Теория когнитивной нагрузки: почему в обучении «больше» не значит «лучше»

Может показаться, что если много учиться — то и результаты будут лучше, а школьнику или студенту вообще нагрузки полезны для развития мозга. Только в жизни это далеко не всегда так. Часто бывает, что знаний давалось с лихвой, а ученики почти ничего не запомнили и не выучили. Причину такого дисбаланса объясняет теория когнитивной нагрузки — она отвечает на вопрос о том, как человек получает знания и почему большие объёмы изучаемого материала могут пойти не на пользу, а во вред.

Что это за теория

Теорию когнитивной нагрузки сформулировал австралийский педагог-психолог Джон Свеллер. В 1988 году он вывел основные принципы результативности, которые стоит учитывать при разработке образовательных программ, построенных на решении проблем (problem based learning). Ключевая идея этой теории заключалась в том, что ученики могут эффективно усваивать информацию, только если она не перегружает их мозг, — из-за особенностей памяти.

Свеллер опирался на принятые в научной среде предположения о том, как человеческий мозг обрабатывает и хранит информацию. Поэтому, чтобы понять его концепцию, сначала нужно разобраться с тем, как работает наша память.

Учёные выделяют два вида памяти:

• Рабочая память.

Её также называют оперативной. Это когнитивная система, в которую поступают новые данные, здесь же они обрабатываются и хранятся в течение короткого промежутка времени. Проще говоря, это хранилище, где содержится информация, пока мозг с ней работает.

Именно рабочая память задействована, когда человек размышляет, строит рассуждения, принимает решения или моделирует поведение. Однако её объёмы ограничены: одни исследователи считают, что одновременно в рабочей памяти может удерживаться лишь от пяти до девяти блоков информации, другие утверждают, что и того меньше — от трёх до пяти.

• Долговременная память.

Эта система хранит все знания и идеи, которые усвоил мозг, то есть объём данных здесь большой.

Учёные считают, что хранимые в долговременной памяти данные устроены в виде схем: это когнитивные структуры, в которые мозг организует информацию в соответствии с тем, как намерен дальше её использовать. В пример можно привести слово «ресторан»: в это понятие (или схему) входит целый комплекс знаний о том, как выглядит типичный ресторан, какая бывает еда, как эта еда готовится и организуется обслуживание, как происходят расчёты за услуги и так далее.

Схемы могут быть разного уровня: более сложные схемы включают в себя более простые и накапливаются постепенно. Так, например, происходит обучение чтению: сначала дети создают схемы для букв, с которыми знакомятся, потом эти схемы объединяются в новые — уже для слов и предложений.

В совместной статье с профессором Маастрихтского университета Йеруном ван Мерриенбуром, Свеллер отметил, что схемы выполняют ряд важных функций в обучении. Например, они обеспечивают систему организации и хранения знаний, а ещё снижают нагрузку на рабочую память. Дело в том, что количество элементов, которые могут находиться в рабочей памяти одновременно, ограничено. А вот сама схема, какой бы сложной она ни была, представляет собой лишь один элемент.

Читайте также:

10 принципов эффективного обучения и преподавания от исследователя мозга Джона Медины

Что такое когнитивная нагрузка и какой она бывает

Когнитивной нагрузкой называется количество данных, которые требуется удерживать одновременно в рабочей памяти. Свеллер выделяет три типа нагрузки:

• Внутренняя когнитивная нагрузка.

Это требования, которые предъявляет качество учебного материала. То есть нагрузка, возлагаемая на ученика, зависит от сложности самой изучаемой концепции, а также от его предварительных знаний. Так, тема, сложная для новичка, может оказаться очень лёгкой для эксперта, а значит, и усилий он затратит на неё меньше.

Изменить такую нагрузку нельзя, но её можно уменьшить с помощью методов, которые облегчают усвоение трудной информации. Именно так, например, работают принципы «от простого к сложному» или «от части к целому», которые используются в построении большинства учебных программ.

• Внешняя (посторонняя) нагрузка.

Она относится к способу представления новой информации. Внешняя нагрузка не связана непосредственно с содержанием учебного материала, но создаётся необязательными факторами, отвлекающими внимание от обучения. Например, нелегко одолеть тему, если преподаватель объясняет её слишком сложно, а логика подразделов внутри темы слишком запутанная.

Источником внешней нагрузки могут быть и лишние умственные усилия, которые приходится тратить на изучение предмета. Представьте, что ученик видит перед собой картинку с диаграммой. Если ему придётся постоянно листать страницы учебника в попытках расшифровать её, у него уйдёт значительно больше энергии, чем если рядом с диаграммой будет памятка с пояснением всех содержащихся в ней данных.

К лишней нагрузке можно отнести и внешние факторы, такие как громкая музыка, шум с дороги или стройплощадки, словом, любые посторонние стимулы, отвлекающие от обучения.

• Уместная (релевантная) нагрузка.

Она включает компоненты, помогающие обрабатывать информацию и строить схемы в долговременной памяти. Например, уместной нагрузкой может быть алгоритм, которому ученик будет следовать при решении трудной задачи по математике. Систематическая организация уместной нагрузки облегчает сложное обучение и помогает запоминанию.

До недавнего времени эксперты считали, что в процессе обучения все эти три типа суммируются и влияют на размер общей когнитивной нагрузки. Однако в 2019 году Джон Свеллер совместно с коллегами Йеруном ван Мерриенбуром и Фредом Паасом опубликовал научную статью, где они сформулировали изменения, которые претерпела теория когнитивной нагрузки за годы исследований.

Такие выводы учёные сделали, основываясь на многочисленных эмпирических исследованиях: они показали, что общая когнитивная нагрузка снижается после уменьшения внешней нагрузки, даже если при этом внешняя нагрузка заменяется релевантной.

Если же общая когнитивная нагрузка из-за сложности изучаемого материала и посторонних отвлекающих факторов велика и превышает возможности рабочей памяти ученика, у него может возникнуть когнитивная перегрузка. Проще говоря, мозг начнёт работать хуже, чем может: упадёт продуктивность, повысится вероятность ошибок. Мыслительные способности могут и вовсе отключиться на время, а значит, человек временно перестанет воспринимать и усваивать информацию. Он будет больше уставать, а его уровень стресса повысится. Обучение в такой ситуации может оказаться просто бесполезным.

Читайте также:

Нейронауки об образовании: что это такое и зачем они тем, кто учит?

Как использовать теорию когнитивной нагрузки в обучении

Теорию когнитивной нагрузки можно применить к любому учебному предмету и теме. Хотя она изначально возникла и развивалась в контексте обучения, сегодня её применяют и в других областях, например, в рекламе или просто в работе с информацией, при создании сайтов и подготовке презентаций.

Учёные дают две ключевые рекомендации для всех, кто работает в образовании:

• Минимизировать внешнюю когнитивную нагрузку при разработке плана урока или учебного курса. То есть убрать всё, что отвлекает внимание от учебного материала. Причём речь идёт не только про сам контент, но и про его подачу. Чем такой нагрузки больше, тем больше риск, что обучение будет неэффективным, знания не усвоятся.
• Перенаправлять внимание учащихся на внутренние когнитивные процессы. То есть во время разработки материалов уделить больше внимания уместной когнитивной нагрузке и тому, что способствует построению схем.

А вот рекомендации Свеллера и его коллег непосредственно о процессе учёбы:

• Избегать сложных и запутанных объяснений. Непростые для понимания темы лучше разбивать на небольшие фрагменты и переходить к новому кусочку, только когда будет освоен предыдущий.
• Делать явные отсылки к предыдущим знаниям учеников, чтобы они могли использовать уже имеющиеся у них в долгосрочной памяти когнитивные схемы и на их основе строить новые.
• Объединять информацию из разных источников одного типа, чтобы ученикам не приходилось тратить силы на самостоятельный поиск, сопоставление и сверку.
• Сократить количество отвлекающих факторов. Хотя способы подачи информации лучше использовать разные, они не должны быть избыточны. В идеале нужно сократить и посторонние стимулы (звонки мобильных, лишние изображения и так далее).

Читайте также:

Смартфоны в школе: что можно, а что нельзя

Свеллер, Мерриенбур и их коллеги провели ряд экспериментов, чтобы опробовать разные техники обучения и их влияние на когнитивную нагрузку. В результате они сформулировали так называемые эффекты, то есть разные приёмы, позволяющие не только снизить, но и эффективно распределять нагрузку в обучении.

Приведём некоторые из таких эффектов — часть из них была описана ещё в девяностые, а часть включена в 2019 году в обновлённую версию когнитивной теории.

Эффект отсутствия цели

В пример исследователи приводят такую задачу по физике: «Автомобиль равномерно ускоряется из состояния покоя в течение 1 мин. Его конечная скорость равна 2 км/мин. Как далеко проехал автомобиль?» Чтобы решить её, ученику потребуется разбить задачу на этапы, построить несколько уравнений, а главное — сконцентрироваться на конкретной цели. Но в процессе у него появляются дополнительные «подцели» (например, определить среднюю скорость, чтобы рассчитать финальное расстояние). Это, в свою очередь, влияет на нагрузку рабочей памяти, уверены учёные: учащемуся приходится держать в голове несколько переменных, уравнений и постоянно думать об этой финальной цели.

Учёные утверждают, что ситуация изменится, если вообще исключить явную цель задачи. Так, в приведённом выше примере вопрос «Как далеко проехал автомобиль?» можно заменить на «Вычислите значение как можно большего количества переменных». Поскольку конкретного решения у задачи нет, то нет и «подцелей». В этом случае учащийся концентрируется не на поиске единственно верного ответа, а на знаниях и навыках для решения разных видов проблем. При этом он придёт к тем же самым решениям, просто постепенно и без дополнительных «толчков» со стороны.

Однако это не универсальный инструмент: если возможных действий слишком много, то большинство из них не принесёт пользы для обучения.

Эффект проработанного примера

Свеллер считает, что изучение отработанных примеров (задач с подробными решениями) может быть эффективнее для усвоения материала, чем попытки сразу самостоятельно решать те же задачи.

Когда ученик сразу после освоения теории приступает к самостоятельному выполнению задач, это требует от него больших познавательных усилий и создаёт чрезмерную нагрузку.

Эффект частичного решения

Этот метод похож на предыдущий, только вместо полного готового решения ученику предоставляется частичное. Возможным недостатком проработанных примеров Свеллер называет то, что ученики не всегда готовы внимательно их изучать или делают это только тогда, когда сами сталкиваются с проблемами при решении.

В таком случае при одновременной попытке изучить пример и решить поставленную задачу когнитивная нагрузка только возрастёт. Частично готовое решение задачи позволяет её снизить и сосредоточить внимание только на некоторых, наиболее важных частях задачи.

Эффект разделения внимания

Если учащемуся приходится использовать несколько источников информации одновременно, то когнитивная нагрузка на его рабочую память увеличивается, поскольку мозг вынужден интегрировать данные из этих источников. Например, так происходит, если ученику приходится, с одной стороны, смотреть на какой-то график, а с другой — отдельно обращаться к пояснениям, что значат те или иные его элементы (например, зелёный столбец означает то-то, а красный — что-то другое), рассматривать график и читать пространное объяснение к нему. Поэтому, чтобы обучение шло легче, лучше не использовать разные источники информации одновременно. Так, в примере с графиком данные могут быть просто «зашиты» в него, чтобы не пришлось отвлекаться.

Эффект модальности

Согласно модели рабочей памяти, мозг обрабатывает слуховые данные отдельно от зрительной информации и иным способом. Поэтому, задействуя вместе слуховой и визуальный процессоры рабочей памяти, можно «уместить» в неё больше данных.

Что это значит? Если, например, человек слышит одновременно два объяснения, то повышенная когнитивная нагрузка не позволит ему сосредоточиться ни на одном из них, и он сможет уловить только фрагменты каждого. Зато если объяснение вслух будет подкреплено визуально, это может помочь более эффективному усвоению материала.

Свеллер и его коллеги приводят в своих работах множество эффектов, и вряд ли стоит перечислять здесь их все. Вот несколько дополнительных современных примеров для тех, кто хочет знать чуть больше о работе теории когнитивной нагрузки.

За что критикуют теорию когнитивной нагрузки

В своих работах — а их за прошедшие тридцать с лишним лет накопилось несколько десятков — Свеллер утверждает, что эффективность предлагаемых им методик подтверждается большим количеством рандомизированных контролируемых исследований. Большая часть этих исследований связана с применением теории в преподавании точных и естественных наук, таких как математика, физика. Например, учёные из Калифорнии в конце девяностых с помощью экспериментов подтвердили, что использование метода проработанных приёмов из теории когнитивной нагрузки показывает положительные результаты при обучении решению задач по статистике.

Найти примеры исследований из гуманитарных областей науки тоже можно, но их значительно меньше. Так, в Корее изучили, влияет ли эффект проработанных примеров на обучение по предмету «Английская литература». Авторы устроили три эксперимента с участием 62, 63 и 129 студентов соответственно, для которых английский язык являлся иностранным. Студенты в экспериментальной группе учились писать эссе, опираясь на готовые, отработанные примеры. По результатам экспериментов исследователи заявили о положительном влиянии такого подхода на обучение, но отметили, что результат от его использования тем выше, чем меньше уровень имеющихся у учащихся исходных знаний и навыков.

Однако к теории когнитивной нагрузки возникают и многочисленные вопросы, а критики считают, что от совершенства она далека. Например, некоторые педагоги обращают внимание на то, что проводимые вокруг теории исследования, как правило, касаются только кратковременных результатов и не дают понимания об эффекте в долгосрочной перспективе.

К тому же все люди разные, а значит, вряд ли стоит опираться на какие-то усреднённые нормативы. А какую нагрузку способен выдержать каждый конкретный учащийся, реально оценить почти невозможно. Соответственно, если при индивидуальной работе с учеником ещё можно как-то определить допустимые пределы его рабочей памяти, то попытка оптимизировать учебный материал для работы с классом в 30 человек становится задачкой повышенной сложности.