第二章 文獻探討
2-1 認知負荷理論
Sweller 等人所著的 Cognitive Load Theory(Sweller, Ayres, & Kalyuga, 2011) 一書中所述，認知負荷理論是一種在生物演化框架下，基於人類認知架構 發展而來的教學設計理論。根據認知負荷理論，至今已經產生許多認知負荷效應，
提供了許多教學設計建議，這些效應將於後文統整說明。
認知負荷理論的四個假設(Sweller, Merrienboer, & Paas, 1998) ： 1. 工作記憶區有限。
工作記憶區的容量平均只能儲存 7±2 個元素(Elements)，但真正進行操作 處理的，只有 20.4 個元素，且訊息如果沒有經過處理，如複誦、精緻化 等策略，大約 20 秒後就消失(Van Merrienboer & Sweller, 2005)。
2. 長期記憶區無限。
訊息經過處理後會進入長期記憶區(Long Term Memory)，長期記憶區儲 存著大量的、互動複雜的知識和程序性技能，其容量是無限的，同時也 是永久的。
3. 知識和技能是以基模（schema）形式儲存於長期記憶區。
人類的基模發展模式是由簡單到複雜的建構過程來處理知識及訊息，以 基模的形式將知識存在長期記憶中。
4. 基模運作自動化是建構基模的重要過程。
基模運作自動化後，可以節省許多工作記憶運作的認知資源，進而降低 工作記憶的認知負荷(Sweller,1988)。
2-1-1 自然訊息處理系統與人類認知架構
認知負荷理論認為人類認知系統類比為生物演化系統，遵循著自然訊息處理
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原則(Sweller, et al., 2011)：
1. 資訊儲存原則（the information store principle）
所有訊息必定儲存在一個容量無限的訊息儲存庫之中。在人類認知系 統中，長期記憶扮演訊息儲存庫的角色，教學的主要目標是將知識累積儲 存在長期記憶中。
2. 借用與重組原則（the borrowing and reorganizing principle）
學習新知識是由他人的訊息儲存庫借用而來，大多會與自身長期記憶 儲存庫中的相關訊息重整，形成新訊息再回存於訊息儲存庫中。而整合的 過程具有隨機性，有時會產生迷思概念。
3. 隨機生成原則（the randomness as genesis principle）
在人類認知系統中，當要解決問題時，如果缺乏可用的知識，則隨機 產生可能的解決方案，在工作記憶中執行，然後檢測是否有效，有效則儲 存以備未來再利用，無效則丟棄，重複上述步驟直到問題解決。
4. 改變狹隘限制性原則（the narrow limits of change principle）
在人類認知系統中，隨機生成與測試程序是在工作記憶中進行，而 工作記憶處理訊息元素的容量與持續時間有限，因此同時在工作記憶中 處理的元素數量必須受到限制，以免認知資源超載。
5. 環境組織與連結原則（the environmental organizing and link principle）
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以上五個原則在人類認知系統中，透過訊息儲存原則將知識基模儲存於長 期記憶；透過借用與重組原則與隨機生成原則獲取新知識基模；透過改變狹隘 限制性原則與環境組織與連結原則，應用長期記憶中的知識基模，以應對環境 中的各種狀況與問題處理。
教學的主要目的在於增加長期記憶中的知識基模，如果長期記憶沒有變化，
則意味著沒有學習發生。從人類認知架構的角度，學習的目的是增加環境組織 與連結原則的效益，而此原則必須在長期記憶中有大量可用知識基模才有作用。
增加知識基模的最有效方式為透過借用與重組原則，此為教學應該強調的。如 果沒有可借用的來源，則透過隨機成因原則創造，但因為狹隘限制性原則，工 作記憶處理陌生的新訊息時是有限制的，因此創造新訊息的過程通常是緩慢的。
無論透過借用與重組原則或隨機生成原則獲得新訊息，皆受限於工作記憶的限 制。
2-1-2 認知負荷類型
根據 Cognitive Load Theory ，學習者必須在工作記憶中處理教學訊息，
這些工作記憶的負荷即為認知負荷，其類型如下(Sweller, et al., 2011)：
1. 內在認知負荷（Intrinsic Cognitive Load）
內在認知負荷一種來自於學習內容本身的內在結構(教材、先備知 識)，與教學程序無關。另一種是增生認知負荷（Germane Cognitive Load）， 是用於處理與學習內容有關的訊息時額外產生的工作記憶資源需求，同 樣產生一種內在認知負荷。用於處理內在認知負荷的認知資源稱為增生 資源（germane resources）。
2. 外在認知負荷（Extraneous Cognitive Load）
外在認知負荷來自於教材呈現方式或學習者參與的教學活動，這種
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負荷是由所用的教學程序產生，在許多情況下是多餘的，應該盡量排除。
用於處理外在認知負荷的認知資源稱為外在資源（extraneous resources）。
學習材料的認知負荷總量由內在認知負荷與外在認知負荷累加而得。工作記 憶資源是有限的，一旦認知負荷總量超過可用的工作記憶資源，將不利於學習，
甚至導致無法學習。教學設計應該盡可能減少外在認知負荷，盡量提供工作記憶 資源用以處理與學習有關的內在認知負荷。
學習內容本身的複雜性即內容元素的交互性，決定了內在認知負荷。在低元 素交互性的情況下，元素之間的關連程度不強，內在認知負荷較低；反之，在高 元素交互性的情況下，元素之間的關連程度較高，內在認知負荷也較高。學習者 本身的先備知識水準較高時，因為基模的作用，原本是獨立的數個元素可以視為 一個單一元素，內在認知負荷因此降低。
高內在認知負荷的學習內容通常較難，但低內在認知負荷的學習內容並不代 表較簡單，如果內容元素交互性較低，但需處理大量元素時，仍可能超過工作記 憶負荷。當學習內容是高元素交互性時，若相關交互作用的訊息元素可以全部在 工作記憶中處理時，則訊息可以被理解。而理解有助於創造更高階的知識基模。
外在認知負荷可以透過改變教學程序而降低。若教學程序要求同時處理的訊 息元素少，則外在認知負荷較低；相反的，若教學程序要求同時處理的訊息元素 較多，則外在認知負荷較高。
認知負荷理論的目標主要是設計降低外在認知負荷的教學程序，對於內在認 知負荷則是要充分運用、妥善管理，並非總是降低，但全部的認知負荷仍不能超 過工作記憶的限制。
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2-1-3 認知負荷理論的教學設計原則
Sweller 等人(1998)的認知負荷理論，其主要目標在於引導教學的設計。
教師有責任在設計教材時，應減低教材的負荷量，有效的展演教學教材。Sweller 等人(1998)於 2010 整理增修後，提出十四項教學設計原理，2011 年再新增一項 原則，共十五項分述如表 1。(Sweller, et al., 2011)
(Worked Example Effect) (Split Attention
Effect)
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隔離互動元素效應(Isolated Interacting Elements Effect)受到教學教材的內在認知負荷影響而非外在認知 (Molar Modular
Effect)
（Imagination Effect）
教學者可以要求學習者運用「想像」來進行一個過程或概 念，會比要求學習者「研讀」同樣過程和概念的學習效果 更好。
13自我解釋效應
（Self-explanation Effect）
教學者在進行教學時可利用引導的方式引導學習者自行 解釋一個新的概念，可促使學習者將相關基模提至工作記 憶區進行處理，以降低負荷。
14.形式效應 形式效應中提到教材同時含有圖像與文字的情形下，文字
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(Modality Effect)
採用「口語文字」會比採用「書面文字」有更好的效果 (Mousavi, Low, & Sweller, 1995)。
15.瞬間轉換效應
資料來源：整理自 Sweller et al., (1998)；Sweller, (2010)；Wayne L., Sweller J. (2011)
2-1-4 專業知識反轉效應
Efficiency )與學習投入分數(Instructional involvement score)觀察。Paas 與 Merriënboer (1993) (Paas & Merriënboer, 1993) (Paas & Merriënboer, 1993) 認為考量學習過程的認知成本是重要的，因此提出了一種視覺化的學習效 率公式與效率圖（Efficiency Graph），作為評估學習效率的方式。
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資料來源：”Cognitive load measurement as a means to advance cognitive load theory.”by F. Paas, J. E. Tuovinen, H. Tabbers & P. W. M. Gerven, 2003, Educational psychologist, 38(1), p.68
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(Clark et al., 2006) (Clark, Nguyen, & Sweller, 2006) (Clark, Nguyen, &
Sweller, 2006)
動機往往決定了學習者在學習過程中的投入程度，當學習者的動機越強，願 意投入的心智努力就越多，因此越容易有好的學習表現。基於動機、心智努力與 學 習 表 現 是 正 相 關 的 假 設 ， Paas 等 人 (2005) 提 出 了 學 習 投 入 分 數 (Instructional involvement score)，其計算公式（2）如下：
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資料來源：”A motivational perspective on the relation between mental effort and performance : Optimizing learner involvement in instruction.”by F. Paas, J. E. Tuovinen, J. J. G. van Merriënboer, & A. Aubteen Darabi, 2005, Educational Technology Research and Development, 53(3), p.29
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把兩個圖形重疊，如圖 3，即可同時觀察實驗對象之學習效率與學習投入分數，
藉此瞭解實驗對象於該學習單元之學習狀況，以及觀察是否發生專業知識反轉效 應。
圖 3 綜合學習效率與學習投入分數圖
上圖中直線 I = 0 與直線 E = 0 互相垂直，若以直線 E = 0 為橫軸，以 直線 I = 0 為縱軸，可將坐標平面分為四個象限。第一象限代表高效率高投入 區域，為最理想的學習狀況；第二象限代表高效率低投入區域；第三象限代表低 效率低投入區域，為最不理想的學習狀況；第四象限代表低效率高投入區域 (Kalyuga, 2009)。
2-1-5 認知負荷理論對本研究的影響
本研究之教材設計根據形式效應，將敘述性文字改為口語呈現；根據冗餘效 應，在畫面上去除與口語重複的敘述性文字；根據分散注意力效應，將相關視覺 訊息的呈現在空間上盡量接近，與口語對應的畫面元素在呈現時間上接近；在實 驗組教材的教學脈絡上，根據整體模組效應，以固定一邊找第三點為策略，降低 元素交互性與認知負荷。
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2-2 多媒體學習理論
Mayer 將多媒體(multimedia)定義為以文字(words)和圖像(pictures) 呈 現材料，其中「文字」包括靜態文字和語音文字，「圖像」包括靜態圖像和動畫
1、 雙通道（Dual channels）
Mayer 以 Paivio(1986)的雙碼理論(Dual Coding Theory)為基礎提出多媒體學 習雙通道(Dual Channels)理論，認為人類視覺及聽覺訊息的兩個通道是獨立
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當訊息以聲音的形式展演則由耳朵接收，進入聽覺通道處理 ，如圖 6
圖 6 聽覺通道處理過程
資料來源：修改自 R. E. Mayer (2009) . Multimedia Learning (2nd ed.) (p.64),New York: Cambridge University Press.
若訊息以圖像的方式展演則由眼睛接收，進入視覺通道處理 ，如圖 7
圖 7 視覺通道處理過程
資料來源：修改自 R. E. Mayer (2009) . Multimedia Learning (2nd ed.) (p.64),New York: Cambridge University Press.
2、有限容量（Limited capacity）
Mayer 認為每個通道同時處理的訊息量是有限制的，因為工作記憶的容量有 限，所以限制了可以同時處理的訊息量。因此教材設計應避免將注意力投注 在不相關的訊息，造成無效益的認知程序。
3、主動處理（Active processing）
面對訊息，人們會主動的進行認知處理，處理過程包含注意訊息、組織選取