認知負荷理論的教學設計原則

Sweller (2010) 歸納認知負荷理論在各學科領域的研究結果，陸續提出以許多原 則，分別說明如下：

1.示例效應 (worked example effect)

示例效應是1987年由Cooper與Sweller為了解決學生在一般解題中學習得較少而產

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生。學習者解決一系列的問題時，必頇同時考慮大量的元素，這些元素之間是高度互動，

形成分心效應及冗餘效應，此將構成極大的內在認知負荷。

因此，選擇同類型的例題，以適當的步驟化講解範例，每次工作記憶只需要處理較 低的元素交互性及每一個問題的敘述，儘管有效的認知負荷會增加，但有效管理了學生 對於完整問題產生的內在認知負荷。

2.問題完成效應 (problem completion effect)

問題完成效應與示例效應有密切的關係 (Paas & Van Merrienboer, 1994) ，與其提供 一個完整的範例，不如提供已經解決部分的題目，讓學習者把接下來的工作完成。這可 以減少工作記憶被許多範例的步驟占滿，讓學習者可以做較精緻化的研讀與判斷。另外 一種類似的方式是完成策略 (completion strategy) ，一開始提供完整的解題範例，然後逐 次縮減範例解題步驟，增加學習者需要自主完成的部分，最後剩下題目本身，學習者就可 以自行完成解題 (Ruth Colvin Clark & Mayer, 2008) 。

3.專技反效 (expertise reversal effect)

當教學法對於新手有效，但對於相關知識已經足夠的學習者，效果反而越來越小，

便是專技反效 (Kalyuga, Ayres, Chandler, & Sweller, 2003) 。

專技反效的原因仍在調查中，大多認為與冗餘效應有關。範例有助於初學者解決同 類問題，但是隨著專業知識的增加，範例反而成為多餘，只是再一次說明那些已經成為 長期記憶的程序(Kalyuga, Chandler, Tuovinen, & Sweller, 2001) 。

同樣地，指導新手時，將圖表與文字統整會比分開的好。隨著專業知識的增加，單 純只有文字訊息會比整合過的圖文學到更多 (Kalyuga, Chandler, & Sweller, 1998) 。

對於初學者，元素的交互性反映了內在認知負荷，因為那是學習中不可缺少的。但 是，隨著專業知識的增加，他們已經不需要元素的交互性，便反映在外在認知負荷。對 新手而言，藉由讀與文字相關的圖表來學習是重要的，元素的交互性與內在學習的認知 活動幫助管理內在認知負荷，工作記憶資源投入其中成為了有效的認知負荷。隨著越來 越多的專業知識，同樣是這些元素相互作用，就不再是需要的。這些不再屬於內在的學 習，他們是多餘的，應該被淘汰。因此，什麼是內在的還是外在認知負荷不僅僅取決於 所使用的材料，還有對專業知識的學習。同樣的相互作用的要素可以因為專業知識水平 的不同而屬於內在或外在認知負荷 (Sweller, 2010) 。

4.引導消退效應 (guidance fading effect)

示例效應與專技反效後，增加了引導消退效應 (Renkl & Atkinson, 2003; Renkl,

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Atkinson, & Grose, 2004) 。學習者先處理範例，接著是未完成的例子，最後才是完全的 例題。這樣的指導方式已經多次被證明，對於初學者有效，淡化之後對於有更多專業知 識者而言，也較不會產生專技反效 (Sweller, 2010) 。

5.自由目標效應 (goal-free effect)

早期的自由目標效應示範是由Sweller等人在1983年所提供。傳統的問題解決，只是 為了找到一個解答，這種目標導向的教學，會限制了學習者的想法，造成較大的認知負 荷。當學習者只要考慮當前的問題狀態，進行自由目標的解題時，學習的內容將會更多，

可多重表達個人思考歷程，降低外在認知負荷。

6.分散注意力效應 (split-attention effect)

教材如果讓學習者需要分心去思考其他訊息，就會增加外在認知負荷。例如：「角 ABC=角XYZ」的文字敘述，學習者需要在圖上搜尋這兩個角的位置，在這之間就必頇 分散注意力去確認雙方的關係，這將耗費工作記憶資源。因此文字敘述用箭頭消除搜 索，或是放在適當的位置而不是放在圖的下方，這樣才能減少元件的互動與外在認知負 荷 (Ruth Colvin Clark & Mayer, 2008) 。

會造成分散注意力效應的還有圖形與解說文字分散放置或出現時間不一致（動畫和 語音未能適當搭配），都可能使學習者分散其注意力，以致增加其認知負荷 (Sweller, et al., 1998) 。因此設計教材的時候可按照多媒體教材設計原則中 (R.E. Mayer, 2005) 空間 接近原則與時間接近原則妥善安排訊息位置，避免學習者產生過多的外在認知負荷。

7.冗餘效應 (redundancy effect)

教學時增加了不需要的訊息，就會產生冗餘效應。如果圖表或文字已經呈現給學習 者，此時再增加口頭訊息時，學習者可能從圖表與文字已經瞭解，反而要消除多餘的口 頭訊息，因而造成認知負荷 (Chandler & Sweller, 1991) 。例如循環系統可以使用圖片呈 現，教學者如果增加口語說明，學習者為了找尋對應的圖，產生了不必要的負荷 (Sweller, 2010) 。

當圖片與文字分別都能解釋內容時，若二者同時放置一起，將強迫學習者去建立二 者間的關聯，此舉非但不能加強學習效果，反而會造成認知負荷（范懿文、陳彙芳，

2000）。在 Bobis 等人 (Bobis, Sweller, & Cooper, 1993) 的研究中，對小學生作摺紙教學 的實驗，將摺紙方法繪製成圖，冗餘效應的組別則是在流程圖旁加上許多的文字敘述，

研究結果發現，只看圖形的學習者，其所花的學習時間較短。

但冗餘效應並非絕對，往往與學習者的先備知識有關，若學習者的先備知識不足，

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則另加的說明文字可能是需要的；但若陎對的是有經驗的專家，則會造成冗餘效應 (McNamara, Kintsch, Songer, & Kintsch, 1996) 。陎對教材可能產生的冗餘效應可以使用 激發式動態教學，隱藏次要訊息，突顯主要訊息，利用注意力導引建立訊息之間的關聯。

8.分離元素的交互作用 (isolated-interacting elements effect)

這與內在認知負荷較有關。在某些情況下，元素的交互性高時，工作記憶無法同時 處理，造成內在認知負荷過高，超過了工作記憶的容量。當元素之間獨立時，學習每個 元素和其他無直接相關，內在認知負荷便低。隨後，一旦學會單個元素，元素間的交互 作用便不會讓工作記憶超載。因此，學習元素交互性高的教材前，先學習各獨立元素，

先不管元素間的交互作用，效果會更好。

學習目標不能改變，但是可以分成數個小的學習目標，透過延遲元素互動性的學 習，使得工作記憶被釋放，而不需要承受過多的負荷，以促進學生的學習 (Sweller, 2010) 。

9.模組效應 (molar-modular effect)

模組效應的例子可以追溯到 2006 年 Gerjets。與元素的獨立交互作用類似，模組效 應也是在降低內在認知負荷。

解決某些問題，學習者被展示一個完整整合的技術，將解決方案利用元素的交互性 劃分成獨立的模塊，藉此降低內在認知負荷。這個方法是一個經過設計的教學，在過程 中，學習者會同時處理元素的交互作用，造成更多的學習和卓越的問題解決。

模組效應有兩種模式，一種是用公式解決問題的，稱為 molar，另一種是使用一個 有邏輯、有系列的模組化，一步一步來解決問題，稱為 modular。

這與獨立元素間的交互作用不同，獨立元素的交互作用必頇要在元素有獨立性的情 況。模組效應則用在可以做成模組的情況下 (Sweller, 2010)。

10.元素的交互作用效應 (element interactivity effect)

如果內在認知負荷低時，教材如何呈現就不重要了。例如學生學習一個新的科學詞 彙，其中每個項目都可以獨立學習，與其他知識無關時，如何呈現教材並不會造成過多 的負荷，就算此時製造了外在認知負荷，總負荷量仍然遠遠低於工作記憶容量。此時，

改變教學程序以減低外在認知負荷的影響不大。

如果由於結合內在和外在因素的元素互動性高，由外來因素減少了元素的互動性，

可能就是重要的。如果教學方式會分散注意力或多餘的因素產生時，這些元素會增加了 內在元素的互動，總體認知負荷可能會大大超過工作記憶容量。減少與外在認知負荷相

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關的交互性元素數量可以減少工作記憶負荷控制的範圍。元素的互動效應是基於內在和 外在認知負荷量所組合的元素互動性。因為有相當多的經驗證據表明，元素互動性的變 化會影響內在認知負荷 (Sweller, 2010; Sweller & Chandler, 1994) 。

11.形式效應 (modality effect)

形式效應是當訊息不能獨立來處理時，必頇同時靠口語解說 (Tindall-Ford, Chandler,

& Sweller, 1997) 。當文字與圖片同時出現時，視覺上必頇同時處理兩者，會造成分散 注意力效應。如果用口語與圖片搭配，學習者可透過雙通道學習，將降低認知負荷量 (Sweller, 2010) 。

Mousavi 等人 (Mousavi, Low, & Sweller, 1995) 的研究提及形式效應是由分散注意 力效應所導出。Baddeley (1976) 提出工作記憶的運作，包含主要的中央執行 (central executive) 系 統 ， 以 及 語 音 迴 路 (articulatory) 系 統 與 視 覺 空 間 掃 描 (visuo-spatial sketchpad) 系統等兩大輔助系統來獨立處理視覺及聽覺的訊息。訊息若能被這兩個部門 一起處理，效果將會優於僅使用單一個部門。其原因在於以雙重來源的方式呈現訊息，

將可啟動學習者工作記憶運作的輔助系統，共同處理多方訊息，分擔工作記憶對於訊息 處理的負荷量，改善分散注意力效應的影響；若以單一管道來處理訊息，將可能造成學 習者認知負荷的增加。如 Mousavi、Low 與 Sweller (1995) 的實驗證實，若將教材中的

「印刷文字」改以「聲音文字」表達，則可與「以視覺呈現的圖片」相配合，經由視覺 及聽覺兩通道來接收訊息，而不會因文字、圖片都以視覺呈現而增加外在認知負荷。

12.變化效應 (variability effect)

變化效應除了可以作為有效的認知負荷，還可以改變元素的交互作用，進而降低內 在認知負荷。

Paas 與 Merrienboer (1994) 測詴過兩種教法， 一種是使用和問題類似的範例，一 種是使用和問題相反、變化過的範例。結果顯示，接受變化過的例題，使得學生在演示 遷移上有更好的表現。學習者不但要知道如何解決問題，也學會哪些類似的問題可以用

Paas 與 Merrienboer (1994) 測詴過兩種教法， 一種是使用和問題類似的範例，一 種是使用和問題相反、變化過的範例。結果顯示，接受變化過的例題，使得學生在演示 遷移上有更好的表現。學習者不但要知道如何解決問題，也學會哪些類似的問題可以用