視覺引導在國中數形規律教學上之應用

國立交通大學

理學院科技與數位學習學程

碩 士 論 文

視覺引導在國中數形規律教學上之應用

A Study of Visual Guiding Applying to Pattern Regularity

Teaching in Junior High School

研 究 生

：

游淑媛

指 導 教 授

：

陳明璋 博士

視覺引導在國中數形規律教學上之應用

A Study of Visual Guiding Applying to Pattern Regularity

Teaching in Junior High School

研 究 生 ： 游淑媛

Student ： Yu Shu-Yuan

指導教授 ： 陳明璋

Advisor ： Chen Ming-Jang

國立交通大學

理學院科技與數位學習學程

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 2012

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

視覺引導在國中數形規律教學上之應用

1

學生：游淑媛 指導教授：陳明璋 博士

國立交通大學理學院科技與數位學習學程

中文摘要

尋求規律是探索科學的根本，然而數形規律在黑板上不易呈現，若能運用視 覺引導來進行數位教學，應有助於提升學習意願及成效。 本研究探討以有視覺引導或無視覺引導的教材應用在國中數形規律的教學 上，對學生的學習成效與上課感受的影響。採準實驗研究法，於國中七年級四個 常態班級進行實驗。 有視覺引導或無視覺引導的教材應用於數形規律教學，結果分析如下 1. 學習成效部分： (1) 對於整體學生的階段學習成就有顯著差異，有視覺引導的教材，有助於學生的 階段學習成就表現。在延後測部分，僅圖形最複雜的一題有顯著差異。 (2) 對於高、中、低成就學生的階段學習成就無顯著差異，但在圖形與教學題目相 同的部分，在高、中、低成就學生都有顯著差異。在延後測部分，高、中、低 成就學生均無顯著差異。 (3) 應用在較複雜的數形規律圖形的教學上，相較於簡單的圖形，有較顯著的學習 成效差異。另外，從效果值來看，對於低成就學生的學習成效差異幾乎每題都 達中、大效果。 2. 上課感受部分： (1) 對於整體學生的「上課意願」有顯著差異，有視覺引導的教材能提高學生的學 習意願。 (2) 對於中成就學生的「上課意願」及「理解程度」有顯著差異，有視覺引導的教 材能提高中成就學生的上課意願及理解程度。對於低成就學生的「困難度」及 「耗費心力」有顯著差異，有視覺引導的教材能降低低成就學生的困難度感受 及減少其需耗費的心力。對於高成就學生的上課感受則無顯著差異。 關鍵字：認知負荷、多媒體學習、數形規律、視覺引導 1 本論文部分研究成果與國科會專題研究計畫 100-2511-S-009-006- 及 99-2511-S-009-008- 相關。

A Study of Visual Guiding Applying to Pattern Regularity

Teaching in Junior High School

Student：Yu Shu-Yuan Advisor：Chen Ming-Jang

Degree Program of E-Learning

National Chiao Tung University

Abstract

Searching for the regularity is the basis of science, but it’s not easy to display the pattern regularity on the blackboard. If the digital teaching can be conducted in the classroom via the visual guiding, it is believed that students’ motivation and learning will be improved.

This study examines the effects of teaching pattern regularity via visual guiding and not via visual guiding on junior high students’ learning performances and sense perception in class. Quasi-experiment design was adopted. Four seventh-grade intact classes from a junior high school participated in this study.

The results of teaching pattern regularity via visual guiding and not via visual guiding can be summarized as follows:

1. In terms of learning performances -

(1) The participants’ learning improved significantly after the implementation of visual guiding. However, on the delayed posttest, the significant differences only presented in the question with the most complicated patterns.

(2) The participants’ learning didn’t improve significantly after the implementation of visual guiding in terms of the high-achievers, medium-achievers, and low-achievers. However, their learning improved significantly in the categories of the same patterns and questions. There was no significant effect in delayed posttest.

(3) The participants’ learning improved significantly when visual guiding was adopted in teaching complicated patterns. For effect size, the low-achievers did

make progress in learning. 2. In terms of sense perception in class

(1) The participants’ sense perception in class of the implementation of visual guiding were significantly different especially in the category of students’ learning willingness.

(2) The medium-achievers’ sense perception in class of the implementation of visual guiding were significantly different in the categories of students’ learning willingness and students’ understanding. The low-achievers’ sense perception in class of the implementation of visual guiding were significantly different in the categories of difficulty and mental load, while the high-achievers’ were not.

誌謝

今年的夏天，我實現了人生中的一個夢想。一直沒想到我能在教書 10 年後， 再回到校園重拾學生身份。而一路走來雖然辛苦，但現回首這兩年，不禁深深覺 得還好「我嘗試了」，也才能有今日的「我成功了」! 首先，我要感謝我的論文指導教授陳明璋博士，他不僅在專業知識上給我許 多的建議與指導。此外，他總是關心我們的情緒，提醒我們做論文階段很多生活 上該注意的細節，讓我覺得他不僅是我們知識上的老師，更是ㄧ位關心我們的長 輩。感謝左台益教授、李源順教授、莊榮宏教授播冗給予寶貴的意見，讓我的論 文能更加完整。感謝思燕及敏惠在英文摘要上的協助翻譯，這對我來說真的是很 大的幫助。感謝協助研究進行的四個班級的學生，有你們也才能成就這篇論文。 感謝我最親密的戰友--依萍，想想從大ㄧ到現在我們認識了 16 年了呢！會來 念專班就是因為依萍的鼓勵，也一路有她相伴，使我不孤單。感謝互相支援打氣、 互相扶持的AMA 論文特攻隊夥伴（我會永遠記得 FB 上那次 200 篇的留言紀錄） -- 依萍、世易、敏惠、玫琪、建巖、駿碩，及當然不可少的振順學長。感謝辦公 室、學校同事在我進修期間的鼓勵與體諒及課務上的協助與幫忙。感謝旅遊家族 的夥伴--美如、家榮、于玲、淑娟、連董、瑞萍、元豐學長，跟你們聊天是我最放 鬆的時刻。感謝我的爸、媽、公、婆，總是在精神上支持我及生活上支援我。最 後，感謝我的先生--柏奇，因為有你，我的人生才能如此順遂，總在我難過悲傷時 有你的安慰，總在我遇到問題時有你幫我解決，跟你在一起是我這輩子最幸福的 ㄧ件事！寶貝阿翔、阿萱，媽咪終於有空能好好陪伴你們了！ 謹以此論文獻給一路走來所有幫助過我的人，我的心中有無限的感恩！ 淑媛 2012.6.26

目 次

中文摘要... i Abstract ... ii 致謝... iv 目次... v 表目錄... vii 圖目錄... x 第一章 緒論... 1 1-1 研究背景與動機... 1 1-2 研究目的... 3 1-3 研究問題... 3 1-4 研究範圍與限制... 4 1-5 名詞解釋... 5 第二章 文獻探討... 7 2-1 認知負荷理論... 7 2-1-1 基本假定 ... 8 2-1-2 認知負荷的類型 ... 9 2-1-3 認知負荷的教學設計原則 ...11 2-2 注意力與視覺搜尋... 15 2-2-1 注意力 ... 15 2-2-2 選擇性注意力 ... 16 2-2-3 視覺搜尋 ... 20 2-3 多媒體學習理論... 25 2-3-1 多媒體學習理論的基本假設 ... 25 2-3-2 多媒體學習理論的教學設計原則 ... 28 2-4 數形規律... 34 2-4-1 國中小數形規律課程 ... 34 2-4-2 數形規律的類型 ... 39 2-4-3 增長樣式的解題策略與能力層次 ... 41 第三章 研究方法... 47 3-1 研究流程... 47 3-2 研究設計... 48 3-2-1 研究方法 ... 48 3-2-2 研究變項與假設 ... 48 3-2-3 實驗流程 ... 50

3-3 研究對象... 51 3-3-1 實驗組與對照組學生立足點一致 ... 52 3-3-2 兩組間不同學習成就之學生立足點一致 ... 53 3-4 研究工具... 56 3-4-1 實驗教材的製作 ... 56 3-4-2 實驗工具 ... 65 3-5 資料分析方法... 70 3-5-1 統計軟體 PASW ( SPSS ) ... 70 3-5-2 效果值 ( Effect Size ) ... 71 3-5-3 學習效率與投入分數 ... 72 第四章 研究結果與討論... 75 4-1 兩組不同教材對學生學習成效的影響... 75 4-1-1 在整體學生階段學習成就測驗及延後測成效方面 ... 75 4-1-2 高成就學生階段學習成就測驗及延後測成效方面 ... 86 4-1-3 中成就學生階段學習成就測驗及延後測成效方面 ... 95 4-1-4 低成就學生階段學習成就測驗及延後測成效方面 ... 105 4-2 兩組不同教材對學生上課感受的影響...118 4-2-1 在整體學生上課感受方面 ...118 4-2-2 在高、中、低成就學生其上課感受方面 ... 120 4-3 兩組經不同教材教學的學生其階段學習成就測驗和上課感受之相關性分析 ... 126 4-3-1 在整體學生方面 ... 126 4-3-2 在高成就、中成就、低成就學生方面 ... 130 4-4 研究結果摘要... 138 第五章 結論與建議... 143 5-1 研究結論... 143 5-2 建議... 144 5-2-1 教學建議 ... 144 5-2-2 研究建議 ... 146 5-2-3 對未來研究的建議 ... 147 參考文獻... 148 中文文獻... 148 英文文獻... 152 附錄一 前測測驗卷... 156 附錄二 階段學習成就測驗、延後測測驗卷... 158 附錄三 上課感受量表... 162

表次

表 1：多媒體教材的設計原則... 28 表 2：數學多媒體在教學上的設計原則... 29 表 3：信號原則的使用方式... 31 表 4：數學領域各階段的學習特徵及示例... 35 表 5：暫行綱要之數形規律相關的能力指標... 37 表 6：課程綱要之數形規律相關的能力指標及分年細目... 37 表 7：學生記錄圖形序列的數據資料... 42 表 8：學生通則化解題類型說明表... 42 表 9：國小高年級學童解線性圖形樣式題能力層次... 43 表 10：實驗組與對照組比較表... 48 表 11：實施步驟、內容與時間分配表... 50 表 12：受試班級人數、數學定期評量平均成績一覽表... 51 表 13：受試學生高、中、低學習成就人數分配表... 51 表 14：整體受試學生上學期數學科定期評量平均成績獨立樣本 t 檢定摘要表 52 表 15：整體受試學生前測成績獨立樣本 t 檢定摘要表... 52 表 16：高成就學生上學期數學科定期評量平均成績獨立樣本 t 檢定摘要表.... 53 表 17：高成就受試學生前測成績獨立樣本 t 檢定摘要表... 53 表 18：中成就學生上學期數學科定期評量平均成績獨立樣本 t 檢定摘要表.... 54 表 19：中成就受試學生前測成績獨立樣本 t 檢定摘要表... 54 表 20：低成就學生上學期數學科定期評量平均成績獨立樣本 t 檢定摘要表.... 55 表 21：低成就受試學生前測成績獨立樣本 t 檢定摘要表... 55 表 22：第 1、2、3、5、7 題之計分標準... 65 表 23：第 6 題之計分標準... 66 表 24：第 4 題之計分標準... 66 表 25：第 8 題之計分標準... 67 表 26：預試卷各題難易度及鑑別度... 67 表 27：上課感受量表修改對照表... 68 表 28：前測、課程教學、階段學習成就測驗、延後測題目綜合比較表... 69 表 29：相關係數的強度大小與意義... 71 表 30：整體受試學生階段學習成就測驗及延後測平均成績摘要表... 75 表 31：整體受試學生階段學習成就測驗平均成績獨立樣本 t 檢定摘要表... 76 表 32：整體受試學生延後測平均成績獨立樣本 t 檢定摘要表... 76 表 33：整體受試學生階段學習成就測驗各題平均成績摘要表... 78 表 34：整體受試學生延後測各題平均成績摘要表... 79 表 35：整體受試學生階段學習成就測驗各題平均成績獨立樣本 t 檢定摘要表 80

表 36：整體受試學生延後測各題平均成績獨立樣本 t 檢定摘要表... 81 表 37：整體學生學習成效結果摘要表... 85 表 38：高成就學生階段學習成就測驗及延後測平均成績摘要表... 86 表 39：高成就學生階段學習成就測驗平均成績獨立樣本 t 檢定摘要表... 86 表 40：高成就學生延後測平均成績獨立樣本 t 檢定摘要表... 87 表 41：高成就學生階段學習成就測驗各題平均成績摘要表... 88 表 42：高成就學生延後測各題平均成績摘要表... 89 表 43：高成就學生階段學習成就測驗各題平均成績獨立樣本 t 檢定摘要表.... 90 表 44：高成就學生延後測各題平均成績獨立樣本 t 檢定摘要表... 91 表 45：高成就學生學習成效結果摘要表... 94 表 46：中成就學生階段學習成就測驗及延後測平均成績摘要表... 95 表 47：中成就學生階段學習成就測驗平均成績獨立樣本 t 檢定摘要表... 95 表 48：中成就學生延後測平均成績獨立樣本 t 檢定摘要表... 96 表 49：中成就學生階段學習成就測驗各題平均成績摘要表... 97 表 50：中成就學生延後測各題平均成績摘要表... 98 表 51：中成就學生階段學習成就測驗各題平均成績獨立樣本 t 檢定摘要表.... 99 表 52：中成就學生延後測各題平均成績獨立樣本 t 檢定摘要表... 100 表 53：中成就學生學習成效結果摘要表... 104 表 54：低成就學生階段學習成就測驗及延後測平均成績摘要表... 105 表 55：低成就學生階段學習成就測驗平均成績獨立樣本 t 檢定摘要表... 105 表 56：低成就學生延後測平均成績獨立樣本 t 檢定摘要表... 106 表 57：低成就學生階段學習成就測驗各題平均成績摘要表... 107 表 58：低成就學生延後測各題平均成績摘要表... 108 表 59：低成就學生階段學習成就測驗各題平均成績獨立樣本 t 檢定摘要表.. 109 表 60：低成就學生延後測各題平均成績獨立樣本 t 檢定摘要表... 110 表 61：低成就學生學習成效結果摘要表... 114 表 62：整體、高、中、低成就學生階段學習成就測驗結果摘要表... 116 表 63：整體、高、中、低成就學生延後測結果摘要表... 117 表 64：整體受試學生上課感受摘要表... 118 表 65：整體受試學生上課感受獨立樣本 t 檢定摘要表... 119 表 66：高成就學生上課感受摘要表... 120 表 67：高成就學生上課感受獨立樣本 t 檢定摘要表... 121 表 68：中成就學生上課感受摘要表... 121 表 69：中成就學生上課感受獨立樣本 t 檢定摘要表... 122 表 70：低成就學生上課感受摘要表... 123 表 71：低成就學生上課感受獨立樣本 t 檢定摘要表... 124 表 72：整體、高、中、低成就學生上課感受結果摘要表... 125

表 73：整體學生學習效率與投入分數數值... 126 表 74：實驗組階段學習成就測驗成績與上課感受各面向相關係數矩陣表... 128 表 75：對照組階段學習成就測驗成績與上課感受各面向相關係數矩陣表... 129 表 76：高、中、低成就學生學習效率與投入分數數值... 130 表 77：實驗組高成就階段學習成就測驗成績與上課感受各面向相關係數矩陣表 ... 132 表 78：對照組高成就階段學習成就測驗成績與上課感受各面向相關係數矩陣表 ... 133 表 79：實驗組中成就階段學習成就測驗成績與上課感受各面向相關係數矩陣表 ... 134 表 80：對照組中成就階段學習成就測驗成績與上課感受各面向相關係數矩陣表 ... 135 表 81：實驗組低成就階段學習成就測驗成績與上課感受各面向相關係數矩陣表 ... 136 表 82：對照組低成就階段學習成就測驗成績與上課感受各面向相關係數矩陣表 ... 137 表 83：學習成就分析結果摘要表... 139 表 84：上課感受分析結果摘要表... 140

圖次

圖 1：實驗組（有視覺引導）... 5 圖 2：對照組（無視覺引導）... 5 圖 3：增長樣式的數形規律... 5 圖 4：早期選擇理論... 16 圖 5：晚期選擇理論... 16 圖 6：Broadbent 的過濾器模型 ... 17 圖 7：Treisman 的減弱模型... 17 圖 8：Deutsch 和 Deutsch 的後過濾模型 ... 18 圖 9：干擾項數目對搜尋作業難度的影響... 20 圖 10：搜尋紅色「Ｏ」... 20 圖 11：搜尋紅色「X」及黑色「Ｏ」 ... 20 圖 12：搜尋 T ... 21 圖 13：搜尋橘色正方形... 21 圖 14：特徵整合論... 22 圖 15：錯覺組合... 22 圖 16：特徵整合論... 23 圖 17：搜尋白圓圈... 24 圖 18：搜尋黑圓圈... 24 圖 19：多媒體學習認知模型... 25 圖 20：聽覺/語文通道... 26 圖 21：視覺/圖像通道... 26 圖 22：文字/聽覺通道... 26 圖 23：文字/視覺通道... 27 圖 24：部編版六年級「怎樣解題」單元之例題... 38 圖 25：部編版八年級「數列與級數」單元之隨堂練習... 38 圖 26：二階圖形樣式題... 44 圖 27：「項次階差為相同倍數」之試題... 45 圖 28：「項次階差為相同差數」之試題... 45 圖 29：「二階樣式與其他」之試題... 45 圖 30：研究流程圖... 47 圖 31：實驗教材第 1 題... 56 圖 32：實驗教材第 2 題... 56 圖 33：實驗教材第 3 題... 56 圖 34：實驗教材第 4 題... 56 圖 35：97 年第一次國中基本學力測驗的第 12 題... 57

圖 36-1：1 個灰色正六邊形 ... 57 圖 36-2：以紅色標記 6 個正六邊形 ... 57 圖 36-3：2 個灰色正六邊形 ... 57 圖 36-4：以藍色標記 4 個正六邊形 ... 57 圖 36-5：3 個灰色正六邊形 ... 58 圖 36-6：35 個灰色正六邊形 ... 58 圖 36-7：標記 4 個正六邊形 ... 58 圖 36-8：計算六邊形個數 ... 58 圖 36-9：出現算式 ... 58 圖 37-1：1 個灰色正六邊形 ... 59 圖 37-2：白色正六邊形之小計 ... 59 圖 37-3：2 個灰色正六邊形 ... 59 圖 37-4：白色正六邊形之小計 ... 59 圖 37-5：3 個灰色正六邊形 ... 59 圖 37-6：35 個灰色正六邊形 ... 59 圖 37-7：計算六邊形個數 ... 59 圖 37-8：出現算式 ... 59 圖 38：實驗組教材（第 2 題）... 60 圖 39：對照組教材（第 2 題）... 60 圖 40：90 年第二次國中基本學力測驗的第 16 題... 61 圖 41：實驗組教材（第 3 題）... 61 圖 42：對照組教材（第 3 題）... 61 圖 43-1：出現 1 個正方形 ... 62 圖 43-2：標記新增吸管數 ... 62 圖 43-3：出現 2 × 2 個正方形 ... 62 圖 43-4：標記新增吸管數 ... 62 圖 43-5：出現 3 × 3 個正方形 ... 63 圖 43-6：標記新增吸管數 ... 63 圖 43-7：出現 20 × 20 個正方形 ... 63 圖 43-8：標記新增吸管數 ... 63 圖 43-9：出現算式 ... 63 圖 44-1：出現 1 個正方形 ... 64 圖 44-2：標記新增吸管數 ... 64 圖 44-3：出現 2 × 2 個正方形 ... 64 圖 44-4：標記新增吸管數 ... 64 圖 44-5：出現 3 × 3 個正方形 ... 64 圖 44-6：標記新增吸管數 ... 64

圖 44-7：出現 20 × 20 個正方形 ... 64 圖 44-8：標記新增吸管數 ... 64 圖 44-9：出現算式 ... 64 圖 45：學習效率圖... 72 圖 46：投入分數圖... 73 圖 47：學習效率與投入分數圖 ... 74 圖 48： 整體學生階段學習成就測驗及延後測平均成績折線圖 ... 77 圖 49： 整體學生階段學習成就測驗及延後測前四題平均成績折線圖 ... 83 圖 50： 整體學生階段學習成就測驗及延後測後四題平均成績折線圖 ... 83 圖 51： 整體學生階段學習成就測驗及延後測各題平均成績折線圖 ... 84 圖 52： 高成就學生階段學習成就測驗及延後測平均成績折線圖 ... 88 圖 53： 高成就學生階段學習成就測驗及延後測前四題平均成績折線圖 ... 92 圖 54： 高成就學生階段學習成就測驗及延後測後四題平均成績折線圖 ... 92 圖 55： 高成就學生階段學習成就測驗及延後測各題平均成績折線圖 ... 93 圖 56： 中成就學生階段學習成就測驗及延後測平均成績折線圖 ... 96 圖 57： 中成就學生階段學習成就測驗及延後測前四題平均成績折線圖 ... 102 圖 58： 中成就學生階段學習成就測驗及延後測後四題平均成績折線圖 ... 102 圖 59： 中成就學生階段學習成就測驗及延後測各題平均成績折線圖 ... 103 圖 60：低成就學生階段學習成就測驗及延後測平均成績折線圖... 107 圖 61：低成就學生階段學習成就測驗及延後測前四題平均成績折線圖...112 圖 62：低成就學生階段學習成就測驗及延後測後四題平均成績折線圖...112 圖 63：低成就學生階段學習成就測驗及延後測各題平均成績折線圖...113 圖 64：整體學生學習效率與投入分數圖... 127 圖 65： 高、中、低成就學生學習效率與投入分數圖 ... 131

第一章 緒論

本章共分五節，主要說明本研究之研究背景與動機、研究目的、研究問題、 研究範圍與限制及名詞解釋。

1-1 研究背景與動機

人是尋求規律的動物。數學裡有許許多多不很複雜的規律可讓學生去尋求。 尋求規律很有趣，而且可以累積許多經驗，以便用於其他領域中規律之尋求（曹 亮吉，2000，引自黃敏晃所著「規律的尋求」一書之曹序）。法國數學家何密得 ( Charles Hermite, 1822~1901 ) 曾寫道：在一團亂糟糟的事物中，一條小小規律的 覺察，宛如黑暗中摸索時的一線光明，常引導我們到達新的數學天地。這份經過 「柳暗花明又一村」帶來的喜悅，就是許多學者窮畢生之力，研究純粹科學的內 在動機。對中小學學生而言，這個境界也許太高。但無疑的，每條小小規律的覺 察，都帶來「我找到了」的成就感。這種成就感就是鼓勵學生學習數學最好的原 動力（黃敏晃，2000）。 在幼稚園的教材或學前幼教光碟中即出現尋求規律的活動，最常見的是規則 排列多個物件（包含兩、三種），請學童判斷下一個物件是哪一種？例如：「香蕉、 蘋果、香蕉、蘋果、香蕉、蘋果、？」。國小階段則會出現類似排列 30 個正方形 需幾根火柴棒的問題。國中階段與數形規律相關的主題為八年級下學期之等差數 列單元。由研究者於國中任教十多年的教學經驗來看，多數學生對數形規律主題 極感興趣並充滿挑戰的企圖，但是對於代數思維較弱的學生而言，等差數列的公 式反而讓其產生混淆誤用的情形，另外，教師在課堂上以板書教學時，對於圖形 規律之呈現常感不便與限制。 近年來，隨著資訊融入教學的推行及硬體設備的逐漸普及，教師利用資訊設 備來輔助其教學的時間與比例皆大幅提升。目前數學課堂較常被使用的軟體有 PowerPoint、AMA（原名 MathPS）、GSP、Geogebra、Cabri、Flash…等，這些軟 體各有其優劣之處，許多研究亦指出：透過資訊科技的優勢來輔助教學，在數學

上進行數形規律教學時，若有資訊器材的輔助，則可大幅降低黑板板書的困難度。 因此，研究者希望利用資訊科技的優勢來設計此主題的多媒體教材，以達到減輕 學生認知負荷、提高學習成效的效果。然而，就研究者於教學的第一線現場觀察 發現，資訊融入教學並不保證能提高學生的學習興趣、提升學習效果。即便有資 訊器材的輔助，在新奇感消失後，更該思考的是數位教材該如何設計，才能減輕 學生認知負荷、提高學習的成效？具體而言，相較於教學時所須遵循的教學原理， 在設計數位教材時，該遵循的設計原則為何？ 剛開始推行資訊融入教學時，重點在於是否有使用資訊科技來輔助教學，然 而，數位教材的品質才是資訊融入教學的成敗關鍵。陳明璋（2008）基於認知科 學與多媒體學習理論，提出以課堂授課為導向之「激發式動態呈現( Trigger-based Animation )」教學概念，配合視覺化的方式降低教材的外在認知負荷，將結構化的 關聯突顯出來，以促使學習者的主動學習。目前可依循的數位教材設計原則有： 根據完形心理學之群化原理、圖地原理、知覺理論、視覺設計原理等理論，所體 歸納出基本安排、動態觀察、靜態觀察及師生互動等四大面向之層次性、對比性、 比較性、定位性、演化性、結構性、步驟性、關聯性、互動性及隨機性設計原則 （邱建偉，2005；蘇柏奇，2006）；根據視覺設計原理，對於媒體呈現時的構圖、 色彩、造型元素、文字、視覺引導策略、動態呈現等的設計原則（李進福，2006）。 另外，可藉由適性指標 ( adaptive pointer ) 之「協助視覺搜尋」及「引導注意力」 的特性來引導學習者注意力至關鍵的教學訊息上，以節省認知資源來進行更重要 的認知處理（林煜庭，2007）。而一般習慣由板書來進行教學的代數教材方面， 則可遵循教學內容結構化、教材呈現區塊化、建立訊息關聯及口語簡化解說四大 原則並搭配適性指標教材設計原則來提升數位教材品質（謝東育，2009）。 多項研究（黃振順，2007；洪榮忠，2007；吳帝瑩，2007；張祐誠，2007； 曾妙玲，2007；黃建欽，2008；廖家瑩，2009；曾椿惠，2009；吳嘉惠，2010； 廖真瑜，2010；鄭勃毅，2010）以上述所提出的設計原則為基礎，在二元一次方 程式（文字題列式、圖形、解方程式）、一元一次方程式、二次函數圖形、尺規 作圖、遞迴關係、排列組合、重心幾何證明、外心等主題上，獲得顯著的效果。 這些設計原則的歸納及實證研究的發表，一方面將資訊融入教學的議題，從資訊 器材使用量的提高轉變成教材設計品質的優化；另一方面也可降低現場教師對資

訊融入教學的疑慮，提供數位教材設計上可遵循的原則。 教學現場中不外乎教師、教材與學生間的互動，在數形規律的教學中，教材 元件該如何設計，才能讓師、生及教材之間能正確、即時的溝通，並降低學生觀 察規律的負荷。本研究即以認知負荷理論、多媒體學習理論為基礎，對尚未學習 等差數列公式的學生進行數形規律的教學，探究數形規律主題在有視覺引導或無 視覺引導的呈現方式下，對學生的學習成效及上課感受所造成的差異性，以提供 教師作為在進行數位教材設計上的參考。

1-2 研究目的

基於上述研究動機，本研究的目的如下： 1. 探討以有視覺引導或無視覺引導教材運用於數形規律教學，對常態編班學生、 高學習成就、中學習成就學生與低學習成就學生的學習成效之影響。 2. 探討以有視覺引導或無視覺引導教材運用於數形規律教學，對常態編班學生、 高學習成就、中學習成就學生與低學習成就學生在學習上的上課感受之影響。

1-3 研究問題

本研究要探討的問題如下： 1. 有視覺引導或無視覺引導教材運用於數形規律教學，對常態編班學生、高學習 成就、中學習成就、低學習成就學生的學習成效是否有影響？ 2. 有視覺引導或無視覺引導教材運用於數形規律教學，對常態編班學生、高學習 成就、中學習成就、低學習成就學生在學習上的上課感受是否有影響？

1-4 研究範圍與限制

1. 研究範圍 本研究以數形規律為主題，在國中數學課程中與其相近的單元為等差數 列，但本研究之教材只著重於找出其規律性並進行簡單的運算來解題，並不介 紹此名詞及其相關公式。 2. 研究限制 (1) 主題限制 本研究以數形規律為主題進行教學設計及比較以有視覺引導或無視覺 引導呈現時的成效，對於其他不同的數學主題仍需設計不同教材來進行實 驗，不宜類推。 (2) 母群體限制 本研究對象為苗栗縣某國中四個班級的七年級學生，其結果不具足夠 證據推論至全國國中生。 (3) 受試人員限制 由於受試者非研究者任教班級，對研究者教學時的口語表達方式及教 學模式較不熟悉，有可能會影響施測結果。

1-5 名詞解釋

1. 視覺引導 本研究所指的視覺引導為利用顏色來標記圖形遞增的部份，藉由突出的特 徵，協助學習者能在老師講解時，快速搜尋到所指物件；另外，藉由顏色的標 記，減輕學習者在記憶遞增部分所需耗費的心力。實驗組有視覺引導（如圖 1）， 對照組無視覺引導（如圖 2），在其餘條件均相同的情況下，探討視覺引導在學 習成效及上課感受上造成的影響。 圖 1 實驗組（有視覺引導） 圖 2 對照組（無視覺引導） 2. 數形規律 Owen (1995) 大略將樣式區分為重複樣式、結構樣式及序列 ( sequences ) 等三種類型；Copley (1998/2003) 及 Walle (2001/2005) 提出重複樣式與增長樣式 ( growing patterns ) ，其中，增長樣式和 Owen 所指的序列在概念上相似（吳昭 容，2006）。此三種樣式在國中小階段皆會出現，本研究中所指的數形規律係指 增長樣式，如圖 3。

第二章 文獻探討

本章針對認知負荷理論、注意力與視覺搜尋、多媒體學習理論及數形規律進 行探討。

2-1 認知負荷理論

「認知負荷 ( Cognitive Load )」一詞源自於歐美的人體工學與人因工學等領 域，從心理、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。早期 應用於軍事訓練與各種企業上，稱為「心智工作負荷 ( mental workload )」。1980 年代，Sweller 將此概念引入教育界，開始聚焦於教學法及學習內容對於學習者概 念獲得與認知層面的影響（黃克文，1996）。 Sweller ( 1988 ) 認為傳統的問題解決法太強調解題技巧，學習者必須使用大 量的認知記憶能力，導致沒有多餘的認知能力來從事學習與獲得基模，因而造成 認知負荷。他指出認知負荷與工作記憶中的記憶單位數有關，個體若將一大堆的 記憶項目儲存於工作記憶中，就容易造成「過度」的認知負荷。其後，Sweller 等 人將「認知負荷」定義為將一特定工作加諸於學習者的認知系統時所產生的負荷 ( Sweller et al. , 1998 )。

Paas & Merriënboer ( 1994 ) 也認為認知負荷是將一特定工作加諸於學習的認 知系統時，所產生的負荷，也就是工作記憶的負荷。他們進一步並指出認知負荷 是多向度的，包括了「因果要素 ( Causal Factors )」與「評估要素 ( Assessment Factors )」。分述如下：

1. 因果要素是認知負荷的來源，包括任務環境（例如：教材本身結構的複 雜度、壓力、噪音、溫度等）、學習者的特性（例如：年齡、認知能力、 先備知識等）及任務與學習者的交互作用（例如：績效、動機等）。 2. 評估要素可以用來評估個體的認知負荷，包括心智負荷 ( Mental Load )、

心智努力 ( Mental Effort ) 及工作成效 ( Performance )。「心智負荷」為工 作任務本身的困難度或外在環境所造成，「心智努力」則為個體為了完成 任務而付出的努力所造成，若個體對於學習內容所感受到的困難度越 大，或者在心智上需付出的努力越多，則認知負荷就會越大；而「工作 成效」是心智負荷、心智努力融合因果要素所呈現的反應。

2-1-1 基本假定

認知負荷理論對認知架構有四項假定，分別為： 1. 工作記憶區的容量有限 接收資訊時，必須仰賴工作記憶對訊息的處理，但工作記憶區容量 有限，平均能儲存七個元素 ( Elements )，若要進行組織、對比、比較等 處理，則同時間僅能處理 2-3 個。此外，訊息在工作記憶區所停留的時 間極為短暫，若未經覆誦，大約 20 秒就會遺忘。 當處理的訊息本身的內部成分關聯性很強，要相互參照才能了解， 則會耗費工作記憶的容量，產生較大的認知負荷，因而增加學習的困難。 而當處理的訊息提取自長期記憶時，工作記憶限制便會減弱 ( Leahy & Sweller, 2005 ) 。 2. 長期記憶區的容量無限 工作記憶中的訊息經過處理後會進入長期記憶區，長期記憶區的儲 存量不但無限，同時也是永久的（張春興，1996）。長期記憶中所儲存的 內容是專家與生手之差別所在，專家在長期記憶中存有大量的問題狀態 知識與相應的解決策略，面對問題時，可以從中提取較好的策略。反之， 生手則需在工作記憶區中推理以尋找解決之道，耗費較多的工作記憶容 量，因而增加了認知負荷。 3. 知識和技能是以基模 ( Schema ) 的型態儲存於長期記憶區中。 知識和技能是以基模的型態儲存於長期記憶區中，基模在長期記憶 中具有組織與儲存訊息的功能，透過工作記憶區的運作，能將眾多訊息 融成一個複雜的高階基模，成為一個單一的處理單位，因此可使工作記 憶區釋放出更多的資源空間，進而達到降低工作記憶區的負擔。 4. 基模運作自動化 ( Schema Automation ) 是基模建構的重要過程。 人類有控制式和自動化兩種處理訊息方式。控制式處理受意識所控 制，在工作記憶區中進行，運作時佔據較多工作記憶容量；而自動化處 理不太需要意識監控，耗費較少的工作記憶容量，因此可對訊息做更深 入的處理。許多知識技能起初都是經由意識處理，透過不斷地練習之後 才轉換成自動化處理 ( Sweller et al. , 1998 )。

2-1-2 認知負荷的類型

Sweller 等人就教學設計以及訊息在工作記憶區中處理的難度和負荷感的來 源，將認知負荷分為內在認知負荷、外在認知負荷、有效認知負荷，分述如下：

1. 內在認知負荷 ( Intrinsic Cognitive Load )

內在認知負荷和教材本身元素交互作用流量的總量、學習者的先備 知識及專門知識有關。元素交互作用流量的總量越高的教材，學習者必 須在工作記憶區內處理較大量的元素，因而產生的內在認知負荷越高； 而先備知識、專門知識較高者因擁有自動化的高階基模，可以降低工作 記憶區容量的消耗，因此產生的認知負荷較低。 Kalyuga ( 2009 ) 指出若內在認知負荷超出工作記憶的容量，那麼我 們就必須適當去管理它，例如：將最初的目標切割成數個必要處理過程 在工作記憶限度下的子目標，也就是說將教材分割成較小的部份，讓學 習者逐步地處理教材的內容。

2. 外在認知負荷 ( Extraneous Cognitive load )

Clark 等人認為外在認知負荷是指學習者所感受到的心智負荷，但卻 不符合學習目標且浪費有限的認知資源的認知負荷 ( Clark, et al.,2006 )。外在認知負荷與教材的組織和呈現方式有關，藉由修改訊息呈 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 ) 歸納產生外在認知負荷之教學的四種典型如下： (1) 空間／時間分散注意力情況： 將相關內容的表徵分開呈現使得學習者必須大量進行搜尋和比 對的過程。

(2) 過多訊息情況 ( excessive information situation )：

訊息變換的步驟或速度過大，以至於大量新的元素進入工作記憶 或太快進入工作記憶區，而無法成功地與長期記憶的架構整合。

(3) 引發搜尋情況 ( induced search situation )：

未提供適當的引導，無法補足有限的知識，而迫使學習者使用隨 機程序去搜尋。

(4) 重複情況 ( redundancy search situation )：

因為外部的引導使得學習者必須在相同內容卻以不同表徵呈現 的教材間耗費認知資源去進行參照比對。

3. 有效認知負荷 ( Germane Cognitive 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以吸引學 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而造成 的認知負荷感。在不超過學習者總認知負荷量（內在認知負荷、外在認 知負荷、有效認知負荷之總合）的情況下，適當的引入有效認知負荷始 有意義。

2-1-3 認知負荷的教學設計原則

Sweller 等人 (1998) 根據之前認知負荷理論的相關研究結果先提出了七項教 學設計原則，其後Sweller 於 2004 依據眾多實驗證據發展為十一項教學設計原則， 2010 年再歸納成十四項教學設計原則，以下就教學設計所產生的效應與其影響之 認知負荷類型，分述如下：

1. 開放目標效應 ( Goal Free Effect )－外在認知負荷

開放目標效應是指讓學習者在沒有具體的目標下，盡可能地表達個 人思考過程中的任何步驟或結論，適用於解決方式之數量有限及解決方 式和過程是有教育性意義的領域 ( Sweller, 2004 )。 單一目標或標準答案導向的解題方式容易侷限想法，造成較大的認 知負荷，若能讓學習者能不受目標限制的自由思考，不但能降低外在認 知負荷，基模的建構也更有效，當開放目的的問題比傳統問題引發更多 的學習時，開放目的效應就發生。

2. 工作示例效應 ( Worked Example Effect )－外在認知負荷

教師教導程序性知識時，呈現適當的工作示例供新手學習者參考， 協助他理解問題狀態與步驟，可以減少無謂的探索與資源耗損，藉由降 低工作記憶的負荷，使學習者能有更多的資源去形成基模。

3. 完成問題效應 ( Completion Problem Effect )－外在認知負荷

完成問題是指給定一個特定的目標狀態，提供學習者部分的解決方 案，其餘的則由學習者繼續完成，適用於以設計為導向的軟體設計、電 子電路設計、生產流程規劃等主題領域 ( Sweller, et al., 1998 )。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 )－外在認知負荷 當學習者面對必須加以整合才能達到學習與理解的多重訊息來源 時，若這些訊息的分散在不同的位置或時間，學習者必須分散注意力將 訊息保留在工作記憶中並在相關訊息間來回搜尋、比對，耗費額外的工

作記憶資源，以致於增加了認知負荷。Mousavi 等人( 1995 ) 指出許多研 究驗證，將相同內容訊息以實際整合的方式呈現，而不是靠心力去整合 時，可以減低工作記憶區的負荷量、去除分散注意力的效應。 5. 重複效應 ( Redundancy Effect )－外在認知負荷 倘若圖像、文字和口語解說都傳達同樣的內容，而且僅用圖像、文 字或口語其一解說便能將訊息傳達清楚，那麼當多碼同時被展演就會產 生重複效應 ( Sweller, 2004 )。當學習者面對多元但可獨立呈現（不需相 互參照整合就能理解）的訊息時，若這些不同形式的相同訊息在空間或 時間上同時出現，大量的訊息同時進入到工作記憶中，反而會導致工作 記憶負荷過度，增加學習者的認知負荷。例如：當圖片與文字分別都能 解釋內容時，若二者同時放置一起，將強迫學習者去建立二者間的關聯， 此舉非但不能加強學習效果，反而會造成認知負荷（范懿文、陳彙芳， 2000）。 6. 形式效應 ( Modality Effect )－外在認知負荷 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 )。相對於同屬視覺形式的圖像和文字解說，圖像與口語解說分別進 入視覺通道和聽覺通道，不會有通道阻塞和資源不足的問題。來自不同 通道的訊息，可啟動學習者工作記憶運作的輔助系統，共同處理多方訊 息，分擔工作記憶對於訊息處理的負荷量，因此訊息若能被這兩個部門 一起處理，效果將會優於僅使用單一個部門。以人類的認知系統來看， 當同時使用視覺和聽覺兩種處理器，工作記憶即能擴展應用 ( Sweller, 2010 )。

7. 獨立互動元素效應 ( Isolated-interacting Elements Effect )

在學習一份包含了許多高交互作用元素的教材時，會因為工作記憶 區同時要處理許多訊息而造成大量的認知負荷，對於學習十分不利。此 時，可將一部分的互動元素獨立處理，使其成為建構於長期記憶中的基 礎基模，待分別學習完獨立元素後，再學習原始的教材，這種延遲元素 互動性的方式，可將最初的高交互作用轉變為低交互作用，且可透過基 模的自動化使學習更加深入，降低學習者的認知負荷，促進學習成效。

8. 元素交互作用效應 ( Element Interactivity Effect )－內在認知負荷

元素交互作用效應指的是當教材本身的元素交互作用低時，其內在 認知負荷低，即便因教材設計不良而造成外在認知負荷，因總認知負荷 不會超過工作記憶容量，故其外在認知負荷不會是影響學習的重要關鍵 ( Leahy & Sweller, 2005; Sweller, 2010 )。亦即當教材的元素交互作用低 時，就不會有前面所提的認知負荷效應；反之，元素交互作用高時，因 內在認知負荷高，就得去考量外在認知負荷對於學習的妨礙 ( Sweller, 2010 )。

9. 專業知識反轉效應 ( Expertise Reversal Effect )－外在認知負荷

專業知識反轉效應是指某一種教學設計方式對於低先備知識的學習 者是有效的，但對於高先備知識者則會失去效力甚至有負面的結果 ( Kalyuga, 2007 )。專業知識反轉效應即是教學設計的成效與學習者知識 程度的相關性與改變。Kalyuga ( 2009 )指出專業知識反轉效應最重要的涵 義就是設計有效且高效的多媒體認知環境，以符合學習者不同的程度或 不斷改變的專業知識豐富度。

10. 引導漸減效應 ( Guidance Fading Effect )－外在認知負荷

隨著學習者的專業知識增長，範例與提示已由內在認知負荷轉為多 餘的外在認知負荷，引導必須逐步減少，使學習者自行完整的解決問題， 以免造成專業知識反轉效應。 11. 變化效應 ( Variability Effect )－有效認知負荷 變化效應是指提供不同問題狀態和情境的題目讓學習者去練習，藉 由題目的變化促使其基模發展，而進一步強化學習轉化的能力。 高度變化的題型雖然會增加學習或練習過程中的認知負荷，但卻能 獲得更好的轉化效果，因此所增加的認知負荷與學習是直接相關的， Sweller ( 1998 )推斷所增加的是有效認知負荷，而非外在認知負荷。宋曜 廷（2000）指出教師進行教學時若能營造有變化的學習情境或轉換問題 的狀態，將有助於學習者運用多元的訊息處理管道，建立其學習基模。 雖然轉換問題情境表面上看來似乎會造成更大的認知負荷，但事實上卻 有助於引起學習者的注意力，使其更投入與學習有關的作業，因此在學 習遷移上的效果將更為明顯。

12. 整體－模組效應 ( Molar-Modular Effect )－內在認知負荷 整體 ( Molar ) 是以整體的觀點，側重於問題的類別和整體解決方案 及其相關的程序，提供學習者一個整體的方法或程序，供其依循後解決 問題，然而這樣的模式使得學習者必須在同一個時間處理許多必要訊 息，造成高度的內在認知負荷。模組 ( Ｍodular ) 是將複雜的解決方案 分解成更小且有意義又能分開傳達與被理解的解決方案元素 ( Gerjets, et al., 2004, 2006 )；也就是將目標分割成數個子目標，分開達成然後統合。 整體－模組多用於工作示例上，讓學習者逐步推導出數個結果，然 後再歸納彙集成最後結論，與獨立互動元素效應的概念相似。Gerjets 等 人（2004）建議在最初的技能或理解上，先使用模組化形式，而後再切 換至整體化形式使技能和理解繼續發展。 13. 想像效應 ( Imagination Effect )－有效認知負荷 當學習者被要求想像一個過程或概念時，其表現會超越被要求研讀 同樣過程和概念的學習者，這即是想像效應 ( Cooper, Tindall-Ford, Chandler, & Sweller, 2001; Leahy & Sweller, 2004; 2005 )。學習者在進行想 像時，必須將相關的基模提取至工作記憶中進行處理，促使基模自動化， 故可提升有效認知負荷，加強學習效果。 想像效應的前提是學習者必須具備相關知識的基模，若學習者的基 模尚未建立，想像指令會產生外在認知負荷讓工作記憶超載並讓想像指 令失效。為此，先備知識低的學習者適用研讀指令來建立基模 ( Leahy & Sweller, 2004; Sweller, 2010 )。 14. 自我解釋效應 ( Self-explanation Effect )－有效認知負荷 自我解釋效應要求學習者嘗試解釋一個新的過程或新的概念。 Sweller ( 2010 ) 指出這樣的動作引導認知資源（有效認知負荷）去處理 有關的互動元素（內在認知負荷）。 自我解釋效應和想像效應與想像效應有關，此兩效應藉由鼓勵學習 者進行與一般學習不同的活動，將偏離的認知資源重新導向，進而減少 外在認知負荷。Sweller ( 2010 ) 指出教學者可以引導並鼓勵學習者去使 用認知過程，取代直接教導，以消除與學習無關的活動。

2-2 注意力與視覺搜尋

課堂活動包含教師（口語引導、講解及提問）、學生及實體教材（黑板、投影 幕及課本）三者間複雜的交互作用，當學生面對來自於教師及教材的大量刺激輸 入時，只有部分刺激可以被注意到、得到較多的認知處理。因此，實體教材之呈 現，標的物是否易於吸引注意（以得到較多處理），非標的物是否傾向被忽略（以 免耗費認知資源），這兩類物件的呈現是否恰如其分是相當重要的議題。以下將就 注意力、選擇性注意力、視覺搜尋等議題進行探討。

2-2-1 注意力

注意力指的是我們主動處理有限的訊息，這些訊息來自我們的感官、我們所 儲存的記憶以及其他認知歷程所可獲得的大量訊息，它包含了意識和潛意識的歷 程（李玉琇、蔣文祁譯，2005）。注意蘊涵兩種普遍的概念（陳學志主譯，2004）： 1. 注意是一種心智處理： 注意可被視為一種將心智努力集中於某一刺激或是某一心智事件的 心智處理。在此定義中，我們將注意視為發生在認知系統中的一種活動， 亦即一種處理，而這個處理將我們的心智努力聚集在一個外在的刺激或 一個內在的心智事件。 2. 注意是一種有限的心智能源： 注意是一種供給心智系統動力的有限心智能量或能源，它是心智的 必需品，有這種能量的聚集才能運轉。有無數的實驗結果證實注意容量 有其限制，亦即我們一次所能注意及執行不同事情的數量有限。 注意力是外界大量的訊息是否可以經由感官進入短期記憶中處理及儲存的一 個重要選擇機制（葉素鈴，1999）。感官中的任何刺激都必須經過注意從中加以篩 選取捨，才有訊息處理之可能。唯注意是有限能源，我們不能同時注意各種支離 分開的感覺（朱敬先，2002）。 William James ( 1890 ) 區分了注意的主動與被動模式。當受到個人的目標以下 行的方式控制時，注意就是主動的；當受到外界刺激以上行的方式控制時，注意 就是被動的。Yantis ( 1998 ) 認為「由刺激所驅動的注意控制會比由目標所驅動的 注意控制來得快速和有力。」這是因為我們通常需要費一番處理的功夫，才能決 定哪個刺激和當前的目標最有關（李素卿譯，2002）。

2-2-2 選擇性注意力

選擇性注意力 ( selective attention ) 是指面臨兩種或兩種以上的輸入訊息時， 選擇注意某些刺激而忽略其它刺激。 人的心理資源有限，不可能同時處理過多的事項，因此同時湧進的無數刺激 中只有少數能在某些階段被挑選出來做較精細的處理，其他未被挑選到的刺激可 能僅作極粗略的處理，或是根本不處理，或是仍有相當的處理，但最後在採取適 當的行動時，限於一次只能做一個動作而必然要有所取捨（葉素玲，1999）。 這些模型的不同在於它們對於進來的訊息是否有一個明顯的「過濾器」，以及 如果有，過濾的產生是在訊息處理的哪一個階段 ( Pashler, 1998 )。早期選擇論的 觀點認為辨識物體的資源有限，故須在辨識階段做早期選擇，所有視覺刺激平行 進入視覺系統內，利用注意力選取某些刺激進行知覺分析而達到物體辨識的歷 程，其他刺激則因未經處理而無法辨識（如圖 4）；相對的，晚期選擇論的觀點則 認為辨識物體的資源無限，只要在晚期階段選擇適當的反應即可，不僅物理刺激 平行進入視覺系統，也同時進入物體辨識的歷程（如圖 5）。 圖 4 早期選擇理論（粗箭頭代表注意力作用階段，在物體辨識之前） 引自葉素玲，1999 圖 5 晚期選擇理論（粗箭頭代表注意力作用階段，在物體辨識之後） 引自葉素玲，1999

針對幾個不同的論點，說明如下： 1. Broadbent ( 1958 ) 指出所有進入感官的刺激都會先平行（同時）地進入 一個短暫儲存的緩衝器中，接著過濾器 ( filter ) 據物理特性來篩選訊 息，一次最多只有一個訊息可以通過過濾器，通過過濾器篩選的訊息， 才能夠進入到知覺系統中作進一步的分析，未通過濾器的刺激則完全的 被屏除、不被處理。 圖 6 Broadbent 的過濾器模型 引自李玉琇、蔣文祁譯，2005 2. Treisman ( 1964 ) 認為外界訊息進入到處理系統後都會接受某種程度低 層次的分析，未被注意的訊息並非完全被排除在處理系統之外，而是一 個逐漸減弱的歷程。所有跟目前期望相符之刺激的閾限值 ( threshold, 能 引起反應的最小物理能量 ) 比較低，在未獲注意之管道得到部分處理的 刺激，有時會超過意識覺察的閾限。亦即：對某些較強的刺激而言，減 弱的效果並沒有大到可以阻止這個刺激穿透信號削弱機制。 圖 7 Treisman 的減弱模型 引自李玉琇、蔣文祁譯，2005

3. Deutsch 與 Deutsch ( 1963 ) 認為注意力作選擇的階段在較晚期的反應動 作階段。所有刺激進入時依據其重要性有不同的比重，所有刺激皆會進 入物體辨識的歷程而得到完整的分析，而只有最重要的訊息可以進入接 下來的處理歷程（如：記憶的儲存、動作的反應）。 圖 8 Deutsch 與 Deutsch 的後過濾模型 引自李玉琇、蔣文祁譯，2005 4. Neisser ( 1967 ) 綜合早期選擇和晚期選擇模型，指出注意力受前注意力和 注意力兩個歷程支配。前注意力、自動的歷程是快速且平行運作的，它 可以用來察覺未注意訊息的物理感覺特性，依照「相似性」、「位置接近」、 「相似運動」等原則先約略區分不同物體，但無法辨識意義與關係；注 意、控制的歷程發生較晚且平行的執行，消耗時間和注意力資源（如： 工作記憶），它可以用來觀察特徵之間的關係並將片段的訊息綜合成一個 物體的心理表徵。 5. Nilli Lavie ( 1995 ) 認為在整個處理歷程中存在無法突破的瓶頸，但注意 力選擇作用的時機在早期或晚期則是依據作業本身的困難度來決定，而 非固定不變的。作業的難易程度造成不同的知覺負荷量，當知覺負荷量 較低時，受試者有多餘的注意力資源，比較容易受到不相干刺激的干擾； 相對的，知覺負荷量較高時，因受試者已經將所有的注意力資源用來處 理困難的作業，故不相干的刺激並不會造成干擾。 6. O’Connor 等人 ( 2002 ) 之實驗操弄困難、簡單兩種作業，除了在螢幕中 央會出現的作業之外，視野的周圍也會出現不同亮度的棋盤格，但是受 試者並不需要去注意棋盤格的變化。核磁造影的結果顯示在作業困難的 情境下，不管周圍出現的是高對比或是低對比的棋盤格，側膝核以及大 腦皮質的活化反應，都明顯低於簡單的作業情境，這樣的結果顯示因為

在作業困難度較高的情形下受試者沒有多餘的注意力資源處理周圍的棋 盤格，所以側膝核的活化反應較低。（引自阮啟弘等人，2005）

2-2-3 視覺搜尋

搜尋指的是掃描環境中特定的屬性－當你不確定某個物體會在哪裡出現時， 主動的尋找它（李玉琇、蔣文祁譯，2005）。進行搜尋作業時，會將我們的注意力 從目標刺激轉移的非目標刺激稱為干擾項，而干擾項的數目會影響作業的難度， 例如：比較在下兩圖中尋找B 的相對難度，即可察覺干擾項 ( P ) 之數量對搜尋作 業難度的影響。 圖 9 干擾項數目對搜尋作業難度的影響 引自http://en.wikipedia.org/wiki/Visual_search ,查詢日期 2012.02.21

Treisman & Gelade ( 1980 ) 將搜尋作業區分為特徵搜尋、結合搜尋，分述如下： 1. 特徵搜尋 ( feature search ) 在特徵搜尋作業中，受試者只需要在同一種特徵下就可搜尋到目標 刺激，例如：圖 10 中，要在一群綠色的「O」及「X」中找到一個紅色 的「O」，由於目標（紅色的「O」）和其它不相關的刺激有顯著不同的 紅色特徵，因此注意力很快的被這個特徵吸引至該空間位置上，從而自 干擾項中分辨出目標。另外，在圖 11 中，紅色的「X」是顏色特徵，黑 色的「O」是形狀特徵，兩者都可以很有效的被搜尋到。 圖 10 搜尋紅色「Ｏ」 圖 11 搜尋紅色「X」及黑色「Ｏ」

特徵搜尋作業時，受試者可以以平行處理的歷程來偵測目標刺激， 干擾項數目的多寡不會影響搜尋難度。對於這種由於目標和其他的刺激 有顯著的不同，而使得受試者可以很快的從一堆不相干刺激中找出目標 刺激，Treisman 稱之為 Pop-Out 現象。 特徵單張是具有顯著特徵的項目，會從顯示畫面中凸顯出來 ( Yantis, 1993 )。當特徵單張是目標時，它似乎可以抓住我們的注意力，使得搜尋 不但簡單，甚至無法避免。但是，任何特徵單張都可以抓住我們的注意 力－即便特徵單張是干擾項。在搜尋特徵單張的目標刺激時，特徵單張 的干擾項會阻礙我們找到目標 ( Theeuwes, 1992 )。例如：在圖 12 中尋 找T，T 是一個特徵單張，但黑色圓圈的出現會讓搜尋作業變慢。 圖 12 搜尋 T（引自李玉琇、蔣文祁譯，2005） 2. 結合搜尋 ( conjunction search ) 在結合搜尋作業中，受試者必須結合較多特徵才能找到目標刺激。 例如：在圖 13 中搜尋橘色正方形，由於目標同時具備特徵「橘色」及形 狀「正方形」，而這兩種特徵在干擾項中都有出現，因此，受試者必須 花較多的時間及投注更多的注意力才能找到目標。在此作業中，受試者 採用序列搜尋的方式，逐個辨別是否為目標刺激，因此干擾項的多寡會 影響作業難度。 圖 13 搜尋橘色正方形

最具影響力的視覺搜尋取向是Treisman所提出的特徵整合論 ( feature

integration theory )。Treisman將物件特徵（如：顏色、大小及特定方位的線條）和 物件本身作了區分，一開始有一個不仰賴注意、快速的初始平行歷程，在此歷程 中，物件的視覺特徵會一起得到處理；接著進行序列歷程，在此歷程中，經由集 中注意物件的位置，可以把各特徵組合成為物件，此時，集中注意提供「膠水」， 就現有的特徵，黏合成單一的物件。而在缺乏集中注意或相關知識的情況下，來 自不同物件的特徵會被隨機組合起來，產生「錯覺組合」( illusory conjunctions )， 如圖 15。 圖 14 特徵整合論 引自：http://en.wikipedia.org/wiki/Feature_integration_theory, 查詢日期：2012.03.16 圖 15 錯覺組合 在特徵整合論中，所有平行進來的物理刺激登錄在特徵圖 ( feature map )中， 例如色彩圖 ( color maps )、角度圖 ( orientation maps ) 等。為達成將同一個位置 的各個特徵整合以形成一個完整物體的目的，注意力「探照燈」作用在一個位置 圖 ( Map of Locations ) 上，序列性的由一個位置掃描到下一個，只有被掃瞄到的

位置上之各個基本特徵才有組合的可能，如圖 16（葉素玲，1999）。在此，特徵 整合理論假設位置圖除了紀錄位置訊息之外，也包含了這個位置涉及哪些特徵圖 的索引資料。當注意力探照燈掃描到這個位置時，便可依照索引資料存取與這個 位置相關的特徵圖（林煜庭，2008）。 圖 16 特徵整合論 根據特徵整合論可以解釋為何特徵搜尋相對容易，而結合搜尋相對困難。在 特徵搜尋作業時，我們會監控相關的特徵地圖，以找尋視野中是否有任何的激發 存在，這個歷程可以是平行的，因此干擾項的多寡不會產生影響；相對的，在結 合搜尋作業時，需要另一個額外的處理階段，在這個階段中，必須使用注意力資 源以將兩種或兩種以上的特徵結合成一個存在特定位置的物體表徵，這個注意力 歷程在同一時間裡，只能結合一個物體的特徵，因此干擾項的多寡會對搜尋作業 產生影響。

Duncan和Humphreys的注意力投注理論 ( attentional engagement theory ) 指出 搜尋作業的困難度決定於目標項與干擾項的相似程度，以及干擾項之間的分歧程

度，而非有多少特徵需要被整合。因為刺激之間的相似性可以很快速的將刺激分 類、分組，視覺搜尋之速度的快慢端看目標項及干擾項是否容易被分開來，因此 當兩者差異性越大時，搜尋越有效率。除了目標項與干擾項之間的相似性之外， 干擾項之間的相似性也會影響搜尋速度，當干擾項之間的相似性（一致性）越高， 搜尋的速度越快。相對於特徵整合理論從受試者在搜尋刺激的角度出發，著重於 特徵之間的空間關係如何被整合，注意力投注理論考慮的是干擾項被排除的可能 性有多大。

Cave 和 Wolfe 的引導搜尋理論 ( guided search theory ) 指出所有搜尋（包含特 徵搜尋、結合搜尋）都涉及兩個連續的階段：1. 在平行階段中，個體根據對目標 項中每一個特徵的處理，同時激發所有可能目標的心理表徵；2. 在序列階段中， 個體根據激發程度，依序評估每一個被激發的元素，接著從被激發的元素中選出 真正的目標。其中，平行階段中的激發歷程會協助引導序列階段中的評估與選擇 歷程。例如：在圖 17 中搜尋白圓圈，此時，干擾項都是黑方塊，平行階段會激發 所有的圓圈且不會激發任何方塊，因此，序列階段就可以很快找出所有的目標項。 而在圖 18 中搜尋黑圓圈，此時，干擾項包含白方塊、白圓圈和黑方塊，平行階段 會激發黑圓圈、黑方塊與白圓圈的心理地圖，其中黑圓圈因為具有結合特徵而在 激發上會最為優先；在序列階段，就首先評估黑圓圈（被高度的激發），但在將黑 方塊、白圓圈視為干擾項而排除前，仍會接著評估它們（被激發的程度較低）。 圖 17 搜尋白圓圈 圖 18 搜尋黑圓圈 引自：李玉琇，蔣文祁譯，2005 引自：李玉琇，蔣文祁譯，2005

2-3 多媒體學習理論

Paivio (1986) 根據多位學者針對圖形與文字在學習成效上研究的結果，認為 人類不只具有單一的記憶儲存方式，因而提出雙碼理論 ( Dual-Coding Theory )， 他指出人類擁有兩套互動而又獨立處理不同類別資訊的系統：語文系統、非語文 系統。此兩套系統對訊息的處理及組織方式不同，有表徵性連結 ( Representational Connection )、關連性連結 ( Associative Connection ) 及參照性連結 ( Referential Connection ) 等三種連結關係。

Mayer (2001) 與多位學者以雙碼理論為基礎，提出「多媒體學習認知理論」( A Cognitve Theory of Multimedia Learnning, 模型如圖 19 )，此理論說明了學習者進 行多媒體學習時，其認知系統如何分配、處理多媒體訊息。其中，多媒體是指文 字（包含印刷文字及口述文字）及圖像（包含靜態的圖片、圖表、照片、地圖及 動態的動畫、影片…等），多媒體學習的定義則為使用文字和圖像共同呈現之材 料來學習。

圖 19 多媒體學習認知模型

資料來源：修改自Multimedia Learning ( 2nd ed. ), Mayer, 2009

2-3-1 多媒體學習理論的基本假設

多媒體學習認知理論有三個基本假設，分別為雙通道假設、有限容量假設及 主動處理假設，分述如下：

1. 雙通道假設 ( Dual-channel Assumption )

根據 Paivio 的雙碼理論與 Baddeley 的工作記憶模型，Mayer 指出 人類的視覺訊息通道及聽覺訊息通道是獨立的，眼睛、耳朵所接收的訊 組織 文字 文字 圖像 耳朵 眼睛 聲音 圖像 語文模型 圖像模型 先備 知識 整合 組織 影像 選擇 文字 選擇 影像 多媒體呈現 感覺記憶 工作記憶 長期記憶 旁白 字幕 圖像

息，分別在視覺通道、聽覺通道中加工，如圖 20、圖 21。 圖 20 聽覺/語文 通道 圖 21 視覺/圖像 通道 不同方式呈現的訊息從各自的通道進入工作記憶，然而學習者可以 將兩個通道所接收的訊息相互轉換。例如：眼睛所接收的字幕訊息藉由 視覺通道進入工作記憶，有經驗的讀者卻可以在心智上將字幕訊息轉化 成聲音在聽覺通道中運作（如圖 22）；相反的，學習者也可以將耳朵接 收到的訊息轉化成圖像在視覺通道中運作（如圖 23）。因此，不論訊息 原先由聽覺或視覺感官所收錄，該訊息可在原先的通道內運作，亦可轉 換到另一通道運作。 圖 22 文字/聽覺 通道 組織 文字 文字 圖像 耳朵 眼睛 聲音 圖像 語文模型 圖像模型 先備 知識 整合 組織 影像 選擇 文字 選擇 影像 多媒體呈現 感覺記憶 工作記憶 長期記憶 旁白 字幕 圖像 組織 文字 文字 圖像 耳朵 眼睛 聲音 圖像 語文模型 圖像模型 先備 知識 整合 組織 影像 選擇 文字 選擇 影像 多媒體呈現 感覺記憶 工作記憶 長期記憶 組織 文字 文字 圖像 耳朵 眼睛 聲音 圖像 語文模型 圖像模型 先備 知識 整合 組織 影像 選擇 文字 選擇 影像 多媒體呈現 感覺記憶 工作記憶 長期記憶

圖 23 文字/視覺 通道 2. 有限容量假設( Limited-capacity Assumption ) 人類在每一個通道所能夠同時處理的訊息量是有限的 ( Clark & Mayer, 2003; Mayer, 2001 )，當大量訊息湧入，僅能保留少部分訊息於工 作記憶中，而這些訊息很可能是片段而非完整的。 3. 主動處理假設 ( Active-processing Assumption ) 學習者會將其接收到的訊息與自己的既有經驗、知識和基模整合出 一致的心理表徵，這個認知處理歷程是主動進行的 ( Clark & Mayer, 2003; Mayer, 2001 )。 主動處理歷程包含三個在工作記憶區中運作的過程，分述如下： (1) 選取相關訊息：學習者之感官收錄文字或圖像訊息，分別形成視 覺與聽覺表徵；訊息表徵藉由選取文字或選取圖像的方式進入 工作記憶區中。 (2) 組織已選取的訊息：學習者組織所選取的文字或圖像訊息，建立 元素間的內在關聯，形成一致的、具有結構的語文模型和圖像 模型，此即 Paivio 所稱的「建立關連性連結」。 (3) 將新訊息與既有知識整合：學習者將語文模型及圖像模型彼此配 對，與長期記憶中的相關既有知識形成外在關聯，並進行整合 以使訊息產生意義，亦即 Paivio 所稱的「建立參照性連結」。 組織 文字 文字 圖像 耳朵 眼睛 聲音 圖像 語文模型 圖像模型 先備 知識 整合 組織 影像 選擇 文字 選擇 影像 多媒體呈現 感覺記憶 工作記憶 長期記憶 旁白 字幕 圖像

2-3-2 多媒體學習理論的教學設計原則

Mayer ( 2009 ) 指出學習過程中有三種認知的處理方式導致認知負荷的產 生，分述如下：

1. 外在的認知處理 ( Extraneous Cognitive Processing )

外在的認知處理是指在學習目標之外，受到教學設計所引起的認知處 理，在認知負荷理論中稱為外在認知負荷。

2. 本體的認知處理 ( Essential Cognitive Processing )

本體的認知處理是指在訊息選取時，將教材本身描繪到工作記憶中所 產生的處理過程，會受到教材本身的複雜性所影響，在認知負荷理論稱為 內在認知負荷。

3. 衍生的認知處理 ( Generative Cognitive Processing )

衍生的認知處理是指在組織和整合訊息時，為了讓學習者更能知覺教 材本身的意義，因而藉由提高學習動機的方式所產生的認知處理，在認知 負荷理論中稱為增生認知負荷。 綜合謝東育（2009）、吳嘉惠（2010）整理 Mayer ( 2009 ) 提出的十二個多 媒體學習認知理論的教學設計原則如下表 1： 表 1 多媒體教材的設計原則 設計原則 說 明 分割原則 教材分割成數個小「片段」，並且能讓使用者自己控制片 段的呈現，會比連續播放的方式，學習效果較佳 事先訓練原則 學習者若能夠事先知道主要概念的名字和特徵，學習效 果較佳 管 理 本 體 的 處 理 形式原則 文字訊息以「旁白」呈現會比「字幕」有更好的效果 （續下頁）

一致原則 排除與主題不相關的文字、圖像或聲音，學習效果較好 信號原則 含有可強調內容組織結構與重點提示的信號之教材，學 習效果較好 重複原則 教材以「動畫＋旁白」比「動畫＋旁白＋文字」有更好 的效果 空間接近原則 相對應之文字與圖像在畫面中「位置接近」會比位置遠 離的學習效果好 減 低 外 在 的 處 理 時間接近原則 相關的文字與圖像「同時呈現」比接續呈現的效果好 多媒體原則 「文字、圖像並用」會比「僅用文字」有更好的效果 個人化原則 用語採「對話式」會比「形式化」有更好的效果 聲音原則 旁白採用「人聲錄製」會比「機器音」有更好的效果 增 加 衍 生 的 處 理 圖像原則 螢幕上有出現演講者的圖像，不見得會有更好的效果 李鈴茹（2009）整理 Mayer ( 2005 ) 所列之數學多媒體學習之教學設計 的相關研究結果如下表 2 所示。 表 2 數學多媒體在教學上的設計原則 類別 設計原則 與Mayer 之多媒體 設計原則之關係 靜態圖 + 印刷文字 靜態圖和相關的文字應的位置應整合一起 (Sweller, Chandler, Tierney, & Cooper, 1990; Tarmizi & Sweller, 1988)

與空間接近原則一 致

應結合靜態圖和口述文字的教材設計方式

(Mousavi, Low, & Sweller, 1995) 與形式原則一致 靜態圖和口述文字結合時，不要呈現相同的 印刷文字 (Mousavi et al., 1995) 與累贅原則相容 靜態圖 + 口述文字 _{對於複雜的圖形材料，應使用信號配合口述} 文 字 ， 來 指 引 學 習 者 的 視 覺 搜 尋 (Jeung, Chandler, & Sweller, 1997)

符合信號原則 動畫 (animation) 加上敘述 (narration)的文

字 ， 會 比 只 有 敘 述 文 字 時 為 佳 (Roxana Moreno & Mayer, 1999; Nathan, Kintsch, & Young, 1992) 與多媒體原則有相 關 動態圖 + 印刷文字 動畫對於高成就 (high-achieving) 和高空間 能力 (high spatial-ability) 的學習者較有益 (Roxana Moreno & Mayer, 1999)

部分符合個別差異 情況

應結合動態圖和口述文字的教材設計方式 (R. K. Atkinson, 2002; Craig, Gholson, & Driscoll, 2002)

與形式原則一致 動態圖

+

口述文字 _{動畫播放時，應使用人聲而非機器音來講述}

(R. K. Atkinson, 2002; Craig et al., 2002) 符合聲音原則

以下就與在課堂授課之教材有關的原則，分述如下： 1. 多媒體原則 ( Multimedia Principle )－增加衍生的認知處理 多媒體原則是指教材同時呈現「文字＋圖像」的學習效果比僅有「文 字」學習的效果好 ( Mayer, 2001 )。這是因為當文字和圖像一起呈現時， 學習者能建立文字及圖像的心智模型，並建構兩者間的關連、進行整合。 反之，只有文字訊息時，學習者得以建立文字的心智模型，而較難建立 圖像的心智模型及兩者間的關連。 2. 信號原則 ( Signaling Principle )－減低外在的認知處理 信號原則是指當多媒體教材含有可強調教材內容組織結構與重點的 提示之信號時，學習者對於教材的理解程度會提高。信號原則的作用不