認知負荷

認知負荷理論 (Cognitive Load) 來自歐美的人體工學 (ergonomics) 與人因科學 (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與 適合性（黃克文，1996）；早期應用於軍事訓 練與各種企業上，稱為「心智工作負荷」

(mental workload) ，直至澳洲新南威爾斯大學教育學院 Sweller (1988) 將此理論引入教 育界，隨即引起國際的重視，不但成為許多研究的理論基礎，也廣泛被應用於教學設計，

是當前有關學習與教學設計最具影響的理論之一。

2.3.1 學者定義

國內外有多位學者或研究者對認知負荷提出不同的看法，茲整理分述如下：

Sweller (1988) 認為傳統的問題解決法太強調解題技巧，學習者必須使用大量的認 知記憶能力，導致沒有多餘的認知能力來從事學習與獲得基模，因而造成認知負荷，所 以「認知負荷」是將一特定工作加諸於學習者的認知系統時所產生的負荷，其與工作記 憶中的記憶單位數有關，個體若將一大堆的記憶項目儲存於工作記憶中，就容易造成「過 度」的認知負荷。

Jex (1988) 認為認知負荷是學習者在面對學習內容時，置身於一個相關脈絡中，欲 表現符合適當任務行為時，所意識到「任務要求」與「自身認知能力」之間，心智負荷 差異的評估。

Paas (1992) 則指出認知負荷是一種多向度的概念，包含兩種面向：一是「心智負荷」

(mental load) ，二是「心智努 力」 (mental effort) ；因此 Paas 認為，若個體對於學習內 容所知覺的困難度越大，或者個體在心智上更需努力，則認知負荷就會越大。因此，給 予學習者的工作任務太過困難，或工作需要投入極大心力，都將容易加重認知上的負荷。

黃克文（1996）指出認知負荷是學習者在接收、處 理與運用訊息過程中，因訊息內 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 所知覺的認知能力，在當時的「心理」或「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。

宋曜廷（2000）則認為認知負荷係指執行某種作業過程中，因作業特性所需的認知 能量 (capacity) 或認知資源 (resources) 而造成認知系統（特別是工作記憶）的負載狀

陳密桃（2003）指出「認知負荷」係指個體在執 行某種工作、作業或任務的過程中，

個體所感受到的心智負荷與心智努力的負載狀態，且就訊息處理理論而言，「認知負荷」

係指工作記憶的負荷 (working memory load) 。

黃柏勳（2003）認為「認知負荷」是個體在工作情境（學習情境）下處理訊息時，

所感受到心智負荷與心智努力的負荷總量。若負荷總量超出個體所能接受的上限，將導 致個體的認知系統無法負載，進而在心理或生理上引起焦慮、壓力與苦惱等負面知覺，

並影響工作（學習）的表現。

歸納以上學者的觀點可知，「認知負荷」是個體於面對訊息時所產生的「負荷量」，

工作記憶的項目越多，認知負荷越大；任務要求與自身認知能力間差距越大，則認知負 荷越大；在學習過程中，越需要付出較多的心智努力來學習時，認知負荷就越大。在心 智負荷與心智努力的負荷總量上，如果超出個體所能接受的範圍，而導致認知系統過度 負載，將會造成心理或生理上的負面效應，進而影響學習的表現。也象徵著心智負荷與 心智努力的「交互作用」、訊息難度與掌握訊息程度上的落差區間，以及因負擔而產生 的情緒性的後設概念。

2.3.2 認知負荷的基本假定

認知負荷理論對人類認知架構 (cognitive architecture) 有四個基本假定 (Mousavi, Low, & Sweller,1995; Sweller, van Merriënboer, & Paas, 1998) ，茲分述如下：

1. 工作記憶容量有限

「工作記憶」是一個負責暫時儲存的系統，能操控部分的資訊且在感知及動作的控 制間形成一個重要的連結 (Baddeley, 1998) 。人類的工作記憶容量是有限制的，只能儲 存平均約7±2個單位，但是真正能進行操作處理的，只有2～4個單位，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，若一次需處理多個訊 息、待處理訊息內在要素彼此互動關聯性高、則必須不斷搜尋元件之間的關聯度因而耗 費許多工作記憶，便會產生較大的認知負荷，導致學習困難。因此教學教材的設計必須 考量到工作記憶容量的問題，分析教材內容並作適當的切割，以區塊化的方式呈現，單 一區塊呈現的訊息量適中，避免超過工作記憶的容量，確保學習成效。

2. 長期記憶容量無限

人類長期記憶像是一個大型的資料庫本身沒有儲存容量上的限制。長期記憶中儲存 的訊息都是經過處理，有組織的知識基模，初學者 (naïve) 與專家 (expert) 最大的差別

就在於長期記憶的儲存內容，專家在長期記憶中儲存許多問題狀態及其對應策略，因此 專家在面對問題情境時，可迅速的激發長期記憶中的相關基模，立即檢索提取長期記憶 中的解決策略至工作記憶進行處理，進而解決問題，反觀初學者的處理之道則只能於工 作記憶中搜尋、推理、嘗試，尋找解決策略，因而耗費大量的工作記憶容量，而造成過 度的認知負荷。簡單來說，專家在遇到問題時，長期記憶中有較多相關解題基模可以參 照處理，相較初學者會有較好的表現。

3. 知識與技能以基模的型態儲存於長期記憶中

基模 (schema) 是敘述性知識的一種形式，藉由簡單到複雜，由粗略到精緻的基模 建構 (schema construction) 過程，發展專門知識 (expertise) 及複雜的工作技能。最後儲 存入長期記憶中，基模主要功能有二，一是在長期記憶中提供組織與儲存訊息的功能，

二是在工作記憶中處理新訊息，降低工作記憶運作所產生的負荷。

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

自動化 (automatic) 通常不涉及意識控制，沒有意圖且消耗很少的注意力資源 (Posner & Snyder, 1975) 。人類在面對週遭訊息時不是透過意識 (conscious) 處理，就 是透過自動化 (automatic) 處理。人類的意識活動處理都是在工作記憶中進行，會佔用 許多工作記憶的空間；而自動化處理則少為意識所監控，其佔用極少的工作記憶容量。

許多知識技能經由不斷練習之後，才從意識處理轉換成自動化處理，基模運作自動化 (schema automation) 將可節省許多工作記憶的空間，而對更多訊息作同時或更深入的 處理，由此可知，基模的自動化是基模建構過程中很重要的步驟。

由上述基本假定中可歸納出：工作記憶在運作過程中，需從長期記憶中檢索提取既 有相關的知識基模，進行整合以解決問題。因此，若無法從長期記憶中有效、快速提取 相關既有知識基模處理新訊息，可能會消耗過多的工作記憶之認知資源，將產生不同類 型的認知負荷。

2.3.3 認知負荷的類型

認知負荷理論強調教學設計首重「基模的建構」與「自動化」，要達成這兩個目標 必須借助工作記憶的運作，Sweller 等人 (1998) 從教學設計的角度分析認為在此過程中 將產生下列三種類型的認知負荷：

1. 內在認知負荷 (Intrinsic Cognitive Load)

外在認知負荷或稱為無效的認知負荷 (ineffective cognitive load) ，主要是因為教材 呈現方式與教材設計不同的因素，造成學習者不同程度額外的負荷，與學習者的基模建 構和自動化無關，又因此種認知負荷是外加的，因此可藉由教材內容呈現與組織方式的 設計修改來減低，其為多媒體或教材設計者所致力研究的重點之ㄧ。

當訊息需經過整合才能彼此參照了解時，若於其呈現的時間上加以錯開，則會加重 外在認知負荷；若同時呈現或是預先將訊息比較、整合，則可降低外在認知負荷，例如：

Sweller 提出許多實驗來證明，整合視覺及口語的資訊能防止實驗者在文字及圖片上分 散注意力，提高教學成果 (Chandler & Sweller, 1992；Sweller,Chandler, Tierney & Cooper, 1990；Tarmizi & Swller, 1988) ，這便是改變教學設計達到降低外在認知負荷的例子。

3. 增生認知負荷 (Germane Cognitive Load)

增生認知負荷又稱為有效的認知負荷 (effective cognitive load) ，此種負荷產生是因 為教材設計者提供額外訊息或教學活動給予學習者，協助其對學習內容建構基模與自動 化時所產生的認知負荷。例如：設計未完成的數學推理範例，引導學習者完成後續解題，

此種方式便增加了「增生認知負荷」，但卻可協助學習者建構相關之基模。

增生認知負荷雖看起來像是增加學習者的負荷感，但此種負荷是促進學習而非干擾 學習。由於會增加學習者的負荷感，因此必須於內在認知負荷、外在認知負荷與增生認 知負荷的總和，未超出學習者工作記憶所能負荷的範圍，適時引入增生認知負荷才具有 意義。

Sweller (2009) 在認知負荷研討會中更進一步出新的看法，認為內在的認知負荷和 增生認知負荷並非完全獨立，而是有部分重疊的，因此認知負荷的總量計算更加重要。

為了降低內在認知負荷而增加了增生負荷，卻使得認知負荷總量超過學習者的能力，這 樣的增生負荷並沒有存在的意義。

2.3.4 認知負荷理論的教學設計原則

Sweller 等人 (1998) 歸納認知負荷理論在各學科領域的研究結果，提出七項的教學 設計原則，茲分別說明如下：

1. 自由目標效應 (Goal Free Effect)

傳統的目標導向教學，侷限學習者的想法與解題目標，容易造成極大的認知負荷，

因此當學習者面臨非單一解答題目時，主張應採開放目標的方式教學，給予學習者自由 思考的空間，使其不受教師目標的限制，可多重表達個人的思考歷程，啟發創造力，因 而可降低外在認知負荷。

2. 示例效應 (Worked Example Effect)

教師在教導有關程序性知識 (procedure knowledge) 時，若呈現適當的步驟化解題 範例，將可協助學生對問題有所理解，藉此建構較完整的解題基模，以減少學生面對問 題與解題時產生的認知負荷。

3. 問題完成效應 (Completion Problem Effect)

由於學生的學習能力不同，完整提供解題範例不但限制學習者的思考方向、剝奪學

由於學生的學習能力不同，完整提供解題範例不但限制學習者的思考方向、剝奪學