認知負荷理論

本研究為探討動畫課程對國中學生在學習月相盈虧成因概念之學習成效與 認知負荷的影響，因此在設計教材之前應降低教材的負荷量，以助於學習者學習。

本節將探討認知負荷理論的定義、假定與認知負荷來源，探討電腦多媒體的教學 效應，在理論基礎之下再進一步探討教育科技設計的原則，以利研究者在設計電 腦多媒體教學時更能達到教學目標。

一、認知負荷的定義

Jex（1988）認為認知負荷是學習者面對學習內容時，置身於學習環境中，

欲表現出符合任務的適當行為行為時，所意識到「任務要求」與「自身認知能力」

之間，心智負荷差異的評估。

Paas（1992）認為認知負荷是一個多向度的概念，包含了學習者本身的特 性，例如：認知能力與先備經驗等，以及學習環境，例如：學習內容、資訊展現 方式、教材編排方式、學習程序與時間壓力等。

Sweller（1994）定義認知負荷是學習者在執行一項任務時，加諸於學習者 認知系統上的負荷，如果教材或學習步驟遠超過學習者的工作記憶容量，將有損 學習者的理解、學習和問題解決能力。

宋曜廷（2000）則定義認知負荷是個體執行某種作業的過程中，因作業特 性所需的認知能量或認知資源而造成認知系統（尤其是工作記憶）的負載狀態。

黃柏勳（2003）認為認知負荷是個體在工作情境（學習情境）下處理訊息 時，所感受到心智負荷與心智努力的負荷總量。倘若此負荷總量超出個體所能接 收的範圍，將導致個體的認知系統無法負載，進而在心理或生理引起焦慮、壓力 與苦惱等負面知感，並影響工作（學習）的表現。

陳密桃（2003）指出「認知負荷」是個體在執行某種工作或任務的過程中，

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個體所感受到心智負荷與心智努力的負載狀態。以訊息處理理論而言，「認知負 荷」是指工作記憶的負荷。

許多研究者對於認知負荷的定義雖然不同，但內容上是很接近的，本研究 定義認知負荷以 Sweller 的觀點，認知負荷是學習者在學習的過程中，加諸於學 習者認知系統上的負荷。

二、認知負荷理論的基本假定

認知負荷理論是立基於記憶、基模發展以及自動化訊息處理等概念，有一 些基本假定要點（宋曜廷，2000；Sweller, Van Merrienboer& Paas, 1998）：

（一）工作記憶容量是有限的

人類的工作記憶容量是有限的，一般而言只能儲存 7±2 個字元，且儲存時 間短暫，當個體接收新訊息時，如果需要一次處理多個訊息時，容易造成認知負 荷過重。若是待處理的訊息和教材內的元素互動性高，必須要相互參照後才能理 解，也會產生更大的認知負荷，造成學習上的困難。

（二）長期記憶容量基本上是無限的

人類的長期記憶沒有容量上的限制，能夠長時間保存記憶而不遺忘，但是 儲存的內容會使得專家與生手在面對問題時有很大的差異。專家的長期記憶儲存 較多問題狀態的知識及對應的解決方法，在面對問題情境時能快速的提取解決問 題所需的知識並加以運用，然而生手學習者只能在長期記憶中逐步搜尋可用的知 識，耗費大量的工作記憶容量進行推理和尋求問題的解決方法，容易造成過度的 認知負荷。

（三）知識是以基模的形式儲存於長期記憶之中

基模建構的過程將佔用工作記憶容量的訊息融合成一個複雜的基模，而形

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成一個處理單位使得人類可以發展複雜的工作技能，並在長期記憶中發揮組織與 儲存的功用，降低工作記憶的負荷。

（四）自動化是基模結構中重要的程序

人類在面對訊息時有兩種處理模式，分別是意識處理與自動化處理。意識 處理發生在短期記憶中，會佔用較多的工作記憶容量；自動化處理則較少受意識 監控，佔用極少的工作記憶容量，許多的知識技能初期都是透過意識處理，經由 不斷的練習後才轉換成自動化處理。

總合以上關於認知負荷的基本假定，對人類的認知學習而言，工作記憶容 量是有限的，長期記憶的容量是無限的，在面對任務時須使用工作記憶從長期記 憶中提取相關既有的知識基模，進行組織與整合的工作，並隨著經驗的累積變成 自動化的處理。當無法有效率的從長期記憶中提取所需相關知識基模時，可能會 因此使用過多的工作記憶而產生不同類型的認知負荷。

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三、認知負荷的類型

依據認知負荷理論，在學習歷程中認知負荷可分成三種類型（Cooper, 1998;

Sweller, 1994, 2005; Sweller, Merrienboer, & Paas, 1998）：

1.內在認知負荷 （Intrinsic cognitive load）：

內在認知負荷與學習教材本身元素的交互性有關，當教材元素的交互作用 很高時，就表示教材性質比較複雜，教材內容的難易度較高，因此內在認知負荷 較重。除此之外，學習者本身的程度與先備經驗也與內在認知負荷有關，隨著先 備知識與經驗的增長（基模的建構與自動化處理），學習者感受到的教材難易度 也會不同。內在負荷是基本的負荷，無法藉由教學設計來降低，主要來自教材元 素的交互性、學習者本身的程度及兩者間的交互作用。

2.外在認知負荷（Extraneous cognitive load）：

外在認知負荷與教材設計的關係較為密切，包含教材的呈現及學習活動對 學習者工作記憶所產生的負荷。教材內容的呈現與組織方式的不同，例如圖片與 文字的編排配置關係太雜亂或是呈現的時間間隔太久，學習者在學習過程中必須 先花費心力整合接收到的訊息，有可能因此而增加外在認知負荷，若是同時呈現 或是整合後呈現則可以降低認知負荷。因此可見外在認知負荷是外加的，可以透 過教學的設計來降低負荷。

3.有效認知負荷（Germane cognitive load）：

有效認知負荷是藉由教學設計以吸引學生專注在學習內容或基模建構的認 知過程。有效認知負荷和外在認知負荷雖不易釐清，但一般而言外在認知負荷會 阻礙學習者學習，而有效認知負荷雖然會增加學習者的負荷，但卻會增進基模的 建構。因此若在教學設計的過程中加入適當的呈現方式或元素來吸引學習者專注，

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雖然增加負荷但卻有助於提升學習成效。

三、認知負荷理論的教學效應

綜合前面所述，在教學過程中，教師的教學設計會影響學生的外在認知負 荷與有效認知負荷，教材內容的難易度則是影響學習者的內在認知負荷。由於外 在認知負荷是可以透過教材編排設計來降低負荷量，進而幫助學習者學習。

Swelle（2008）根據認知負荷理論，從實徵研究歸結出九種因教學設計而 產生的效應：

1.演練範例效應（Worked example effect）：

讓新手學習者演練問題解決方法的效果會優於在學習過程中提供一個問題 讓學習者去解決。透過提供範例的方式幫助學習者組織解決問題的知識，減少外 在認知負荷。

在電腦科技為基礎的教學上應用，則是適用於電腦模擬演示一個過程或是 程序，協助學習者獲取長期記憶中關於問題解決所需的知識。

2.分散注意力效應（Split-attention effect）：

當學習教材中資訊是由兩種以上的呈現方式，如圖形和文字說明分開呈現 且未經整合時，對新手學習者而言，單一圖片或是文字說明訊息是難以理解的，

必須將兩種以上的來源訊息整合過後才能理解，學習者在閱讀過程中必須將注意 力分散到圖形和文字敘述間，而此多重訊息搜尋會耗損工作記憶容量，易導致學 習成效不佳。因此在教材設計時應將多重資訊整合呈現，省去圖文之間的搜尋，

提高學習成效。

在電腦動畫模擬的呈現時應注意將內容架構清楚的呈現並標示說明內容各 部分的關係，並將其中說明文字格式化，減少內容和說明文字間的搜尋。

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3.形式效應（Modality effect）：

形式效應和分散注意力效應一樣，都是發生在當教材中多個資訊來源對學 習者而言無法單獨理解其中一種資訊，必須經過整合後才能理解時。透過利用視 覺與聽覺雙重管道呈現教材內容，所得到的效果會比只有單一種視覺或聽覺的效 果要好。

在電腦科技為基礎的教學上應用，使用電腦動畫的過程中應適當的利用聲音呈現 文字內容搭配視覺畫面的內容。

4.多餘效應（Redundancy effect）：

多餘效應指的是學習過程中出現不相關的資訊。最常見的一種是以不同的 方式呈現相同的資訊，例如圖片本身即能夠提供學習者所需要的訊息，加入同樣 訊息的敘述文字便是多餘的且會干擾學習。另外一種是不需要的額外資訊，例如 裝飾用的圖片、背景音效或卡通圖案。

因此在教學設計時應確保所提供的訊息是至關重要的，當單一訊息呈現難 以理解時才以多重方式呈現訊息。例如當教材中圖片不易單獨理解時，應整合圖 片與口語敘述說明的方式呈現，而非僅僅是以不同形式呈現相同資訊。在動畫模 擬時，應確保標示說明的訊息必要的，避免在畫面中呈現無關的訊息而導致多餘 效應的形成。

5.專家逆轉效應（Expertise reversal effect）：

前面幾項效應的基本假設是針對新手學習者而言，且多餘效應是發生在學 習教材的使用過程中。但對專家而言，隨著專業知識的增加，許多為了降低生手 學習者認知負荷的設計反而會對專家造成多餘效應而產生外在認知負荷。例如對

前面幾項效應的基本假設是針對新手學習者而言，且多餘效應是發生在學 習教材的使用過程中。但對專家而言，隨著專業知識的增加，許多為了降低生手 學習者認知負荷的設計反而會對專家造成多餘效應而產生外在認知負荷。例如對