучают не во всей их полноте сразу, а поступательно, по уровням — сначала формируется общее представление, потом более глубокое понимание. Например, нейрон ученикам сначала можно представить просто как однородную клетку, у которой есть ядро и отростки — дендриты и аксоны. И только когда это базовое представление будет сформировано, имеет смысл объяснить, какие органеллы есть внутри нейрона, что происходит в синаптической щели во время передачи сигнала от одной клетки к другому и так далее.

Принцип проработанного (детального) примера полезен при освоении навыков. Например, чтобы научиться решать геометрическую задачу, учащемуся нужно увидеть, как это делается. Причём чем меньше у него базовых знаний, тем мельче должны быть шаги в приводимом решении. А вот на тех, у кого уже есть уверенные базовые знания, слишком проработанный пример влияет плохо — им становится скучно, в результате снижается мотивация к поиску собственных решений, не таких, как в примере.

Принцип частичного решения или «выцветающего примера» тоже широко используется в учебных заданиях, начиная со школьных учебников. Он означает, что на ранних уровнях знакомства с темой от учащихся требуется лишь заполнять пробелы в готовых объяснениях. Например, на первых шагах изучения иностранного языка студента не просят написать полностью предложение на иностранном языке, а просят лишь расставить в примере пропущенные артикли. Начинающего изучать географию не просят составить описание страны, пользуясь географической картой, а предлагают ему лишь подписать в контурной карте названия городов и рек. Постепенно подсказок в заданиях становится меньше, а от учащихся требуется всё больше и больше самостоятельности.

В целом принципы оптимизации внутренней когнитивной нагрузки сводятся к следующему:

• сложный материал нужно разделить на сегменты, причём на первом шаге его лучше представить в упрощённой форме;
• для перехода к практике нужно предложить проработанные примеры;
• первые задачи для самостоятельного выполнения должны быть частично решены.

Алгоритм повторяется, пока необходимые знания и навыки не будут усвоены.

Как задействовать релевантную когнитивную нагрузку

Здесь наиболее полезен принцип отнесения нового к уже усвоенным схемам. Смысл в том, чтобы показать учащимся новую информацию в знакомом им контексте и подключить аналогии, что позволит актуализировать уже имеющиеся у ученика когнитивные схемы. Например, как объяснить детям, которые только начинают изучать математику, геометрические понятия «диаметр», «радиус» и «хорда»? На примере нарезки пиццы, конечно же!

Полезный подход, который объединяет принципы управления всеми видами когнитивной нагрузки, — скаффолдинг. Это концепция освоения нового сложного навыка или знания при поддержке учителя.

Подразумевается, что различные элементы этой поддержки, например, те же проработанные примеры и частично решённые задачи работают как строительные леса (именно так переводится с английского слово scaffolding). Без этих «подпорок» ученик не способен справиться с задачей, самостоятельно он решить её не в силах. Но постепенно он развивает навык, и в итоге подсказки и подстраховки становятся не нужны («подпорки» снимаются).

Читайте также:

Скаффолдинг: что такое теория строительных лесов и как применять её в обучении

Важный нюанс в том, что «подпорки» необходимы лишь новичкам на первых этапах знакомства с темой, а тех, кто уже хорошо разбирается в теме, они ограничивают. То есть принципы обучения должны меняться по мере того, как растёт экспертность ученика в теме. Внешнюю когнитивную нагрузку нужно всегда снижать для всех — а внутреннюю оптимизировать только для новичков.

Кому и в каких случаях будут полезны принципы управления когнитивной нагрузкой? В качестве основ проектирования учебных материалов их стоит учитывать на всех уровнях образования — чтобы не перегружать учащихся, вовремя давать им необходимые подсказки, не забывать о навигации по сложным текстам и схемам.

Но исчерпывающими рекомендациями эти принципы, конечно, не назовёшь. Скорее теория когнитивной нагрузки — упрощённая модель, которая поможет при работе с учащимися, о которых вы пока мало что знаете. В этом случае базовые принципы помогут убедиться, что учебный материал, по крайней мере, представлен в удобоваримом виде.