專業知識反轉效應

在教學過程中，某些對於新手學習者 (Novice) 產生良好學習效果的教學設計或方 法，對於專家學習者 (Expert) 卻失去效果或甚至產生負面影響，即為專業知識反轉效 應。本研究的新手指的是低專業知識的學習者，也就是過去數學學習成就較低的學生，

專家則是過去數學學習成就較高的學生，擁有較高的數學專業知識。

第二章 第二章 第二章

第二章 文獻探討 文獻探討 文獻探討 文獻探討

本研究主題「轉移矩陣」單元，教材設計多以複雜的文字應用題呈現，在一般的課 堂授課中，老師大都使用黑板板書搭配口語及課本文字進行示例教學。因冗長的文字敘 述，容易造成學生注意力分散或將注意力放在非重點的部份，而教師的板書若要呈現矩 陣相乘並講解其中的涵義，除使用有色粉筆外，較難有其他可吸引注意力的技巧，此部 份可以利用多媒體教學進行協助，以動畫或顏色引導視覺搜尋及注意力配置，因此本章 第一節將先探討視覺搜尋理論與選擇性注意力，第二節隨即討論多媒體學習理論。

另外，本研究之主要目的為透過狀態轉換圖之圖像表徵，來簡化文字並強化訊息間 彼此的交互關係，並驅使學生必須在學習過程中不停重複在腦中分析各個關係，提升學 生理解的程度，此教學設計所產生的認知負荷與認知負荷理論中的概念相關，而對於增 加將文字轉圖的人為步驟，是否會對原來成就較高的學生造成反效果，產生專業知識反 轉效應，亦為研究的重點。因此第三節將討論認知負荷理論，第四節則特將專業知識反 轉效應抽離出來討論，欲了解產生之原因及測量方式。

2.1 視覺搜尋與注意力 視覺搜尋與注意力 視覺搜尋與注意力 視覺搜尋與注意力

在日常生活中，注意力會作用在人類的各種感官中，例如視覺、聽覺、嗅覺…等，

好讓人們更清楚地瞭解這個包羅萬象的世界，其中又以視覺注意力與人類關係最為密 切。以下就視覺搜尋與注意力分別討論：

2.1.1 注意力

日常生活中充滿了各式各樣的視覺刺激，但經驗一定告訴我們，並不需要對所有刺 激都產生反應，例如當你專心於電視前欣賞一場精彩的球賽時，旁人的其他動作對你來

說就是不重要的刺激，無須多加注意。注意力是可使視覺系統適應各種不同認知任務的 一種控制工具，可以協助當下的你該選擇處理什麼。注意力可以以不同的方式分配到環 境中不同的層面，從專注在特徵局部結合的分析到全面性景象特質的登錄（Treisman, 2006），所以有時可以專注在單一物件上，有時可以分配到幾個物件，甚至有時分佈在 全面的景象上將其當作整體。被視覺注意力注意到的刺激，才會被傳送到大腦皮層中，

做進一步的分析與處理。

外界大量的訊息是否可以經由感官進入工作記憶中處理及儲存，注意力就是一個重 要的選擇機制。人的認知資源有限，不可能同時處理過多的事項，否則認知資源會因此 而超載，因此同時湧進的多數刺激中，只有少部分能在某些階段被挑選出來做較精細的 處理，其他未被挑選到的刺激可能僅作極粗略的處理，或是根本不處理 (葉素玲, 1999) 。所以注意力所具有的選擇性一直是諸多學者的研究主題，主要有早期選擇、晚 期選擇、以及折衷的濾器減弱理論。

1.早期理論：Broadbent 過濾理論

Broadbent (1958) 提出過濾理論 (Filter Theory) ，認為人類用來處理辨識物體 的內在資源有限，所以必須過濾掉不必要的訊息，才能節省資源的分配，因此進入感 官的所有刺激必須先經過一個過濾器，能夠通過過濾器的刺激才能進入知覺系統作進 一步的分析，無法通過的刺激則會完全被捨棄不處理，如圖 3。這是屬於注意力在早 期介入選擇的觀點。

圖 圖 圖

圖 3 Broadbent 的早期過濾器模式 (改編自李玉琇,蔣文祁,2005)

2.晚期理論：Deutsch 與 Deutsch 過濾理論

Deutsch, J. A. 與 Deutsch, D. (1963) 認為所有刺激皆會進入物體辨識的知覺分 析歷程，再由知覺系統評估刺激的重要性，進而決定哪些刺激可通過過濾器，進入短 期記憶進而反應。

圖 圖 圖

圖 4 Deutsch 與 Deutsch 的晚期過濾器模式 (改編自李玉琇,蔣文祁, 2005)

3.折衷理論：Treisman 濾器減弱理論

Treisman (1964) 提出濾器減弱理論 (Filter-attention Theory) ，認為過濾器會將非 目標刺激減弱，但並非完全將其摒棄在知覺分析系統外。同時呈現的每一刺激都有強度 的分配，其對應的內在處理管道具有不同的敏感度。各管道的敏感度決定了閾限值 (Threshold) ，刺激強度必需高於閾限值才能被偵測出來加以處理。而注意力所在的管 道會具有較高的敏感度 (葉素玲，1999)。除了管道的敏感度外，標準值 (Criterion) 亦 會影響偵測，例如與個人本身相關資訊的標準值會較低，較易被偵測。

另外 Lavie (1995) 認為造成訊息處理有限容量的瓶頸 (Bottleneck) 並非固定不 變，是依據作業任務本身的困難度造成不同的知覺負荷量 (Perceptual Load) 來決定。在 知覺負荷量較低的情形下，學習者就會有多餘的注意力資源，但反而比較容易受到不相 干刺激的干擾；而在知覺負荷量較高的情形下，學習者已經將所有的注意力資源用來處 理困難的作業任務，因此不相干的刺激反而較不會造成干擾。

2.1.2 視覺搜尋

在日常複雜的環境中，人類每天不停靈活地將注意力導向特定的目標或位置進行視 覺搜尋，讓我們更能適應生活的環境。例如在廣大的停車場中要找尋自己不小心遺忘的 車子，可以快速地結合顏色、廠牌、及車型等特徵開始進行搜尋，不需一台台瀏覽確認，

如此的策略可以節省許多搜尋時間及心力。以下就幾個重要的視覺搜尋概念與理論分別 討論：

1.Treisman & Gelade（1980）在視覺搜尋的實驗中將搜尋作業分為兩種：

（1）特徵搜尋作業（Feature Search Task）

在特徵搜尋作業中，受試者只需要在同一種特徵下就可搜尋到目標，例如：要在 一群綠色的「O」及「X」中找到一個紅色的「O」，如圖 5，發現(a)圖與(b)圖能 夠搜尋到紅色「O」的時間應該相差不遠。那是因為在這樣的任務中，由於目標 (紅 色O) 和其他不相關的刺激有顯著不同的特徵(紅色)，因此受試者可以很快就從一堆 干擾物中分辨出目標，這樣稱為 Pop-Out (Treisman,1980）。

(a) (b)

圖圖

圖圖 5 特徵搜尋作業

上述的特徵搜尋作業只需以平行（Parallel Processing）的視覺搜尋模式處理，當 干擾物的數量增加並不會增加反應時間，如圖 6，也就是人類可以輕鬆處理某些單 純的特徵，例如：形狀、顏色、運動方向等 (Wolfe, 1998)。 Treisman (1980) 認為刺 激數目與反應時間的關係直線斜率若遠小於10，為較有效率的平行搜尋。若斜率大 於10以上，則是較無效率的序列搜尋，如圖 6。

圖 圖 圖

圖 6 刺激數目與反應時間關係圖 (Treisman, 1980)

（2）結合特徵搜尋作業（Conjunction Search Task）

在結合特徵搜尋作業中，受試者需要結合較多的特徵才能進行搜尋，例如：要在 一群綠色的「O」及「X」和綠色的「X」中找到一個紅色的「O」，如圖 7。在這 樣的作業中，由於目標同時具備特徵「紅色」及形狀「O」，此兩種特徵在干擾物中 分別都有出現，所以若要清楚辨認出目標，必須結合這兩種特徵同時出現才能完成 任務，因此需花較長時間。如圖 7 ，(d)圖所需的搜尋時間會比(c)圖長。

(c) (d)

圖

圖 圖

圖 7 結合特徵搜尋作業

上述的結合特徵搜尋作業必須以序列 (Serial Processing）的視覺搜尋模式處理，當 干擾物的數量增加，反應時間相對就會增加，如圖 6，當干擾物的特徵與目標物的特徵 越難分辨出來時，就必須花費心力一個一個依序尋找。

由上可知，人類的視覺系統對於某些視覺特徵的辨識，只要以平行的方式同時掃描 整個視野，不需集中注意力就可自動化處理；而其他的視覺運作必須利用注意力資源以 序列方式進行。因此在教材設計的過程應多製造可自動化搜尋處理的元素，提供視覺搜 尋的引導，達到節省注意力資源的目的。

將視覺搜尋應用在教材設計方面，可分為兩個層次：教師可在課程設計上做預先的 安排，一開始應設法丟出訊息就可以馬上吸引注意力，進而讓學生在思考的過程中產生 動機，然後就會試著再回到畫面中找相關訊息。若能設計出此種教材，可以促使學生在 有限時間內，使用較少的工作記憶資源就可完成學習，因此老師的角色應著重在訊息如 何安排才會使必要訊息容易被看到。多媒體畫面就好比輔助記憶體，教材編排模式與腦 筋在思考的東西應該彼此協調，在想的過程中就可以看到畫面上的主要訊息，兩者可以 很快互動。如此的策略將可節省學生的時間與心力，就可將注意力放在最需要專注的地 方，避免資源的浪費，而在自己的認知系統中，也藉由不停分析畫面中的訊息，進而組 織加以整合，達到較好的學習效果。

2.Treisman（1980）特徵整合論（Feature Integration Theory）

特徵整合論主要是用來解釋視覺搜尋作用的機制。Treisman 認為感官層次的特徵

（Sensory Features），例如：顏色、方向、形狀…等，可以在前注意力 (Preattentive) 階 段就被平行處理，這些特徵會自動化登錄在位置圖 (Location Map) 上，位置圖一般來 說可能位於大腦的初級視覺皮層區域（V1），接著更進一步的認知行動會將這些特徵形 成一個有範圍的特徵圖譜（Feature Map），例如色彩圖（Color Maps）、方位圖（Orientation Maps） ( 葉 素 玲, 1999) 。在 前 注意 力 階段 因 沒 有注 意 力介 入 ，有 可 能 會因 為 預期

（Expectation）的限制或是語意目錄（Semantic Category）的促發（Prime），形成虛幻 的組合現象（Illusory Conjunction），如圖 8。

圖 圖 圖

圖 8 前注意力階段的視覺搜尋

當注意力介入後，有可能將注意力專注在單一物件上，也可以同時分配到幾個物 件上，甚至可以分佈到全面的景象上將其當成整體 (Treisman, 2006)。注意力「探照燈」

會依序掃描位置圖內每個被記錄的特定位置，而當某個位置被掃描時，所有關於此位置 的各個特徵圖索引訊息都會被存取進入短期記憶，並將各個特徵進行結合(Treisman &

會依序掃描位置圖內每個被記錄的特定位置，而當某個位置被掃描時，所有關於此位置 的各個特徵圖索引訊息都會被存取進入短期記憶，並將各個特徵進行結合(Treisman &