本书的主要内容是，认知科学能如何帮助我们塑造并定义技术的使用手段，从而更好地帮助学习者。从20世纪70年代起，美国高校里流行的PLATO计算机学习系统的普及，表明科技与教育的结合已经成为一种不可逆转的趋势。一方面，新技术可以为认知、创造力构建有力的理论框架，另一方面，也可以为教学的设计者提供更新更先进的视角。其中关于记忆的研究是重中之重。目前的主流媒体设备，比如iPad这类设备，是按照儿童的大脑进行学习互动的。所以对成年人来说，对认知系统的扩展是有局限性的。本书主要基于教学方法的研究，解释了在高校的教学过程中，如何使用科技手段，能够帮助人们快速形成系统化的认知。除此之外，本书还指出了，在人们心智运行的方式中，我们的教学应该依赖于哪些科技手段。

在线教育不是线下教育的简单在线化

好的在线教育，是将认知原理与信息技术相结合来辅助教与学，实现有效的学习

管理类

本书融合了认知科学、教学理论、学习科学和教育技术等多个领域，同时将理论与实践相结合，依托认知原理深入浅出地解释了教育技术如何影响教学，对进一步推动当代技术在高等教育中的应用具有深远的意义。
——谢维和
著名教育社会学家，清华大学原副校长

在技术深度影响高等教育的今天，如何利用技术促进教学、提高教育质量，是每一位教育管理者和实践者都关注的问题。本书基于认知科学的视角，为我们呈现了新的教学脚手架，是一本不可或缺的优质工具书。
——杨斌
清华大学副校长兼教务长

信息技术和教育的融合，为教育的持续发展注入了新的生命力。在技术更新和教育变革的大背景下，《在线心智》带我们回归至学习情境的主体——“个人”，细致地解读了学生在技术辅助下的认知和学习过程，本书所提出的观点对于技术在教育中的应用和发展具有重要的意义。
——刘庆峰
科大讯飞董事长

1978年，绝大多数孩子从未近距离见过，更不用说触摸过电脑。但是我所上的小学的一间后屋里却存放着一台装有柏拉图（自动教学操作逻辑，缩写PLATO）系统的终端，这是一台设计用于展示数学、打字、外语等课程的互动教学设备。学生每人每周都有一个小时的“柏拉图时间”，用来弄清楚怎样去上那些课，这基本靠我们自己独立完成。对那时候的我（一个被五年级数学困扰的十岁小学生）来说，这是一段新奇的、十分吸引人的经历。我确信，正是这段经历引导我走上了一条终身对心智（minds）、机器（machines）和学习（learning）满怀好奇心的道路。
柏拉图终端的16×16英寸的触屏网格能够让使用者和它直接且直观地交流。它能展示的不仅有文本，还有块状的、单色的图形。在我每次一小时的“柏拉图时间”，都会重复出现宠物店场景的游戏，这个游戏的目的是教会学生“分数”（fractions）。当我未准确地将库存中1/3的金鱼拖进顾客的订单时，柏拉图甚至能及时发出提醒我的声音：“谢莉，你手上还有鱼！”
感谢我的好运气和资金极其充裕的学区，使我成为我们这代人中少数以学生视角体验过尖端教育技术（instructional technology）的人。如今，40年过去了，你很难找到一所在形式上不使用任何教育技术的教育机构。在高等教育中，技术的影响尤为显著。如《高等教育纪事报》（The Chronicle of Higher Education）或《改变：高等教育杂志》（Change: The Magazine of Higher Learning），几乎每一期都包含关于利用技术开展教学的新文章。还有很多学术期刊及国际组织专注于这个主题，例如EDUCAUSE协会、斯隆联盟（Sloan Consortium），以及《在线学习与教学杂志》（Journal of Online Learning and Teaching）。
支持在线学习的网络中心，以及专业的学习管理系统如Moodle、Canvas和Blackboard，都已经成为大学基础设施中越来越常见的组成部分。虽然传统纸质教科书仍占据着主要学习资料（材料）需求的榜首，但是基于计算机的辅助设备已经在各个学科领域成倍增长，提供的东西包括从适应个体学习者需求的自我测验系统到斯金纳箱中的动画模拟老鼠实验。
关注在线学习活动和学习环境设计，这一呼吁与认知心理学的兴起正好吻合。认知心理学是一门专注于记忆、语言和推理等心理过程的分支学科，自20世纪50年代以来就一直存在，后来进入了更广泛的学术范畴和大众视野。
一方面，对认知心理学的关注可能会为设计新的教学技术提供强有力的理论框架和新的视角；另一方面，它也带来了一系列新的陷阱，这是由于在认知和大脑科学领域，解释和应用研究相对困难（特别是对非专业人士来说）。这些缺陷并不源于个人意愿或认知水平，它们是研究人员开展研究和传播研究成果时产生的具有负面作用的副产品。认知科学和脑科学已经经历了一个快速发展的阶段，即使对身处本领域的我们而言，要想始终保持在前沿也是非常困难的。
记忆研究就是这样一个例子。我们对人们如何记住信息的理解已经远远超越了“三箱理论”（three box theory，即专注于不同的感官、短期记忆和长期记忆组件）。然而，在当前一些关于教学的文章中，你仍然会发现人们会引用这个概念。过去的20年中，涌现了大量关于记忆的新理论和实证研究，使我们难以识别和有效地应用最重要的概念。同样，神经科学在认知领域的作用经历了一个显著的变化时期。例如，功能性核磁共振成像技术在20世纪80年代末还是一项新技术，现已在心理学研究中获得了广泛应用。随着此类研究越来越多地开展，关于功能性成像研究的解释和意义的激烈争论仍在继续，这使得研究结果更难应用到教学当中。
除了科学的快速发展带来成长的痛苦之外，术语和非直观的研究设计也阻碍了研究结果的应用。所有的学科都在某种程度上受到晦涩难懂的专业术语的影响，在认知心理学中，这个问题尤为突出。例如，“短期记忆”似乎是一个简单明了的术语，大多数人用它来指代在过去的几个小时或几天里所记得的东西。但研究者通常用它来表示非常近的信息，通常就几秒钟。认知的研究也依赖于一系列的教学技术，包括记录细微的时间差异（例如1/1000秒），这与现实世界的情况没有什么相似之处，或者坦白地说，这种研究是精心设计的。这种方法在科学上是站得住脚的，因为它需要精确控制教学条件，只不过很难与实际应用联系起来。
大众媒体或主流媒体并不怎么有助于解密这一领域的重大进展，因为人们倾向于放大最具争议性的发现—“男性只用一半的大脑来听”“政治倾向是与生俱来的”“iPad正在干预儿童的大脑”—然而，我们更需要关注人类认知领域更广阔、更重要的发展。
有意义、有价值的认知研究成果的应用面临巨大挑战，但机会也是巨大的，尤其是考虑到将技术应用于教学这个领域。对基于认知的教学方法的兴趣日益增长，对认知的科学理解的快速发展，以及教学技术的快速传播促使我写作本书。
本书解释了人类认知影响大学教学技术有效应用的原理。除此之外，我还希望能传达一些令人兴奋的关于当代教学技术的内容：它给我们提供了前所未有的机会，使我们的教学与思维运作方式相一致。以下是用技术帮助我们优化教学方法的一些途径：
技术支持频繁的低利害测验（low-stakes testing），这一活动能有力地促进对资料的记忆。
技术鼓励在课程整个学习过程中更好地安排学习间隔（spacing），可以防止填鸭式教学。
技术通过利用学习者现有知识（existing knowledge）的优势，改进资料的呈现方式。
技术通过多种感知模式（multiple sensory modalities）促进资料的呈现，如果操作正确，能够帮助理解和记忆。
技术为捕获和吸引学生的注意力（attention）（这是记忆的先决条件）提供新方法。
技术支持频繁的、多样化的练习/实践（practice）（这是发展专业技能的必要先决条件）。
技术为学生的社交（socially）活动提供新途径，并在情感（emotionally）上激发他们的热情。
技术可以基于游戏化（gaming）工具促进实践和参与、提升动机。
我相信，比起传统面对面的课堂教学，教学技术给我们带来了很多优势。但需要澄清，我不相信教学技术仅仅靠它自己就能够改进学习。它也没有让我们逃避关于我们如何学习的一些明显不可改变的事实，尤其是学习需要集中注意力、努力练习和具备充分动机的事实。更确切地说，技术允许我们为教师提供广泛的工具，用来吸引注意力、勉励勤奋和鼓励参与，这些是学习的基础。
这不是一个新的观点。阿瑟·奇克林（Arthur Chickering）和史蒂文·埃尔曼（Steven Ehrmann）在20世纪90年代中期就提出了类似的看法。他们解释了如何利用技术，甚至是诸如电子邮件和电子讨论区（也称为在线论坛）之类的基本技术，来实践奇克林和泽尔达·加姆森（Zelda Gamson）在1987年合作的文章《本科教育优秀方法的七条原则》（“Seven Principles for Good Practice in Undergraduate Education”）中提到的经验。奇克林和埃尔曼指出，教育技术的力量来自它与特定目标的结合，比如增加有意义的时间练习技能或提供频繁的反馈，而不仅仅是为了应用教育技术。
在本书中，我们将探索那些帮助我们拥有了更佳的技术辅助学习体验的认知原则，同时我们也将战略性地使用与认知原则紧密相连的技术。本书的前半部分重点关注当代高等教育中技术的重要性，强调在线教学和面对面教学共通的好的教学方法，同时回应教师对在线学习质量的主要担忧。然后，我将详细探讨与教和学最密切相关的三大认知领域（注意力、记忆和思维），并论述如何基于这些认知过程设计在线教学，以给大学生带来良好的学习体验。本书的后半部分将讨论如何将这些策略整合到在线学习过程中，并讨论如何有效地使用多媒体，以及如何应用基于研究的策略来激发学生的积极性。最后一章将阐述认知、多媒体和激励等不同研究领域在实际课程中的具体体现，并且每个领域都有针对性的策略和教学大纲示例，来展示这些策略在实际课程中是如何结合到一起的。
正如你可能已经注意到的，我对教育技术和在线学习方面的术语使用相当宽松。这折射出技术在当今高等教育中应用极广，也反映出在线教学与面对面传统教学界限的土崩瓦解。随着线上与线下学习的混合，这种界限和严格的定义逐渐不复存在。本书中的“技术”指的是类似如下的工具，无论是完全在线的、混合式的还是技术增强的面对面教学中所使用的工具：
通过计算机来呈现内容（content），例如配有插图的网站或有解说的动画。
学生通过结构化的方式与资料互动的学习活动（learning activities）。
家庭作业之类的练习（exercises）。
考试和小测验之类的评估（assessments）。
对过程或经验的模拟（simulations）。
阐明过程如何发生的演示（demonstrations）。
在线社交（online social interactions），例如在线讨论区。
内容创作型（content creation）作业，学生将网站、播客或维基等项目组合在一起。
像这样的书有可能成为围绕特定技术、软件应用程序和网站构建内容的“食谱”。这种书可能在出版之前就过时了，而且在针对未来新技术的评估方面，几乎无法给读者任何指导。因此，在这里我对技术的讨论更为抽象。了解技术发挥作用的原因或掌握可用于实际情境的方法，你能够在现阶段的学习管理系统的基础上创造出更好的设计方案。本书将聚焦于我们熟知的大学课程中技术应用背景下的学习、思维以及大脑，并为你提供全新的视角，让你能够创造更新和更有效的线上与线下学习体验。

长期以来，清华大学教研院李曼丽教授团队始终关注在线教育的发展动态，对在线教育、MOOC、线上线下混合式教学等进行了系列研究。随着对在线教育研究的推进，我们发现，“在线教育有效吗” “如何更好地发挥技术的优势”等问题困扰着不少研究者和一线教师。如何充分发挥信息技术的优势，真正改善学生的学习效果，一直也是我们探索的重点。在文献查阅过程中，我们发现本书基于认知心理学为在线教育的实践提供了丰富的理论补给，对于在线教育学术研究和实践都颇具参考价值。
2017年末，翻译团队与本书作者米歇尔·D.米勒达成合作意向后，迅速投入翻译工作。整个过程历时近三年，在初译、整合、修订、反复校对等过程中，我们始终以“信、达、雅”的原则进行翻译工作。感谢清华大学教育研究院的硕士研究生孙梦嫽、吕雨欣、聂秋桐和人大附中的郭自滢在本书初译过程中所做的贡献。在近两年的修改和校对过程中，尤其要感谢我们的博士导师李曼丽教授多轮、深入、精进的审校，用严谨的治学态度、求是的工作原则，帮助我们精益求精。在出版环节，还要感谢谢维和教授、杨斌教授、刘庆峰博士对本书的肯定和推荐，给了我们极大的鼓励。本书的顺利出版，也离不开出版社编辑的全力支持，感谢赵陈碑、顾煦的扎实工作。
2020年春，突如其来的新冠肺炎疫情给全球高等教育提出了重要挑战，以清华大学为代表的高校经历了由传统教学模式向在线教育模式的全体系快速转变，我们积累了一定的经验，也面临一些新的挑战。回顾2020年春天的实践，我们意识到在线教育对大学、对学习者而言，再也不是从前的“最好具备”（nice to have），而是“必须具备”（must have），互联网延展了传统教育的场所，满足了更多学生个性化的需求，将深刻影响未来的教学模式。
同时，在线教育也处在一个全新的历史时期。如果说此前关于在线、混合式、线下教学哪个效果和质量更佳还存在大量争论，那么因为疫情以及伴随着人们学习行为的深刻转变，在线学习成为学校正规教育的又一主战场时，话题就逐渐转变为，如何充分发挥在线教育的优势以改进教学。本书在这个时间出版可以说恰逢其时，一句话概括本书的内容就是，它用普罗大众易于理解的语言详尽地阐述了“如何将认知原理与信息技术结合起来辅助教与学，实现有效的学习”，同时，作者还在实操层面给出了细致入微的指导（几乎可以让我们拿来就用），这正是我们当下所急需的理论与工具。希望本书能为广大一线教师、在线教学设计者、参与孩子在线学习的家长，以及与在线教育相关的其他人员带来助益！

译者
2020年6月

译者序
序言
第1章　在线学习是否仍大有可为1
因素1：经济因素6
因素2：学生需求7
因素3：注重有效教学的可量化证据8
因素4：新技术的可行性9
因素5：好奇心和创新动力10
第2章　在线学习有效吗17
强调学生的努力是成功的基础18
让学生感受到互联18
为学生提供频繁、快速、有益的反馈19
将学生已有的知识和理解纳入教学准备19
课程内容的时间和同步问题22
学生需要做好使用技术的准备23
在线学习对文本的高度依赖24
需要增加对在线课程结构和要求的解释25
在线教学存在社交距离：特别是完全在线课程25
潜在技术问题可能会使课程部分或全部偏离既定轨道26
第3章　“计算化”心理学 /37
谬论、事实和结果39
关于计算化心理学的结论性思考54
第4章　注意力 /55
注意力的工作原理56
注意力工作的差异性64
注意力对在线教学的意义66
第5章　记忆 /76
记忆理论78
记忆的应用研究84
记忆原则对在线教学的意义91
第6章　思维 /101
经典的思维研究102
思维的应用研究111
思维研究对在线教学的意义117
第7章　有效融入多媒体 /129
感知模式和学习风格131
多媒体理论和应用133
多媒体使用的要点142
第8章　激励学生 /144
关于动机的经典研究146
激励大学生150
将动机研究应用于在线学习154
进行中的激励策略：首年学习行动计划160
通过游戏和“游戏化教育”来激励164
游戏化的几个要点169
第9章　整合实践 /171
设计“认知优化”171
联系理论和实践：一个“认知优化”的范例课程计划181
附录　课程大纲183
注释209
致谢210