科學教育的課程內容重視學生的認知負荷

自 1980 年代 John Sweller 提出認知負荷理論後，引起相當多對於學生學習 和教材設計等相關研究，已被國際高度關注，對教育的課程設計與學生學習的認 知理解，提供了許多寶貴的建議（Paas, Tuovinen, Tabbers, & Van, 2003）。認知負 荷理論是指提供對人類認知的理解，以改善多媒體和教學設計，因為它為個人提 供了處理二級信息的結構（Sweller, Ayres, & Kalyuga, 2011）。學習者因工作記憶 有限，因此教學設計者需要考慮此問題，以便將信息傳遞給長期記憶（long-term memory），人們認知的信息處理系統需要大量信息才能在我們複雜的自然世界中 發揮作用，長期記憶在人們認知中提供了這種結構，我們不需要教人們如何在長 期記憶中存儲或組織信息（Sweller, 1988; Sweller 等, 2011）。Clark, & Mayer （2016）

提出多媒體學習認知理論（Cognitive Theory of Multimedia Learning）認為，當學 習者能夠開始構建心理表徵時，可以發現有意義的學習，學習者透過圖片、地圖、

圖表、圖形、視頻及模擬的動態媒體等多媒體來參與主動學習。所以，教學者在 為學生設計課程時，可以考慮此特點來進行。學習者在使用數位教材時可以減少 認知負荷，並可以改善他們的學習（Abeysekera & Dawson, 2015; Huang, Chen, &

Ho, 2014）。認知負荷理論假定指令的主要功能是促進獲取存儲在長期存儲器中 以供以後使用的輔助信息，在可以存儲之前，必須先透過有限容量及有限持續時 間的工作存儲器來處理該信息，一旦存儲，該信息可用於指導動作來再次使用工 作存儲器，沒有新信息的容量和持續時間限制。基於這些結構和過程，所以在教 學活動的課程設計內容，處理新信息時工作記憶的局限性要更加以重視（Sweller, 2011）。認知負荷的分類及測量如下說明：

(一) 認知負荷的分類

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Sweller, Merriënboer, & Paas （2019）指出認知負荷的分類有三：內在 認知負荷（Intrinsic cognitive load ）、外在認知負荷（Extraneous cognitive load ） 和有效認知負荷（Germane cognitive load），說明如下：

1.內在認知負荷

指正在處理的信息複雜性，並與要素交互的概念有關，依人類認知結 構特徵，其處理信息的複雜性是困難的，信息複雜性的大多數測量純粹指 的是信息的特徵。複雜性或要素交互性取決於信息的性質和處理信息的人 之知識組合。例如：英語單詞“特徵”及其羅馬字母作為從長期記憶中檢索 到的單個要素，可以簡易地處理，但對於學習英語閱讀的人來說，必須在 工作記憶中將書面文字作為多個相互作用的要素進行處理，因為書面文字 尚未作為單個要素存儲在長期記憶中，故對於學習英語閱讀的人來說，可 能構成非常高的要素交互任務，工作記憶負荷較高。所以，最小的要素交 互性構成最小認知負荷的單個要素，內在認知負荷由信息的複雜性和處理 該信息的人的知識決定，內在認知負荷只能透過改變需要學習的事物或改 變學習者的專業知識來改變。

2.外在認知負荷

非信息內在復雜性決定的，而是由信息如何呈現以及學習者需要透過 教學程序做什麼，與內在認知負荷不同，它可以透過改變教學程序來改變。

有效的教學程序減少了要素交互，而無效的教學程序增加了要素的交互性。

3.有效認知負荷

是指學習所需之認知負荷，也就是致力於處理內在認知負荷，而不是 外來認知負荷的工作記憶資源。若處理外在認知負荷的資源越多，則處理 內在認知負荷的資源就越少，因此學習的資源就越少。

外在認知負荷，可透過減少教學程序所引入的信息要素數量來加以減少，如 果教學過程引入的信息要素增加，學生學習期間中的工作記憶中同時處理太多的 信息要素，由於它們的交互作用，那麼工作記憶負荷將會很高。除了改變外在認 知負荷的教學程序外，信息的內在屬性決定了內在的認知負荷，由於其性質，一 些信息要求學習者吸收多個相互作用的要素，這些要素可能導致高內在工作記憶 負荷，增加無關和內在的認知負荷會對總工作記憶負荷過高。所以，外在認知負 荷可改變不適當的教學程序來減少，透過教學內容的優化來降低內在認知負荷

（Sweller, 2010; Chen, Kalyuga, & Sweller, 2015; Chen, Kalyuga, & Sweller, 2017），

並且內在認知負荷由信息的複雜性和處理該信息的人的知識決定，內在認知負荷 只能透過改變需要學習的事物或改變學習者的專業知識來改變（Kalyuga, Rikers,

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& Paas, 2012），目前有實證研究表明，外在認知負荷減少後負荷減少，如果外在 認知負荷減小時，當有效認知負荷簡單地替換外在認知負荷時，則在外在認知負 荷減少之後總負荷應該沒有變化（Sweller 等, 2019）。

(二) 認知負荷的測量（Measuring Cognitive Load）

1.主觀測量技術（subjective measurement technique）

該技術最初由 Paas （1992）引入，以提供認知負荷的總體測量。主 觀測量技術相對於生理技術的主要優點是其靈敏度和簡單性，與生理測 量技術相比，主觀評定量表對投入的心智努力（mental effort）和任務（task）

難度的微小差異敏感，心智努力是指認知能力實際分配用以處理任務的 能力，可以被認為反映了實際的認知負荷。雖然主觀評定量表的簡單性被 認為是其主要優勢，因為它可以很容易地用於研究和實踐。 Paas 等（2003）

和 Van Gog & Paas （2008） 提出主觀評定量表的使用方式，在所有學習 或測試任務之後僅使用一個測量，而不是每次學習和測試任務後平均多 次測量的數量。

2. 次要任務技術（secondary task technique）

基於有限工作存儲器容量的假設，次要任務技術將次要任務上的學 習表現用作主要任務施加的認知負荷的指標。假設次要任務的低或高學 習表現指示由主要任務施加的高和低認知負荷。然而，次要任務技術因 其侵入性而被批評即施加可能干擾主要任務的額外認知負荷，並且無法 區分不同類型的認知負荷（Paas 等, 2003）。

3.生理學技術（physiological technique）

生理學技術是指認知功能的變化由生理變量來反映。例如：使用功能 性磁共振成像神經影像技術（Whelan, 2007）、大腦電圖及運用超文本的學 習環境、用於測量認知負荷常用技術基於眼睛追踪變量（eye-tracking variables）用於觀察瞳孔擴張、眨眼率、注視時間和眼跳（Antonenko &

Niederhauser, 2010），其中瞳孔擴張與年輕人的認知負荷呈正相關，但與老 年人無關（Van Gerven, Paas, Van Merriënboer, & Schmidt, 2004），近年來，

移動測量裝置的發展已經越來越容易使用生理學技術來測量認知負荷。

認知負荷的可行性與其主要優勢有關，它堅定地基於我們對人們認知結構的 擴展知識，隨著人們認知知識的進步，它正在不斷發展，並且它導致可檢驗的假 設，可能的負面結果導致理論的修改，該理論產生的大量數據基於隨機對照試驗，

而這些隨機對照試驗為教學程序的有效性提供了證據，這些教學程序可用於從傳

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統教室到電子學習的各種教育環境，教授從非常年輕到成人學習者的所有年齡組 範圍。故本研究採用主觀測量技術，考量其靈敏度和簡單性，在教學活動後，針 對學習者進行認知負荷調查，以了解學者對於課程的影響情形，並從結果中進一 步精進戶外科學教育課程設計。

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