感應起電單元相關研究

現相關的訊息以幫助學生學習，並從學生的問答當中瞭解學生學習困難的地方。此一觀點，

與本研究中運用之「認知負荷理論」、「多媒體學習理論」所欲陳述之重要概念更是不謀而合。

二、 感應起電單元相關研究

在課本上雖利用圖片輔助呈現微觀抽象層次的變化，例如導體中正、負電荷之分佈變化 情形等，但原本動態連續變化的過程，現在用靜態的圖片顯示，這兩者間的差異會對學生的 學習造成何種影響呢?對此，林美秀(2007)針對九年級的學生在閱讀感應起電圖示瞭解情形進 行相關的研究，當時以康軒版的教材為施測內容，如圖 2-1-1 所示﹕

圖 2-1-1 感應起電的原理(引自康軒版二下自然與生活科技教科書)

在進行課堂教學之後，除對九年級學生進行閱讀理解的測試之外，並於課程結束後對學 生進行半結構性晤談，晤談的問題共有 7 題，分述如下：

(一) 請問你知道這是一張說明什麼概念的圖片嗎?你從哪裡得知?

(二) 請問這張圖片中包含了哪些東西?

(三) 請問圖中最難讓你理解、看不懂的地方是哪一個部份?為什麼看不懂?

(四) 請問為什麼圖 C 中金屬球內正電不見了?

(五) 請問你覺得這張圖裡的擺放順序恰不恰當，你認為要怎麼擺放才好?

(六) 請問圖 B 中箭號代表什麼意思?你覺得箭號放在那裡的位置恰當嗎?若不恰當，應該放在 哪裡呢?

(七) 你認為這張圖裡每一樣東西和背景所搭配的顏色濃度恰不恰當?若不恰當，你認為要怎 麼配才好?

7 題的晤談問題中，引起本研究興趣的是第 3、4、6 題，因為這三題反應出當學生閱讀 課本圖片之後，對圖片中看不懂的地方為何?以及能看出學生對圖中的符號所代表的意義是否

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(一) Paas & Merrienboer van, (1994)認為認知負荷是一種多向度的概念，它包含兩種 成份﹕一種是心智負荷(mental load)，一種是心智努力(mental load)。如果學習 者對於知覺的困難度越大，或者學習者覺得在心智上要付出的努力程度越多，則認

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荷，學習者所接收的訊息量越多，或是學習者認為在學習過程中他需要付出較多的心智努力 來學習時，則認知負荷就會越大;當認知負荷量超過學習者所能夠承受的限度時，即會在生理 上或是心理上產生負面的影響，而影響學習上的表現。

二、 認知負荷的基本假設

Sweller, van Merriënboer, & Pass（1998）提出四個認知負荷理論對認知架構基本假 設，分述如下：

(一) 內在認知負荷（intrinsic cognitive load）：此種負荷是教材本身的特性所造成的，

亦即教材本身難度與複雜程度。

(二) 外在認知負荷（extraneous cognitive load）：主要是受到教材的設計和呈現方式、

或教學活動的影響，可藉由教學設計而降低之。

(三) 增生認知負荷（extraneous cognitive load）：指在教學設計者刻意的活動設計下，

在總認知負荷量未超過學習者的負荷範圍時，讓學生在學習的過程中達到基模建構的 一種認知努力(cognitive effort)，雖會增加學習者的負荷量，卻可以輔助基模的建 構。

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綜合以上，良好的教學設計應該要在考慮教材本身的難易度之下，選用合適的教材呈現 方式來降低學生學習中的外在認知負荷，並在學生的負荷範圍內，適當地善用增生認知負荷，

以幫助學生學習。

三、認知負荷理論的教學設計

Sweller依據認知負荷不同的適用情境以及影響學習的認知負荷來源，在教學上發展出不 同的效應。王全興(2008)彙整過去相關研究指出，認知負荷理論教學設計原則主要可區分為 下列七種：

(一) 開放目標效應（goal-free effect）：

教學應讓學生不受限制地表達自己的想法，採取開放目標的方式學習，避免單一 解題之學習方法與學生基模未必相符，反而會產生外在認知負荷。

(二) 示例效應（worked example effect）：

遇到問題時，逐步示範給學習者呈現解題步驟，使學生歸納知識及建構解題基 模，可幫助累積基礎性訊息，但若基礎性訊息變成重複、多餘的時候，就不再使用示 範而是增加練習的機會。。

(三) 完成問題效應（completion problem effect）：

在協助學生建構問題解決的基模時，可以將示例呈現一半，另一半由學童解題，

藉此引導學童於外在認知負荷減低的狀況下學習。

(四) 分散注意力效應（split-attention effect）：

若學習材料過於分散，學習者則會分散注意力於相關資訊中，若能整合資訊，學 習者即可免於分散注意力，提高學習效率。

(五) 多餘效應（Redundancy Effect）：

若同時使用多種多媒體表達同一概念，這些大量的訊息以不同的形式同步置入學 習者的工作記憶當中，會同時佔用工作記憶，將會增加學習者的認知負荷

(六) 形式效應（modalty effect）：

若能同時利用不同的工作記憶體來處理資訊，基於雙碼理論，將可提升處理資訊 的能力，知識的獲得比只使用單一種型態(例如：只使用視覺或只使用聽覺)來的多。

(七) 變化效應（variability effect）：

在學習中若能給予學生不同變化的題目練習，則有助於學生在學習遷移上的表 現。

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第三節 多媒體學習認知理論

一、多媒體學習認知理論的基本假設

Mayer(2001)提出「多媒體學習認知理論」來描述學習者在多媒體學習過程中如何處理所 接收的訊息，而Mayer(2009)認為可將訊息依多媒體呈現方式分為文字（words）與圖像

（pictures）兩類：

(一) 文字（words）：文字包含書寫或印刷的視覺文字（printed words）及口語表達的文 字（spoken words）二種，例如在課堂上老師講述的內容，以及學生從課本、螢幕或 投影片所閱讀到的文字。簡單來說，學生在學習過程中無論是透過視覺或是聽覺所接 收的文字訊息均屬之。

(二) 圖像（pictures）：圖像包含靜態圖與動態圖二種，例如插圖、圖表、相片或者地圖 等均屬靜態圖片，動畫或錄影則屬動態圖片。

無論教學模式為何，重點在於學生是否能妥善運用心智來有效處理這些多媒體帶來的訊 息。對此，Mayer 提出三項基本假設：

(一) 雙通道（dual channels）：

如下圖所示，認為人類在處理外來訊息時，可利用視覺與聽覺兩種不同的管道。

圖 2-3-1 多媒體學習認知模型

聽覺通道用來處理聽到的聲音，視覺通道則用來處理看到的文字或圖像，這兩通道間 的訊息在工作記憶區內可相互比對、組織與轉換。

(二) 有限容量（limited capacity）：

人類在每個獨立通道的一次訊息處理量是有限的，即短期（工作）記憶區（working memory）的容量是有限的。因此學習者若接收過多的訊息，以致超出短期工作區的容 量，就會產生大量認知負荷而降低學習成效。

(三) 主動處理（active processing）：

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人類藉注意、主動選擇相關訊息，並將接收的訊息與之前的先備知識整合，形成 一個新的知識以基模（Schema）的形式回存到長期記憶區。

二、多媒體學習認知理論設計原則

一個好的多媒體教材就是能幫助學習者選擇（Selecting）、組織（Organizing）、整合

（Integrating）多媒體訊息，而多媒體教材設計原則的需求就是建立在此。Mayer(2005) 根 據許多的實徵研究，列出了多項原則，以下僅針對與本實驗相關的原則進行探討，並舉出該 原則在本研究教材中的呈現方式：

(一) 分割原則（Segmenting Principle）

分割原則是指當多媒體教材被分割成數個小「片段」，學習效果會比連續播放的 方式較佳。當運用多媒體教學設計時，會湧入大量訊息，會增加學生的認知負荷量，

但記憶體容量是有限的，且有時畫面過小無法完全呈現，因此訊息必須分割後再一步 一步的呈現。

此原則在本研究教材中的運用，可分為兩個層次來看。以感應起電為例，感應起 電是以靜電感應原理使導體帶電的方式，我們可先將整個感應起電分為四個步驟：靜 電感應、接地、移去接地、移去帶電體，分別以四張圖代表各個步驟，如下圖所示：

圖 2-3-2 分割原則範例-感應起電總表

步驟A到步驟D轉換的過程採用動態呈現的方式銜接，步驟間再細分為更小的步 驟，如下圖所示，在同一張投影片中，再細分為四個步驟，讓學生能清楚的比較區域 內正負電荷數量的多寡，並判斷出區域內導體所帶電性為何：

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1. 2.

3. 4.

圖 2-3-3 分割原則範例-動態呈現

雖然為了減少學習者認知負荷而採用分割的方式，但訊息一旦切割，會增加學生 在搜尋及關連上的負荷，切的太小(有效的學習中訊息必須整體呈現)會缺乏整體性關 聯性，所以必需透過訊息的區塊化及結構化建立關聯。因此在上圖2-3-3中，仍保留 整個感應起電四步驟流程圖維持整體性，並運用加粗邊框的方式提醒同學目前的進度 以建立關連性。

(二) 連貫原則（Coherence Principle）

連貫（coherence）指的是信息中元素間的結構關係；連貫效應（coherence effect）則是指當無關的資料或訊息（material）被排除時，學習者的學習成就優於 當無關的資料或訊息（material）被納入時的學習成就。所以一昧地加入有趣但不相 關的文字、插圖、音樂或聲音會傷害學習，而當不需要的文字從多媒體呈現中被刪除 時，學生的學習成就增加。Mayer（2001）舉出無關的資料或訊息可能會造成：

1. 在工作記憶中競爭認知資源

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2. 將學習者從重要的資料或訊息中分散注意力 3. 分裂組織中的資料或訊息處理

4. 可能使學習者繞著不適當主題組織資料或訊息。

就本研究教材的應用而言，為了讓同學能快速注意力放在此時教學重點上，投影 片上其它無關的物件位置將維持不變，以避免分散學生的注意力。如下圖2-3-所示，

為了讓學生僅注意正負電荷，除正負電荷以外的物件均保持不變。

圖 2-3-4 連貫原則範例

(三) 空間接近原則（Spatial Contiguity Principle）

空間接近原則指的是在畫面中相關文字與圖片呈現的彼此位置較近時，學習者可 迅速的將相關訊息容納於工作記憶中，學習者不需再於書本或電腦螢幕進行視覺搜 尋，因此學生的學習成就會優於文字與圖片兩者相對位置彼此較遠的教材。此原則在

空間接近原則指的是在畫面中相關文字與圖片呈現的彼此位置較近時，學習者可 迅速的將相關訊息容納於工作記憶中，學習者不需再於書本或電腦螢幕進行視覺搜 尋，因此學生的學習成就會優於文字與圖片兩者相對位置彼此較遠的教材。此原則在