二、认知负荷的结构和表征
认知负荷是一个多层次的概念，主要包括心理负荷（Ment alload）与心理努力（Mental effect）两部分。心理负荷主要是由外部教学因素（如任务结构、信息的呈现次序等）产生的，当然也与个体的能力、个性、生理变量及社会压力、期待等紧密相关。而心理努力是指如何对认知资源进行分配。方俐洛认为，任务困难度的增加通常引起心理负荷的增加。任务困难度参数包括刺激间隔、信息输入量、信息源数量、控制复杂性或相容性等指标。
（一）认知负荷的结构模型
Paas &； van Merrienboer（1994）提出了认知负荷的结构模型，认为是一个多维结构。。影响认知负荷的主要有三方面因素：学习任务（包括环境）、学习者、学习者与学习任务之间的相互作用。学习任务是指任务的结构、新奇性、完成任务的时间限制等。环境特性是指声音、温度等。学习者是一个相对稳定的因素，像认知能力、认知风格、先前掌握的知识等。学习者与学习任务（环境）之间的相互作用是通过一些易变因素（如情绪等）来影响认知负荷的。他们认为，“学习任务”在相当程度上左右了认知负荷的高低，比其他两个因素更重要。
Schneicher &； Shiffrin（1977）也认为心理负荷是以任务为中心的，是通过任务或环境需求来产生的；而心理努力是以人为中心的，是指资源和策略的总和，它反映了个体完成任务时的控制加工水平。认知负荷高低是与个体的认知加工水平密切相关的，低认知负荷是与自动化加工紧密相联的，而高认知负荷则要求个体有意识地进行控制加工（增加了心理努力程度）。上述三方面因素均会对心理努力产生作用，最后通过行为来表现。
因此，个体行为表现所达到水平也是认知负荷测量的一个重要指标。学习时所消耗的心理努力，实际上就是认知负荷的本质属性（Hamilton，1979；Sanders，1979；Paas，1992）。
心理努力的测量主要提供以下信息：行为达成的认知成本，教学条件的相对功效。因此，心理努力强度可以作为衡量认知负荷大小的指标（Paas，1992）。目前，心理努力的测量主要有两种方法：
1.客观性测量，采用生理指标。生理指标测量包括脑诱发电位、瞳孔直径、心率变化等。其优点是它能提供一种相对连续的数据记录，同时又不破坏主要任务业绩。其缺点是测量时要用电生理设备，并要求将探测电极进行某种程度的身体固定，这些往往是被试不愿意接受的。
2.主观性测量，采用任务困难度为指标。从使用者的角度看，任务困难度可能是目前最可行的测量指标之一。有些研究者认为，这些测量更接近于心理负荷的本质。
（二）影响认知负荷的因素
认知负荷理论认为，自动化加工和控制加工之间只是程度上的差异，当我们提高技能时，自动化水平就逐渐增加，所需要的控制量就会逐渐减少。Newell &； Rosenbloom（1981）研究了“单人纸牌游戏技巧的获得”后认为，只要有足够的练习，最具有挑战性的任务也能变得自动化，需要很少或不需要有意识控制。Hashor &； Zacks（1979）研究后指出，有两条途径可以导致自动化加工的产生，即遗传和练习，而且生理活动和心理事件达到自动化途径相同。换句话说，感觉和记忆中的心理行为与运动技能很类似，能够提高运动技能的练习也能提高认知技能。Schneider &； Shiffrin（1977）指出，复杂的感觉分析可以通过强化练习方式达到自动化水平。
不同的学习者以不同方式来完成任务。在工作记忆中，如果需要完成的任务可以合并在一个自动化图式之中，即学习者获得了合适的自动化图式，这样就可减少对认知资源的需求，则认知负荷是低的。反之，如果需要完成的任务必须分离开来加工，没有图式可利用，认知负荷将会是高的（Schneider &； Shiffrin，1977）。其次，学习材料的性质也是影响认知负荷的重要因素，材料内部各组成部分之间的相互作用少，则认知负荷低，反之，认知负荷高。
当然，学习者与学习材料之间也是相互作用的。同样的学习材料对某些人来说会产生较重的认知负荷，原因在于两者产生了大的相互作用；而对其他人来说，认知负荷却较低，原因在于他们获得了好的自动化图式。例如，专家处理一个初等代数方程（a＋b）/c=d时，是作为一个整体来考虑的，在工作记忆中以一个自动化图式来处理的，只需较少的认知资源；而一个新手，首先需要搞清每一个代数符号及相互之间的关系，然后再考虑运算的法则，这样认知负荷就会超载。
三、认知负荷理论的教学设计原则在许多领域，认知负荷理论对学习的计划、组织、执行等方面改进是相当有益的。什么时候能将多余的认知负荷减至最低，什么时候的学习就将是最有效的。认知负荷理论从认知结构研究中获取了教学设计原则（Sweller，van Merrienboer &； Paas，1998），也就是说，教学中应从引导认知资源合理分配的角度来设计学习材料。该理论认为有三个方面因素影响学习者的认知负荷：
（1）任务与环境：任务的结构，任务的新颖性，时间压力，奖赏系统的类型。
（2）学习者：个体的先前知识，认知资源，认知风格。
（3）学习者与任务之间的相互作用。
学习者的先前知识主要指个体长时记忆中所具有的图式数量和质量。学习者为了对当前输入信息进行认知加工，需要从长时记忆中提取相关知识，并在工作记忆中对其进行加工。当然，进入工作记忆的信息量不能超过工作记忆的容量，否则会产生认知超载。如果长时记忆中已具有大量合适的图式可利用，则可以把众多信息整合成个别或少数信息单元，使得认知加工顺利进行。如果学习者不具备合适图式，那么每一条信息均是一个独立的信息单元，就无法进行信息整合，需要在工作记忆中对每条信息进行逐个加工，这样也就加大了认知负荷，容易引起认知超载。
对特定个体来说，先前知识和经验是确定的，此时的认知负荷主要取决于学习任务的本质特性和材料的组织、呈现方式。由学习材料的本质特性所引起的认知负荷也称为内部认知负荷，由材料的组织、呈现方式引起的认知负荷也称为外部认知负荷。当内部认知负荷较低时，学习材料的组织、呈现方式并不重要；反之，组织、呈现方式则十分重要（Sweller，1993）。
为此，认知负荷理论引出了两种重要的教学设计原则：“自由目标效应”（Goal‐free Effect）和“样例效应”（Worked Examples Effect）。
（一）自由目标效应
自由目标效应（Goal‐free Effect）是指学习目标并不十分明确时，对学习效果的影响。如在解决一个代数方程问题时，不要求学生求出某一个特定值，而是要求他“求出尽可能多的值”。通常，人们总认为明确的目标能提高学习者的学习效率，认知心理学家研究后却发现，学习目标不十分明确时，有时反而有更高的学习效率。
Sweller等人通过大量实验研究发现：当运用自由目标问题或降低目标明确性时，可提高学生学习和迁移的成绩（Sweller，1988；Owen， &； Sweller，1985）。他们认为，自由目标效应可阻止“手段-目的”分析策略的使用，因为“手段-目的”策略会导致认知负荷的加重。而自由目标效应可节省出大量认知资源用于图式获取，以促进学习。
许多学习领域的实验证明，自由目标效应可以有效地降低学习中的认知负荷（Chandler &； Sweller，1991，1994；Ward &； Sweller，1990；Tierney &； Cooper，1990）。例如，将一个有相关意义的说明性文字放在图表的合适位置，可以明显地促进学习者对图表内容的理解。此时，学习者所面临的目标要比没有说明性文字时多，但减少了对图表意义的许多不必要猜测，也就降低了工作记忆中的认知负荷。这类情况在学生学习几何时尤为明显。
Mayer（1989）和Gallini（1990）通过研究发现，不连续的文字材料、无标记的图表对学习者的学习来说是困难的，学习者需要在工作记忆中对文字材料或图表进行语义联想、联结，并进行一定程度的猜测，这样也就大大加重了认知负荷。同时，Mayer &； Anderson（1991，1992）发现文字生动活泼的记叙文能有效地促进学生的阅读。他们认为，文章中的“生动活泼点”相当于一定程度的子目标，这些子目标分散了读者对主目标的关注程度，阻止了“手段-目的”分析策略的运用，减轻了阅读时工作记忆中的认知负荷。
（二）样例效应
样例效应（Worked Examples Effect）是指学习者从具有详细解答步骤的事例中归纳出隐含的抽象知识来解决问题。近年来，样例效应的有效性得到了普遍证实，人们的研究重点主要集中在样例学习的内部加工机制和样例的有效设计上，并使之更符合学生的学习规律，提高学生的迁移和问题解决技能。Sweller认为，有效的样例学习不需要运用“手段-目的”分析策略，不需要进行试误学习，只需注意样例解答中与图式获取有关的问题方面，故可减轻认知负荷。而且通过提高样例的变异性，可促进图式获取，通过增加样例的数量可促进规则自动化。图式获得和规则自动化是处理高认知加工任务时主要的学习机制，它们可以弥补工作记忆容量的不足，问题的相似性有助于规则自动生成，其不同性有助于图式获取。与传统学习相比，样例效应更有助于培养学生的思维能力，提高他们的问题解决技能，其主要优点是：
（1）学生在解决问题时，更多地求助于样例而不是规则，因而，样例效应可以简化认知技能的获取。
（2）样例提供了问题解决的正确范式，可以将学生的注意力引向与学习有关的部分，有效地防止了试误学习和“手段-目的”分析策略的使用，从而减轻了学生的认知负荷，提高了学习效率。
（3）样例明确表明了与学习有关的关键成分，如规则的功能、适用条件及在具体情境中的操作，更有利于学生进行正确归纳，并根据问题解决的方法进行分类。
（4）样例效应改变了学生被动接受知识的地位，极大地调动了学生的学习积极性。