激發式動態呈現教學設計之研究-以二元一次方程式的圖形為例

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國

立

交

通

大

學

理學院碩士在職專班網路學習組

碩

士

論

文

激發式動態呈現教學設計之研究

以二元一次方程式的圖形為例

A Study on Instructional Design by Trigger-based Animation in the Graphs of Linear Equations in Two Variables

研

究生：洪榮忠

指導教授：陳明璋博士

袁媛博士

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激發式動態呈現教學設計之研究

以二元一次方程式的圖形為例

A Study on Instructional Design by Trigger-based Animation in the Graphs of Linear Equations in Two Variables

研

究生：洪榮忠 Student：Jung-Chung Hung

指導教授：陳明璋

Advisor：Ming-Jang Chen

袁媛

Yuan Yuan

國

立交通大學

理學院網路學習學程

碩

士論文

A Thesis

Submitted to Degree Program of E-Learning College of Science

National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of Master

in

Degree Program of E-Learning June 2008

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

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激發式動態呈現教學設計之研究

以二元一次方程式的圖形為例

學生：洪榮忠

指導教授：陳明璋

博士

袁媛博士

國立交通大學碩士在職專班網路學習組

摘要

如何利用現代資訊科技融入課堂協助學生的學習，一直是教育專家努力的方向。教材以課堂授課為導向的呈現方式，除了傳統的黑板、粉筆外，利用『激發式動態呈現』的教學簡報，從激發學生的注意力進而引導學習；其方法是以一個物件控制一連串訊息的動態呈現，或多個物件來控制單一訊息的呈現，教學訊息可選擇性、隨意性或預先安排的呈現，因此教師可適性地與全班互動。延續過去學者所提出的教材設計原則，本研究將以七年級數學教材中二元一次方程式的圖形為例，去檢視以激發式動態呈現的教學設計相較於一般傳統的簡報教學，是否有較好的學習成就和較低的認知負荷。本研究採準實驗設計，以兩個七年級的班級學生進行教學實驗，由實驗得到的結果顯示，激發式動態呈現的教學設計可以協助低學業成就的學生，不論在學習成就或降低認知負荷都有較佳的表現。關鍵詞：多媒體學習、激發式動態呈現、認知負荷、學習成就

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A Study on Instructional Design by Trigger-based Animation

in the Graphs of Linear Equations in Two Variables

Student：Jung-Chung Hung Advisor：Dr. Ming-Jang Chen

Dr. Yuan Yuan

Degree Program of E-Learning

National Chiao Tung University

英文摘要

How to use modern information science and technology to help students’ learning in the classroom has been the education experts’ goal. Instead of using the traditional blackboard and chalk method to present subject content in the classroom, "Instructional Design by Trigger-based Animation" methodology stimulates students’ attention and guides them into learning much more effectively; The method is to control the presentation dynamically with a succession of information about an object, or many objects can control the presentation of a single concept. Subject content can be presented optionally randomly or in advance, so that the teacher can interact with the whole class on an equal level.

To continue the design principle of the teaching material that scholars had put forward, this study takes “the graphs of linear equation with two variables” in Seventh Grade Mathematics teaching material as the example, to compare the methodology of trigger-based animation with the traditional methodology to investigate whether there is better learning achievement and a lower cognitive load.

This study uses a quasi-experimental design. The teaching experiment will be conducted with two classes of Seventh graders. The results obtained from the experiments show that the "Instructional Design by Trigger-based Animation" methodology can help the students who are poor achievers do better on not only learning achievement but reducing the cognitive load.

Keyword: multimedia learning, trigger-based animation, cognition load, learning achievement

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摘要 ... I 英文摘要...II 表目錄...V 圖目錄... VI 第一章緒論 ... 1 1-1 研究背景和動機... 1 1-2 研究的目的... 2 1-3 研究的問題... 5 1-4 研究的範圍與限制... 6 1-5 論文架構... 6 第二章文獻探討 ... 8 2-1 訊息處理論與知覺歷程... 8 2-1.1 訊息處理論 ... 8 2-1.2 知覺歷程 ... 12 2-2 認知負荷理論 ... 18 2-2.1 認知負荷理論對認知架構的基本假設 ... 18 2-2.2 認知負荷的來源 ... 20 2-2.3 認知負荷的種類 ... 21 2-2.4 認知負荷理論的教學應用 ... 22 2-3 多媒體學習認知理論 ... 24 2-3.1 多媒體學習認知理論 ... 24 2-3.2 多媒體教材設計原則 ... 28 2-4 數學簡報教材設計原則... 32 2-4.1 數學簡報系統（ MathPS） ... 32 2-4.2 教學法與學習理論 ... 39 第三章研究方法 ... 44 3-1 研究對象... 45 3-2 研究設計... 47 3-3 研究工具設計 ... 49 3-3.1 實驗教材製作 ... 49 i ii v vi

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3-3.2 問卷製作 ... 51 3-4 實施步驟與過程 ... 54 3-5 資料分析方法... 55 第四章結果與討論 ... 56 4-1 樣本的敘述統計資料... 56 4-1.1 甲乙班教學實驗相關敘述統計 ... 56 4-1.2 學業成就分組下甲乙班相關敘述統計 ... 58 4-2 研究假設的檢驗與說明... 61 4-2.1 教學設計與學業成就對學習成就的影響 ... 61 4-2.2 教學設計與學業成就對降低認知負荷量的影響 ... 67 4-2.3 學業成就與認知負荷量的相關性 ... 71 4-3 結果摘要 ... 73 第五章結論與建議 ... 74 5-1 研究結論 ... 74 5-2 研究貢獻 ... 74 5-3 實務上的建議... 75 5-4 未來研究方向... 76 參考文獻 ... 78 中文部分 ... 78 英文部分 ... 79 附錄... 81 附錄一各主題單元投影片教學過程簡述（教材分析） ... 81 附錄二各單元受測試題內容... 96 附錄三二元一次方程式的圖形教學活動設計表 ... 101

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表目錄

表 1- 1 教材呈現指標 ... 3 表 1- 2 學習者/教師授課不同導向之媒體教材特質比較分析表 ... 4 表 2- 1 認知負荷的教學效應 ... 22 表 2- 2 三種多媒體訊息的觀點 ... 25 表 2- 3 兩種多媒體設計的觀點 ... 26 表 2- 4 兩種多媒體學習的含意 ... 26 表 2- 5 兩種多媒體學習的目標 ... 27 表 2- 6 三種多媒體學習的結果 ... 27 表 2- 7 MathPS 繪圖環境的各項功能 ... 33 表 2- 8 MathPS 按鈕式動態呈現的功能 ... 35 表 2- 9 MathPS 2.20e 版的系統操作功能說明表 ... 36 表 2- 10 講解式與發現式教學法對照表 ... 40 表 2- 11 Gagne 九大教學事件 ... 41 表 3- 1 甲乙班上學期數學成績平均數及標準差摘要表 ... 46 表 3- 2 甲乙班上學期數學成績常態性檢定摘要表 ... 46 表 3- 3 甲乙班上學期成績獨立樣本 t 考驗摘要表 ... 47 表 3- 4 實驗設計分組細格表 ... 47 表 3- 5 各階段主題單元教材分析簡述 ... 50 表 3- 6 受測試題分類、難度、鑑別度說明表 ... 52 表 3- 7 認知負荷評量表 ... 53 表 4- 1 甲乙班教學實驗相關敘述統計資料摘要總表 ... 56 表 4- 2 低學業成就分組下甲乙班相關敘述統計資料摘要總表 ... 58 表 4- 3 高學業成就分組下甲乙班相關敘述統計資料摘要總表 ... 59 表 4- 4 2×2 二因子變異數分析資料（學習成就） ... 61 表 4- 5 二因子變異數分析摘要表（教學設計與學業成就對學習成就） ... 62 表 4- 6 單純主要效果獨立樣本 t 考驗摘要表（學習成就） ... 64 表 4- 7 各分組分班記憶題、遷移題平均數及標準差摘要表 ... 65 表 4- 8 分組獨立樣本 t 考驗摘要表（記憶題與遷移題成績） ... 65 表 4- 9 2×2 二因子變異數分析資料（認知負荷量） ... 67 表 4- 10 二因子變異數分析摘要表（教學設計與學業成就對認知負荷量） 68 表 4- 11 學業成就分組獨立樣本 t 考驗摘要表（認知負荷量） ... 70 表 4- 12 學習成就與認知負荷量的相關分析資料 ... 72 表 4- 13 分析結果摘要表 ... 73

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圖目錄

圖 1- 1 教材分析定義圖 ... 2 圖 1- 2 研究目的概念圖 ... 5 圖 2- 1 訊息處理的內在心理歷程 ... 9 圖 2- 2 求作二元一次方程式的圖形基模示意圖 ... 12 圖 2- 3 知覺歷程 ... 16 圖 2- 4 數學課堂內學生學習之知覺歷程 ... 16 圖 2- 5 認知負荷構念圖 ... 20 圖 2- 6 多媒體學習的認知模型 ... 25 圖 3- 1 研究流程圖 ... 44 圖 3- 2 研究架構圖 ... 45 圖 3- 3 教學實驗的過程圖 ... 55 圖 4- 1 教學設計與學業成就對學習成就影響之交互效果圖示（以學業成就為個別線）... 62 圖 4- 2 教學設計與學業成就對學習成就影響之交互效果圖示（以班別為個別線）... 63 圖 4- 3 各階段的學習成就成績平均數比較折線圖 ... 67 圖 4- 4 教學設計與學業成就對認知負荷影響之交互效果圖示（以學業成就為個別線）... 68 圖 4- 5 教學設計與學業成就對認知負荷影響之交互效果圖示（以班別為個別線）... 69 圖 4- 6 各階段的認知負荷量平均數比較折線圖 ... 71

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第一章緒論

在只有粉筆和黑板的教學下，就沒有好的教學品質嗎？在從前科技未如現在的時代背景，人們的學習就停滯不前嗎？我想答案都是否定的。好的教學包含的因素有很多，教材的呈現一直是非常重要的一環，而數學教材的呈現更是有別其他的學科，如何利用現代的科技協助數學的學習，也一直是許多教育專家努力的目標。本研究將探討一個適合課堂教學環境的數學簡報教學設計對不同學業成就的學生在學習成就與認知負荷的影響。本章共分為五節。第一節說明研究背景與動機。第二節說明研究目的。第三節說明研究問題。第四節為研究範圍與限制。第五節為論文架構。

1-1

研究背景和動機

現今在國中的數學教學現場中，研究者所見，真正將資訊科技融入教學仍不普及，相對於教育部推動的「中小學資訊科技融入教學總藍圖」（教育部，2001）的四年指標之一，教師（含新任及在職）均能運用資訊科技融入教學，教學活動時間達20%，感覺仍有一段不小的差距。雖然幾年下來，透過推廣、競賽等方式，網路上所見到的數學教學教材愈來愈多，許多教師雖然花了很多的時間和心力去製作教材，卻常因在製作數位教材的過程中缺乏一個數學教材製作的準則，使得花了許多時間所作出的教材在實際的課堂應用效果大打折扣，事倍功半。應用在的課堂上的數學多媒體教材，除了傳統的黑板、粉筆外，目前所見常為影片、Flash、GSP、Excel、PowerPoint…等等，但礙於軟體的本身的特性，此類教材多為輔助傳統的課堂學習，而非完全取代。如何使教師易於上手去設計一個以課堂授課為導向，學生學習為中心的數學多媒體教材，透過上課前精心製作的教材與教學設計，使學生在相同的教學時間內有更多的學習內容及深度，在研究者接觸到由交通大學陳明璋博士領導的Informath團隊所發展的PowerPoint外掛軟體「 MathPS」，其在幾何構圖和教學訊息的呈現的創意皆令人驚豔。「MathPS」利用普及率極高的 PowerPoint軟體，以激發式動態呈視與物件導向的方式，輔以多媒體教材設計的原則及認知負荷的控制，建構一個適合教師和學生互動的課堂教學活動環境，期待能由本研究的結果，更進一步確認其在教學實務上運用的實用價值，提供教師們在教室授課的另一個不錯的選擇。

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1-2

研究的目的

為了設計一份應用激發式動態呈視的教學簡報，所需要的教材設計原則與相關理論涵蓋非常廣，而且在一份完整的教學單元中，這些原則與理論常不是單獨使用，而是相輔相成。由於學習者對教學訊息的擷取及內化是一個複雜的過程，礙於工作記憶區（working memory）容量的限制，若學習者經常需要重複地由投影片上搜尋、過濾、組織、重整訊息，而耗用大量的工作記憶區的資源，將連帶影響學習的效果。所以如果能了解如何將訊息明確的呈現、建立訊息之關連性，將有助於工作記憶有效的運用，提升訊息處理效果。因此在設計教學活動前對教材內容的分析變得格外重要。本研究以『教材分析』一詞來涵蓋這些教材設計原則、呈現指標及相關的理論，如下圖1-1；教師以本身的專業素養找出教學教材中的關鍵重點，輔以教材的設計原則或理論去安排教學設計，其中要強調的就是一個在教學中不容忽視的因素，即學習者的認知負荷的控制。以激發式動態呈現的方式去設計教學課程，目的不只在降低教學中教材呈現不當所產生的外在認知負荷，更要在學習者認知負荷不超載的情形下，利用適時安排有效的增生認知負荷使學生獲得有意義的學習（meaningful learning）。圖1- 1教材分析定義圖

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自從澳洲學者Sweller將認知負荷理論的理念引入教育界，認為學習認知過程中，是先經過工作記憶區的注意和處理後，才能將知識或技能存入長期記憶區。認知負荷理論對教材呈現或教學設計一直是不容忽視的的一環。 Mayer和Moreno（2003）以如何降低認知負荷的觀點，依據多項研究的實驗結果提出九個多媒體教材設計的原則；隨著多媒體學習（multimedia learning）的研究日益廣泛，Mayer（2005）再次整理歸納出十項多媒體教材設計原則，其中包含：多媒體、空間接近、時間接近、連貫、形式、多餘、個人化、互動、信號及個別差異等十個原則。蘇柏奇（2005）依據邱建偉（ 2004）提出教材在動態呈現時所要注意的原則，考慮觀察者的視覺、教材的內容、課堂上的應用，再歸納出指標、層次、群化/關聯、對比/比較 /演化、步驟、動態 /互動 /隨意、結構、銜接 /連貫 /重整、溝通性等九個教材呈現指標，如下表1-1。表1- 1教材呈現指標（蘇柏奇，2005） 原則 說明 指標靜態與動態指標（標籤）、符號、圖示、語言，以避免重複搜尋訊息層次掌握訊息角色與呈現的比重，以呈現主題。群化／關聯建立相關訊息視覺關聯。對比／比較／演化相似性與差異性之呈現。步驟概念分解或步驟化。動態／互動／隨意依授課情境呈現教學內容，調整教學步調。結構訊息結構化，有助於探索訊息，抽象概念的呈現。銜接／連貫／重整導覽、銜接與重整的性質，可以協助學生在偶而無法跟上教師的步調時，能夠重新審視先前內容。溝通性教師、學生、與教材三者可以溝通的環境。以上所提到的一些原則，都是為了將教材中的關鍵重點在學習者的認知負荷不超載的情形下，作有效的呈現；因應此一教學實務上的需求，陳明璋博士在2007年提出了『激發式動態呈現』（ Trigger-based Animation）（Chen & Tan, 2007）教學設計，其理念是以課堂中教師授課為導向的教學環境，教室內的投影幕為顯示訊息的地方，由教師主導教材的呈現順序及其詮釋。教師面對全班的學生上課時，除了與全班同學互動外，須同時兼顧全班的整體性與學生的個別性，利用PowerPoint結合 MathPS的互動特性，可賦予教師對教材進度與呈現方式充份的控制力。以下將學習者和教師授課兩種不同導向之媒體教材特質作一比較，整理如下表1-2。

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表 1- 2 學習者/教師授課不同導向之媒體教材特質比較分析表（陳明璋， 2005）

學習者／教師授課不同導向之媒體教材特質比較

導向 學習者為導向 教師授課為導向 地點單一電腦，軟體 / 網頁教室大銀幕對象每一個個別學生全班同學教材特性 z 教材能與學生互動，有些聰明 z 教學流程規劃清楚 z 動態呈現，不易設計，適性化不易 z 教材呈現模式單純，設計簡單 z 教師主導呈現的順序及詮釋 z 詮釋即時、有彈性且多元互動特性 z 個別性互動 z 學習者依個人特性啟動學習內涵 z 由教師主導，同時與全班同學互動 z 需同時兼顧全班的整體性與個別性 z 整體同步性強 z 文字、圖像、動畫、聲音、軟體模擬、軟體操作 z 文字、圖像、動畫、聲音、軟體模擬、軟體操作、肢體語言 z 自我掌控式視覺呈現 z 系統掌控式視覺呈現 z 系統掌控式視覺呈現 z 教師掌控式視覺呈現呈現模式 z 一般以文字、圖像為主，語音為輔 z 一般以文字、圖像與語音同等重要 z 學習者之個別性 z 整體性、同步性教材設計考量因素學習能力、空間能力、性別差異、感官型態、認知型態、先備知識教材設計成本 z 成本高 z 修改不易 z 成本低 z 修改容易不同以往一般傳統（只以固定步驟出現）簡報教材，『激發式動態呈現』的教學簡報，以一個物件控制一連串訊息的動態呈現，或多個物件來控制單一訊息的呈現，教學訊息可選擇性、隨意性或預先安排的呈現，由老師掌握教學過程中與全班或部分學生的互動，協助學生在訊息的選擇、組識、整合，保持工作記憶區（working memory）不會發生認知負荷超載（ overloading），再輔以互動溝通的視覺鷹架引導，使學生能在引發的先備知識上去建構新的

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知識，除了能達到有意義的學習外，使學習也更有成效，這也是激發式動態呈現教學設計的精神。現今在一般的國中教學現場，學生學習數學的興趣比起國小少了許多，其中的因素除了教材內容的本身難度提昇外，教師在教學時呈現教材的不適當所產生的額外認知負荷，如果又未適時的引導，將使得學生在學習時更添困難，學習成就高的學生或許還可以跟上教學的步調，但學業成就較低的學生可能更加挫敗而放棄。本研究的主要目的是探究以激發式動態呈現的教學設計，對於不同數學學業成就的學生在課堂學習過程中，是否能有效減低認知負荷並獲得更多學習。概念如下圖1-2。圖 1- 2 研究目的概念圖

1-3

研究的問題

綜合之前的說明，本研究將以激發式動態呈現教學設計為研究主軸，設計國中七年級二元一次方程式的圖形單元教材，去檢視激發式動態呈現的教學設計，對不同學業成就學生在學習成就和認知負荷是否產生影響？本研究要探討的問題如下： 1. 『激發式動態呈現』的教學設計，對不同數學學業成就的學生在學習成就的影響為何？ 2. 『激發式動態呈現』的教學設計，對不同數學學業成就的學生在認知負荷的影響為何？ 3. 學習成就與認知負荷量之間的相關性為何？

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1-4

研究的範圍與限制

本研究是以國中七年級下學期二元一次方式的圖形為教材設計的範圍，因為此階段正是銜接代數（文字）和幾何（圖形）兩個部分的重要關鍵，文字和圖像的呈現常是相輔相成的。在本研究的教學實驗中，每個階段、過程雖力求嚴謹，但以課堂上授課的背景下，所產生的變因仍不少，以下為本研究的教學實驗中所遇到的一些限制，說明如下： 1. 本研究的對象並非研究者原授課的班級，彼此的熟悉度畢竟不足，雖然在正式做教學實驗前已先行到該班級代課，並請原任課數學老師配合告知學生因課務調整之故，會有連續的兩天數學課是由代課老師（研究者）上課，使學生沒有受實驗的感受，保持教學實驗結果的客觀性，但學生在教學實驗後的表現是否會因教師的不同而有所差異。 2. 本研究只以某國中兩個七年級的班級為樣本，有效樣本為61位，再細分為四組，每組約15位左右，樣本數略少，故有統計樣本不足的問題。且本研究的對象為新竹縣湖口鄉某國中的兩班七年級學生，因此也不宜過度推論到其他地區的學生。 3. 本研究所得到的結論或可作為其他單元及其他學科的相關研究參考，但仍要考量單元和學科不同的限制。

1-5

論文架構

本論文共分成五章，各章內容簡要陳述如下：第一章緒論：說明研究背景與動機、研究的目的、研究的問題、研究的範圍及限制與論文架構。第二章文獻探討：依研究目的進行有關『教材分析』所涵蓋的文獻探討，說明經過教材分析後，以激發式動態呈現教學設計的教材，所發展的研究架構與研究假設。介紹知覺理論、多媒體學習認知理論、認知負荷理論、數學簡報系統（MathPS）的教學應用及探討學習及教學理論。

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第三章研究方法：說明本研究的研究方法、研究架構、研究假說與實驗設計。第四章結果與討論：由實驗所收集的資料，檢定本研究的假說，並說明研究的發現與結果。第五章結論與建議：說明本研究的實證結果、研究結論，並提出後續研究的建議與方向。

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第二章文獻探討

本研究的目的是探討以『激發式動態呈現』的教學設計對不同數學學業成就的學生的學習成就與認知負荷的影響。本章將依研究目的進行有關教材分析所涵蓋的文獻探討，說明經過教材分析後，以激發式動態呈現的教學設計，所發展的研究架構與研究假設。本章共分成四節：第一節介紹訊息處理論及知覺歷程。第二節介紹認知負荷理論。第三節介紹多媒體學習的認知理論。第四節介紹數學簡報系統（MathPS）的教學應用及教學法。

2-1

訊息處理論與知覺歷程

2-1.1 訊息處理論

是由認知心理學發展出來的分支學派，其焦點放在促使學習所產生的記憶與儲存的過程。將學習的過程視為如同電腦處理資訊一般，探究如何接收及存訊息使其成為長期記憶（將所學的新事物奠基在即有的知識上），並瞭解學習者如何經由感官覺察、注意、辨識、轉換、記憶等內在心理活動，以吸收並運用知識的歷程。訊息處理是不能直接觀察的內在心理運作歷程。在此一內在歷程中，一般認為其中包括三個心理特徵： 1. 訊息處理是階段性的。 2. 各階段的功能不一，居於前者屬暫時性，居於後者屬永久性。 3. 訊息處理不是單向直進式，而是前後交互作用的（張春興，2004）。訊息處理的內在心理歷程如圖 2-1 所示。

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圖 2- 1 訊息處理的內在心理歷程（引自翁嘉鴻， 2001）一般提到訊息處理論皆是根據Atkinson與Shiffrin在1968年所創的模式（Roblyer,2004），假定在人腦中包含了某些如同電腦處理訊息般的組識。翁嘉鴻(2001)分析感官收錄、短期記憶及長期記憶的特點，今整理如下： 1. 感官收錄（sensory register, SR）其功能為負責接收所有由器官（如眼、耳、鼻、嘴或手感覺）感覺到的訊息。許多訊息處理學家認為，訊息即使被感覺到（瞬間），但如果不加注意，它在進入短期記憶區前就會消失。 2. 短期記憶（short-term memory, STM）或稱工作記憶，訊息處理的心理歷程起於環境中的刺激。凡是能夠影響個體感官之產生反應者，均為訊息處理的刺激來源。這些刺激經由感官收錄（sensory register, SR）來接收，刺激表徵的方式是感官性的，且持續時間極短，（以視覺為例，只有 1 至 2 秒），會隨著時間經過而消失。若刺激經選擇性的「注意」後，將置入短期記憶區中，人們注意到的事物將進入到可暫時保存長達 5 到 20 秒的工作記憶，對個體的行為，具有兩種重要作用： (1) 對注意到的刺激作出適當反應。如與人對談的反應或閱讀文字符號的反應等，都是接受刺激的同時亦做出反應的心理活動。此種反應過後，如目的已達，短期記憶的作用已盡，不再繼續進一步處理，所記者隨即流失，便成遺忘。環境中的刺激輸入感官收錄 (SR) 注意短期記憶 (STM)(時間) 短期記憶 (WM)(功能) 複習長期記憶 (LTM)(時間) 情節記憶語意記憶遺忘遺忘

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(2) 如個體認為所處理的訊息是重要的，他就採用複習（rehearsal）的方式，使之保持較長久的時間，然後輸入長期記憶區（long-term memory）。短期記憶在有限的時間內，除接受從感官收錄輸入進來的訊息，並適時做出反應之外，另具有工作記憶區（working memory, WM）的功能。工作記憶區是指個體對訊息性質的深一層認識與理解（張春興，2004），亦可以視為個人的意識。Sweller, van Merriënboer & Paas(1998)認為工作記憶區有其容量上的限制，Miller（1956）指出工作記憶區可以保留 7± 2 單位的訊息。工作記憶區之功用主要為組織、建構、比較及處理資訊，當資訊間的交互關係越複雜時，所能處理的量將越少。早期的學者多認為工作記憶區為一個單一的架構，但近來的理論指出，工作記憶區包含多個處理單元，分別處理不同性質的資訊。如 Baddeley （1992）認為工作記憶區（ working memory）可以細分為「語音迴路」（phonological loop）和「視覺空間擷取器」（visual-spatial sketch pad）；其中「語音迴路」負責處理語音及經由文字所轉化而來的語音 verbalmaterial）；「視覺空間擷取器」則處理圖片及圖表（visualmaterial），以上兩個子單元都由中央執行單元（central executive）來管理。若能同時利用多個子單元來處理資訊，工作記憶區的容量將會增大。在多媒體教材的設計中，如何善用有限的工作記憶區將成為一個重要的考量因素。 3. 長期記憶（long-term memory, LTM）長期記憶區指保持訊息長期不忘的永久記憶區（ permanent memory）。但有部分心理學家認為訊息若無定期使用，即使儲存在長期記憶中仍會遺失。長期記憶與短期記憶除了在時間上不同之外，另有二項不同之處， (1) 短期記憶區的容量是有限的，而長期記憶的容量是無限的。 (2) 長期記憶中儲存的訊息或知識，在性質上與短期記憶中暫時儲存的資訊不同，儲存（storage）在長期記憶中的訊息，大致分為兩類：一為情節記憶（episodic memory），指有關生活情節的實況記憶；另一類為語意記憶（semantic memory），是指有關語文所表達之意義的記憶（張春興，2004）。儲存在長期記憶區中的資訊以「基模」的方式儲存，但人類無法直接處理長期記憶區中的基模，必須藉由工作記憶區的過濾來處理。

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在這裡所提到的「基模」（schema）一詞是來自於 Bartlett在1932年提出的基模理論（schema theory），他認為基模乃是組織過去的反應或過去的經驗（羅綸新，1995）。Marcus（1996）認為基模是指能將多個訊息元件依據需要組織整合為單一元件的認知結構。Sweller et al.（1998）也認為基模為知識的主要元件，儲存在長期記憶區中，其功能除了提供知識的組織和儲存機制外，亦能降低工作記憶區的負荷。簡單來說，可視為當個體遇到某事物時，就會用其原有的認知結構去核對及處裡。此種認知結構稱之為基模，也就是個體原有的先備知識。學生在學習新的知識時，知識的學習在短期記憶區中進行，長期記憶則負責知識的儲存。雖然在工作記憶區中能處理的元件（elements）有其容量及時間上的限制，但元件的大小、複雜度卻沒有限制。藉由接受進入到短期記憶區的訊息及原有的先備知識（基模）相連結，可以增強工作記憶區處理資訊量的能力，集合而組成一個較大的基模，然後以此為單位去記憶，也就是說，藉由新舊知識的連結，基模的結構可以變得更複雜，但仍被視為短期記憶區處理的一個單位，因此，基模可以降低工作記憶區的負荷。Sweller & Sweller（2006）指出所有教學的目標是長期記憶的改變。如果在長期記憶區中的基模都未改變，則表示學習無效。如本研究所提及的二元一次方程式的圖形單元中，我們希望在學習者日後對此單元的記憶絕非單獨的元件記憶，如列表找方程式的解、以坐標表示解、描出兩個對應解的坐標、連接此兩點坐標表示對應的二元一次方程式的圖形。我們希望的是在有效的學習之下，這些單獨的元件記憶可以建立相關的連結，使二元一次方程式的圖形形成認知結構（基模）存入長期記憶區。以供日後相關學習的資料庫。如下圖2-2。

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圖 2- 2 求作二元一次方程式的圖形基模示意圖

2-1.2 知覺歷程

課堂上的教學活動進行是從吸引學生的注意力到進入教學內容獲得知識的知覺歷程，因此如何吸引學生的注意力是非常重要的。William James在 1890年強調注意的本義是其對心的支配，以明確而鮮明的形式呈現，在許多幾乎是同時出現的物件中，或一連串的想法中，去除眾多，只擇其一。它的本質是集中（focalization）、專心（ concentration），和意識（consciousness）。、（Eysenck & Keane,2000/2003）。心理學家 Zimbardo指出注意力的功能之一是選擇某部份的感覺輸入，以供進一步處理，並整理出對於注意力有以下幾種不同的理論，各有實例研究證明（蘇柏奇，2005）。 1. 過濾器理論：過濾器理論認為同時呈現的刺激或訊息平行（同時）進入一個感覺緩衝區裡，在這短暫的儲存時間裡，訊息受到物理屬性的分析，利用這些屬性分析的結果，過濾器過濾無需進一步處理的訊息，只有經由受到注意的管道所傳遞的訊息，才能被偵測器所偵測，進行深一層的處理。 2. 減弱理論：減弱理論認為注意的過濾並不像一個簡單的開關器一樣，截然關閉無需注意的訊息。注意的過濾作用應該只是使未受注意的訊息處在不完全或減列表找方程式的解，以坐標表示解描出兩個對應以坐標表示解找方程式的解連接此兩點坐標表示對應的二元一次方程式的圖形求作二元一次方程式的圖形

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弱的處理狀態，以利有限容量之管道傳遞必須注意的訊息。在此模式中，受注意的頻道遠比不受注意的頻道得到較多的處理，但被忽略的訊息仍然得到某些較高水平、有意義的分析。 3. 後期選擇理論：後期選擇理指出早期訊息的處理是沒有選擇性的，所有的刺激（即使同時呈現）都能自動的受到分析而達到辨識的效果，亦即達到刺激辨識之前的訊息處理是相當自動化的，注意力的機制是發生在刺激辨識之後。學生在課堂上除了耳朵聽老師的授課，另外一個接受教學訊息的主要方式就是視覺搜尋（visual search）。最具影響力的視覺搜尋取向的理論是由 Treisman & Gormican（1988）所提出的特徵整合論（the feature integration theory）。主要分成兩個階段，簡述如下：第一階段、特徵登記階段：首先，視覺利用光線從外界刺激物體提取特徵。提取特徵一種平行的、自動化的加工過程，不需要集中性注意。此階段對於找出環境中能以單一特性來界定的物體相當純熟，你可以平行地在環境中搜尋一個單一顯著的特性。Treisman 假定，視覺早期階段只能檢測少數獨立的特徵，這些特徵包括顏色、大小、反差、傾斜性、曲率和線段端點等。第二階段、特徵整合階段：在此階段中，知覺系統把彼此分開的特徵正確聯繫起來，形成某一物體的表徵。此時需要集中性注意，是一種非自動化、序列的處理。學生從被引起注意到利用視覺搜尋教學訊息，接下來說明教學訊息的知覺刺激如何作處理。心理學家將知覺刺激分為「遠側刺激」和「近側刺激」。所謂「遠側刺激」是指外界的實際物體，而「近側刺激」則為視網膜上的視覺影像。當個體接收到外界的遠側刺激時，便會在視網產生視覺影像，但兩者是各自分離的事件。知覺可視為從包含在近側刺激中的訊息判斷遠側刺激的歷程。一般而言，知覺有以下幾項特徵，今整理如下： 1. 相對性：個體對於外界物體的知覺，會受到該物體周圍刺激性質的影響。例如，顏色的對比，又如矮個子站在高個子旁邊，矮個子的會顯得更矮。 2. 選擇性：並不是所有外界刺激都有相等的反應，知覺是有選擇性的，我們經常只集中在少數刺激上，這個現象和個體的注意力關係密切。 Kemp & Smellie（1994）指出由於瞬間可能有多個刺激同時發生，個體只能擇部分刺激作反應。而選擇乃依據個人的經驗或當時最能引起

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注意的物件所作的決定。

3. 恆常性：儘管物件在視網膜影像的大小和形狀發生很大的變化，但它的知覺大小和形狀仍然不變，稱為知覺恆常（Eysenck & Keane，2003）。知覺的恆常性除了受刺激物本身組織特性的影響外，還與本身的經驗有相當的關聯性（林俊良，2004）。 4. 整體性：完形心理學者指出：「心理現象中，整體並不等於部分之和，整體乃是先於部分而又決定各個部分」。指出：「部分之總合不等於整體，因此整體不能分割；整體是由各部分所決定。反之，各部分也由整體所決定」（Koffka，2000）。 5. 組織性：知覺具有組織性，它可以靈活組織各種孤立的造型，使其成為知覺的整體，而非雜亂的線條、點或顏色（林俊良，2004）。完形心理學者認為我們對於接近的、相似的、連續的部份物體，常常主動加以有系統地組織。心理學家Zimbardo 和 Gerrig （1997）認為廣泛層面而言，知覺（perception）意味著理解外在環境中的物體和事件的整體歷程。並將這個歷程區分為感覺、知覺組織、對物體的檢定／辨認三個階段。分別敘述如下： 1. 感覺（ sensation）：在感覺的處理階段，物理能量會被偵測到，並轉換成神經能量和感覺經驗；外在的物理能量（如光線或聲波）依照感覺接受器所受的刺激轉化成大腦的神經活動。這也是任何學習發生的開端，此階段已出現刺激選擇和變換，以視覺為例，視網膜細胞重視邊線、稜角和光度差異，然而不會被恆定、不變動的刺激所激發。在此同時，大腦皮質細胞則從它們得自視網膜神經細胞的輸入中抽取有關特徵和空間頻率的訊息。 2. 知覺組織（perceptual organization）：在組織階段，大腦把感覺組織成前後一貫的心象，並產生物體和型態的知覺；將簡單的感覺特徵（如顏色、稜端和線條）綜合（統合與組合）成事後可以辨認的物體之知覺表象，亦即來自感覺偵測器的訊息被大腦處理器所組織、修正，將刺激形象和元素轉變成可被認識的形體。此階段可能涉及對物體的可能大小、形狀、移動、距離和方位的估計，此估計統合了我們過去的知識、接收自感官的現存證據及知覺背景內的刺激。 3. 檢定／辨認（identification／recognition）：在檢定階段，物體的知覺表象會和記憶表徵互做比較，以辨認出熟悉和有意義的物體；作用在於指派意義給知覺表象。由「物體看起來像什麼？」的知覺問題轉換為檢定的問題－「這物體是什麼？」，同時也轉換為辨認問題－「該物體有什麼功能？」。為了檢定和辨認某物為何、名稱及如何

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適當的應對它，便涉及認知歷程，也就是工作記憶和長期記憶的交互作用，其中包括個體對該物體或事件的相關記憶及本身的價值觀、信念與態度。然而對於知覺的歷程，也有學者存在不同的看法，有部分學者主張所有外界的知識都是直接來自感官，沒有任何內在表徵涉入，知覺是從下往上的歷程所驅動；另有學者主張知覺仰賴內在歷程，是由上行歷程及下行歷程所驅動。簡要說明如下： 1. Helmholtz 傳統理論： Helmholtz 強調「經驗」在知覺中的重要性，主張感官所提供不足的訊息可以藉由無意識推論而增加，因為這些推論會對感覺訊息加添意義。他指出知覺是所呈現的刺激跟內在假設、期望、知識、動機與情緒方面的因素之間交互影響，所得到的最終產物，是一種主動建構的過程。 2. Gibson 生態視覺： Gibson 指出：抵達眼睛的光型態是一種光的配列，此種有結構的光包含了來自環境並照射到眼睛的視覺訊息，提供關於空間內物件佈局的明確或不變訊息，知覺牽涉到直接透過共振作用揀取由光的配列所提供的豐富訊息，幾乎沒有訊息處理涉入其中（Eysenck & Keane,2003）。因此，沒有必要去考慮原始的感覺，亦不需要去尋找較高水平的知覺推論系統，簡言之，知覺是直接的。綜合以上的觀點，Zimbardo 和 Gerrig（1997）認為「資料引導的歷程」以物理現實為基礎，處理片段的訊息，然後把刺激之具體的、物理的特徵轉換為生理譯碼，最終成為抽象的表徵；同時產生了對立的歷程，當在解釋知覺物體時，「概念引導的歷程」涉及知覺者的過去經驗、知識、預期、記憶、動機、文化背景和語言。當我們知覺自己的環境時，這兩種歷程經常交互作用。Eysenck 和 Keane（2003）指出當觀看的情境良好時，視知覺可能大部份取決於上行歷程；當觀看的情境因刺激呈現的時間急速或刺激不夠清楚而惡化時，就需要下行歷程。下圖2-3可清楚說明以上論述。

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圖 2- 3 知覺歷程（引自游恆山譯，1997）

本研究要探討的是以課堂授課為背景的教學設計，有關學生在數學課堂內的知覺歷程，蘇柏奇（2005）針對這個部分有一個清楚的描述如下圖 2-4。

(25)

針對其歷程分為文字、語言及圖像三種形式，其中文字可以聽覺或視覺形態呈現，分階段說明如下： 1. 教師將數學概念具象化為不同形式的遠側刺激：遠側刺激包含文字、語言及圖像三種形式，其中文字可以聽覺或視覺形態呈現，對學生而言是多元的遠側刺激。此三種形式的遠側刺激在教學的過程中可能同時出現，例如：教師以一個圖型來解說概念；也可能單獨出現，例如：讓教師以口述一個之前學過的定理或概念。呈現遠側刺激之方式、內容與順序是由老師所掌握，而教材單元特性、教學設計、教學策略及教師個人的數學背景、教育理念、特質及對學生的瞭解等，都是影響遠側刺激之呈現的因素。 2. 學生透過感覺的歷程，將多元的遠側刺激登錄為近側刺激：自此階段之後的歷程，都是由學生掌握，屬於學生內心的個別歷程，老師具有引導、影響的作用，但關鍵因素仍由學生自覺或不自覺的掌控。遠側刺激的接收與近側刺激的形成幾乎是同步的。除了生理上的障礙或注意力選擇的差別外，大多數學生所登錄的近側刺激都雷同。以視覺而言，近側刺激是指視網膜上之成象；以聽覺而言，則是指所聽到的聲音。 3. 學生透過知覺組織的歷程，將近側刺激轉換為知覺表象：此階段不涉及認知活動，知覺表象受近側刺激的客觀因素及時空脈絡之直接影響，大部份人所得到的知覺表象都雷同。完形心理學派及認知心理學等曾對知覺組織的歷程提出許多實徵性的實驗結果。此階段所產生的知覺表象是否容易被學生操作或辨認，是影響學習成就的關鍵因素之一，所以教材呈現的重要性可見一斑。 4. 學生透過檢定、辨認和操作歷程，綜合、理解知覺表象形成內部表徵：此階段涉及到學生的經驗（先備知識）及時空脈絡上的主觀認知因素，因此，不但不同的學生形成內部表徵所需之時間會有個別差異，而且無法確保所有學生所形成的內部表徵和教師所預計的相符合。內部表徵可以透過問答或紙筆測驗的方式來檢驗。學生的內部表徵是透過檢定、辨認和操作歷程，理解多元的知覺表象所形成的綜合體，構成內部表徵的圖像訊息及文字訊息之比重是動態的，且對不同學生而言，比重具有個別差異性。（蘇柏奇，2005）

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2-2

認知負荷理論

「認知負荷」（Cognitive Load）源自於歐美的人體工學與人因工學領域，心理、生理與認知層面，探討工作與任務對執行者的影響與適合性。最早應用在軍事訓練及各種企業上，稱為「心智工作負荷」（mental workload），並以此為指標作為任務、工作或操作系統設計上的參考，盡量減少任務與工作對執行者的心智負荷，以增加執行時的績效（黃克文，1996）。澳洲學者J. Sweller將認知負荷理論的理念引入教育界，他認為學習認知過程中，是先經過工作記憶區的注意和處理後，才能將知識或技能存入長期記憶區。每一次的有效學習是不斷地將接受到的訊息放在工作記憶區中作組織、整合的處理，在工作記憶區容量是有限的限制下，一些與學習內容無關的資訊，會佔據「工作記憶」，而造成認知上的負荷。因此，他致力於探討學習者的認知層面，因教學方法、教學內容而產生的「認知負荷」，在學習過程中對概念獲得的負面影響，從而建立了「認知負荷理論」（陳密桃，2003）。簡單來說，「認知負荷」就是處理訊息時心智（工作記憶）的負載狀態。而認知負荷理論就是在探討訊息處理時，訊息的呈現方式對工作記憶負載的影響，特別是如何減少無效的工作記憶負載，增加促進學習的工作負載。其基本主張簡述如下： 1. 學習可以被定義為是長期記憶（基模）的改變。 2. 教學的目的應該是促進長期記憶基模的建構與自動化。 3. 教學應將人類認知架構納入考量。 4. 工作記憶受到時間和容量二個特性的嚴格限制。 5. 沈重的工作記憶會干擾學習。 6. 面對初學者，訊息應以直接的形式呈現而非間接的形式。

2-2.1 認知負荷理論對認知架構的基本假設

以自然演化的觀點來看人類認知的發展，人類的學習與問題解決及創造都與生物演化的發展非常類似，而人類認知架構和發展歷程與自然演化的訊息結構和歷程有類比關係，也可以說人類的認知架構只是自然選擇演化歷程的縮影。而認知的過程主要是長期記憶與工作記憶的交互作用。

Sweller, van Merriënboer, & Pass（1998）提出四個認知負荷理論對認知架構基本假設，分述如下：

1. 工作記憶區的容量是有限的。

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互相參照才可理解，工作記憶區的資源（記憶容量及時間）將耗費更多，所產生的認知負荷勢必加重，造成學習的困難。 2. 長期記憶區的容量基本上是沒有限制的。在這裡知識是以基模（schema）的形式儲存的。擁有愈大的基模就相當擁有愈大的資料庫一般，在日後面對任何新的學習時，一個擁有愈大的基模的學習者可以迅速地在其中檢索，找出對應之道；相對一個擁有較少的基模的學習者就只能在工作記憶區中推理，認知的負荷自然加重，這就是專家和新手在學習時的差別。 3. 學習的過程需要工作記憶區主動積極從事理解（並且處理）教材訊息，把教材訊息轉換知識或技能以基模形式進行編碼存入長期記憶。作為日後面臨新的學習時的資料庫。 4. 如果處理的訊息超過工作記憶區的負荷，學習將是無效的。所以保持工作記憶區不會面臨資源耗盡的窘境，使得教學事倍功半，在多媒體教材的設計安排上更是要注意後續Sweller（2006）更針對工作記憶與長期記憶在自然的訊息處理系統（例如生物演化和人類認知中組織及管理外來的實體訊息）中所扮演的角色提出以下五個一般性原則，分述如下： 1. 訊息儲存原則自然的訊息處理系統為了要順利處理變化莫測的外界的訊息，必須將這些訊息視作是熟悉的、可預期的，如同一般人過馬路時，是直覺式的去應對所遇到的實際情形，所以需要一個龐大的訊息資料庫來作適當的反應。長期記憶在此所扮演的就是一個以基模為單位的儲存的龐大資料庫，在這裡儲存的訊息資料是無期限的。 2. 借用與重組原則如何快速建立訊息資料庫的方法是借用他人的長期記憶的知識(借用他人基模的訊息)，將此舊基模與新訊息的交互作用，與長期記憶中的現存知識組合，以建構出新的基模。該原則傾向將先備知識中不一致的訊息刪除而強調新訊息中與先備知識相同的部份，所以借來的訊息被重組過。 3. 隨機生成原則人類最初的知識來自何處？在一無所知的情形下，隨機產生與測試的策略是無法避免的。經過不斷的隨機測試後，將有效的保留，無效的放棄，在長期記憶中建立新的訊息資料。 4. 變異訊息的狹隘限制性原則對於外界環境的新訊息，工作記憶負責這些訊息的短暫儲存並作進一

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步的處理，但是要注意工作記憶區的容量與時間是有限。 5. 環境組織與連結原則工作記憶的訊息來源為感官系統從環境中接收到訊息（受容量與時間的限制），與從長期記憶中得到有組織的訊息（不受容量與時間的限制）。工作記憶提供先備知識與環境一個有組織的連結進而引導如何反應。長期記憶的訊息決定我們在特定環境中的活動。

2-2.2 認知負荷的來源

根據 Sweller, et al. (1998)的定義，「認知負荷」（ Cognitive Load）是將一特定工作加諸於學習者認知系統時所產生的負荷。也就是工作記憶的負荷（Working Memory Load）。他們進一步指出，認知負荷可視為一個多層次的構念，包括了「因果要素」（Causal Factors）與「評估要素」（Assessment Factors），如圖 2-5 所示。

圖 2- 5 認知負荷構念圖（ Paas & van Merriënboer, 1994）

其中因果要素是造成認知負荷的來源，包括了以下三個要素：

1. 任務／環境的特性（ Task／ Environment Characteristics）：例如任務結構、任務新鮮感（Task Novelty）、報酬系統與時間壓力、噪音、與溫度等。 2. 學習者的特性（ Subject Characteristics）：例如認知能力、認知型態（Cognitive Style）、先備知識與經驗等。本研究在這個部分要探討的因果要素任務／環境學習者特性任務／環境與學習者特性的交互作用

認知負荷

評估要素心智負荷心智努力自動處理控制處理學習成效

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是認知能力的特性，即不同學業成就的學生接受教學訊息的差異。 3. 任務／環境與學習者的交互作用（ Interactions）：例如透過績效、動機、激勵等因子影響認知負荷。評估要素是認知負荷導致的結果，可包含以下三個層面： 1. 心理負荷（ Mental Load）：由任務及環境的安排所造成的，如呈現的教材或教學的方式等外在因素。 2. 心智努力（ Mental Effort）：個體為了順應任務需求所付出的能力與資源。 3. 績效（ Performance）：結合上述三個因果要素呈現的反應。

2-2.3 認知負荷的種類

認知負荷的種類可分為三類，分述如下： 1. 內在認知負荷（intrinsic cognitive load）

來自於所要學習之訊息結構本身的特性造成的，因為教材本身的困難度很高，故不易由教學設計來改變。例如：對學習者來說，某教材中元件間（Elevments）關聯性較低時較容易瞭解，因為該元件可以獨立的被處理，而不需參照其他資訊來源；但教材中如果元件之間具有高度相互關聯的關係時，儘管元件的數量與前者相同或更少，亦可能較難瞭解，其原因在於學習者必須將較多的元件同時置入工作記憶區中來思考，如此將造成較高的認知負荷而阻礙學習。以學習數學為例，數線可以輕易地學習，較不會產生認知負荷。但坐標平面上以兩條數線為基準，定義出 x 軸和 y 軸來呈現坐標的位置，其中兩條數線具有高度的聯結，學習的困難度比單獨的數線高，所以認知負荷較重。

2. 外在認知負荷（extraneous cognitive load）

來自於知識呈現的方式，泛指因教材設計和內容編排方式、或教學活動的本身，造成學習者的負荷，此種負荷是額外增加的，因此可以藉由教學設計的改良而降低。例如，教材內容的整合與編排不良使得學習者需要花費額外的心力去尋找相關的參考資料或索引時，所造成的負荷。

3. 增生（有效）認知負荷（germane cognitive load）

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在認知負荷的一種，當教學設計或活動中，安排適當難度的挑戰，適時引起學習者的先備知識，如此更有利於接下來的教學活動安排。當以上三種認知負荷的總和超過了工作記憶區可以處理的最大極限時學習將會是無效的，因此在教學的設計中須要在每個過程中保持認知負荷不會超載。

2-2.4 認知負荷理論的教學應用

Sweller利用認知負荷依不同的適用情境及影響學習的認知負荷來源發展出的不同的教學效應，整理（吳慧敏，交大碩士在職專班演講內容，2008 年1月5日）如下表2-1。表 2- 1 認知負荷的教學效應教學效應認知負荷來源適用情境自由目標效應

the goal free effect 外在認知負荷

給予學習者特定目標的問題之學習狀況不如給予沒有特定或開放目標的問題之學習狀況。只適用於解決方式之數量是有限的領域，以及那些所求出的解決方式是和與基模建構有教育性相關的領域。工作範例效應

the worked example effect 外在認知負荷給予問題去解決的學生在後續的知識測驗上表現不如那些給予解題實例去研讀的學生。所以教學需要實例示範。適用於學生在該領域是新手時問題完成效應 the problem completion effect 外在認知負荷提供問題的部分解答，要求問題解決者去完成解題，結果顯示問題完成是比單純的問題解決來得好。適用在問題的解決有類比性，學生可以在建立的基模上加深加廣。分散注意力效應 the split attention effect 外在認知負荷多元的訊息必需以心智上才能理解的呈現方式，不如將多元的訊息以整合的型式呈現。適用於不同種類的訊息彼此互相指涉，而且這些訊息對於理解非常重要的情況下，才會發生效應。

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形式效應

the modality effect 外在認知負荷

將需要了解的不同來源之訊，以不同的形式呈現，可以減少外在認知負荷。雙感官的呈現模式優於單一感官訊息呈現。善用視覺和聽覺。適用於必須在多項訊息均對於理解非常重要。重覆（多餘）效應 the redundancy effect 外在認知負荷多種訊息在單獨存在時是可以理解，所附加的訊息並不增加教學訊息，那麼那些訊息都有重覆的，刪除重覆訊息的教學比有重覆訊息的效果還好。元素互動性效應 the element interactivity effect 內在認知負荷使用高元素互動的材料而出現的分散注意力和多餘效應，在使用低元素互動的材料時這些效應就消失了。前述認知負荷效應只有在高元素互動性的情況下才會產生；如果內在認知負荷很低，教學流程就不顯得重要。單獨互動元素效應 the isolated interaction elements effect 內在認知負荷如果把高元素互動性的教材先以沒有元素互動性的情形呈現，然後再呈現有互動的情形，結果會比呈現包含互動的完整訊息兩次，學習效果更好。即教材模組化。變化例子效應

the variable example effect 有效認知負荷在元素維持穩定但增加變異性的情況下，所要學的是固定的，可以學得更快。適用於學習相同的元素，但變化呈現不同的例子。所有的互動元素必須是在工作記憶的負荷內處理。專家反向效應 the expert reversal effect 外在認知負荷原來對生手是必要的訊息和程序對專業程度較高的學習者變成是多餘或造成反效果。教學流程需要隨著專業能力的增加而有所改變。

(32)

指引漸退效應 the guidance fading effect 外在認知負荷隨著專業知識的增加，學習者需要的引導愈來愈少。使用工作範例、問題完成與變化例子一系列的技巧比只用其中一項好想像效應 the imagination effect 有效認知負荷想像一個概念或是流程是比研讀來得好。適用於基模已經習得了，還需要一些練習與複誦，使得基模能夠自動化。本研究的教材中，在教材的呈現或教學的引導都將在附錄一的教材分析表中，去呈現教材製作和教學引導是利用上述何種教學效應。

2-3

多媒體學習認知理論

2-3.1 多媒體學習認知理論

Mayer（2001）與多位專家以 Paivio（1986）的雙碼理論（ Dual-Coding Theory）為基本，提出「多媒體學習認知理論」（ A Cognitve Theory of Multimedia Learnning）。 Mayer的「多媒體學習認知理論」建立在三種基本假設，分別說明如下：

1. 雙通道（ Dual channels）：

人類擁有兩個分開的通道來處理外來的視覺訊息（visual information）和語文訊息（auditory information）（ Paivio, 1986; Baddeley, 1992）。意即訊息的呈現可以文字或圖像的形式進入感官記憶中的聽覺或視覺通道。

2. 有限的容量（ Limited capacity）：

人類在每個獨立通道的一次訊息處理量是有限的（Baddeley, 1992; Chandler & Sweller, 1991）。即短期（工作）記憶區（working memory）的容量是有限的。而之前介紹的認知負荷理論就是探討這個問題。 3. 主動有效處理（Active processing）：一個主動有效處理訊息過程包含選擇相關訊息、組織已選擇的訊息為一致的內在表徵、及整合此一致的內在表徵和先備知識。意即一個有效的處理，主要為將接收的訊息整合之前的先備知識，形成一個新的知識回存到長期記憶區，以基模（Schema）的形式儲存，欲探討學生學習的成就，必先了解學生的認知過程，而利用多媒體教材

(33)

協助學習，更要去知道多媒體學習的認知理論，其模型如下圖2-6。圖 2- 6 多媒體學習的認知模型（ Mayer, 2001）訊息以多媒體的方式呈現可分為文字形式與圖像形式 z 文字形式的呈現：物件以語言形式，例如使用印刷文字或講述的內容。 z 圖像形式的呈現：物件以影像形式，例如使用靜態圖片，包括圖片、相片或者地圖，或者使用動態圖片，包括動畫或錄影。一個好的多媒體教材就是能協助學習者選擇（Selecting）、組織（Organizing）、整合（ Integrating）多媒體訊息，而多媒體教材的設計原則的需求就是建立在此。設計課堂上使用的多媒體教材輔助學生有意義的學習，我們需要先知道什麼？Mayer提出一些看法如下： 1. 多媒體訊息有以下三種觀點，分別為其傳遞的媒介方式，呈視的模式與知覺的模式。本研究著重在呈視與知覺的模式，簡述如下表2-2。表 2- 2 三種多媒體訊息的觀點三種多媒體訊息的觀點觀點定義例子多媒體的傳遞兩種或多種的傳遞設備設計電腦螢幕、擴音器或投影機、人的講述呈現的模式文字和圖像的表徵螢幕上的文字和動畫;印刷的文字和圖例知覺的模式聽覺和視覺的意義敘述和動畫; 演講和投影片

激發式動態呈現教學設計之研究-以二元一次方程式的圖形為例

國

立

交

通

大

學

理學院碩士在職專班網路學習組

碩

士

論

文

激發式動態呈現教學設計之研究

以二元一次方程式的圖形為例

研

究 生：洪榮忠

指導教授：陳明璋 博士

袁 媛 博士

激 發 式 動 態 呈 現 教 學 設 計 之 研 究

以 二 元 一 次 方 程 式 的 圖 形 為 例

研

究 生：洪榮忠 Student：Jung-Chung Hung

指 導 教 授 ： 陳 明 璋

Advisor：Ming-Jang Chen

袁 媛

Yuan Yuan

國

立 交 通 大 學

理 學 院 網 路 學 習 學 程

碩

士 論 文

激 發 式 動 態 呈 現 教 學 設 計 之 研 究

以 二 元 一 次 方 程 式 的 圖 形 為 例

學 生 ： 洪 榮 忠

指 導 教 授 ： 陳 明 璋

博士

袁 媛 博士

國 立 交 通 大 學 碩 士 在 職 專 班 網 路 學 習 組

摘要

A Study on Instructional Design by Trigger-based Animation

in the Graphs of Linear Equations in Two Variables

Student：Jung-Chung Hung Advisor：Dr. Ming-Jang Chen

Dr. Yuan Yuan

Degree Program of E-Learning

National Chiao Tung University

英文摘要

目次

表目錄

圖目錄

第一章 緒論

1-1

研究背景和動機

1-2

研究的目的

學 習 者 ／ 教 師 授 課 不 同 導 向 之 媒 體 教 材 特 質 比 較

1-3

研究的問題

1-4

研究的範圍與限制

1-5

論文架構

第二章 文獻探討

2-1

訊息處理論與知覺歷程

2-1.1 訊息處理論

2-1.2 知覺歷程

2-2

認知負荷理論

2-2.1 認知負荷理論對認知架構的基本假設

2-2.2 認知負荷的來源

認知負荷

2-2.3 認知負荷的種類

2-2.4 認知負荷理論的教學應用

2-3

多媒體學習認知理論

2-3.1 多媒體學習認知理論

究生：洪榮忠

指導教授：陳明璋博士

袁媛博士

激發式動態呈現教學設計之研究

以二元一次方程式的圖形為例

究生：洪榮忠 Student：Jung-Chung Hung

指導教授：陳明璋

袁媛

立交通大學

理學院網路學習學程

士論文

激發式動態呈現教學設計之研究

以二元一次方程式的圖形為例

學生：洪榮忠

指導教授：陳明璋

袁媛博士

國立交通大學碩士在職專班網路學習組

第一章緒論

學習者／教師授課不同導向之媒體教材特質比較

第二章文獻探討