認知負荷理論及相關研究

隨著物質科技的進步，數位化科技日新月異，多媒體輔助教學蓬勃發展，使 得資訊得以利用各種媒體呈現方式，包含文字（text）、圖形（graph）、影像（image）、

視訊（video）、聲音（audio），經由不同的載具呈現在你我的生活中，也滿足 了人們在知覺上的需求（翁嘉鴻，2001）。多元的資訊途徑固然提供了人們多重 的選擇，但五花八門訊息如何有系統為人們所吸收與應用，是否會造成學習者的 認知負荷（cognitive load）卻也是專家學者陸續探討的主題（Mayer，2009；陳密 桃，2003；溫伯正，2009；吳佳珍，2011）。

工學（ergonomics）等領域，探討任務與工作對執行者的心理、生理、認知等各 方面之影響及適合度（翁嘉鴻，2001）。Sweller將此理論引入教育界時稱為「認 知負荷」，定義為:「將特定工作加諸於個體認知系統時，所產生的負荷量」(Sweller et al., 1998：266)。學習的過程著重學習內容、教學法、學習者概念的獲得及認知 層面的影響，若教材內容或學習程序遠遠超過學習者的工作記憶容量時，將有損 學習者的理解。Pass,F(1992)研究指出：在日趨重視適性學習的今日，教學者在 設計教學媒材時，者必須考慮到學習者的認知負荷。國內學者莊謙本等人認為：

認知負荷的理論精神在強調，教學媒材的設計要能幫助學習者本身的基模建構與 自動化（schema construction and automation），如果太強調解題技巧，使得 學習者須使用大量的工作記憶區，導致學習者沒有多餘的認知能力來建構基模，

亦是認知負荷的來源之一。因此，如何善用資訊的組合，依照學習者的先備經驗 循序漸進地呈現教材提升學習成效，是教學者一致的目標（陳彙芳，2000）。以 下分段敘述認知負荷類型。

貳、認知負荷的類型

Sweller, J. (1988）針對教材設計的觀點出發，將認知負荷分為三類（莊謙本，

2011），茲分述如下：

一、內在認知負荷

內在認知負荷（intrinsic cognitive load）此學習者本身的心智程度、先備經驗

（Prior Experior）與教材內容的難易程度有關。以學習者而言，學習內容超過 了本身的工作記憶區，勢必造成負荷，因此先備經驗（基模）的有無，可說是內 在認知負荷的首要來源，透過適當的基模，可以降低認知負荷、幫助學習（翁嘉 鴻，2001）。教育部將數學領域學習內容分為五大類，並頒布能力指標及分年細 目，就是將教材內容依學習者的能力循序呈現，此即為教學設計的重要依據。

二、外在認知負荷

外在認知負荷（extraneous cognitive load）這是指教材呈現的方式不同，對 資訊接受者而言會造成不同程度的負荷，這稱為外在認知負荷或無效的認知負荷

（ineffective cognitive load）（陳密桃，2003）。教學設計者藉由資料的呈現、

資訊組織系統化等精心的設計，來降低外在認知負荷。例如：陳彙芳（2000）在 多媒體呈現教材的實驗研究結果顯示：單一視覺+聽覺（即圖、音並茂）能帶給 受測者較佳的學習效果。而雙重視覺＋聽覺（即圖、文、音兼備）雖擁有最豐富 的媒體組合，但學習成效不若前者來得理想；而林寀雯（2013）在探討社會領域 教科書課文內容編排方式對認知負荷之影響，亦指出：教科書編排方式有「課文 段落標題的組織圖示」、「段落大意」、「重點提示」等，會減少學童的認知負荷。

因此，以書面或多媒體為溝通媒介，教學設計者應善用多媒體的特性，適當搭配 圖形、文字、動畫與聲音等多種類型的資料與與組合方式，以避免造成讀者認知 學習上的負荷。

三、增生認知負荷

增生認知負荷（germane cognitive load）是指藉由精心的教學設計以吸引學生 專注於學習的認知過程或基模的建構。增生認知負荷屬於外在認知負荷的一種，

但不妨礙學習者學習，適當的教材呈現方式，不但降低學習者的認知負荷，亦能 協學習者建構基模。潘伯正（2009）以教學媒體組合方式與知覺偏好對學習成效 與認知負荷之影響為主題的研究發現：不同教材媒體型態，對低先備知識學習者 的認知負荷有顯著影響；低先備知識學習者在圖形加文字教材媒體部分的認知負 荷，顯著低於在圖形加聲音教材媒體部分。

綜合上述，教學設計者應熟悉學習者的心智發展程度，善用各式媒材，提升 學習過程中的內在認知負荷、增生認知負荷並降低外在認知負荷，發揮教學最佳

對心智努力的測量方法提出三種分類，分別為主觀測量方法（ Subjective

techniques ）、生理測量方法（ Physiological techniques ）、任務或效能基礎測 量方法（ Task- and performance-basedtechniques），茲分述如下：

（一）主觀測量方法：這種測量方法，是將學習者的努力程度通常被視為認知負 荷的本質（Pass,1994）。主觀測量方法是基於受試者有能力回顧學習認知的過程，

並且能明確指出心智努力及耗費的程度。這種測量方式的優點為：不受干擾、容 易分析、具有很高的效度，在教育研究上常被普遍的使用。（黃克文，1996）

（二）生理測量方法：生理測量方法的基本假設是認知負荷的改變會反映在生理 的變化上，包含心跳、腦中活動、眼睛活動、血壓、表情等生理活動的測量

（Sweller,1998）。惟因生理測量方式需要許多儀器的支援，在教育的研究上並不 多見。

（三）任務和效能基礎測量方法：此法是藉由客觀的作業困難度及學習成效來推 論學習者的心智努力程度。例如：統計學習成績、紀錄學習者的學習速度、計算 錯誤率等。

以上是測量認知負荷較常見的三種方法，本研究單元為「圖形縮放與比例尺」

涉獵到各種幾何圖形及多種組合圖形的對應關係、面積計算及單位換算、比與比 值的轉換等複雜的教材，在製作實驗組教學簡報過程中，根據文獻資料所述，注 意認知負荷的諸多因素，教材內容多元，而且由電腦多媒體結合視覺畫面與聽覺 解說來播放教材，教材內容分別以教導認知概念及澄清迷思概念適性教學。故本 研究探討：實驗組在經過二節以不同教學模式對學習者進行適性應補救教學後對 認知負荷之影響。認知負荷測量採主觀測量方式，學習問卷為測量工具，問卷內 容分別以心智努力及耗費的程度為向度（詳附件五）共有十五題封閉式勾選題，

選項為「非常同意」、「同意」、「不同意」、「非常不同意」，在實驗組後測 結束，隨即填寫問卷，再經統計分析，藉以評估不同教學模式對學習者進行適性 補救教學後對認知負荷之影響。