認知負荷效應

為了使學習有效、使學習優化，如上段所述，要減少外在認知負荷、增加有效認知 負荷，並適當管理內在認知負荷。因此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；而後Sweller (2004) 再依據眾多實驗證據發展 為十一項教學設計原則；近期Sweller (2010) 將其延伸為十四項教學設計原則，提供教 學設計者和教學者作為教學設計與教學實施的準則，使其能藉由這些教學設計原則有效 地引領學習者快速學習、深入學習。教學設計原則所產生的效應 (effect) 與其主要影響 的認知負荷類型，分別說明如下：

1. 開放目的效應 (Goal-free effect) －外在認知負荷

所謂的開放目的 (goal-free) 就是讓學習者在沒有具體的目標下盡可能地表達個人 思考過程中任何步驟或結論（如說出你能找到的角度或盡可能計算出你能求出的變數）。 而傳統的問題解決 (solving conventional problems) ，因限制學習者的想法，使學習者侷 限於某個框架下進行認知處理，導致學習增加了沉重的認知負荷（如請求出∠ABC 的 角度或計算出汽車最後的速度）。

之於傳統目標問題，這種非特定或無目的的問題能減少工作記憶的負荷 (Sweller, 2004) ，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 (Goal-free effect) 就發生。但僅適用於解決方式之數量是有限的領域，以及那些所求出的解決方式 和過程是有教育性意義的 (Sweller, 2004) 。

2. 工作示例效應 (Worked example effect) －外在認知負荷

在學習程序性的知識時，如果學習者是新手，那麼給予解題工作示例 (worked example) －完整的解題或解決步驟，讓其研讀並做為參考，如此會比只給予問題讓學習

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者去解決來得好。

Sweller (2004) 提了這樣一個例子：若使新手在毫無知識依靠下去解決一個問題，

學習者將藉由隨機摸索、測詴去得到一個結果，這過程就像基因適應環境一樣。可若適 當地給予參照例子，則學習者便能快速且精準地進行學習。即工作示例可以減低無謂探 索與資源耗費並減少學習時間，也就是能減少外在認知負荷 (Kalyuga, 2009; Sweller, 2004) ；而當工作記憶的負荷減少，就會有更多認知空間去獲取知識使其形成基模儲存 在長期記憶中。

3. 完成問題效應 (Problem completion effect) －外在認知負荷

完成問題 (completion problems) 是給定一個特定的目標狀態，提供學習者部分的解 決方案，要求學習者繼續完成它 (Sweller, et al., 1998) 。也就是工作示例的修改，保留 部分解題或解決步驟，剩下的由學習者自行完成。完成問題是用於以設計為導向的主題 領域，如軟體設計、電子電路設計、生產流程規劃、電腦數值控制編程等 (Sweller, et al., 1998) 。且有大量的證據表示，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

許多多媒體展演包含了互相關聯的圖像與文字，如果這些圖像和文字未整合在一貣，

就空間安排而言是分離的，那麼分散注意力效應就會發生。因為學習者需要進行圖像和 文字的搜尋與比對，這不僅與學習無關還浪費了大量的工作記憶資源，也抑制了學習，

即便展演的方式是以工作示例來呈現 (Kalyuga, 2009) 。

同樣地，當口語解說與相對應的圖像不同步出現，學習者就必頇將先出現的表徵保 留在工作記憶中，等待另個表徵出現，才能開始比對與整合。暫存和比對都需要耗費額 外的工作記憶資源，這也是分散注意力效應。分散注意力效應常發生在真實的教育環境 中 (Sweller, et al., 1998) ，而此效應導致了外在認知負荷。為此，教學設計者在教學設 計時應認真地留意並消弭這個問題。此與Mayer (2001; 2009) 的空間接近原則和時間接 近原則有異曲同工之妙。

5. 形式效應 (Modality effect) －外在認知負荷

Mayer (2009) 的多媒體原則提到以雙碼形式展演學習教材會比僅採用一種形式呈 現來得有效果。而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) 。

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因為圖像與口語解說分別進入視覺通道和聽覺通道，不會有通道阻圔和資源不足的 問題；若是圖像和文字解說，兩者同屬視覺形式，即會有爭通道之問題產生。又以人類 的認知系統來看，當同時使用視覺和聽覺兩種處理器，工作記憶即能擴展應用 (Sweller, 2010) 。此效應與多媒體設計原則之形式原則 (Modality principle) 一樣。

6. 重複效應 (Redundancy effect) －外在認知負荷

在前述的分散注意力效應 (Split-attention effect) 與形式效應 (Modality effect) 中，

教材包含了視覺表徵和聽覺表徵的訊息，而其訊息因為獨立呈現時無法將完整的概念傳 達，因此需要整合兩者使相輔相成讓學習者容易理解。如果單一訊息無法被單獨處理，

藉由物理性的整合就會減少注意力分散，進而降低認知負荷 (Sweller, et al., 1998) 。 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、文字或口語解說其 一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) ，所 謂的重複就是教材內容的重複。如果教材內容經由一種訊息就可以理解，卻同時呈現多 種型態的重複訊息，此時學習者必頇對整合的訊息進行比對與處理，而這些非關學習且 干擾學習的過程，導致外在認知負荷增加。因此消除重複的教材訊息可以促進學習、增 加學習成果，這與多媒體學習理論之重複原則 (Redundancy principle) 的部分概念相 仿。

7. 專業知識反轉效應 (Expertise reversal effect) －外在認知負荷

對於低先備知識學習者有效的教學設計或技術，之於高先備知識者可能會失去效力 且有負陎的結果，這就是專業知識反轉效應。簡單的說，對於新手有用的不見得對專家 有效 (Kalyuga, 2007; Kalyuga, Ayres, Chandler, & Sweller, 2003) ；專業知識反轉效應即 是教學設計的成效與學習者知識程度的相關性與改變。因為大多數的教材設計內容都是 固定的，而且是概括的設計，並預設學習者皆為新手 (Schnotz, 2010) ，因此當教材使 用於一般教學時，便有可能產生專業知識反轉效應。Kalyuga (2009) 指出專業知識反轉 效應最重要的涵義就是設計有效且高效的多媒體認知環境，以符合學習者不同的程度或 不斷改變的專業知識豐富度。

本研究之教材設計原使用於補救教學中，亦即使用於專業知識低的學習者身上，但 本研究改於常態教學中實施，而常態教學中本有不同學習成就之學生，故本研究目的之 一為探討專業知識反轉效應是否會發生。茲將此效應引發的類型歸納整理於本章最末 節。

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8. 引導漸減效應 (Guidance fading effect) －外在認知負荷

就新手學習而言，先給工作示例 (worked example) ，而後進行問題完成 (completion problems) ，當相關知識逐漸豐富時最後給予完整的問題解決 (full problems) (Sweller, 2004; Sweller, 2010) ；換句話說，隨著學習者的專業知識增長，範例與提示已由內在認 知負荷轉為多餘的外在認知負荷，因故所需的引導就必頇漸漸減少，以避免專業知識逆 轉效應的產生。

9. 獨立互動元素效應 (Isolated-interacting elements effect) －內在認知負荷

當教材包含了很多高交互作用的元素，若同時在工作記憶中處理，會造成大量的內 在認知負荷，導致超出工作記憶容量，則學習和理解受到極大的阻礙 (Sweller, 2004;

Sweller, 2010) 。因 此 ，至 少要 有 一部 分 的互 動 元素 先 在工 作記 憶 中被獨 立 處 理 (processed in isolated form) ，而後組合儲存在長期記憶中；當分別學習完獨立元素後，

再學習原始的教材，這時因為學習內容的獨立基模已建置，所以最初的高交互作用對於 學習者已轉變為低交互作用，在工作記憶處理時不僅不會造成負荷超量，也因為基模的 自動化使學習更深入。

獨立互動元素效應是藉由人為的方式去改變元素互動性的內在認知負荷；雖然無法 改變最初學習任務或目標的內在認知負荷，但可將任務分割成數個學習次任務或次目標 間接降低 (Sweller, 2010) ，如此便能透過延遲元素互動性學習，促進學習成效。

10. 整體－模組效應 (Molar-Modular effect) －內在認知負荷

整體－模組 (Molar-Modular) 形式多用於工作示例 (worked example) 上。整體形式 (molar) 就是傳統教科書上的解題形式，以整體的觀點，側重於問題的類別和整體解決 方案及其相關的程序 (Gerjets, Scheiter, & Catrambone, 2004, 2006) 。就像食譜或處方，

給定一個方法或程序，讓學習者去依循。這種整體化形式有著高度的內在認知負荷，即 工作記憶區必頇同時處理所多必要的訊息。例如：（1）確定任務特點，（2）提供公式，

（3）輸入數值，然後（4）計算。

模組 (modular) 形式，即是將複雜的解決方案分解成更小且有意義又能分開傳達與 被理解的解決方案元素 (Gerjets, et al., 2004, 2006) ；也就是將目標分割成數個子目標，

分開達成然後統合。這與獨立互動元素效應 (Isolated-interacting elements effect) 的概念 是相同的。以引導的方式去讓學習者逐步推導出數個結果，然後再歸納彙集成最後結 論。

Gerjets 等人 (2004) 建議在最初的技能或理解上，先使用模組化形式，而後再切換 至整體化形式使技能和理解繼續發展。所以何時使用模組化，何時又該使用整體化就是

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教材設計者與教學者既重要又艱鉅的難題了，這必頇依據學習者的能力與問題的結構特 徵來判斷。

11. 變化效應 (Variability effect) －有效認知負荷

變化效應是指提供不同問題狀態和情境的題目讓學習者去練習，藉由題目的變化促 使其基模發展，而進一步強化學習轉化的能力。

高度變化的題型雖然會增加學習或練習過程中的認知負荷，卻是獲得更好的轉化效 果，因此所增加的認知負荷與學習是直接相關的，Sweller (1998) 推斷所增加的是有效 認知負荷，而非外在認知負荷。雖然一般常有增加認知負荷即會損害學習，而教學設計

高度變化的題型雖然會增加學習或練習過程中的認知負荷，卻是獲得更好的轉化效 果，因此所增加的認知負荷與學習是直接相關的，Sweller (1998) 推斷所增加的是有效 認知負荷，而非外在認知負荷。雖然一般常有增加認知負荷即會損害學習，而教學設計