認知負荷理論

認知負荷理論是由 Sweller 在 1988 年所提出，他認為學習認知的過程中，要先經 過工作記憶區 (working memory) 的注意、組織、整合的處理後，才能將知識或技能 存入長期記憶區 (long-term memory) 。而在學習的過程中，一些與學習無關的訊息，

將會分散學習者的注意力，佔用工作記憶區的容量，使認知負荷增加，影響學習效果。

2.1.1 認知負荷理論的基本假設

Sweller 提出四個認知負荷理論對認知架構(cognitive architecture)的基本假設 (Mousavi, Low, & Sweller, 1995; Sweller, Van Merrienboer, & Paas, 1998)，分述如下：

1. 工作記憶的容量有限

人類的工作記憶的容量是有限的，只能平均儲存約 7±2 個元素（element），但是 真正能進行操作處理的，只有 2～3 個單位（Sweller,1998），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。若是待處理的訊息內在關 連性很強，元素間具有高度的互動性，需要互相參照才能了解，則工作記憶區的資源 將耗費更多，產生更大的認知負荷，導致學習上的困難(郭璟諭, 2003)。因此，教材的 設計若能作適當的切割、分段，使大量的訊息透過區塊化的呈現，避免工作記憶區超 載，則學習效果會更佳。

2. 長期記憶的容量無限

人類的長期記憶區猶如一座龐大的資料庫，其儲存的訊息都是經過處理，有組織 的知識基模 (schema) ，基模愈大，能儲存的知識量便愈多；當之後進行新的學習活 動時，學習者擁有愈大的基模，能愈迅速地在資料庫中找尋因應之道，完成新的學習 任務；相反的，若學習者擁有的基模較少，便無法善加利用長期記憶區的資源，只能 透過工作記憶區中的推理幫助理解，其承受的認知負荷相對增加，因此，專家 (expert) 學習的速度往往比新手 (novice) 快得多，承受的認知負荷自然較少。

3. 知識與技能以基模的型態儲存於長期記憶中

1. 內在認知負荷（Intrinsic Cognitive Load）

內在認知負荷來自於教材的特性（內在元素間的關聯程度）與學習者本身的程度

2. 外在認知負荷（Extraneous Cognitive Load）

外在認知負荷來自於教材呈現的方式，與學習者的基模建構和自動化無關，也就 是因教材設計和內容編排方式或教學活動，對學習者造成的負荷，此種認知負荷是額 外增加的，因此可以藉由教材設計來降低認知負荷。透過多媒體學習理論的教材設計 原則，可以改善教材的呈現方式，幫助學習者降低外在認知負荷。

3. 有效認知負荷 (Effective Cognitive Load)

此種負荷來自於教材設計者提供額外訊息或教學活動，協助學習者對學習內容建 構基模與自動化時所產生的認知負荷。例如：教師在講解完一道數學例題後，提供概 念相同的習題請學生練習。看似增加了學生的負荷，但學生在演練的同時，便是幫助 其建構相關的基模與促進自動化，此種負荷並未干擾學習，反而使其更專注於所要習 得的知識內容上，因此有效認知負荷是有助於學習的。

當以上三種認知負荷的總和超過工作記憶可以處理的最大極限時，學習將會是無 效的。因此在教學設計中必頇特別注意，使認知負荷不會超載(overloading) 。

2.2.3 認知負荷效應

Sweller 等人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(Sweller, et al., 1998)；最近(Sweller, 2010)擴充成十四項教學設計原則，提供教材設 計者和教學者作為準則，希望能引導學習者做快速而有效的學習。其教學設計原則所

（Goal-free effect）

讓學習者在沒有具體的目標下，盡可能的表達自 己思考過程中的步驟或結論。

2. 工作示例效應

（Worked example effect）

新手（novices）在學習程序性知識時，先給予完 整的解題步驟，使其能研讀與參考。

3. 完成問題效應

（Problem completion effect）

先給定目標，提供學習者部分的解決方法，剩下 的部分要求學習者繼續完成。

4. 分散注意力效應

（Split-attention effect）

若將教材中有關連的文字或圖像分開，則會使學 習者分散注意力。

5. 重複效應

（Redundancy effect）

「圖像＋口語」優於「圖像＋口語＋文字」的效 果，多碼同時展演反而增加外在認知負荷。

6. 專業知識反轉效應

（Expertise reversal effect）

對於新手有用的教學設計或技術，對專家不見得 有效，可能會適得其反。

7. 引導漸減效應

（Guidance fading effect）

隨者學習者專業知識的增長，給予的引導必頇漸 漸減少，以免產生專家知識反轉效應。

8. 獨立互動元素效應

(Isolated-interacting elements effect）

若教材包含許多高交互作用的元素，需先將一部 份的互動元素獨立處理，之後再進行整合。

9. 整體－模組效應

（Molar-modular effect）

將複雜的解決方案分解成數個小步驟，再依照給 定的程序解決，完成整體的任務。

10. 變化效應

（Variability effect）

提供不同狀態或情境的題目讓學習者練習，促使 基模發展，強化學習轉化的能力。

11. 交互作用元素效應

（Element interactivity effect）

若教材的元素交互作用低，其內在認知負荷就 低；而教材的元素交互作用高，其內在認知負荷 就高。

12. 形式效應

（Modality effect）

「圖像＋口語」的展演效果優於「圖像＋文字」。

13. 想像效應

（Imagination effect）

在學習者具備相關知識的前提下，要求其想像一 個過程或概念會優於研讀同樣過程或概念的表 現。

14. 自我解釋效應

（Self-explanation effect）

要求學習者嘗詴去解釋一個新的過程或概念，藉 以引導認知資源去處理有關的互動元素。

資料來源：Sweller (2010). Element interactivity and intrinsic, extraneous, and germane cognitive load. Educational psychology review, 22(2), 123-138.

在認知負荷效應中，本研究教材設計主要的應用為工作示例效應（Worked example effect）、分散注意力效應（Split-attention effect）、獨立互動元素效應(Isolated-interacting elements effect）、整體－模組效應（Molar-modular effect）與交互作用元素效應（Element interactivity effect），原因分述如下：

(1) 工作示例效應：

在排容原理的應用問題講解時，先示範如何將問題的文字敘述轉換成符號與文 氏圖，展演完整的解題步驟後，學生才有整體的概念，當進行相關應用問題的測驗 時，才易於順利解題。

(2) 分散注意力效應：

研究者在教材設計時，盡量排除與主要教學內容無關的圖像與文字，使畫面上 的訊息盡量簡潔，避免學習者分心，尤其是實驗組的教材，在訊息安排上，盡量將 相關的訊息對齊、接近，使學習者能輕易搜尋到講解的訊息，避免在視覺搜尋的過 程分散注意力。

(3) 獨立互動元素效應、整體－模組效應、交互作用元素效應：

在排容原理概念介紹時，三個集合的排容原理對學習者而言較為複雜，屬於高 交互作用的元素，因此在實驗組的教材設計上，先將文氏圖各區塊編號，並分別統 計各區塊計算的次數，避免重複或缺漏計算，如此計數的動作，是由學習者抽象的 心裡圖像，轉換成具體表格的呈現，待確定每區域都恰好計算一次時，便能確定排 容原理加加減減的過程完畢。換言之，當教材元素的交互作用降低時，便能降低內 在認知負荷。