認知負荷理論

「認知負荷」 (Cognitive Load) 一詞源自於歐美的人體工學 (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。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) 。而認知負荷理論是由 1980 年代澳洲新南威爾斯大學 教育學院的John Sweller 所提出，他認為學習認知的過程中，要先經過工作記憶 (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-tern memory) 。在學習的過程中，一些與學習無關的資訊，將會佔用 工作記憶的容量，造成認知負荷，影響學習。因此在Sweller 致力於探討如何運 用教學方法、教學內容的改善來降低認知負荷，減少學習過程中對概念獲得的負 面影響。（黃克文，1996；陳密桃，2003）

一、 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) ；在面 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，而初學者就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。這就是專家 (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 後面臨新的學習時的資料庫。

（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。在意識層面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

認知負荷的類型可分為三類，分述如下：

（一）內在認知負荷 (Intrinsic Cognitive Load)

來自於所要學習的訊息（內在元素間的關聯程度）與學習者本身的程度（先 備經驗），以及兩者間交互作用的影響。若教材本身的結構困難度很高，學習者 需要在工作記憶區中處理關聯性高的元素 (elements) ，將造成較高的認知負荷 而阻礙學習。

此外，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，則所有訊息必須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)

來自於知識呈現的方式，泛指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。

（三）增生（有效）認知負荷 (Germane Cognitive Load)

來自於我們需要習得與自動化相關基模的努力。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須特別注意，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，就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、 認知負荷理論的教學設計原則

2005) 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，

分述如下：

（一）自由目標效應 (Goal Free Effect)

當問題的解決方式非唯一時，教學歷程應採開放目標，使學生不受限制，可 以表達自己的想法或思考的過程，降低外在認知負荷。

（二）示例效應 (Worked Example Effect)

對於一個生手，教師在教導程序性知識時，呈現適當的步驟化解題範例可以 幫助降低外在認知負荷。在示例效應下，學習者可以很快地了解到整個問題的結 構，避免耗費大量的認知資源而影響基模的形成。

（三）問題完成效應 (Completion Problem Effect)

當教學者將問題的示範只呈現一半，剩下一半由學習者完成時，能降低外在 認知負荷。若一份教材在一開始提供完整的解法，之後逐漸減少解題的過程，增 加學習者需完成的部分，最後在僅提出問題的情況下，學習者即能自行解題，此 即「完成策略」 (completion strategy) (Sweller et al., 1998) 。

（四）分散注意力效應 (Split-Attention Effect)

相關的文字、圖形等訊息應在時間及空間的安排上，做適當的呈現。若相關 訊息在畫面上的位置太遠（圖文分散），或出現的時間不一致（動畫與語音未能 同步），會增加學習者在搜尋和對照上的負荷。

（五）形式效應 (Modality Effect)

Baddeley (1976) 提出工作記憶的運作，包含主要的中央執行 (central executive) 系統，以及語音迴路 (articulatory) 系統與視覺空間掃描(visuo-spatial sketchpad) 系統等兩大輔助系統來獨立處理視覺及聽覺的訊息。雙感官的呈現模

式會優於單一感官的訊息呈現。Mousavi, Low & Sweller (1995) 的實驗證實，若 將教材中的「印刷文字」改以「聲音文字」呈現，則可與「以視覺呈現的圖片」

相配合，經由視覺及聽覺兩通道來接收訊息，就不會因文字、圖片都以視覺呈現 而分散了注意力。

（六）重覆（多餘）效應

教材內容有相同的資訊，以不同的形式進入同感官管道，會同時佔用工作記 憶，導致增加認知負荷。當圖片與文字分別都能解釋內容時，若二者同時放置一 起，將強迫學習者去建立二者間的關聯，如此非但不能加強學習效果，反而會造 成認知負荷。但重複效應有時與學習者的先備知識有關，若學習者為生手，則外 加的說明文字是有必要的；但若面對的是專家，就可能會造成重複效應。

（七）變化效應 (Variability Effect)

變換問題的情境雖然造成更大的認知負荷，但有助於基模的建立，使學習產 生遷移，而這時產生的負荷即是有效認知負荷。

但認知負荷理論在面對以課堂授課為導向的教學環境時，必需有更進一步的 擴張和詮釋才能滿足課堂的實際需求。因此，激發式動態呈現能夠強化認知負荷 理論以達到彈性激發、適性教學的目標。