認知負荷理論(Cognitive Load Theory,CLT)起源於 1980 年代，所謂的「認知負荷」，
指的是在有限的工作記憶空間，處理訊息所產生的負荷量，由 J. Sweller 所提出，因該 理論指出教材教法設計對學習者認知負荷的影響，以及認知負荷與學習成效的關係，所 以在教育界引起熱烈討論。Sweller 等人將認知負荷定義為:「將特定工作加諸於個體認 知系統時，所產生的負荷量」(Sweller et al., 1998：266)。Pass(1992:429)則認為認知負 荷是一種多向度的概念，它包含兩種成份:一是心智負荷(mentalload)，二是心智努力 (mentaleffort)。若學生對於所學內容感覺困難度越大，或是在心智上越需要努力，則認 知負荷就會越大。所以，若教材困難度太高，或者學習時需要投入極大心力，都容易造 成過重的認知負荷。
Sweller 等人於所著的 Cognitive Load Theory (Sweller, Ayres, & Kalyuga, 2011) 一書 中提及，之所以將人類認知系統的發展，類比為生物演化系統的運作，是因為兩種都是 自然訊息處理系統，都有著相似的訊息處理模式，如認知系統中的長期記憶所扮演的角 色相當近似於進化生物學中的基因組。所以瞭解生物的演化特性，有助於瞭解人類認知
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模式的特性，因而能提升教學設計的概念，此即認知負荷理論的主要目的。接下來將分 別說明認知負荷理論的假設、認知負荷的類型、認知負荷所造成教材設計效應及認知負 荷理論對本研究的影響。
2-1-1 認知負荷理論的四個假設
有關於人類的認知架構 (Cognitive Architecture) ，認知負荷理論有四項基本假設 (Sweller, Van Merriënboer, & Pass, 1998) ，分述如下：
1. 工作記憶（working memory）的容量有限
工作記憶又稱作「短期記憶」其容量是有限的，只能儲存平均約 7 ± 2 個單位，
但是能真正能進行操作的單位只有 2-4 個，且工作記憶能運作或保留的時間極短，若未 能於短時間內立即複誦（rehearsal），大約 20 秒隨即消失，因而形成學習與記憶上的一 項瓶頸（張新仁，1990）。若是待處理訊息本身內部的元素(element)關聯性很強，要彼
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到複雜、粗略到精緻的基模建構(schema construction)，也就是專技（expertise)發展的過 程，由認知發展論 Piaget（皮亞傑）提出。
4. 基模運作自動化（schema automation）是建構基模的重要過程 訊息處理分為：意識化(conscious)和自動化(automatic)
意識處理發生在短期記憶中，耗費意識資源，佔用許多工作記憶的空間。
1. 資訊儲存原則（the information store principle）
在人類認知系統中，長期記憶扮演資訊儲存庫的角色，知識即以基模的形式儲 存於長期記憶中。個體的認知、思考以及解決問題的方法，都受到儲存在長期記憶的 知識所影響。因此，教學的主要目標是累積並改變儲存在長期記憶中的知識。
2. 借用與重組原則（the borrowing and reorganizing principle）
(學生)學習時，大多數知識是由他人(教師)的知識資料庫借用而來，而且大多會 與本身長期記憶中的相關知識(基模)做某種程度的重組，形成新的知識(基模)儲存於 長期記憶中。在整合的過程中具有隨機性，所以有時會產生迷思概念。
3. 隨機生成原則（the randomness as genesis principle）
當遇到問題時，在人類認知系統中，如果沒有適當有用的知識，則將於工作記憶中 隨機產生解決的方法並測試，無效則丟棄，重複此步驟直到發現有效解決問題的方法。
長期記憶中的知識基模有助於減少隨機生成與測試的次數。隨機生成原則所產生的新資 訊單純來自於本身長期記憶中的相關知識，是一種創新的知識，如同突變。而「借用 與重組原則」產生的資訊是來自於外部與本身舊知識的重組，所產生的只是「新」知
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識而非「創新」的知識，如同遺傳。
4. 改變狹隘限制性原則（the narrow limits of change principle）
「借用與重組」或「隨機生成」原則所產生的知識，皆是發生於工作記憶中，
而工作記憶所能處理的元素總量與時間皆有一定的限制，因此不可能產生大量而有效的 改變，所以長期記憶中的知識在短時間內，改變的範圍有限。
5. 環境組織與連結原則（the environmental organizing and linking principle）
受限於工作記憶的容量，所以於工作記憶中所能處理的新資訊是有限的，但處
依據認知負荷理論(Cognitive Load Theory)，在學習過程中，學習者必須在容量有限 的工作記憶中，處理來自於教學者所提供的資訊，因而對工作記憶造成負荷，稱為認知 負荷，分類如下(Sweller et al., 2011)：
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1. 內在認知負荷（Intrinsic CognitiveLoad）：分成兩類
(1) 由學習教材內容本身的複雜度、學習者的先備知識以及上述兩者之間的交互作
(2) 增生認知負荷（Germane Cognitive Load）是指由教學者另外提供有助於瞭解學 習內容之教材，雖有幫助，但仍會佔用工作記憶資源，因而產生另一種內在認 知負荷。
2. 外在認知負荷（Extraneous Cognitive Load）
相同的教材內容以不同的方式來呈現，對接收資訊的學習者來說，也會產生不同程
（extraneous resources）。
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知負荷的教材(Clark, et al., 2006)。管理內在認知負荷是指當內在認知負荷超出工作記憶 的容量時，可以將教材內容適當切割成較小部分的內容，以隔絕內在元素的互動性，如 此就可降低內在認知負荷並且提高學習成效(Kalyuga, 2009)
2-1-4 認知負荷理論在教學上的效應
認知負荷理論起源於 1980 年代，主要目的在於引導教學設計的決定，教學者有責 任要能夠有效的展示教學資料、降低認知負荷，才能夠真正減輕學習者的學習負擔，增 加學習的成效。由於外在認知負荷的主要來源為教材的編排呈現方式所造成，因此 Sweller 等人（1998）提出降低教材負荷量的教學設計原則，後又於 2011 年增修，說明 如下： 成果，發揮創造力，以降低外在認知負荷（宋曜廷，2000；Sweller et al., 1998），稱為 開放目標效應，此效應重點就是允許學生以其自然想法解題。以數學幾何問題為例，通 常是具有特定目標之問題如「求出角 A」，可以改為沒有特定目標的問題如「求出圖形 中的所有角」，如此仍可達到「求出角 A」的目標。但此效應只適用在解決方式有限的 問題(Sweller, 2004)。
2. 工作示例效應（Worked Example Effect）
對於程序性知識（procedure knowledge），教師可逐步示範解題的步驟，協助學生 理解問題及建構完整的解題基模，因此可降低外在認知負荷，使工作記憶可釋放更多的 認知資源去形成自動化基模以存在長期記憶中。
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3. 完成問題效應（Problem Completion Effect）
工作示例是將問題的解決步驟，完全示範予學習者，但若步驟太多，仍會產生過多 的外在認知負荷。而完成問題是工作示例的一部份，即對於問題只呈現一部分的解法，
剩下一部分則由學習者完成，如此將可促使學習者對示例作較深入的思考，且仍具有減 低外在認知負荷的效果（宋曜廷，2000；Sweller et al., 1998）。
4. 分散注意力效應（Split-Attention Effect）
「分散注意力效應」為認知負荷中的一種現象，當學習者面對問題的解釋、說明時，
若這些說明的時間或說明的位置，未與問題同時、同地呈現，學習者為了瞭解問題，必 須分散其注意力於不同來源的資訊，並花費心力將這些資訊整合起來，因而增加了外在 認知負荷。因此面對不同方式、來源呈現的訊息，若需耗費工作記憶整合資訊才能明瞭，
最好同時、同位置呈現。許多研究驗證，若資訊是以實際的整合方式呈現，而不是靠心 力去整合時，可以去除分散注意力的效應（Mousavi, et al.,1995）。
5. 形式效應（Modality Effect）
Mousavi, et al.（1995）的研究提及，形式效應是由分散注意力效應所導出，處理訊 息時，經由多重管道（視覺與聽覺）處理不同性質的資訊，可以增加工作記憶空間，所
6. 冗餘效應（Redundancy Effect）
當圖片與文字不需要在心智上整合就能獨立解釋學習內容時，若將二者同時呈現，
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學習者將被迫建立二者間的關聯，這多此一舉的行為非但無助於加強學習效果，反而會 造成認知負荷（范懿文、陳彙芳，2000）。因此只呈現一種訊息即可，多餘的訊息則除 去，如此可減少注意力於多餘的訊息上，就可降低外在認知負荷。
在 Bobis, Sweller, 和 Cooper（1993）的研究中，將小學生分成兩組作摺紙教學的 實驗，一組以圖示的方法將摺紙流程畫在說明書上，冗餘效應的組別則是在每一個圖示 旁再多加文字敘述，結果發現，只看圖形的學習成效優於圖文並列的冗餘效應組別。
7. 專業知識反轉效應（Expertise Reversal Effect）
專業知識反轉效應是指對低先備知識或低成就水準的學習者是有效的教學設計，但 對於高先備知識者卻無功效，甚至產生負面效果 (Kalyuga，2007)。為了避免此效應的 產生，應設計具有彈性的教材教法，以適用於原本就屬於常態分佈的學習者，及隨著教
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1. A 區：表示高成就水準、低認知負荷，即 Zp > Zc，故 E > 0，為高學習效率 (high-instructional efficiency)。
2. B 區：表示成就水準與認知負荷達到平衡，即 Zp = Zc，故 E = 0，為中學習效率。
3. C 區：表示低成就水準、高認知負荷，即 Zp < Zc，故 E < 0，為低學習效率 (low-instructional efficiency)。
本研究於教學實驗結束後，進行上課感受量表的問卷作答，其中將第三題「你覺得要 理解這單元的內容，在精神上有多費力？」作為「花費心力」的指標，可當作是一種心智 努力，故可視之為總認知負荷而被測量，即上述之 Zc。因此對於高成就水準學生，要如何 判別是否會因外在認知負荷的增加而導致學習效率變低，發生所謂的「專業知識反轉效應」
(Clark et al., 2006)，即可藉由學習效率的分析來觀察。
圖 1 學習效率圖 (Efficiency Graph)
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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「動機」一詞在心理學上是指能夠引起個體活動，並促使該活動朝向某個目標前進 的內在動力。雖然動機不會是一成不變，過程中可能會增加或降低。然而不管如何，在 教學時，若能使學生於學習時維持一定程度的動機，則願意投入的心智努力就越多，也 就越容易有好的學習表現。在動機、心智努力和學習表現是正相關的假設下，Paas (2005) 提出了學習投入分數 I，計算公式如下：
𝐼 =
𝑍𝑝 + 𝑍𝑐√2 ( Zp：後測成績 Z 分數 Zc：認知負荷 Z 分數 )
𝑍 =
𝑋−𝑋 𝑆̅ ( X： 原始分數 𝑋 ̅ ：平均分數 S：標準差）學習投入分數圖如圖 2，圖形之繪製方法如同前述之學習效率圖，所代表的意義說
學習投入分數圖如圖 2，圖形之繪製方法如同前述之學習效率圖，所代表的意義說