認知負荷理論相關研究

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第二章 文獻探討

第三節 認知負荷理論相關研究

認知負荷理論源於人類訊息處理理論,最早被稱為「心智工作負荷」

(mental workload),直到 Sweller(1988)將此觀念引入教育界,並命名為「認 知負荷」,後來受到許多研究者的重視,並在全球快速發展(Paas, Renkl, &

Sweller, 2003; 連寶靜,林朝清,周建宏,王曉璿,2011),學者們也開始聚焦 於探討教學法與學習內容對於學習者的概念獲得與認知層面的影響。

認知負荷理論之基本假定如下:1. 工作記憶容量有限;2.長期記憶容量無 限;3. 知識以基模(schema)形式在長期記憶中儲存;4. 基模自動化是建構的 重要過程(Sweller et al., 1998; Braddeley, 1999; 宋曜廷,2000)。

由上述可知,人在學習歷程中建構知識,會運用到工作記憶和長期記憶形

Cooper(1998) 個體在學習歷程時,所感受到心智努力與心智負荷加諸於工作記憶的心智 遊戲總量。

黃克文(1996) 學習者在接收訊息、處理與運用的過程中,因為訊息的內容、學習的環境 與互動方式,超乎學習者所能察覺的認知能力時,引起生理及心理的負向 反應。

表 2-3-1 認知負荷定義(續)

研究者 認知風格的定義

宋曜廷(2000) 學習者在執行認知作業過程中,因為作業所需的特殊認知能量或資源超 過認知系統的負荷狀態。

陳密桃(2003) 學習者在執行某項工作或任務的過程中,所感受到心智負荷和心智努力 超載狀態。

資料來源:研究者自行整理

綜合以上學者的定義,認知負荷的概念為負向的,是描述學習者在心智層 面上超載的狀態,學習者本身自我能力與外在情境、教材內容或教學方式交互 作用後,引發的反應。

此外,認知負荷的特性會因為學習者的個別差異與學習內容的不同而有所 差異,在互動的過程中產生個體根據內在條件(概念、記憶、策略)波動,足 以面對外在條件或情境;學習者能夠感知所耗費之心智努力多寡;操控負荷的 來源而降低負荷量,且有一定的限度(黃克文,1996; 陳密桃,2003)。

貳、認知負荷的來源

認知負荷的來源是多重的,大致上有兩種說法(Paas & Van Merriënboer, 1994; 陳密桃,2003; 楊培渝,2006)

(一) Paas 和 Van Merriënboer 的主張

Paas 和 Van Merriënboer(1994)認為認知負荷是一個多項度的概念,包含「因 果因子」(causual factors)及「評估因子」(assessment factors)。「因果因子」是造 成認知負荷的來源,又可以細分為以下三要素:1. 任務/環境特性(例任務結 構、獎賞類型、時間壓力等較易變動的因子)、2. 學習者特性(例認知能力、認 知風格、先備經驗等較穩定因子)、3. 學習者與任務的交互作用(例績效、動機 等);而「評估因子」則包含以下三要素:心智負荷、心智努力及工作成效,分 別是受到任務/環境影響而產生、學習者的內在控制處理以及完成工作任務所付

出的能力或資源總合。其中「評估因子」裡的心智負荷,一部分會節遊學習者 的心智努力去控制處理,另一部分則不加以控制,直接表現於行為上,可謂

「自動化處理」。

(二) Marcus、Cooper 與 Sweller 的主張

Marcus, Cooper & Sweller (1996)認為在教學過程中,影響認知負荷的三因素 分別為「先備經驗」(prior experience)、「教材性質」(nature of material)和「教材 組織」(organization of the material)。

參、認知負荷的類型

根據認知負荷理論,學習者必須在有限的工作記憶區處理教材呈現的訊 息,透過教材訊息所形成的認知負荷會根據對學習產生的不同影響被分成以下 三種型態(Sweller, 2010):

一、內在認知負荷(intrinsic cognitive load)

指的是來自於外在學習材料的複雜程度與自身訊息元素產生的互動程度。

學習者為了達到學習目標,必須在工作記憶區處理教材內容的各種元素,當元 素大且元素間具有密切的互動,就會形成高度的負荷(Sweller et al., 2011)。當 學習者接觸的訊息相關程度低,代表不需投入大量元素於工作記憶區,則內部 認知負荷較低;換句話說,受到教材內容本身的難易程度及學習者的先備經驗 的影響所致,內部認知負荷是學習者是否能成功處理訊息的「必要」條件(鄭 佩紋,2014)。

二、外在認知負荷 (extraneous cognitive load)

教材的呈現及組織方式的不同,將造成學習者遊戲時對工作記憶所產生不

同程度的負荷,如此的負荷為外部認知負荷。從教材設計的角度來看,對學習 目標毫無幫助的負荷稱為外部認知負荷(Sweller et al., 2011)。換句話說,因教 學技巧不良,使學習者未能將注意力集中在學習內在基模的建構與自動化,而 愈集中在教學遊戲的表面型態上,外部認知負荷就愈高。教學者可藉由改變教 材方式或呈現順序來降低或消除外部認知負荷。

三、增生認知負荷 (germane cognitive load)

又稱為「有效的認知負荷」,是一種降低外在認知負荷後,藉由改良後的教 學設計與教材呈現,以吸引學生專注在學習內容,進而達到基模建構與自動化 的認知過程,同時也增加學習動機和專注度。有別於內部和外部認知負荷,增 生認知負荷是工作記憶區中處理與內部認知負荷有關的元素而產生交互作用所 組成,透過交互作用而導致有效的學習與遷移(Sweller, 2010)。只有在內在認 知負荷與外在認知負荷總和之總認知負荷量未超出學習者的能力範園時,適當 的引入增生認知負荷才會發生有意義的學習(連寶靜等人,2011)。

綜合上述,學習者在處理訊息時,若教材的呈現與組織能讓學習者愈加投 入於其中,在工作記憶區處理分配內在認知負荷所引發的交互作用就愈大,那 學習的效果就愈趨明顯;反之,則會與外部的認知負荷交互作用,因而阻礙了 學習發展。內在認知負荷為基本負荷,無法經由教材而改變,但透過教學設計 與內容呈現,學習者本身基模自動化或遷移,使其外在認知負荷降低,有助於 增生負荷的發展,進而建構知識基模以處理訊息;愈多的「增生認知負荷」對 於學習是有助益的。

肆、有效降低外在認知負荷之相關效應

Sweller 等人(2005)根據各學科研究成果,針對教材部分提出七個效應可

(一) 開放目標效應(goal-free effect):

Sweller 主張開放性目標,讓學習者自由表達本身想法,讓學習效果與基模 間產生連結,以降低認知負荷。

(二) 示範效應(work example effect):

Sweller 提出的示範是著重在問題形式、解題步驟以及讓學生延伸歸納出基 模的教材設計。

(三) 完成問題效應(completion problem effect):

指給予部分問題的解答或是如何達到符合答案的目標,其餘讓學習者接續 完成。主要能降低認知負荷,有助於讓學習者建立基模以利產生學習遷移。

(四) 分散注意力效應(split-attention effect):

學習者同時面對多重問題時,避免注意力分散而整合訊息,使其降低認知 負荷。

(五) 重複效應(redundancy effect):

當學習者面臨多重訊息來源時且這些訊息十分明確,皆可獨立反覆呈現,

即能增進學習效果以降低外在認知負荷。

(六) 變化效應(variability effect):

當學習者在解決問題時,變化不一樣的問題或是情境,將有助於建立基模 與產生學習遷移,使其降低認知負荷。

(七) 形式效應(modality effect):

人類的工作記憶可以同時處理聲碼與形碼兩種形式的訊息。因此如果學習 者在學習過程中,可透過兩種訊息同時呈現並整合,將有助於提升學習成效。

伍、相關研究

一、與學習者本身相關

關於學習者本身,Marcus 等人(1996)、Paas 和 Van Merriënboer(1994)

皆認為有經驗的學習者擁有較低的認知負荷;而較無經驗的學習者認知負荷通 常較高。Kalyuga 等人(2003)研究指出,提升學生的專業知能,讓學生由生 手變專家,則有助於降低認知負荷的產生。Bannert, Schnotz 及 Seufert(2002)

則提到學習者需提升本身處理認知負荷之能力,懂得調節並整合學習訊息,為 自己設立目標。

由此可知,學習者本身的學習經驗會影響其認知負荷的高低,且學習者的 焦慮特質與其本身學習英語之經驗又有相關,因此認知負荷會因此而有所差 異。此外,提升學習者對於學習媒材的掌握程度,使其從無經驗變成有經驗 者,培養學習者運用自身的能力解決問題,將有助於降低認知負荷。

二、與外語學習相關研究

Yu Zhu(2005)將 100 位以漢語為第二外語(CFL)的學習者分派到不同的 組別,進行不同型態的多媒體呈現方式協助漢語學習,研究發現處於播放聽力 音檔及輔以關於漢字的靜態圖片組別,在後測的表現上最好。而結合多媒體

(同時呈現動畫及聽力音檔)的組別,其後測表現最差。這個研究結果可以降 低外在認知負荷的「形式效應」來解釋,撥放音檔和靜態的圖片是運用到視覺 和聽覺不同的記憶迴廊,不會占用「工作記憶」太多的空間,對於學習者來 說,可以引發較好的學習成效。

Lee 與 Kalyuga(2011)應用認知負荷理論架構研究使用漢語拼音幫助以漢 語為第二外語(CFL)的學習者在學習初始階段閱讀中文的成效。教科書上的 漢語拼音是為了幫助學生能夠學到真正的發音,且羅馬拼音為學習者所熟知 的。然而,拼音卻放置在不同的位置,有些旁邊、有些則是上面或是下面。他 們點出如此的呈現方式可能是出自於教材設計者本身的想法或便利。研究結果 發現澳洲中學生學習漢語時垂直排列的漢語拼音呈現方式比橫向排列的方式對 他們在字彙學習上較有幫助。他們更指出這樣的結果是來自於降低外在認知負

荷的「分散注意力效應」,因為橫向排列時,學習者還需要去聯結拼音和漢字;

而當拼音與漢字呈垂直排列時,這並不會構成問題。這個研究運用認知負荷理 論說明了排列方式所產生的認知圖像會影響到學習者在語言學習上的表現與學 習成效。

唐碧霞(2010)應用認知負荷理論分析 EFL 學習者在聽力理解過程中的認 知資源使用情況,其結果表明聽力理解過程所產生的內在和外部認知負荷取決 於材料本身的難度和聽力材料的呈現方式,唯有此兩部分的認知負荷被控制在 合理的範圍內,學習者的工作記憶才有「餘力」習得或產生新的語言基模。建

唐碧霞(2010)應用認知負荷理論分析 EFL 學習者在聽力理解過程中的認 知資源使用情況,其結果表明聽力理解過程所產生的內在和外部認知負荷取決 於材料本身的難度和聽力材料的呈現方式,唯有此兩部分的認知負荷被控制在 合理的範圍內,學習者的工作記憶才有「餘力」習得或產生新的語言基模。建

在文檔中 物件藏找遊戲對於國小學童英語字彙學習之效益 (頁 42-50)