工作記憶與認知負荷理論

多重表徵的科學課程設計，除了在內容上針對學習者常有的另有概念進行概念改變 外，學習者的工作記憶容量和影響認知負荷的因素，都是決定學習效果的重要因素。

一、工作記憶理論

Baddeley和Hitch 於1974年提出多元件工作記憶 (multicomponent working memory) 概念，強調工作記憶系統中各個元件功能的重要性，認為我們的工作記憶能力是有限的

，能夠暫時儲存及操弄感官系統所收錄的訊息，以理解、學習及推理複雜的認知任務，

並將此認知的運作系統分成中央執行系統 (central executive)、視覺空間模爯

(visuospatial sketchpad) 和語音迴路 (phonological loop)，並在2000年增加事件緩衝器 (episodic buffer)。四者主要功能分述如下：(Baddeley, 2000, 2001, 2003)（圖2-2-1）

1. 中央執行器：負責注意力的控制，協調及監控各子系統的運作，適當分配有限的認知 資源以處理不同訊息，而不論由聲音或影像進入的訊息都可與長期記憶溝通或結合。

2. 視覺空間模爯：整合來自感官收錄或長期記憶的空間、視覺、動覺相關訊息成為單一

的表徵，並進行短暫的儲存及操弄，以等待中央執行器的處理。

3. 語音迴路：與語音的知覺（語音儲存；phonological store）與產生（發音複誦元件；

subvocal rehearsal component）有關，可將聽覺複誦或語文理解所收錄的訊息短暫的 儲存及操弄，以等待中央執行器的處理。

4. 事件緩衝器：事件緩衝器是一個有限容量的暫時儲存系統，由中央執行器所控制，可 有意識的自長期記憶提取、反思、操弄及修飾訊息，以整合來自不同來源的訊息，形 成一個單一的事件表徵。

圖2-2-1 工作記憶模型 (Baddeley, 2000)

Engle 基於工作記憶有限而提出工作記憶容量 (working memory capacity) 觀點，認 為每個人的工作記憶容量大小不同，因而有不同的智力表現，工作記憶容量主要牽涉兩 個不同的重要活動，即訊息處理與儲存，前者是指將訊息接收至大腦，後者則是將訊息 理解後進行儲存（暫時將訊息維持在活化的狀態），兩者同時發生且相互競爭，結果可 以預測未來的學術或智力活動，也證明了人的工作記憶容量真的非常有限 (Rosen &

Engle, 1998)。

由上述文獻可知，實徵研究顯示工作記憶與學習確實呈現顯著的關連。處理資訊系 統的認知容量是有限的，並非無窮大，因此若將所有的學習內容全部都擠在同一時段

中，可能導致學習者無法利用工作記憶處理所有的內容資訊，造成了高認知負荷，降低 學習成效。

二、認知負荷理論

Sweller (1988) 提出認知負荷理論 (cognitive load theory)，將認知負荷理論引進教 學設計中，認為認知負荷與短期記憶及工作記憶所能負荷的記憶單位數目有關，如果學 習內容遠超過學習者的工作記憶，那麼學習者的理解力和學習能力將會下降，亦即認知 負荷理論對人類認知架構的基本假定是根據 Baddeley 的工作記憶理論，強調人類工作 記憶容量是很有限的。Paas 和 Van Merriënboer (1994) 也定義「認知負荷」是將一特定 工作加諸於學習者認知系統時所產生的負荷，也就是工作記憶的負荷。

Sweller 和 Chandler 研究為何有些教學素材難以學習，以認知負荷理論觀點分析

：(1) 當處理高度認知活動及被設計來因應有限的工作記憶和強調我們高效率的長期記 憶時，基模的獲得及自動化是主要學習機制。(2) 有限的工作記憶使同時同化多重要素 的訊息是困難的。(3) 在多重要素交互作用的情況下，它們必須同時被同化。(4) 結果

，當處理高度交互作用要素的教材時，學習者需承受較高的認知負荷。(5) 高度交互作 用要素和有關的認知負荷可能來自學習素材的內在性質及其呈現的方式。(6) 若內在的 要素交互作用和隨之的認知負荷較低時，來自教學設計的外在認知負荷便較不重要，反 之，當需處理高度內在要素交互作用的學習素材時，外在的認知負荷則是學習容易或困 難的關鍵。因此當學習素材有高度要素交互性時，未必有利於學習，尤其新的學習素材 若含大量訊息，將可能比含較少訊息的素材更難以學習 (Sweller & Chandler, 1994)。

Sweller 等人也以教學設計的觀點，將認知負荷的來源分為三類：(Sweller, van Merrienboer, & Paas, 1998)

1. 內在認知負荷 (intrinsic cognitive load)：內在認知負荷源自教學內容的性質，也就是 教學內容本身的難易程度，主要影響因素是教學內容之要素交互性 (elements

interactivity)，若教學內容要素交互性高，代表學習者需同時處理較多要素，將產生

較高的工作記憶負荷，此內在認知負荷無法藉由結構性教學或教材呈現方式而改變。

2. 外在認知負荷 (extraneous cognitive load)：外在認知負荷源自教學內容的呈現方式及 學習者必須從事的活動。外在認知負荷可藉由教學設計而降低，使學習者更能利用有 限的工作記憶來處理與學習內容相關的資訊。

3. 相關認知負荷 (germane cognitive load)：相關認知負荷則源自學習者基模之建構，也 是外在認知負荷的一種。適當的教學設計，可以降低外在認知負荷，卻會提高相關認 知負荷，在此過程中，學習者藉由獲得基模及使其自動化讓學習更有意義。

根據 Sweller等人的研究，當學習者必須分散注意力來整合圖片與文字時，將會讓 有限的工作記憶容量過度負荷而抑制學習（分散注意力效應；split-attention effect)，但 此時若將文字訊息以聲音方式呈現時，工作記憶反而可因同時使用視覺與聽覺通道而擴 大（感覺通道效應；modality effect），也就是說，雙重表徵的呈現並不是降低外在認知 負荷，而是擴增工作記憶的容量，此效應將有助於解決分散注意力所產生的認知負荷問 題。後來的研究也同樣發現此效應：學習者由動畫搭配聲音比動畫搭配文字可獲得較好 的學習成果 (Guan, 2006; Mayer, 2001)。

因此本研究綜合上述文獻，選取圖文整合與影片搭配聲音作為學習表徵，記錄學習 者在學習與概念改變的歷程中，腦波相關的變化。