第二章 文獻探討
2-1 認知負荷理論
認知心理學家 George A. Miller (1956) 提出的工作記憶容量(Working Memory Capcity)有限，開啟了人類認知資源有限的概念，在此基礎上澳洲新南威爾斯大學的心 理學家 John Sweller 和其團隊，於 1988 年首先提出認知負荷理論(Cognitive Load Theory) 並引入教育領域，其從 70 年代開始即致力於教師的教學內容與學生於學習過程中所衍 生問題的探究，該理論提出後獲得國際的重視，近年來更成為教育界在討論教學教材設 計及學生學習成效不可或缺的理論，以下將針對認 Cognitive Load Theory (John Sweller, Ayres, & Kalyuga, 2011)作一探討。
2-1-1 認知負荷對認知架構的基本假定
Sweller(1988):認知負荷即是「將特定的工作加在個体的認知系統時，所產生的負荷 量。」該理論對認知的架構提出了的四個基本假定 J. Sweller, Van Merrienboer, and Paas (1998)，以下針對該文所提概念作一陳述：
1. 工作記憶 (Working memory) 容量有限
工作記憶就如同人類的認知，由 Miller 提出的工作記憶處理訊息容量以 7 加減 2 個概念後，工作記憶容量受到重視，在學習過程中接收新資訊皆是由工 作記憶來處理。它負責了訊息的處理比對和組織；也因為工作記憶容量有其限 制，教師在設計教材時須注意學習者工作記憶容量有限，不可一次給予過多的 訊息，而且在同一個時間只能處理有限的元素，認知負荷理論以此為核心主張。
2. 長期記憶 (Long-term memory) 容量無限
De Groot 1966 西洋棋棋譜擺設實驗證明了，專家和生手的差別是在棋譜量 的多寡，並不是工作記憶的處理，所以對隨機的擺設，專家和生手就差異不大，
由此可知資料經工作記憶的處理後轉換到長期記憶，長期記憶所儲存的資料可 以是單一元素也可以是一連串資料所串起的程序，當遇到問題時，長期記憶就 會適時的提出解決問題的方案，教師教學設計應以學生知識獲取為主，也就是
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增加其長期記憶的知識量。
3. 知識與技能以基模 (Schema) 型態儲存於長期記憶
基模理論（Schema Theory）可以定義作為一種認知結構，使我們能夠分類 多個元素到一個單一的元素(Michelene T. H. Chi, Robert Glaser, & Rees, 1982)，
知識是以基模的型式儲存於長期記憶，基模和基模間可以合併再儲存回長期記 憶，所以基模的功能之一是知識的組織和儲存，基模的另一個功能是可以降低 工作記憶的負荷，由基模的重組，可以將大量的訊息再結合成一個基模而存回 長期記憶，以達成工作記憶的負荷。
4. 自動化運作 (Automation) 是基模建構的重要過程
基模的建構以自動化程序進行，且其運作是以最小的工作記憶負荷來進行，
如此可釋出工作記憶資源來處理另外的訊息，降低工作記憶的負荷。在熟悉工 作任務的它可以幫助我們準確，流暢，而陌生的任務，部分需要自動化流程以 達到最高的效率。自動化訊息之間不只要有良好的結合，更需要大量的練習，
才有辦法達到自動化的程度。有了充足的練習，才能用最少的知覺努力執行所 需步驟。
2-1-2 人類認知架構和生物演化系統
Sweller 認為生物演化和人類認知，他們有些共同的特點，能夠創造出新的訊息，
旨在處理各種環境；創建新的訊息，有效的訊息會予以保留；使用儲存的訊息來管理的 活動；它們可以有效的跨越時間和空間來傳遞信息。基於上述特點他們皆被視為一種自 然訊息處理系統，處理訊息時有以下原則(John Sweller et al., 2011)：
1. 訊息儲存原則 (The Information Store Principle)
自然的訊息處理系統，建立足夠大的訊息儲存，長期記憶扮演著巨大的訊 息資料庫其角色如同生物演化的基因組序列一般，人類的認知受長期記憶內容 的控制，學習者的感知、如何思考以及解決問題，受過去的學習及儲存在長期 記憶的知識所影響。因此，教學的主要目標是累積儲存在長期記憶中知識。
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2. 借用和重組原則 (The Borrowing and Reorganising Principle)
由其他人長期記憶的訊息模仿並借入而來，經由視覺及聽覺的認知處理管 道，並與自身儲存在長期記憶的訊息做重組，若有效則會再儲存回自身的長期 記憶。因此，新的知識基模，是學習者將呈現的訊息借入，與儲存在長期記憶 的基模重新組織建構而來，借用和重組原則提供了我們獲得知識的主要程式。
它是認知負荷理論的重要原則，也是教學設計的中心，教學應提供足夠的訊息 供學習者借用，並與本身長期記憶提取相關概念基模於工作記憶中結合，使學 習者達成知識的累積。
3. 隨機生成原則 (The Randomness as Genesis Principle)
借用和重組原則是經借用他人資訊，並重組以前儲存的資訊而創建新的知 識基模；隨機生成原則則是當人類於問題解決時，並無法從他人借用訊息，且 自身又無有效解決策略時，則會以隨機的方式產生問題解決策略，產生的策略 於工作記憶中進行檢測，並不斷測試這些策略是否有效，若無效的策略則會予 以摒除，有效的策略則會以基模的型式回存長期記憶，為後續學習時使用。
4. 改變狹隘限制性原則 (The Narrow Limits of Change Principle)
隨機生成原則於訊息處理時產生新知識，因為處理新訊息時工作記憶容 量非常有限，依 Miller 提出對工作記憶容量有限的概念後，對處理的新訊息量 若過多時，會造成訊息系統的無法負荷，另一個是新訊息於工作記憶的儲存時 間有是有其限制 Peterson and Peterson (1959)，大部分的新信息在工作記憶中只 能維持幾秒鐘，約 20 秒後幾乎遺失全部的信息。為了免除新訊息於工作記憶中 容量和時間限制；因此，適當限制工作記憶處理元素數量，避免工作記憶的負 荷過重，但長期記憶所熟知訊息則不在此限。
5. 環境組織與連結原則 (The Environmental Organising and Linking Principle) 前面 4 個原則解釋自然的信息處理系統如何獲取和儲存信息，環境組織及 連接原則允許大量儲存的信息可被用以決定和一個特定的環境有關的活動，也 以此原則作為自然訊息處理系統的最終目的。因此，長期記憶的知識基模可以 大量的載入工作記憶中處理，因其並非是接收新訊息的處理，所以其工作記憶
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不受改變狹隘限制性原則，工作記憶不受容量和時間限制，用以管理適合此環 境組織複雜的活動。
以上五個人類認知架構的基本原則，可以用來描述一個自然信息處理系統，其目的 是為了獲取知識，也就是增加長期記憶的基模，這五個原則彼此合作運行是否順利，工 作記憶扮演著關鍵的角色。
教學的過程必須考慮到工作記憶的限制；教學的一個主要目的是增加在長期記憶的 可用知識。學習被定義為好的長期記憶改變，所以如果長期記憶沒有變化那麼並沒有發 生學習。從認知結構的角度看，學習的目的是增加環境組織和連結原則的效益。環境組 織和連接原則要有作用，取決於在長期記憶中的信息，借用和重組原則是增加長期記憶 中的信息最有效的方式，因此教學應強調這一原則。
如果信息不可借用，唯一的解決方案是透過隨機生成原則創造信息，因為改變狹隘 限制性原則，當工作記憶處理新信息會變得較為緩慢。所有信息，無論是通過借用和重 組原則的重組或通過隨機成因原則獲得，二者皆受工作記憶的限制。
2-1-3 認知負荷類型
Sweller 在 Cognitive Load Theory 定義將學習者必須在工作記憶處理教材訊息，而教 材訊息所加在工作記憶的負荷即為認知負荷，其類型如下：(John Sweller et al., 2011)
1. 內在認知負荷 (Intrinsic Cognitive Load)
內在認知負荷，一種是由學習教材的內在性質所施加的認知負荷和教學程 序無關，工作記憶處理分配資源，稱之。另一種是由材料的內在性質所施加的 負荷的資源與學習有關，被稱為增生資源（germane resources），增生認知負荷
（Germane Cognitive Load）不是由學習材料所施加，而是用於學習相關信息的 工作記憶資源，它雖是不同的類別，但這樣的信息施加一種內在認知負荷。
2. 外在認知負荷 (Extraneous Cognitive Load)
外在認知負荷，由教材呈現的方式或學習者從事的學習活動所造成的認知 負荷和學習材料的性質無關，工作記憶處理分配外在資源（extraneous resources），
稱之。教材呈現方式會增加認知負荷，而這負荷在許多情況下是不需要的，且
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與學習目標無關，因此教材設計應盡可能降低外在認知負荷。
學習材料所施加的認知負荷總量是由內在與外在認知負荷加總得來，且工作記憶資 源有限，若總負荷量超過工作記憶資源則將造成無效學習或學習失敗，所以教材設計應 該盡可能減少外在認知負荷，以便較大比例的工作記憶資源可以用在與學習相關的部份，
因此減少分配給無關的問題的工作記憶資源，並且增加可用的增生資源分配給內在認知 負荷。使工作記憶資源用於和學習有關的內在認知負荷。
學習材料本身元素的交互性（Element Interactivity）即學習內容的複雜度，亦會影 響內在和外在認知負荷，在學習內容複雜度較低，元素交互性低，則內在認知負荷較低，
教材設計及呈現程序等外在認知負荷，兩者的總量小於工作記憶資源，較不易干擾學習；
若學習內容較為複雜，則高元素交互下，雖學習者本身的先備知識至為重要，在基模自 動化下，內在認知負荷雖可較低但仍會較低元素交互性高，教材設計及呈現程序等外在 認知負荷就更為重要，因認知負荷總量較易大於工作記憶資源，造成無效學習；所以，
工作記憶資源若用在處理不當的教學設計，在低內在認知負荷的時候可能沒關係。但當 高內在認知負荷時它可能是關鍵，如何降低外在認知負荷呢？認知負荷效應關注在降低
工作記憶資源若用在處理不當的教學設計，在低內在認知負荷的時候可能沒關係。但當 高內在認知負荷時它可能是關鍵，如何降低外在認知負荷呢？認知負荷效應關注在降低