認知負荷理論

第一節 認知負荷理論

認知負荷理論是基於人類的認知結構而形成的學習理論。該理論認爲，人類 用於認知的訊息處理系統是類似於人類自身的認知系統的。而人類自身的認知系 統是經過自然演化而形成的。所以，以進化論的觀點考慮人類認知結構，並以對 認知結構的理解考慮認知過程，是認知負荷理論的基本思想。

壹、認知結構的基本原則（Sweller，2010b)

一、長期記憶與訊息儲存原則(Long-Term Memory and the Information Store Principle)

認知結構系統的中心架構是儲存有大量訊息的長期記憶(long-term

memory)。西洋棋大師與一般選手之間的關鍵差異在於對真實棋局配置的記憶 量。西洋棋長久以來一直被認爲是需要複雜認知處理過程，與解題與思考非常相 似的一種游戲，故從西洋棋中找尋到的規律應可推論到人類進行解題與思考之認 知過程中。由此可得，長期記憶對認知處理過程有著關鍵的作用，而不僅是認知 處理結果的儲存所在。

二、基模理論與借用及重組原則 (Schema Theory and the Borrowing and Re-organizing Principle)

認知負荷理論認爲訊息是以基模的形式儲存於長期記憶中。學習的過程包含 基模在長期記憶中建構的過程。基於基模理論，建構的基模與學習中接收到的訊 息並不會完全一致，學習的過程可以視爲對別人已經建構完成的基模進行借用，

並進行重組的過程。同樣的，在認知過程中，學習者自身長期記憶中的基模也會 以借用並重組的方式，參與到認知過程中。

三、解題與隨機嘗試原則 (Problem Solving and the Randomness as Genesis Principle)

在面臨解決一個從未遇過的問題時，比如一個西洋棋新手在面對一個全新棋 局時，隨機嘗試所有可能的下法之有效性是通常的選擇。而在認知過程中也是如 此。當沒有確定的基模可被提取時，認知系統會隨機提取所有可能的基模，並嘗 試其有效性。

四、新手工作記憶與有限改變原則 (Novice Working Memory and the Narrow Limits of Change Principle)

正是由於認知系統可能採取隨機提取基模的模式以及嘗試其有效性的方 法，使得工作記憶的容量需要限制。4 個元素的隨機排列共有 24 種可能性，而 10 個元素的隨機排列卻有 3628800 種可能性。後者的數量顯然超過了認知系統 的處理範圍。既然認知系統存在隨機嘗試的工作模式，可以推定工作記憶能同時 處理的元素個數是極其有限的。而這一觀點是認知負荷理論的發展基礎。

五、專家工作記憶與組織聯結原則 (Expert Working Memory and the Environment Organizing and Linking Principle)

與處理全新問題時不同，對於熟悉的問題，專家可以在較短的時間內從眾多 方法中找到合適的方法。在認知過程中，已組織好的相關基模可以迅速的被正確 提取。由於專家與初學者之間的差別僅僅在於長期記憶中儲存基模的數量，由

此，在長期記憶中被儲存的基模不僅包含認知處理的結果，也包含了如何被提 取，與哪些情境相關，何時應該被提取的訊息。

總結以上 5 點，可以得到這樣的認知處理結構模型。學習的過程是接收新訊 息，與原有基模重組並儲存在長期記憶的過程。大量原先被儲存在長期記憶中已 組織好的，包含提取條件的基模，當遇到合適的訊息時就會被提取。當沒有合適 的基模可被提取時，工作記憶會隨機提取基模並嘗試其與新訊息重組的有效性。

而爲了保證系統的可靠工作，工作記憶的容量非常有限。

基於此模型，尤其是工作記憶的有限容量，認知負荷理論提出了認知資源有 限的假說，並以元素的互動性來定義認知負荷。也就是說，工作記憶能够同時處 理的元素個數是有限的，當學習的素材對學習者而言，其中的互動元素個數超過 了工作記憶的容量限制，即表示認知負荷超過了學習者的極限，學習成效就會顯 著降低。

貳、認知負荷的構成

根據 Sweller(2010a)認知負荷理論的新模型，以互動元素量定義的認知負荷 有以下構成。

一、內在負荷(intrinsic cognitive load)

內在負荷被認爲是由需要被學習、理解的材料其本身複雜程度所決定。對於 一個已知的學習任務，已知學習者的知識水準，內在負荷的高低取決於該學習內 容對學習者的互動元素的多寡，而其互動元素的量是無法被外在的教學過程來改 變的。從認知結構的觀點看，即是學習教材本身對於學習者而言，需要同時占據 其工作記憶容量，以及參與基模建構過程的互動元素。

二、外在負荷(extraneous cognitive load)

外在負荷被認爲是不好的教學設計程序所引起的。即在不改變學習內容的前 提下，教材設計或教學過程中所額外産生的互動元素量。從認知結構的觀點看，

占據工作記憶容量，卻不參與基模重組建構的元素因而造成了學習者的外在認知 負荷。

三、增生負荷(germane cognitive load)

與內在、外在負荷不同，增生負荷只與學習者本身的特性有關，它代表了學 習者爲了克服內在負荷，因而投入到與學習任務本身相關的認知資源。從認知結 構的觀點看，增生負荷指的是學習者主動投入到處理內在負荷的工作記憶容量。

所以，認知負荷理論認爲，對特定的學習者而言，同樣的學習任務會有其本身既 有的內在負荷，也會有因教學程序設計不佳因而導致的外在負荷，其兩者是相互 累加的。而外在及內在負荷對學習成效的影響，又會受到學習者主動投入的工作 記憶容量的影響。研究認知負荷理論的主要議題即在於如何透過教材的設計來減 少外在認知負荷，或者設計如何增加學習者投入較多認知資源的學習活動 (Sweller, 2010a)。以此爲基礎，眾多研究者發展了以下的基於認知負荷理論的教 學效應，將其整理並簡述如下(Sweller，van Merrienboer，& Pass, 1998；Sweller, 2010；引自古詩儀，2011)：

參、基於認知負荷理論的教學效應

一、開放目標效應(goal-free effect)

教學過程應設計開放目標的問題，其相較於傳統使用手段-目的策略的問 題，可降低外在認知負荷，大量減少元素之間的交互作用。學習者能將工作記憶 的有限資源運用於關注問題的狀態及其發展，而提升增生認知負荷。

二、範例效應(worked example effect)

學習者藉由研讀範例，可以協助學習者對於問題的狀態和解題步驟建構較完 整的基模，其工作記憶體資源只需用來考慮每個問題的狀態與相關發展，因此不 需投入資源在與問題不相關的交互元素上，將可降低元素之互動性，達到減少外 在認知負荷並增加增生認知負荷。

三、完全解題效應(problem completion effect)

提供範例雖然有助於學習，但也有一些缺點，當學習者對主題較爲熟悉時，

完整的範例可能會產生額外的認知負荷。因此將完整的範例改爲只解決問題的一 部分，其餘則須交由學習者自行來解題，具有減低外在認知負荷的效果。

四、分散注意力效應(split-attention effect)

當學習者必須將多重的訊息相互整合才能理解學習內容時，若訊息安排在分 散的位置(如圖形與文字解說分開放置)或是出現時間不一致(如動畫與旁白分開 出現)，則導致學習者須將注意力分散，提高了元素的互動性，增加外在認知負 荷。因此將相同的資訊內容以整合方式呈現，可降低元素互動性，進而減少外在 認知負荷，提升學習成效。

五、冗餘效應(redundancy effect)

冗餘效應發生在呈現給學習者不必要、附加的訊息時，或是相同的訊息用過 多的方式表達。假設學習內容可以只從圖表訊息就被理解時，協調與學習無關的 訊息，會造成額外的工作記憶之負荷，因此消除附加的敘述，可降低外在認知負 荷並提升增生認知負荷以便於學習。

六、專家反轉效應(problem completion effect)

專家反轉效應發生於當與其他的形式相比之下，某一種教學形式較有利於新 手時，隨著學習者專業知識的增加將失去其優勢，最終在較高專業知識下對個人 產生不利的情況。因此有益於初學者的教材，可能對較高專業知識的學習者而言 卻無太大幫助。

七、逐漸減少指導效應(guidance fading effect)

逐漸減少指導效應認爲新手需被呈現較多的工作範例，而專家學習者則必須 被呈現較多的問題。因此建議先給與學習者工作範例，其次是部分完成問題，接 著是全部的問題，因為隨著專業知識的增加，這些內在的交互元素已成為長期記 憶的一部分。

八、隔離互動元素效應(isolated-interacting elements effect)

隔離互動元素效應是延遲學習內容的元素互動，使工作記憶被釋放，相較於 學習者需要同時學習個別元素及如何互動，更能專注於理解。教材的內在認知負 荷不能被改變，但教材本身可以被改變成一個不同的學習目標。

九、Molar-modular 效應

Molar-modular 效應的基本原理相似於隔離互動元素效應，運用元素交互性 分割組件來劃分解法，因此可藉由教學方法的改變，來降低內在認知負荷。

十、範例變異效應(variability effect)

增加變化性與內在認知負荷相關，學習者學習展示較多相關類型的問題，更 多的工作記憶資源需要處理增加的交互元素，增加高變異性問題，將造成內在認 知負荷增加，但亦會使增生認知負荷增加。

十一、元素互動性效應(element interactivity effect)

元素互動性效應是指如果內在認知負荷低，將不會發生其他認知負荷效應。

如果教材的內在認知負荷高，則減少外在認知負荷是重要的；但是如果內在認知 負荷低，降低外在認知負荷的效果就可能不太顯著，因爲由於元素互動性造成的 總認知負荷可能少於工作記憶體容量。因此元素互動性效應是認知負荷理論和所

如果教材的內在認知負荷高，則減少外在認知負荷是重要的；但是如果內在認知 負荷低，降低外在認知負荷的效果就可能不太顯著，因爲由於元素互動性造成的 總認知負荷可能少於工作記憶體容量。因此元素互動性效應是認知負荷理論和所