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認知心理学では、認知負荷は使用されるワーキングメモリリソースの量を指します。ただし、多くの分野で広く研究されている認知負荷 (CL)またはメンタルワークロード (MWL)の実際の構成と区別することが重要です。教育設計と教育学の分野で行われた研究によると、認知負荷には大きく分けて 3 つのタイプがあります。内在的認知負荷は特定のトピックに関連する労力です。無関係な認知負荷は情報またはタスクが学習者に提示される方法を指します。そして、関連認知負荷は永続的な知識のストア (スキーマ)を作成するために費やされる労力を指します。ただし、長年にわたり、これらのタイプの認知負荷の加法性が調査され、疑問視されてきました。現在では、それらが循環的に影響し合っていると考えられています。[1]
認知負荷理論は、1980年代後半にジョン・スウェラーによる問題解決の研究から発展しました。[2]スウェラーは、教育設計によって学習者の認知負荷を軽減できると主張しました。その後、他の研究者が、認知負荷の指標となる知覚される精神的努力を測定する方法を開発しました。 [3] [4]課題誘発瞳孔反応は、ワーキングメモリに直接関係する認知負荷の信頼性が高く感度の高い測定値です。[5]情報は、ワーキングメモリによって最初に注目され、処理された後にのみ、長期記憶に保存されます。[要出典]ただし、ワーキングメモリは、容量と持続時間の両方で極端に制限されています。[6]これらの制限は、状況によっては学習を妨げます。[要出典]認知負荷が大きいとタスクの完了に悪影響を与える可能性があり、認知負荷の経験はすべての人に同じではないことに注意することが重要です。[要出典]高齢者、学生、子供はそれぞれ異なる、そして多くの場合、より高い認知負荷を経験します。[要出典]
認知負荷理論の基本的な考え方は、ワーキングメモリの役割と限界をより深く考慮すれば、教育設計の質が向上するというものです。特に携帯電話の使用による注意散漫が増えると、学生は高い認知負荷を経験しやすくなり、学業成績が低下する可能性があります。[7]
理論
1980年代後半、ジョン・スウェラーは問題解決の研究から認知負荷理論を開発しました。[2]「学習者の知的パフォーマンスを最適化する活動を促すような情報提示を支援するためのガイドラインを提供する」ためです。[8]スウェラーの理論は情報処理理論の側面を採用し、指導中の学習に対する同時作業記憶負荷の固有の限界を強調しています。[引用が必要]この理論は、教材設計の主要な分析単位としてスキーマを使用します。[引用が必要]
歴史
認知負荷理論の歴史は、1950年代の認知科学の始まりとGAミラーの研究にまで遡ることができます。ミラーは彼の古典的な論文[9]で、おそらく私たちの作業記憶容量には固有の限界があることを示唆した最初の人物です。彼の実験結果によると、人間は一般的に短期記憶に7プラスマイナス2単位の情報しか保持できないことが示唆されました。 [要出典]
1973年、サイモンとチェイスは、人々が短期記憶で情報をどのように整理するかを説明するために「チャンク」という用語を初めて使用しました。[10]この記憶コンポーネントのチャンク化は、スキーマ構築としても説明されています。 [要出典]
1980 年代後半、ジョン・スウェラーは問題解決を研究しながら認知負荷理論 (CLT) を考案しました。[2]学習者が問題を解決する様子を研究した結果、彼と彼の同僚は学習者が手段目的分析と呼ばれる問題解決戦略を頻繁に使用することを発見しました。彼は、手段目的分析による問題解決には比較的大きな認知処理能力が必要であり、それがスキーマ構築に充てられない可能性があると示唆しています。スウェラーは、教育設計者は問題解決を含まない教育教材を設計することで、この不必要な認知負荷を防ぐべきだと提案しました。代替教育教材の例には、実例や目標のない問題と呼ばれるものがあります。[要出典]
1990年代には、認知負荷理論がさまざまな文脈で応用されました。これらの研究の実証的結果により、いくつかの学習効果が実証されました。完了問題効果、[11] モダリティ効果、[12] [13] 分割注意効果、[14] 実例効果、[15] [16]専門知識逆転効果[ 17]
カテゴリー
認知負荷理論は一般的な枠組みを提供し、教育設計者に環境内、より一般的にはほとんどの教育教材内の学習条件の制御を可能にすることで、教育設計に幅広い影響を与えます。具体的には、教育設計者が学習中に無関係な認知負荷を減らし、学習者の注意を適切な教材に再び集中させ、それによって適切な（スキーマ関連の）認知負荷を増やすのに役立つ経験に基づいたガイドラインを提供します。この理論は、内在的認知負荷と無関係な認知負荷の3つのタイプの認知負荷を区別しています。[8]
本質的な
内在的認知負荷とは、特定の指導トピックに関連する固有の難しさのレベルのことである。この用語は、1990 年代初頭に Chandler と Sweller によって初めて使用された。[18]彼らによると、すべての指導には固有の難しさがある (例: 2 + 2 の計算と微分方程式の解法)。この固有の難しさは、教師によって変更できない可能性がある。ただし、多くのスキーマは個別の「サブスキーマ」に分割され、個別に教えられ、後で再びまとめられ、結合された全体として説明される可能性がある。[19]
関連する負荷
ゲルマン負荷とは、学習者が学習に不可欠な情報に関連する内在的認知負荷を管理するために費やす作業記憶リソースを指します。 教材の複雑さに直接関連する内在的負荷とは異なり、ゲルマン負荷は提示された情報から生じるのではなく、学習者の特性から生じます。 作業記憶負荷の独立したソースを表すのではなく、内在的負荷と外在的負荷の関係によって影響を受けます。 内在的負荷が高く、外在的負荷が低い場合、学習者は必須教材の処理に多くのリソースを割くことができるため、ゲルマン負荷は高くなります。 ただし、外在的負荷が増加すると、ゲルマン負荷は減少し、学習は影響を受けます。これは、学習者が作業記憶リソースを使用して必須コンテンツではなく外部要素を処理する必要があるためです。 これは、モチベーションのレベルが一定であり、利用可能なすべての作業記憶リソースが内在的認知負荷と外在的認知負荷の両方を管理することに集中していることを前提としています。 要素のインタラクションと、内在的、外在的、およびゲルマン的認知負荷。
無関係
余分な認知負荷は、学習者に情報を提示する方法によって生成され、教育設計者の制御下にあります。[18]この負荷は、教材の設計に起因する可能性があります。余分な負荷を処理するためにリソースを使用する認知リソースは1つしかないため、内在的負荷と関連負荷（学習）を処理するために利用できるリソースの数は減少します。したがって、特に内在的負荷や関連負荷が高い場合（問題が難しい場合）、教材は余分な負荷を軽減するように設計する必要があります。[20]
余分な認知負荷の例としては、生徒に正方形を説明する方法が 2 つある場合が挙げられます。[21]正方形は図形であり、図形的媒体を使用して説明する必要があります。確かに、講師は言葉で正方形を説明することができますが、学習者に正方形を見せた方が、口頭で説明するよりも、講師が何について話しているのか理解するのに 1 秒しかかからず、労力もはるかに少なくて済みます。この例では、視覚的媒体の効率が優先されます。これは、視覚的媒体では学習者に不必要な情報を過度に負担させないためです。この不要な認知負荷は余分なものと呼ばれます。[要出典]
チャンドラーとスウェラーは、余分な認知負荷という概念を導入しました。この記事は、この作業記憶負荷を調べるために彼らが行った 6 つの実験の結果を報告するために書かれました。これらの実験の多くは、分割注意効果を示す教材を使用していました。彼らは、教材の形式が学習を促進するか制限するかのどちらかであることを発見しました。彼らは、パフォーマンスの違いは、指導形式によって課せられる認知負荷のレベルが高いためであると提唱しました。「余分な認知負荷」とは、この不必要な (人工的に誘発された) 認知負荷を指す用語です。[引用が必要]
余分な認知負荷には、テキストの明瞭さや教育ソフトウェアのインタラクティブな要求など、さまざまな要素が含まれる可能性があります。[22]
測定
1993年、パースとヴァン・メリエンボア[3]は、相対的条件効率と呼ばれる構成概念を開発しました。これは、研究者が認知負荷の指標である知覚された精神的努力を測定するのに役立ちます。この構成概念は、精神的努力の評価とパフォーマンススコアの両方を考慮しながら、指導条件を比較する比較的単純な手段を提供します。相対的条件効率は、標準化されたパフォーマンスから標準化された精神的努力を差し引き、2の平方根で割ることによって計算されます。[3]
パースとヴァン・メリエンボアは、相対的な条件効率を用いて3つの指導条件（実例、完成問題、発見練習）を比較した。彼らは、実例を学習した学習者が最も効率的であり、次いで問題完成戦略を使用した学習者であることを発見した。この初期の研究以来、多くの研究者がこの研究や他の構成を用いて、学習と指導に関連する認知負荷を測定してきた。[23]
人間工学的アプローチは、一般的な機器を使用して測定できる認知負荷の定量的な神経生理学的表現を求めており、たとえば、心拍数と血圧の積（RPP）を認知的および身体的職業作業負荷の尺度として使用します。[24]彼らは、RPPの尺度を使用して作業負荷に制限を設け、作業手当を確立できる可能性があると考えています。
生理学的反応を利用して認知負荷を間接的に推定することには、特に瞳孔径、視線、呼吸数、心拍数などの要因をモニタリングすることで、研究が活発に行われています。[25]いくつかの研究では生理学的要因と認知負荷の間に相関関係が見られましたが、その結果は制御された実験室環境以外では当てはまりませんでした。課題誘発性瞳孔反応は、認知負荷がワーキングメモリに及ぼす生理学的反応の1つであり、研究では、瞳孔の拡張は認知負荷が高い場合に起こることがわかっています。[5]
研究者の中には、認知負荷の異なる測定法を比較した人もいます。 [ 4]例えば、DeleeuwとMayer（2008）は、一般的に使用されている3つの認知負荷の測定法を比較し、それらが外的負荷、内的負荷、および関連負荷に対して異なる方法で反応することを発見しました。 [26] 2020年の研究では、外的認知負荷を形成するさまざまな需要要素が存在する可能性があるが、異なるアンケートを使用して測定する必要がある可能性があることが示されました。[22]
重い認知負荷の影響
認知負荷が大きいと、通常、手元のタスクにエラーや何らかの妨害が生じます。[11] [12] [ 13] [14] [15] [16] [17]認知負荷が大きいと、ステレオタイプ化も増加します。[27]これは、認知負荷が大きいと、余分な情報がスキーマの使用を伴う潜在意識の処理に押し込まれるためです。スキーマとは、情報をカテゴリに整理し、それらの関係性を識別するのに役立つ思考と行動のパターンです。[28]パターン認識とスキーマの使用により、ステレオタイプの関連付けが自動的にアクティブ化され、暗黙のステレオタイプ効果を生み出します。[29]ステレオタイプ化は、認知負荷が大きいほど頻度が増加する根本的な帰属の誤りの延長です。 [30]認知負荷と覚醒の概念は、社会的促進の「過負荷仮説」の説明に貢献しています。つまり、観客がいる場合、被験者は主観的に複雑なタスクのパフォーマンスが低下する傾向があります（一方、主観的に簡単なタスクでは優れたパフォーマンスを発揮する傾向があります）。
サブ集団研究
個人差
例えば、1984年の時点では、初心者と専門家の間では処理能力に個人差があることが立証されていました。専門家は特定のタスクに関してより多くの知識や経験を持っているため、そのタスクに関連する認知負荷が軽減されます。初心者にはこの経験や知識がないため、認知負荷が重くなります。[31]
お年寄り
重い認知負荷の危険性は高齢者層に見られます。加齢はワーキングメモリの効率性の低下を引き起こし、認知負荷の上昇につながる可能性があります。[32]重い認知負荷は高齢者のバランスを乱す可能性があります。高齢者層では、重い認知負荷と重心制御の関係は密接に相関しています。認知負荷が増加すると、高齢者の重心の揺れが増大します。[33] 2007年の研究では、体の揺れと認知機能の関係、およびマルチタスク中のそれらの関係を調査し、バランスの乱れが認知タスクのパフォーマンスの低下につながることがわかりました。[34] 逆に、バランスの要求が高まると認知負荷が増加する可能性があります。[要出典]
大学生
2014年現在、学校でラップトップを使用する生徒の認知負荷の増加が懸念されています。Facebookやその他のソーシャルコミュニケーションの使用により、複数のタスクが追加されると、教室での生徒のパフォーマンスが危険にさらされます。多くの認知リソースが利用できる場合、1つのタスクから別のタスクに切り替える可能性が高く、最適な切り替え動作につながりません。[35] 2013年の研究では、Facebookを頻繁に使用する生徒と、Facebookを頻繁に使用する生徒の近くに座っていた生徒の両方が成績が悪く、GPAが低下しました。[36] [37]
子供たち
2004年、イギリスの心理学者アラン・バデリーとグラハム・ヒッチは、ワーキングメモリの構成要素は6歳で整っていると提唱しました。[38]彼らは、大人と子供の知識の間には明らかな違いがあることを発見しました。これらの違いは、処理効率の発達的向上によるものでした。[38]子供は一般知識が不足しており、これが子供の認知負荷の増加を引き起こします。貧困家庭の子供は、中流家庭の子供よりも学習環境においてさらに高い認知負荷を経験することがよくあります。[39]これらの子供は、親が正式な教育を受けていないことが多いため、学校の概念を聞いたり、話したり、学んだりしません。[要出典]学習に関しては、数字、単語、概念に関する経験不足が認知負荷を増加させます。
子どもは成長するにつれて、優れた基本的なプロセスと能力を発達させます。[39]また、メタ認知も発達し、自分の認知活動を理解するのに役立ちます。[39]最後に、経験を通じてより多くの内容知識を獲得します。[39]これらの要素は、発達するにつれて子どもの認知負荷を軽減するのに役立ちます。[要出典]
ジェスチャーは、子供が話しているときに認知負荷を軽減するために使用するテクニックです。[40]ジェスチャーをすることで、作業記憶を他のタスクに解放することができます。[40]指差しは、子供が指している物体をその物体の最良の表現として使用できるようにします。つまり、その表現を作業記憶に保持する必要がなくなり、認知負荷が軽減されます。[41]さらに、存在しない物体についてジェスチャーをすることで、それを心の中でイメージしなければならないという困難が軽減されます。[40]
貧困
2013年現在、貧困環境は認知負荷に寄与する可能性があると理論化されている。[42]手元のタスクやタスク解決に使用されるプロセスに関係なく、貧困を経験する人々はより高い認知負荷も経験する。社会経済的地位の低い人々の認知負荷に寄与する要因は数多くあるが、それらは中流階級や上流階級の人々にはない。[43]
具現化とインタラクティブ性
身体活動は、その活動がどのように実施されるかによって、学習に有利にも不利にもなり得る。[44]認知負荷理論家は、CLTを身体化認知研究からの洞察とより互換性のあるものにするための更新を求めてきた。 [45]その結果、身体化認知負荷理論は、学習環境におけるインタラクティブ機能の有用性を予測する手段として提案されてきた。[46]この枠組みでは、身体化されたインタラクションモードが学習成果を向上させるためには、インタラクティブ機能の利点（認知処理の容易化など）が認知コスト（運動協調など）を上回る必要がある。
運転と操縦への応用
コックピット内の二次タスクの増加に伴い、認知負荷の推定は自動車の運転手とパイロットの両方にとって重要な問題となった。この研究課題は、眠気検出、注意散漫検出など、さまざまな名前で調査されている。自動車の運転手については、研究者は心拍数、表情[48] 、[ 49 ]などのさまざまな生理学的パラメータ[47]を調査した。航空分野では、さまざまな生理学的パラメータを使用してパイロットの注意散漫と注意を分析するシミュレーション研究が多数行われている。[ 50 ]軍用高速ジェット機のパイロットについては、研究者は空対地急降下攻撃を調査し、心臓、脳波[51] 、および眼のパラメータを記録した。[52]
参照
- 教育心理学 – 人間の学習の科学的研究に関わる心理学の分野
- エネルギー（心理的）
- ヒューマンファクターと人間工学 – ユーザーに合わせたシステムの設計
- 職業上のストレス – 仕事に関連した緊張
- 課題誘発瞳孔反応
- タスク負荷 - オペレーターの能力と実行する必要がある累積アクティビティの関係（スキューバダイビングの場合）
- 情報過多 – 情報が多すぎると意思決定が難しくなる
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さらに読む
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ジャーナル特集号
認知負荷理論についてさらに詳しく知りたい方は、以下のジャーナルやその特別号を読むことを検討してください。
- 教育心理学、第43巻（4） ISSN 0046-1520
- 応用認知心理学第20巻(3)号(2006年)
- 応用認知心理学第21巻(6) (2007)
- ETR&D vol. 53 (2005)
- 教育科学第32巻(1) (2004)
- 教育心理学第38巻(1)号(2003年)
- 学習と指導第12巻（2002年）
- コンピュータと人間の行動vol. 25 (2) (2009)
人間工学の基準については以下を参照してください。
- ISO 10075-1:1991 精神的作業負荷に関する人間工学的原則 – パート 1: 一般用語と定義
- ISO 10075-2:1996 精神的作業負荷に関する人間工学的原則 – パート 2: 設計原則
- ISO 10075-3:2004 精神的作業負荷に関する人間工学的原則 – パート 3: 精神的作業負荷の測定および評価方法に関する原則と要件
- ISO 9241人間システムインタラクションの人間工学