认知负荷视角下的移动阅读研究

【摘 要】

随着移动信息技术的快速发展和移动设备的迅速普及，移动阅读成为人们获取信息的一种常见手段。移动阅读的泛在特性为读者提供了随时随地阅读的便利，但也增加了读者在阅读过程中的认知负荷。本文从阅读材质和阅读设备两方面对移动阅读过程中的认知负荷来源进行了分析，根据教育心理学领域对阅读前指导的研究和计算机科学领域对信息可视化技术的研究，给出了移动阅读资源设计的一些建议。

【关键词】 移动阅读；认知负荷；阅读前指导；信息可视化技术

【中图分类号】 G434 【文献标识码】 A 【文章编号】 1009—458x（2013）06—0051—05

一、前言

移动阅读指的是读者使用智能手机或平板电脑等移动设备，阅读电子信息资源的行为。移动信息技术的发展促进了移动阅读的发展，从早期的短消息阅读到现在的专用电子阅读软件或电子书产品，从单一的文本信息到丰富的多媒体信息，从孤立的阅读到协同阅读，移动阅读的形式与内容发生了巨大的变化。特别是最近几年，一些限制移动阅读应用的技术问题得到了极大的改善，移动设备在内存容量、无线网络速度、屏幕分辨率和待机能力上都有了很大的提升，运算能力已经接近于台式计算机，出现了大量用于移动阅读的专业软件，移动阅读成为人们获取信息的一种常见手段。据中国新闻出版研究院2012年公布的第九次全国国民阅读调查数据，我国18至70岁国民在2011年人均每天手机阅读时长为13.53分钟，比2010年的10.32分钟增加了3.21分钟，有9.4%的国民倾向于“手机阅读”[1]。

移动阅读具备泛在特性，让读者可以随时随地获取信息，但也存在一些不利因素。作为一种电子阅读形式，移动阅读在继承了电子阅读优点的同时，也继承了电子阅读认知负荷高的缺点，并且由于移动设备本身的特性（较小的屏幕尺寸，交互方式的局限性等），读者的认知负荷有继续增高的趋势。本文分析了移动阅读过程中的认知负荷来源，并以降低认知负荷，提高阅读效率为目的，从教育心理学领域的阅读前指导和计算机科学领域的信息可视化技术两方面给出了移动阅读资源设计的一些建议，供移动阅读资源的设计者使用和参考。

二、认知负荷理论

认知负荷理论是由澳大利亚认知心理学家约翰·斯威勒于1988年首先提出的[2]，是继建构主义理论之后又一个对教学设计起重要指导作用的心理学理论。认知负荷理论假设人类的认知结构由工作记忆和长时记忆组成，其理论基础是资源有限理论和图式理论[3]。资源有限理论认为人的工作记忆（认知资源）容量是有限的，一次只能存储5-9条基本信息或信息块。当要求处理信息时，工作记忆一次只能处理两到三条信息，因为存储在其中的元素之间的交互也需要工作记忆空间，这就减少了能同时处理的信息数。图式理论认为知识在大多数情况下以图式的形式存储于长时记忆，在学习过程中，学习者使用长时记忆中的图式对新信息进行整理和加工，这种加工是自动化的，速度快且占用认知资源少[4]。

认知负荷理论定义了三种类型的认知负荷：内部认知负荷、外部认知负荷和相关认知负荷。内部认知负荷来源于信息材料的内在难度。当信息材料中元素较多，且它们之间的交互作用十分复杂时，对材料的加工整合将花费学习者大量的认知资源，内部认知负荷会非常高[5]。外部认知负荷也称无效认知负荷，主要依赖信息材料的组织方式和呈现形式。当组织方式与呈现方式不是很好时，学习者需要通过额外的认知加工进行调整，这会占用有限的认知资源，外部认知负荷会比较高[6]。相关认知负荷也称有效认知负荷，当学习者在认知加工过程中未用完全部的认知资源时，剩余的认知资源可以用于深层次的信息加工（如图式的构建）。这种信息加工虽然也增加认知负荷，但并不会阻碍学习，反而会促进学习[7]。认知负荷理论认为，内部认知负荷与知识建构直接相关，是认知资源使用的主体；外部认知负荷与知识建构无关，应该通过良好的组织与呈现设计去尽量减少；在认知资源有盈余的情况下，应该引导学习者使用相关认知负荷进行知识建构[8]。在这三类认知负荷中，不同类型的认知负荷是可以叠加的。为保证学习效果，总的认知负荷不超出学习者个体能承受的认知负荷。

三、移动阅读的认知负荷来源分析

和传统的纸质阅读相比，移动阅读的认知负荷主要来源于两个方面：所使用的电子阅读材质和移动设备的技术特性。

（一）电子阅读材质导致的认知负荷问题

和纸质阅读材质相比，电子阅读材质会让读者产生更高的认知负荷[9]，特别是当读者以学习为目的，通过综合、比较或分类的方法从文本中获取和加工信息时。心理学研究指出，读者在阅读过程中常常会对一些特定文本的空间位置创建心理表征，并通过这些空间位置在不同文本片段之间进行导航[10]，读者在大脑中产生的这种空间位置布局被称为认知地图（Cognitive map）[11]。Li等的研究指出，电子阅读让读者很难构建认知地图并进行有效的导航[12]。读者使用纸质书籍阅读时，对特定文本的绝对位置（具体页码）更加敏感，也会在记忆中创建相对位置（如书本的前1/3处）线索，同时他们还可以通过折页、画线、写注释、做标记等方式人为地创建一些空间记忆线索，都有助于认知地图的构建。而在使用电子书籍阅读时，很难产生相对位置的概念，也很难发现或创造上下文线索和空间记忆线索，增加了构建认知地图的难度。另外，电子阅读环境下读者需要更多的交互性操作完成导航，这些不利条件都增加了读者的外部认知负荷。

（二）移动设备技术特性导致的认知负荷问题

移动设备的可视区域通常较小（智能手机3-5英寸，平板电脑5-10英寸），纸质阅读材质的一页（A4幅面）或电子阅读材质的一页（笔记本电脑12-15英寸，台式机20英寸以上）在移动设备上不得不被拆分为多页显示。由于信息被分离显示在不同的页面，原有的页面布局和信息结构（过程、对比、列举和分类）可能被破坏，信息材料的内部组成成分从显性的作用关系变为隐性，信息呈现方式的改变增加了读者的外部认知负荷。为恢复这些信息结构，读者在阅读过程中不得不通过工作记忆整合信息，并且进行额外的页面间导航操作，进一步增加了读者的外部认知负荷。另外，页数的增多和移动设备交互方式的局限性（触控式交互难以提供鼠标滚轮或键盘上Home和End键那样的导航功能）使得构建认知地图和导航操作变得更加困难。

四、方法与技术

如何提升移动阅读的效率，改进读者的内容记忆和阅读时间，这一领域的研究还比较少。但在提升电子阅读效率方面，教育心理学领域和计算机科学领域都已经做了大量的研究工作，提出了一些有效的方法和技术。

（一）阅读前指导（Prereading instructions）

在教学过程中，教师经常会在学生阅读之前给出一些具有指导性的问题或建议。这些指导能帮助学生把注意力集中在文本中某些特定的部分，也可以帮助学生避开某些不重要的部分。教育心理学领域从过程和原因两方面对阅读前指导的方法进行了深入研究，从目前的研究结果看，无论是在纸质阅读材质还是电子阅读材质上，阅读前指导总能对读者产生积极的作用[13][14][15]。

阅读前指导分为两大类，相关性指导（Relevant instructions）和无关性指导（Irrelevant instructions）[16]。相关性指导能让读者把注意力集中在文本中某些特定的部分，并影响读者的阅读目的。它的形式包括：提前给出问题，要求读者阅读后回答；要求读者带有某种观点去阅读；要求读者解释性的回答“为什么”之类的问题；要求读者带有某种目的性阅读[17]。相关性指导能让读者花费更多的阅读时间在特定部分，并影响读者的阅读目的，改进读者对特定部分的回忆。McCrudden等以电子阅读的形式测试了相关性指导的有效性[18]。83个学生被分成3组，physiology组，space traveler组和control组，所有学生阅读相同的文献，一篇关于太空旅行的科学短文。在阅读之前，physiology组得到了6个关于太空中人体生理变化的问题（例如：为什么在太空中人的体液会集中在上半身？）；space traveler组得到了6个关于太空旅行的问题（例如：太空旅行持续时间最长的纪录是多少？）；control组没有得到任何阅读前指导。实验结果表明：对文章定的部分，得到了相关性指导的读者比那些没有得到指导的读者展现出更好的记忆效果。无关性指导要求读者避开那些对理解文章没有作用的细节（例如：“不需要阅读第2页中关于骨质流失的细节”），这些细节一般用来促进读者对文章的阅读兴趣，但和文章的主题关联很小，被称为“诱人细节”（Seductive details）[19]。Harp和Mayer的实验表明，阅读文章中不包含诱人细节的读者比那些包含诱人细节的读者在对文章主体内容的回忆测试上表现得更好，这可能是因为诱人细节会让读者在组织内容时产生不恰当的图式[20]。Peshkam等的实验进一步展现了无关性指导的作用，让读者提前意识到文章中包含诱人细节会产生积极的效果[21]。

（二）信息可视化技术（Visualization technique）

信息可视化技术将信息转化为交互的、可视化的表示形式，增强人们对复杂信息的认知能力，应用领域十分广泛。电子阅读领域的信息可视化研究主要集中在文本导航和信息呈现，常用的可视化技术包括：Overview+Detail界面技术和扭曲界面技术[22]。

Overview+Detail界面技术是一种有效的文本导航方式，能改善读者的满意度和效率[23]。很多阅读软件中都采用Overview+Detail界面，这种技术为读者提供一个全部文本信息的整体性视图（Overview），视图中文本页面以缩略图的形式显示出来（例如Microsoft Powerpoint中左侧的大纲/幻灯片导航），读者可以点击缩略图快速进入相关页面（Detail）。扭曲界面技术能在有限的显示空间中展现更多的文本信息，为了适应有限的显示空间，文本中只有最重要的部分是可读的，其他部分则被缩小并且难以阅读[24]。扭曲界面技术为读者提供了一个整体性视图，并让读者把注意力集中在重要部分，同时又保留了上下文线索，当然读者也可以通过交互将那些缩小的部分放大后阅读。重要部分的定义可以根据读者的操作（例如：鼠标点击），也可以根据文章的结构属性。

五、对移动阅读资源设计的建议

移动阅读资源的设计，特别是应用于教育领域的移动阅读资源设计，要求资源设计者们必须考虑读者的认知负荷问题。而降低阅读过程中的认知负荷，是提高阅读效率，改善学习效果的一种有效手段。在不改变阅读内容的前提下，结合已有的研究，我们给出了移动阅读资源设计的一些建议。

（一）为阅读资源提供阅读前指导

阅读的难易程度取决于读者的背景知识，对阅读内容背景知识了解越多，阅读难度就越低[25]。阅读前指导提前为读者展示了文章的中心思想、内部结构、需要重点关注的内容等信息。从图式理论的角度看，这些指导信息会成为读者的先存知识，能让读者在后续的阅读过程中更准确、更有目的性地分配认知资源进行图式构建，降低了阅读难度。因此，在不改变资源内容的情况下，设计者可以考虑在开始阅读之前为读者提供一些有关于文本中心思想和重要内容的问题（例如：闪电在形成过程中究竟发生了什么？），或关于文本结构的指导性文字（例如：闪电按放电的源地点和目的地可以分为两大类，按外观可以分为七大类）。这些相关性指导提前展示了信息材料的组成成分和一些相互关系，降低了阅读难度，同时也降低了读者的内部认知负荷。

（二）使用有助于构建认知地图的导航方式

移动阅读的导航方式对认知负荷有较大的影响。现有的移动阅读软件多为通用性阅读软件，除了基本的翻页和输入页码外，还提供了百分比导航和书签导航，但这些导航方法对读者记忆上下文线索和构建认知地图基本上没有帮助。我们建议阅读软件提供书签和注释的功能，并使用Overview+Detail技术（如图1）和增强缩略图技术为读者提供可视化导航。

图1 Overview+Detail技术示例

Overview+Detail技术是一种成熟的文本导航技术，但在移动设备上却很少使用，应用的主要障碍是缩略图识别问题。人们在识别缩略图的过程中，缩略图的尺寸是识别的关键因素（越大越容易识别）[26]。但在移动设备上，受可视区域的限制，Overview中缩略图尺寸可能小至无法识别，这是限制技术在移动设备上应用的主要原因。为解决这一问题，可以在Overview视图中使用具备记忆线索的增强缩略图。例如，将缩略图中文本信息的标题或前几个字放大至用户可识别（如图2（a）），或者在缩略图的边角位置设置状态标记，标记此页面是否包含书签或注释（如图2（b），M表示有书签，R表示页面中有注释）。这些增强缩略图提供了更多的记忆线索，并让线索和具体页面产生联系，容易识别，有助于读者构建认知地图。

图2（a）文本增强缩略图（b）边角增强缩略图（c）普通缩略图

（三）提供能展现内部结构的信息呈现方式

人机交互领域的大量研究证明：信息呈现的形式对信息获取具有至关重要的影响。高亮技术和扭曲界面技术都能展现文本的结构，降低移动设备上由于多页显示对信息结构造成的破坏。高亮技术将文本中的关键信息高亮显示（使用不同于其他文本的字体或颜色，如图3），能吸引读者的注意力，展现信息的内部结构（过程、因果、分类等），有利于读者创建上下文线索和构建认知地图。扭曲界面技术有两种信息呈现方法：一种是将文本中重要内容放大显示，但这会增加文本的显示页数，在移动设备上不建议使用这种方法；另一种是将文本中不重要的内容用缩小字体显示（如图4），允许读者通过交互操作将缩小部分放大至正常字体。当阅读时间有限时，扭曲界面技术会让读者把更多的注意力花费在重要内容上，减少这些不重要内容（如诱人细节）对读者造成的影响。同时这种技术还能减少文本显示页数，减少读者进行页面间导航的次数。从实际应用角度看，这些可视化技术虽然具备信息呈现上的优点，但尚未被广泛使用，可能会对部分读者产生影响（例如：对新界面不习惯或者由于好奇心理使得他们反而更关注被缩小显示的诱人细节）。因此，在设计移动阅读界面时，我们建议在提供新式界面的同时，仍保留传统的阅读界面，由读者根据个人习惯自由选择。

图3 高亮技术示例

图4 扭曲界面技术示例

六、结语

数字化阅读资源在为学习者带来便利的同时，也对学习者的学习过程带来了困扰。无论是电子阅读还是移动阅读，学习者都要承担额外的认知负荷。本文以认知负荷理论为基础，从阅读材质和阅读设备两方面对移动阅读过程中的认知负荷来源进行了分析，并从降低认知负荷的角度提出了一些移动阅读资源设计的方法和技术，供阅读资源的设计者使用和参考。目前的研究还处于理论探讨和设计阶段，下一步我们将对这些方法和技术的应用效果开展实证性研究。

[参考文献]

[1] 全国国民阅读调查课题组，郝振省， 魏玉山，徐升国，屈明颖. 传统与数字融合中的国民阅读走势分析——基于“第九次全国国民阅读调查”数据解读[J]. 出版参考，2012，（5）：8-11.

[2] John. S. Cognitive load during problem solving： Effects on learning[J]. Cognitive Science， 1988， 12（2）：257-285.

[3][4] 罗群英，陈仕品，张剑平. 基于认知负荷理论的网络课程设计—— 以国家精品课程“现代教育技术”的网络课程为例[J]. 开放教育研究，2009，（4）：61-65.

[5] Sweller， J. & Chandler， P. Why some material is difficult to learn[J]. Cognition and Instruction， 1994， 12（3）：185-233.

[6][7] John S.， van Merrienboer， J. J. G， & Paas， F. G. W. C. Cognitive architecture and instructional design[J]. Educational Psychology Review， 1998， （10）：251-296.

[8] 赵立影，吴庆麟. 基于认知负荷理论的复杂学习教学设计[J]. 电化教育研究，2010，（4）：44-48.

[9] Wastlund， E.， Reinikka， H.， Norlander， T.， & Archer， T. E?ects of VDT and paper presentation on consumption and production of information： Psychological and physiological factors[J]. Computers in Human Behavior， 2005， （21）： 377-394.

[10] W?stlund， E.， Norlander， T. & Archer， T. The effect of page layout on mental workload： A dual-task experiment[J]. Computers in Human Behavior， 2008， （24）：1229-1245.

[11] Spence， R. A framework for navigation[J]. International Journal of Human-Computer Studies， 1999， 51（5）：919-945.

[12] Li， L.Y， Chen， G. D & Yang， S.J. Construction of cognitive maps to improve E-book reading and navigation[J]. Computers & Education， 2013， （60）：32-39.

[13][16][19][21] Peshkam， A.， Mensink， M.C， Putnam， A.L & Rapp， D.N. Warning readers to avoid irrelevant information： When being vague might be valuable[J]. Contemporary Educational Psychology， 2011， 36（3）：219-231.

[14][17][18] McCrudden， M.T.， Schraw， G. & Kambe， G. The Effect of Relevance Instructions on Reading Time and Learning[J]. Journal of Educational Psychology， 2005， 97（1）：88-102.

[15][20] Harp， S.F.， & Mayer， R.E. How seductive details do their damage： A theory of cognitive interest in science learning[J]. Journal of Educational Psychology， 1998， 90（3）：414-434.

[22] Hornb?k， K. & Fr?kj?r， E. Reading patterns and usability in visualizations of electronic documents[J]. ACM Transactions on Computer-Human Interaction， 2003， 10（2）：119-149.

[23] North， C. & Shneiderman， B. Snap-together visualization： can users construct and operate coordinated visualizations？[J]. International Journal of Human-Computer Studies， 2000， （53）：715-739.

[24] Jakobsen， M.R. & Hornb?k， K. Evaluating a fisheye view of source code[C]. Proceedings of the SIGCHI Conference on Human Factors in Computing Systems， 2006：377-386.

[25] Wilkinson， S.C.， Reader， W. & Payne， S. J. Adaptive browsing： Sensitivity to time pressure and task dif?culty[J]. International Journal of Human-Computer Studies， 2012， （70）：14-25.

[26] Kaasten， S.， Greenberg， S. & Edwards， C. How People Recognize Previously Seen Web Pages from Titles， URLs and Thumbnails[C]. In Proceedings of Human Computer Interaction 2002[C]. London， X. Faulkner， J. Finlay & F. Detienne （Eds.）， 2002：247-265.

收稿日期：2012-12-30

作者简介：司国东；宋鸿陟。华南农业大学信息学院（510642）。

赵玉，广东行政职业学院 电子信息系（510800）。