本章針對認知負荷理論、注意力與視覺搜尋、多媒體學習理論及數形規律進 行探討。
2-1 認知負荷理論
「認知負荷 ( Cognitive Load )」一詞源自於歐美的人體工學與人因工學等領 域，從心理、生理與認知層面，探討工作與任務對執行者的影響與適合性。早期 應用於軍事訓練與各種企業上，稱為「心智工作負荷 ( mental workload )」。1980 年代，Sweller 將此概念引入教育界，開始聚焦於教學法及學習內容對於學習者概 念獲得與認知層面的影響（黃克文，1996）。
Sweller ( 1988 ) 認為傳統的問題解決法太強調解題技巧，學習者必須使用大 量的認知記憶能力，導致沒有多餘的認知能力來從事學習與獲得基模，因而造成 認知負荷。他指出認知負荷與工作記憶中的記憶單位數有關，個體若將一大堆的 記憶項目儲存於工作記憶中，就容易造成「過度」的認知負荷。其後，Sweller 等 人將「認知負荷」定義為將一特定工作加諸於學習者的認知系統時所產生的負荷 ( Sweller et al. , 1998 )。
Paas & Merriënboer ( 1994 ) 也認為認知負荷是將一特定工作加諸於學習的認 知系統時，所產生的負荷，也就是工作記憶的負荷。他們進一步並指出認知負荷 是多向度的，包括了「因果要素 ( Causal Factors )」與「評估要素 ( Assessment Factors )」。分述如下：
1. 因果要素是認知負荷的來源，包括任務環境（例如：教材本身結構的複 雜度、壓力、噪音、溫度等）、學習者的特性（例如：年齡、認知能力、
先備知識等）及任務與學習者的交互作用（例如：績效、動機等）。 2. 評估要素可以用來評估個體的認知負荷，包括心智負荷 ( Mental Load )、
心智努力 ( Mental Effort ) 及工作成效 ( Performance )。「心智負荷」為工 作任務本身的困難度或外在環境所造成，「心智努力」則為個體為了完成 任務而付出的努力所造成，若個體對於學習內容所感受到的困難度越 大，或者在心智上需付出的努力越多，則認知負荷就會越大；而「工作 成效」是心智負荷、心智努力融合因果要素所呈現的反應。
2-1-1 基本假定
認知負荷理論對認知架構有四項假定，分別為：
1. 工作記憶區的容量有限
接收資訊時，必須仰賴工作記憶對訊息的處理，但工作記憶區容量 有限，平均能儲存七個元素 ( Elements )，若要進行組織、對比、比較等 處理，則同時間僅能處理 2-3 個。此外，訊息在工作記憶區所停留的時 間極為短暫，若未經覆誦，大約 20 秒就會遺忘。
當處理的訊息本身的內部成分關聯性很強，要相互參照才能了解，
則會耗費工作記憶的容量，產生較大的認知負荷，因而增加學習的困難。
而當處理的訊息提取自長期記憶時，工作記憶限制便會減弱 ( Leahy &
Sweller, 2005 ) 。 2. 長期記憶區的容量無限
工作記憶中的訊息經過處理後會進入長期記憶區，長期記憶區的儲 存量不但無限，同時也是永久的（張春興，1996）。長期記憶中所儲存的 內容是專家與生手之差別所在，專家在長期記憶中存有大量的問題狀態 知識與相應的解決策略，面對問題時，可以從中提取較好的策略。反之，
生手則需在工作記憶區中推理以尋找解決之道，耗費較多的工作記憶容 量，因而增加了認知負荷。
3. 知識和技能是以基模 ( Schema ) 的型態儲存於長期記憶區中。
知識和技能是以基模的型態儲存於長期記憶區中，基模在長期記憶 中具有組織與儲存訊息的功能，透過工作記憶區的運作，能將眾多訊息 融成一個複雜的高階基模，成為一個單一的處理單位，因此可使工作記 憶區釋放出更多的資源空間，進而達到降低工作記憶區的負擔。
4. 基模運作自動化 ( Schema Automation ) 是基模建構的重要過程。
人類有控制式和自動化兩種處理訊息方式。控制式處理受意識所控 制，在工作記憶區中進行，運作時佔據較多工作記憶容量；而自動化處 理不太需要意識監控，耗費較少的工作記憶容量，因此可對訊息做更深 入的處理。許多知識技能起初都是經由意識處理，透過不斷地練習之後 才轉換成自動化處理 ( Sweller et al. , 1998 )。
2-1-2 認知負荷的類型
Sweller 等人就教學設計以及訊息在工作記憶區中處理的難度和負荷感的來 源，將認知負荷分為內在認知負荷、外在認知負荷、有效認知負荷，分述如下：
1. 內在認知負荷 ( Intrinsic Cognitive Load )
內在認知負荷和教材本身元素交互作用流量的總量、學習者的先備 知識及專門知識有關。元素交互作用流量的總量越高的教材，學習者必 須在工作記憶區內處理較大量的元素，因而產生的內在認知負荷越高；
而先備知識、專門知識較高者因擁有自動化的高階基模，可以降低工作 記憶區容量的消耗，因此產生的認知負荷較低。
Kalyuga ( 2009 ) 指出若內在認知負荷超出工作記憶的容量，那麼我 們就必須適當去管理它，例如：將最初的目標切割成數個必要處理過程 在工作記憶限度下的子目標，也就是說將教材分割成較小的部份，讓學 習者逐步地處理教材的內容。
2. 外在認知負荷 ( Extraneous Cognitive load )
Clark 等人認為外在認知負荷是指學習者所感受到的心智負荷，但卻 不符合學習目標且浪費有限的認知資源的認知負荷 ( Clark, et
al.,2006 )。外在認知負荷與教材的組織和呈現方式有關，藉由修改訊息呈 現方式及訊息組織等方面的設計，可以降低外在認知負荷。
Kalyuga ( 2009 ) 歸納產生外在認知負荷之教學的四種典型如下：
(1) 空間／時間分散注意力情況：
將相關內容的表徵分開呈現使得學習者必須大量進行搜尋和比 對的過程。
(2) 過多訊息情況 ( excessive information situation )：
訊息變換的步驟或速度過大，以至於大量新的元素進入工作記憶 或太快進入工作記憶區，而無法成功地與長期記憶的架構整合。
(3) 引發搜尋情況 ( induced search situation )：
未提供適當的引導，無法補足有限的知識，而迫使學習者使用隨 機程序去搜尋。
(4) 重複情況 ( redundancy search situation )：
因為外部的引導使得學習者必須在相同內容卻以不同表徵呈現 的教材間耗費認知資源去進行參照比對。
3. 有效認知負荷 ( Germane Cognitive Load )
有效認知負荷是指透過有助於教學目標的教學活動或設計以吸引學 習者的注意力，使其因為專注於學習內容的認知過程或基模建構而造成 的認知負荷感。在不超過學習者總認知負荷量（內在認知負荷、外在認 知負荷、有效認知負荷之總合）的情況下，適當的引入有效認知負荷始 有意義。
2-1-3 認知負荷的教學設計原則
Sweller 等人 (1998) 根據之前認知負荷理論的相關研究結果先提出了七項教 學設計原則，其後Sweller 於 2004 依據眾多實驗證據發展為十一項教學設計原則，
2010 年再歸納成十四項教學設計原則，以下就教學設計所產生的效應與其影響之 認知負荷類型，分述如下：
1. 開放目標效應 ( Goal Free Effect )－外在認知負荷
開放目標效應是指讓學習者在沒有具體的目標下，盡可能地表達個 人思考過程中的任何步驟或結論，適用於解決方式之數量有限及解決方 式和過程是有教育性意義的領域 ( Sweller, 2004 )。
單一目標或標準答案導向的解題方式容易侷限想法，造成較大的認 知負荷，若能讓學習者能不受目標限制的自由思考，不但能降低外在認 知負荷，基模的建構也更有效，當開放目的的問題比傳統問題引發更多 的學習時，開放目的效應就發生。
2. 工作示例效應 ( Worked Example Effect )－外在認知負荷
教師教導程序性知識時，呈現適當的工作示例供新手學習者參考，
協助他理解問題狀態與步驟，可以減少無謂的探索與資源耗損，藉由降 低工作記憶的負荷，使學習者能有更多的資源去形成基模。
3. 完成問題效應 ( Completion Problem Effect )－外在認知負荷
完成問題是指給定一個特定的目標狀態，提供學習者部分的解決方 案，其餘的則由學習者繼續完成，適用於以設計為導向的軟體設計、電 子電路設計、生產流程規劃等主題領域 ( Sweller, et al., 1998 )。證據顯 示，相對於傳統問題解決，完成問題與工作示例一樣，能降低外在認知 負荷、減少心力付出、促進基模建立並引發更好的學習轉化 ( Paas, 1992;
Sweller, et al., 1998 )。
4. 分散注意力效應 ( Split-attention Effect )－外在認知負荷
當學習者面對必須加以整合才能達到學習與理解的多重訊息來源 時，若這些訊息的分散在不同的位置或時間，學習者必須分散注意力將 訊息保留在工作記憶中並在相關訊息間來回搜尋、比對，耗費額外的工
作記憶資源，以致於增加了認知負荷。Mousavi 等人( 1995 ) 指出許多研 究驗證，將相同內容訊息以實際整合的方式呈現，而不是靠心力去整合 時，可以減低工作記憶區的負荷量、去除分散注意力的效應。
5. 重複效應 ( Redundancy Effect )－外在認知負荷
倘若圖像、文字和口語解說都傳達同樣的內容，而且僅用圖像、文 字或口語其一解說便能將訊息傳達清楚，那麼當多碼同時被展演就會產 生重複效應 ( Sweller, 2004 )。當學習者面對多元但可獨立呈現（不需相 互參照整合就能理解）的訊息時，若這些不同形式的相同訊息在空間或 時間上同時出現，大量的訊息同時進入到工作記憶中，反而會導致工作 記憶負荷過度，增加學習者的認知負荷。例如：當圖片與文字分別都能 解釋內容時，若二者同時放置一起，將強迫學習者去建立二者間的關聯，
此舉非但不能加強學習效果，反而會造成認知負荷（范懿文、陳彙芳，
2000）。
6. 形式效應 ( Modality Effect )－外在認知負荷
當學習者接受圖像搭配口語解說之形式與圖像搭配文字解說之形式 的教材呈現，前者的學習成效會優於後者，這便是形式效應 ( Kalyuga, 2009 )。相對於同屬視覺形式的圖像和文字解說，圖像與口語解說分別進 入視覺通道和聽覺通道，不會有通道阻塞和資源不足的問題。來自不同
當學習者接受圖像搭配口語解說之形式與圖像搭配文字解說之形式 的教材呈現，前者的學習成效會優於後者，這便是形式效應 ( Kalyuga, 2009 )。相對於同屬視覺形式的圖像和文字解說，圖像與口語解說分別進 入視覺通道和聽覺通道，不會有通道阻塞和資源不足的問題。來自不同