認知負荷理論之基礎概念

第二章 文獻探討

第一節 認知負荷理論之基礎概念

一、認知負荷類型及與教材設計間的關係

認知負荷理論(cognitive load theory)是根據人類認知結構的局限所衍生的一 套與教材設計有關的理論。早期的研究發現解決問題對人類的工作記憶帶來龐大 負擔，新手缺乏完整的知識基模，或基模還缺乏自動化運作能力，因此需要使用 手段-目的分析求解(Sweller, 1980; Sweller & Levine, 1982)。此時工作記憶要維持激 發的訊息量非常大，例如要記住問題的內容、待解的目標、待解的次目標、次目 標間的關係、解決次目標所需的參數等等。學者發覺新手解決問題的困境，因而 提出減低認知負荷的教學與教材設計策略，希望將無效的負荷量縮減至最小，把 對於學習有效的負荷量增至最大。認知負荷理論提出了許多普遍的學習原則，適 用於各學科領域，並提供許多特定具體的教材設計指導方針，以實驗研究結果作 為理論支持的證據，其基本主張為良好的教材設計或環境能促進有效的學習，對 人類的認知處理過程具有影響力(Clark, Nguyen, & Sweller, 2006)。理論的發展逐漸 將認知負荷分類為內部、外部、增生認知負荷(Sweller et al., 1998)。

（一）內部、外部、增生認知負荷

為促進學習成效，學習者必須在有限的工作記憶區處理教材所呈現的訊息，

而由教材訊息所形成的負荷根據對學習產生的不同作用被分成以下三種類型。

1. 內部認知負荷(intrinsic cognitive load)

在工作記憶區儲存與處理教材訊息所形成的負荷稱為內部認知負荷。內部認 知負荷的起因為學習材料的複雜程度與訊息元素的互動性(element-interactivity)，

學習者為了達成學習目標，必須同時在工作記憶中處理教材內容的各種元素，當 元素量大且元素間互動密集，即形成高度的負荷(Kalyuga, Ayres, & Sweller, 2011)。

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內部認知負荷是學習者成功處理訊息的「必要」條件。

2. 外部認知負荷(extraneous cognitive load)

外部認知負荷與教材內容的元素無關，而是由不適當的教材呈現方式或教學 活動造成的。呈現教材的方式對學習者所造成的認知負荷是負面的、要避免的，

因此從教材設計的角度來看，對學習目標並無幫助的負荷稱為外部認知負荷 (Kalyuga et al., 2011)，可藉由改變教材形式、程序而被消除、降低。

3. 增生認知負荷(germane cognitive load)

到1990 年代初期，認知負荷理論學者主張內部認知負荷是恆定的，教材設 計應致力於消除對於學習有不良效果的外部認知負荷。但是老師如果能積極地引 導學生建立知識基模，而產生良好的認知負荷，這是有效的認知程序所造成的，

因此被稱為增生認知負荷(Kalyuga et al., 2011)。有別於內部和外部認知負荷為獨 立的負荷來源，增生認知負荷是工作記憶中處理與內部認知負荷有關的元素交互 作用所組成，透過處理內部認知負荷的元素交互作用而產生有效的學習與遷移 (Sweller, 2010)。倘若教材的組織呈現能夠讓工作記憶容量最主要用來分配處理與 內部認知負荷、增生認知負荷有關的元素與元素交互作用，那麼就會產生最大的 學習效果。反之，若分配愈多的容量給外部認知負荷，相對地與學習有關的內部 認知負荷與增生認知負荷則會分配到愈少的容量(Sweller, 2010)，因而阻礙了學習。

因此適當的教學設計應該設法降低外部認知負荷，增加內部與增生認知負荷。

增生認知負荷是因為學習者要處理對學習目標有助益的各種類型學習活動 所形成，因此在問題解決的練習階段，學習者必須建立穩固的基模或技術以利後 續應用於處理不同類型的問題(Clark et al., 2006)。Clark 等人(2006)認為具變化性 的參考範例題型(variable worked examples)會引導出較好的學習結果，而用來處 理此具變化性的題型所產生的心智負荷即為增生認知負荷。變化性(variability)促

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使學習者去分辨和確認與學習相關或不相關的特性，進而建立適當穩固的基模，

利於日後較高層次的問題解決。學習階段一開始會產生較大的認知負荷和時間，

但會有較大的學習遷移表現(Wouters, Paas, & van Merriënboer, 2008)。

內部與外部認知負荷具可加性，起因為在有限的工作記憶容量中處理訊息，

兩者加總即為學習某一教材而形成的全部認知負荷。有些認知容量用來處理內部 認知負荷以及增生認知負荷，其他容量則是被分配用來處理由教材設計所形成的 外部認知負荷(Kalyuga et al., 2011)。教材設計的主要目的之一就是降低外部認知 負荷，讓較多的記憶容量空間可用來處理對學習有關、有助益的內部認知負荷與 增生認知負荷。

（二）認知負荷類型與教材設計 1. 內部認知負荷與元素交互作用

誠如前述，內部負荷的多寡視工作記憶裡必須同步處理的元素個數及元素交 互作用的程度而定。元素係指任何需要被學習的教材內容，例如概念、程序或是 基模(Sweller, 2010; Sweller et al., 1998)。當學生學習新的英文字彙、電腦術語或 是化學符號時，這些任務或許是困難的，因為包含了大量需要學習的項目。然而 也可能不會造成太大的認知負荷，原因在於背誦字彙、術語或符號時，每個元素 皆為獨立，學好單一個字彙無須區別其他字彙，單一字彙與其他元素交互作用的 關聯性低，內部認知負荷就是低的。任務本身的內在特性決定在工作記憶的負荷 是低的(Sweller et al., 1998)，倘若有個任務具低元素交互作用，卻很難學習，是 因為該任務的元素總數量太多(Sweller & Chandler, 1994)。相反地，高元素交互作 用的任務則包含了教材元素間彼此的交互作用，學習其中一個元素需要參照其他 元素，元素交互作用愈多，造成的工作記憶負荷量就愈大(Sweller, 2010)。例如計 算直柱體的表面積，長寬高數值都是教材的元素，學習者若要算出表面積，必須 利用這些已知元素先分別求出側面矩形的面積、以及兩個底面積，最後再加總算

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出直柱體的表面積。另外，學習者還要了解圖形立體空間的概念，這些個別求算 面積與底面積的心智運作過程，包含了許多元素交互作用，元素間彼此互有關聯，

因此必須在工作記憶區裡被同步考慮與處理、進而求出答案，是屬於高元素交互 作用任務。

Sweller 與 Chandler (1994) 認為內部認知負荷大小取決於元素交互作用的個 數。除了分析教材本身的內容特性外，尚需將學習者的（先備）知識納入考慮，

因為對新手來說，學習柱體表面積計算會形成許多元素交互作用個數，然而對專 家而言，卻可能只是單一的元素(Sweller et al., 1998)。在一特定已知的任務與學 習者先備知識的背景下，內部認知負荷是固定的，無法藉由修改教材形式而有所 變化，除非改變任務內在特性或學習者的先備知識程度(Sweller, 2010)。

本研究使用的數學單元為柱體體積與表面積的計算，包含大量的元素交互作 用，預期受試者先前已具備平面圖形周長與面積計算的先備知識，但尚未學習立 體圖形體積與表面積的計算，因此此任務對於受試者來說是新的學習主題，是複 雜的。

2. 外部認知負荷與教材設計

Sweller 等人(1998)主張在設計教材架構時，必須小心避免由教材設計所造成 的不良認知負荷。工作記憶容量是有限的，學習新事物皆在工作記憶區進行有意 識地處理，據此，所有教材設計必須從認知負荷的觀點去分析。許多教材設計和 程序是不適當的，因為沒有考慮到新手有限的工作記憶容量，因而造成學習者過 度負荷阻礙了學習。

當學生學習一個新的數學主題時，大部分教材會呈現該主題重要觀念、新的 學習材料，搭配參考範例(worked example)去解釋概念與問題解決的技巧。接著 就會要求學生解決許多類似問題來練習解題的程序，學生在練習解題的階段中得 花較多時間，而基模建構與解決技巧的獲得也最常在此階段發生(Sweller et al.,

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1998)。因此教材設計良窳與問題解決策略（技巧）對學生能不能成功學習有關 鍵地位，是基模建構及形成自動化機制與否的前提要件。

舉例來說，有些教材設計的範例是需要學習者自行整合多樣分散的圖文訊息，

然而在這樣心智整合的過程中，對基模建構是沒有幫助的，而學習者因為分配過 多的認知容量於處理與基模建構無關的訊息上，造成大量的外部認知負荷，干擾 學習。Sweller, Chandler, Tierney, and Cooper (1990)比較了分散的圖文訊息與整合 的圖文訊息在解決問題的時間與解題正確步驟次數上的影響。受試者為28 位雪 梨高級中學九年級的學生，分為兩組解決三道幾何問題，分別為傳統教材組（圖 文教材訊息以分散的形式呈現）與整合教材組（圖文教材訊息以整合的形式呈現）。 結果顯示，整合教材組比傳統教材組在解決問題的過程中，有較快的解決時間與 較多的正確解題步驟次數。從實驗結果可知，良好的範例應消除注意力分散的效 果，避免讓學習者須自行重整與組織教材訊息，降低不必要的外部認知負荷，讓 學習者專注集中於處理與學習有關的教材訊息上，達成有效學習。

3. 增生認知負荷與教材設計

Van Merriënboer (1997)認為如果認知處理過程和基模的建構有直接的相關，

這就帶來增生認知負荷。其基本假設如下：若教材本身複雜程度低、元素交互作 用少，形成較低的內部認知負荷，或是由於適當的教材設計而有較低的外部認知 負荷，抑或是上述兩者的結合，讓在有限的工作記憶容量中尚未被占據的容量可 用來進行有效的學習，進一步地激勵學習者參與和基模建構有關的認知處理。上

這就帶來增生認知負荷。其基本假設如下：若教材本身複雜程度低、元素交互作 用少，形成較低的內部認知負荷，或是由於適當的教材設計而有較低的外部認知 負荷，抑或是上述兩者的結合，讓在有限的工作記憶容量中尚未被占據的容量可 用來進行有效的學習，進一步地激勵學習者參與和基模建構有關的認知處理。上