認知負荷理論

1980 年代 Sweller 提出認知負荷理論(Cognitive Load Theory)，提供探討認知歷程及 教學設計的主要理論架構(Paas, Renkl, & Sweller, 2003)，並特別聚焦於工作記憶負荷與 教學設計的密切關係。且認知負荷理論期望透過設計有效的教學環境，以減少心智資源 的浪費，引領快速學習和形成更好的學習成果。

2.1.1 認知負荷理論的四項基本假設

認知負荷理論對於人類認知架構(cognitive architecture)提出了四項基本假設(Sweller, van Merrienboer, & Paas, 1998)，分別敘述於下：

1. 工作記憶的容量有限

工作記憶(working memory)的容量是有限的，只能同時儲存 7±2 個元素(element)，

且在工作記憶區中可被操弄的元素同時間只有 2-4 個元素(Sweller, et al., 1998)。而在工 作記憶區中能處理訊息的時間也是有限的，若訊息未經複誦(rehearsal)，大約 20 秒就會 被學習者遺忘(van Merrienboer & Sweller, 2005)。

因此，在工作記憶區各元素間的交互作用會佔用工作記憶的容量，如果因而佔用過 多的工作記憶容量，會產生較大的認知負荷，造成學習困難。在設計教材時將教材是當 的分段、切割，並將呈現的訊息區塊化，藉此讓呈現給學習者的訊息不至於太多，始學 習者能在有限的時間內去保留或處理新的訊息。

2. 長期記憶的容量無限

相較於工作記憶的容量有限，長期記憶(Long-Term memory)的容量就是無限的。在 長期記憶區中儲存了所學過的知識與技能，且當學習者對某知識或技能一而在的練習 時，此知識或技能在長期記憶中的強度和存取速度都將增強。

因此，在陎對問題時，專家(expert)與生手(novice)的差別在於：專家大腦中長期記 憶的資料較多且檢索記憶中可用的資料速度較快，而生手相對的資料少且檢索速度慢。

所以生手在解題上會費時比較多，對題目感覺困難度也比較高，也就是感受到的認知負

3. 知識是以基模(Schema)型態存於長期記憶中

基模(Schema)是過去的反應或經驗的組織，它可以將大量的訊息組織化，發揮儲存 訊息的功能，降低工作記憶的負荷量。也就是說，所學的知識或技能經歷粗糙到精緻的 建構過程才以基模型是存於長期記憶中，故基模在長期記憶中具有組織和儲存訊息的功 能。且基模在工作記憶中也可以與訊息融合成更複雜的基模，被當成一個處理單位，因 而降低工作記憶的負荷。

因此，在教學過程中，教學者必頇協助學習者形成及穩固各種數學概念、知識及技 能的基模。

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

所有訊息的處理分為：意識化(conscious)處理及自動化(automatic)處理。當訊息透過 意識化處理時，即在有意的處理下，較耗費意識資源，佔用許多工作記憶的空間；若訊 息透過自動化處理時，因不需意識決定，不耗費意識資源，可以降低工作記憶負荷量。

而要形成基模運作自動化必頇透過廣泛及足夠的練習，也就是說，當一個新訊息呈現給 學習者時，學習者必頇先對此訊息做意識化的處理，了解其意涵及與長期記憶中的基模 作結合，再經由充分的練習使其自動化。而當一個複雜的訊息給學習者時，熟悉的知識 及技能可透過自動化處理而降低其認知資源，而陌生的知識及技能也因此得到較多的認 知資源，使得學習者的學習效果增加。

基模自動化後可減少記憶空間，因此，教學者在教學結束後宜安排有效的練習，協 助學生將所學的知識、技能等基模運作自動化，以降低後續教學內容的認知負荷。

2.1.2 認知負荷類型

Sweller 等人救教學設計的觀點，將認知負荷來源分為三類(Sweller, et al., 1998; 郭 秀緞，2006)：內在、外在及有效認知負荷，將分述如下：

1. 內在認知負荷(Intrinsic cognitive load)

內在認知負荷主要受到教材本身元素間的相互關聯程度的影響，也就是受到教材本 身難易程度的影響。及學習者本身專門知識及先備知識的影響。

當一份教材中，若元素間的關聯性較低即教材較簡單時，學習者在學習時不需要將 大量的元素置於工作記憶中，即可掌握各元素，此時內在認知負荷較低；若元素間的關 聯性較高即教材較複雜或難時，學習者就需將大量元素置於工作記憶中以了解各元素間 的關係，此時內在認知負荷較高。且相同的教學內容對於不同專門知識及先備知識的學 習者，也會產生不同的認知負荷。如擁有完整的先備知識及與教材相關的基模，訊息進 入學習者的工作記憶中時，可透過自動化處理與基模作統整，進而降低認知負荷；反之，

若沒有基模存在，則所有訊息皆頇在工作記憶中處理，就易產生認知負荷。

內在認知負荷不能藉由教學設計來改變，但可以藉由簡化教材內在元素間相互關係 即適當的切割教材內容成一小段，去管理所需的內在認知負荷來幫助學習。以就是說，

在設計教材前，應對教材內容結構及學習者的能力做分析，才能將內在認知負荷降至最 低。

2. 外在認知負荷(Extraneous cognitive load)

又稱為無效認知負荷(Ineffective cognitive load)。外在認知負荷與教材設計、教材呈 現方式或教學活動有關，不屬於教材內容本身的負荷而是額外的負荷。也就是說，一份 設計不良的教材，如粗劣的介陎設計、不佳的多媒體呈現方式及不合適的教學內容編 排，對於學習者而言，除了有對教學內容的內在認知負荷外，也有因為教材而產生的外 在認知負荷。

外在認知負荷不直接關聯到學習，是外加的負荷，因此可以藉由改善教材展演方式 及教學程序的設計，而降低外在認知負荷。

3. 有效認知負荷(Effective cognitive load)

又稱為增生認知負荷(Germane cognitive load)。有效認知負荷與外在認知負荷有關，

指的是基模建構及自動化過程的負荷。藉由教學設計來引導學習者注意力用於學習內容 的認知歷程或基模建構，及利用適當的教學呈現方式，不但可以降低外在認知負荷，且 協助學習者對學習內容建構基模及自動化。由上可知，有效認知負荷增加了負荷量，除 非負荷超載，而使得引入有效認知負荷無作用，否則有效認知負荷可以協助基模的建構 與自動化是有助於學習的。

由上述三種認知負荷可知，減少內在認知負荷可藉由基模的獲得(如增加先備知識) 和自動化(如增加適當的練習)，而良好的教學設計可降低外在認知負荷。倘若本身教學 內容較為簡單，即內在認知負荷低，則外在認知負荷的高低並不會對學習造成影響；但 若教學內容本身內在認知負荷高，則外在認知負荷就相對的重要。在不能超過工作記憶 容量限制下，減少外在認知負荷，學習者才有能力增加有效認知負荷。而所謂的有效的 學習，即是減少不相關的認知負荷，增加有效認知負荷並管理內在認知負荷(Clark &

Mayer, 2008)。

2.2.3 認知負荷效應

Sweller 等人(1998)根據各學科的研究成果，對教學設計原則提出了七項效應。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，希望藉由這些原則能引導學習者進行快速且有效的學習。將教學設 計原則所產生的效應(effect)分別敘述如下：

1. 開放目的效應(Goal-free effect)

所謂開放目的是指，讓學生不受限制表達自己的思考過程的任一步驟和成果。例如 陎對一個解方程式或找尋某個角度時，不應給定解方程式的方法或直接要求何角度，而 是要讓學習者利用任何所會方法解或讓學習者找尋可以知道的所有角度。傳統的目標導 向解題(goal oriented problem solving)，因為都在找尋單一目標即所謂的標準答案(如求∠

A)，和利用手段─目的分析(mean-ends analysis)的解題方式(如利用配方法解以下方程 式)，限制了學習者想法，使得學習者必頇配合要求而導致增加認知負荷。

因此，利用開放目的方式，讓學習者想法不受限制，可以多重的表達自己思考歷程 的步驟和成果，以降低外在認知負荷(Sweller, et al., 1998; 宋曜廷，2000)。

2. 工作示例效應(Worked example effect)

所謂工作示例是指教導程序性知識(procedure knowledge)時，先提供解題工作示例

─完整的解題或解決步驟，提供學習者作為研讀參考。例如教導配方法時，將配方法的 每一步驟(如帄方項係數變 1)，給予例子(如 2x²3x10x² 3

2 x 1 2 0)。

若能提供適宜的工作示例，可以節省學習者作無關的探索，協助學習者快速了解問 題的結構及解題步驟，建構出較完整的基模，因此可以降低外在認知負荷(Sweller, et al., 1998; 宋曜廷，2000)。

3. 完成問題效應(Problem completion effect)

所謂完成問題是指將提供給學習者的工作示例，只完成一部分並未完整解決，剩下 的部份要求學習者完成。也就是工作示例的修改，保留部分解題過程，交給學習者自行 完成。對於學習能力高的學習者而言，可以將所提供的工作示例做完整的處理；對於學 習能力低的學習者而言，只有遭遇到類似問題時，才會仔細的閱讀。且當學習示例時，

「原始問題」及「示例說明」同時進入工作記憶中，容易造成負擔。

因此，呈現一部分示例的解法，另一部分由學習者自行完成，可以促使學習者詳讀 工作示例，也能有效的降低外在認知負荷。(Sweller, et al., 1998; 宋曜廷，2000)

4. 分散注意力效應(Split-attention effect)

所謂分散注意力效應是指在學習過程中，必頇透過不同的訊息資訊(如相關聯的圖 片和文字)才能理解，若因教材設計關係使得相關的訊息過於分散，則學習者就要分散 其注意力在相關資訊中，而影響學習效果。因為學習者要花費其工作記憶資源在搜尋、

比對相關的圖像和文字訊息，而降低花費在學習的資源。可以利用旁白解說圖片或將文 字說明如適當的整合到圖像當中，都可改善分散注意力所帶來的影響(Sweller, et al., 1998;

翁嘉鴻，2001)。

因此，當教學者在設計教材時，應仔細考慮圖像、文字及旁白的運用，才不至於分

因此，當教學者在設計教材時，應仔細考慮圖像、文字及旁白的運用，才不至於分