認知負荷理論

第三節、認知負荷理論

研究者接著再以認知結構的觀點探討如何設計教學內容，引入認知負荷理 論，並將Sweller、Ayres 與 Kalyuga 於 2011 年所著的 Cognitive Load Theory 之 中與本研究有關的內容，以及其他相關的文獻整理於本節。

認知負荷理論是一種基於認知結構的教學理論，此理論指出認知結構的發 展與人類演化的過程息息相關。認知結構包含工作記憶（working memory）與 長期記憶（long-term memory），認知負荷理論以此為基礎，藉由實驗比較不同 類型的教學設計，進一步推論出相關的教學效應。本節將由以下四個面向探討 認知負荷理論，分別為：知識的分類、人類的認知結構及其訊息處理原則、認 知負荷的分類、認知負荷理論在教學中的應用。

一、知識的分類

認知負荷理論整合Geary（2007，2008）的研究，將知識分為以下兩種類 型，分別為：演化過程所發展的生物基礎知識（biologically primary

knowledge）、近代文化所強調的生物次級知識（biologically secondary

knowledge）。生物基礎知識是生物歷經數百萬代演化後所獲得的模塊式技能，

此類知識的學習特徵是不需要他人的激勵，以自我激勵為主、無意識且自然習 得（learnable but not teachable）。以說話為例，其動作包含嘴唇、舌頭、牙齒與 呼吸之間複雜的協調與整合，但是幼兒並不需要明確的指示，就能在環境中自 然學會說話。人們可能因為某些模塊受損導致該類型的生物基礎知識有所缺 陷，但其他模塊仍能正常運作，這種模塊化的結構可能源於生物在演化過程 中，於不同時期演化出不同基礎技能。而生物次級知識與生物基礎知識有很大 的不同，人類雖已具備學習生物次級知識的能力，但是尚未演化出對應的模 塊，往往需透過教育系統才能有效地習得此類知識（learnable and teachable）。

以數學為例，人類需經長時間刻意學習才能熟悉符號操作或定理推導。綜上所

提出五個與訊息處理有關的原則，分別為：訊息儲存原則（information store principle）、借用與重組原則（borrowing and reorganising principle）、隨機生成原 則（randomness as genesis principle）、有限變化原則（narrow limits of change principle）、環境的組織與連結原則（environmental organising and linking principle），各原則分述如下：

訊息的積聚：訊息儲存原則（information store principle）

訊息處理系統需要非常大的訊息儲存庫才能使個體在複雜的環境中做出適 當的反應。在人類的認知結構中，此訊息儲存庫即為長期記憶（long-term memory）。長期記憶在認知功能中相當重要，以 Chase 與 Simon（1973）的研 究為例，研究發現職業棋士與業餘棋士在預測棋局的深度與廣度上，並不具有

訊息的取得：借用與重組原則（borrowing and reorganising principle）、隨機生 成原則（randomness as genesis principle）

在複雜的環境中，訊息處理系統需要非常大量的訊息儲存庫才能運作，認

認知負荷理論進一步以演化的觀點探討最初的訊息來源為何，在生物演化 中，隨機突變是所有遺傳變異的最終來源，如果突變的結果增加了個體對環境 的適應性，則此突變可能就會被保存到訊息庫中，反之則會被淘汰。由此可 知，演化本身即是一個兼具創造性與測試性的系統，當我們在解決一個陌生的 問題時，隨機生成原則（randomness as genesis principle）提供一個與上述過程 相似的解題程序，此程序可分為生成與測試兩個階段，因為我們在長期記憶中 沒有儲存與解決此問題直接相關的基模（schema），因此我們必須先嘗試提出可 能的解決方案，接著再進行測試，藉由測試判斷該方案能否解決問題。當我們 缺乏相關的知識時，隨機生成原則（randomness as genesis principle）是一種產 生新知識的方法，一旦創造出有效的知識，則此知識可能就會被保存到訊息庫

個體與外部環境的互動：有限變化原則（narrow limits of change principle）、

環境的組織與連結原則（environmental organising and linking principle）

認知負荷理論以表觀系統（epigenetic system）的觀點提出工作記憶的有限 變化原則（narrow limits of change principle），生物的表觀系統介於外部環境與 基因系統之間，能將訊息由外部環境傳遞到基因系統，進而促發變化。雖然表

觀系統能決定變化的時間、位置與程度，但無法決定變化的內容，每個突變都

（epigenetic system）相似，工作記憶聯繫著外部環境與長期記憶（long-term memory）。研究指出工作記憶的容量（Miller，1956）、持續時間（Peterson &

Peterson，1959）與處理元素的能力（Cowan，2001）都相當有限，研究結果顯

（narrow limits of change principle）為認知負荷理論所提出的教學效應的基礎。

表觀系統（epigenetic system）與工作記憶（working memory）除了接收外 部訊息之外，也篩選、組織與轉換訊息儲存庫中的訊息，這兩種訊息（外部、

內部）的處理機制非常不同，認知負荷理論提出環境的組織與連結原則

（environmental organising and linking principle），以此描述外部訊息與訊息儲存

庫之間的關係，並藉此統合前述四項原則。

認知負荷理論指出生物的表觀系統（epigentic system）其重要性並不亞於 基因。以細胞為例，雖然每一個細胞都具有相同的DNA，但在環境訊號的觸發 下，表觀系統能夠開啟或關閉部分基因，從而建構出多樣的結構。雖然表觀系 統在突變上有明顯的數量限制（短時間內只能進行少量的突變），但在篩選與組 織基因庫中的訊息時，並沒有已知的數量上限，表觀系統可以開啟或關閉大量 基因。

在人類的認知系統中，工作記憶（working memory）的作用與生物的表觀 系統（epigentic system）相似，工作記憶藉由外部訊息確定哪些長期記憶

（long-term memory）與此相關，進一步組織這些長期記憶，而其他的長期記憶 並不受影響。雖然工作記憶在處理新訊息時有明顯的數量限制（短時間內只能 處理少量的新訊息），但在篩選與組織長期記憶中的訊息時，並沒有已知的數量 上限，工作記憶可以檢索大量長期記憶中的訊息並藉此做出適當的反應。

綜上所述，認知負荷理論指出教學的目的在於增加學生儲存在長期記憶

（long-term memory）中的生物次級知識（biologically secondary knowledge），

這些儲存在長期記憶中的生物次級知識將不受到工作記憶（working memory）

處理新訊息的數量限制，我們可以藉此靈活且有效地做出適當的反應。

三、認知負荷的分類

與教學相關的認知負荷主要有兩種，分別為：內在認知負荷（intrinsic cognitive load）、外在認知負荷（extraneous cognitive load）。兩者皆與元素互動

稱為內在認知負荷，除非改變學習目標或改變學生的知識水平，否則內在認知 負荷是固定的；與此對照，源於呈現方式本身的元素互動所造成的認知負荷稱 為外在認知負荷，此類認知負荷的來源不是內容本身，而是呈現內容的方式。

兩者詳細內容分述如下：

內在認知負荷（intrinsic cognitive load）

因為內在認知負荷（intrinsic cognitive load）起因於訊息本身的複雜性，所 以在學生的知識水平保持不變的情況下，對於相同的訊息，認知過程所產生的

（narrow limits of change principle），可能因此超過認知系統所能處理容量的上 限，造成解題失敗。

如果學生透過學習將這些高元素互動（hing element interactivity）的內容組 織後以基模（schema）的形式儲存在長期記憶（long-term memory）中，則未來 處理類似問題時，工作記憶可以將與此相關的基模視為單一元素進行操作。由 此可知，學生的專業水平決定所學內容的元素互動程度，以熟悉解方程式的學 生為例，熟練的學生已將與解題有關的內容以基模的形式儲存在長期記憶中，

在面對類似問題時，學生可以從長期記憶中提取與此問題相關的基模，因此對 於相同的內容，熟悉解方程式的學生有較低的內在認知負荷（intrinsic cognitive load）。

內在認知負荷（intrinsic cognitive load）亦可用來區分學習的內容偏向理解 或偏向記憶，理解較適用於描述高元素互動（high element interactivity）的內 容；與此對照，記憶的作用在低元素互動（low element interactivity）的內容上 比較明顯。舉例來說，我們會傾向說學生無法「理解」某一定理的證明過程，

也會傾向說學生無法「記住」某一個英文單字，但我們通常不會說學生無法記 住定理的證明，也通常不會說學生無法理解某一個英文單字。認知負荷理論指 出理解與記憶皆與長期記憶（long-term memory）有關，所涉及的認知過程也大 致相同，兩者主要的差別在於元素互動的高低。

以3 4 12  為例，有些學生可能直接將結果以背誦的方式記憶，有些學生 則會進一步理解3 4   4 4 4，兩者在長期記憶（long-term memory）中的作 用大致相同，但理解所涉及的元素互動程度較高，因此對工作記憶將產生較大 的負擔。由此可知，若學生將理解轉為背誦（兩者所學的內容已經不同），則能 顯著地降低內在認知負荷（intrinsic cognitive load）。雖然以背誦取代理解的學 習方式有許多缺點，但對於某些學生來說，可能暫時沒有其他的選擇，因為理 解所涉及的認知負荷已經遠超過自身工作記憶所能處理的上限。

外在認知負荷（extraneous cognitive load）

因為外在認知負荷（extraneous cognitive load）起因於教學的外部過程，所 以若能藉由改變教學的呈現方式降低過程中所產生的元素互動（element

interactivity），則能減少外在認知負荷。在所有的情況下，教師都應設法減低外 在認知負荷，因為此類型的認知負荷與學習內容本身無關，而是由教學的呈現 方式所造成的負擔。

四、認知負荷理論在教學中的應用

認知負荷理論認為教學的目的在於增加學生儲存在長期記憶（long-term memory）中的生物次級知識（biologically secondary knowledge），此理論以人類 的認知結構為基礎，藉由實驗比較不同類型的教學設計並提出相關的教學效 應。所有教學效應皆取決於認知負荷（cognitive load）的變化，亦皆與元素互

認知負荷理論認為教學的目的在於增加學生儲存在長期記憶（long-term memory）中的生物次級知識（biologically secondary knowledge），此理論以人類 的認知結構為基礎，藉由實驗比較不同類型的教學設計並提出相關的教學效 應。所有教學效應皆取決於認知負荷（cognitive load）的變化，亦皆與元素互