認知負荷

「認知負荷」的理論源自歐美的人體工學與人因科學等領域，從心理、

生理、認知等層面，來探討工作與任務對執行者的影響及適合性（黃克文，

1996）。最早應用於軍事訓練及各種企業上，稱為心智的工作負荷（mental work load），並作為任務、工作與操作系統設計上的參考指標，盡量減少任 務與工作對執行者的心智負荷，以增加執行時的績效。1980 年代，於澳洲 新南威爾斯大學教育學院的 Sweller (1988)從中引用而提出了「認知負荷理 論」（cognitive load theory, CLT），其中指出教學設計對學習者認知負荷的 影響，以及認知負荷與教學效果的關係後，便引起了眾多學者及教育者的 注意，由於認知負荷是由認知過程的角度出發，故研究者先就認知的過程 作一介紹。

一、 認知的過程

首先在認知負荷的理論中，就學習者的認知過程而言，其認知架構可 分為在學習過程中「工作記憶」、「長期記憶」及「短期記憶」3 種不同的 角色（Sweller, vanMerrienboer, & Paas, 1998）：首先，當外界刺激不論是經 由視覺、聽覺、嗅覺、或味覺而來的訊息，通常在 3 秒內便會加以收錄，

但並非是所有的訊息均能如此，其中會經由刺激本身的特性和個體主觀的 生理狀態來決定（鄭昭明，1996），之後經過感官之辨識、編碼等處理後，

便能將此訊息加以保留約 30 秒，此階段則為「短期記憶」（張春興，1991），

倘若這段期間並無加以處理或覆誦，便很容易將之遺忘，記憶便隨之消失。

再來就「工作記憶」而言，它主要的功用是將收錄而來的訊息加以組織、

建構、比較及處理，當資訊的交互作用越發複雜，則其處理量便益發減少，

所以工作記憶本身處理的單位是有限制的，其容量為 7±2 的單位（Miller, 1956），如果超過「工作記憶」的運作範圍，那學習將無法發生。之後，之 後當「短期記憶」的訊息經過資訊編碼後便到「長期記憶」裡加以儲存。

所謂「長期記憶」，其容量與時間本身是不受限制的，而且其保存的訊息亦 能長期存在，故又稱為「永久記憶區」；而在「長期記憶區」裡有「基模」，

它能引導新訊息的接受和舊訊息的提取，並且藉由記憶檢索來減少工作記

憶區的負荷。這樣一來，基模便可視為一中央執行者，它的作用就是將「工 作記憶」處理過後的訊息和知識加以組織起來。此外，基模可自動建構並 重複使用，基模組織後的訊息及知識的儲存，便能大大的減低工作記憶的 負擔。事實上，「長期記憶」會改變工作記憶的特性。「長期記憶」擁有認 知基模，人類專技則來自於基模內儲存的知識，而非「長期記憶」中將各 元素間組織過的理解，而其在複雜度及自動化上是有不同程度之分的。當 然工作記憶區從長期記憶中提取資訊時並無限制（Ericsson & Kinstsch, 1995;

Sweller, 2003, 2004；引自 vanMerrienboer & Sweller, 2005）。如專業棋士能將 各個單獨棋子的擺放位置，在心裡以簡單的心像發展出複雜的基模，使其 置於絕佳的位置。因此，專業棋士能在最短的時間由長期記憶區提取而決 定最佳的棋路，因而有較好的表現。再如，餐廳的基模為例，它可能包含 了食物、產品的價格與服務人員位在何處、餐廳的外觀建築與其內部桌椅 配置情形，或是其他複雜的事項等等。這些零碎的訊息，都可以經由基模 將複雜的要素彼此相連而變成基模，因此每當我們想去餐廳時，便能輕易 的想像出餐廳的大致情形，而減少工作記憶區的負荷。

二、 認知負荷理論

（一）認知負荷的定義與來源

根據 Paas 和 vanMerrienboer (1994)，其認為認知負荷是一種多向度的 概念，當執行一個任務時，在學習者認知系統上的負荷均屬之，而其主要 為工作記憶的負荷。而構成認知負荷的原因乃是學習者的心智努力程度和 覺知的內容困難度。但認知負荷的來源為何呢？Paas 和 vanMerrienboer (1994)認為其乃是一個多向度的架構，包括了因果要素及評估要素：

1.因果要素：概括來說是造成認知負荷的原因，它含有三項，分別為：任 務/環境的特性、學習者的特性、任務/環境與學習者間的交互作用，茲 介紹如下：

(1)任務/環境的特性：含任務結構、任務熟悉度、時間壓力、噪音、溫度 等，以上為容易變動的因子。

(2)學習者的特性：學習者的認知能力、認知型態、先備知識等，皆屬於

較為不易變動的因子。

(3)任務/環境與學習者間的交互作用：如績效、動機、激勵等因子。

2.評估要素，乃是認知負荷導致的結果，分別如下：

(1)心智負荷：由工作需求或環境需求所造成

(2)心智努力：個體為了完成任務，所付出的能力或資源。Paas(1992)認 為心智努力可由量表測量得出，以作為認知負荷的指標，幫忙反映 出績效達成時所付出的認知成本及教材的有效性。

(3)表現績效：綜合上述 3 個因果要素呈現的反應。

但在教學過程中，Marcus，Cooper 和 Sweller（1996）則指出，影響認 知負荷的三個因素分別如下：

1.學習者的先備經驗：學習者能否瞭解學習內容咸和訊息量是否超出運作 記憶所能負荷相關，若能將新的訊息和先備經驗加以整合，必能降低工 作記憶的負荷。因此先備經驗的有無，可說是認知負荷的首要來源。

2.教材的特性：教材的內在要素間相互關聯的程度乃為形成認知負荷的另 一個原因，當內在要素間相互關聯低時，學習者不需參照其他訊息來源 即可輕易的瞭解教材內容；反之，若內在要素間相互關聯高，則學習者 在學習時必然將較多的要素同時置入記憶區來思考，如此一來便造成了 較高的認知負荷而阻礙學習。

3.教材的組織：因應不同訊息的特性，應以適當的方式呈現，若呈現方式 不當將造成無謂的認知負荷。如圖形應多利用空間關係的呈現；文字 則適合以序列方式(serial connection)來處理。

大體來說，認知負荷的來源或影響認知負荷的因素皆和學習者的先備 經驗、學習內容的呈現方式，及兩者的交互作用過程相關。不論是教學或 是日常生活的事物，均需要藉由長期記憶中的基模將舊訊息提取而出才能 減少自身在學習時的認知負荷，而此即為學習者的先備知識或經驗，當然 教材中的呈現方式或所需處理事件的難度高低也攸關著學習者在學習時所 感知到的認知負荷，當關聯性低時，需要耗費較多的認知資源才能了解或

完成任務，反之，則毋須耗費太多認知資源即能達成目標。

（二）認知負荷的類型

Sweller et al.,(1998)將認知負荷的類型分成三類：內在認知負荷、外在 認知負荷及增生認知負荷。「內在認知負荷」乃由教材本身造成，當教材要 素與要素間相互關連性低，學習者就不需將各要素同時置入工作記憶區，

即能瞭解各要素，內在認知負荷並無法藉教學設計而有所改變，唯有將教 材的內在要素間相互關聯性簡化，才能降低內在認知負荷（Paas, Renkl, &

Sweller, 2003）。再來，「外在認知負荷」是由教材呈現方式、教材設計、教 學活動本身造成，倘若教材未顧及到訊息的結構和學習者的認知架構，就 會導致外在的認知負荷(Paas et al., 2003a)。而「增生認知負荷」則有益學習，

因為它能促進基模建構及自動化，而且它也比較像外在認知負荷而非內在 認知負荷，此外它受教學設計者的影響，教師藉由教學設計吸引學生注意，

增加學生在學習時的負荷感，但是卻可輔助基模的建構和自動化。

Paas et al.,（2003a）對這三類型的認知負荷，作一簡單的結論：「內在 認知負荷」是基本的認知負荷，它無法經由教學設計來降低，然而可經由 基模的獲得和自動化來降低，降低內在認知負荷就可降低整體認知負荷；

「外在認知負荷」則可藉由有效的教學設計有所降低；而「增生認知負荷」

則可以促進基模之形成。

（三）認知負荷的教材設計原則

針對上述認知負荷的來源、影響認知負荷的因素及其認知負荷的類 型，Sweller 等人(1998)根據認知負荷理論提出了教材的設計原則，對於教 材（圖形與文字）的配置及編排主要有 3 項，茲介紹如下：

1.分散注意力效果（split-attention effect）：學習者面對多重訊息的來源，當 他們必須加以整合參照才能達到學習目的時，若將這些訊息安排在不同 位置，則學習者需將注意力分散至各處，此時便會增加認知負荷而減低 學習效果。Mousavi、Low 和 Sweller (1995) 認為當相同內容以整合方式

呈現時，會比分離方式為佳，因為後者需要花費心力將不同的資訊來源 整合後才能有效獲得資訊，因而增加工作記憶區的負荷量。也有研究（eg., Chandler & Sweller, 1996; Kalyuga, Chandler, & Sweller, 1998; Yeung et al., 1997）顯示若資訊以實際整合方式呈現，將可去除分散注意力效果，而 增進工作記憶的使用量。

2.冗餘效果（redundancy effect）：學習者面對多重訊息來源時，當這些訊息 明確，可以獨自呈現卻放在一起時，會造成大量訊息需同時進入工作記 憶中，導致記憶過度負荷，減低學習成效。Bobis, Sweller, & Cooper(1993) 以摺紙測驗作為主題，以圖文不同配置的方式作為變數來測量小學生的 速度及正確度，發現若圖形本身已含足夠訊息，讀圖組的同學不論在速 度或正確度上皆優於文字組或文字加圖組。

3.模態效果（modality effect）：若以不同知覺型態，而非以單一型態同時呈 現訊息時，可減低短期記憶負荷，提升學習成效。從 Mousavi et al.,(1995) 的研究可以發現視覺和聽覺的工作記憶區有些部分是獨立的，在研究中 供予文字+圖形的那一組的認知負荷會比提供文字+旁白的組別為高，原 因乃是文字和圖形皆為視覺模態，但文字和旁白，分別為視覺模態及聽

3.模態效果（modality effect）：若以不同知覺型態，而非以單一型態同時呈 現訊息時，可減低短期記憶負荷，提升學習成效。從 Mousavi et al.,(1995) 的研究可以發現視覺和聽覺的工作記憶區有些部分是獨立的，在研究中 供予文字+圖形的那一組的認知負荷會比提供文字+旁白的組別為高，原 因乃是文字和圖形皆為視覺模態，但文字和旁白，分別為視覺模態及聽