DOI: https://doi.org/10.3389/fpsyg.2026.1722948
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41756476
تاريخ النشر: 2026-02-11
المؤلف: Simon Skau وآخرون
الموضوع الرئيسي: عمليات التعلم البصرية والمعرفية
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثير الوسائل البصرية على الحمل المعرفي أثناء المهام الحسابية لدى الأطفال الذين تبلغ أعمارهم 9 سنوات، باستخدام مقاييس سلوكية وتقنية التصوير الطيفي القريب من الأشعة تحت الحمراء الوظيفية (fNIRS). شملت الأبحاث 81 مشاركًا أكملوا مهام حسابية تحت ثلاث ظروف: قائمة على النص، ووسائل بصرية، ومعلومات بصرية غير ذات صلة، مع التحكم في مستويات الحمل المعرفي. على عكس الفرضية المسجلة مسبقًا، كشفت النتائج أن المهام التي تحتوي على وسائل بصرية أدت إلى زيادة الأخطاء، وأوقات استجابة أطول، وزيادة النشاط في قشرة الفص الجبهي (PFC) مقارنة بالمهام التي تعتمد على النص فقط، مما يشير إلى أن الوسائل البصرية قد ترفع من الحمل المعرفي.
تشير النتائج إلى أنه حتى مع محتوى حسابي متطابق، فإن وجود الوسائل البصرية أثر سلبًا على الأداء، كما يتضح من زيادة الأخطاء واستجابات أبطأ. بالإضافة إلى ذلك، حددت الدراسة مشاركة كبيرة لمناطق القطب الجبهي (FPAs) من PFC خلال المهام التي تتطلب ذاكرة عاملة متزايدة. ومن الجدير بالذكر أن إدخال معلومات بصرية غير ذات صلة لم يؤثر على درجات المهام ولكنه أدى إلى أوقات استجابة أطول. هذه النتائج لها تداعيات مهمة على الأبحاث المستقبلية حول الحمل المعرفي، مما يبرز الحاجة إلى التمييز بين الحمل المعرفي الداخلي والخارجي والنظر في العوامل التي يجب التحكم فيها في البيئات التعليمية.
مقدمة
تناقش مقدمة الورقة تعقيد المهام الحسابية للأطفال، مع تسليط الضوء على العدد المحدود من العمليات الحسابية الأساسية (مثل الجمع) التي يمكن تنفيذها، مقارنة بالتباديل اللانهائية لمشاكل الكلمات التي يمكن إنشاؤها من هذه العمليات. تثير السؤال حول كيفية تأثير تنسيقات المهام المختلفة – القائمة على النص مقابل تلك التي تحتوي على وسائل بصرية – على الحمل المعرفي والأداء. بينما تشير بعض الدراسات إلى أن الوسائل البصرية قد تزيد من الحمل المعرفي، تشير أخرى إلى أنها قد تقلله. الهدف الرئيسي من البحث هو التحقيق في تأثير الوسائل البصرية على الحمل المعرفي في المهام الحسابية باستخدام مقاييس سلوكية وتقنية التصوير الطيفي القريب من الأشعة تحت الحمراء الوظيفية (fNIRS).
تشير النتائج إلى أن المهام المصنفة على أنها “حمل منخفض” أدت إلى دقة أعلى بشكل ملحوظ وأوقات استجابة أسرع مقارنة بمهام “الحمل العالي” عبر تنسيقات مختلفة. على وجه التحديد، أدت المهام الحسابية ذات الحمل المنخفض البصري إلى مزيد من الأخطاء وأوقات إكمال أطول مقارنة بمهام الحمل المنخفض النصي، مما يتعارض مع الفرضيات الأولية. علاوة على ذلك، بينما لم يتم العثور على فرق كبير بين المهام ذات الحمل المنخفض النصي والمهام ذات الحمل المنخفض غير ذي الصلة، استغرقت الأخيرة وقتًا أطول للإجابة، مما يشير إلى أن التلاعب بالحمل المعرفي كان فعالًا، حيث أدت ظروف الحمل العالي إلى انخفاض الأداء.
الطرق
استخدمت الدراسة تصميمًا مسجلاً مسبقًا داخل الموضوع، حيث تضمنت جلسة اختبار فردية لكل طفل جنبًا إلى جنب مع جلستين كاملتين في الصف خلال نفس الإطار الزمني. التركيز الرئيسي للورقة هو على مهمة الرياضيات، بينما يتم استخدام بيانات من مهام رياضية إضافية لدعم الصلاحية المتقاربة وتقييم تأثير عكس الخبرة.
تم هيكلة مهمة الرياضيات وفقًا لتصميم 3 × 2 داخل الموضوعات، حيث يتكون العامل الأول من ثلاثة أنواع من تقديم المهام (وسيلة بصرية، قائمة على النص، وغير ذات صلة)، والعامل الثاني يتضمن مستويين من الحمل المعرفي (منخفض وعالي). يسمح هذا التصميم بتحليل شامل لكيفية تأثير تقديمات المهام المختلفة وأحمالها المعرفية على الأداء الرياضي.
النتائج
تشير نتائج fNIRS إلى وجود اختلافات كبيرة في مستويات الأوكسجين-هيموغلوبين بين ظروف الحمل المعرفي العالي والمنخفض، لا سيما في مناطق القطب الجبهي الأيمن والأيسر (FPA). كشفت التحليلات أن FPA الأيمن أظهر ذروة أعلى من الأوكسجين-هيموغلوبين خلال مهام الحمل العالي مقارنة بمهام الحمل المنخفض، مع وجود عوامل باي (BF) تشير إلى دليل قوي على هذا التأثير عبر كل من الظروف البصرية والقائمة على النص. على وجه التحديد، أظهر FPA الأيمن BF أكبر من 1,000 للظروف المجمعة و32.2 لوسائل البصرية فقط، بينما أظهر FPA الأيسر أيضًا زيادة في الأوكسجين-هيموغلوبين خلال مهام الحمل العالي، على الرغم من وجود نتائج أقل حسمًا بالنسبة للوسائل البصرية. ومن الجدير بالذكر أن التحليل لم يدعم الفرضية السادسة بشأن تكافؤ الأوكسجين-هيموغلوبين في ظروف الحمل المنخفض النصي وغير ذي الصلة، حيث اعتُبرت بيانات الظروف غير ذات الصلة غير موثوقة.
أدى الفحص الإضافي للفرضية الخامسة، التي افترضت أن المهام القائمة على النص ستثير مستويات أعلى من الأوكسجين-هيموغلوبين مقارنة بالمهام البصرية، إلى نتائج متعارضة. أظهرت كل من FPA الأيمن والأيسر أدلة قصصية تفضل النشاط الأعلى للمهام البصرية مقارنة بالمهام القائمة على النص. في FPA الأيمن، أدت المقارنات بين الأحمال البصرية العالية والمنخفضة مقابل الأحمال النصية إلى دليل كبير (BF = 4.11) لزيادة الأوكسجين-هيموغلوبين خلال المهام البصرية، بينما لم يظهر FPA الأيسر أي فرق كبير. بالإضافة إلى ذلك، لم يظهر إشارة الديوكسي-هيموغلوبين المنحنى المتوقع على شكل U، مما أدى إلى مخاوف بشأن قابليته للتفسير. وبالتالي، لم يتم استخدام الديوكسي-هيموغلوبين للاستنتاج الأساسي ولكنه عمل كتحقق من الجودة، مؤكدًا أن تأثيرات الأوكسجين-هيموغلوبين الملحوظة لم تكن ناتجة عن ضوضاء عالمية/نظامية، حيث لم يظهر الديوكسي-هيموغلوبين تغييرات متزامنة في نفس الاتجاه.
المناقشة
تتناول قسم المناقشة في ورقة البحث مفهوم الحمل المعرفي، مع التأكيد على أهميته في فهم كيفية معالجة الأفراد للمعلومات بالنسبة لقدراتهم المعرفية. يميز بين “الحمل العالي” و”الحمل المنخفض”، ويربط هذه المصطلحات بكمية المعلومات التي تتم معالجتها وإمكانية التحميل الزائد عندما تتجاوز متطلبات المهام الموارد المعرفية المتاحة. يبرز القسم دور الوظائف التنفيذية – الذاكرة العاملة، وال inhibition، والمرونة المعرفية – في إدارة الحمل المعرفي أثناء المهام مثل حل المشكلات الحسابية. تدعم التحليلات الميتا العلاقة بين القدرة الرياضية والوظيفة التنفيذية، مما يشير إلى أن التحكم المعرفي الفعال أمر حاسم لأداء المهام بنجاح.
تستعرض الورقة أيضًا نظريات مختلفة حول الحمل المعرفي، بما في ذلك نظرية الحمل الإدراكي ونظرية الحمل المعرفي، التي تصوّر الحمل المعرفي على أنه المعلومات المعالجة في الذاكرة العاملة. تفترض نظرية الحمل الإدراكي أن الحمل الإدراكي العالي يمكن أن يمنع المشتتات من خلال تصفية المحفزات غير ذات الصلة مبكرًا في المعالجة، بينما تؤكد نظرية الحمل المعرفي على أهمية تقليل الحمل الخارجي من خلال تصميم تعليمي فعال. يقترح المؤلفون أن الوسائل البصرية يمكن أن تحسن تخصيص الموارد المعرفية من خلال تحميل بعض العمليات المعرفية على العمليات الإدراكية، مما يقلل من العبء على الذاكرة العاملة. يحددون عدة تأثيرات للحمل المعرفي، مثل تأثير الانتباه المنقسم وتأثير التكرار، والتي توضح كيف يمكن أن تؤثر أنواع مختلفة من تقديم المعلومات على الحمل المعرفي وأداء المهام. يختتم القسم بمناقشة تداعيات هذه النتائج على الأبحاث المستقبلية وتصميم التدخلات التعليمية التي تهدف إلى تعزيز التعلم الرياضي.
القيود
تسلط قيود هذه الدراسة الضوء على عدة عوامل قد تؤثر على تفسير النتائج. أولاً، صمم البحث فقط لمطابقة صعوبة الحساب عبر أنواع المهام دون عشوائية الأسئلة أو دمج الوسائل البصرية، مما كان يمكن أن يعزز الإطار التجريبي. بالإضافة إلى ذلك، فإن غياب تتبع العين أو ظروف التشتت حد من القدرة على التلاعب والتحقق من الحمل الإدراكي. يقتصر تركيز الدراسة على الأطفال الذين يبلغون من العمر 9 سنوات ومشاكل الجمع المحددة (الأرقام من 1-30) على تعميم الاستنتاجات المتعلقة بالحمل المعرفي والوسائل البصرية على سياقات رياضية أخرى وسكان أكبر سناً، مثل طلاب المدارس الثانوية.
علاوة على ذلك، كانت التصوير الدماغي الوظيفي محدودًا بالقشرة الجبهية باستخدام fNIRS، والتي لا تلتقط النشاط تحت القشري. هذه القيود، على الرغم من عدم تقويضها لتقييم فرضيات الدراسة، تحد من المناقشات حول مشاركة مناطق دماغية أخرى. اعتمد التحليل بشكل أساسي على قياسات ذروة الأوكسجين-هيموغلوبين، حيث لم يظهر الديوكسي-هيموغلوبين الاستجابات المتوقعة الناتجة عن المهام، مما يعقد تفسير بيانات fNIRS. قد تكون التباينات في أوقات الاستجابة بين المشاركين قد أدت إلى اهتزاز زمني، وعلى الرغم من أن أساليب النمذجة البديلة يمكن أن تعالج ذلك، إلا أنها ستزيد من التعقيد وتتطلب تصميم تجريبي أكثر تنظيمًا. يجب أن تهدف الأبحاث المستقبلية إلى دمج توقيت استجابة الأفراد لتعزيز قوة النتائج من خلال أساليب تحليلية أكثر تطورًا.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpsyg.2026.1722948
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41756476
Publication Date: 2026-02-11
Author(s): Simon Skau et al.
Primary Topic: Visual and Cognitive Learning Processes
Overview
This study examines the impact of visual aids on cognitive load during arithmetic tasks in 9-year-old children, utilizing behavioral measures and functional near-infrared spectroscopy (fNIRS). The research involved 81 participants who completed arithmetic tasks under three conditions: text-based, visual aid, and irrelevant visual information, while controlling for cognitive load levels. Contrary to the preregistered hypothesis, the findings revealed that tasks with visual aids led to increased errors, longer response times, and heightened activity in the prefrontal cortex (PFC) compared to text-only tasks, indicating that visual aids may elevate cognitive load.
The results suggest that even with matched arithmetic content, the presence of visual aids negatively impacted performance, as evidenced by more errors and slower responses. Additionally, the study identified significant engagement of the frontal polar areas (FPAs) of the PFC during tasks with increased working memory demands. Notably, the introduction of irrelevant visual information did not affect task scores but did result in longer response times. These findings have important implications for future research on cognitive load, emphasizing the need to differentiate between intrinsic and extraneous cognitive load and to consider what factors should be controlled in educational settings.
Introduction
The introduction of the paper discusses the complexity of arithmetic tasks for children, highlighting the limited number of basic arithmetic operations (e.g., addition) that can be performed, contrasted with the infinite permutations of word problems that can be created from these operations. It raises the question of how different task formats—text-based versus those with visual aids—affect cognitive load and performance. While some studies suggest that visual aids may increase cognitive load, others indicate they could reduce it. The primary aim of the research is to investigate the impact of visual aids on cognitive load in arithmetic tasks using behavioral measures and functional near-infrared spectroscopy (fNIRS).
The findings indicate that tasks categorized as “Lower Load” resulted in significantly higher accuracy and faster response times compared to “Higher Load” tasks across various formats. Specifically, visual low load tasks yielded more errors and longer completion times compared to text low load tasks, contradicting initial hypotheses. Furthermore, while no significant difference was found between text low load and irrelevant low load tasks, the latter took longer to answer, indicating that the manipulation of cognitive load was effective, with higher load conditions leading to decreased performance.
Methods
The study employed a preregistered within-subject design, involving one individual test session per child alongside two whole-class sessions within the same timeframe. The primary focus of the paper is on the Math task, while data from additional mathematical tasks are utilized to support convergent validity and assess the expertise reversal effect.
The Math task was structured according to a 3 × 2 within-subjects design, where the first factor consisted of three types of task presentations (visual aid, text-based, and irrelevant), and the second factor involved two levels of cognitive load (low and high). This design allows for a comprehensive analysis of how different task presentations and cognitive loads impact mathematical performance.
Results
The fNIRS results indicate significant differences in oxy-Hb levels between high and low cognitive load conditions, particularly in the right and left frontal pole areas (FPA). The analysis revealed that the right FPA exhibited a higher peak oxy-Hb during high load tasks compared to low load tasks, with Bayes Factors (BF) indicating strong evidence for this effect across both visual and text-based conditions. Specifically, the right FPA showed a BF of greater than 1,000 for combined conditions and 32.2 for visual aid only, while the left FPA also demonstrated increased oxy-Hb during high load tasks, albeit with less conclusive results for visual aids. Notably, the analysis did not support Hypothesis VI regarding the equivalence of oxy-Hb in text low load and irrelevant low load conditions, as the data for irrelevant conditions were deemed unreliable.
Further examination of Hypothesis V, which posited that text-based tasks would elicit higher oxy-Hb than visual tasks, yielded contrary results. Both right and left FPAs showed anecdotal evidence favoring higher activity for visual tasks over text-based tasks. In the right FPA, comparisons of high and low visual loads against text loads resulted in substantial evidence (BF = 4.11) for increased oxy-Hb during visual tasks, while the left FPA showed no significant difference. Additionally, the deoxy-Hb signal did not exhibit the expected U-shaped curve, leading to concerns regarding its interpretability. Consequently, deoxy-Hb was not used for primary inference but served as a quality check, confirming that the observed oxy-Hb effects were not artifacts of global/systemic noise, as deoxy-Hb did not show concurrent changes in the same direction.
Discussion
The discussion section of the research paper elaborates on the concept of cognitive load, emphasizing its significance in understanding how individuals process information relative to their cognitive capacities. It distinguishes between “high load” and “low load,” linking these terms to the amount of information being processed and the potential for overload when task demands exceed available cognitive resources. The section highlights the role of executive functions—working memory, inhibition, and cognitive flexibility—in managing cognitive load during tasks such as arithmetic problem-solving. Meta-analyses support the correlation between mathematical ability and executive function, suggesting that effective cognitive control is crucial for successful task performance.
The paper also reviews various theories of cognitive load, including perceptual load theory and cognitive load theory, which conceptualize cognitive load as the information processed in working memory. Perceptual load theory posits that high perceptual load can prevent distractions by filtering irrelevant stimuli early in processing, while cognitive load theory emphasizes the importance of reducing extraneous load through effective instructional design. The authors propose that visual aids can optimize cognitive resource allocation by offloading some cognitive processes onto perceptual processes, thereby reducing the burden on working memory. They outline several cognitive load effects, such as the split attention effect and the redundancy effect, which illustrate how different types of information presentation can influence cognitive load and task performance. The section concludes by discussing the implications of these findings for future research and the design of educational interventions aimed at enhancing mathematical learning.
Limitations
The limitations of this study highlight several factors that may affect the interpretation of the findings. Firstly, the design only matched arithmetic difficulty across task types without randomizing questions or incorporating visual aids, which could have strengthened the experimental framework. Additionally, the absence of eye tracking or distraction conditions limited the ability to manipulate and check for perceptual load. The study’s focus on 9-year-olds and specific additive problems (numbers 1-30) restricts the generalizability of conclusions regarding cognitive load and visual aids to other mathematical contexts and older populations, such as high school students.
Furthermore, the functional brain imaging was limited to the frontal cortex using fNIRS, which does not capture subcortical activity. This constraint, while not undermining the evaluation of the study’s hypotheses, restricts discussions on the involvement of other brain regions. The analysis primarily relied on peak oxy-Hb measurements, as deoxy-Hb did not exhibit the expected task-evoked responses, complicating the interpretation of fNIRS data. The variability in response times among participants may have introduced temporal jitter, and while alternative modeling approaches could address this, they would increase complexity and require a more structured trial design. Future research should aim to incorporate individual response timing to enhance the robustness of findings through more sophisticated analytical methods.