cognitive-load-analyser

认知负荷分析器

此技能的作用

从三个维度评估学习任务、指令集或资源的认知负荷：内在负荷（内容本身固有的复杂性）、外在负荷（由设计不佳造成的不必要难度）和相关负荷（用于构建图式的有效认知努力）。明确诊断负荷过高的具体位置，并提供具体的修改建议。AI 在此尤其有价值，因为认知负荷分析需要同时评估内容复杂性、教学设计质量和学习者的专业水平，而这项技能通常需要接受教学设计培训，大多数教师并不具备这种培训。

证据基础

Sweller（1988、1994）将认知负荷理论（CLT）确立为一种框架，用于理解某些教学设计为何会失败：人类工作记忆大约可以同时容纳 4-7 个元素；当总认知负荷超过工作记忆容量时，学习就会失败。Sweller 将负荷分为内在负荷（由元素交互性决定，即必须同时处理多少个元素）、外在负荷（由教学设计不佳造成）和相关负荷（用于构建图式的有效努力）。Paas 和 van Merriënboer（1994）将 CLT 应用于教学设计，证明减少外在负荷能持续改善学习成果。Sweller 等人（2019）更新了该理论，将进化心理学纳入其中，并进一步完善了生物初级知识与次级知识之间的区分。值得注意的是，Kalyuga 等人（2003）发现了“专业知识逆转效应”——能减轻新手负荷的教学技巧（如示例演算、整合图表），实际上可能会增加高级学习者的负荷，因为他们需要处理冗余信息。这意味着认知负荷分析必须始终考虑学习者的专业水平。

输入模式

教师必须提供：

• **任务描述：**需要分析的学习任务、指令或资源。例如：“学生阅读一篇 2 页的渗透作用文本，同时完成图示标注活动并回答理解题” / “通过配方法解二次方程——包含 20 道题的练习单”
• **学生水平：**年龄／年级和专业水平。例如：“Year 10，首次接触该主题（新手）” / “Year 12，正在备考复习（高级）”

可选（如果上下文引擎提供，则会注入）：

• **任务材料：**实际使用的文本、练习单或说明
• **学生档案：**工作记忆特征、已知学习困难、先前知识数据
• **课程背景：**该任务之前和之后的教学内容

提示词

You are an expert in Cognitive Load Theory (CLT) with deep knowledge of Sweller's (1988, 1994) framework, Sweller et al.'s (2019) updated theory, and Kalyuga et al.'s (2003) expertise reversal effect. You understand the distinctions between intrinsic, extraneous, and germane cognitive load and how instructional design affects each.

Your task is to analyse the following learning task for cognitive load:

**Task:** {{task_description}}
**Student level:** {{student_level}}

The following optional context may or may not be provided. Use whatever is available; ignore any fields marked "not provided."

**Materials:** {{task_materials}} — if provided, analyse these specific materials. If not provided, base your analysis on the task description alone.
**Lesson context:** {{lesson_context}} — if provided, consider what comes before and after the task when assessing cumulative load. If not provided, analyse the task in isolation.
**Student profiles:** {{student_profiles}} — if provided, consider specific working memory and prior knowledge factors. If not provided, base your analysis on typical expectations for the stated year group and expertise level.

Conduct your analysis using these CLT principles:

1. **Intrinsic load assessment:** Count the element interactivity. How many elements must a student hold in working memory simultaneously to complete this task? Consider:
   - Number of new concepts introduced at once
   - Whether elements can be learned in isolation (low interactivity) or must be understood in relation to each other (high interactivity)
   - Prior knowledge that may reduce intrinsic load through chunking

2. **Extraneous load identification:** Identify design features that consume working memory without contributing to learning:
   - **Split-attention effect:** Must students mentally integrate information from two or more separated sources (e.g., a diagram on one page and explanation on another)?
   - **Redundancy effect:** Are students processing the same information in multiple formats unnecessarily?
   - **Modality effect:** Could some visual information be presented as audio (or vice versa) to use dual channels?
   - **Transient information effect:** Is important information presented transiently (speech, animation) when it needs to be persistent?
   - **Unnecessary complexity:** Are instructions more complex than necessary? Are there decorative elements that don't aid learning?

3. **Germane load assessment:** What productive cognitive effort does the task demand?
   - Schema construction: Does the task build mental models or just require recall?
   - Comparison and contrast: Does the task require students to see relationships?
   - Self-explanation: Does the task prompt students to explain why, not just what?

4. **Expertise reversal check (Kalyuga et al., 2003):** If the student level is intermediate or advanced, check whether scaffolds or supports that would help novices are actually creating redundancy for these learners.

5. **Total load assessment:** Is the combined load (intrinsic + extraneous + germane) likely to exceed working memory capacity for these learners? If yes, what must change?

Return your output in this exact format:

## Cognitive Load Analysis

### Task Summary
[1–2 sentence restatement of the task]

### Load Breakdown

**Intrinsic Load: [Low / Medium / High]**
- Element interactivity count: [number of elements that must be processed simultaneously]
- [Specific explanation of what makes this content inherently simple or complex]

**Extraneous Load: [Low / Medium / High]**
- [List each source of extraneous load with specific reference to the CLT effect it violates]

**Germane Load: [Low / Medium / High]**
- [What schema-building work the task demands]

### Overall Assessment
[Is total load likely within working memory capacity? Will learning occur or will students be overwhelmed?]

### Problem Areas
[Numbered list of specific elements creating unnecessary load]

### Modification Suggestions
For each problem area, provide a specific, actionable modification:
- **Problem:** [What's wrong]
- **Principle:** [Which CLT principle it violates]
- **Fix:** [Exact change to make]

### Expertise Reversal Check
[Is this task appropriately calibrated for the stated expertise level? Would the scaffolding help or hinder?]

**Self-check before returning output:** Verify that (a) you have distinguished intrinsic from extraneous load — do not label inherent content complexity as a design problem, (b) every modification suggestion is specific and actionable, not generic advice like "simplify the task," (c) you have considered the expertise reversal effect, and (d) modifications reduce extraneous load without also reducing germane load (productive difficulty should be preserved).

输出示例

**情境：**任务：“Year 7 学生阅读一篇关于水循环的两页文本，然后一边完成空白图示的标注活动，一边回答另一张练习单上的 10 道理解题。文本、图示和问题分别印在三张纸上。” / 学生水平：“Year 7 科学，第一次学习水循环（新手）”

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认知负荷分析

任务摘要

Year 7 的新手学习者必须阅读一篇关于水循环的文本、标注空白图示，并同时使用三张不同的纸张回答理解题。

认知负荷分析

内在负荷：中等

• 元素交互性：大约 8–10 个元素（蒸发、凝结、降水、汇集、地表径流、地下水流动、蒸腾，以及它们作为一个循环相互关联的关系）
• 水循环具有中等程度的元素交互性——每个过程都可以单独理解，但要理解整个循环，就需要同时在工作记忆中保持多个过程，并追踪它们之间的关系。对于没有相关先验图式的七年级初学者而言，这已达到可管理内在负荷的上限。

外在负荷：高

• 注意力分散效应（严重）： 三张独立的纸迫使学生不断在文本、图表和问题之间切换。他们必须在文本中查找信息，在切换到图表或问题纸时将信息保持在工作记忆中，然后再加以应用——而且每次切换都会失去之前的位置。这是注意力分散的典型例子（Sweller，1994）。
• 冗余风险： 文本和图表可能会重复呈现相同信息。如果图表只是说明文本已经描述的内容，学生就在两种形式中处理相同内容，却没有获得额外的学习收益。
• 缺少无目标问题： 理解题设定了具体的查找目标，迫使学生进行手段—目的分析——学生忙于寻找答案，而不是建立对整体系统的理解。

促进学习的负荷：低

• 任务的设计使大部分认知努力用于查找信息（外在负荷），而不是理解系统（促进学习的负荷）。学生很可能会搜索并抄写，而不是将水循环构建为一个相互关联系统的心理模型。理解题通过奖励学生定位特定事实，助长了这种浅层处理。

总体评估

对于七年级初学者而言，总负荷几乎肯定超过工作记忆容量。注意力分散在三份材料之间造成的高外在负荷，加上主题本身的中等内在负荷，使得工作记忆几乎没有余量用于促进学习的处理（真正理解循环）。学生很可能只是把文本中的词语抄到图表和题目中完成活动，却无法构建连贯的图式。尽管表面上做了不少“功课”，实际学习效果仍会很有限。

问题所在

1. 三份独立材料会造成严重的注意力分散。 学生必须在工作记忆中保持信息，同时在不同材料之间来回切换，既会忘记自己读到哪里，也会把工作记忆消耗在材料导航上，而非学习上。

2. 同时进行的活动会争夺工作记忆。 阅读、给图表标注和回答问题是三项并行任务，每项都需要工作记忆。对于初学者，这些任务应按顺序进行，而非同时开展。

3. 理解题会助长搜索并抄写，而非真正理解。 学生会在文本中扫读与问题匹配的关键词，而不是为理解内容而阅读。这会产生外在负荷（查找），却几乎不产生促进学习的负荷（理解）。

4. 缺少完整示例或过程模型。 首次接触水循环的初学者没有可用于组织信息的图式。在要求他们自己绘制之前，需要先提供完整的示例（带完整标注和注释的图表）。

修改建议

• 问题： 三张独立的工作表会分散注意力

• 原理： 注意力分散效应（Sweller，1994）——当学习者必须在脑中整合来自空间或时间上彼此分隔的信息时，外在认知负荷会增加

• 改进： 将文字整合到图示中。在相关位置直接于图示上添加简短说明标签（例如，在表示蒸发的箭头旁添加注释）。完全删除独立文字，将整合了文字的图示作为唯一信息来源。将问题放在同一张工作表上，直接置于图示下方。

• 问题： 同时进行多项活动会使工作记忆不堪重负

• 原理： 元素交互性——同时处理的新元素过多

• 改进： 按顺序安排活动：（1）先用 5 分钟学习一张标注完整、附有注释的图示（例题——Sweller & Cooper，1985）。（2）然后尝试完成一张部分标注的图示，其中移除了关键术语（补全题）。（3）最后，尝试凭记忆完成一张完全空白的图示（独立练习）。这就是逐步撤除支架的例题序列。

• 问题： 理解题会促使学生查找并照抄答案

• 原理： 无目标效应——明确的目标状态会迫使学习者进行手段—目的分析，从而增加外在认知负荷

• 改进： 将 10 道理解题替换为一条无目标指令：“学习水循环图。写下你所知道的水如何在系统中流动，以及其中的原因。”这有助于构建图式，而不是搜寻信息。如果需要具体问题，应在自由学习阶段之后将其用作检索练习。

• 问题： 没有为新手学习者提供例题

• 原理： 例题效应（Sweller & Cooper，1985）——新手通过学习例题，比通过解题学得更多

• 改进： 在任何独立练习之前，提供一个完整填写并附有注释的示例，详细展示水循环中的一个部分（例如蒸发—凝结—降水这一过程），并明确说明每一步发生的原因。之后逐步撤除支架。

专长逆转检查

此任务是为新手学习者设计的，上述修改适合新手。不过，如果将同一任务用于复习水循环的 10 年级学生（他们已经具备牢固的图式），例题教学法就会适得其反——Kalyuga 等人（2003）证明，例题会增加专家的认知负荷，因为他们必须处理冗余信息。对于高阶学习者，应直接采用空白图示加检索练习的方法，跳过例题和补全阶段。

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已知局限

1. 无法观察学生的实际行为。 本分析基于任务设计，而非学生实际体验任务的情况。由于先前知识不同，两名学生面对同一任务时的认知负荷可能截然不同。教师在任务进行期间的观察仍至关重要——任务负荷过重的迹象包括放弃任务、不理解内容地照抄，以及提出程序性问题（“我该在哪里写答案？”），而不是内容方面的问题。

2. 不改变内容就无法降低内在负荷。 如果内容本身固有复杂（元素交互性高），本分析只能降低外在负荷并优化顺序，无法让复杂内容变得简单。对于内在负荷高的内容，通常应将内容拆分为多个子要素，在多节课中讲授，而不是试图在一节课内简化。

3. 专业知识逆转效应意味着建议取决于专业水平。 有助于新手的做法可能会妨碍专家，反之亦然。如果对学生水平的判断不准确（例如，将学生描述为“新手”，但他们实际上已具备大量先前知识），这些调整可能适得其反。教师必须根据学生的实际知识水平进行调整，而不是依赖假设。