發展以動畫為主的月相盈虧課程並探討學生的空間能力對學習成效與認知負荷的影響

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(1)國立臺灣師範大學科學教育研究所碩士班碩士論文. 指導教授：張俊彥. 博士. 發展以動畫為主的月相盈虧課程並探討學生的空間能力對學習成效與認知負荷的影響 The Development of an Animation-Based Curriculum of Moon Phases and Exploration of the Impact of Secondary Students' Spatial Ability on Learning Outcomes and Cognitive Load. 研究生：曾冠雲. 中華民國一○一年七月.

(2) 誌謝這份研究論文的完成，最重要的是感謝指導教授張俊彥老師的指導與協助，自大學時期進入研究團隊後便給予我許多的指導、研究方向的啟發以及提供豐富的研究資源，有幸進入張老師優秀的研究團隊中，我才能夠順利完成這份研究成果！也感謝口試委員吳穎沺老師與李旻憲老師，細心的看完論文後給予許多寶貴的建議與論文研究的討論，讓研究論文更加完整！感謝嘉修無條件的提供班級協助實驗研究，施測多虧有你的幫忙才能夠順利進行！感謝文鑫，研究生活互相幫助才能一起順利畢業！感謝張老師優秀的團隊成員與助理們，尤其是庭光、銘照與佑達學長，感謝你們在研究設計、統計分析上的幫助，還有給予我許多的研究論文寫作上的指導與建議，你們真的超棒的！感謝小希陪伴我度過生活的每一天，有你真好！未來的日子我們一起努力加油！感謝爸爸媽媽與姊姊的支持鼓勵，讓我無後顧之憂順利完成學業！感謝一起運動念書與玩樂的同學朋友們，讓我的研究生活更加豐富！謝謝大家！. ii.

(3) 摘要由於概念涉及的時間、空間、日月地的相對關係過於抽象而難以理解，月相盈虧成因是國中學生常感到困難的一個單元。本研究希望發展一套以月相盈虧成因概念為主題的動畫教材輔助國中學生學習。研究者將參考 Mayer（2003）與 Sweller（2008）的認知負荷理論，開發「月相盈虧成因的多媒體動畫教材」。本研究的主要目的有二：(1)探討增加動畫的呈現，是否比圖文教材更能幫助國中學生減少學習的認知負荷，有效提升月相盈虧成因概念學習成效；(2)探討空間能力、認知負荷、以及國中學生運用不同教材學習月相概念學習成效間的關聯。本研究以中區某公立國中九年級學生為研究對象，有效樣本共 98 位學生。學生接受空間能力測驗後，隨機分成動畫圖文組與圖文組，使用多媒體月相盈虧概念教材進行學習。課程結束之後接受月相盈虧成因學習成效測驗、認知負荷量表。資料分析方法使用獨立樣本平均數考驗（t-test, independent samples）與變異數分析法（ANOVA）。研究結果如下：（1）動畫圖文組與圖文組在學習成效表現上無顯著差異；（2）認知負荷與學習成效呈現負相關（r=-.298, p<.01），空間能力與學習成效正相關（r=.471, p<.01）；（3）高空間能力的學習者無論使用動畫圖文教材或圖文教材，學習成效皆顯著優於低空間能力的學習者（F(3,50)=10.458, p=.000, f=0.616）；（4）高空間能力的學習者無論使用動畫圖文教材或圖文教材，與低空間能力的學習者的認知負荷沒有顯著差異（F(3,50)=2.56, p=.065, f=0.361）；（5）高空間能力學習者的教材效果顯著優於低空間能力的學習者（F(3,50)=9.985, p=.000, f=0.606）。. 關鍵字：多媒體學習、動畫、認知負荷、空間能力. iii.

(4) Abstract The causes of moon phases is a difficult unit for secondary students to understanding, so this study hopes to develop a multimedia animation instrument to assist student’s learning. To do so, we used to Mayer’s(2003) cognitive theory of multimedia learning(CTML) and Sweller’s(2008) cognitive load theory(CLT) and instructional designs to develop the multimedia animation instrument. Ninety-eight students took the spatial ability test, and then were randomly divided into animation graphic group(AGG) and static graphic group(SGG). After multimedia learning, students completed the self-reported scale of cognitive load and multiple choices learning outcomes test. It was found that the learning outcomes showed no significant difference between AGG and SGG. Learning outcomes had a negative correlation(r=-.298, p<.01) with cognitive load. Spatial ability was positively related to learning outcomes(r=.471, p<.01). High spatial ability students’ learning outcomes were significantly better than low spatial ability students(F(3,50)=10.458, p=.000, f=0.616). High spatial ability students reported lower cognitive load than low spatial ability students (F(3,50)=2.56, p=.065, f=0.361).. Keyword: multimedia learning, animation, cognitive load, spatial ability. iv.

(5) 目錄第一章緒論.................................................................................................................. 1 第一節研究動機與背景 ..................................................................................................... 1 第二節研究目的 ................................................................................................................. 4 第三節研究問題 ................................................................................................................. 5 第四節名詞解釋 ................................................................................................................. 5. 第二章文獻探討.......................................................................................................... 7 第一節多媒體學習與教學 ................................................................................................. 7 第二節認知負荷理論 ....................................................................................................... 16 第三節動畫 ....................................................................................................................... 24 第四節空間能力 ............................................................................................................... 33. 第三章研究方法........................................................................................................ 37 第一節研究對象 ............................................................................................................... 37 第二節研究設計與流程 ................................................................................................... 38 第三節研究工具 ............................................................................................................... 41 第四節資料處理與分析 ................................................................................................... 48. 第四章研究結果與討論............................................................................................ 52 第一節學生使用動畫圖文／圖文教材學習後，在學習成效上無顯著差異 ............... 53 第二節空間能力與認知負荷會影響學生月相盈虧概念的學習成效 ........................... 54 第三節高空間能力學習者的學習成效顯著優於低空間能力學習者 ........................... 55 第四節高空間能力學習者的認知負荷低於低空間能力學習者 ................................... 57 第五節高空間能力學習者的教材效果顯著優於低空間能力學習者 ........................... 59. 第五章結論與建議.................................................................................................... 61 第一節研究結論 ............................................................................................................... 61 第二節研究範圍與限制 ................................................................................................... 69 第三節建議與未來研究方向 ........................................................................................... 70. v.

(6) 第六章參考文獻........................................................................................................ 71 附錄.............................................................................................................................. 79 附錄一月相盈虧成因動畫圖片教材截圖 ..................................................................... 79 附錄二月相盈虧成因學習成效測驗 ............................................................................... 88 附錄三認知負荷量表 ....................................................................................................... 94. vi.

(7) 表目錄表 2.1.1 三個有關多媒體學習認知理論的假設（Mayer & Moreno, 2003） ................................................................................................................ 9 表 2.3.1 動、靜態多媒體視覺介面對學習成效相關研究 ....................... 26 表 3.1.1 實驗分組人數與有效樣本數 ...................................................... 37 表 3.3.1 九年一貫課程綱要（2008）「自然與生活科技」學習領域能力分段能力指標...................................................................................... 41 表 3.3.2 九年一貫課程綱要（2008）「自然與生活科技」學習領域教材內容要項與細目.................................................................................. 42 表 3.3.3 設計軟體與工作內容 .................................................................. 43 表 3.3.4 參考使用 Mayer 的多媒體教材設計原則項目 .......................... 44 表 3.3.5 參考使用 Sweller 的認知負荷理論教學效應項目..................... 45 表 3.4.1 空間能力分組人數表 .................................................................. 51 表 3.4.1 動畫圖文組與圖文組學生先備知識的平均數分析 .................. 51 表 4.1.1 動畫圖文組與圖文組學生在「月相盈虧成因學習成效測驗」表現的差異分析...................................................................................... 53 表 4.2.1 「空間能力測驗」、「認知負荷量表」與「月相盈虧成因學習成效測驗」相關統計分析...................................................................... 54 表 4.3.1 學習成效變異數分析摘要表 ...................................................... 56 表 4.4.1 認知負荷變異數分析摘要表 ...................................................... 58 表 4.5.1 教材效果的變異數分析摘要表 .................................................. 59. vii.

(8) 圖目錄圖 2.1.1 多媒體學習認知理論模型 Mayer（2001） ............................... 11 圖 3.2.1 研究流程圖 ................................................................................... 39 圖 5.1.1 各組學生使用多媒題教材之教材效果示意圖 ........................... 66. viii.

(9) 第一章緒論第一節研究動機與背景月相盈虧的週期變化是日常生活中常可觀察到的天文現象，也是國中學生學習日地月系統的重要概念之一。在國內九年一貫課程綱要中的分段能力指標中也提出月相相關學習概念：2-2-4-2 觀察月亮東昇西落的情形，以及長期持續觀察月相，發現月相盈虧，具有週期性。2-4-3-1 由日、月、地模型瞭解晝夜、四季、日食、月食及潮汐現象（教育部，2008）。但地球科學學習的迷思概念相關研究發現，當學生在學習如日地月之間的相互運動、月相成因、日月食成因等內容時，常出現許多迷思概念，或者是月相的另有概念（王美芬，1992；邱美虹、陳英嫻，1995；毛松霖，1995；賴瑞芳，2001；蔡名杉，2004；呂惠虹，2005）。美國國家科學教育標準（National Science Education Standards, 1996）從研究發現 5-8 年級的學生即使能夠知道日地月系統模型的運行狀況，也無法正確的解釋月相盈虧成因，顯示月相盈虧成因是難以習得的科學概念。由此可見學習日、地、月之間的相對運動並了解月球盈虧與日月食成因等概念是相當重要的，如何幫助學生理解這些概念是科學學習研究者很感興趣的問題。月相盈虧成因等天文概念在學習上產生困難的原因有很多，歸納過去的文獻主要可以區分為三種：一、月相盈虧成因受時間、空間關係、天體相對運動影響，概念抽象且與學生空間能力密切相關，學生不容易想像，對認知負荷造成負擔而影響學習。二、日地月運動為大尺度的天體模型，受限於時間與空間的尺度規模影響，不利學生進行觀測。三、實體模型受限於教學觀測環境的營造以及教材資源的限制，在教學上有其困難。在學習月相盈虧成因概念時，此概念牽涉到日、地、月三者間的相對運動，由於太陽、地球與月球是三維空間分布狀態的立體模型，因此學生對空間概念的感知能力便與學習成就有密切相關，邱美虹、陳英嫻（1995）研究發現空間能力是影響學生學習月相概念的重要因素之一。Blake（2005）的研究也提出地球科 1.

(10) 學中許多的概念（包含月相與潮汐、日地月系統運動）都與空間能力有高度的相關性。李榮彬（1994）認為，雖然天文相關內容生動有趣，足以學童引發學習動機；但是由於天文單元所涉及的時間、空間、物體的相對關係過於抽象而難以理解，再加上學校的設備不足，屢屢成為學生學習成效不彰的主因。而在進行地球科學課程教學時，教師很難完全進行實驗室內的教學，而必須常以周遭生活實例作為教材，甚至必須走出戶外作實地的考察，但這卻也是傳統課程之固定時間地點的教學方式所難以達成之處（張俊彥、董家莒，2000）。但是進行實際觀察教學也有其困難之處，固定的上課時間無法配合每天不同時間出沒的月相進行教學，且白天的課程時間也不易觀察月相的變化；課程綱要中指出要長期觀察月亮，瞭解月亮東昇西落現象及盈虧的週期性，但學生常常因為缺乏耐性或是其它因素，不容易完成長期的觀測活動，建立完整的觀察紀錄。因此許多研究提出使用模型教學的可行性（王美芬，1992；陳英嫻，1995），但是利用課堂模擬夜間的環境觀測模型，教室環境的佈置上不容易達成；要讓學生都有機會操作體驗模型又會受限於教具資源不足，而在有限的課堂時間中進行分組教學、個別講解又不符合經濟效益。目前臺灣學生的教室學習歷程中，紙本教科書仍然是主要的教材。這些紙本的教科書內容多以文字及靜態圖片為主，除了容易流於閱讀上單調乏味外，也不易完整解釋某些抽象概念。近年來，越來越多能夠增進學生理解複雜的過程或是會隨著時間與空間尺度改變之抽象概念的動畫應用於教育上（Ploetzner & Lowe,2012）。研究者認為利用多媒體動畫來輔助教學恰好很適合應用於月相單元的教學。由於網際網路的普及化，以多媒體為主所呈現的電腦輔助教學，大大顛覆了傳統的教學方式，增加了許多不同的教材呈現方式。多媒體的學習環境也被廣泛認為可以有效改善學習者的學習成效（Mayer, 1999; Sweller, 1999）。在教學過程中利用電腦多媒體動畫輔助來呈現一些大尺度，或微小尺度的學說或模型，正是電腦輔助教學的重要應用之一。利用電腦動畫模擬日、地、月的系統模. 2.

(11) 型可以提供教室與日常生活不易營造的學習情境，幫助學生學習月相概念。透過動畫直接呈現一個現成的模型，可以幫助學生輕鬆的轉換成動態的心智模型（Hoffler & Leutner,2011）。藉由電腦的輔助，文字、圖形、影像、動畫、視訊、音樂、聲音等多元的認知刺激得以同時衝擊學習者的心智，呈現出不同於以往紙本化教科書的教材，而產生醒目的效果並達到持續吸引學習者的興趣及注意力（Burger, 1993； Griggs, 1988），還能夠增進學生的學習動機，導致更好的學習成效（Lepper & Malone, 1987）。 Mayer（2001）認為使用多媒體學習（文字與圖片）的效果比單獨使用文字學習的效果要好。因為當文字及圖片一起呈現的時候，學生有機會去建構語文及圖形的心智模型及整合語文與圖形模型之間的關聯。而圖片的呈現方式又可以分成動態的動畫或是靜態的圖片，至於何種類型的呈現方式對學習者較有幫助至今仍沒有定論。有的研究結果顯示使用動畫學習較有優勢（Catrambone & Seay, 2002; Spotts & Dwyer, 1996; Yang, Andre, & Greenbowe, 2003）也有研究結果顯示沒有優勢（Lewalter,2003; Mayer, Hegarty, Mayer, & Campbell, 2005; Swezey, 1991）。有研究認為動畫可以幫助學習者在心智上呈現視覺化的過程，和一系列的靜態圖片相比可以減少認知負荷（Ploetzner & Lowe, 2012）；有的研究則認為圖片可以使用關鍵性的畫面描述過程中非常特殊或重要的程序，提升學習效果。回顧文獻的結果發現，許多的動畫跟靜態圖片相比之下並沒有學習上的優勢（Betrancourt & Tversky, 2000; Tversky et al., 2002），但如果是有的話，不能僅單純比較動畫跟圖片的學習環境，還要注意到許多其他的因素會影響多媒體的學習成效。學習者的個別差異就會影響多媒體的學習。在特定學習領域透過動畫或圖片學習知識與技能時，空間能力（spatial ability）有很重要的影響（Blake, 1977; Hays, 1996; Large, Beheshti, Breuleux, & Renaud, 1996; Yang, Andre, & Greenbowe, 2003）。多媒體學習與空間能力的相關研究指出，空間能力在多媒. 3.

(12) 體的學習中產生能力補償效應（Ability-as-compensator Effect），對低空間能力的學習者而言，動畫可以支持他們學習，因為動畫提供一個過程或程序的動態化呈現方式，幫助學習者快速建立心智模型（Mayer, 2001 ; Mayer & Sims, 1994），因此動畫對學習者發揮了認知輔助（cognitive prosthetic）的效果（Hegarty & Kriz, 2008）。除此之外教材的設計也會導致多媒體教學的效應影響學生的認知負荷與學習成效，透過多媒體設計原則去設計多媒體教材可以降低學習者的認知負荷，提升學習成效（Mayer,2001）；而教學領域的不同在比較動畫與圖片的學習成效差異時也會有不同的結果。由於月相盈虧概念過於抽象且與學生的空間能力關係密切，學生在學習上易產生困難與迷思概念，且實際觀察較學實施亦有其困難處，因此利用電腦多媒體動畫呈現月相盈虧成因的教材，幫助學生建立正確的日地月系統心智模型，應該能夠降低學生認知負荷，提升學習成效。因此本研究將參考Mayer（2001,2003）提出的九種減少認知負荷的多媒體設計原則與Sweller（2008）提出的九種認知負荷理論在學習上產生的效應，開發設計以月相盈虧成因概念為主題的動畫課程，除了呈現原本紙本教科書中的圖文內容外，增加動畫的呈現方式來幫助學生學習，希望國中學生能夠透過學習動畫來幫助理解日地月系統相關概念，減少認知負荷，增進月相盈虧成因概念的學習成效，並嘗試探討空間能力對國中學生使用多媒體教材的學習成效與認知負荷的影響。. 第二節研究目的綜合前面所述，月相盈虧成因是國中學生常感到困難的一個單元，而動畫輔助學習很可能可以有效提升學生學習相關概念。因此，在本研究中，研究者發展以月相盈虧成因概念為主題的動畫教材並依據 Mayer（2001,2003）與 Sweller （2008）的認知負荷理論發展「月相盈虧成因的動畫教材」，期能有效降低學習者的認知負荷，提升學習成效。 4.

(13) 本研究之主要目的如下：一、發展月相盈虧成因概念的電腦多媒體動畫教材。二、評估動畫圖文／圖文教材對國中學生學習月相盈虧概念之影響。三、探討空間能力、認知負荷、以及國中學生運用不同教材學習月相概念學習成效間的關聯。. 第三節研究問題一、學生使用動畫圖文／圖文教材學習後，在學習成效上是否有顯著差異？二、空間能力與認知負荷是否會對學生的學習成效產生影響？三、不同空間能力程度的學生使用動畫圖文／圖文教材學習後，在學習成效上是否有顯著差異？四、不同空間能力程度的學生使用動畫圖文／圖文教材學習後，在認知負荷上是否有顯著差異？五、不同空間能力程度的學生使用動畫圖文／圖文教材學習的效果是否有顯著差異？. 第四節名詞解釋一、月相盈虧成因概念在我國 100 學年度實施的九年一貫課程綱要能力指標細項中提到的認識月亮與地、日、月系統相關概念，本研究設計的月相盈虧成因課程內容包括：日地月之間的相對運動、月亮的盈虧現象、月相與農曆之關係、月相與時間。. 二、多媒體學習教材研究者自行設計開發的多媒體教材，主題為月相盈虧成因概念，並參考多 5.

(14) 媒體教學理論與認知負荷理論設計動畫和圖片的介面與內容，教材長度約為 25 分鐘。分成動畫圖文版本與圖文版本進行實驗研究。. 三、認知負荷 Sweller（1994）定義認知負荷是學習者在執行一項任務時，加諸於學習者認知系統上的負荷，如果教材或學習步驟遠超過學習者的工作記憶容量，將有損學習者的理解、學習和問題解決能力。本研究的認知負荷程度是根據研究工具「認知負荷量表」所測得的學生自評分數，來表示學生的認知負荷程度。. 四、空間能力綜合各研究對空間能力的定義，空間能力是指將物體以圖像的形式經過感知、記憶、邏輯思考等方式在腦海中思考、旋轉、翻轉、位移、操作並加以應用的能力。本研究所使用的空間能力量表是引用梁勇能（2001）針對國中學生能力設計之評量，分成空間視覺試題與空間方位試題兩部分，以學生作答的成績表示學生的空間能力程度。. 五、學習成效是指學習者經由動畫學習後所得到的效果。本研究所稱學習成效是根據受試者「月相盈虧成因學習成效測驗」的作答結果，來檢視學習者在本單元學習的效果。. 6.

(15) 第二章文獻探討本章將探討針對多媒體學習與教學、認知負荷理論做介紹與探討，再針對動畫、空間能力在多媒體學習上的應用作探討與整理相關研究。. 第一節多媒體學習與教學一、多媒體的定義針對「多媒體」這個名詞，過去許多研究者有不同的定義： Schwartz & Beichner（1999）認為多媒體是使用多種形式的媒體做為呈現的方式。Brooks（1997）認為多媒體結合數種媒體，例如電影、幻燈片、音樂和燈光，目的是用於娛樂或是教育上。Greenlaw & Hepp（1999）認為將資訊以圖表、聲音、影片、或是電影的形式呈現，多媒體文件包含了純粹的文字與多媒體的元素。簡單來說，多媒體就是以各種不同的形式呈現不同類型的資訊，各研究者在各領域對這些呈現形式與資訊的類型有不同的解釋與定義。本研究探討的是在多媒體應用在教學與學習上的定義。 Mayer（2001）定義多媒體包含了兩種形式：文字（words）形式與圖片（pictures）形式。文字的形式可以是書寫的視覺文字或是口語表達的文字；圖片則是圖像形式，包含靜態圖（例如插圖、座標圖、圖解、照片、地圖…等等）與動態圖（動畫、影片）兩種形式。Mayer 認為「多媒體學習」便是從這些文字與圖片中學習；「多媒體教學」則是在教學過程中呈現這些文字與圖片等不同形試的資訊促進學習的效果。. 過去的研究中有三種不同的觀點判斷是否為多媒體： 1.媒體傳遞觀點（The Delivery Media View）此觀點是以能夠傳遞訊息的媒體數量來做判斷的依據，認為只要是以二種 7.

(16) 以上的媒體來傳遞訊息時便可以稱為多媒體，例如電腦是以螢幕及喇叭兩種媒體設備來傳遞訊息，電腦便可以稱為多媒體；而書本中的訊息僅能藉由單一種媒體（即書本）傳遞，故不能稱為多媒體。 2.呈現模式觀點（The Presentation Mode View）此觀點是以媒體呈現模式的數量來做判斷，認為用二種以上呈現模式來呈現訊息時便可稱為多媒體，例如可以呈現螢幕文字、敘述、靜態圖片、動態圖片的電腦多媒體；演講的聲音語文及投影幕上圖像畫面的簡報多媒體；書上的純文字及靜態圖像的書本，皆屬於多媒體。 3.感官模式觀點（The Sensory Modalities View）此觀點認為需要以二種以上感官接受器來接收進入的訊息時可稱之為多媒體，例如以動畫被視覺感官接受器接收、聲音敘述被聽覺感官接受器接收的電腦多媒體，演講者聲音被聽覺感官接受器接收、投影機投射出的畫面訊息被視覺感官接受器接收的演講多媒體。在這些多媒體的觀點中，Mayer（2001）反對媒體傳遞觀點，他認為此種觀點的判斷著重於科技的形式種類而非學習者本身。而感官模式觀點的判斷著重於聽覺與視覺兩種處理系統不同的區別，符合其多媒體學習認知理論中雙重管道的假設（dual-channel assumption）。. 二、多媒體學習的認知理論（Cognitive Theory of Multimedia） Mayer 整理關於人類認知科學的相關研究結果，根據關於人類心智運作的三個假設：雙重管道假設（dual channel assumption）、有限的能力假設（limited capacity assumption）及主動處理假設（active processing assumption），提出多媒體學習的認知理論，來說明人類進行多媒體學習時認知系統如何分配與處理接收到的多媒體訊息。. 8.

(17) 表 2.1.1 三個有關多媒體學習認知理論的假設（Mayer & Moreno, 2003）假設. 定義. 相關文獻. 人類擁有獨立的聽覺訊息及視覺. Paivio, 1986; Baddeley, 1998. 雙重管道訊息處理管道。 Baddeley, 1998;. 人類的每一個管道一次能處理的有限的能力. Chandler & Sweller, 1991. 訊息數量是有限的。 Sweller, 1999. 學習需要在聽覺與視覺管道中進. Wittrock, 1989. 行大量的認知處理. Mayer, 1999, 2002. 主動處理. 多媒體學習認知理論的三個假設： 1.雙重管道假設（dual channel assumption）人類的資訊處理系統是由兩個獨立的管道組成，一個是聽覺／語文（auditory／verbal）管道，負責聽覺輸入與語文呈現方式的處理；另一個管道是視覺／圖像（visual／pictorial）管道，負責視覺輸入與圖形呈現方式的處理。此假設是根據 Paivio（1986）的雙碼理論（dual-coding theory）與 Baddeley （1998）的工作記憶理論衍生而來。Mayer（2001）以二種方式來概念化二個管道間的差異，感官形式觀點著重於學習者在一開始接觸的素材時是經由眼睛還是耳朵接收，一管道負責處理以聽覺表現的素材、另一管道負責處理以視覺表現的素材，呈現模式觀點則著重於呈現方式是以語文（如視覺書寫文字或口語表達文字）或是非語文（如靜態圖片、影片、動畫或背景聲音），一個管道處理語文素材，另一管道處理圖像及非語文素材。 9.

(18) 2.有限的能力假設（limited capacity assumption）人類資訊處理系統的每個管道，一次能夠處理的訊息量是有限的。當呈現圖像時，學習者一次只能注意、並掌握少部分的影像，並將其保存在工作記憶中，人類只能保留住部分呈現的素材而非完整的保留全部；當一段敘述或聲音呈現時，學習者一次只能注意、並保存部分文字在工作記憶中，而非逐字的記錄。此假設包含了 Chandler and Sweller （1991;Sweller, 1999）的認知負荷理論與 Baddeley（1998）的工作記憶理論。. 3.主動處理假設（active processing assumption） Mayer（1999,2002）提出的主動學習的選擇-組織-整合理論，認為人類在多媒體學習過程中主動進行認知處理時，會分別接收到的文字和圖片訊息，然後針對接收到的資訊進行組織，最後是將所有訊息和原本知識整合在一起。因此人類在主動學習的過程中需要使用大量的認知處理在聽覺與視覺的管道中運作。. 多媒體學習認知理論模型：圖 2.1.1 為多媒體學習認知理論的模型，由上而下分成兩行，上面為聽覺／語文（auditory/verbal）管道，負責聽覺輸入與語文模型呈現方式的處理；下面是視覺／圖像（visual/pictorial）管道，負責視覺輸入與圖形模型呈現方式的處理。. 10.

(19) 多媒體. 感官. 呈現方式. 記憶. 文字. 耳朵. 工作記憶選擇文字. 組織聲音. 選擇圖片. 眼睛. 影像. 長期記憶. 文字. 語文模型. 合. 組織影像. 影像. 整先備知識. 圖形模型. 圖 2.1.1 多媒體學習認知理論模型 Mayer（2001）. 由左而右分成五欄，分別為多媒體呈現方式（文字形式或圖片形式）、感官接收方式（由耳朵或眼睛接收）、淺層工作記憶呈現的資訊（學習者注意到的聲音形式表徵或影像形式表徵）、深層工作記憶呈現的資訊（由學習者建構的語文模型或圖形模型）與長期記憶中的先備知識，三個框框分別表示記憶儲存的類型，包含感官記憶（sensory）、工作記憶（working memory）與長期記憶（long-term memory）三個部分。箭頭連結表示認知處理的方向，由文字到耳朵表示語言表達的文字由耳朵接收；由文字到眼睛表示書寫文字由眼睛接收；由圖片到眼睛表示圖片由眼睛接收。多媒體學習認知理論的核心在工作記憶中處理，人類將多媒體呈現的內容暫時保存在感官記憶中，然後經由人類主動的認知處理，選擇文字或影像進入工作記憶中，而在工作記憶中形成聲音或影像的表徵形式。並經由工作記憶建構組織而成為語文的心智模型或是圖形的心智模型。而聲音跟影像間的箭頭代表聲音跟影像可以互相轉換，例如當你聽到狗這個字的時候，在腦海中出現的可能是狗的影像，或者是當你看到狗的影像時，在海中可能出現狗這個字的聲音。長期記憶中儲存了很多的知識，當學習者組織完接收到的訊息成為語文模型或圖形模型後，工作記憶會提取長期記憶中相關的先備知識，將語文模型、圖像模型和先備知識整合。. 11.

(20) 多媒體認知理論的多媒體訊息處理方式根據 Mayer（2001）定義的多媒體教學是呈現文字（包含書寫的視覺文字與口語表達的文字）或圖片（包含靜態圖與動態圖）來進行教學。現將根據多媒體認知理論模型描述當學習者使用多媒體教材進行學習時的訊息處理方式，整理如下：當媒體是以圖片（包含靜態圖與動態圖）方式呈現，以眼睛接收到圖片訊息並暫時儲存於感官記憶中，經由注意力選擇部分適當的影像進入工作記憶，並以影像的形式表徵呈現於工作記憶中，組織影像表徵形成心智中的圖像模型，最後和先備知識整合。當媒體是以口語表達文字方式呈現，以耳朵接收到文字訊息並暫時儲存於感官記憶中，經由注意力選擇部分適當的口語表達文字進入工作記憶，並以聲音的形式表徵呈現於工作記憶中，組織聲音表徵形成心智中的語文模型，最後和先備知識整合。當媒體是以書寫的視覺文字方式呈現，以眼睛接收到文字訊息並暫時儲存於感官記憶中，經由注意力選擇部分適當的書寫的視覺文字進入工作記憶，將書寫文字的影像表徵轉換成聲音表徵呈現於工作記憶中，組織聲音表徵形成心智中的語文模型，最後和先備知識整合。. 12.

(21) 三、多媒體教材設計原則 Mayer（2001）提出的 9 個多媒體教材設計原則，分別列出說明敘述如下： 1.多媒體原則（Multimedia Principle）使用多媒體學習（文字及圖片）的效果比單獨使用文字學習的效果要好。因為當文字及圖片一起呈現的時候，學生有機會去建構語文及圖形的心智模型及整合語文與圖形模型之間的關聯。. 2.空間接近原則（Spatial Contiguity Principle）當相對應的文字及圖片彼此位置較接近時，學習者則不需耗費工作記憶進行圖文間的搜尋比對。. 3.時間接近原則（Temporal Contiguity Principle）整合性的呈現文字及相對應圖片對學習者的學習成效優於分離性的文字及相對應圖片呈現。如果文字與相對應的圖片一前一後的出現，學習者必須將先出現的訊息保存在記憶中，待後面的訊息出現後才能建立相關連結，不利於學習。. 4.連貫原則（Coherence Principle）跟教材內容無關的媒體材料或訊息可能會造成：（1）在工作記憶中消耗認知資源、（2）分散學習者注意力、（3）分裂組織中的資料或訊息處理、（4）可能使學習者將注意圍繞在不適當的主題組織資料或訊息。研究發現當有趣但不相關的文字及圖片被加入多媒體中呈現時，學生的學習成效降低；當有趣但不相關的聲音或音樂被加入多媒體呈現時，學生的學習成效降低；當不需要的文字從多媒體呈現中被刪除時，學生的學習成效增加。. 13.

(22) 5.形式原則（Modality Principle）研究發現動畫搭配口語表達文字的學習效果優於動畫搭配書寫的視覺文字。因為視覺文字、圖片、動畫皆利用到視覺／圖像管道，兩者在此管道中彼此競爭認知資源，但當文字以口語表達文字呈現時，口語表達文字使用到聽覺／語文管道，而圖片、動畫則使用到視覺／圖像管道，當兩種管道皆使用到時，可以避免單一管道超過負荷。. 6.多餘原則（Redundancy Principle）學生在動畫搭配口語表達文字的多媒體呈現得到的學習結果比在動畫同時搭配口語表達文字及視覺文字的多媒體呈現得到的學習結果佳。根據雙通道假設，口語表達文字及視覺文字的接收感官雖有不同，但在工作記憶中是屬於相同的訊息，因此應移除掉多餘的視覺文字，減少其佔用視覺／圖像管道的認知資源。但在第二語言學習的多媒體環境中，提供學生視覺文字的功能則可幫助其學習第二語言。. 7.個別差異原則（Individual Differences Principle）個別差異原則指的是設計產生的效應，對低知識的學習者而言優於高知識學習者；對高空間能力學習者而言優於低空間能力學習者。因為高知識學習者可以利用先備知識來補償多媒體教材中缺乏的引導，然而低知識的學習者較不能夠在缺乏引導時學習，因此低知識學習者較需要有良好教材。而高空間能力學習者擁有較好的心智整合視覺及語文表徵的能力，低空間學習者則否，認知能力多用於在記憶中保留影像，導致缺乏能力用於心智組織與整合。針對個別差異的不同，Mayer（2001）整理了三種解決方法：（1）個別化（individualization）：對應學習者的知識程度設計不同的教材。. 14.

(23) （2）多種方法（multiple methods）：將多種不同的方法融合於多媒體中呈現。（3）預先訓練法（pre-training）：增加學習者的先備知識或技能。. 8.分割原則（Segmentation Principle）將一整套多媒體教材分割成數個學習章節或段落，學習者能夠從每一個片段中選擇文字及影像，並且有足夠的時間及能力去組織及整合被選擇的文字及影像後再進入下一片段。. 9.標記原則（Signaling Principle）學生學習多媒體教材時，在教材中提供線索協助學生了解教材的重點，學生能夠明白哪些內容才是應該選擇與組織的。例如關鍵字加強重音或標示、使用紅色或藍色的箭頭輔助標示、利用標題或大綱幫助學生組織文字重點、利用地圖顯示課程已呈現的部分幫助學生組織影像。. 15.

(24) 第二節認知負荷理論. 本研究為探討動畫課程對國中學生在學習月相盈虧成因概念之學習成效與認知負荷的影響，因此在設計教材之前應降低教材的負荷量，以助於學習者學習。本節將探討認知負荷理論的定義、假定與認知負荷來源，探討電腦多媒體的教學效應，在理論基礎之下再進一步探討教育科技設計的原則，以利研究者在設計電腦多媒體教學時更能達到教學目標。. 一、認知負荷的定義 Jex（1988）認為認知負荷是學習者面對學習內容時，置身於學習環境中，欲表現出符合任務的適當行為行為時，所意識到「任務要求」與「自身認知能力」之間，心智負荷差異的評估。 Paas（1992）認為認知負荷是一個多向度的概念，包含了學習者本身的特性，例如：認知能力與先備經驗等，以及學習環境，例如：學習內容、資訊展現方式、教材編排方式、學習程序與時間壓力等。 Sweller（1994）定義認知負荷是學習者在執行一項任務時，加諸於學習者認知系統上的負荷，如果教材或學習步驟遠超過學習者的工作記憶容量，將有損學習者的理解、學習和問題解決能力。宋曜廷（2000）則定義認知負荷是個體執行某種作業的過程中，因作業特性所需的認知能量或認知資源而造成認知系統（尤其是工作記憶）的負載狀態。黃柏勳（2003）認為認知負荷是個體在工作情境（學習情境）下處理訊息時，所感受到心智負荷與心智努力的負荷總量。倘若此負荷總量超出個體所能接收的範圍，將導致個體的認知系統無法負載，進而在心理或生理引起焦慮、壓力與苦惱等負面知感，並影響工作（學習）的表現。陳密桃（2003）指出「認知負荷」是個體在執行某種工作或任務的過程中， 16.

(25) 個體所感受到心智負荷與心智努力的負載狀態。以訊息處理理論而言，「認知負荷」是指工作記憶的負荷。許多研究者對於認知負荷的定義雖然不同，但內容上是很接近的，本研究定義認知負荷以 Sweller 的觀點，認知負荷是學習者在學習的過程中，加諸於學習者認知系統上的負荷。. 二、認知負荷理論的基本假定認知負荷理論是立基於記憶、基模發展以及自動化訊息處理等概念，有一些基本假定要點（宋曜廷，2000；Sweller, Van Merrienboer& Paas, 1998）：（一）工作記憶容量是有限的人類的工作記憶容量是有限的，一般而言只能儲存 7±2 個字元，且儲存時間短暫，當個體接收新訊息時，如果需要一次處理多個訊息時，容易造成認知負荷過重。若是待處理的訊息和教材內的元素互動性高，必須要相互參照後才能理解，也會產生更大的認知負荷，造成學習上的困難。. （二）長期記憶容量基本上是無限的人類的長期記憶沒有容量上的限制，能夠長時間保存記憶而不遺忘，但是儲存的內容會使得專家與生手在面對問題時有很大的差異。專家的長期記憶儲存較多問題狀態的知識及對應的解決方法，在面對問題情境時能快速的提取解決問題所需的知識並加以運用，然而生手學習者只能在長期記憶中逐步搜尋可用的知識，耗費大量的工作記憶容量進行推理和尋求問題的解決方法，容易造成過度的認知負荷。. （三）知識是以基模的形式儲存於長期記憶之中基模建構的過程將佔用工作記憶容量的訊息融合成一個複雜的基模，而形. 17.

(26) 成一個處理單位使得人類可以發展複雜的工作技能，並在長期記憶中發揮組織與儲存的功用，降低工作記憶的負荷。. （四）自動化是基模結構中重要的程序人類在面對訊息時有兩種處理模式，分別是意識處理與自動化處理。意識處理發生在短期記憶中，會佔用較多的工作記憶容量；自動化處理則較少受意識監控，佔用極少的工作記憶容量，許多的知識技能初期都是透過意識處理，經由不斷的練習後才轉換成自動化處理。. 總合以上關於認知負荷的基本假定，對人類的認知學習而言，工作記憶容量是有限的，長期記憶的容量是無限的，在面對任務時須使用工作記憶從長期記憶中提取相關既有的知識基模，進行組織與整合的工作，並隨著經驗的累積變成自動化的處理。當無法有效率的從長期記憶中提取所需相關知識基模時，可能會因此使用過多的工作記憶而產生不同類型的認知負荷。. 18.

(27) 三、認知負荷的類型依據認知負荷理論，在學習歷程中認知負荷可分成三種類型（Cooper, 1998; Sweller, 1994, 2005; Sweller, Merrienboer, & Paas, 1998）：. 1.內在認知負荷（Intrinsic cognitive load）：內在認知負荷與學習教材本身元素的交互性有關，當教材元素的交互作用很高時，就表示教材性質比較複雜，教材內容的難易度較高，因此內在認知負荷較重。除此之外，學習者本身的程度與先備經驗也與內在認知負荷有關，隨著先備知識與經驗的增長（基模的建構與自動化處理），學習者感受到的教材難易度也會不同。內在負荷是基本的負荷，無法藉由教學設計來降低，主要來自教材元素的交互性、學習者本身的程度及兩者間的交互作用。. 2.外在認知負荷（Extraneous cognitive load）：外在認知負荷與教材設計的關係較為密切，包含教材的呈現及學習活動對學習者工作記憶所產生的負荷。教材內容的呈現與組織方式的不同，例如圖片與文字的編排配置關係太雜亂或是呈現的時間間隔太久，學習者在學習過程中必須先花費心力整合接收到的訊息，有可能因此而增加外在認知負荷，若是同時呈現或是整合後呈現則可以降低認知負荷。因此可見外在認知負荷是外加的，可以透過教學的設計來降低負荷。. 3.有效認知負荷（Germane cognitive load）：有效認知負荷是藉由教學設計以吸引學生專注在學習內容或基模建構的認知過程。有效認知負荷和外在認知負荷雖不易釐清，但一般而言外在認知負荷會阻礙學習者學習，而有效認知負荷雖然會增加學習者的負荷，但卻會增進基模的建構。因此若在教學設計的過程中加入適當的呈現方式或元素來吸引學習者專注，. 19.

(28) 雖然增加負荷但卻有助於提升學習成效。. 三、認知負荷理論的教學效應綜合前面所述，在教學過程中，教師的教學設計會影響學生的外在認知負荷與有效認知負荷，教材內容的難易度則是影響學習者的內在認知負荷。由於外在認知負荷是可以透過教材編排設計來降低負荷量，進而幫助學習者學習。. Swelle（2008）根據認知負荷理論，從實徵研究歸結出九種因教學設計而產生的效應： 1.演練範例效應（Worked example effect）：讓新手學習者演練問題解決方法的效果會優於在學習過程中提供一個問題讓學習者去解決。透過提供範例的方式幫助學習者組織解決問題的知識，減少外在認知負荷。在電腦科技為基礎的教學上應用，則是適用於電腦模擬演示一個過程或是程序，協助學習者獲取長期記憶中關於問題解決所需的知識。. 2.分散注意力效應（Split-attention effect）：當學習教材中資訊是由兩種以上的呈現方式，如圖形和文字說明分開呈現且未經整合時，對新手學習者而言，單一圖片或是文字說明訊息是難以理解的，必須將兩種以上的來源訊息整合過後才能理解，學習者在閱讀過程中必須將注意力分散到圖形和文字敘述間，而此多重訊息搜尋會耗損工作記憶容量，易導致學習成效不佳。因此在教材設計時應將多重資訊整合呈現，省去圖文之間的搜尋，提高學習成效。在電腦動畫模擬的呈現時應注意將內容架構清楚的呈現並標示說明內容各部分的關係，並將其中說明文字格式化，減少內容和說明文字間的搜尋。. 20.

(29) 3.形式效應（Modality effect）：形式效應和分散注意力效應一樣，都是發生在當教材中多個資訊來源對學習者而言無法單獨理解其中一種資訊，必須經過整合後才能理解時。透過利用視覺與聽覺雙重管道呈現教材內容，所得到的效果會比只有單一種視覺或聽覺的效果要好。在電腦科技為基礎的教學上應用，使用電腦動畫的過程中應適當的利用聲音呈現文字內容搭配視覺畫面的內容。. 4.多餘效應（Redundancy effect）：多餘效應指的是學習過程中出現不相關的資訊。最常見的一種是以不同的方式呈現相同的資訊，例如圖片本身即能夠提供學習者所需要的訊息，加入同樣訊息的敘述文字便是多餘的且會干擾學習。另外一種是不需要的額外資訊，例如裝飾用的圖片、背景音效或卡通圖案。因此在教學設計時應確保所提供的訊息是至關重要的，當單一訊息呈現難以理解時才以多重方式呈現訊息。例如當教材中圖片不易單獨理解時，應整合圖片與口語敘述說明的方式呈現，而非僅僅是以不同形式呈現相同資訊。在動畫模擬時，應確保標示說明的訊息必要的，避免在畫面中呈現無關的訊息而導致多餘效應的形成。. 5.專家逆轉效應（Expertise reversal effect）：前面幾項效應的基本假設是針對新手學習者而言，且多餘效應是發生在學習教材的使用過程中。但對專家而言，隨著專業知識的增加，許多為了降低生手學習者認知負荷的設計反而會對專家造成多餘效應而產生外在認知負荷。例如對專家而言，練習解決相似問題的訓練方式會比學習範例來的好，或是讓專家閱讀圖表會優於閱讀圖文整合過的內容，許多對新手學習者而言相當重要的說明對專. 21.

(30) 家來說則變成多餘的訊息。因此在教學設計前必須要先確認學習者的知識基礎，再針對學習者程度進行教材的建構。. 6.指導褪去效應（Guidanece fading effect）：此效應與演練範例效應及專家逆轉效應有密切關係。在學習的過程中，隨著專業知識的增加，新手學習者會不斷進步成為專家，若是在過程中沒有逐漸將學習的引導減少或移除，同樣會對學習者產生認知負荷。因此在教學設計時應考慮到此項效應的影響，隨著專業知識的增加，最初提供輔助的引導或資訊應逐漸於之後的內容中減少或移除。. 7.想像效應（Imagination effect）：想像效應的發生是在學習過程中要求學習者去想像一個過程或概念，這樣子的學習效果會優於學習者直接學習此過程或概念，但這樣做的前題是學習者具備足夠的該領域專業知識，其工作記憶能夠處理學習者在想像過程中所需的相關知識。在教學設計上來說，一開始學習者因為知識不足，因此無法有效的想像一個過程或概念，需要透過電腦模擬演示來學習，隨著知識經驗的增加，要讓學習者嘗試去想像教材中所包含的資訊，這樣可以幫助學習者快速的將知識轉換成長期記憶，增加學習效果。. 8.元素互動效應（Element interactivity effect）：認知負荷理論中提到內在認知負荷與元素的互動性有關，元素互動程度過高會佔用過多工作記憶容量而導致內在認知負荷過高，影響學習效果。因此在設計教材時必須考慮到內容元素的數量、複雜度與元素間的互動程度。. 22.

(31) 9.獨立互動性元素效應（Isolated interacting elements effect）：當教材內容中的元素互動程度很高時，學習者將很難理解教材內容。要解決這個問題的方法是獨立呈現各別的元素，暫時忽略各元素間的互動性。在學習過程中利用教學設計先各別認識學習材料中各個元素的性質，等各元素都熟悉之後再開始強調元素間的互動性。獨立互動性元素的教學方法無法讓學習者建構完整的理解，必須要學習到各元素間的互動後才能夠理解整體內容。在電腦模擬教學複雜度高、元素多且互動性高的教材內容時，過於真實的模擬對學習者而言認知負荷過高而不易理解，反而使用一個真實度較低、互動元素較少的模擬呈現會比較容易理解與學習。. 23.

(32) 第三節動畫本節將探討動畫的定義，以及動畫與圖片兩種不同呈現形式與多媒體學習的相關研究結果與發現。動畫是由一系列具有些微差異的靜態畫面或圖像組成，圖像以很快的速度連續呈現，利用視覺暫留的原理，讓觀察者產生畫面連續動作或逐步變化的錯覺（ChanLin,2000），因此在視覺上產生動態的效果（林麗娟，1996）。Bétrancourt & Tversky（2000）定義動畫是由設計者製造一系列的影格（frame），而一系列與前一個有些微變化的影格連續出現，而產生動畫。Schnotz & Lowe （2008）認為動畫是做為一個視覺化的呈現隨時間的變化結構或者其他性質，觸發人類感知上的連續改變。 Mayer & Moreno （2002）定義動畫具備三個主要的要素： 1.圖片（picture）：動畫是一種圖像形式的呈現。 2.動作（motion）：動畫描繪了明顯的動作。 3.模擬（simulated）：動畫是由人為透過繪畫或是其他方法建構的。近年來，越來越多能夠增進學生理解複雜的過程或是會隨著時間與空間尺度改變之抽象概念的動畫應用於教育上（Ploetzner& Lowe, 2012）。Gonzales （1996）認為動畫是呈現一系列不同的圖像形成動態的形式，並隨著時間不斷變化，幫助使用者發展更適當的心智模型。. Park & Gittelman（1992; Park, 1998）認為動畫應用於教學上具有三項特點： 1.能夠吸引與引導學習者，維持學習者的動機。 2.能夠具體的描述具有動作（motion）或軌跡（trajectory）的事件。 3.能夠解釋較複雜的概念或現象，例如機械系統的結構以及化學式中組成分子間的聯結。 24.

(33) 和靜態的圖片相比之下，動畫能夠傳達更多單一張圖像無法傳達之細節，較能吸引學習的注意力與維持學習動機，因此受到教學設計者的採用（Jacek, 1997； Wright, Milroy, & Lickorish, 1999； Tversky, Morrison, & Betrancourt, 2002；邱惠芬，2003）。 ChanLin（2000）的研究結果發現，動畫提供了空間及時間變化的訊息，有助於解釋事件隨時間演變的過程，以及幫助學習者順利建構事件隨時間轉變的心智模型，可以減輕讀者的認知負荷，而相較之下，當學習者進行靜態圖片的學習時，必須自行在腦海中進行轉換及推論中間的狀態因而增加學習者的認知負荷。 Ploetzner & Lowe（2012）也認為動畫可以幫助學習者在心智上呈現視覺化的過程，和一系列的靜態圖片相比可以減少認知負荷。但是也有研究發現動畫其實會對學習者造成較高的認知負荷導致學習成效不佳。Tversky, Morrison, & Betrancourt（2002）的研究結果表示，動畫需要使用較多的認知處理，對學習者而言，動畫經常過於快速且過於複雜，導致於學習者無法清楚地理解內容，且習慣於文字與靜態圖像整合的紙本環境的學習者在學習動畫教學時，需要重新適應動畫的學習方式，以致於學習者在學習複雜系統時，動畫教學的效果反而比靜態圖像差，且不良的動態呈現、不必要的訊息干擾，反而造成資訊無法正確傳遞而模糊了學習重點。根據許多文獻研究結果與施駿宏（2009）的研究中整理動、靜態多媒體視覺介面對學習成效相關研究發現（表 2.3.1）：可以發現，過去有許多針對動、靜態多媒體視覺介面的研究，在不同的研究主題與對象的探討下有許多不同的結果，有些研究發現動畫教學效果較佳，有些則是認為靜態圖的效果較佳，也有許多研究認為兩者無差異。但是缺少針對月相盈虧成因概念的研究主題，且研究對象為中學生的研究數量也較少，因此值得進一步探討。. 25.

(34) 表 2.3.1 動、靜態多媒體視覺介面對學習成效相關研究. 研究者. 對象/主題. 多媒體教材形式. 實驗結果. 備註. Baek & Layne. 高中生. 1.文字. 3 學習成效最佳. 動畫優於靜態圖. （1988）. 速度運算軟體. 2.圖+文字. 學習時間：. 片. 3.動畫+文字. 3>2>1. 1.字. 1~5 成效無差異. Rieber （1989）小學生. 動、靜態多媒體. 牛頓運動定. 2.圖. 視覺. 律教學軟體. 3.圖+文字. 介面無差異. 4.動畫 5.動畫+文字 Rieber （1991）小學生. 1.字. 3學習成效與學. 動畫優於靜態圖. 牛頓運動定. 2.圖+文字. 習動機最佳，但. 片. 律教學軟體. 3.動畫+文字. 比2易產生迷思概念。. Park &. 大學生. 1.圖. 2嘗試錯誤次數. 動畫優於靜態圖. Gittelman. 電路學介紹. 2.動畫. 少於1. 片. （1992）. 與故障檢測. 1、2 學習時間無差異. Asoodeh. 大學生. 1.圖. 2在心理旋轉測. 動畫優於靜態圖. （1993）. 設計圖學. 2.動畫. 驗及學習成效測. 片. 驗結果優於1 （續下頁）. 26.

(35) 研究者. 對象/主題. 多媒體教材形式. 實驗結果. 備註. Hays （1994）. 6-8年級. 1.字. 2、3成效無差. 動、靜態多媒體. 擴散作用. 2.圖+文字. 異，但皆優於1。視覺介面無差異. 3.動畫+文字 ChanLin. 中學生. 1.字. （1997）. 遺傳科技. 2.字+圖. 5 成效最佳. 動畫優於靜態圖片. 3.字+動畫 4.字+圖+語音 5.字+動畫+語音 Hutcheson. 大學生. 1.圖. （1997）. ANCOVA. 2.動畫. 1、2 無差異. 動、靜態多媒體視覺介面無差異. 統計課程 Wilson （1998）大學生. 1.圖. 人類心臟構造與. 2.照片. 功能. 3.動畫. 1~4 無差異. 動、靜態多媒體視覺介面無差異. 4.動畫+照片 Kim （1998）. 大學生. 1.圖+文字. 1 優於 2. 靜態圖片優於動. 板塊構造. 2.動畫+文字. 1、2 學習態度無. 畫. 差異 ChanLin. 中學生. 1.無圖像（控制. （1999b）. DNA 遺傳科技. 組）. 2 學習成效最佳. 靜態圖片優於動畫. 2.圖 3.動畫（續下頁）. 27.

(36) 研究者. 對象/主題. 多媒體教材形式. Miles &. 大學生. 1.聲音+文字. LeeSing. 族群融合. 2.圖+文字. （1999）. 實驗結果. 備註. 1、2、3 無差異。動、靜態多媒體視覺介面無差異. 3.動態影像+文字. Smither. 五六年級生. （1999）. 簡單機械. 1.靜態展示+. 3 優於 1. 動態展示顯著優. 因果解說. 4 優於 2. 於靜態展示. 2.靜態展示+ 結構解說 3.動態展示+ 因果解說 4.動態展示+ 結構解說 Morrison. 大學生. 1.字. 對低空間能力者. 動、靜態多媒體. （2000）. 機械系統. 2.圖. 2、3. 視覺介面無差異. 地理航行. 3.動畫. 優於 1，但 2、3 無差異. Leedy （2002）. 大學生. 1.圖. 1~4 無差異. 普通化學. 2.平面動畫. 動、靜態多媒體視覺介面無差異. 3.立體深度知覺感知動畫 4.立體浮雕動畫（續下頁）. 28.

(37) 研究者. 對象/主題. 多媒體教材形式. Brickley（2003）大學生. 1.簡化動畫. 論說文. 2.靜態圖示. 實驗結果 1、2 優於 3. 備註靜態圖片的學習成效優於動畫. 3.動畫 McAuliffe. 高中生. 1.平面靜態圖. 1、2無差異. 平面動、靜態多. （2003）. 地形圖. 2.立體動畫. 1顯著優於3. 媒體視覺介面無. 3.立體互動式動. 3 時間最長. 差異. 1、2 無差異. 動、靜態多媒體. 畫 Tsang （2003）. 大學生. 1.圖. 摺紙作業. 2.動畫. Koroghlanian &. 高中生. 1.圖+文字. Klein （2004）. 電池的循環. 2.圖+解說. 視覺介面無差異 1~4 無差異. 動、靜態多媒體視覺介面無差異. 3.動畫+文字 4.動畫+解說 Angarola. 12-16歲球員. 1.照片+解說. 1、2認知測驗無. 動、靜態多媒體. （2005）. 多媒體籃球教練. 2.影片+解說. 差異。. 視覺介面認知成. 1 技能測驗優於 2. 效無差異. 2 顯著優於 1、3. 動畫的學習成效. 系統 Miller （2005）成人珠寶製作. 1.圖 2.動畫. 優於靜態圖片及. 3.影片. 影片（續下頁）. 29.

(38) 研究者. 對象/主題. Puente （2006） 18-56歲具有學. 多媒體教材形式 1.字. 實驗結果 5 最佳. 生身份之成人. 2.圖+文字. 地下儲油罐處理. 3.彈出式圖+解. 方式. 說. 備註動畫的學習成效優於靜態圖片. 4.圖+解說 5.動畫+解說 Moon （2007）. 大學生. 1.字. 3 優於 21. 月經週期. 2.圖+文字. 動畫的學習成效優於靜態圖片. 3.動畫+解說 Chan （2008）. 六、七年級生. 1.字. 六年級生不論教. 動畫的學習成效. 機械能量轉移. 2.圖+文字. 材複雜度高、低3. 優於靜態圖片. 3.動畫+文字. 皆優於1、2。教材複雜度高對七年級生3較佳. Jan & Els Van. 小學生. 1.圖. 1、4無差異. 動、靜態多媒體. （2008）. 程序性知識. 2.圖+文字. 2、5無差異. 視覺介面無差異. 敘述性知識. 3.圖+解說. 3、6 無差異. 4.動畫 5.動畫+文字 6.動畫+解說（續下頁）. 30.

(39) 研究者宋曜廷（2000）. 對象/主題. 多媒體教材形式. 實驗結果. 備註. 國二生. 1.圖+文章+旁白. 2優於1. 動畫的學習成效. 不同結構文章. 2.動畫+文章+旁. 2可提升情境興. 優於靜態圖片. 白. 趣進而提升閱讀投入（時間）而促進閱讀成效。. 徐易稜（2001）. 大學生. 1.字. 靜態圖片多媒體. 靜態圖片多媒體. 台灣鳥類. 2.圖+文字. 優於動態影片多. 優於動態影片多. 3.圖+旁白. 媒體。. 媒體. 4.圖+文字+旁白 5.影片+文字 6.影片+旁白 7.影片+文字+旁白邱惠芬（2003）. 國小學生. 1.圖+文字. 1~4 學習成效無. 動、靜態多媒體. 大氣壓力. 2.圖+文字+旁白. 差異. 視覺介面無差異. 3.動畫+文字 4.動畫+文字+旁白陳澤榮（2003）. 成人. 1.圖+旁白. 不限時間時，1、學習者控制情境. 產品設計研. 2.動畫+旁白. 2、3無差異. 發概念介紹. 3.虛擬影像+旁. 媒體視覺介面無. 白. 差異。. 下，動、靜態多. （續下頁）. 31.

(40) 研究者陳立烜（2004）. 對象/主題. 多媒體教材形式. 實驗結果. 備註. 國中學生. 1.圖+文字. 1、2、3 成效無差. 動、靜態多媒體. 科學知識. 2.動畫+文字. 異。. 視覺介面無差異. 3.影片+文字梁雪娟（2005）. 高中生. 1.單一圖. 3 有利於高空間. 對於高空間能力. 數學教材. 2.多張圖. 能力者. 者. 3.動畫莊新怡（2005）. 劉佳綺（2005）. 施駿宏（2009）. 3.成效優於 1.2.. 商職學生. 1.單張圖. 高先備知識者，3. 動畫有助於高空. 圓錐曲線. 2.多張圖. 優於 1、2. 間能力者；低空. 3.動畫. 低先備知識者無. 間能力者動靜態. 差異. 無差異. 3 優於 2 優於 1. 動畫的學習成效. 高職生. 1.單張圖. 圓錐曲線. 2.多張圖. 橢圓單元. 3.動畫. 國中生. 1.動畫+文字. 地震與海嘯單元. 學習者自行播放. 地震與海嘯. 2.動畫+旁白. 2 優於 1、3. 模式下，動、靜. 3.動畫+旁白+文. 5 優於 4、6. 態多媒體視覺介. 字. 優於靜態圖片. 面無差異。. 4.圖+文字 5.圖+旁白 6.圖+旁白+文字資料來源：施駿宏（2009）與本研究整理。. 32.

(41) 第四節空間能力. 一、空間能力基本定義空間能力的定義由於受研究者探討的觀點、分析的角度不同，而有許多不同的定義與解釋。Kelly（1928）認為空間能力是對幾何形式的認知與記憶，是在心裡操作物體形狀之流暢能力。Thurstone（1938）的基本心智能力理論中提出了七項人類的基本心理能力，其中也包含了空間與視覺化能力，認為空間能力是能在心中記住一個空間圖像，並在腦海中扭轉、移轉或旋轉此圖像至新的位置，再將此變動之圖像進行比對的能力。Guilford & Lacey（1947）認為空間能力是能在心裡想像物體的旋轉，在平面上想像物體展開的平面圖或摺疊成立體圖形，或是了解空間中物體位置改變之關係的能力。 McGee（1979）整理過去的空間能力因素研究，將空間能力分成空間視覺（Spatial Visualization）與空間方位（Spatial Orientation）。空間視覺是能將 2D 或 3D 的物體進行心智上的操作、轉動與翻轉的能力；空間方位是指在物體或圖形不斷改變方位後，個體保持清晰而不混亂仍能正確辨識的能力。 Lohman（1979）的分析研究結果將空間能力的因素分為十個因素，而其中的視覺化（Visualization）、空間方位（Spatial Orientation）與空間關係（Spatial Relations）則是影響空間能力的主要因素。視覺化是指將平片物體想像成立體的能力；空間方位是個體從不同角度觀察物件的能力；空間關係是個體運用心智快速解決問題的能力。 Linn & Petersen（1985）則是將空間能力分成空間知覺（Spatial Perception）、心智旋轉（Mental Rotation）與空間視覺（Spatial Visualization）。空間知覺是個體力用自己身體的方位去辨識空間關係之能力；心智旋轉是個體能想像旋轉 2D 或 3D 圖像的能力；空間視覺是個體能操作一連串複雜影像摺疊與移動及使用解決策略之能力。 33.

(42) Carroll（1993）認為空間能力是由空間視覺化（Spatial Visualization）、空間關係（Spatial Relations）、完形速度（Closure Speed）、形狀變通（Flexibility of Closure）及感知速度（Perceptual Speed）五個因素共同構成的廣義概念。路君約、盧欽銘、歐滄和（1989）認為空間能力是由視覺處理具體材料的能力，並將空間能力命名為空間關係。蔣家唐（1995）定義空間能力是以圖像記憶、複製、觀察、配對等認知能力為基礎，將二度空間中的平面圖像或者三度空間中的立體圖像在腦海中想像性地轉換、辨識圖像及操控圖像的能力。李琛玫（1996）認為空間能力是能夠正確辨識、觀察、透視與記憶圖像，然後在心理想像，操弄、變化圖像等想像性的動態轉換能力。不僅靜態辨識、想像或記憶，更含有移動、旋轉、摺疊與拆解圖像的能力。許多的研究者對於空間能力有不同的定義，也認為空間能力可以分成許多不同的因子，因此在多媒體學習的相關研究中也探討了空間能力對多媒體學習的影響。而在多媒體學習的研究中，空間能力通常被定義為在腦海中旋轉或折疊物件的能力，以及想像位置的改變與操作的能力（Brunken, Steinbacher, & Leutner, 2000; Mayer & Sims, 1994）。而在這些多媒體學習的研究中發現，空間視覺化與空間關係這兩項因素是最常被測量的，表示空間能力的這兩項因子與多媒體學習最有關係（Hoffler, 2010）。. 34.

(43) 二、多媒體學習與空間能力雖然多媒體學習與空間能力的相關研究很多，但根據許多研究結果顯示，關於多媒體學習與空間能力的關係一直沒有定論，但可以確定的是空間能力在多媒體學習中扮演一個至關重要的角色（Blake, 1977; Hays, 1996;Large, Beheshti, Breuleux, & Renaud, 1996; Yang et al., 2003）。Mayer（2001）也認為多媒體訊息採語言與圖形兩個管道，學習者需要能夠形成、保持和使用視覺心智表徵的心理技能，這與空間能力的基本定義有許多相似之處，表示多媒體學習的過程中是需要用到空間能力的。多媒體學習與空間能力的相關研究指出，空間能力在多媒體的學習中具有能力補償效應（Ability-as-compensator Effect），對低空間能力的學習者而言，動畫可以支持他們學習，因為動畫提供一個過程或程序的動態化呈現方式，幫助學習者快速建立心智模型（Mayer, 2001 ; Mayer & Sims, 1994），因此動畫對學習者發揮了認知輔助（cognitive prosthetic）的效果（Hegarty & Kriz, 2008）。 Hays（1996）的研究結果也發現：低空間能力的學習者使用動畫與文字學習時的效果優於使用圖片與文字、及單獨使用文字的組別。表示對於空間能力較低的學習者，利用動畫的形式呈現教材可以讓他們在學習上有比較好的表現。這表示動畫在學習中發揮了補償能力的功用，空間能力不足的學習者在學習過程中無法有效理解與建構知識，透過動畫提供的視覺化教材，支持學生建立心智模型，補充其能力不足對學習的影響，幫助學生學習。不過對於空間能力對多媒體學習的影響，也有另外一種的研究發現：空間能力在多媒體學習中發揮的是增強效應（Ability-as-enhancer Effect），高空間能力學習者從良好的多媒體設計中獲益的效果優於低空間能力學習者，動畫對低空間能力的學習者造成過大的認知負荷，因此低空間能力學習者無法在多媒體學習中獲取有效的助益（Mayer & Sims, 1994; Hegarty, 2005）。 Mayer（2001）說明，對於設計不良的教材呈現的資訊，高、低空間能力學. 35.

(44) 習者都難以建構同時保存於工作記憶中的圖形表徵和語文表徵，因此高、低空間能力學習者的學習效果都不好，當呈現設計良好的教材內容，高空間能力者較容易建構對應的圖形表徵和語文表徵，並形成合適的整合與聯結導致學習成效提升；而低空間能力學習者消耗很多的時間與認知資源在建構和保持圖形表徵上，而沒有足夠的資源用於形成圖形表徵和語文表徵之間的聯結，因此，高空間能力的學習者比低空間能力的學習者更能從良好的教學訊息中獲益，空間能力增強了好的多媒體設計效果（Mayer & Sims, 1994）。綜觀過去的研究結果，空間能力在多媒體學習中動畫與靜態圖片呈現時所扮演的角色目前仍有爭議，有些研究認為動畫有助於低空間能力學習者學習，因為可以協助建立心智模型；有些研究則認為在良好的多媒體教材設計下，高空間能力的學習者獲益較低空間能力學習者來的多；不過也有研究顯示空間能力與多媒體學習以動靜態呈現方式的學習成效沒有交互作用，因此有待累積更多的研究結果，以獲得更嚴謹的結論。. 36.

(45) 第三章研究方法第一節研究對象本研究的對象來自臺灣中部某間國民中學，一百學年度下學期接受地球科學課程的九年級學生。該校採用常態分班及男女合班的模式進行教學，共有四個班級參與研究，各班學生於教室內隨機分為動畫圖文組與圖文組，各組人數與有效樣本數如表所統計。各組人數與有效樣本之差異是來自於資料蒐集過程中，受到施測時電腦教室網路系統不穩定影響，以及學生出缺席狀況，導致學生資料蒐集不完整，故將資料不齊全之樣本去除後，總共有效樣本數為 98 人，其中動畫圖文組 53 人，男生 26 人，女生 27 人；圖文組 45 人，男生 27 人，女生 18 人。. 表 3.1.1 實驗分組人數與有效樣本數組別. 人數（男，女）. 有效樣本（男，女）. 動畫圖文組. 60（29,31）. 53（26,27）. 圖文組. 57（30,27）. 45（27,18）. 總計. 117（59,58）. 98（53,45）. 37.

(46) 第二節研究設計與流程本研究的課程依據 Mayer（2001,2003）多媒體教材設計原則與 Sweller（2008）認知負荷理論的教學效應設計多媒體的月相盈虧成因課程教材，試圖探討學生進行多媒體動畫圖文教材與圖文教材時學習成效的差異，以及空間能力對學生學習成效與認知負荷之影響，本研究流程共可分為三個階段，分別為「準備階段」、「實驗階段」與「結果分析」，各個階段的工作項目及進度與研究流程圖繪製如下：（圖 3.2.1）. 38.

(47) 形成研究問題蒐集文獻文獻探討文獻探討. 確定研究問題課程設計. 月相盈虧成因課程. 發展研究工具. 專家審查. 月相盈虧成因學習成效測驗. 工具設計. 準備階段. 認知負荷量表選定研究對象. 專家審查. 修改研究工具. 空間能力測驗（一節課） A.空間視覺測驗（8 分鐘） B.空間方位測驗（12 分鐘）. 多媒體月相盈虧成因課程動畫圖文組. （25 分鐘）. 圖文組. 實驗階段. 認知負荷量表（5 分鐘）月相盈虧成因學習成效測驗（15 分鐘）. 資料分析撰寫論文. 圖 3.2.1 研究流程圖. 39. 結果分析階段.

(48) 一、準備階段經過閱讀相關文獻資料，確定研究主題，整理文獻中多媒體相關的設計原則與認知負荷產生的教學效應，開始著手發展多媒體的月相盈虧成因課程教材、月相盈虧成因學習成效測驗、認知負荷量表。在發展過程中，經天文領域專家與科教領域專家及國中地科教師協助審查與修正教材與測驗量表。. 二、實驗階段實驗階段工作內容包含進行「空間能力測驗」、「月相盈虧成因課程」、「認知負荷量表」、「月相盈虧成因學習成效量表」，實驗過程如圖 3.2.1 所示：「空間能力測驗」：分成 A、空間視覺測驗與 B、空間方位測驗，測驗進行前先請學生填好班級、座號、姓名與性別，然後講解測驗說明測驗規則與試題範例完畢後，才開始計時作答。空間視覺測驗時間限制為 8 分鐘，空間方位測驗時間限制為 12 分鐘，總計 20 分鐘。「月相盈虧成因課程」：分成動畫圖文組與圖文組同時進行，由學生自行操作電腦進行學習，老師在旁隨時提供學生協助，學習時間 25 分鐘。「認知負荷量表」：進行多媒體月相盈虧成因課程後，請學生作答認知負荷量表，4 題自評式量表在電腦上作答，作答時間約 5 分鐘。「月相盈虧成因學習成效測驗」：最後進行請學生作答學習成效量表，20 題單選題在電腦上作答，作答時間約 15 分鐘。. 三、結果分析階段此階段的任務為進行「資料分析」與「撰寫論文」。將實驗蒐集的數據整理分析，瞭解學生空間能力、認知負荷與學習成效之關係、多媒體課程對學生學習成效與認知負荷的影響、不同空間能力的學生使用多媒體課程後學習成效與認知負荷的差異，最後進行論文撰寫。. 40.

(49) 第三節研究工具. 本研究工具分成兩類，包含教學工具與測驗工具。教學工具為「月相盈虧成因課程」，而評量工具包括「空間能力測驗」、「月相盈虧成因學習成效測驗」、「認知負荷量表」，將上述研究工具之發展原則與流程詳述如下：. 一、月相盈虧成因課程（一）確認教學內容教育部 100 學年度實施的九年一貫課程綱要（2008）中「自然與生活科技」學習領域提到關於月相相關學習概念的科學與技術認知能力分段能力指標（表 3.3.1）與教材內容自然界的組成與特性課題，地球的環境主題中，次主題地球和太空的要項與細目（表 3.3.2），要點如下：. 表 3.3.1 九年一貫課程綱要（2008）「自然與生活科技」學習領域能力分段能力指標階段. 內容. 第二階段. 認識環境. （國小三至四年級） 2-2-4-2 觀察月亮東昇西落的情形，以及長期持續觀察月相，發現月相盈虧，具有週期性。第四階段. 認識環境. （國中一至三年級） 2-4-3-1 由日、月、地模型瞭解晝夜、四季、日食、月食及潮汐現象。 2-4-3-4 知道地球在宇宙中的相關地位。. 41.

(50) 表 3.3.2 九年一貫課程綱要（2008）「自然與生活科技」學習領域教材內容要項與細目要項. 細目 2a.察覺月亮東昇西落。. 月亮. 2b.觀察並知道月亮有盈虧現象（月相變化）。. 地、日、月系統. 4a.利用模型描述地、日、月之間的相對運動，並解釋月相變化、日食、月食的現象。. 參考各版本教科書內容，月相盈虧成因概念分成三個單元進行學習，分別為「月相盈虧成因」、「月相與農曆日期」、「月相與時間」三個單元，月相盈虧成因內容包含月亮受光照形成亮暗面、月相變化的成因與週期、月亮同一面朝向地球的原因；月相與農曆日期單元內容包含不同月相形狀的名稱，不同月相對應到的農曆日期；月相與時間單元包含各月相的月出月末與月亮升到最高點的時間、月相亮面方位。. 42.

(51) （二）多媒體課程設計使用多種電腦軟體設計多媒體動畫教材（表 3.3.3），利用 3dsMax 軟體建立 3D 模型，使用 iClone 軟體製作日地月系統並依單元需求做成動畫，使用 Corel Video Studio 剪輯動畫影片搭配字幕，利用 Photoshop 編輯修改圖片，最後用 Flash 將所有教材單元所需的動畫、圖片包裝成一個完整的電腦多媒體動畫教材。. 表 3.3.3 設計軟體與工作內容軟體工具. 工作內容. 3dsMax. 製作擬真的太陽、月球、地球 3D 模型. iClone. 將太陽、地球、月球 3D 模型佈置成日地月系統模型，利用不同視角攝影機拍攝不同單元所需的日地月系統相對運動的動畫及月相週期性盈虧變化的動畫. Corel Video. 將輸出的動畫剪輯，搭配上說明字幕，輸出成各單元內容. Studio. 所使用的完整教學動畫. Photoshop. 將動畫影片截圖修改成各單元所需的整合性圖片. Flash. 將所有單元的內容、動畫與圖片包裝在一個檔案中，製作成完整的電腦多媒體動畫教材。. 43.