認知負荷

認知負荷理論(cognitive load theory,CLT)起源於 1980 年代，由澳洲新南威爾斯大學 教育學院的 J. Sweller 所提出，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；該理論提出後立即成為國際焦點，除了成為許多研究的理論基礎，

亦被廣泛應用於教學設計，是當前有關學習與教學設計最具影響的理論之一。

「認知負荷」(Cognitive Load)是將一特定工作函諸於學習者的認知系統時所產生的 負荷，也就是工作記憶負荷。凿含了兩種成分，一是心智負荷(mental load)，二是心智 努力(mental effort)(F. G. Paas, 1992)。以下將就其基本假定、類型及其在教學上的應用函 以整理說明：

一、認知負荷的基本假定

認知負荷理論對人類認知架構提出四個基本假設(Sweller, Van Merrienboer, & Paas, 1998)，分述如下：

1.工作記憶（working memory）容量有限

工作記憶又稱作「短期記憶」，其容量是有限的，只能儲存帄均約 7+2 個單位，但 是真札能進行操作處理的，只有 2-4 個要素，且工作記憶運作或保留的時間極短，若未 經複誦（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）。因此，若是待處理的訊息或材料本身的內部要素(element)互動性很強，要相互 參照才能了解，則很耗費工作記憶容量，因而產生更大的認知負荷。在人類的認知歷程 中，所有有意識的活動處理，都是在工作記憶中進行的。

2.長期記憶（long-term memory）容量無限

長期記憶的多寡可謂是專家(expert)和生手(novice)差別的主要來源，原因在於前者 的長期記憶儲存了龐大的問題狀態(Problemstates)知識以及對應方法。面對問題情境時，

憶中可以發揮組織與儲存知識的凾能，個體將許多佔用工作記憶容量的訊息融合成一個 複雜的基模，而使之變成一個處理單位，以減低工作記憶的負荷。

4.基模運作的自動化（schema automation）是基模建構的重要過程

自動化是基模結構中重要的程序。所有的訊息不是透過意識(conscious)處理，就是 透過自動化(automatic)處理。許多知識技能起初都是經由意識處理，經不斷練習之後才 轉換成自動化處理。因此，基模自動化(schema automation)可以節省許多工作記憶運作 的負荷，而對更多訊息作同時或更深入的處理。教學設計如何達到基模的建構及自動 化，就是認知負荷理論所關心的焦點。

二、認知負荷的類型

Sweller 等學者從教學設計的觀點，依認知負荷的來源而將認知負荷分為以下三類 (Sweller, et al., 1998)：

1.內在認知負荷（intrinsic cognitive load）

內在認知負荷主要受到教材本身要素間相互關連程度的影響，亦即受到教材本身難 易程度的影響。內在認知負荷是基本的負荷，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。但對於教材 內在要素間相互關連性高的複雜教材，內在認知負荷的產生是無法透過教學操作來避免 的(F. Paas, Renkl, & Sweller, 2003)。此種負荷是材料本身的特性造成的，因此不易由教 學設計來改變。

綜合上述，內在認知負荷主要來自教材的特性（要素間的關聯程度）與學習者本身 的程度，以及兩者間交互作用的影響。

2.外在認知負荷（extraneous cognitive load）

外在認知負荷或稱為無效的認知負荷（ineffective cognitive load），主要受到教材呈 現方式和教材設計，或是教學活動本身的影響，與學習者的基模建構和自動化無關，故 是由教學者所主導。教材呈現方式不同，對訊息接受者來說會造成不同程度的外在認知 負荷，此種負荷是外函的，因此可藉由教學中訊息的呈現與組織方式的設計而降低，而 被視為是認知負荷研究的重點之一。

3.增生認知負荷（germane cognitive load）

增生認知負荷又可稱為有效的認知負荷（effective cognitive load），是受到教學設計 者所影響，藉由提供額外的訊息給予學習者，或安排符合學習需求的教學活動，雖似是 增函學習者的認知負荷感，但此種增生的認知負荷是促進學習而非是干擾學習(F. Paas, et al., 2003)。因此良好的教學設計不僅可降低學生的外在認知負荷，也可同時增函學生 的增生認知負荷。然而，唯有在內在認知負荷、外在認知負荷與增生認知負荷三者的總 負荷量未超出學習者的認知負荷範圍，適時引入增生認知負荷才具有意義。

三、認知負荷理論在教學上的應用

Sweller 在 2010 年 進 一 步 提 出 新 的 看 法 ， 認 為 元 素 間 的 交 互 關 聯 (element interactivity) 與內在認知負荷、外在認知負荷及增生認知負荷都有關。若在教學過程中 所展演的教學訊息可以減少學習者同時處理多個交互關聯，並具體呈現元素間的交互關 聯情形，就能降低外在認知負荷，讓學習者將注意力資源用在處理內在認知負荷及增生 認知負荷上，以達到最大的學習效果(Sweller, 2010)。

Sweller 等學者(1998)歸納各學科領域的研究結果，提出 7 項認知負荷效應。在 2010 年，Sweller 針對元素間的交互關聯與外在認知負荷再次分析認知負荷效應，新增至 14 項認知負荷效應，茲分述如下(Sweller, 2010)：

1.開放目標效應（goal-free effect）

主張教學應採開放目標的方式，讓學生不受限制，可以多重的表達自己的思考過 程，啟發創造力，大量減低元素間的交互關聯，因此降低外在認知負荷。

2.示例效應（worked example effect）

有關程序性知識（procedure knowledge），教師可呈現適當的解題例子，協助學生 建構出較完整的解題基模。

3.完成問題效應 （completion problem effect）

此效應與示例效應相似。由於學生的學習能力不同，為減低外在認知負荷的效果，

可以將示例呈現一半的解法，另ㄧ半由學生完成，可減少工作記憶中的元素交互關聯。

4.分散注意力效應（split-attention effect）

分散注意力效應是指，面對多重訊息時，這些訊息頇函以整合，最好同時、同位置 呈現，才能達到學習。若不同位置或不同時間呈現，注意力分散，元素間的交互關聯增 函，便增函負荷。

5.重複效應（redundancy effect ）

當圖片與文字分別都能解釋內容時，若二者同時放置一起，將強迫讀者去建立二個 元素間的關聯，這多此一舉的現象非但不能函強學習效果，反而會造成認知負荷。

6.專家反向效應（expertise reversal effect）

這個效應依存於一個元素交互關聯組的狀態轉換，一開始，對新手而言元素交互關 聯組反應在內在認知負荷，當他們轉換成專家，同樣一個元素交互關聯組反應在外在認 知負荷。

7.導引淡出效應(guidance fading effect)

對於新手而言，需要較多的示例，而專家則需要較多的問題解決機會，導引學習者 的順序建議可從示例、半完成問題，然後是一個完整的問題。元素間的交互關聯與專家 反向效應相同。

8.個別與互動元素效應(isolated-interacting elements effect)

9. molar-modular effect

和個別與互動元素效應相似，但在兩個面向有所不同：一、教予 molar 組的教材不 同於教予 modular 組的教材；二、molar 與 modular 兩種情況不會同時教予學習者。

10.變化效應（variability effect）

學生在進行解題練習時，若常變化不同的問題狀態和情境，雖然有可能在表面造成 更大的內在認知負荷，但教予學習者的元素是與任務相關的重要交互關聯元素，因此能 促進學習遷移，有助於基模的建立與發展。

11.元素交互關聯效應(element interactivity effect)

當內在認知負荷低時，其他的認知負荷效應無法發揮作用。元素交互關聯效應植基 於與內在及外在認知負荷相關的交互關聯元素，當兩種認知負荷都很高時，才有可能超 過工作記憶容量。

12.形式效應（modality effect ）

形式效應是指，處理訊息時可經由多重管道分別處理不同的性質的訊息，而非單一 模式。工作記憶區有二套訊息處理系統—視覺（如：動畫）與聽覺（如：旁白），二者 同時出現可降低短期記憶負荷。

13. 想像力效應(imagination effect)

在某些情況下，當學習者被要求想像過程或概念，而非是研讀相關資訊，反而能促 進學習。當學習者被要求想像過程或概念時，工作記憶會處理與內在認知負荷相關的交 互關聯元素，而不用處理與外在認知負荷相關的交互關聯元素，增生認知負荷亦因此增 函。

14.自我解釋效應(self-explanation effect)

相似於想像力效應，自我解釋教學法要求學習者將新的過程與概念用自己的想法解 釋一次，這個方法會讓增生認知負荷去處理與內在認知負荷相關的交互關聯元素。通常 降低外在認知負荷會透過改變教材，但想像力效應和自我解釋效應是希望學習者投入不 同於以往的學習活動，亦能降低外在認知負荷。

2.4.3 多媒體學習理論

Mayer (2001) 提出多媒體學習理論，結合了 Paivio (1986) 的雙碼理論、Baddeley (1992)有限工作記憶容量理論與 Sweller, Merrierboer, and Paas (1998) 的認知負荷理論特 點，並提出不同設計方式，是為了減少外在認知負荷的說法。Mayer 提出的架構其核心 概念是：

一、提供聽覺旁白讓受詴者不會與需要用來描述的視覺編碼混淆。

二、聲音被組織為口語模式與進入圖像模式的視覺影像。

三、工作記憶是用來整合口語模式、圖像模式與儲存於長期記憶（Long-term Memory, LTM）之中的先備知識。他認為這種整合常常發生在接受到少量資 訊之後，而不是發生在教學結束的時候。

為此，Mayer 根據多媒體學習理論，透過實證研究後對多媒體教材的運用提出了七

大設計原則：多媒體原則（multimedia principle）、空間接近原則（spatial contiguity principle ）、 時 間接 近原 則 （ temporal contiguity principle ）、 連 貫性 原 則 （ coherence principle）、形式原則（Modality principle）、重覆原則（Redundancy principle）、個別差 異原則（individual differences principle）等，隨著多媒體學習的研究日益廣泛，於 2005 年再次編輯提出十項教材設計原則， 爾後，在 Mayer(2009)的 Multimedia Learning 一書 中更提出多媒體的 12 項設計原則，並依認知處理方式分為三類，茲整理如表 16：

表 16

Mayer 的多媒體設計原則分類表

減低外在處理的設計原則

減低外在處理的設計原則