認知負荷理論之教材設計原則

Sweller 等人 (1998) 綜合認知負荷理論多年來在各學科領域的研究結果，先提出七 項教學設計原則，而後 Sweller (2004) 又依據眾多實驗證據將七項教學設計原則擴展為 十一項，近期 Sweller (2010, 2011) 再將其延伸為十五項教學設計原則，茲分別說明如下：

1.開放目標效應（Goal Free Effect）

傳統的教學大多是單一目標及標準答案導向的解題模式，因此容易將學習者侷限在 某個固定框架下進行思考與認知處理，會產生較大的認知負荷。開放目標 ( Goal free) 即是讓學習者在沒有固定學習目標的情況下盡其可能表達自己思考的想法或步驟。相較 於傳統目標問題，這種非特定或無目標的問題可以減少工作記憶的負荷，但只適用於解 決方式有限及過程具有教育性意義的領域 (Sweller, 2004)。當開放目標的問題比傳統問 題能引發更多的學習時，開放目標效應就會發生。

2.示例效應（Worked Example Effect）

教師在教導程式性知識時，可以先呈現適當的工作示例供新手學習者參考，提供完 整的解題與步驟，協助他們更能理解問題，可以減少工作記憶區不必要的探索與避免耗 費資源，因此可降低外在認知負荷，使學習者能有更多的認知資源去形成基模以存在長 期記憶中。本研究以示例教學進行即產生示例效應。

3.完成問題效應（Completion Problem Effect）

完成問題指的是給定一個特定的目標狀態，提供學習者部分的解決方案，要求由學 習者繼續完成 (Sweller, et al., 1998) 。也就是將工作示例加以修改為不提供全部的解決 步驟，保留部分由學習者自行完成，適用於以設計為導向的軟體設計、電子電路設計、

生產流程規劃等領域。證據顯示，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 ) 。

4.分散注意力效應（Split-attention Effect）

當學習者面對必須整合多方面的訊息才能達到學習與理解的目標時，倘若多媒體資 源展演的過程中，將相關的文字與圖片在空間上分離或口語時間不同步，學習者就會分 散注意力，得將最先獲得的訊息保留在工作記憶中，並在相關訊息間來回搜尋、比對，

非常耗費工作記憶資源，以致於增加了認知負荷。若能將相同內容訊息以實際整合的方 式呈現，而不是只靠心力去整合，應可減低工作記憶區的負荷、避免分散注意力的效應。

5.形式效應（Modality Effect）

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 )。圖像與文字解說同屬於 視覺形式，較易造成視覺感官通道的阻塞。而圖像與口語分屬於視覺與聽覺兩種不同的 通道，較不會有通道阻塞與資源不足的情形。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 )。

6.重複效應（Redundancy Effect）

如果教學內容可以圖像、文字和口語解說傳達，且僅用其中之一便能將訊息傳達清 楚，那麼多媒體展演中若同時使用多碼就會產生重複效應 ( Sweller, 2004 ) 。面對多元 但可獨立呈現的訊息，若在空間或時間上同時出現，大量的訊息同時湧入工作記憶區迫 使學習者必須重複搜尋比對，導致工作記憶過載，反而干擾學習，降低學習效果。

7.變化效應（Variability Effect）

變化效應是指教學者提供不同問題狀態和情境的題目讓學習者去練習，藉由題目的 變化促使其基模發展，進一步強化學習轉化的能力。

Sweller (1998) 認為高度變化的題型雖會增加學習或練習過程中的認知負荷，卻可 獲得更好的轉化遷移效果，因此所增加的認知負荷是有效認知負荷，而非外在認知負荷。

宋曜廷 (2000) 指出教師進行教學時若能營造有變化的學習情境或轉換問題的狀態，將 有助於學習者運用多元的訊息處理管道，建立其學習基模。雖然轉換與變化問題情境，

在表面上看來似乎會造成更大的認知負荷，但事實上卻有助於引起學習者的注意力，使 其更投入與學習有關的作業，因此在學習遷移上的效果將更為明顯。

8.專業知識反轉效應（Expertise Reversal Effect）

專業知識反轉效應是教學設計的成效與學習者知識程度的具有高度相關性與差異 性，也就是指某一種教學設計方式對於低先備知識的學習者是有效，但對於高先備知識 者則卻會失去功效，甚至產生負面的結果 (Kalyuga, 2007) 。Kalyuga (2009) 指出專業 知識反轉效應最重要的涵義就是教學者應設計具有高度彈性效能的多媒體認知環境，以 符合學習者原本不同的程度或經由學習後不斷改變的專業知識豐富度。本研究以狀態轉 換圖表徵替代複雜文字敘述，增加表徵的過程，對原先高成就的學生是否會造成專業知 識反轉效應為本研究重點之一，造成此效應的詳細原因、測量方式詳見後節 2-4 之討論。

9.引導漸減效應（Guidance Fading Effect）

在教學初始之際，可以給予新手學習者完整的示例學習，使其更快瞭解其中的程序 與步驟。但隨著學習者的專業知識增長，過多的示範與提示反而會成為多餘的外在認知 負荷，應該逐步減少引導，促使學習者能夠自行完整的解決問題，以避免造成專業知識 反轉效應。

10.隔離元素交互作用效應（Isolated-interacting Elements Effect）

學習的教材內容包含大量具有高度交互作用的元素時，若要同時處理全部，容易使 工作記憶區呈現超載而造成極高的內在認知負荷，不利於學習與理解。倘若將一小部分 的元素獨立處理，較容易使其建構成長期記憶中的基模。待每個獨立的小部分學習完畢 後，再繼續往下學習。Sweller (2010) 指出獨立互動元素效應就是藉由人為方式去降低 元素互動性的內在認知負荷，雖無法改變初始學習任務或目標的內在認知負荷的總量，

但可將任務分割成數個次任務或次目標以達到降低負荷的目的，這種隔離及延遲元素互 動性的方式，可將最初的高度交互作用轉變為低度交互作用，且可透過基模的自動化使 學習更加深入，降低學習者的認知負荷，促進學習成效。

11.整體-模組效應（Molar-Modular Effect）

整體-模組（Molar-Modular）形式大多使用於工作示例 (Worked Example) 的學習 上。整體（Molar）是以整體的觀點，提供學習者一個整體的方法或程序，供其可在遵 循後解決問題，類似傳統教科書的解題模式。然而這樣的模式使得學習者必須在同一個 時間處理許多必要訊息，會造成高度的認知負荷；模組 (Ｍodular )是將複雜的解決方案 分解成更 小且有 意義又 能分開傳達與 被理解 的解決 方案元素 (Gerjets, Scheiter, &

Catrambone, 2004, 2006) ，也就是教學者將主目標分割成數個有意義的子目標，並引導 學習者逐一將子目標理解完成後，最終再統合成最後結論，此一概念與隔離元素交互作 用效應（Isolated-interacting Elements Effect）相似。

12.元素交互作用效應（Element Interactivity Effect）

元素交互作用效應指的是當教材本身的元素交互作用低時，其內在認知負荷較低，

即使教材設計不良會造成外在認知負荷，但因所有認知負荷總和不會超過工作記憶容 量，故外在認知負荷就不會是影響學習成效的重要關鍵 (Leahy & Sweller, 2005；Sweller, 2010)。也就是如果教材本身的元素交互作用低時，就不會產生上述的認知負荷效應；

相對的，若元素交互作用高時，因本身內在認知負荷高，就必須審慎考量外在認知負荷 對於學習的阻礙 (Sweller, 2010)，意即要審慎考慮教材設計。

13.想像效應（Imagination Effect）

在教學過程中，學習者若被要求去「想像」一個過程或概念，此時的表現如果優於 被要求「研讀」同樣過程和概念的學習者，這就就是想像效應 (Leahy & Sweller, 2004；

2005)。當學習者在進行想像時，必須從長期記憶中提取相關的基模至工作記憶中進行 處理，因此想像效應會促使基模自動化，故可增加有效認知負荷，提升學習效果。不過 想像效應要發生的前提是學習者必須具備與任務相關的知識基模，否則「想像」這個指 令反而會產生外在認知負荷讓工作記憶區超載，使得任務失敗。因此若先備知識較低的 學習者仍比較適用「研讀」指令來建立基模 (Leahy & Sweller, 2004；Sweller, 2010) 。

14.自我解釋效應（Self-explanation Effect）

自我解釋效應就是要求學習者嘗試解釋一個新的過程或新的概念，這樣的過程能夠 引導學習者利用有效認知負荷資源去處理相關的互動元素(Sweller, 2010)。自我解釋效應 與想像效應有關，皆藉由鼓勵學習者進行與一般研讀學習較不同的活動，可將偏離的認 知資源重新導向，進而減少外在認知負荷。Sweller (2010) 指出教學者可以引導並鼓勵 學習者去使用認知過程，取代直接教導，以消除與學習無關的活動。

15.瞬間效應 (Transient Information Effect)

當視覺加上聽覺呈現的敎材優於單獨以視覺方式呈現的教材時，就產生形式效應 (Modality Effect) 。但是 Leahy and Sweller (2011) 在一項對小學生的教學實驗研究中發 現，只以視覺圖表呈現的組別之實驗結果竟優於視覺加聽覺的組別，顛覆了以往的想 法。推測可能的原因為短暫的聽覺在工作記憶區裡要處理的過程比要處理視覺文字需要 更長的時間，此即為瞬間效應。