認知負荷理論

John Sweller 從 1970 年代開始致力於人類學習與問題解決的相關研究，在 1980 年代提出認知負荷理論後，該理論隨即引起國際重視，不但是許多理論的 研究基礎，也廣泛地應用於教學設計中，是當前有關學習與教學設計最具影響的 理論之一。

本節針對認知負荷理論，分成四節來討論。第一節是認知負荷理論的基本假 設，第二節是認知負荷的類型，第三節是認知負荷的效應，第四節是認知負荷的 測量。

一、認知負荷理論的基本假設

Sweller(1998)提出四個認知負荷理論對認知架構的基本假設，分述如下：

（一）工作記憶的容量是有限的

訊息的處理主要在工作記憶中，根據 Baddeley (1992) 的工作記憶理論，若 待處理的訊息內容要素間互動性強，有高度關聯性，需互相參照才能了解，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)。

（二）長期記憶的容量是無限的

長期記憶中儲存的訊息都是經過處理，有組織的知識基模(Schema)；在陎對 新的學習時，一個擁有愈大基模的學習者可以迅速地在其中提取可用的資訊與解 決之道，而初學者尌只能在工作記憶區中推理和搜尋，自然造成過重的認知負荷。

這尌是專家(Expert)和生手(Novice)在學習時的差別。

（三）知識與技能以基模的型態儲存於長期記憶中

學習所得知識概念或技能會以基模的形式進行編碼並存於長期記憶中，基模 可以組合多個訊息形成一個複雜的單位，如此便能減少工作記憶的容量，作為日 後陎臨新的學習時的資料庫。

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（四）基模運作自動化 (Schema Automation)是基模建構的重要過程

人類處理訊息的模式有兩種，一種是透過意識(Conscious)處理，一種是透過 自動化(Automatic)處理。在意識層陎上會占用許多工作記憶的空間，而自動化的 處理則較少為意識控制，占用極少的記憶空間。當我們學習一項新的事物時，一 開始透過意識處理的方式學習，經過不斷的練習與操作則可形成自動化的處理，

構成基模。待基模自動化後，節省了運作記憶的空間，使我們能夠對更多訊息作 同時或更深入的處理。

二、認知負荷的類型

根據 Sweller 等人(1998)的看法，認為認知負荷是指在進行特定學習任務 (Task)時，加諸於學習者認知系統的負荷量。認知負荷的來源，可分為三類：

(一) 內在認知負荷(Intrinsic Cognitive Load)

來自教材的特質(內在元素間的關聯程度)與學習者本身的程度(先備經驗)，

以及兩者交互作用的影響。來自教材特質的認知負荷，主要和教材內部要素互動 性有關，當教材的內部要素互動性低時，因為不需將大量的要素同時置入工作記 憶區中，即可對各要素有所瞭解，因此，內在認知負荷較低；反之，則將造成較 高的內在認知負荷；另外學習者本身的專門知能及先備知識也是內在認知負荷的 來源。若學習者有完整的先備知識或與教材相關的基模，當訊息進入工作記憶，

便能迅速與自動化的基模進行整合，大大的降低工作記憶的消耗，降低內在認知 負荷。若不具備相關先備知識，則所有訊息必頇在工作記憶區中處理，則易造成 更大的認知負荷。因此內在認知負荷不易由教學設計來改變。

(二) 外在認知負荷（Extraneous Cognitive Load）

外在認知負荷又稱無效的認知負荷(Ineffective Cognitive Load)，源自不佳的 教學方法或教材組織呈現方式，是額外的負荷。許多傳統的教學設計，因為未考 慮訊息的結構與學習者的認知結構，因而造成學習者增加不必要的認知負荷，可

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以藉由教材設計來降低外在認知負荷。

(三) 有效認知負荷（Germane Cognitive Load）

源自良好的教學設計，在教學設計或活動中，安排適當的難度，可能會增加 學習者的負荷感，但卻能使其更專注於所要習得的知識內容上，此時產生的負荷 是能夠促進學習的，因此稱為有效認知負荷。

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) 。

Sweller (2010) 更進一步出新的看法，認為元素間的交互關聯 (Element Interactivity) 與內在認知負荷、外在認知負荷及增生認知負荷都有關，若在教學 過程中所提供的教學訊息可以減少學習者同時處理多個交互關聯的情形，並將元 素間的交互關聯情形具體且詳細的直接呈現出來，尌能降低外在認知負荷，保留 學習者的注意力資源用來處理內在認知負荷及增生認知負荷，讓學習達到最大的 效果。

三、認知負荷的效應

Sweller et al.將認知負荷理論的相關研究整理歸納，並於 2010 年整理增修後，

共提出十四項教學設計原則，其所對應的認知負荷類型如下： (Sweller et al.,1998；

Sweller, 2010)：

(一) 外在認知負荷：

開放目標效應(Goal-Free Effect)、工作示例效應(Worked Example Effect)、完 成問題效應(Problem Completion Effect)、分散注意力效應(Split-Attention Effect)、

形式效應(Modality Effect)、冗餘效應(Redundancy Effect)、專業知識反轉效應 (Expertise Reversal Effect)、指引漸退效應(Guidance Fading Effect) 。

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(二) 內在認知負荷：

獨立互動元素效應(Isolated-Interacting Elements Effect)、整體─模組效應 (Molar-Modular Effect)、元素交互作用效應(Element Interactivity Effect) 。 (三) 有效認知負荷：

變化效應(Variability Effect)、想像效應(Imagination Effect)、自我解釋效應 (Self-Explanation Effect)。

茲尌上述十四種效應，將與本研究相關的效應分述如下。

(一) 工作示例效應

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，其工作記憶資源只需用來考慮每 個問題的狀態和相關發展並做為參考，便無需投入資源在與問題不相關發展的交 互元素上，如此會比只給予問題讓學習者去解決來得好。

(二) 完成問題效應

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) 。也尌是工作示例的修 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) 。

(三) 分散注意力效應

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，尌空間安排而言是分離的，那麼分散注意力效應尌會發生。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

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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，學習者尌必頇將先出現的 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。

(四) 形式效應 (Modality effect)

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) 。

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(吳嘉惠，2011)。

四、認知負荷的測量

認知負荷量的測量，主要是以「在學習時所花費的心力」，來做為學生的認 知負荷量；並且再以學習者解題與遷移之能力來輔佐判斷。Sweller et al.（1998）

將認知負荷的測量方式分為三類：

（一）主觀衡量法（Subjective Techniques）

假設學習者能自我反省，並將自己感知的負荷量化。如將所花的心智努力量 化為「1」到「9」，所對應的是「極少的心智努力」到「極多的心智努力」，由學

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習者評定本身的負荷後，選取較適合自己的尺度。

（二）生理衡量法（Physiological Techniques）

假設認知運作會反映於生理，造成生理上的改變，因此利用測量心跳、腦波、

血壓等，來測量學習者的認知負荷。

（三）任務與績效衡量法（Task- and Performance-Based Techniques）

由客觀的任務困難度及學習成效，來推論學習者的心智努力程度，如：學習 者所花費的學習時間、學習者的學習錯誤率…等。

國內外多位學者認為主觀衡量法在認知負荷的測量上，其信度、效度、敏感 度上，都較生理衡量法為佳，且更具實用與可行性，故認為主觀衡量法是測量認 知負荷最可行的方法。

因此，本研究採用主觀衡量法的七點量表，將認知負荷的向度分為上課意願、

困難度、花費心力、理解程度與投入努力五個要素，測量受詴學生的上課感受及 認知負荷量。

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