Cognitive load theory – Instructional design principles

Cognitive Load Theory

 Sinds de opkomst van de informatica wordt de informatieverwerking in het menselijk brein steeds meer vergeleken met computerprocessen: informatie wordt ontvangen, verwerkt en opgeslagen in het geheugen. Sinds midden de jaren 70 van vorige eeuw is binnen de cognitivistische richting in de leer- en instructiepsychologie de ‘information-processing theory’ dominant. Vanuit het informatieverwerkend model vallen een aantal beperkingen op van het cognitieve verwerkingssysteem. Ons werkgeheugen of korte termijn geheugen kan maar een beperkt aantal kenniselementen tegelijkertijd verwerken. Hoe zwaarder dit geheugen belast wordt, hoe moeilijker het is om informatie te onthouden en te verwerken. John Sweller, een Australisch onderwijspsycholoog, verwierf bekendheid met zijn invloedrijke theorie over de cognitieve belasting van het menselijk brein (1988). Zijn ‘Cognitive Load Theory’ (CLT) of cognitieve belasting theorie zou volgens Dylan Wiliam, emeritus professor of educational assessment at University College London – Institute of Education, een belangrijke plaats moeten hebben in opleidingsprogramma’s van leraren. In 2017 stelde hij dat ‘I’ve come to the conclusion Swellers’s Cognitive Load Theory is the single most important thing that teachers should know’. Steve Garnett is ook overtuigd van dit standpunt en ontwikkelde in overleg met Sweller een beknopt handboek voor leraren waarin hij een brug slaat tussen onderzoek over CLT en de klaspraktijk. In dit bericht gaan we verder in op de basisconcepten van Sweller en op het praktijkhandboek van Garnett. We sluiten af met enkele kritische beschouwingen over CLT.

Zie: R.E. Slavin (2014), Educational psychology. Theory and Practice. Pearson, Harlow, Chapter 5: Information processing and cognitive theories of learning. (10th ed.) p. 126-135.

M. Valcke (2018), Onderwijskunde als ontwerpwetenschap. Van leren naar instructie. Deel 1, Acco, Leuven/Den Haag, p.252-262.

Dylan Wiliam on Growth Mindset, Cognitive Load and the Role of Research in your Classroom.  (vermelding op: https://researchschool.org.uk/derby/news/dylan-wiliam-on-growth-mindset-cognitive-load-and-the-role-of-research-in-your-classroom)

S. Garnett (2020), Cognitive Load Theory. A handbook for teachers. Crown House Publishing Ltd, Carmarthen, 123 p.

P. Kirschner (2018), Cognitieve belasting theorie eenvoudig uitgelegd. https://onderzoekonderwijs.net/2018/11/20/cognitieve-belasting-theorie-eenvoudig-uitgelegd/

Sweller’s theorie is vooral van toepassing op informatieverwerking die complex is. Hij reikt handvatten aan om op effectieve wijze complexe informatie te leren. De theorie is gebaseerd op verschillende aannames of hypothesen over hoe de hersenen werken met daarin het onderscheid tussen het korte termijn geheugen en het lange termijn geheugen. CLT bouwt verder op een wijd verspreid model over informatieverwerking van Richard Atkinson en Richard Shiffrin (1968).

Uit: Mind Tools, Cognitive Load Theory. Helping people learn effectively. https://www.mindtools.com/pages/article/cognitive-load-theory.htm

Het werkgeheugen heeft maar een beperkte capaciteit en het overbelasten van dit geheugen vermindert de effectiviteit van de instructie. Daarom de aanbeveling om leermiddelen en leeromgeving zodanig in te richten dat de cognitieve belasting gereduceerd wordt en de overdracht van informatie van het korte naar het lange termijn geheugen efficiënter kan verlopen. Sweller beschrijft CLT als een instructietheorie omdat een beter begrip van de werking van het geheugen de leraren kan helpen om betere instructiemethoden te hanteren.

Componenten van het informatieverwerkend model

De twee belangrijkste componenten van het informatieverwerkend systeem in het brein zijn het werkgeheugen of korte termijn geheugen en het lange termijn geheugen. Neurologisch wordt het werkgeheugen gesitueerd in de prefrontale cortex. (zie: https://wetenschap.infonu.nl/anatomie/36609-het-geheugen-werking-ligging-en-functie-binnen-de-hersenen.html)

In het werkgeheugen worden kleine hoeveelheden informatie opgeslagen gedurende een korte periode. Wat we op dit moment doen of denken wordt er verwerkt. In deze beperkte mentale ruimte speelt ons denken zich af. De gemiddelde persoon kan op eenzelfde moment 7 (plus 2 of min 2) entiteiten aan informatie (chunks of information) bijhouden gedurende 20 seconden. Dit is afhankelijk van de complexiteit van de informatie en interindividuele verschillen zijn eveneens aangetoond in dit functioneren van het werkgeheugen.

Het lange termijn geheugen kan grote hoeveelheden aan informatie semi permanent opslaan. Informatie wordt overwegend gecodeerd op drie manieren om van het werkgeheugen te worden overgebracht naar het lange termijn geheugen: auditief, visueel en semantisch. De nieuwe informatie wordt geconnecteerd met reeds bestaande informatie die is opgeslagen in schema’s.

Schema’s

Een schema organiseert informatie-eenheden of entiteiten op basis van hoe ze zullen gebruikt worden. Elementen van schema’s op een minder complex niveau kunnen gecombineerd worden tot complexe schema’s die minder geheugencapaciteit vragen. Zo zijn kennis en inzicht onderling verbonden omdat kennis een verzameling is van concepten, ideeën en feiten. Inzicht is de verbinding tussen deze componenten en daarom zijn schema’s cruciaal voor lerenden. Een belangrijk proces bij schema constructie is automatisering waarbij met minimale bewuste inspanning informatie kan worden verwerkt. Ook dit verlaagt de belasting van het werkgeheugen. Enkele voorbeelden van schema’s: het alfabet, de getallenrij, wiskundige en wetenschappelijke formules, oplossen van rekenvraagstukken, weten hoe een auto te besturen.

Instructie helpt lerenden om schema’s te construeren en geleidelijk de complexiteit te verhogen en sommige schema’s te automatiseren.

Types cognitieve belasting

CLT geeft een hypothetische verklaring over de werking van het korte termijn geheugen en maakt onderscheid in drie soorten cognitieve belasting van dit werkgeheugen. CLT wil bijdragen om het leren optimaal te laten verlopen en de cognitieve belasting mag hierbij de grenzen van het werkgeheugen niet overschrijden.

Zie: Mulder, P. (2017). Cognitive Load Theory (CLT)https://www.toolshero.nl/persoonlijke-ontwikkeling/cognitive-load-theory-clt/

Cognitive load theory: Research that teachers really need to understand (2017), Centre for Education Statistics and Evaluation, Sydney, NSW Department of Education, 11 p.

https://education.nsw.gov.au/about-us/educational-data/cese/publications/literature-reviews/cognitive-load-theory

Loveless, B. (2022), Cognitive Load Theory – The Definitive Guide. https://www.educationcorner.com/cognitive-load-theory/

Cognitive Load Theory 3 – intrinsic, extraneous, germane. https://youtu.be/IkH0EGYqWO0

Best Practices for Reducing Extraneous Cognitive Load https://www.youtube.com/watch?v=1fEC5rFCATw

Sinds beginjaren tachtig vorige eeuw hebben Sweller zelf en anderen wereldwijd onderzoek verricht over de bijdrage van verschillende instructiemethodieken tot een optimale cognitieve belasting. Steve Garnett brengt in zijn boek ‘Cognitive Load Theory, A handbook for teachers’ een overzicht van 14 methodieken die een verband hebben met ‘intrinsic’ en ‘extraneous load’.

zie: Garnett, S. (2020), o.c., p. 18-21

Zijn uitgangspunt is directe instructie aan een groep lerenden die voor een bepaalde leerstof een beginnersniveau hebben (‘novice learner’).  Het instructieproces wordt in vier fasen opgedeeld. De 14 methodieken worden gekoppeld aan de vier instructiefasen:

Fase 1 : introductie van het nieuwe lesonderwerp (les of lessenreeks)

Fase 2 : onderwijs van de nieuwe kennis/vaardigheden

Fase 3 : controleren wat de lerenden zich herinneren en begrepen hebben

Fase 4 : de lerenden tonen wat ze begrepen hebben

 Korte omschrijving van CLT gerelateerde methodieken

Zie: B. Emory (2019), Chapter 2: Cognitive Load Theory and Instructional Message Design. Old Dominion University, ODU Digital Commons. 27 p.

https://digitalcommons.odu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1001&context=instructional_message_design

Perry, T., Lea, R., Jørgensen, C. R., Cordingley, P., Shapiro, K., & Youdell, D. (2021). Cognitive Science in the Classroom. London: Education Endowment Foundation (EEF). https://educationendowmentfoundation.org.uk/evidence-summaries/evidencereviews/cognitive-science-approaches-in-the-classroom/

https://blog.innerdrive.co.uk/10-principles-cognitive-load-theory

Om de ‘extraneous cognitive load’ te verminderen kan de leraar bijzondere aandacht besteden aan het ontwikkelde lesmateriaal zoals presentaties (PowerPoint, Prezi, Google Slides, Keynote,…), schema’s, afbeeldingen, mindmaps. Garnett doet beroep op de gestaltpsychologie om enkele criteria aan te brengen bij het ontwerpen van deze materialen. Het brein zoekt patronen en ziet de dingen als een geheel (gestalt). Volgende criteria worden voorgesteld:

  • Eenvoud: voorkom overmatig gebruik van beelden en teveel details
  • Symmetrie: maak op systematische wijze een groepering van de informatie in een blok
  • Nabijheid: informatie die met elkaar in verband staat wordt dichter bij elkaar geplaatst
  • Gelijkenis: breng informatie die met elkaar in verband staat samen onder relevante thema’s of hoofdingen en maak duidelijke scheidingen tussen verschillende hoofdingen
  • Continuïteit: gebruik verbindingslijnen tussen de blokken en de dikte van de lijnen kan variëren naargelang het relatieve belang van de connectie

Zie: S. Garnett (2020), o.c., p. 39

https://www.agile4all.nl/wat-is-de-cognitive-load-theorie/

https://www.twinkl.be/teaching-wiki/cognitive-load-theory-in-the-classroom

https://wind4change.com/cognitive-load-theory-john-sweller-instructional-design/file:///F:/cognitive%20load%20theory/Recent_Advances_in_Cognitive_Load_Theory_Research_.pdf

Slotbedenkingen bij CLT

Sinds de introductie in de tachtiger jaren van de ‘cognitive load theory’ door Sweller heeft deze theorie in de daaropvolgende decennia gewonnen aan populariteit. In januari 2019 hebben Sweller e.a. een review uitgebracht (‘Cognitive Architecture and Instructional Design: 20 Years Later’) waarin ze verwijzen naar wat ze hebben geleerd sinds de theorie oorspronkelijk werd geïntroduceerd en hebben een aantal belangrijke wijzigingen aan de theorie aangebracht.

Enkele van de kritieken op de theorie waren:

– Te veel nadruk op directe instructie.

– Sociaal-emotionele en persoonlijke ontwikkeling van de lerenden komen onvoldoende aan bod.

– Bij het verwerken van informatie komt meer kijken dan alleen het werkgeheugen.

– Cognitieve belasting is niet meetbaar. Er zijn geen gespecificeerde eenheden en geen manier om het empirisch te meten. Meting is vaak gebaseerd op zelfrapportage.

– Het ontbreekt aan duidelijke definiëring van wat cognitieve belasting is en de soorten belasting.

– Er zijn meer redenen dan de beperkte capaciteit van het werkgeheugen waarom een lerende een taak mogelijk niet met succes voltooit. Het werkgeheugen kan overbelast worden door instructie maar lerenden kunnen ook afhaken omdat ze niet geïnteresseerd zijn, een negatief zelfbeeld of negatieve faalangst hebben en denken dat ze de leerstof toch niet aankunnen of de leraar niet mogen.

– Er is veel onderzoek verricht over CLT maar het betreft meestal de relatie tussen methodieken en effectiviteit van het leerproces. Achteraf worden de methodieken gekoppeld aan de concepten uit CLT als staving van de theorie. Methodologisch voldoen de onderzoeken niet steeds aan de wetenschappelijke normen en worden de bevindingen te snel gegeneraliseerd naar de klaspraktijk.

De tientallen methodieken die worden beschreven zijn in de onderwijspraktijk reeds eeuwen bekend omdat uitstekende leraren steeds op zoek gingen naar methoden om hun leerlingen beter te onderwijzen. Ze kozen voor een eerder intuïtieve aanpak, veel zelfreflectie en tal van aannames over hoe het leren kan gestimuleerd worden. Deze methodieken werden in de opleiding van leraren doorgegeven aan generaties leraren die ze al dan niet succesvol gebruikten.

– Met CLT willen sommige onderwijskundigen lobbyen voor de directe instructie als de enige instructievorm. Volgens Guy Claxton (2021) hebben de DIKR’ers (direct instruction in a knowledge rich curriculum) de overtuiging dat de “oude” school de enige weg is voor de problemen in het huidige onderwijs. Zo ronden we dit artikel af met de karikaturale dualiteit van progressief en traditioneel onderwijs waarop Claxton aanspoort om te zoeken naar “a new model of education that is genuinely empowering for all young people”.  Een recent boek van Claxton waar onderwijskundigen niet om heen kunnen.

Zie: G. Claxton (2021), The future of teaching and the myths that hold it back. Routledge, London and New York, xxix-230 p.

 Een citaat uit het voorwoord van Claxton’s boek.

‘An education that effectively prepares young people for life in the 21st century has to be more than what a government says should be in the national curriculum. What students know about the traditional school subjects is important, but their dispositions, how they react to challenges and frustrations, what they believe about people who hold different opinions and beliefs from their own, their determination to do good in the world, these are arguably much more important.’

Dylan Wiliam, Emeritus Professor of Educational Assessment, UCL Institute of Education, London

Zie: Huntington Research School (2019), Cognitive load theory – why is everyone talking about it?  https://researchschool.org.uk/huntington/news/cognitive-load-theory-was-it-really-all-a-myth#:~:text=The%20inevitable%20critique%20of%20cognitive%20load%20theory%20As,thinking%20about%20applying%20concepts%20to%20a%20classroom%20setting.

Sweller, J., van Merriënboer, J.J.G. & Paas, F.  (2019), Cognitive Architecture and Instructional Design: 20 Years Later. Educ Psychol Rev 31, 261–292. https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s10648-019-09465-5.pdf

Orru, G., Longo, L. (2019), The Evolution of Cognitive Load Theory and the Measurement of Its Intrinsic, Extraneous and Germane Loads: A Review. https://www.researchgate.net/publication/331280470_The_Evolution_of_Cognitive_Load_Theory_and_the_Measurement_of_Its_Intrinsic_Extraneous_and_Germane_Loads_A_Review