認知負荷

認知負荷的概念來自認知心理學，主要的依據是描述人類心智處理能力的「資 源有限論」。本研究為了解人在利用混合實境，以路徑觀點建構空間知識的過程中，

尋路者對於訊息處理的過程，是否會遭遇任何阻礙，因此引入認知心理學的認知負 荷概念，以反映尋路者的心智歷程。以下將簡要說明認知負荷的來源、定義，過去 的應用領域以及測量的方法。

一、 認知負荷

認知負荷的概念來自認知心理學的「資源有限論」(limited capacity theory)。根 據資源有限論，人無時無刻不在處理資訊，而資訊的內容就來自外界的各種刺激物，

包括我們由各種感官接收到的訊息，例如聲音、影像、味道等；人會在環境中感知 刺激物，將這些刺激物的資訊轉化為心智表徵 (mental representation)，並在記憶中 對這些表徵進行儲存或改變，但我們對資訊的處理能力是有限的，受限於心智資源 (mental resource) 的多寡，而且由於在處理所有資訊時，都需要用到心智資源，所 以我們會因為可用心智資源多寡的影響，產生認知負荷 (cognitive load)；當認知負 荷越高，則在當時對於資訊的感知、處理能力都會受到影響，效率會比較差；一旦 資訊量完全超過人當時的心智資源限度，就會發生認知超載 (cognitive overload)，

無法進行資訊的處理 (Lang, 2000; Lang & Basil, 1998)。

由資源有限論出發，則人類對於資訊的處理有幾個基本的程序，分別是編碼 (encoding)、儲存和擷取 (retrieval)。其中編碼代表由環境中篩選出訊息，讓這些訊 息進入我們的腦中進行處理，轉化為心智表徵，儲存則是將我們的心智篩選出來的 訊息，儲存在大腦的記憶空間中，其中又分為工作記憶 (working memory) 跟長期 記憶 (long-term memory)，工作記憶為短期記憶，也是人目前有意識地在使用和活 化 (activitated) 的記憶，以「關聯」的方式和其他記憶相連結，因此如果我們想起

特定物品，腦中與這個物品相關聯的記憶，都會在此時活化，進入工作記憶；最後，

人就會由記憶中擷取出過去記憶的心智表徵，也就是由上述活化的關聯網絡中，找 出需要的資訊的特定面向，同時在原本儲存時資訊越完整的訊息，在後續擷取時就 越容易取得，相關的資訊也越完整 (Lang, 2000)。

因此，根據資源有限論，人的認知負荷變化，主要是受到心智資源分配狀態的 影響。Lang 和 Basil (1998) 認為，心智資源可分為任務所需資源 (resources required)、已分配資源 (resources allocated)、剩餘資源 (resources remaining)、可再 利用資源 (available resources)，其中人所有的心智資源總量為一定，在進行資訊處 理時，每項資訊會有固定的任務所需資源，而人確實用於處理這項資訊的資源為已 分配資源，將心智資源總量扣除已分配資源，就是剩餘可用資源，但人用於處理資 訊的資源和處理資訊必要的任務所需資源未必相等，因此如果人分配的資源較多，

兩者間的落差就會成為可再利用資源。換言之，如果人用於處理資訊的資源，低於 資訊的任務所需資源，則可再利用資源較多，認知負荷較低，但對於資訊的處理將 不完整；若是資訊的任務資源需求，遠超過人所有的可再利用資源，而非在有可再 利用資源的情況下，則人會難以對資訊進行完整的處理，形成認知超載 (Lang, 2000)。

根據上述說明，認知負荷是來自認知心理學的概念，基於人對於資訊處理過程 的能力，受到心智資源數量變化多寡的影響，當資訊的處理需要佔去大量心智資源 時，就會產生較高的認知負荷。不過，也有其他學者認為心智負荷並非僅由心智資 源所決定，如教育心理學就將個人主觀認定的心智負擔視為認知負荷的面向之一，

認為「心智負荷」(mental load) 和「心智努力」(mental effort) 都屬於認知負荷的內 涵 (Paas, 1992)。Sweller (1988) 也指出，認知負荷應是個人的認知系統，由於處理 特定任務所造成的負荷量。

因此，綜合認知心理學與教育心理學的觀點，本研究將認知負荷定義為，「在

處理特定任務時，人的認知系統由於任務所需的心智資源，和本身心智資源多寡的 相對關係，導致人感到的心智負荷與必須付出的心智努力」。

二、 認知負荷的應用

由於認知負荷的影響範圍十分廣泛，任何與外界刺激物相關的資訊處理過程，

都可能影響到人的認知負荷變化，因此過去應用在眾多的領域中，在互動系統中尤 其經常運用認知負荷的概念，評估系統的適用性。比方說在圖像隱喻的運用上，認 知負荷就被視為評估知識建構效率的標準之一，而且當圖像隱喻運用得宜，即可提 升學習表現，並降低不必要的認知負荷 (Cheon & Grant, 2012; Lee, 2007)。Zumbach 和 Mohraz (2008) 利用線性和非線性的呈現方式，以及具有敘述結構或沒有敘述結 構的差異，探討學習者在不同的知識呈現方式下，認知負荷的變化與學習效果差異，

採用了 NASA 任務負載指標 (Task Load Index，TLX)，其中包含心智需求等六項 指標，反映了使用者的認知負荷，另外也採用了「心智努力評估量表」(mental effort rating scale)，結果證實不同的呈現組合，確實會影響學習者的認知負荷，有結構的 呈現方式，會降低學生的認知負荷，不過對於學習效果卻似乎沒有影響。

在空間知識和尋路的相關研究方面，也有一些利用認知負荷評估系統適用性的 研究。Chang 和 Wang (2010) 針對有認知能力障礙的尋路者，設計可自動偵測環 境並提供尋路指引的行動系統，探討以圖片或是影片的方式，是否能幫助這類使用 者以較低的心力負荷，順利到達想要前往的目的地，即採用 NASA 任務負載指標，

結果證實影像的導覽系統能夠符合認知能力障礙者的需求。Kim 和 Dey (2009) 以 擴增實境的設計，以虛擬環境的方式，將導覽系統內嵌於駕駛訓練車的擋風玻璃上，

希望藉著擴增實境的方式，降低高齡駕駛人在駕車時的認知負荷，測試的方法則是 在路上行駛時，若有突發事件發生，駕駛人的剎車反應速度，因此是用第二任務反 應時間 (secondary task reaction time) 的方式測量，研究結果發現擴增實境的導覽系 統能夠降低認知負荷。

根據上述研究，由於過去的驗證結果，不論在多媒體系統環境下，或是實體環 境與虛擬環境的知識建構情境中，認知負荷皆能反映任務的呈現方式與內容，對於 使用者造成的心智負荷與心智努力的影響；不過，在實際的認知負荷改變上，則不 僅需要考量使用者本身的能力，也要考量任務的差異；同時，認知負荷與學習或知 識建構間的關係，過去雖一向以較低的認知負荷能提供較好的學習效果，但部分研 究顯示，好的學習效果未必是低認知負荷造成的結果 (Lee, 2007; Zumbach &

Mohraz, 2008)。根據本研究的設計，結構性隱喻能夠提供尋路者關於環境的結構組 織，但在不同尋路策略者身上，是否同樣都會降低認知負荷，而認知負荷的高低，

對於空間知識建構的完整度是否又會有影響，是值得探討的問題。因此，本研究提 出的研究問題 RQ5 為：

RQ5：使用混合實境透過路徑觀點建構空間知識時，採用結構性隱喻與否和尋 路策略傾向差異對尋路者的認知負荷會有什麼影響？

針對上述研究問題，本研究的研究假設 H16、H17、H18 為：

H16：使用混合實境透過路徑觀點建構空間知識時，採用結構性隱喻與否 和尋路策略傾向差異會產生交互作用，對認知負荷造成顯著影響。

H17：使用混合實境透過路徑觀點建構空間知識時，採用結構性隱喻與否 對尋路者的認知負荷會有顯著影響。

H18：使用混合實境透過路徑觀點建構空間知識時，尋路策略傾向差異對 尋路者的認知負荷會有顯著影響。

同時，針對空間知識與認知負荷的關係，本研究亦提出研究問題 RQ6：

RQ6：使用混合實境透過路徑觀點建構空間知識時，認知負荷是否會影響空間 知識建構的完整性？

針對上述研究問題，本研究的研究假設 H19、H20、H21 為：

H19：使用混合實境透過路徑觀點建構空間知識時，認知負荷對於地標知 識的完整性會有顯著影響。

H20：使用混合實境透過路徑觀點建構空間知識時，認知負荷對於路徑知 識的完整性會有顯著影響。

H21：使用混合實境透過路徑觀點建構空間知識時，認知負荷對於縱覽知 識的完整性會有顯著影響。

三、 認知負荷的測量

基本上認知負荷的測量方式可分為三種，分別是主觀測量 (subjective techniques)、生理測量 (physical techniques) 和任務與表現測量 (task and

performance-based techniques)。Sweller、van Merrienboer 和 Paas (1998) 指出，主 觀測量方式是以人對於本身的認知過程的感受所做的評估，主要是心智努力的面向，

通常會運用量表測量，而且在實證和理論研究上，都發現量表的類型、多面向或單 面向的量表等因素，對於評估的效果都沒有影響；在生理測量上，則主要是根據認 知心理學的假設，認為人的認知功能變化，會反映在一些生理訊號上，例如心跳的 變異、腦波活動、眼動變化等；任務與表現測量又分為兩種測試方式，其中之一是 主要任務評估，就是根據使用者或學習者在任務上的表現，判斷認知負荷上的變化，

另外一種則是第二任務測量方法，是根據在主要任務之外，學習者或是使用者必須 同時執行的第二任務，由於第一任務影響所造成的表現變化來測量，通常兩種表現 的評判方式，都會透過客觀性的指標，或是表現的等級加以判斷。

在上述的測量方法中，以任務與表現測量的測量方式最客觀，同時能夠反映在 整個任務過程中，學習者或使用者的認知負荷變化 (Kim & Dey, 2009)，而非僅由 最終的回憶評估個人的認知負荷高低。雖然教育心理學的研究傾向採用主觀的測量

在上述的測量方法中，以任務與表現測量的測量方式最客觀，同時能夠反映在 整個任務過程中，學習者或使用者的認知負荷變化 (Kim & Dey, 2009)，而非僅由 最終的回憶評估個人的認知負荷高低。雖然教育心理學的研究傾向採用主觀的測量