認知負荷

一、認知負荷

認知負荷(cognitive load)理論源自歐美的人體工學(ergonomics)與人因工學 (human factor)等領域，從心理、生理與認知層面，探討工作與任務對執行者的影 響及適合性(黃克文, 1996)早期稱為「心智工作負荷」(mental workload)，主要是 用在軍事與各種企業之上(Boff, Kaufman, & Thomas, 1986)。直到 Sweller(1988, 1989, 1980)將此觀念引入教育界，才開始探討教學法、學習內容對於學習者概念 獲得與認知層面之影響，並命名為「認知負荷」。以下說明認知負荷假設、定義、

來源、與多媒體教材呈現效果對認知負荷影響。

二、認知負荷假設

認知負荷為將一特定工作加諸於學習者的認知系統時所產生的負荷(Paas &

Van Merriënboer, 1994)。教學過程中應避免造成學習者額外的學習負擔，導致認 知負荷超載。Sweller 等人(1998)從人們認知結構探討認知負荷之情形提出四個基 本假設：

(一)、工作記憶容量有限

工作記憶(短期記憶)的容量是有限的，當接受新的訊息時，只會短暫停留，

若沒有進一步的認識與理解就會漸漸遺忘。工作記憶容量只能容納 7 個要素 (element)，同時只能處理 2 到 3 個要素。若是超過工作記憶的容量，接收過多的 訊息亦造成認知負荷超載。一開始，工作記憶被認為單一結構的處理訊息，而 Baddeley 的理論(1992)，提出工作記憶體有兩種處理系統，一種為視覺空間畫板 (visual-spatial scratch pad)主要處理視覺訊息，另一種為聲韻迴路部門(phonological loop)處理聽覺訊息。

(二)、長期記憶容量無限

長期記憶的容量沒有限制，主要知識經過理解後儲存在長期記憶，因此知識

較不容易遺忘，當遇到問題時，可從長期記憶提取出相關解決方法。

(三)、知識是以基模的形式儲存在長期記憶

知 識 是 以 基 模 (schema) 的 形 式 儲 存 在 長 期 記 憶 裡 。 基 模 建 構 (schema construction)過程從簡單到複雜，發展成為複雜的工作技能。在長期記憶中基模可 以發揮組織與儲存的功能，將多個工作記憶的訊息融合成一個複雜的基模，變成 一個處理單位，故可減少工作記憶體的負荷。

(四)、訊息是透過自動化的處理

人類的訊息處理過程包含意識(conscious)來處理，或是透過自動化(automatic) 來處理。意識處理主要發生在短期記憶，因此會佔用許多的工作記憶。自動化的 處理少為意識處理，故佔較少工作記憶。一開始知識技能都是經由意是處理，經 過不斷練習後才轉化成自動處理。

綜合以上之文獻可知學習者的認知能力從學習後建立基模，在工作記憶，只 可將學到的基模短暫停留，若超過工作記憶的容量，亦容易造成認知負荷；所學 到的基模若加以組織整合便進入長期記憶，學習者較不會遺忘。學習時若是消耗 較多的工作記憶體，便會對學習者造成額外負擔，超過學習者認知能力所能負 荷，因此在教學上若是透過適當教學呈現方式幫助學習者減少其短期記憶之負荷 便可減少學習者的認知負荷。

三、認知負荷定義

綜合以上基本假設，有許多學者對認知負荷提出不同的看法，以下就各學者 對認知負荷之看法加以說明(翁嘉鴻, 2001; 魏婉貞, 2007; 沈碩彬, 2008)。

Jax(1988)認為認知負荷為學習者在面對學習內容時，處於一個學習環境時，

為達到符合適當任務之表現，意識到對「任務要求」與「自身覺知能力」之間，

對心智負荷差異之評估。Pass(1992)認為認知負荷為多向度的概念，包含心智負荷 與心智努力。當執行任務時，學習者對於學習內容覺知困難度較大時，學習者就 需要再增加其心智努力，因此認知負荷就越大，或者是學習任務較為繁重時學習

者需要投入極大的工作量，亦會造成學習者認知負荷。黃克文(1996)提出認知負 荷為學習者在接受訊息、處理與應用的過程中，因為訊息之內容(數量、質量、脈 絡等)、學習環境、傳輸環境與互動方式等因素，超越了學習者所知覺能力，在當 時的「心理」與「生理」上引起了負擔、重擔、苦惱與憂慮，甚至失敗、挫折的 後設概念。Sweller, Van Merriënboer, Pass(1998)認為將特定工作加諸於個體認知系 統時，所產生的負荷量。宋曜廷(2000)所提出認知負荷為學習者在執行某種作業 的過程中，因作業特性所需的認知能力(capacities)或是認知資源(resources)而造成 認知系統(特別是運作記憶)的負荷狀態。

綜合以上各學者觀點，認為認知負荷為學習者面對學習任務時所接收認知訊 息感受到心智負荷與心智努力的負荷總量，認知負荷是否過量依據學習任務之 質、量、情境脈絡狀態作為評估。學習任務對學習者之質、量、與情境是依據所 面對任務困難度而定，以下就認知負荷來源做說明。

四、認知負荷來源

教學過程中，影響認知負荷的三個因素，分別為先備經驗、教材本質與教材 組織，以下分別敘述之(Marcus, Cooper & Sweller, 1996)：

(一)、學習者的先備經驗

學習者的先備經驗(prior experience)是指學習者接收新的訊息時，若是能夠將 新的訊息自動化的基模整合(先備經驗)，即可降低學習者的認知負荷。表示基模 若是能夠自動化結合成為一個訊息，減少工作記憶的運用空間，幫助學習者提升 學習成效，降低認知負荷。

(二)、學習教材的本質

學習教材的數量少、關聯性低，對學習者來說他可以獨立處理個別要素，不 需要參照其他相關資訊，較易於了解；若是學習教材數量較多、關聯性較高，相 對的學習者要同時處理較多的要素在工作記憶體進行思考，易造成較高的認知負 荷與妨礙學習。

(三)、學習教材的組織

不同的訊息特性，應以適當的方式呈現教材，較易幫助學習者理解、避免產 生認知負荷。例如：圖形利於空間關係之呈現、文字利於以循序方式呈現。Sweller 等人(1998)以教學設計之觀點，將認知負荷來源分為三類：

1.內在認知負荷

內在認知負荷(intrinsic cognitive load)與教材呈現方式無關，主要是教材本身 的難易度，造成工作記憶體的不同需求量，即受教材內容關聯程度之影響。當教 材關聯性低時，工作記憶體所需要素較少；反之若是教材內容關聯性較高，需要 提供大量要素在工作記憶體，易造成較高的認知負荷。當學習者接收新訊息若能 自動化的基模作整合，相對可以降低工作記憶體所需處理的訊息量，便可降低學 習者認知負荷。

2.外在認知負荷

外在認知負荷(extraneous cognitive load)主要與教材呈現與組織方式有關，即 為學習者接收訊息不同程度之認知負荷。主要透過教材呈現方式、資訊組織之設 計與安排，可以改進外在的認知負荷，其主要為認知負荷理論之重要核心。透過 多媒體的設計與呈現方式，幫助有限的工作記憶體有效的接收訊息，降低認知負 荷。

3.增生認知負荷

增生認知負荷(germane cognitive load)與外在認知負荷相同，皆為透過教學設 計、訊息呈現方式與教學活動吸引學習者建構認知基模。與外在認知負荷不同的 是，增生認知負荷會增強學習，外在認知負荷會妨礙學習。適當的教學呈現方式，

可以降低學習者的認知負荷、同時也幫助學習者專注於教學內容與建構基模。在 總認知負荷量(內在負荷與外在負荷的總和)未超過學習者的負荷範圍時，適時引 入「增生認知負荷」可以幫助學習者學習。

五、多媒體教材呈現效果對認知負荷影響

可從多媒體教材呈現降低認知負荷，Sweller 等人(1998)提出的開放目標效果 (goal-free effect)、示例效果(worked example effect)、完成策略效果(completion problem effect)、分散注意力效果(split attention effect)、形式效果(modality effect)、

重複效果(redundancy effect)、變化效果(variability effect)可幫助學習者降低認知負 荷。以下分別敘述之：

(一)、開放目標效果

開放目標效果為提供學習者一個明確的教學目標。教學時，能夠清楚說明教 學目標，減少不清楚教學問題的認知負荷。

(二)、示例效果

示例效果為教學時使用範例來替代傳統直接問問題。強調學習者能透了解教 材課程內容、教材內容所陳述範例與問題。Sweller 等人(1998)，透過認知概念的 理解問題，能夠幫助學習者自動化得產生基本技能與解決策略，降低認知負荷，

進而有效的解決問題。

(三)、完成策略效果

完成策略效果為提供部分解決方式，幫助學習者完成所提問的問題。做問題 時，提供適當的輔助，給予部份解決方法，減少問題的規模，可以幫助學生降低 外來的認知負荷。

(四)、分散注意力效果

分散注意力效果為以單一、整合資源的訊息取代多重資源的訊息。意旨整合 資源能夠文字伴隨圖形解釋，不要將是文字放在前面說明，將圖片放在後面，學 習者須看完文字後在跳到圖片，會造成分散注意力。

(五)、形式效果

形式效果為有解釋的圖表比起只有說明的文字效果好。透過視覺與聽覺雙聽 道接收訊在工作記憶區來處理訊息，以多模式是表徵作用來處理訊息，可以降低 學習者的認知負荷。

(六)、重複效果

重複效果為單一資訊避免多餘重複資訊。相同的資訊以單一方式呈現，避免 以不同方式同時呈現，會對學習者造成認知超載。

(七)、變化效果

利用多種不同變化的練習題型，幫助學習者做到學習遷移，透過多變之練習 題型並將所學的能夠加以應用。

以上為透過多媒體呈現方式可降低學習者的認知負荷。本研究亦透過多媒體 教學呈現方式來幫助學習者降低認知負，結合 Sweller 等人(1998)所提出認知負荷 歷程的實證研究的教學設計原則。本研究多媒體教材的教學呈現方式及練習提示 方式亦參考以上多媒體呈現方式，以幫助學習者降低認知負荷，並結合教學策略 進行教學。