認知負荷的類型

Sweller (1998) 等人就教學設計的觀點、以及新訊息在形成基模前工作記憶處理過 程的難度和產生的負荷感，將認知負荷分為三種：內在認知負荷 (Intrinsic Cognitive Load)、外在認知負荷 (Extraneous Cognitive Load)、有效認知負荷 (Germane Cognitive Load)，分述如下：

1.內在認知負荷 (Intrinsic Cognitive Load)

內在認知負荷主要來自於教材本身的特性、學習者本身的先備知識和基模以及兩者 之間的交互作用。

教材本身的特性指的是教材內部訊息元素之間互動性的高低，若教材內部元素互動 性高，也就是複雜度高，則學習者必須耗費大量的工作記憶資源才能同時去處理高度的 交互作用，但因工作記憶區可同時處理的容量有限，因而產生較高的內在認知負荷。

另外與內在認知負荷相關的為學習者的先備知識，若本身具有較多的相關知識與基 模自動化的能力，則可減輕工作記憶區的負擔，因而產生的內在認知負荷就較低。例如 自然組學生本身的數理先備知識較社會組學生高，因此學習同樣單元，對於自然組學生 來說平均內在認知負荷應是較低的。

在處理內在負荷所造成的影響時，Kalyuga (2009) 建議：若內在認知負荷超出工作 記憶的容量時，我們可以將複雜的教材內容適當切割處理，以阻隔內在元素不必要的互 動，可以讓學習者原本要同時處理的大量訊息，切割成只要逐步處理較小部分的內容，

如此可以降低初學者的內在認知負荷並且提高學習成效。因此教學者在進行教學設計 時，應考量教材的訊息量如何切割、結構組織如何調整、難易度如何掌握及學習者的先 備知識是否足夠。

2.外在認知負荷 (Extraneous Cognitive Load)

外在認知負荷是指學習者在教學環境中所感受到的心智負荷，但此心智負荷卻是不 適合學習目標且浪費有限認知資源的認知負荷 (Clark, Nguyen, & Sweller, 2006)。外在認 知負荷主要與教材的組織設計和呈現方式有關，教學者可藉由適當修改訊息呈現方式及 訊息組織等方面的設計，可以降低外在認知負荷。

Kalyuga (2009) 將容易產生外在認知負荷之教學歸納成以下的四種典型：

(1)空間／時間分散注意力情況 (Spatial or Temporal Split-attention Situation)：

將相關訊息的表徵在畫面上分開呈現或是在時間上為循序呈現，使得學習者必須花費 時間與心力大量進行搜尋和比對，有些訊息則必須藉助記憶方能連接，容易造成工作記 憶區的負載。

(2)過量的訊息情況 (Excessive Information Situation)：

若訊息變換的步驟或展演的速度過於快速，以至於大量新的元素必須同時進入工作記 憶區，無法成功地選擇而難與長期記憶的架構整合形成基模。

(3)引發搜尋情況 (Induced Search Situation）：

若教材展演時未提供適當的引導，沒有補充相關的知識或是適度的突顯，而迫使學習 者必須在學習過程中自行隨機搜尋，無形中浪費大量工作記憶資源。

(4)重複情況 (Redundancy Search Situation)：

相同內容的知識卻以過多對學習沒幫助的表徵呈現，使得學習者必須同時處理具有相 同內容卻以不同表徵呈現的教材，因此會耗費認知資源去進行比較配對。

3.有效認知負荷( Germane Congnitive Load)

有效認知負荷是指透過有助於教學目標的教學活動或設計去吸引學習者的注意 力，使其因為專注於學習內容的認知過程或基模建構與自動化而造成的認知負荷。此種

負荷雖會增加總認知負荷，造成學習者的負荷感，對學習卻是有幫助的，除非總認知負 荷已超過工作記憶區的最大容量 (Kalyuga, 2009)。

若內在認知負荷低時，外在認知負荷就較不會對學習產生影響。但若內在認知負荷 較高時，教學者則應努力降低外在認知負荷，在不超出工作記憶區容量的條件下，適當 增加有效認知負荷，提高學習成效。因此有效的學習就是減少不相關的外在認知負荷，

增加相關的有效認知負荷及管理內在認知負荷 (Clark, et al., 2006)。

Kalyuga (2011) 指出，雖然有效認知負荷和學習成效有相關性，但是有效認知負荷 基本上很難從內在認知負荷中清楚的區分出來，相對於內在和外在認知負荷的具體概 念，有效認知負荷似乎無法提出具體的實証結果，因此主張將認知負荷的分類減少為內 在認知負荷與外在認知負荷兩類。

綜合上述，教學者在進行教學活動前，應深入瞭解並分析教材的結構與特性及學習 者的先備知識是否足夠，衡量教材會對學習者產生的內在認知負荷，適當呈現教材以降 低外在認知負荷，適時應用各種有效的教學策略激發學習動機以增加有效認知負荷，強 化學習者基模的自動化與建構。

2.3.4 教學過程影響理解 (Understanding) 的因素

促使學生理解知識是數學教學最終的目標，過去大部分學生辛苦埋首在數學學習的 過程中，卻仍收穫不多的原因多半是對知識內容並未完全理解。因此教學者如何設計出 可以協助學生理解的教材，是個艱鉅且重要的任務。

Marcus、Cooper 和 Sweller（1996）認為在教學過程中會產生的認知負荷與三個因 素有關: 學習者的先備知識與經驗 (Prior Experience) ，教材的內容本質 (The Intrinsic

Nature of The Material)，教材的組織 (The Organization of Instruction)，此三種因素為影 響學習者理解的關鍵。

1.學習者的先備知識與經驗

學習者本身的先備知識經驗決定其長期記憶區中基模的數量與存取能力，學習牽涉 到是否能將新資訊存入長期記憶，與基模自動化及基模的建構息息相關。先備知識與經 驗較不足的學習者，因較不易從長期記憶中抓取相關基模，因此工作記憶區的資源必須 用來處理全部的新資訊，造成較大的認知負荷，因而勢必影響理解。此概念與前節所探 究的內在認知負荷概念相同。

2.教材的內容本質

教材內容元素間的交互作用亦是影響理解的重要因素。有些教材的元素是不需考慮 其他元素，可以單獨處理，這樣的教材就容易被理解。但有些教材元素即使訊息量不多，

但因必須同時在工作記憶區進行處理，較容易造成超載，這樣的教材就不容易被理解。

此概念亦與前節所探就的內在認知負荷概念相同。

3.教材的組織

面對不同的教材特性，教材設計組織若能協助學習者不必在工作記憶區同時處理大 量元素，可避免產生外在認知負荷，增進理解。教學者無法立即改變學習者的先備知識、

教材本質內容，但可在教材的組織上多下功夫。在教材設計時需考慮資訊內在複雜度以 及資訊被呈現的方式，兩種因素亦可能會彼此產生交互作用，例如某些知識內在複雜度 高，但是用某種方式呈現就會比別的方式呈現來得好，但有些知識內容，呈現方式就不 具如此關鍵的角色。因教材設計產生的認知負荷即為外在認知負荷。

2.3.5 認知負荷理論之教材設計原則

Sweller 等人 (1998) 綜合認知負荷理論多年來在各學科領域的研究結果，先提出七 項教學設計原則，而後 Sweller (2004) 又依據眾多實驗證據將七項教學設計原則擴展為 十一項，近期 Sweller (2010, 2011) 再將其延伸為十五項教學設計原則，茲分別說明如下：

1.開放目標效應（Goal Free Effect）

傳統的教學大多是單一目標及標準答案導向的解題模式，因此容易將學習者侷限在 某個固定框架下進行思考與認知處理，會產生較大的認知負荷。開放目標 ( Goal free) 即是讓學習者在沒有固定學習目標的情況下盡其可能表達自己思考的想法或步驟。相較 於傳統目標問題，這種非特定或無目標的問題可以減少工作記憶的負荷，但只適用於解 決方式有限及過程具有教育性意義的領域 (Sweller, 2004)。當開放目標的問題比傳統問 題能引發更多的學習時，開放目標效應就會發生。

2.示例效應（Worked Example Effect）

教師在教導程式性知識時，可以先呈現適當的工作示例供新手學習者參考，提供完 整的解題與步驟，協助他們更能理解問題，可以減少工作記憶區不必要的探索與避免耗 費資源，因此可降低外在認知負荷，使學習者能有更多的認知資源去形成基模以存在長 期記憶中。本研究以示例教學進行即產生示例效應。

3.完成問題效應（Completion Problem Effect）

完成問題指的是給定一個特定的目標狀態，提供學習者部分的解決方案，要求由學 習者繼續完成 (Sweller, et al., 1998) 。也就是將工作示例加以修改為不提供全部的解決 步驟，保留部分由學習者自行完成，適用於以設計為導向的軟體設計、電子電路設計、

生產流程規劃等領域。證據顯示，相對於傳統問題解決，完成問題與工作示例一樣，能 降低外在認知負荷、減少心力付出、促進基模建立並引發更好的學習轉化 ( Paas, 1992；

Sweller, et al., 1998 ) 。

4.分散注意力效應（Split-attention Effect）

當學習者面對必須整合多方面的訊息才能達到學習與理解的目標時，倘若多媒體資 源展演的過程中，將相關的文字與圖片在空間上分離或口語時間不同步，學習者就會分 散注意力，得將最先獲得的訊息保留在工作記憶中，並在相關訊息間來回搜尋、比對，

非常耗費工作記憶資源，以致於增加了認知負荷。若能將相同內容訊息以實際整合的方 式呈現，而不是只靠心力去整合，應可減低工作記憶區的負荷、避免分散注意力的效應。

5.形式效應（Modality Effect）

當學習者接受圖像搭配口語解說之形式與圖像搭配文字解說之形式的教材呈現，前 者的學習成效會優於後者，這便是形式效應 ( Kalyuga, 2009 )。圖像與文字解說同屬於 視覺形式，較易造成視覺感官通道的阻塞。而圖像與口語分屬於視覺與聽覺兩種不同的 通道，較不會有通道阻塞與資源不足的情形。以人類的認知系統來看，當同時使用視覺

當學習者接受圖像搭配口語解說之形式與圖像搭配文字解說之形式的教材呈現，前 者的學習成效會優於後者，這便是形式效應 ( Kalyuga, 2009 )。圖像與文字解說同屬於 視覺形式，較易造成視覺感官通道的阻塞。而圖像與口語分屬於視覺與聽覺兩種不同的 通道，較不會有通道阻塞與資源不足的情形。以人類的認知系統來看，當同時使用視覺