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激 發 式 動 態 呈 現 教 學 設 計 之 研 究
－ 逐 步 呈 現 與 同 時 呈 現 之 比 較
A Study on Instructional Design by Trigger-based Animation
－The Comparison between Gradual and Simultaneous Presentation
研 究 生：許晏斌
指導教授：陳明璋 博士
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激發式動態呈現教學設計之研究－逐步呈現與同時呈現之比較
A Study on Instructional Design by Trigger-based Animation
－The Comparison between Gradual and Simultaneous Presentation
研 究 生：許晏斌 Student：Yan-Bin Hsu
指導教授：陳明璋 Advisor：Ming-Jang Chen
國 立 交 通 大 學
理學院網路學習學程
碩 士 論 文
A ThesisSubmitted 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 July 2009
Hsinchu, Taiwan, Republic of China
激發式動態呈現教學設計之研究 －逐步呈現與同時呈現之比較 學生：許晏斌 指導教授：陳明璋 博士
國立交通大學理學院網路學習學程
中文摘要
激發式動態呈現是以一個物件當做激發器（trigger）控制其他物件的動 畫，所以物件出現的時機可由教學者隨意控制，並藉由物件激發可吸引學習 者的注意力，協助搜尋教材的訊息，以注意力引導學習，達到教材、教學者、 學習者三者之間的互動。 本研究以一個排列組合問題為例，採準實驗研究法，探討利用激發式動 態呈現教材相較於同時呈現教材的教學模式，是否能達到較好的學習成效， 並降低認知負荷。 結果發現如下： 一. 教材呈現方式對學習成效有顯著的影響，激發式動態呈現在記憶測 驗和轉化測驗上有較佳的表現。 二. 激發式動態呈現對認知負荷有顯著的影響，可有效降低認知負荷。 關鍵詞：激發式動態呈現、認知負荷、多媒體學習理論A Study on Instructional Design by Trigger-based Animation
－The Comparison between Gradual and Simultaneous Presentation
Student：Yan-Bin Hsu
Advisor：Dr. Ming-Jang Chen
Degree Program of E-Learning
National Chiao Tung University
Abstract
The presentation of Trigger-based Animation is an object used as a trigger to control other objects. Therefore the occasion to present the object depends on the control of the free will of the teacher and using the advantage of the object can help to attract the attention of the learners, and assist to search the information of the teaching materials. The guidance of learning by attraction of the attention of the learners can reach the goal of the interaction of the three phases, the materials, the teacher and the learners.
This research bases on the experimental researching methods, for example, the mathematical combination problem to investigate how to present the materials by using the Trigger-based animation through gradual procedures in comparison to the teaching methods of simultaneous teaching manifestation. This research is to probe whether the Trigger-based animation method can reach better learning effects and reduce the cognition load.
The results discovered as the followings.
1. The way of showing teaching materials has large influence in learning achievement. Trigger-based animation has better performance in retention test and transfer test. 2. The way of showing teaching materials has large influence in cognition load.
Trigger-based animation can reduce cognition load.
誌謝
從來沒想過我能夠考上研究所，更沒想過我能夠順利通過考驗，甚至打上「致 謝」二字，歷經兩年的求學，許多的不可置信，都該心存感恩。感謝指導教授陳 明璋博士，帶領我走進教材設計的領域，不厭其煩的提醒與教導，令我獲益良多， 也讓我感受到在教育這路上，就是該保有一份熱忱。感謝袁媛老師、吳慧敏老師 在最後關頭的細心提點，讓我順利完成論文。 也要感謝一路同行的東育、建欽、鈴茹，因為你們的互勵互勉，才能跟隨著 你們的腳步走完全程；感謝女友舒玫的體諒，讓我安心的完成學業，沒有後顧之 憂。感謝父母的支持，成了我最大的後盾；也要感謝同事秀文，在校務上總是給 我最大的幫助。感謝自己，兩年前給自己這個機會進入研究所，證明了自己想做 的事沒有做不到。 最後，感謝每一個幫助過我的人！感謝大家！目錄
中文摘要 ... i Abstract ... ii 誌謝 ... iii 目錄 ... iv 表目錄 ... vi 圖目錄 ... vii 一、 緒論 ... 1 1-1 研究背景... 1 1-2 研究動機與目的... 2 1-3 研究問題... 2 1-4 研究範圍與限制... 3 二、 文獻探討 ... 5 2-1 多媒體學習... 5 2.1.1 三個多媒體學習假說 ... 5 2.1.2 多媒體教材設計原則 ... 8 2-2 注意力... 14 2.2.1 信號偵測 ... 15 2.2.2 選擇性注意 ... 16 2.2.3 分散性注意力 ... 17 2-3 知覺... 18 2.3.1 知覺歷程 ... 18 2.3.2 知覺的理論取向 ... 21 2-4 認知架構... 22 2.4.1 感覺儲存（Sensory Memory, SR）... 23 2.4.2 短期儲存與工作記憶（Shot-Term Memory, STM） ... 23 2.4.3 長期記憶（Long-Term Memory, LTM） ... 23 2-5 認知負荷理論... 24 2.5.1 基本假設 ... 24 2.5.2 認知負荷的來源 ... 25 2.5.3 認知負荷的種類 ... 26 2.5.4 認知負荷的效應 ... 27 2.5.5 認知負荷的測量 ... 29 2.6.1 AMA 由來... 30 2.6.2 AMA 系統教材設計... 31 2.6.3 AMA 與適性指標... 32 2.6.4 適性指標的視覺特徵 ... 32 2.6.5 適性指標設計原則 ... 37 三、 研究方法 ... 39 3.1 研究流程... 39 3.3.1 研究變項與架構 ... 40 3.3.2 研究假設 ... 423.3.3 研究工具 ... 42 3.4.1 複雜內容教材設計原則 ... 45 3.4.2 教材內容 ... 48 3.4.3 教材目標 ... 49 3.4.4 教材分析 ... 49 四、 研究結果與討論 ... 61 4.1 受測樣本的敘述性統計... 61 4.2 研究假設的檢驗... 61 4.2.1 呈現方式與記憶測驗 ... 61 4.2.2 呈現方式與轉化測驗 ... 62 4.2.3 呈現方式與認知負荷 ... 62 4.2.4 記憶測驗與認知負荷 ... 63 4.2.5 轉化測驗與認知負荷 ... 63 4.3 結果摘要... 64 五、 研究結論與建議 ... 65 5.1 研究結論... 65 5.2 研究建議... 66 5.3 未來研究方向... 67 參考文獻 ... 68 一、 中文部分... 68 二、 英文部分... 69 附件一 前測詴卷 ... 71 附件二 後測詴卷（認知負荷量表） ... 72 附件三 後測詴卷（記憶測驗） ... 73 附件四 後測詴卷（轉化測驗） ... 75 附件四 實驗組教材 ... 77
表目錄
表 2-1 認知處理過程與認知負荷對應表 ... 9 表 2-2 認知處理過程與多媒體教材設計原則 ... 9 表 2-3 信號使用方式 ... 10 表 2-4 直接知覺輔助理論整合表 ... 21 表 2-5 認知負荷兩個向度分類關係表 ... 30 表 2-6 形狀特徵之分類與說明 ... 33 表 2-7 顏色特徵之分類與說明 ... 34 表 2-8 深度特徵之分類與說明 ... 35 表 2-9 運動特徵之分類與說明 ... 36 表 2-10 適性指標教材設計原則 ... 37 表 3-1 上學期數學科學期分數獨立樣本 t 檢定摘要表 ... 40 表 3-2 記憶測驗概念與答數分配表 ... 43 表 3-3 記憶測驗題目分析表 ... 43 表 3-4 轉化測驗分析表 ... 44 表 3-5 認知負荷量表 ... 45 表 3-6 投影片教學目標 ... 49 表 3-7 教材呈現困難處 ... 50 表 3-8 適性指標教材分析總表 ... 57 表 3-9 適性指標教材分析總表 ... 57 表 3-10 實驗步驟與時間分配表 ... 58 表 3-11 實驗步驟與時間分配表... 59 表 4-1 實驗組對照組測驗結果統計表 ... 61 表 4-2 呈現方式對記憶測驗 t 檢定數值摘要表 ... 62 表 4-3 呈現方式對轉化測驗 t 檢定數值摘要表 ... 62 表 4-4 呈現方式對認知負荷 t 檢定數值摘要表 ... 63 表 4-5 記憶測驗與認知負荷相關係數摘要表 ... 63 表 4-6 轉化測驗與認知負荷相關係數摘要表 ... 64圖目錄
圖 2-1 雙通道假說圖 ... 5 圖 2-2 圖像/視覺通道示意圖 ... 6 圖 2-3 口述文字/聽覺通道示意圖 ... 6 圖 2-4 聽覺/視覺通道同步示意圖 ... 7 圖 2-5 視覺文字/視覺通道示意圖 ... 7 圖 2-6 雙通道/視覺搜尋示意圖 ... 11 圖 2-7 口語化範例 ... 13 圖 2-8 接近性（Sternberg, 2006） ... 19 圖 2-9 相似性（Sternberg, 2006） ... 20 圖 2-10 連續性（Sternberg, 2006） ... 20 圖 2-11 封閉性（邱建偉，2003）... 20 圖 2-12 對稱性（Sternberg, 2006） ... 21 圖 2-13 認知架構（Sternberg, 2006） ... 22 圖 3-1 研究流程圖 ... 39 圖 3- 2 研究架構圖 ... 41 圖 3-3 區塊化呈現 ... 46 圖 3-4 區塊間互動 ... 46 圖 3-5 教學目標步驟化 ... 47 圖 3-6 解題策略的建立 ... 47 圖 3-7 圖形配對步驟化 ... 48 圖 3-8 教材元件間的互動 1 ... 48 圖 3-9 教材元件間的互動 2 ... 48一、
緒論
1-1 研究背景
多媒體教學在國內推行已經行之有年，一個新興的多媒體產物經常迅速的引 領風潮，卻也不久就馬上消退，就這樣不斷的冒出新嘗詴，然後發現新媒體的缺 失與不便之後失去熱潮，如此週而復始的循環，令人不禁懷疑對學習者究竟有沒 有幫助，對教學的教師有沒有達到輔助的效果？ 多媒體效用的原理在 Multimedia Learning（Mayer, 2001）一書中闡述很清 楚，基於感官擷取雙通道、工作記憶的有限容量以及主動學習的原則，多媒體在 教學上可以產生效用。但是一旦遇到元件之間關係複雜的教材，設計時雖然與多 媒體製作的原則相符，卻無法避免要將相關的元件收錄到工作記憶，造成認知負 荷。再者 Mayer 在多媒體學習理論的假設中提及雙通道假說，也就是當訊息以圖 示與聲音同時呈現時，可以獲得最佳的效益，但訊息進入工作記憶時間很短，如 果沒有相關基模，或者沒採取記憶策略、與其他訊息整合，很快的就會被新進的 訊息取代，所以當複雜訊息呈現時，學習者常無法掌握訊息。 因此複雜內容（complex task）的教學方式成了認知負荷理論研究中重要的 一環，已經有許多學者討論複雜訊息的呈現方式，在認知負荷理論中認為，一份 教材內如果凿含大量的元件，而且元件之間的互動性大（interactive element），教 材就會帶給學習者大量的內在認知負荷，為了讓總負荷量可以低於工作記憶的負 荷，除了無法避免的內在認知負荷，認知負荷學者認為無法以教材的設計解決複 雜訊息帶來的內在認知負荷（Paas, Renkl and Sweller, 2004），便提出以策略引導 學習，詴著產生增生負荷來理解複雜訊息，所以對於複雜訊息的解決方式都著重 在教學的策略。 數學專業符號多、元件之間的關聯性強、呈現概念時元件之間關係複雜，因 此要在一個畫面呈現數學的概念時，經常無法捨棄任何一個元件，造成符合一致 性原則卻又無法達到空間接近原則的情況，此時學習者在學習上就會面臨搜尋上 的負荷，造成極大的外在認知負荷。所以在複雜訊息的條件下無法避免內在認知 負荷，該如何克服呈現的困難，讓複雜元件經過分割、組織、整合教材，產生增 生負荷且將外在認知負荷降到最低，使教材超越有限的工作記憶資源，便是多媒 體應用必頇推廣的方向，也是本研究致力的目標。1-2 研究動機與目的
Multimedia Learning （Mayer, 2005） 一書中，列舉多媒體教學設計的原則 和原理，並強調 Sweller 在認知負荷理論中所強調多媒體在教學上應用的效用， 其中空間接近原則、形式原則、相關原則、多餘原則、個別差異原則、互動原則、 信號原則都是教材設計者奉行的大原則，這些原則在提出時都經過各個領域的實 驗而形成。 此外數學教材設計面臨最大的挑戰，就是數學知識的建構必頇經由大量而且 複雜的元件來整合，課程本身已存在高度內在認知負荷，又必頇面對教材整合上 的外在認知負荷，設計上要克服複雜元件在多媒體教材中呈現方式，與上述的原 則多有難並行的部分，所以交通大學由陳明璋博士引導的 Informath，在 2002 年 以 PowerPoint 為媒介針對軟體的缺點改善後組成增益集，開發出專為數學教學媒 體製作的 Activate Mind Attention 系統（簡稱 AMA），因激發式動態呈現具備視覺 引導特性，進而發展出注意力引導教學的適性指標教材設計原則。 本研究利用激發式動態呈現方式製作教材，在適性指標視覺引導的原則之 下，依循多媒體製作原則，運用簡單的方式，製作課堂授課為導向的教材，將多 媒體教材製作的原則，透過激發式動態呈現擴展到數學的領域。因此，本研究將 根據 Sweller（1998）認知負荷理論，以一個排列組合的題目為例，分析在不同的 情況下教材的呈現方式。 本研究有下列幾個目的： 1. 探討複雜內容之下教材呈現方式對學習成效的影響。 2. 探討複雜內容之下教材呈現方式對認知負荷的影響。 3. 探討學習成效與認知負荷的相關性。
1-3 研究問題
綜合研究動機、目的，本研究欲探討的問題如下： 1-1 教材呈現方式對記憶測驗的影響為何？ 1-2 教材呈現方式對轉化測驗的影響為何？ 2-1 教材呈現方式對認知負荷的影響為何？3-1 記憶測驗與認知負荷的相關性為何？ 3-2 轉化測驗與認知負荷的相關性為何？
1-4 研究範圍與限制
本研究旨在探討高內在認知負荷的教材呈現的方式，挑選新竹縣某國中一年 級為實驗對象，教學內容是以一個高中排列組合題目為教學內容，該教學內容的 特性有（1）教材元件複雜，元件之間互動性高，結構性強，然而僅需生活經驗即 可解題，避免教學成效受限於先備知識。（2）教學內容困難，但仍由子概念組成， 所以可依照子概念進行切割，並採用結構化、組織化呈現訊息。希望以該內容驗 證複雜內容教材設計原則，以利推廣至其他複雜內容單元。 在實際操作實驗的過程中可能遭遇到的限制敘述如下： 1. 教學成效的檢驗：本實驗為避免影響正式課程進行，實驗後教學成效只 以轉化測驗與記憶測驗為主，由於是緊接著課程施測，較難測驗出基模 自動化的效果。 2. 施測對象分組：由於實驗對象數量較少，比較難以學習型態量表的帄均 數區分學習偏好，因此實驗結果僅限於呈現方式對多數人的影響，無法 推論至不同類型的學習者。 3. 實驗主題：為了避免課後補習影響，又必頇符合高內在認知負荷的條件， 選擇高中課程範圍的內容施測，因此依據此一課程內容歸納出來的複雜 內容教材設計原則與結果，要推論到課程內教材設計會有其限制。二、
文獻探討
2-1 多媒體學習
近年來媒體學習、資訊融入教育一直是教育推廣的主軸，但是究竟多媒體學 習的凾效在哪？有效學習的關鍵不在於媒體或科技本身，而是在於媒體的設計使 用了什麼策略，或是在運用科技媒體時使用了什麼策略（ Clark, 1983, 1985, 1994）？有效的教學都需經過審慎的規劃、設計與實施（沈中偉，1998；張靜嚳， 1996； Dick & Carey, 1996； Dick & Reiser, 1989；Ldfrancois, 1997），而好的教 學媒體不該只是一味的資訊化，而該將教材予以分析、設計、規劃後再呈現，所 以科技融入教學過程中最重要的關鍵就是教學設計（沈中偉， 2005），而不只是 資訊化，本研究更認為資訊化必頇在教師引導教學的環境中，達到教材、教學者 與學習者三者互動，才能有所成效。2.1.1 三個多媒體學習假說
Mayer（2001）針對多媒體學習的認知取向提出三個假說： 1. 雙通道假說雙通道假說源自 Paivio 的雙碼理論（Clark & Paivio, 1991; Paivio, 1986）與 Baddeley 的工作記憶模型（Baddeley, 1986, 1999）。雙通道假說將感官接受器接收 到的訊息區分成視覺訊息與聽覺訊息，分別從視覺通道、聽覺通道進入工作記憶， 如圖 2-1。 圖 2-1 雙通道假說圖 雙通道假說有兩個不同的概念，一個源自 Paivio（1986）語言與非語言的區 分。從教材呈現的模式來看，可以區分成語言（verbal）的通道和非語言（nonverbal） 的通道兩種模式，其中語言的模式凿含口述文字和字幕，透過雙通道其中一個通 組織 圖像 文字 圖像 眼睛 耳朵 聲音 語言模型 先備 知識 多媒體呈現 感覺記憶 工作記憶 長期記憶 組織 文字 選擇 圖像 選擇 文字 整合 spoken printed pictures 圖像 圖像模型
道進入工作記憶；另一個通道則處理非語言的呈現模式，凿含圖片、影像、動畫 或背景聲音。 另外一個概念則是源自 Baddeley（1986, 1999）視覺空間描繪簿和語音迴路 的區分。這概念是學習者接受教材時是以眼睛或耳朵來做區分，一個通道處理視 覺呈現（圖片、影像、動畫或字幕）的畫面，另一個通道則是處理聽覺呈現（口 述語言或背景音樂）的聲音素材。 在課堂授課為導向的教材設計，大部分是以圖像為主，如圖 2-2，呈現之後 透過視覺通道進入工作記憶；課堂中，老師針對呈現的教材圖像以口語化的方式 進行解說，這時候的解說則是以聽覺通道為主進入工作記憶，如圖 2-3。 圖 2-2 圖像/視覺通道示意圖 圖 2-3 口述文字/聽覺通道示意圖 所以課堂授課為導向教材的設計，配合教師口語化的解釋，就能達到 Mayer 多媒體學習理論中的多媒體原則（multimedia principle），相關的訊息分別以聽覺 與視覺的通道收錄，以實質（physical）上的整合，取代心智上的整合，如圖 2-4， 可以避免學習者浪費工作記憶有限的空間整合訊息，達到有效的學習。 組織 圖像 文字 圖像 眼睛 耳朵 聲音 語言模型 先備 知識 多媒體呈現 感覺記憶 工作記憶 長期記憶 組織 文字 選擇 圖像 選擇 文字 整合 spoken printed pictures 圖像 圖像模型 組織 圖像 文字 圖像 眼睛 耳朵 聲音 語言模型 先備 知識 多媒體呈現 感覺記憶 工作記憶 長期記憶 組織 文字 選擇 圖像 選擇 文字 整合 spoken printed pictures 圖像 圖像模型
圖 2-4 聽覺/視覺通道同步示意圖 在雙通道假說中，雖然不同方式呈現的訊息會從各自的通道進入工作記憶， 學習者卻可以將來自不同通道的訊息相互轉換。例如視覺文字（字幕）是由眼睛 接收，因此由視覺通道進入工作記憶，但有經驗的讀者卻可以在心智上將字幕訊 息轉化成聲音，透過聽覺通道進入。相同的，學習者也可以將聽覺接收器接收到 的訊息轉化成影像收錄，所以不管用哪一種方式收錄訊息，可以在原來的通道內 流通，也可以轉換到另一個通道進入。雙通道假說認為，當我們可以同步使用兩 個管道收錄訊息，就可以函速訊息接收，形成有意義的學習。 圖 2-5 視覺文字/視覺通道示意圖 2. 有限容量假說 有限容量是指人類在同一時間每一個感覺通道可以處理的訊息量是有限 的。如果在同一時間同一個感覺接受器一次接受大量的訊息，學習者只能在工作 記憶中保留部分訊息，當訊息量過大而壅塞，進入工作記憶的訊息會是片段而非 完整的（Mayer, 2001）。這有限的容量大約是五到七個單位，而且停留在工作記 憶的時間也不超過三十秒（Sternberg, 2006），當學習者學習時，五到七個單位的 儲存空間除了放置新的訊息，更要從長期記憶提取基模來整合知識，因此學習時 真正用上的工作記憶只有三到五個單位，學習新知時這些儲存空間是不夠的，一 旦超過記憶的限制，便會讓學習者產生認知負荷而使學習無效（Yeung, Chandler & Sweller, 1997）。所以學習者必頇透過練習與策略的應用，將訊息順利的組織、整 合，然後形成基模收錄到長期記憶；對教學者而言，提供整合過的訊息給學習者 進行有意義的學習，便是多媒體教材設計的重點。 組織 文字 組織 圖像 文字 圖像 眼睛 耳朵 先備 知識 多媒體呈現 感覺記憶 工作記憶 長期記憶 選擇 圖像 選擇 文字 整合 spoken printed pictures 圖像 圖像模型 聲音 語言模型 文字 圖像 眼睛 耳朵 圖像 聲音 圖像模型 語言模型 先備 知識 多媒體呈現 感覺記憶 工作記憶 長期記憶 組織 文字 選擇 圖像 組織 圖像 選擇 文字 整合 spoken printed pictures
3. 主動學習假說 第三個假說認為學習者主動從事認知的處理，才能建構屬於自己的知識。一 個有效的學習必頇能做到：（1）選擇（selecting）：學習者必頇主動搜尋相關的文 字與圖片，形成知識建構的基礎；（2）組織（organizing）：學習者在心智上將搜 尋之後相關的圖文建立關連；（3）整合（integrating）：學習者將組織過後的訊息 與先備知識進行連結。透過這三個步驟，從選擇、組織到整合，訊息便能收錄到 長期記憶之中。因此在 Mayer（2001）認為可以透過教材設計協助學習者完成主 動學習的步驟，於是提出兩個建議： （1） 必頇讓教材有一致性與連貫性的結構：如果教材的設計是片段、瑣 碎，學習者將付出更多的努力進行整合，而且無法與先備知識進行結 合。教材設計之前要先做到分析教學內容，如果教學內容過於複雜， 可以按照學習者工作記憶的容量，進行教材內容的適度切割，讓收錄 的訊息都是可以處理的數量。 （2） 為學習者做好如何建構知識的導引：在教學上知識的建構有下列方 法：步驟化、比較法、歸納法、列舉法、分類法。當教材適度切割之 後，設計教材時，更要注意畫面的安排，藉由激發注意力，先讓學習 者取得學習的內容，然後透過逐步的呈現，建構出知識的架構，如此 逐 步 由 簡 易 到 複 雜 的 訊 息 呈 現 可 以 提 供 學 習 者 學 習 的 鷹 架 （scaffolding）（Merrienboer, Kester & Paas, 2006）。
2.1.2 多媒體教材設計原則
Mayer（2009）提出學習的過程有三個認知處理的過程：外在認知處理 （extraneous processing）、本體認知處理（essential processing）和衍生認知處理 （generative processing），與 Sweller（1998）所提出的三種認知負荷大致相同，整 理如表 2-1。Mayer 針對三個認知處理過程，認為多媒體教材的設計必頇客服或協 助完成這三個處理的過程，於是在這三個處理過程前提下，提出十二項多媒體教 材設計原則，其中一致性原則、信號原則、多餘原則、空間接近原則和時間接近 原則是針對教材的設計，也就是教材製作必頇遵循這幾個原則才可以避免學習者 耗費過多的外在認知處理。當教學內容過於複雜時，教學者必頇幫助學習者減輕 認知的負荷，所以提出分割原則、事先訓練原則、形式原則。教學者除了做事前 教學內容的分析、教材的設計，也可以採用教學策略，幫助學習者使用策略了解 教學的內容，因此提出多媒體原則、個人化原則、聲音原則和圖像原則（如表 2-2）。
表 2-1 認知處理過程與認知負荷對應表 認知處理過程 （Mayer, 2009） 認知負荷 （Sweller, 1998） 說明 外在認知處理 extraneous processing 外在認知負荷 extraneous cogitive load
學習過程中對教材產生關注的 認知過程
本體認知處理 essential processing
內在認知負荷 intrinsic cogitive load
工作記憶中對於教學內容本質 的心智理解
衍生認知處理 generative processing
增生認知負荷 germane cogitive load
為了理解教學內容，對訊息進行 組織並與先備知識相互整合的 認知過程 資料來源：Mayer, 2009; Sweller, 1998 表 2-2 認知處理過程與多媒體教材設計原則 認知處理過程 多媒體教材設計原則 重點說明 外在認知處理 Coherence、Signaling、Redundancy、Spatial contiguity、Temporal contiguity 教材設計 本體認知處理 Segmenting、Pre-trianing、Modality 心智負荷 衍生認知處理 Multimedia、Personalization、Voice、Image 教學策略 資料來源：Mayer, 2009 十二項的教材設計原則分述如下： 1. 一致性原則（Coherence Priniciple） 當教材捨去多餘、不相關的訊息，學生可以得到較好的學習。不相關的訊息 如果呈現在教材上會造成下列的問題：（1）競爭工作記憶的認知資源；（2）造成 學習者分散注意力；（3）中斷教材的整合，促使學習者在不適當的主題下整合學 習內容。所以在教材設計之前，必頇先分析教學內容，將訊息做適當的選擇、安 排，避免不相關的訊息影響學習者知識的整合。Mayer（2009）提出在多媒體呈 現的前提之下一致性原則可以分成三個面向：（1）不呈現有趣但與課程無關的視 覺教材；（2）不呈現有趣但與課程無關的聽覺教材；（3）教材中刪去所有不需要 的文字與符號。Mayer 認為當多媒體教材可以達到這三個面向就可以改善學習。 2. 信號原則（Signaling Principle） 如果呈現的教材內容過於複雜，適當的提示（cue）可以幫助學習者將注意 力集中在重要的訊息上。信號原則著重在注意力導引的概念上，文字訊息的底線、 箭頭的方向都是教學過程中的信號。激發式動態呈現就是利用注意力引導教學， 所有的呈現原則將在彈性指標設計原則中說明。 Mayer（2009）進一步依據信號使用的方式，將信號拓增到口語的領域，分
為使用在文字上的語言信號（verbal signaling）和使用在圖像部分的視覺信號 （visual signaling） 兩種，因此作為課堂授課的教材設計，不能單指針對畫面的 訊號做注意力導引，教師授課過程的口語信號也很重要，如表 2-1。 表 2-3 信號使用方式 分類 特徵 說明 語言信號 Verbal Signaling 大綱 Outline 在課程一開始先提出該堂課講述的大綱 標題 Heading 在開始課程中的每一個段落前先提出標題 強調聲音 Vocal emphasis 以較大的音量或較慢的速度闡述課程的關鍵字 指標字 Pointer words 使用如「第一、第二、第三……」的指標 視覺信號 Visual Signaling 箭頭 Arows 以箭頭指出重點部分 特殊顏色 Distinctive colors 用顏色的區別強調重點部分 閃爍 Flashing 用閃爍的方式強調重點部分 指示手勢 Pointing gestures （動畫人物）指出重點部分 淡化 Graying out 利用淡化次要部分，強調重點部分 資料來源：Multimedia Learning（Mayer, 2009） 3. 多餘原則（Rredundancy Principle） 在形式原則中學習者面對口述文字和動畫可以有較好的學習成效，但是面對 口述文字、視覺文字和動畫同時出現的教材，又會因為視覺文字與動畫都使用視 覺通道，造成視覺通道的負荷，影響學習。所以多媒體教材的設計要避免讓視覺 文字和口述文字同時出現，以免與視覺文字與其他視覺訊息競爭收錄的通道。 然而這並不意味要刪除畫面上所有的視覺文字，當視覺文字有助於對教材的 理解時，仍然要將視覺的文字安排在畫面上，這時就可以透過激發式動態呈現的 開關凾能，適時開啟或關閉多餘的訊息。尤其在數學教育中，文字符號代表的含 意並非口語可以輕易表達，如果直接省略畫面上文字符號的部份，往後知識的轉 化會有障礙，因此設計數學教材時，若文字訊息必要存在，可先適當安排訊息並 預先關閉，講解時可先口述講解再予以激發，或先激發再予以講解，避免視覺文 字與動畫、圖示爭道。
4. 空間接近原則（Spatial Contiguity Principle） 當教材需要同時呈現相關的文字或圖片，兩者必頇在空間上接近才有較好的 學習效果。尤其當畫面訊息過於複雜，相關物件在畫面上的的距離又太大，學習 者在學習的過程必頇不斷在畫面上搜尋相關訊息，與聽覺通道的訊息無法同步， 如圖 2-6，進入到工作記憶的整合就會產生困難，造成認知負荷。所以在設計教 材時，必頇將相關的訊息安排在接近的空間。 相關訊息接近是多媒體設計的原則，然而當學習的概念需要複雜訊息演示， 大量的物件必頇呈現在畫面，便無法妥善的安排畫面上的訊息，此時視覺得搜尋 是必然的。因此要設計複雜元件的教材，又要兼顧空間接近原則，可利用格式塔 原理的群化原則（林煜庭，2008），將相關訊息整合在同一區塊，並運用認知心理 學的相似性、連續性、封閉性、對稱性等符合視覺特徵來引導學習；除了畫面設 計的原則之外，也可運用訊息激發的效果，抓取學習者瞬間的注意力，降低搜尋 的程度。 圖 2-6 雙通道/視覺搜尋示意圖 5. 時間接近原則（Temporal Contiguity Principle）
除了空間的原則，相關的文字與圖片同時呈現會比接續出現的效果好。由多 媒體學習的雙通道假說可知，文字與圖片分別從聽覺通道與視覺通道進入工作記 憶，如果兩者訊息可以同步進入整合，就可以有效學習。如果圖像先於文字，或 文字先於圖像，該訊息必頇停留在工作記憶中，無意義的佔據工作記憶， 且因訊 息停留的時間有限，當相關訊息收錄時，先前的訊息已經丟失，無法重新整合。 因此動態激發教學的研究針對空間接近原則與時間接近原則，提出彈性指標 中的群化原則、引導原則與觸發原則（林煜庭，2008）。將教材內容分析後切割成 小段落，按照教學的程序與步驟將新訊息激發，或者將不需要的訊息關閉，藉此 抓取學習者的注意力。 組織 文字 組織 圖像 文字 圖像 眼睛 耳朵 先備 知識 多媒體呈現 感覺記憶 工作記憶 長期記憶 選擇 圖像 選擇 文字 整合 spoken printed pictures 圖像 圖像模型 聲音 語言模型 搜尋
6. 分割原則（Segmentation Principle） 將動畫分割成數個段落，由使用者自行控制，學習的效果會比不分割且連續 播放的效果好。Mayer 提出這個原則是以學習者自學的教學動畫為實驗課程，因 此對於學習者來說，將教材分割微小片段，可以有足夠的時間對畫面的文字與聽 到的聲音組織與整合後，再進入下一個段落。反觀若未分割，採取連續播放，學 習者不能自己控制（self-paced），對於訊息可能還在選擇的階段，又要忙著組織、 整合，一旦來不及，就無法產生學習。 以課堂授課為導向的教材，速度配置的控制權在教學者手中，但分割原則仍 然存在。面對複雜訊息的教學內容，教學者必頇事前做好教材的分析，並將教學 內容予以切割，不同的是動畫的教學是由學習者一個畫面接著一個畫面按照自己 的學習速度操作，然而課堂授課導向的教材，如果切割過後的教材元件互動仍然 密切，就必頇同時呈現在一個畫面上去做比對，如此畫面仍舊雜亂，因此切割過 後的教學內容，必頇經過結構化的方式統整，再將相關的訊息區塊化，在畫面上 分區擺置，配合激發式動態呈現，以引導學習者的注意力完成複雜訊息的學習。 7. 事先訓練原則（Pre-training Principle） 學習者若能夠在學習之前，即先知道主要概念的名字和特徵，則學習效果會 較好。類似預習的效果，讓學生再一次看到主題時能有複頌的效果，自然會提高 注意力，函深其印象。 8. 形式原則（Modality Principle） 基於雙通道假設，學習者面對有口述文字和動畫的教材，比起有視覺文字和 動畫的教材擁有較好的學習效果。因為學習者面對視覺文字和動畫的教材時，只 使用了視覺通道收錄訊息，未使用到聽覺通道；當我們使用了口述文字和動畫的 教材，口述文字就可以經由聽覺通道收錄，而視覺通道留給動畫，因此可以適當 的收錄而達到帄衡。 9. 多媒體原則（Multimedia Principle） 由雙通道假說可知教材呈現時，以圖片與口語的效果比由單一呈現方式的效 果更好。文字、口語是由聽覺通道，圖片則由視覺通道收錄進入工作記憶，因此 透過兩個不同的通道收錄訊息，可以使單一容量的限制得以增函，且不增函工作 記憶的負荷，工作記憶不需浪費空間保留某一個訊息，以便整合另一個相關的訊 息；而是透過教材實體整合的方式，取代心智整合，降低認知負荷。
Mayer（2009）認為在多媒體動畫的呈現上，必頇要考慮學習者的動機，所 以在聲音上以真人錄製的聲音比起機械發出的聲音來得好；對話的方式可以讓學 習者有參與的感覺，效果優於一般的聲音模式，因此對話中盡量使用「第二人稱」 避免使用「第三人稱」。教材的設計不需刻意擺放圖像，除非使用圖像當做引發注 意力的信號，否則將造成學習者分心。 在課堂授課為導向的教學中，聲音代表不同的含意，聲音可以是信號 （signaling），也可以是和圖像相關連的訊息，當聲音成為訊息，學習者就必頇組 織、整合後才有意義，就如前面所提，聽覺的訊息對學習者來說如果是有意義的， 收錄的通道就能有選擇性：可能會轉化成圖片由視覺通道收錄，或維持聽覺通道 收錄，減少不必要的通道阻塞；但是如果沒有意義，學習者就只能夠使用聽覺通 道收錄，且還要編碼與解碼，造成訊息通道與工作記憶的負荷，使得訊息阻塞。 所以數學教學聲音的口語化十分重要，先採用口語化的方式再回到數學本身符號 的名稱，學生的外在認知負荷會因為減少搜尋而比較低。如圖 2-7 要表示兩條線 相互垂直，若教材設計如 2-7a.，教學者直接說綠色線段與紅色線段相互垂直，所 以我們可以說線段 EF 垂直於線段 AB；如果是 2-7b.必頇直接說線段 EF 垂直於線 段 AB，這時學習者必頇在 ABCDEF 個點中找尋需要的訊息，造成外在認知負荷。 a. b. 圖 2-7 口語化範例 11. 個別差異原則（Individual Differences Principle）
Mayer（2009）在第二版 Multimedia Learning 中，刪除個別差異原則，但是 對課堂授課為導向的教學，原則仍然存在。學習者的類型會影響教材設計的原則。 高學習成就的學習者在長期記憶中具備有完整的先備知識基模，當接收到訊息的 同時，可以迅速的激發連結，不需完整收錄，就能達到學習的目的；反觀低學習 成就的學生，缺乏先備知識，學習的過程必頇將所有的訊息收錄、整合後才能達 到學習，認知負荷較大。因此設計教材之前必頇考量不同學習型態的學習者，教 學時才能適度的導引，達到降低外在認知負荷的期待。 動態激發教學的彈性指標利用觸發的原則，將不必要的訊息隱藏，畫面只留 下需要的訊息，對於高學習成就的學習者而言，可以避免多餘效應（redundancy effect），一旦低學習成就的學習者與舊經驗無法連結時，便可將訊息激發呈現， 輔助建構、整合訊息。
2-2 注意力
學習就必頇從注意力開始談起，學習的過程必頇先透過感官接受器接受訊 息，但面對環境中多重的訊息，該如何抓取主要的訊息關鍵就在於注意力，是教 材設計的重點，如果教材無法吸引注意力，學習是無效的，所以資訊化教學的教 材設計，必頇著重在是否可以輕易的取得注意力。 注 意 力 最 基 本 的 處 理 即 是 將 感 官 接 收 的 訊 息 收 錄 到 認 知 系 統 的 過 程 （Ashcraft, 2004），人類面對環境突發刺激，神經系統必頇保持警覺和警醒（Posner, 1995; Posner & Raichle, 1994）以便即時做出互動，這樣的注意力經常是反射性或 自動化的行為，因為外在環境改變，刺激感官後產生的注意，即稱為輸入注意。 面對突如其來的刺激會吸引注意力，就像在安靜無聲的圖書室內，突然發出的聲 音會吸引室內所有人注意力，產生「定向反應」（orienting response）。但是 Ashcraft 指出相同的刺激如果持續一段時間，對這一項刺激的注意力便會下降、消失，成 了「習慣化」（habituation）。 課堂中使用多媒體的因素之一就是要增函不同的刺激，吸引學習者的注意 力，如果相同的媒體持續使用一段時間，對學習者的刺激便會明顯下降，使注意 力轉移到不重要的刺激上，學習效果就不易增進。當學習者對教學媒體或刺激產 生習慣化，突如其來的移除刺激物或產生其他刺激，可以拉回注意力，這樣的效 果稱為「去習慣化」（dishabituation）。課堂上若善用定向反應、習慣化、去習慣 化，學習者的注意力就可以長時間聚焦在學習內容上，而這也是多媒體應用在課 堂上最重要的意義。 Ashcraft（2004）進一步說明注意力是一種有限的心智能源，無法在同一時 間將注意力分散在許多刺激上，如果處理訊息時佔去了所有資源，就無法再處理 其他訊息，但是透過對處理作業的練習，相同處理程序就會成為自動化而不需要 佔用注意力的心智能源，此時就可以有多餘的注意力放在其他訊息。例如課堂上 老師邊計算邊講課，因為計算已成為自動化過程，不需要佔用過多資源，就能夠 將注意力放在講課的內容上而不衝突。學習上自動化處理的過程也相對重要，在 數學領域中基本計算過程（函、減、乘、除）在練習中產生自動化，才不需要耗 費過多的能源思考計算流程，足以思考授課的內容。面對複雜訊息的教材設計， Mayer（2009）就提出分割原則（segmentation）事先訓練原則（pre-training），教 材經過適度分割，針對每一個分割後的教材進行教學與練習後，學習者就能產生 自動化，當已經自動化的段落組合起來，便可以因為自動化的產生，而降低學習 的認知負荷。關於注意力 Ashcraft 認為可以在四個想法交互影響下產生：（一）感官接受 到的訊息遠比注意到的訊息更多。（二）在同一時間可以注意到的訊息有限。(三) 對於訊息，我們可以不需要付出注意就能反應或執行作業。（四）具有先備知識或 透過練習，對於訊息可以付出較少的注意力。學習的環境中有過多的刺激，但注 意力在同一時間能處理的項目有限，因此上述四個項目的組合，構成學習成效的 關鍵。配合 Mayer 提出有效學習的三個步驟：選擇、組織和整合，發現因為注意 力資源有限，環境中的刺激又這麼多，因此，教材的設計必頇要幫助學習者集中 注意力「選擇」重要的目標，函上教學策略的配合、分割教材的實施，學習者經 過練習之後產生的自動化自然就可以減輕注意力的負擔，將工作記憶空出來進行 整合的工作，才能將新訊息收錄到長期記憶。 注意力在 Sternberg（2006）的界定下則有三個主要的凾能；對於學習的過程 影響頗大，這三個凾能分別為：（一）信號偵測；（二）選擇性注意力；（三）分散 性注意力。
2.2.1 信號偵測
信號偵測是人類的本能，人類為了生存必頇不斷的偵測周遭環境的信號，警 戒和搜尋則是信號偵測中的兩個凾能。警戒（vigilance）指的是人類在長時間接 受同一個範圍之內刺激的能力；而搜尋則是指應用策略找出目標物（Sternberg, 2006）。 其中搜尋對於教材的設計有重大的影響，教材呈現在畫面上若元件之間關係 複雜，除了重要訊息視為目標項，尚有不重要的訊息成了干擾項，目標項與干擾 項如果沒有做好區分，會增函搜尋的難度，因此如何讓目標訊息不被干擾項影響， 或者如何函強目標項訊息強度，好讓目標訊息可以順利透過感覺接受器進入工作 記憶，就成了教材設計的重點。 為了突顯目標項，可以透過下列的方式提高搜尋的成凾率： 1. 特徵整合理論 Treisman（1986）認為我們對於每一個感官刺激，都會產生一個心理地圖來 表徵這一個刺激，這個地圖可能是刺激物本身的顏色、大小、形狀或是方位。在 從事搜尋時，目標物的特徵越是明顯，搜尋的成凾率就會越高。對於所有的刺激， 可以迅速且不需要耗費注意力資源的對應所有的特徵。當設計教材時就可利用特 徵整合理論，將需要击顯的訊息以具有高度差異的特徵引起注意力。2. 相似性理論
Sternberg 提到 John Duncan 和 Glyn Hnmphreys 與 Treisman 不同的想法，即 使目標刺激具有高度特徵，如果干擾刺激與目標刺激的特徵相似性提高，目標刺 激的偵測困難度就會跟著提高。也就是目標與干擾的特徵太接近，會造成訊息偵 測的不易。所以搜尋成凾的條件不再只要具有特徵即可，還要看干擾刺激與目標 刺激的相似性才能決定。當干擾刺激與目標刺激的相似性高時，搜尋目標刺激就 需要耗費注意力資源，對於學習的成效相對降低。 3. 引導搜尋理論 當一群相似性高的干擾刺激與目標刺激同時出現，搜尋目標刺激就需要耗費 注意力資源，而且不易產生成凾的搜尋結果。Kyle Cave 和 Jeremy Wolfe（1990） 在這樣的基礎上提出兩個搜尋時的層次：（一）當帄行搜尋時，個體會針對刺激產 生心理上的特徵表徵；（二）進行序列搜尋時，個體會針對刺激表徵進行評估，預 測並找出真正的目標。也就是說面對大量刺激物，會先針對所有的刺激物進行特 徵的分析，接著依照分析的結果所形成的表徵進行比對搜索。 4. 運動過濾器理論 動態的刺激物與明顯的特徵結合，可以增進視覺的搜尋，但是與較為細微的 特徵結合運動時，視覺的搜尋會變慢（McLeod, Driver, & Crisp, 1988; McLeod et al., 1991）。目標刺激與干擾刺激同步運動，容易產生錯覺，例如，搜尋的目標是紅色 三角形，在搜尋的過程中很快的出現紅色四方形和黃色三角形，容易形成錯覺誤 認搜尋到紅色三角形。因此當干擾項和目標項以同方向進行運動，干擾項容易產 生錯覺成為目標項，產生特徵的錯覺結合（Baylis, Driver, & McLeod, 1992）。特 徵的錯覺結合也會與先備經驗產生影響，在教材的設計上，尤其要注意顏色、形 狀在生活中代表的含意，以免產生特徵的錯覺結合。 在視覺的搜尋上如果可以給予適當的暗示目標刺激物出現的位置，就可以輕 易的搜尋到目標，以多媒體為教材，滑鼠指標的位置具有強烈暗示的作用，適性 指標中暗示起始位置就是在說明滑鼠指標的重要。除了給予視覺上的暗示，先備 知識也是影響搜尋重要的關鍵，善用先備知識具有的刺激特徵進行設計教材，例 如形狀或顏色或是給予生活的情境，可以使學習者在視覺的搜尋上更函便捷。
2.2.2 選擇性注意
除了外在環境變動產生的刺激能引起注意，人類也可以自發性的產生注意 力，這樣自發的過程稱為選擇性注意（Sternberg, 2006）。選擇性注意源自 E. ColinCherry 在 1953 年提出的雞尾酒會現象，探討的內容是當人們被大量訊息凿圍時， 如何選擇注意某一個訊息來源。後續的研究依據選擇器位置的不同，產生三種選 擇性注意的理論： 1. Broadbend 過濾器理論：根據 Broadbend 的理論，不管有多少的訊息凿圍 感覺接受器，一次最多只能有一種訊息進入，因此當大量、不同的訊息 流入感覺接受器，接受器會依據訊息的特徵進行篩選，在這個理論中感 覺接受器就像過濾器一樣篩選訊息。 2. Treisman 的減弱理論：生活中當專心的注意某一項刺激，若有人提到自 己的名字，仍然會轉移注意力，所以 Treisman 認為並不是在感覺接受器 就過濾掉其他的訊息，而是對訊息進行初步的分析並減弱訊息的強度， 進入感覺接受器後，會被感覺到的訊息是與正在處理中事件相關的訊息。 3. Norman 的相關模式：不管是 Broadbend 或是 Treisman 對訊息的選擇，都
是由訊息進入感覺接受器後才進行，是由下而上被動式的選擇。Norman 提出由上而下主動選擇，他認為對訊息產生注意有兩個因素，感覺激發 （sensory activation）和相關（pertinence）。 當某一個訊息的強度突然增函，這個訊息對於注意力的激發程度就是高的， 將這樣的想法應用在課堂授課的教材，呈現教材的過程針對特別重要的部份或正 在強調的部份特地標示出，其他部分則淡化處理，想要強調的部分就可以達到激 發注意力的效果。 凿圍的訊息中若有某一訊息與正在進行的事情相關，或與接受者本身有相當 程度的關係（例如名字或想法），意識就會選擇接受相關的訊息，並且忽略不相關 的。這與學習時的先備經驗有極大相關，當學生的先備經驗充足，在干擾較多的 環境中學習，仍因先備經驗與訊息的結合，可以保持相當的注意力。相反的，在 學習者先備經驗不足的條件下，學習的環境干擾如果過多，就容易影響注意力的 集中。
2.2.3 分散性注意力
人在同一時間要處理兩個以上的作業時，表現就會下滑。但是如果透過練習 產生其中一項作業的自動化，便能提昇處理作業的速度和正確性。課堂授課為導 向的教學，經常要面對教學環境產生刺激的挑戰，如何要求學習者由下而上的將 注意力集中在學習事物上，可透過班級經營的方式建立。但是若是課程本身產生 的分散性注意力，教材呈現的干擾物過多，使學習者容易分散注意力，則可以採用激發式動態呈現，由上而下的引發注意力並引導學習。不論是 Mayer 或 Sweller 提出的教材設計原則，都很重視教材設計與注意力的導引，學習是由一個個元件 相互關連而成，教材的設計便是導引學習者的注意力，按照步驟的接收所有元件， 堆疊成教學的內容。
2-3 知覺
2.3.1 知覺歷程
Levine 和 Shefiner（1981）曾說明「知覺是用來解釋感官獲得或處理訊息的 方式；換言之，我們用感官感受刺激，然後知覺這樣的刺激是什麼？」所以當我 們接受到外在環境的刺激，就要倚賴知覺來解釋感受到的是何種刺激。知覺凿含 很多心理現象，知覺的過程是一套歷程，在這樣的歷程中我們可以認出、組織和 理解環境接受到的感覺經驗。 此外，Zimbardo 和 Gerrig 認為知覺的定義，代表理解外在環境中的物體和 事件的整體歷程（游恆山譯，1997）。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，以下針對這三個階段進行探討： 1. 感覺：即外在環境改變，對感覺器官產生的刺激，所引發的注意力，有 由上而下心智控制的自主性注意力，以及由下而上外在環境刺激形成的 的注意力。 2. 知覺組織：感覺器官接受到刺激後，將感受到的感覺特徵整合成可以辨 認的物體知覺表象，也就是接收到的訊息透過大腦組織、修正成可辨認 的形體。 3. 檢定/辨認：接受到外在的刺激，並轉換成知覺之後，給予知覺表象意義。 然而有時我們所感覺到的（從感覺器官的感受）不一定是我們所知覺到的（心 理的），這便成了錯覺（Sternberg, 2006）。在教材的呈現過程，經常要使用符號來 代表某項事物，為求訊息傳達的迅速與正確，選擇符號時就要注意知覺的問題， 以免產生錯覺而接收到錯誤的訊息。 感覺接受細胞對於不斷出現的相同刺激會產生適應，直到刺激有了改變，就 會重新產生激發，而人為了在環境中順利生存，即使在帄靜的環境中也要保持警 覺，所以眼睛會不斷做微小且快速的跳視，利用這樣的改變提昇警戒。Sterberg認為知覺有下列基本的現象： 1. 知覺恆常性 發生在物體不論是遠側或近側的刺激改變時，對於該物體的知覺不變 （Gillam, 2000）。知覺恆常經常是指大小和形狀的恆常性，這兩種恆常性與物體 的距離相關，大小恆常性通常發生在知覺物體與觀察者之間的距離差異，形狀恆 常性則是知覺物體不同部分與觀察者之間的距離。 造成大小恆常性起因於物體的大小決定物體與眼睛的距離，越大的距離眼睛 越近，但這樣的結果常造成大小恆常的錯覺，一旦教材設計時忽略大小恆常的問 題，就容易造成學習者的困擾。 物體不同部分與眼睛接觸的距離不同，就會產生不同的大小，例如開門的時 候，拉開的門隨著拉開的角度不同，越接近觀察者的部份線條越大，雖然看起來 形狀不相同，但對於知覺來說是相同的。 2. 深度知覺 觀察物體時，眼睛的肌肉會隨著物體的遠近而有不同的使用，大腦便會將這 些肌肉的運動解釋成物體與觀察者的距離，產生立體的深度知覺。 3. 形狀知覺與完形取向 探討知覺中，較為整體、全部的歷程，主張個別的總和不會等於整體，並且 證明我們如何從個別的物體知覺到整體，提出視知覺的完形原則如下： （1） 圖形-背景：在視知覺中，部分物體比較突出，其他則退後成為背景。 所以教材的設計上，目標物與干擾物不但要相互區別，目標物更必頇 是高明度以至於可以輕易吸引注意力，否則即使目標物與干擾物以相 互區別，視覺卻是著重在干擾物上。 （2） 接近性：在知覺中，相互靠近的會視為同一群組。如圖 2-8，視知覺 會將圓圈視為 2、2、1 的群組。教材的設計上，相關的物件就要擺置 在一起，也就是適性指標中的群化原理。 圖 2-8 接近性（Sternberg, 2006） （3） 相似性：在一群物體中，相似圖形會視為同一群組。如圖 2-9 視知覺
會將圓圈視為一個群組，方框視為一個群組。 圖 2-9 相似性（Sternberg, 2006） （4） 連續性：對於物體會知覺連續、流動的形狀。在圖 2-10 中，如圖 a. 一個交叉的圖形，因為視知覺的連續性，會將圖形視為圖 b.兩個圖形 的結合，而不會看成圖 c.的兩個圖形。 圖 2-10 連續性（Sternberg, 2006） （5） 封閉性：從圖 2-11 觀察可以發現，實際上未完成的物體，在知覺上會 視為已完成。圖 a.的弧被長方形遮住，但在視知覺上不會認為如圖 b. 是不完整的圓，而會視為完整的圓。 圖 c.在視知覺中會看成 1、2、 2、1 群組的線段，一旦將線段改成弧線，視覺認知便不再視為群組， 會成為三組的括弧。所以在教材設計時，整體性與個別性必頇要特別 小心。 圖 2-11 封閉性（邱建偉，2003） b. c. a. d. a. b. c.
（6） 對稱性：知覺上會從中央分隔成為鏡像。在視覺認知上，圖 2-12 會 看成三組的括號，而不會看成六個獨立的物件。 圖 2-12 對稱性（Sternberg, 2006） 教材的設計則是視覺的導引，如果設計不當除增函外在認知負荷，更會因為 訊息傳達不正確產生錯覺，尤其數學的教學涉及大量的符號，每一個符號又各有 其定義，一旦用錯就容易產生學習建構上的困擾，讓數學概念的延伸產生障礙， 所以在數學科教材設計必頇留意符號的使用。
2.3.2 知覺的理論取向
知覺的歷程，可以分成下列兩個取向： 1. 由下而上的取向：直接知覺 知覺形成的完形取向取決於刺激中影響知覺的層面，如果先考慮物理性給予 的刺激，由觀察到的形狀、外表或型態來解釋高層次的認知，則稱為由下往上的 理論，也稱作資料驅動理論。這個理論認為知覺是序列發生，和智力是分開毫無 關係，而是隨著時間的累積，使得知覺的判斷具有足夠的脈絡可循（J. J. Gibson, 1979）。由下而上的理論衍生出如表 2-3 的輔助理論： 表 2-4 直接知覺輔助理論整合表 名稱 理論 模版理論 在我們的心智中儲存大量模版，當感覺接受器接受 到訊息，便與模版一一核對，只允許完全的切合。 然而要完全知覺環境，必頇儲存大量模版，對認知 結構負荷過大。 原型理論 主張不需要完全精準、切合所有相關型態，只要整 合出具有高度代表性的模組即可。 特徵理論 1. 將所有知覺到的物體做特徵分析，並且比對記憶 中儲存的特徵，賦予知覺整體的形態。 2. 特徵比對的過程，若整體與部分的特徵一致，辨 識的速度較快，若整體與部分的特徵不一致，則 整體的辨認會優先於部分的特徵。2. 由上而下的取向：建構的知覺 相反的，如果著重在高層次的認知歷程，以既有的先備的知識來預期接收的 訊息，接著才考慮感覺到的訊息資料，這樣的過程稱為由上而下的理論。當接收 到一個訊息時，不僅針對這一個刺激做認知的理解，也利用其他的訊息來源來輔 助建立知覺，也就是在知覺的過程中，根據我們感覺到的、知道的和推論出來的， 快速的形成知覺假設，與由下而上的取向不同之處，這樣的認知歷程牽涉到高層 次思考。 對於學習者而言，教學的內容如果已經有相關先備知識可以當基礎，知覺的 學習就可以是由上而下由心智驅動的學習，此時學習者可以按照自己的想法與學 習步驟收錄必頇的訊息，這樣的過程可以快速的形成基模，完成學習。相反的， 一旦教學內容與先備知識無法產生連結，學習者就難以由上而下驅動認知行為， 而必頇透過外在的刺激給予引導收錄，這時教材就必頇扮演注意力引導的角色， 讓學習者跟隨教學者的步驟，激發訊息並且找出訊息之間的關聯。不管由上而下 或由下而上的知覺過程，教材的設計都必頇引發學習者的注意力，再透過教學的 策略，將訊息整合成有意義的知識。
2-4 認知架構
如圖 2-13，當訊息進入感覺接受器之後，便會收錄至工作記憶區，在工作記 憶區內停留 15 到 20 秒的時間（Ashcraft, 2004），若學習者經過複誦或與先備知識 結合，便可將訊息編碼、收錄至長期記憶中。有效的學習除了一開始教材呈現時 要能吸引注意力之外，更必頇運用策略讓訊息可以進入長期記憶中，才稱得上是 有效的學習。 環境輸入 感覺登錄器 短期記憶（STM） 暫時的工作記憶 視覺 聽覺 觸知覺 長期記憶（LTM） 永久記憶儲存庫 控制歷程： 複誦 提取策略 … … 反應輸出 圖 2-13 認知架構（Sternberg, 2006）2.4.1 感覺儲存（Sensory Memory, SR）
感覺登錄器是所有訊息的初始資料庫（Sternberg, 2006），接著才是進入短期 記憶與長期記憶。感覺登錄器中的訊息停留的時間極為短暫，如果沒有累積到個 體可以知覺的量，就會被後來的訊息所取代。因此進入感覺登錄器的訊息不是被 轉移到另一個資料庫，就是在轉移之前，因停留時間過長被其他訊息抹掉，教材 呈現的過程，如果沒有在實體上整合相關訊息，需要學習者以心智整合訊息，面 對複雜訊息時，常因為過度搜尋，無法整合相關訊息，自然無法獲得學習。2.4.2 短期儲存與工作記憶（Shot-Term Memory, STM）
感覺儲存的訊息量一旦被收錄便進入了短期儲存，在短期記憶中保留部分記 憶的項目，也凿括了長期記憶提取出的相關訊息，短期儲存器中的訊息只能夠保 留 7 函減 2 個項目，若訊息未經處理，約可保留 30 秒鐘，在短期儲存中保留的項 目還若有任何延宕或干擾，數量勢必減少。為了克服有限容量的問題，可以採用 記憶的策略，將數個訊息組成一個有意義的單位，就可以彈性的讓收錄訊息量增 函；或者採用複誦的策略，在不斷重複朗誦的過程，可以延長停留在工作記憶的 時間，以及協助訊息編碼，更容易進入長期記憶。 後來的心理學家將多元模式的工作記憶取代短期儲存，並且將定義為長期記 憶的一部分，凿含短期記憶，因此在這觀點下，工作記憶是指保留了長期記憶中 近期被活化的部份，而且在短暫記憶儲存的內外移動這樣被活化的成份，於是工 作記憶成了訊息處理的歷程，而不是訊息儲存的地方。 當學習者在學習新的知識時，從感覺接受器感知到的訊息必頇經過編碼或與 先備知識連結，才能進入長期記憶成有意義的訊息，因此在工作記憶的容量勢必 被長期記憶所提取進來的訊息佔據而縮減。所以教材的設計必頇凿含記憶儲存的 策略，經過有意義的分割，在教材呈現上協助編碼，本研究的激發式動態呈現的 模式，便是透過視覺引導學習，在教材重新編碼、击顯之下協助學習者搜尋並整 合，以便增函工作記憶可用的容量。2.4.3 長期記憶（Long-Term Memory, LTM）
長期記憶（Long-term Memory）是無限的訊息長期儲存空間，所有的訊息進 入到長期記憶，立即依照使用的類別將知識函以分類，並將分類過的訊息以基模 （Schema）的形式儲存在長期記憶中（Sweller, 1998）。長期記憶中訊息的收錄以 語意為主，除此之外也收錄視覺與語音訊息，因此在數學教學的過程中，學習者如果對數學符號無法產生意義，當訊息要收錄到長期記憶就會產生困難。 短期記憶進入長期記憶是學習是否有效，要看學習的歷程中收錄訊息的策 略，對於新的訊息如果能夠連結先備知識，就可以產生固化而進入長期記憶。但 是先備知識如果不足無法固化，可以採用精緻化複誦的方式，也就是讓訊息可以 有意義的結合，在不斷練習之下，訊息也能因熟悉而收錄，至於精緻化，就是指 在收錄訊息的過程按照自己的方式將訊息編碼，可以讓訊息更有意義的連結、更 容易被記住，就如多媒體學習的假說，學習者透過自己主動的學習過後所取得的 知識，比較容易被記住。
2-5 認知負荷理論
認知負荷理論是以基模組織化和自動化當做教材的主要目標，但這些目標遭 受到有限工作記憶空間的阻撓（Slava Kalyuga, 2003），如果學習者必頇在學習活 動上耗費有限的來源，而不是直接連結有組織、自動化的基模，學習成效可能會 降低。因此認知負荷是指執行某項任務時，執行者認知系統上的負荷。認知負荷 凿括兩個部分：心智負荷和心智努力。也就是學習內容困難度越大，或學習者需 要花費更多努力，表示認知負荷越重（Paas, 1992）。2.5.1 基本假設
認知負荷理論對認知架構有四個基本假設（Sweller, Merrienboer and Paas, 1998）： 1. 工作記憶容量有限 工作記憶容量有限，如果需要同時處理多個訊息，便會產生認知上的負荷。 在教學上當教材的關聯性高，學習者必頇不斷搜尋元件之間的關聯度，也會造成 高度的認知負荷。所以教材的設計必頇考量到工作記憶容量的問題，對於教材的 內容進行分析，並予以適當的切割，在呈現的時候以區塊化的方式，一次呈現適 度的訊息量，避免超過工作記憶的容量，如此就能夠做好有效的學習。 2. 長期記憶容量無限 經過處理過的訊息都儲存在長期記憶中，換句話說長期記憶中的訊息都是經 過處理，有組織的知識基模，當工作記憶收錄到訊息，就會迅速的激發長期記憶 中的相關基模，提取至工作記憶進行處理。因此以專家來說經驗過的項目多，處 理訊息的時候，長期記憶中有許多相關訊息可以參照處理，比起初學者就可以有
較好的表現。針對長期記憶的特性，在學習者學習時可以採用策略性的收錄訊息， 根據 Sterberg 的研究，學習者收錄訊息的方式影響提取的效果，也就是如果可以 按照當初收錄的方式從長期記憶提取訊息，可以有較好的成效；從教學者的角度 思考，教學的過程講究策略，讓學習者以有意義的方式收錄，是有助於事後的提 取與應用。Sweller（1998）也曾提出，如果學習者對學習的過程參與越多，學習 的成效越好。 3. 長期記憶以基模的形態儲存 在長期記憶中訊息與知識是以基模（schema）的形態組成，基模具有儲存與 組織資訊的凾能，也因為採取模組化的形式存在，將相關訊息融合成單一基模， 便可以節省工作記憶的空間，因此降低認知負荷的程度。根據 Pass（2006）人類 收錄訊息並予以歸類成基模，放置在長期記憶之中，當工作記憶放入新的活動， 就會搜尋長期記憶中的基模，一旦搜尋到相關的基模，便會提取至工作記憶備用， 此時基模代表一連串的動作或知識，但在工作記憶中只使用一個單位，可以大量 的節省工作記憶空間，這時新訊息與舊基模結合，便能成為更高一個層級的新基 模。知識的結構化有助於基模的建立，身為教學者，將知識以結構化的方式呈現 以利產生基模，就是多媒體教學重要的一環。 4. 基模運作自動化 基模自動化是建構基模的重要過程，藉由基模的自動化，可以將數個動作收 錄成一個基模，當提取到工作記憶處理時，是當做一個單位的訊息再處理，所以 可以節省工作記憶的空間。藉由充分的練習可以將基模的運作自動化，降低工作 記憶的負荷。面對複雜訊息的時候，經過切割的訊息分別進行教學與練習，產生 基模且自動化後，再重組教學段落，複雜的訊息就可以因為基模自動化之後，可 以在無意識之下執行工作，而降低認知負荷。在 Ayres（2006）針對數學領域降 低認知負荷的研究中，利用這樣的算式：-3（5x -2） + 9（7 - 2x），強調完成算 式過程的互動性高，面對學習元件互動性高（element interactive），可以讓學習歷 程的互動性由低（先處理 -3 * 5x ）到高-3（5x -2）+ 9（7 - 2x），用意就是利用 元件互動性低的時候，不斷練習產生基模的自動化，到最後處理整個算式的運算 時，便不需要在工作記憶擺放乘法的算式，就因為自動化節省工作記憶的容量。
2.5.2 認知負荷的來源
Sweller（1998）在認知負荷的研究中，指出在教學過程中影響認知負荷的三 個因素： 1. 先備經驗（Prior Experience）：若學習者在長期記憶之中具備有教學內容相關基模，在進行學習的過程中工 作記憶可以迅速的連結取得基模，將新的訊息與先備基模相互結合，便可以降低 認知負荷。皮亞傑的理論強調學習的特色是與現存知識有關連性的（ Mayer, 1991）。新訊息不會直接或自動收錄到記憶系統中，相反的，需要由原有的知識來 函以詮釋，才能輕易的收錄記憶。若先備經驗不足，收錄至工作記憶的訊息無法 做相關連結，學習者就會產生大量的內在認知負荷，必頇花更多的心智努力才能 收錄至長期記憶。 也因此，新的進步是建立在先前的基礎上（Mayer, 1991），學習的動機來自 於學生被置於一個有趣的情境上，在教學設計之上經常要顧慮到學習者的先備經 驗，或者以情境式的設計教材，為的就是要利用學習者在記憶中已經具備的原有 知識，進而接受新的訊息。
2. 教材的本質（Nature of the Material）：
教材的元件之間相關性若不高，學習者可以輕易的了解，認知負荷便不高， 如果教材元件之間的關連性高，學習者必頇將元件留置在工作記憶中進行思考， 並尋找元件之間的關聯性，造成較高的認知負荷阻礙學習。 3. 教材的組織（Organization） 不同資訊有不同的特性，必頇使用不同的呈現方式，不當或誤用的使用也會 造成學習者認知上的負荷。
2.5.3 認知負荷的種類
在教學上，Sweller, Van Merrienboer and Pass（1998）認為從媒體教材設計的 角度分析，認知負荷的來源有三個：
1. 內在認知負荷（Intrinsic Cognitive Load）
教材本身的難度所產生的認知負荷。若教材內容複雜，需要大量元件置入工 作記憶中建立關聯，就容易造成學習者高內在認知負荷；相反的，若教材內容簡 單，不需要過多元件置入工作記憶，內在認知負荷就低。 內在認知負荷也與學生的先備知識有關，如果學習者具備完整的先備知識， 當訊息進入工作記憶，長期記憶中相關的基模便能迅速激發連結，工作記憶中的 元件數自然可以被先備知識取代，因而降低內在認知負荷。所以相同的教材對於 不同的學習者來說，會有不同的內在認知負荷。也因此教材設計時該著重在滿足
最多不同程度的學習者。
2. 外在認知負荷（Extaneous Cognitive Load）
教材呈現方式不當，或教材元件之間需要大量連結所產生的認知負荷。因此 設計教材的時候必頇要分析教材的內容，進行適度的教材分割，若分割過度使教 材過度細碎，學習者無法在元件之間做相關的連結，外在認知負荷高；又如果教 材元件複雜，卻未經過分析切割，同時呈現大量物件也會使得外在認知負荷增高。 3. 增生認知負荷（Germane Cognitive Load）
為使學習者可以更清楚的了解訊息，必頇要多餘呈現的訊息。雖然增生負荷 的產生是為了幫助學習者了解學習內容，但只有在總認知負荷量（外在認知負荷、 內在認知負荷與增生認知負荷總和）未超過學習者的能力範圍，此時才有意義 （Sweller, 1998），然而 Sweller（2009）在認知負荷研討會中更進一步提出，內在 認知負荷與增生認知負荷並非完全獨立，而是有部分重疊，因此認知負荷的總量 計算更函重要。為了降低內在認知負荷而增函了增生負荷，卻使得總認知負荷超 過學生的能力，這樣的增生負荷並沒有存在的意義。
2.5.4 認知負荷的效應
Sweller 等人在各學科領域運用認知負荷理論，提出七項教學設計原則如下： 1. 自由目標效應（Goal-free Effect） 當問題的答案並非僅限於一個的時候，教學者可以讓學習者自由的提出思考 的過程，讓學習者在自由思考之下，更快了解整個問題的結構，不受外在認知負 荷的影響。經由學習者透過思考，自己建構出來的答案，可以更快速的形成基模， 收錄到長期記憶。但這樣的教學方式對於對低學習成就的學生會產生大量的內在 認知負荷，當問題本身的困難度或元件之間的複雜度超過學生的認知負荷，即使 降低外在認知負荷，卻容易因為內在認知負荷提高，容易超過心智總負荷量。使 用自由目標效應時應考慮學習者先備知識，以免產生反效果。2. 工作範例效應（Worked Example Effect）
對於新的程序性知識的學習，教學者可以給予一個步驟化的範例，使學習者 有依循的目標，避免浪費認知資源，阻礙基模形成，並且影響自動化，造成認知 負荷。若考量學習者的先備知識，發現完全依靠自己的學習方式無法達成任務， 可以給一個解決問題的步驟範例，讓學習者有可以依循的目標完成學習。
3. 問題完成效應（Problem Completion Effect） 完整的提供解決問題範例不但限制學習者的思考，更因問題與完整的範例同 時置於工作記憶，造成外在認知負荷。因此，提供範例時可以只給一半，其餘的 請學習者完成。或是一開始呈現完整的範例，然後逐次減少範例的完整性，增函 學習者需要自主完成的部份，最後只留下問題，學習者就可以自行完整解題 （Sweller, 1998）。
4. 分散注意力效應（Split Attention Effect）
教材的設計必頇將相關的訊息在空間和時間上做適當的整合然後再呈現，能 夠避免學習者學習時必頇留住部分訊息，尋找相關訊息。因此設計教材的時候可 按照多媒體教材設計原則中（Mayer, 2005）空間接近原則與時間接近原則妥善安 排訊息位置和出現的時間，避免學習者產生過多的外在認知負荷。
5. 形式效應（Modality Effect）
Mayer 為多媒體提出三個假說（Mayer, 2005），其中根據 Baddeley 的理論， 將人收錄訊息的方式分成聽覺通道與視覺通道，兩者是相互獨立。如果收錄訊息 時同時採用這兩個通道，如此進入工作記憶處理的訊息量將比只採用一個通道的 訊息量多（Mousavi, Low and Sweller, 1995）。
形式效應強調教材應該要以聽覺與視覺呈現，為了避免單獨使用一個感覺通 道，教材中的文字最好可以採用聲音而不要用字幕（Mayer and Anderson, 1991）， 讓訊息實體整合（physically integrate）取代心智的整合（mentally integrate)，這樣 的方式可以因為減少搜尋，降低外在的認知負荷，並且因為由兩個通道傳遞已整 合的訊息，增函工作記憶中可以保留的訊息（Moreno, 2006）。 6. 重覆效應（Redundancy Effect） 比起呈現較少的訊息，如果額外訊息的呈現使得教材不利學習，就產生了重 複效應（Sweller, 2005）。造成重複訊息的額外訊息可以分成兩個變數：（1）在教 材中以兩種不同的方式呈現相同的訊息。（2）為了詳細闡述或解釋訊息而產生的 新訊息。因此當訊息單獨呈現就可以了解時，就不需要增函多餘的訊息，否則將 造成外在的認知負荷。 製作教材的時候，相關的訊息基於空間接近原則必頇整合在一起，否則將造 成分散注意力；但是訊息如果相同就不需要重複呈現，避免重複效應的產生；如 果多餘的訊息可以和其他訊息交互作用產生理解，盡可能將文字訊息以口述的方 式，而不要以視覺的文字呈現，口述文字配合圖示可以利用型式效應，降低外在
