認知負荷

認知負荷（にんちふか、）とは、認知心理学においてワーキングメモリで使用されている労力のことである。インストラクショナルデザインおよび教育学の分野でなされた研究によれば、大まかに認知負荷には3つの種類がある。課題内在的（intrinsic）認知負荷は、特定のトピックに伴う労力である。関連的（germane）認知負荷は、恒久的な知識の蓄え（スキーマ）を作り出すのに投じられる仕事を指す。課題外在的（extraneous）認知負荷は、学習者に対して情報や課題が提示される方法を指す。

しかし、長年にわたってこれらの認知負荷の加算性は検証され疑問視されてきた。現在ではそれらは循環的に相互に影響しあうと考えられている。

認知負荷理論は1980年代後半に、による問題解決の研究から生まれた。スウェラーはインストラクショナルデザインを用いて学習者の認知負荷を減らすことができると論じた。ずっと後になって、他の研究者たちは、認知負荷を示唆する知覚された精神的労力を測定する方法を開発した。は、ワーキングメモリと直接関連する信頼できる感受性の高い認知負荷の測定手段である。宣言的知識のような多くの情報は、まずワーキングメモリによって注意を向けられ処理されて初めて長期記憶に蓄えられる場合が多い。これは古典的なの「ゲートウェイ」モデルの下では、あらゆる長期記憶について正しいと考えられていた。しかし、近年の研究では、一部の長期記憶はワーキングメモリを迂回して、あるいはワーキングメモリと並列して符号化されうることが示されている。しかしワーキングメモリは、容量と持続時間の両面で極めて限られている。これらの限界は、一定の条件下で学習を阻害しうる。重い認知負荷は課題の完遂に負の影響を与えうるものであり、認知負荷の経験はすべての人で同じというわけではない。高齢者・学生・子供はそれぞれ異なる、そしてしばしばより高い量の認知負荷を経験する。

認知負荷理論の基本原理は、ワーキングメモリの役割と限界により多くの考慮を払うならば、インストラクショナルデザインの質が向上するというものである。特にデジタル技術やスマートフォンの興隆による気を散らすものの増加により、学生はより高い認知負荷を経験しやすく、それが学業の成功を低下させうる。

理論 1980年代後半、教育心理学者は問題解決の研究から認知負荷理論を発展させた。「知的パフォーマンスを最適化する学習者の活動を促進する仕方で情報の提示を助けることを意図したガイドラインを提供する」ためである。スウェラーの理論は情報処理理論の側面を援用し、指導中の学習に対する並行するワーキングメモリ負荷の本質的な限界を強調している。それは指導教材の設計のための第一の分析単位としてを用いる。

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G・A・ミラーの仕事にたどれる。1956年の古典的な論文「」において、ミラーはおそらく初めて、人間のワーキングメモリの容量には本質的な限界があると示唆した。彼の実験結果は、人間が短期記憶に保持しうる情報の量は一般に限られており、7単位プラスマイナス2であると示唆した。

1973年、Simon と Chase は、人々が短期記憶に情報を組織化する仕方を記述するために、チャンク（chunk）という用語を初めて用いた。この記憶要素のチャンキングはスキーマ構築とも記述されている。

1980年代後半、スウェラーは問題解決を研究する過程で認知負荷理論（CLT）を発展させた。彼と同僚たちは学習者が問題を解く様子を研究する中で、学習者がしばしば手段目標分析と呼ばれる問題解決戦略を用いていることを見出した。彼は、手段目標分析による問題解決には比較的大量の認知的処理容量が必要であり、それはスキーマ構築には割かれないかもしれないと示唆する。スウェラーは、指導デザイナーは問題解決を含まない指導教材を設計することによって、この不要な認知負荷を防ぐべきであると示唆した。代替となる指導教材の例には、いわゆるワークト・エグザンプル（worked examples）や目標なし問題（goal-free problems）がある。

1990年代には、認知負荷理論はいくつかの文脈に適用された。これらの研究から得られた経験的結果は、いくつかの学習効果の実証につながった。すなわち、完成問題効果、、、、である。

カテゴリー認知負荷理論は、人間のワーキングメモリの限界を学習に対する中心的な制約として焦点を当てることにより、指導デザインに対する広範な示唆を与える一般的枠組みを提供する。この理論の第一の目的は、外在的認知負荷を減らし内在的認知負荷を最適化する仕方で学習条件や指導教材を構造化することによって、この限られた認知的資源の効果的な利用を導くことである。それによって、指導デザイナーは、スキーマ構築を支える本質的な情報とプロセスへ学習者の注意をより良く向けさせ、関連的認知負荷を高めることができる。認知負荷理論は認知負荷を、内在的、外在的、関連的認知負荷の3種類に区別する。

内在的内在的認知負荷は、特定の指導トピックに伴う本来の難易度である。この用語は Chandler と Sweller により1990年代初期に初めて用いられた。彼らによれば、すべての指導にはそれに伴う固有の難易度がある（例：2 + 2 の計算対微分方程式の解法）。この固有の難易度は指導者によって変更されえない。しかし、多くのスキーマは個々の「サブスキーマ」に分解して個別に教え、後で全体として組み合わせて記述しうる。

関連的関連的（germane）負荷は、学習にとって本質的な情報に伴う内在的認知負荷を管理するために学習者が投じるワーキングメモリの資源を指す。素材の複雑さに直接関連する内在的負荷とは異なり、関連的負荷は提示された情報からではなく学習者の特性から生じる。関連的負荷は独立したワーキングメモリ負荷の源を表すのではなく、内在的負荷と外在的負荷の関係によって影響される。内在的負荷が高く外在的負荷が低い場合、学習者は本質的な素材の処理により多くの資源を割くことができるため、関連的負荷は高くなる。しかし、外在的負荷が増加すれば関連的負荷は減少し、学習者は本質的内容ではなく外部要素の処理にワーキングメモリの資源を用いなければならないため、学習が影響を受ける。これは動機づけのレベルが一定であり、利用可能なすべてのワーキングメモリ資源が内在的負荷と外在的負荷の両方の管理に集中していることを前提とする。

外在的外在的認知負荷は、学習者に情報が提示される仕方によって生じ、指導デザイナーの管理下にある。この負荷は指導教材の設計に帰することができる。単一の限られた認知的資源は外在的負荷の処理に使われるので、内在的負荷や関連的負荷（すなわち学習）の処理に利用可能な資源の数は減る。したがって、特に内在的負荷や関連的負荷が高いとき（すなわち問題が困難なとき）、教材は外在的負荷を減らすように設計されるべきである。

外在的認知負荷の例は、学生に正方形を記述する仕方が2通りあるときに起こる。正方形は図形であり、図形的媒体を用いて記述されるべきである。指導者が言語的媒体で正方形を記述することもできるが、学習者にとっては正方形を口頭で記述されるよりも実際に見せられる方が、指導者が何を話しているかを理解するのに1秒しかかからずはるかに少ない労力ですむ。この場合、視覚的媒体の効率が好まれる。これは学習者に不要な情報で過度に負荷をかけないためである。この不要な認知負荷は外在的と記述される。

Chandler と Sweller は外在的認知負荷の概念を導入した。この論文は、彼らがこのワーキングメモリ負荷を調査するために実施した6つの実験の結果を報告するために書かれた。それらの実験の多くは分割注意効果を示す教材を含んでいた。彼らは指導教材の書式が学習を促進する場合も制限する場合もあることを見出した。彼らは、パフォーマンスの差異は指導書式によって課される認知負荷のレベルの違いによるものと提案した。外在的認知負荷はこの不要な（人為的に誘発される）認知負荷を指す用語である。

外在的認知負荷は、テク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のような、異なる構成要素を持ちうる。

測定 1993年時点で Paas と Van Merriënboer は、認知負荷の指標である知覚された精神的労力を測定するのに研究者の役に立つ、相対的条件効率（relative condition efficiency）と呼ばれる概念を発展させていた。この概念は、精神的労力評定とパフォーマンススコアの両方を考慮に入れて、指導条件を比較する比較的単純な手段を提供する。相対的条件効率は、標準化された精神的労力を標準化されたパフォーマンスから引き、2の平方根で割ることで計算される。

Paas と Van Merriënboer は3つの指導条件（ワークト・エグザンプル、完成問題、発見的練習）を比較するのに相対的条件効率を用いた。彼らは、ワークト・エグザンプル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用いた者が続くと見出した。この初期研究以来、多くの他の研究者たちが学習と指導に関連する認知負荷を測定するためにこの概念や他の概念を用いてきた。

人間工学的アプローチは、共通の器具を用いて測定できる認知負荷の量的な神経生理学的表現を求める。例えば、認知的および身体的な職業ワークロードの尺度として心拍数・血圧積（RPP）を用いるものがある。彼らは、RPP 測定値を用いてワークロードの上限を設定し、労働許容量を決定することが可能かもしれないと考えている。

とりわけ瞳孔径、視線、呼吸数、心拍数などの因子を監視することによって認知負荷を間接的に推定するのに生理的反応を用いる、活発な研究上の関心がある。生理的因子と認知負荷の間の相関を見出した研究もあるが、制御された実験室環境の外ではその知見は持続していない。は、ワーキングメモリに対する認知負荷の生理的反応の一つであり、高い認知負荷とともに瞳孔散大が起こることを見出した研究がある。

一部の研究者は認知負荷の異なる測定法を比較した。例えば Deleeuw と Mayer（2008年）は、一般的に使われる3つの認知負荷測定法を比較し、それらが外在的・内在的・関連的負荷に対して異なる仕方で反応することを見出した。2020年の研究では、外在的認知負荷を形成するには複数の要求構成要素があり、それらは異なる質問紙で測定する必要があるかもしれないと示された。認知負荷理論には「加算性仮説」があり、3つの別々の種類の認知負荷が重複しうることを示唆すると考えられている。これは認知負荷理論が認知負荷の種類のより明確な区別を必要とすることを意味する。

重い認知負荷の影響

重い認知負荷は通常、当面の課題にエラーや何らかの干渉を生じさせる。重い認知負荷はステレオタイプ化も増加させうる。これは、重い認知負荷が過剰な情報を処理へと押しやり、そこでは情報をカテゴリーに組織化して両者間の関係を同定するのに役立つ思考・行動のパターンであるスキーマの使用が関与するためである。ステレオタイプの関連はパターン認識とスキーマの利用によって自動的に活性化され、暗黙のステレオタイプ効果を生じうる。ステレオタイプ化は根本的な帰属の誤りの拡張であり、これも重い認知負荷とともに頻度が増すGilbert, D. T. (1989). Thinking lightly about others: Automatic components of the social inference process. In J. S. Uleman & J. A. Bargh (Eds.), Unintended thought (pp. 189–211). New York, Guilford Press.。認知負荷と覚醒の概念はの過剰負荷仮説による説明に寄与する。すなわち、聴衆の存在下では、主観的に複雑な課題では被験者はより悪いパフォーマンスをする傾向がある一方で、主観的に容易な課題では優れたパフォーマンスをする傾向がある。

インターネットの影響インターネットは、外部システムに記憶要求をオフロードすることによって認知的緊張を減らしうる一方で、情報オーバーロード、決断疲れ、注意の断片化のような課題ももたらす。これらの多面的な影響は、認知負荷へのインターネットの影響のニュアンスある理解を必要とする。

この影響を示す顕著な現象の一つがグーグル効果、別名デジタル健忘症である。これは、検索エンジンを通じて容易にアクセスできる詳細を人々が記憶する意欲を持たないため、オンラインで容易に入手できる情報を忘れる傾向を指す。外部のデジタルストレージへのこの依存は、集団内で知識を分配し誰が何を知っているかに焦点を当てて情報全体を個別に保持するのではない、理論と一致する。インターネットはこのシステムを拡張し、大量のデータを外部に蓄えることを可能にし、内部の想起よりも検索を強調する。これは複雑な問題解決のためにワーキングメモリを解放しうる一方で、長期的な保持と理解を減じる可能性もある。研究は、人々が情報がオンラインで入手可能と期待するとき、理解よりもアクセスを優先し、それを深く符号化する可能性が低くなることを示している。

記憶のオフロードを超えて、デジタルツールは複雑な課題を単純化することにより認知的効率を高める。例えばオンライン学習プラットフォームは、インタラクティブな要素、リアルタイムのフィードバック、適応型技術を提供し、学習に直接寄与せず精神的資源を消費する要素である外在的認知負荷を減らす原則と一致する仕方で、情報をアクセスしやすく構造化する。うまく設計されたデジタル環境は、不要な処理要求を最小化することにより知識獲得を高め、学習者が本質的な概念に集中することを可能にする。オートコンプリート機能、デジタル電卓、文法チェックツールのような機能は、日常的操作に必要な精神的労力を減らすことにより、さらに課題を合理化する。これらの利点は、効果的に活用されればインターネットが情報処理と検索を最適化し、認知的効率を高めうることを示している。

しかし、インターネットは重大な認知的課題ももたらす。主要な問題の一つは情報オーバーロードであり、そこでは膨大な量の利用可能なコンテンツが認知的能力を圧倒し、決断疲れと学習効率の低下を招く。信頼性と関連性を評価するために大量の情報をふるいにかける必要性が、外在的な認知的負担を追加し、中核的な学習目的への焦点を低下させかねない。研究は、過剰な情報が認知的労力を増加させることによって意思決定を損ない、結果としてより効果的でない知識保持につながることを示している。加えて、ハイパーリンクされたテクスト、広告、絶え間ない更新の普及は、注意の断片化に寄与し、持続的で深い学習をより難しくする。

もう一つの懸念は、メディアマルチタスキングが認知機能に与える影響である。多くの個人は、電子メールをチェックし、ソーシャルメディアを閲覧し、さまざまなデジタルコンテンツソースに同時に関与するといった具合に、頻繁に複数のオンラインストリームの間を切り替える。この行動は生産的に見えるかもしれないが、研究は重度のメディアマルチタスキングがワーキングメモリの効率の減少、注意制御の低下、気を散らされやすさの増加と関連していることを示唆している。課題間の急速な交替は持続的集中を妨げ、深い理解ではなく浅い情報処理につながる。神経画像研究では、頻繁にマルチタスキングを行う者は持続的注意と衝動制御に関連する脳領域の活性化が低下していることが示されており、デジタル環境が認知的資源を断片化しうることを示している。

さらに、インターネットは個人が知識をどう評価し関わるかを変えうる。伝統的な学習環境では、労力を要する認知処理がより深い保持と理解に寄与する。しかし、オンライン情報への即時のアクセス可能性は、答えを素早く調べられるという理由だけで人々が自分の理解を過大評価する、知識の錯覚を作り出しうる。デジタル検索エンジンへのこの依存は、情報へのアクセスを実際の理解と混同することにより、専門性の誤った感覚につながりうる。この認知処理の変化は、深い学習と批判的思考が本質的である学術的・専門的な場面において、インターネットが知的関与をどう再形成しうるかについての疑問を提起する。

インターネットの影響が認知的パフォーマンスと脳の健康の両方に悪影響を及ぼしうる一つの領域は空間ナビゲーションである。訓練の一環として、ロンドンのタクシー運転手は都市の複雑な街路を記憶しナビゲートする必要があり、それにより記憶固定に関連する重要な脳領域である海馬のサイズに構造的変化が生じる。より最近の研究では、そうした肥大は加齢に伴う認知症に対する保護を提供しうると示唆されている。結果として、ルートの記憶や空間的推論の必要をなくす Google マップのようなアプリの GPS システムへの過度の依存は、空間ナビゲーションのための脳の可塑性とその有益な健康効果を抑制しうる。

認知的オフロードとデジタルツールは明確な利点を提供するが、インターネットへの依存の長期的な結果は依然として活発な研究分野である。課題は、そのような依存が記憶保持、批判的思考、注意制御、さらには脳の健康を損なわないようにしつつ、認知的効率を高めるためにデジタル補助を用いることのバランスを取ることにある。デジタル環境が進化し続けるなかで、研究者たちは、気を散らすものを最小化しつつ深い学習を促進する教育的インターフェースの設計のような、認知負荷管理を最適化する戦略の必要性を強調している。情報オーバーロードとメディアマルチタスキングに関連する認知的欠点を悪化させることなくデジタルツールを学習の場に統合する最善の実践を決定するには、さらなる調査が必要である。

AI の新たな影響証拠の蓄積は、AI がわれわれの認知に独特な有害な影響を及ぼしうることも示唆している。空間ナビゲーションのために検索アルゴリズムに頼ることを超えて、より最近の機械学習応用は、世界を感じ取ること（例：顔認識）、身体を動かすこと（ロボティクスコントローラ）、選択を行うこと（推薦システム）、問題を解決すること（チャットボット）といった鍵となる精神的機能を外部化する。教育の領域では、ワーキングメモリや長期記憶などの利用を必要とする生産的な苦闘は「」と考えられ、認知的パフォーマンスの改善を促進する。同様に、医療では、スキルを定期的に応用することで保持と熟練が確保される。AI ツールの使用の結果として医師の外科的成績が悪化するを調査し、その悪化が AI ツールの使用を中止することで逆転しうると示した研究がその例である。

下位集団の研究個人差 1984年時点で、専門家と初心者の間には処理容量の個人差があることが確立されていた。専門家は特定の課題に関するより多くの知識や経験を持ち、それが課題に伴う認知負荷を減少させる。初心者はこのような経験や知識を持たないため、より重い認知負荷を負う。上に引用したロンドンのタクシー運転手研究に反映されているように、長期記憶にも構造的な違いが見られる。

高齢者重い認知負荷の危険は高齢者集団において見られる。加齢はワーキングメモリの効率の低下を引き起こしうるものであり、より高い認知負荷に寄与しうる。重い認知負荷は高齢者のバランスを乱しうる。重い認知負荷と重心の制御の関係は高齢者集団で強く相関している。認知負荷が増加すると、高齢者の重心の揺れが増加する。2007年の研究は、身体の揺れと認知機能の関係、およびマルチタスキング時のそれらの関係を調査し、バランスの乱れが認知課題のパフォーマンス低下につながることを見出した。逆に、バランスに対する要求の増加は認知負荷を増加させうる。

大学生 2014年時点で、学校でノートパソコンを使う学生に対する認知負荷の増加が懸念事項となっている。Facebook などのソーシャルコミュニケーション形態を用いた複数の課題の追加は、教室内での学生のパフォーマンスを危険にさらす。多くの認知的資源が利用可能であるとき、ある課題から別の課題へ切り替える確率は高く、最適な切り替え行動につながらない。2013年の研究では、重度の Facebook 利用者である学生も、重度の Facebook 利用者の近くに座った学生も、パフォーマンスが低く、より低いGPAにつながった。

子供 2004年、イギリスの心理学者とは、ワーキングメモリの構成要素は6歳で整うと提案した。彼らは大人と子供の知識の間に明確な違いを見出した。これらの違いは処理効率の発達的増加によるものであった。子供は一般的知識を欠いており、これが子供における認知負荷の増加を生む。貧困家庭の子供は、中流階級の家庭の子供よりも学習環境でしばしば高い認知負荷を経験する。これらの子供は、両親がしばしば正式な教育を受けていないため、学校教育の概念について聞いたり話したり学んだりしない。学習に関しては、数字・言葉・概念に関する経験の不足が認知負荷を増加させる。

子供は成長するにつれて優れた基本プロセスと能力を発達させる。彼らはまた、自らの認知的活動を理解するのに役立つメタ認知も発達させる。最後に、経験を通じてより多くの内容知識を得る。これらの要素は、子供が発達するにつれて認知負荷を減らすのに役立つ。

ジェスチャリングは、子供が話すときに認知負荷を減らすために用いる技法である。ジェスチャリングによって、彼らは他の課題のためにワーキングメモリを解放できる。指差しは子供が指し示しているオブジェクトをその最良の表象として使うことを可能にし、ワーキングメモリでこの表象を保持する必要がなく、それによって認知負荷を減らす。加えて、そこにないオブジェクトについてジェスチャリングすることは、それを心の中で描く困難を減らす。

貧困 2013年時点で、貧困な環境が認知負荷に寄与しうることが理論化されている。当面の課題や課題解決に使わ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。中流・上流階級の人々には存在しないさまざまな要因が、より低い社会経済的地位にある人々の認知負荷に寄与する。

身体化と対話性身体的活動は、その活動がどう実装されているかによって学習にとって有利にも不利にもなりうる。認知負荷理論家たちは、CLT を身体化認知研究からの洞察とより互換的にする更新を求めてきた。結果として、身体化認知負荷理論は、学習環境における対話的機能の有用性を予測する手段として提案されている。この枠組みでは、対話的モードの対話が学習成果を高めるためには、対話的機能の利点（より容易な認知処理など）がその認知的コスト（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での二次課題の増加とともに、認知負荷推定は自動車運転手と操縦士の双方にとって重要な問題となってきた。この問題は、のようなさまざまな機能によって取り組まれてきた。自動車運転手について、研究者たちは心拍数、顔の表情、眼球パラメータのようなさまざまな生理的パラメータを探索してきた。航空においては、さまざまな生理的パラメータを用いて操縦士の気を散らされることと注意を分析する多数のシミュレーション研究がある。軍用高速ジェット機の操縦士について、研究者たちは空対地降下攻撃を探索し、心臓・EEGおよび眼球パラメータを記録している。

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