基於情緒識別技術探討動畫互動型多媒體教材對於學習情緒、認知負荷及學習成效之影響

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(1)國立臺灣師範大學應用電子科技學系碩士論文. 指導教授：洪欽銘博士、陳志銘博士. 基於情緒識別技術探討動畫互動型多媒體教材對於學習情緒、認知負荷及學習成效之影響 Using Emotion Recognition Technology to Assess the Effects of Interactive Animation Multimedia Materials on Learning Emotion, Cognitive Load and Learning Performance. 研究生：莊敬璞撰中華民國一百零一年一月.

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(3) 基於情緒識別技術探討動畫互動型多媒體教材對於學習情緒、認知負荷及學習成效之影響. 學生：莊敬璞. 指導教授：陳志銘博士洪欽銘博士. 國立臺灣師範大學應用電子科技研究所碩士班. 摘. 要. 動畫互動型多媒體教材可促使學習者和教材間產生對話及互動，提供較佳的視覺效果，也有助於提升學習者的學習興趣，因此目前動畫互動型多媒體教材已是多媒體教材設計的主流。探討動畫互動多媒體教材設計對於學習者的學習情緒、認知負荷及學習成效影響，有助於調整動畫互動型多媒體教材的設計，進而降低學習者的認知負荷，致使產生好的學習情緒而提升學習成效。而探討動畫互動多媒體教材對於不同認知風格及性別學習者之學習情緒、學習成效及認知負荷影響差異，則有助於發展適性化動畫互動多媒體教材。因此，本研究使用情緒壓力感測儀 emWave 及認知負荷量表，量測學習者的學習情緒變化及評估其產生的認知負荷，以探討動畫互動型多媒體教材對於學習者的學習情緒、學習成效及認知負荷影響；又動畫互動型多媒體教材對於文字型及圖像型認知風格學習者，是否具有學習情緒、學習成效及認知負荷上的影響差異；再則，動畫互動型多媒體教材對於不同性別學習者，是否具有學習情緒、學習成效及認知負荷上的影響差異。研究結果發現，認知負荷高之學習者在使用動畫互動型多媒體教材進行學習時，其學習情緒與認知負荷具有顯著相關；認知負荷分量中的難易度可預測正負面情緒；不同性別之高認知負荷學習者其整體認知 i.

(4) 負荷及正負面情緒具有顯著差異；且不同學習風格之學習者其認知負荷具有顯著差異。. 關鍵字：認知負荷、學習情緒、情緒識別、多媒體教材、認知風格。. ii.

(5) Using Emotion Recognition Technology to Assess the Effects of Interactive Animation Multimedia Materials on Learning Emotion, Cognitive Load and Learning Performance. Student：Ching-Pu Chuang. Advisors：Dr. Chih-Ming Chen Dr. Chin-Ming Hong. Institute of Applied Electronics Technology National Taiwan Normal University. ABSTRACT Animated, interactive multimedia learning materials can encourage dialog and interaction between learners and the materials themselves, providing superior visual effects and assisting in the promotion of interest in learning. Therefore, these types of materials are currently at the forefront in the design of multimedia learning materials. Investigating the influence of these materials on the emotions, cognitive load, and learning effectiveness of learners of different genders and cognitive style is helpful in adjusting the design of the materials; thereby reducing the cognitive load on learners, engendering healthy learning emotions, and improving learning effectiveness. Therefore, this study used the emotional pressure-sensing device emWave and a cognitive load scale to examine the influence of animated, interactive multimedia learning materials on the learning emotions, learning effectiveness, and cognitive loads iii.

(6) of learners, and whether differences in these factors exist among learners with Visualizer / Verbalizer cognitive styles of learning, and between learners of different genders. The results of this study indicated that a significant correlation existed between the learning emotions and cognitive loads of learners with high cognitive loads when using animated, interactive learning materials. The difficulty in the components of the cognitive load can predict positive or negative emotions. Significant differences also existed between the overall cognitive loads and emotions of learners of different genders with high cognitive loads. In addition, significant discrepancies existed in the cognitive loads of learners with differing learning styles.. Keywords: Cognitive load, Learning Emotion, Emotion Recognition, Multimedia Learning Materials, Cognitive style.. iv.

(7) 誌. 謝. 歷經九百多個日子，我的研究所生涯終於即將畫下句點，這本薄薄的論文真是依靠許許多多人的幫助才得以完成。首先要感謝我的指導教授洪欽銘教授及陳志銘教授這兩年多來的悉心指導和諄諄教誨，讓我學習到做研究的嚴謹態度以及做人處事的道理，在我遭遇瓶頸的時候給予協助，也時常關心我、鼓勵我。感謝梁至中教授及賴志宏教授撥冗參予我的碩士論文口試，提出許多精闢的建議，讓論文內容得以更加完整。感謝應電所的所有師長，我在應電所學習到不同領域的知識，真是獲益良多。研究過程中，非常感謝旗雄老師及芳雅老師協助接洽實驗學校的相關事宜，感謝新北市榮富國小及桃園縣石門國小的大力配合，沒有您們的幫忙，這篇論文無法完成。感謝台北市國北教大實小、基隆市忠孝國小、桃園縣文華國小，雖然因為實驗數據蒐集有誤以至於無法放進論文分析，但因為您們的鼎力相助，讓我實驗的經驗更加豐富，非常感謝所有參與實驗的班級師生。感謝我的好夥伴上資，我的實驗從來沒有缺席過，這幾個月來我們互相討論交流、互相鼓勵，能夠一起畢業真是太好了！感謝士恆學長、琼姿、琇文、婷節幫忙解決許多學習上的問題，也教導我許多待人接物的細節。感謝惠平、櫻純學姐的照顧，讓後來才加入的我能快速適應新環境，即使畢業了也經常給予我論文上的建議。感謝實驗室學弟妹勝輝、建成、詩靜、智名和聖傑，由於你們分擔了實驗室多項工作，使我能專注於論文上。感謝蔚敏、立偉、育如、柏翰、華恩、瑋婷做實驗時的大力幫忙，無論是幫忙接洽或是親自到場幫忙。感謝我的好友長久以來的鼓勵和陪伴，謝謝芳儀在為自己的未來努力時、仍然記得我們的約定；謝謝芸青在我高興的時候、低落的時候總是馬上給予我最溫暖的回應，即使有著十幾個小時的時差；謝謝寶妮、阿邱、曉瑩時常在煩悶的生活裡揪我出來吃吃喝喝、為我打氣，一起窩在咖啡店 v.

(8) 裡寫論文兼玩樂的日子永遠不會忘記。最後要感謝我的父母和妹妹，在我研究過程中遭遇挫折時，給我最大的鼓勵和實質的幫助，是我最強力的後盾，因為有你們的體諒和包容，我才能夠堅持到底。即將離開校園，踏上人生的新階段，未來無論遇到什麼困境，我也不會忘記這兩年多來學習到的經驗，持續無我夢中地努力。. 莊敬璞謹誌 2012年1月25日. vi.

(9) 目錄. 要 ........................................................................................................... i. 摘. ABSTRACT .............................................................................................................. iii 謝 ................................................................................................................ v. 誌. 目錄 .......................................................................................................................... vii 圖目錄 ....................................................................................................................... ix 表目錄 ........................................................................................................................ x 第一章. 緒論........................................................................................................ 1. 1.1 研究動機與背景 ......................................................................................... 1 1.2 研究目的 .................................................................................................... 2 1.3 待答問題 .................................................................................................... 3 1.4 研究範圍與限制 ........................................................................................ 4 1.5 名詞解釋 .................................................................................................... 5 1.6 論文架構 .................................................................................................... 6 第二章文獻探討........................................................................................................ 9 2.1 認知負荷 .................................................................................................... 9 2.2 學習情緒 ................................................................................................... 14 2.3 生理資訊與情緒識別技術 ....................................................................... 16 2.4 多媒體教材 ............................................................................................... 22 2.5 認知風格 ................................................................................................... 23 第三章研究方法...................................................................................................... 26 3.1 研究架構 .................................................................................................. 26 3.2 實驗設計 .................................................................................................. 27 vii.

(10) 3.3 研究對象 .................................................................................................. 30 3.4 研究工具 .................................................................................................. 31 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5. 分數單元之多媒體教材 .................................................................. 31 學習情緒識別 .................................................................................. 33 人機互動軟體分析 .......................................................................... 37 認知負荷量表 .................................................................................. 38 認知風格量表 .................................................................................. 38. 3.5 資料分析 .................................................................................................. 39 第四章資料分析...................................................................................................... 41 4.1 樣本基本資料分析 ................................................................................... 41 4.2 量表之信度分析 ....................................................................................... 42 4.3 實驗分析 ................................................................................................... 44 第五章結論與未來研究方向................................................................................ 60 5.1 結論 ........................................................................................................... 60 5.2 討論 ........................................................................................................... 63 5.3 未來研究方向 ........................................................................................... 64 參考文獻 .................................................................................................................. 67 附錄一：前測學習單.............................................................................................. 74 附錄二：後測學習單.............................................................................................. 75 附錄三：認知負荷量表.......................................................................................... 76 附錄四：SOP 認知風格量表 ................................................................................. 78 附錄五：家長同意書.............................................................................................. 83 附錄六：石門國小照片.......................................................................................... 84 附錄七：榮富國小照片.......................................................................................... 85. viii.

(11) 圖目錄. 圖 1- 1 研究流程圖 ............................................................................................ 8 圖 2- 1 認知負荷概念圖 .................................................................................. 10 圖 2- 2 與學習相關情緒的集合 ...................................................................... 14 圖 2- 3 學習與情緒之相位圖 .......................................................................... 15 圖 2- 4 討論區中加入 GSR 情緒反應以及動態文字標籤............................. 17 圖 2- 5 線上學習介面 ...................................................................................... 17 圖 2- 6 心電圖、肌電圖、呼吸、皮膚傳導、脈搏及體溫等生理訊息 ...... 18 圖 2- 7 線上閱讀闖關學習 .............................................................................. 18 圖 2- 8 EMG、呼吸與脈搏感測器與其量測位置，左為呼吸感測器，右上到右下為脈搏感測器和 EMG 感測器 .................................................... 19 圖 2- 9 情緒數位學習模型 .............................................................................. 20 圖 2- 10 配戴的儀器及實驗環境 .................................................................... 21 圖 3- 1 研究架構圖 ....................................................... 錯誤! 尚未定義書籤。圖 3- 2 實驗流程圖 .......................................................................................... 30 圖 3- 3 國小「分數單元」教材示例 .............................................................. 33 圖 3- 4 EAR SENSOR .......................................................................................... 34 圖 3- 5 EMWAVE PC INTERFACE ....................................................................... 35. ix.

(12) 表目錄表 3- 1 有效樣本數 .......................................................................................... 31 表 3- 2 學習之分數單元 .................................................................................. 32 表 4- 1 前後測、正負面情緒以及認知負荷之敘述性統計.......................... 41 表 4- 2 前後測之成對樣本 T 檢定結果 .......................................................... 42 表 4- 3 認知負荷量表之整體信度分析 .......................................................... 42 表 4- 4 認知負荷量表之難易度分量表信度分析 .......................................... 43 表 4- 5 認知負荷量表之能力分量表信度分析 .............................................. 43 表 4- 6 認知負荷量表之負面影響分量表信度分析 ...................................... 43 表 4- 7 認知負荷量表之心智努力分量表信度分析 ...................................... 43 表 4- 8 SOP 量表文字型刪題前信度 .............................................................. 44 表 4- 9 SOP 量表圖像型刪題前信度 .............................................................. 44 表 4- 10 SOP 量表文字型刪題後信度 ............................................................ 44 表 4- 11 SOP 量表圖像型刪題後信度 ............................................................ 44 表 4- 12 認知負荷前 27%高之學習者其正負面情緒與認知負荷之皮爾森積差相關分析結果 ....................................................................................... 46 表 4- 13 認知負荷前 27%高的學習者其正面情緒與難易度之迴歸分析結果 ................................................................................................................... 47 表 4- 14 認知負荷前 27%高的學習者其負面情緒與難易度之迴歸分析結果 ................................................................................................................... 47 表 4- 15 認知負荷前 27%高的男女之學習成效、認知負荷與正負面情緒敘述統計結果 ............................................................................................... 48 表 4- 16 認知負荷前 27%高男女之學習成效、認知負荷與正負面情緒獨立樣本 T 檢定結果 ....................................................................................... 48 x.

(13) 表 4- 17 認知負荷前 27%高的男生其正負面情緒與認知負荷之相關分析結果 ............................................................................................................... 49 表 4- 18 認知負荷前 27%高的男生其正面情緒與難易度之迴歸分析結果 50 表 4- 19 認知負荷前 27%高的女生其正負面情緒與認知負荷之相關分析結果 ............................................................................................................... 50 表 4- 20 認知負荷前 27%高的女生其正面情緒與動機之迴歸分析結果 ... 51 表 4- 21 認知負荷前 27%高的女生其正面情緒與認知負荷之迴歸分析結果 ................................................................................................................... 52 表 4- 22 認知負荷前 27%高學習者之正負面情緒與學習成效之相關分析結果 ............................................................................................................... 53 表 4- 23 認知負荷前 27%高男生之正負面情緒與學習成效之相關分析結果 ................................................................................................................... 54 表 4- 24 認知負荷前 27%高男生之負面情緒與學習成效之迴歸分析結果 54 表 4- 25 認知負荷高低極端學習者之學習成效及認知負荷敘述性統計資料 ................................................................................................................... 55 表 4- 26 認知負荷高低極端學習者之學習成效差異獨立樣本 T 檢定結果 56 表 4- 27 SOP 量表文字型及圖像型分數之敘述性統計 ................................ 57 表 4- 28 認知負荷前 27%高之圖像型及文字型學習者之學習成效及認知負荷敘述性統計資料 ................................................................................... 58 表 4- 29 認知負荷前 27%高之圖像型及文字型學習者之學習成效差異獨立樣本 T 檢定結果 ....................................................................................... 58. xi.

(14) 第一章. 緒論. 1.1 研究動機與背景近年來隨著電腦技術以及網路的發達，促使傳統教室學習模式逐漸產生改變，數位學習擁有多元及彈性的資訊、充分共享的知識庫、高度互動性的學習環境以及不受任何時間和地點限制等優點，對於教與學均產生重大的影響，也越來越受到重視。在數位學習環境中，多媒體教材已成為數位教材的主流，因此多媒體教材對於學習產生的影響值得進行深入的探究。多媒體教材係由文字、圖形、聲音及影像任兩種以上組合而成，許多研究指出，相較於純文字教材，多媒體教材較容易引發學習者之學習情緒 (王惠平，2010)，多媒體教材傳達的學習內容難度過高或不當設計，將可能引發學習者的認知負荷(Chanlin & Lih-Juan,1998; Large, Beheshti, Breuleux & Renaud,1994; Mousavi, Low & Sweller,1995)。在目前常用的多媒體教材類. 型中，動畫互動型多媒體教材可促使學習者和教材間產生對話及互動，提供較佳的視覺效果，也有助於提升學習者的學習興趣(Chang & Chang, 2004; Jonassen,1998; Lowe, 2003)，因此目前動畫互動型多媒體教材已是多媒體教. 材設計的主流。因此本研究選擇動畫互動型多媒體教材作為主要探討的多媒體教材類型。. 過去有許多探討學習情緒和學習成效關聯的研究均指出，學習情緒的變化會影響學習成效。其中Piaget (1989)的研究指出，情緒可以促進學習或干擾學習。Kort、Reilly及Picard(2001) 也指出情緒和學習會互相影響，並據此提出基於情緒的學習模式。此外，學習者在學習時也會因為教材的設計不當而產生認知負荷，過去許多研究指出，認知負荷會影響學習成效。Paas 及Van Merriënboer(1993,1994)利用難易度量表來預測認知負荷量，後續也 1.

(15) 有許多學者發現其他諸如學習動機、努力程度也會影響認知負荷 (Moray,1982; Marsh&Yeung,1997)。此外，Eija Haapalainen等人(2010)利用各種生理感測器測量認知負荷。. 此外，不同認知風格之學習者在使用多媒體教材進行學習時，也可能因個人對於多媒體教材型式的偏好，產生不同的學習成效、學習情緒及認知負荷。因此，若能提供學習者適當偏好認知風格的多媒體教材型態，學習者的學習成效會有顯著提升之效(Dunn&Dunn,1993)。. 綜合以上，本研究使用認知負荷量表，並結合情緒壓力感測儀器 emWave，探討學習者使用動畫互動型多媒體教材時之認知負荷、學習成效及學習情緒彼此之間是否具有顯著的關聯，同時也探討不同性別、圖像型(Visualizer)與文字型(Verbalizer)不同認知風格學習者在以動畫互動型多媒體教材進行學習時，認知負荷是否具有顯著差異。本研究之研究結果有助於根據學習情緒、認知負荷狀況，掌握學習者以動畫互動型多媒體教材進行學習時之可能學習成效；進一步則可作為發展基於認知負荷及學習情緒之多媒體網路適性化學習系統基礎。此外，本研究有關於動畫互動型多媒體教材所產生認知負荷之研究結果，也有助於調整動畫互動型多媒體教材的設計，進而降低學習者的認知負荷。. 1.2 研究目的基於上述研究動機，本研究之目的在於探討使用動畫互動型多媒體教材進行學習時，對於學習者在學習成效、認知負荷及學習情緒上的影響及關聯，作為改善動畫互動型多媒體教材設計及選擇合適學習之多媒體教材. 2.

(16) 輔助教學之依據，以提升學習者的學習成效，以及降低學習者的負面情緒及認知負荷。具體而言，本研究主要目的如下：. 1.. 探究學習者使用動畫互動型多媒體學習教材進行學習時，其學習情緒對於認知負荷的影響。. 2.. 探究學習者使用動畫互動型多媒體學習教材進行學習時，其學習情緒對於學習成效的影響。. 3.. 探究學習者使用動畫互動型多媒體學習教材進行學習時，其認知負荷對於學習成效的影響。. 4.. 基於上述研究結果，探討如何基於學習情緒及認知負荷，設計有有效支援個人化學習之動畫互動型多媒體教材。. 1.3 待答問題根據前述之研究目的，本研究之待答問題如下：. 1.. 學習者使用動畫互動多媒體教材學習時，其學習情緒與認知負荷是否具有顯著關聯？. 2.. 學習者使用動畫互動多媒體學習教材學習時，其學習情緒是否與學習成效具有顯著關聯？. 3.. 學習者使用動畫互動多媒體學習教材學習，其認知負荷與學習成效是否具有顯著關聯？. 4.. 不同性別及圖像型(Visualizer)與文字型(Verbalizer)認知風格學習者在以動畫互動型多媒體教材進行學習時，學習成效、學習情緒及認知負荷是否具有顯著差異？. 5.. 在區分不同性別及認知風格學習者的前提下，學習者彼此之間的 3.

(17) 學習情緒、認知負荷及學習成效是否具有關聯。. 1.4 研究範圍與限制. 1.4.1研究範圍 1.. 研究對象本研究以國民小學三年級的學生為研究對象，合計有154位學習者. 參與正式實驗，其他年齡層學生不在本研究的研究範圍內。. 2.. 實驗教材本研究使用教材係自行開發之國小數學科「分數」單元之動畫互. 動型多媒體教材，其他教材型態不在本研究的探討範圍之內。. 1.4.2研究限制 1.. 研究對象本研究以國民小學三年級學生作為研究對象，研究結果是否可推論至其他群體有待進一步研究。. 2.. 教材內容在確保能夠精確利用情緒感知儀器量測學習者情緒的前提下，對. 於學習者進行長時間的精確情緒量測有其實施上的困難度。因此，本研究只設計在25分鐘以內可以完成學習的動畫互動型多媒體教材內容，讓學習者進行學習，並同時量測其對應之學習情緒。因此，是否在更長時間的學習下，仍然具有相同之學習成效及學習情緒反應，不. 4.

(18) 宜做過度的推論。. 3.. 研究工具為使前、後測之測驗試卷維持相同之難易度，本研究前、後測之. 測驗試卷採用相同問題，但更改測驗題目數字，且修改題目順序以及選項順序，以避免受測者記憶答案。因此，可能對於測驗結果造成些微影響。. 1.5 名詞解釋 1. 學習情緒學習情緒是指學習者在學習歷程中的情緒變化(李俊青，2007)，而本研究的學習情緒量測所使用的情緒感測儀器為HeartMath所開發的情緒壓力檢測儀 emWave (Timothy,Culbert, Howard & Rollin; HeartMath, http://www.heartmath.com/) 此方法是直接在學習者進行學習時，利用生理感測儀器對學習者進行生理反應檢測，以得知學習者的情緒變化。優點是學習者的情緒能夠直接透過生理訊號紀錄下來，也能夠瞭解學習者在學習過程中，各個時間點的情緒反應；缺點則是生理狀況容易受到各種外在因素的影響，導致量測上的誤差，影響情緒識別之正確性。. 2. 認知負荷認知負荷是指學習者在學習時，認知系統所形成的負荷量，也就是工作記憶之負荷。認知負荷的類型可分為三種：第一種為內在認知負荷，是由教材本身產生的認知負荷；第二種為外在認知負荷，是由. 5.

(19) 於教材設計和內容編排方式產生之認知負荷量；第三種為增生認知負荷，藉由教材適當設計產生而降低認知負荷，因此增生認知負荷是一種有效的認知負荷，能夠幫助學習，而非干擾學習(Sweller,1998; Van Merrienboe & Paas,1998)。本研究使用Yueng(2000)所發展的認知負荷量表作為學習者學習時的認知負荷。 3. 認知風格認知風格是指人在感知、記憶、思考、解決問題以及做決定時的特有模式 (Messick,1978,1984)。因此，認知風格也就是訊息處理的傾向偏好，學習過程會反應出學習者認知與情感的行為，認知風格包含許多構面，例如:圖像／文字型、場地相依／場地獨立型。本研究探討圖像型和文字型認知風格，使用 SOP 量表以了解學習者之認知風格。. 1.6 論文架構. 本論文共分為五個章節，包括緒論、文獻探討、研究方法與實驗設計、實驗結果、結論與未來研究方向，各章內容簡要陳述如下：. 第一章：「緒論」說明研究背景與動機、研究目的、待答問題、研究範圍及限制、名詞釋義及論文架構。第二章：「文獻探討」介紹與本研究相關的文獻內容及相關的理論。第三章：「研究方法與實驗設計」說明本研究的研究方法、研究變項、研究對象、研究工具與實驗設計。第四章：「實驗結果」依據本研究所蒐集的資料，驗證本研究所提出的研究假設。. 6.

(20) 第五章：「結論與未來研究方向」說明本研究的研究成果，並提出後續研究建議與方向。. 本研究的研究流程，如圖1-1所示，說明如下： 1.. 經由文獻探討尋找研究方向，確定研究題目、目的與範圍。. 2.. 經過進一步蒐集相關文獻並進行探討後，建立研究架構並訂定研究假設。. 3.. 選定研究對象，根據研究目的發展研究所需之動畫互動多媒體教材。. 4.. 設計實驗流程，取得本研究所需量表，並依據教材內容設計前、後測試卷。. 5.. 協調實驗的時間，進行實驗並收集資料。. 6.. 利用SPSS統計軟體分析所收集之資料，並檢定研究假設。. 7.. 根據分析結果撰寫論文，完成研究。. 7.

(21) 圖 1- 1 研究流程圖. 8.

(22) 第二章文獻探討. 本研究之目的在於探討使用動畫互動型多媒體教材進行學習時，對於學習者在學習成效、認知負荷及學習情緒上的影響及關聯。本章依據研究目的進行文獻探討，作為本研究發展的理論基礎。本章共分為五節，依序探討認知負荷、學習情緒、生理資訊與情緒識別、多媒體教材及認知風格等相關研究。. 2.1 認知負荷. Paas 及 Van Merriënboer (1994)把「認知負荷」(Cognitive Load )定義為當把一個特定工作加諸於學習者的認知系統時所產生的負荷，也就是工作記憶的負荷(Working Memory Load )。因此認知負荷有兩種層面的意義：一是工作記憶的寬度；另外則是學習內容造成的負擔。因此，認知負荷與學習目標和其相關內容、學習內容的複雜程度、學習者的先備知識、學習及訓練環境的指導方式有很大的關係。. 2.1.1認知負荷與負荷來源. Paas 及 Van Merriënboer(1994)指出，認知負荷可視為一種多層次的觀念，其中包括「因果要素」 (Causal Factors) 與「評估要素」 (Assessment Factors)兩部分，圖 2-1 表示認知負荷之概念圖。 9.

(23) 因果要素 Causal Factors. 評估要素 Assessment Factors. Task. 認. (Environment). 學習者之交互作用. ＬＯＡＤ. 荷. (Learner Interactions). 知負. 任務(Task)/. ＣＯＧＮＩＴＩＶＥ. 任務(環境). 心智負荷 Mental Load. 控制處理. 自動處理. Controlled. Automatic. Processing. Processing. 心智努力 Mental Effort. 學習者學習成效 Performance. Learner. 圖 2- 1 認知負荷概念圖. (資料來源：Paas 及 Van Merriënboer(1994)). 因果要素 (Causal Factors) 有三種要素，包括任務 ( 環境 ) (Task(Environment)) 、任務 / 學習者間的交互作用 (Task/ Learner Interactions )以及學習者。而任務的結構、任務新鮮感(Task Novelty)、時間壓力、噪音、溫度等都可以算是任務(環境)因子；認知能力、認知型態(Cognitive Style)、先備知識和經驗等都可以算是學習者因子；績效、動機、激勵則是任務/學習者之交互作用的因子。依據這三種要素來分析認知負荷的程度，其中需透過評估要素(Assessment Factors)來評斷認知負荷的結果。. 評估要素可以分成三種層面：第一種為心智負荷(Mental Load)， 10.

(24) 是以工作為核心的層面，所以心智負荷是由工作或環境需求所造成的負荷；第二種為心智努力(Mental Effort)，是以人為核心的層面，其負荷是個體為了因應工作需求而付出的能力與資源；第三種學習成效 (Performance)是一種綜合任務(環境)(Task(Environment))、任務/學習者之交互作用(Task/Learner Interactions )及學習者等三種因果要素呈現的反應。. 2.1.2 認知負荷的基本假定與特性. Sweller (1998)提出了認知負荷理論對於人的認知架構的四項基本假設：. 1.. 工作記憶（Working Memory）的容量是有限的。對於新訊息的接受，必須依靠工作記憶對新訊息作更深入的了解之後刻意保留，再轉換成長期記憶。. 2.. 長期記憶（Long-Term Memory）是指保持訊息長期不會被忘記的永久記憶（permanent memory）。並且長期記憶的容量是無限的。. 3.. 長期記憶的內容主要是以基模（Schema）的型態來儲存。基模除了在長期記憶區中具有儲存及組織的功能外，也可以降低工作記憶區的負荷量。. 4.. 基模運作自動化（Schema Automation）是基模建構的重要過程。藉由充足的練習，可以將基模運作自動化，來達到降低工作記憶區負 11.

(25) 荷量的目的，並且能夠強化強長期記憶區的儲存功能(Mousavi et al. 1995; Sweller et al. 1998)。. 2.1.3 認知負荷的類型. Sweller、Van Merrienboe及Paas (1998)將認知負荷分為三種：包括內在認知負荷(Intrinsic Cognitive)、外在認知負荷(Extraneous Cognitive Load)以及增生認知負荷(Germane cognitive load)。 1. 內在認知負荷：是指由教材本身的特性所造成的認知負荷，與教材內組成成分的相關程度有很大的關係，相關程度越高，教材所造成的認知負荷也就越高。教材本身的困難度很高，此種所造成的認知負荷很難藉由教學設計改良後變簡易了解。. 2. 外在認知負荷：是指因為教材設計和內容編排方式、或教學活動所造成的負荷，此負荷是由外在因素導致，因為不相關的資訊分散了心智。因此，外在認知負荷可以藉由教學設計的改良來降低負荷量。 3. 增生負荷：增生認知負荷主要是藉由教學設計適當的呈現教材，又稱為有效的認知負荷(Effect cognitive load)。藉由安排符合學習者需求的教學，提供額外的訊息給學習者，此種認知負荷能夠促進學習而非干擾學習。因此教學者可以透過適當的教學設計及呈現，來吸引學習者專注在學習的過程中。 12.

(26) 但是只有在內在認知負荷、外在認知負荷以及增生認知負荷三者的總負荷量未超出學習者的負荷量時，適當的加入增生認知負荷，對於學習者之學習才具有幫助。. 2.1.4 認知負荷的測量. 認知負荷的測量主要由兩方面著手，一是心智負荷，是為應付工作需求而產生的負荷；另外則是心智努力，是受試者所付出的資源和能力。主要的測量方式如下 ( 陳密桃， 2003;Wierwille & Eggemeier,1993;Sweller,1998)：. 1. 主觀衡量法(subjective technique) 此方法是由受試者回顧並反省自己學習的過程，將自己感受的負荷量化，並指出心智努力的程度。通常以量表為量測工具，這種方法因為方便、可快速地測量，所以經常被使用。. 2. 生理衡量法(physiology technique ) 此方法是假設認知負荷的改變會產生生理變化，因此針對心跳、血壓、腦部活動、眼部活動等生理狀態進行測量，可取得認知負荷狀態。這種方法由於需要使用各種儀器，因此實行上有許多限制。. 3. 任務與績效衡量法(task- and performance-based techniques) 此方法是藉由任務複雜度和學習表現來推論學習者的心智努力程度。例如學習成績、時間、速度、錯誤率等，若任務複雜度 13.

(27) 高且學習者的表現差，則表示認知負荷越大。. 由上述研究發現，本研究將使用主觀衡量法，利用量表進行認知負荷量測，以了解學習者在學習時之認知負荷。. 2.2 學習情緒. Kort 等人(2001) 指出情緒和學習間具有相互關係，並且提出不同情緒狀態對於學習的影響模式，使得學習者能夠在最佳的狀態之下學習，以達到學習的最大成效。圖 2-2 為該研究提出可能會影響學習成效的情緒種類，共能分成五個類別，分別是：焦慮(Anxiety)－自信 (Confidence)、無聊(Boredom)－魅力(Fascination)、挫折(Frustration)－愉快 (Euphoria) 、氣餒的 (Dispirited)－受鼓勵的 (Encouraged)、恐懼 (Terror)－吸引人(Enchantment) 。依照這些情緒對於學習的影響程度，Kort 將這些情緒分為偏向正向或偏向負向之情緒狀態。圖 2-3 為 Kort 提出的學習與情緒模型，此一模型把學習時可能引發的情緒，分成四個相位，橫軸代表的是情緒狀態，從正面情緒到負面情緒之變化程度，縱軸則是學習情況，從適合學習到不適合學習之程度變化。. 圖 2- 2 與學習相關情緒的集合 (資料來源：Kort 等人(2001)). 14.

(28) 圖 2- 3 學習與情緒之相位圖 (資料來源：Kort 等人(2001) ). Pekrun 等人(2002)認為不同的學習情緒會以不同的方式來影響學業成就，因此將傳統的情感面向納入認知動機中，並且假設激發 (activation)和抑制(deactivation) 為一個與正負面情緒相同重要的面向，激發是指可以激發當下正在進行中的學習；而抑制則是指抑制當下正在進行中的學習。將上述兩個面向相互組合之後，可將學習情緒區分為四類，分別為：正面激發(positive activating emotions)、正面抑制 (positive deactivating emotions) 、負面激發 (negative activating emotions)及負面抑制(negative deactivating emotions)。. 正面激發是由正向事件引起，會對當下學習有所助益並激發學習者繼續學習，例如喜悅；正面抑制是因為負向事件的停止，例如放鬆或放心；負向激發是指激發學習者產生強烈動機去克服困難或避免失敗，例如生氣、焦慮；負面抑制則是指對於學習無改變能力或沒有意願去改善，會對學習造成不良影響，例如無望或厭煩。. 15.

(29) 2.3 生理資訊與情緒識別技術. 目前已有許多研究聚焦於探討情緒識別技術如何應用在輔助學習上， Jaques 等人歸納四種情緒辨識的方法(Jaques & Viccari, 2006)，說明如下：（1）聲音（Voice） (Kopecek, 2000; Tcherkassof, 1999)。（2）顯著行為（Observable behavior），例如使用者在系統介面上所進行之諸如鍵盤操作、打字速度等使用行為 (Bercht&Viccari, 2000; De Vicente & Pain, 2002) 。（3）臉部表情（Facial expressions） (Ekman, 1999; Wehrle& Kaiser, 2000)。 4）生理資訊（Physiological signs），包括脈搏、肌電圖—肌肉電壓、皮膚傳導（GSR）、呼吸等 (Picard, Healey, Vyzas, 2001) Wang 等人(Wang, Prendinger, & Igarashi, 2004)利用皮膚傳導反應（Galvanic Skin Response, GSR）偵測使用者情緒狀態，並應用於討論區中傳達彼此的情緒狀態。如圖 2-4 所示為討論區的對話情況，討論區的雙方能夠藉由 GSR 所測得之情緒狀態，並以動態文字標籤顯示方式瞭解彼此的情緒狀態，達到情緒傳遞的目的。. 16.

(30) 圖 2- 4 討論區中加入 GSR 情緒反應以及動態文字標籤 (資料來源：Wang 等人(2004) ) Jonghwa （ 2007 ）在線上學習環境中量測包括聲音、心電圖（Electrocardiogram, ECG）、肌電圖（EMG）、呼吸、皮膚傳導、脈搏（Blood Volume Pulse）及體溫等生理訊號，並利用這些生理訊號分辨出喜悅、生氣、難過與高興等情緒，以了解使用者在線上學習時的情緒狀態，如圖2-5所示。. 圖 2- 5 線上學習介面 (資料來源：Jonghwa 等人(2007) ). 17.

(31) 圖 2- 6 心電圖、肌電圖、呼吸、皮膚傳導、脈搏及體溫等生理訊息 (資料來源：Jonghwa 等人(2007) ) Emmanuel等人（2007）以闖關遊戲為學習情境，利用學習者在闖關遊戲過程中進行線上閱讀時可能引發的情緒反應，以呼吸、腦波（EEG）、體溫和脈搏量測學習者的情緒反應，並利用快速富立葉轉換FFT轉換生理訊號，並從這些生理訊號分析在給予學習者壓力或無壓力下學習時的各種生理變化，如圖2-7所示。. 圖 2- 7 線上閱讀闖關學習 (資料來源：Emmanuel 等人(2007) ) 慎基德（2006）擷取人體生理訊號進行情緒識別，該研究藉由 IAPS(International Affective Picture System)誘發受試者產生強烈正面、微弱正面、強烈負面、微弱負面等四種情緒，也藉由事先挑選過的影片來誘發使用者產生好笑、愉悅、噁心、害怕等四種情緒，並利用生 18.

(32) 理訊號感測器量測包括肌電圖（EMG）、心電圖、呼吸以及脈搏等生理訊號。收集之生理訊號經過正規化、分析和特徵值擷取以後，得到 33個特徵參數，再利用KNN (K-nearest neighbor algorithm)分類器來進行情緒分類，藉此辨識情緒，如圖2-8所示。. 圖 2- 8 EMG、呼吸與脈搏感測器與其量測位置，左為呼吸感測器，右上到右下為脈搏感測器和 EMG 感測器 (資料來源：慎基德等人(2006) ) Shen 等人(2009)藉由生理訊號感測學習情緒，並利用情緒回饋來提升學習者的學習效果，該研究提出一個情緒為基礎之數位學習模型，如圖 2-9 所示。該模型結合了學習者情緒感知技術於所建置的數位學習平台中，利用腦波、膚電圖、血氧濃度以及心跳等生理訊號進行情緒識別辨識，以輔助學習者進行學習。結果顯示將學習情緒分成四種類別(激勵、自信、無聊、有希望)，其正確率可達到 86.3%。該研究也發現，在學習過程中，自信和受鼓勵的情緒狀態是學習過程中最重要的情緒，也較常發生在學習歷程中。此一研究也針對不同的學習情緒設計不同的學習情境，希望達到適性化教學的目的。. 19.

(33) 圖 2- 9 情緒數位學習模型 (資料來源：Shen 等人(2009)) Eija Haapalainen(2010) 等人利用熱流密度 (Heat flux) 、心電圖 (ECG)、腦電波(EEG)、心跳(HR)、瞳孔測量 (Pupillometry)、皮膚傳導反應(GSR)等生理感測器，探討生理訊號反應與認知負荷的關聯，其配戴的生理感測儀器及實驗環境如圖 2-10 所示。該研究利用不同的認知負荷基礎任務(elementary task) ，比較哪一種生理訊號最能反映學習者的認知負荷。結果發現熱流密度(Heat flux)的生理反應，最能反應學習者的認知負荷狀態。. 20.

(34) 圖 2- 10 配戴的儀器及實驗環境 (資料來源：Eija Haapalainen(2010)). 綜合以上可發現，常被應用於識別情緒的生理訊號包括肌電圖（EMG）、心跳、腦波、呼吸以及脈搏等。多數研究仍以心律變化作為感測之工具，其相關技術也較為成熟。本研究採用 HeartMath 所研發的 emWave 情緒壓力檢測儀，作為量測學習情緒的生理感測儀器。 emWave 係利用非侵入的方式，以測量心跳變異率(Heart rate variability, HRV) 的方式識別情緒，並藉此將情緒區分為正面、負面及平靜三種情緒狀態，以了解學習者的學習情緒變化。. 21.

(35) 2.4 多媒體教材. 多媒體教材是指同時結合兩種以上媒體元素的教材(Mayer, 1997 )，而可結合的媒體元素包括文字、聲音、圖片、影片、互動等. (Vaughan, 1993)。多媒體教材的目的是為了能充分傳達資訊，以最佳的方式將教學內容呈現給學習者，透過不同的多媒體教材能夠提供不同的學習方式，並且使學習者得到較好的學習效果(Lowe, 2003)。而多媒體電腦輔助學習(Computer Assisted Learning, CAL)是利用多媒體的特性，依據學習者的個別差異與需求、學習內容與目標建構的教學系統。. 過去許多研究探討不同組合的多媒體教材對於學習成效的影響，其中 Chanlin 和 Lih-Juan 利用文字、文字加圖形、文字加動畫、文字加圖形加旁白、文字加動畫加旁白等六種多媒體組合，探討大學生學習 DNA 組成、重組、基因及蛋白質的轉錄和轉譯、生物科技發展的學習成效，結果發現文字加動畫加旁白這種組合的學習成效最佳。 (Chanlin &Lih-Juan,1998). Kalyuga 和 Sweller 等人利用圖形、文字加圖形、圖形加旁白、文字加圖形加旁白等四種多媒體組合，探討製造公司具有高中以上程度的員工其鑽孔技術的學習效率及學習成效，研究結果發現，對沒有經驗的學習者而言，圖形加旁白有較好的學習效果和較低的心智負荷，對於有經驗的學習者而言，圖形可以增加學習效果。( Kalyuga, Handler & Sweller, 2000). 22.

(36) 郭璟諭(民 92)利用文字、圖片加文字、影片加文字等三種多媒體組合探討中學生對於天文學的學習成效，結果發現圖片加文字會優於文字教材。. 互動是指一連串快速呈現在電腦螢幕上的動作組合(Rieber & Hannafin, 1998)，目前互動型多媒體教材已經是多媒體教材設計的主流，互動型教材可在學習者和教材之間產生對話及互動 (Jonassen,1998) 。許多研究指出加入互動的學習模式於多媒體教材中，可提升教材與學習者溝通互動的效果，也可透過動態訊息提供學習者更清楚的學習內容，也有助於提升學習者的學習興趣，進而對於提升學習成效具有助益(Lowe, 2003; Chang & Chang, 2004)。因此，本研究以動畫互動型多媒體教材，作為本研究主要探討的多媒體教材類型。. 2.5 認知風格. 認知風格是指人在感知、記憶、思考、解決問題以及做決定時的特有模式。基本上，它的雙向特質並沒有好壞之分，同時認知風格是穩定，並且不容易被改變的(Messick,1978,1984)，也是人格特質的一種 (Guilford,1959) 。因此，認知風格也就是訊息處理的傾向偏好，學習過程會反應出學習者認知與情感的行為，認知風格包含許多構面，例如:圖像／文字型(Paivio, 1971)，場地相依／場地獨立型(Witkin, 1962)。若能給予適合學習者認知風格傾向的學習環境，學習者的學習狀況和資訊吸收能力將會更好 (Dunn & Dunn, 1993; Pedro & Pilar, 2006; Sabine, Chung, Tzu-Chien & Kinshuk, 2009; Smith & Woody, 23.

(37) 2000)。. 在眾多被探討的認知風格中，圖像型／文字型 (Visualizer / Verbalizer)是處理圖像或文字信息的偏好。在電腦輔助教學與人機介面設計(HCI)之相關研究領域中，大多採用圖像型／文字型的認知風格分類，因為這兩種認知學習風格的人有許多特性具有明顯的區隔 (Richardson,1977) 。例如圖像型認知風格者習慣藉由物體或心像 (Imagery)來幫助思考，因此喜歡利用看(looking)的方式來吸收訊息；而文字型認知風格者則擅長利用文字的連結 (Kirby, Moore, & Schofield,1988 )，習慣利用閱讀(Reading)的方式來接受訊息。. Paivio(1971)利用雙碼理論(Dual-Coding Theory)發展個別差異調查表(Individual Differences Questionnaire,IDQ)，測驗題目合計 86 題，以是非題的方式來作答，測量目的在於測驗受試者的思考方式，其中 47 題是用來測驗學習者是否有用文字模式來處理訊息的傾向；另外 39 題則測驗學習者是否有用圖像模式來處理訊息的傾向。. Richardson(1977) 根據 Paivio 的理論發展出 VVQ 量表(Verbalizer / Visualizer Questionnaire)，測驗題目共 15 題，作答方式為是非題，得分越高的為圖像型認知風格，得分越低的為文字型學習風格。. Childers、Houston 及 Heckler 等人(1985)再度改良 VVQ 量表，提出 SOP(Style of Processing)量表，此量表係從 VVQ 量表中保留 6 題再加上自行發展的 16 題發展而成，合計 22 題。SOP 量表不僅將題目擴充，內容也做了調整，在測量的觀點上也有本質上的改變。近年來， 24.

(38) Childers 等人再度修改 SOP 量表，把原本的 22 題修改為 20 題。其中十題為文字型認知風格，另外十題為圖像型認知風格，並採用李氏五點尺度量表測量，從非常不同意到非常同意分別給予 1 到 5 分，得分越高越偏向圖像型認知風格；而得分越低越偏向文字型認知風格。. 由於本研究使用的學習教材是動畫互動型多媒體教材，許多研究指出使用多媒體教材時，對於圖像型和文字型學習者會有不同的學習效果(范懿文, 2000) 。因此，本研究以圖像型／文字型認知風格，作為本研究探討不同認知風格學習者對於動畫互動型多媒體教材的學習成效、學習情緒及認知負荷影響依據。. 25.

(39) 第三章研究方法. 本章將針對研究方法作詳細的說明，第一節說明研究架構；第二節提出本研究的實驗設計；第三節說明研究對象；第四節說明研究工具。. 3.1 研究架構本研究旨在探討學習者在進行本研究所設計之動畫互動型多媒體教材學習後，產生認知負荷最高的前 27%學習者之學習情緒、認知負荷及學習成效彼此關聯。也同時探討在區分不同性別及圖文認知風格學習者的前提下，學習者彼此之間的學習情緒、認知負荷及學習成效關聯與差異。本研究之研究架構如圖 3-1 所示，以下分別就此一研究架構中各變項的意義進行說明：. 1.. 學習情緒：利用情緒壓力檢測儀 emWave 所測得之正負面情緒百分比。. 2.. 學習成效：進行本研究所設計之動畫互動型多媒體教材學習後之前、後測分數差異。. 3.. 認知負荷：學習結束後填寫之認知負荷量表之分數。. 此外，本研究也針對包括性別、文字型及圖像型認知風格等背景變項對於學習情緒、認知負荷及學習成效之影響進行探究。. 26.

(40) 圖 3- 1 研究架構圖. 3.2 實驗設計. 本研究探討使用所設計之動畫互動型多媒體教材進行小學三年級數學「分數」單元教學，學習者之認知負荷、學習成效及學習情緒彼此之間是否具有關聯，並且探討在考量區分男女及文字型及圖像型不同認知風格學習者的前提下，學習者之認知負荷、學習成效及學習情緒彼此之間是否具有關聯與差異。在進行教學之前，本研究先對學習者進行該「分數」單元之前測，以確認學習者之先備知識狀況。在學習者進行教材學習時，同時配帶 emWave 情緒壓力檢測儀，以蒐集學習者在學習過程中的情緒變化。學習者完成學習後，立刻進行學習成效後測，並填寫認知負荷量表和 SOP 認知風格量表，以蒐集學習者之學習成效、認知負荷、認知風格與學習情緒狀態資料。. 以下針對本研究之實驗設計進行說明： 27.

(41) 1.. 實驗流程本研究進行實驗過程中，每位學習者皆為獨立學習之個體，分別安排獨立互不干擾的學習空間，以降低其他外在可能影響學習之干擾因素的影響。實驗設計可分為以下三個步驟： (1) 實驗處理前：所有受試者均接受「分數」單元的測驗，以獲得學生的前測成績。 (2) 在實驗過程中：利用 MORAE 行為監控軟體控制並記錄學習者之學習過程，並且每位受試者均配戴 emWave 非侵入耳夾式感測器，同時紀錄受試者的情緒狀態，藉以了解受試者在學習過程中的情緒變化。 (3) 實驗處理後：學習者接受「分數」單元的學習成效後測，並填寫認知負荷量表和 SOP 認知風格量表，以了解學習者之認知負荷狀態及認知風格型態。. 2.. 實驗課程安排設計本研究分別從新北市榮富國小及桃園縣石門國小徵詢三個及五個班級學生協助進行實驗。由於小學生並無自主性，因此本研究發放家長同意書總計得到家長同意之受測樣本人數為 154 人，實際有效樣本數為 110 人。其無效樣本之刪除篩選原則如下： (1) 量表部份選項缺漏者。 (2) 量表填寫過於隨便者，例如所有問題填寫答案皆相同者。 (3) 學習時間低於 10 分鐘者。 (4) 情緒資料不完全者(錯誤資料率達 30%以上者)。本實驗由於使用情緒壓力感測儀 emWave 進行情緒偵測，因此實驗過程中，為了降低其他外在因素的影響，每位學習者皆具有獨立的 28.

(42) 學習空間，一台電腦僅提供一位學習者進行學習及進行情緒感測。配合受試之實驗班級人數，每梯次有八至十三位學生同時進行學習，學習者彼此之間間隔一個空位，以避免彼此之間的學習干擾。. 在實驗進行中，先由指導員解說實驗主題，並提醒學習者，實驗過程中不能交談，需專心觀看教材，並告知所有學習者，在學習多媒體教材前、後均需要填寫學習單及量表，才算完成整個學習過程。整個流程約花費 80 分鐘左右，所有的學習者皆於當日完成實驗。整個實驗程序如圖 3-2 所示，摘要說明如下： (1) 指導員先解說實驗流程。 (2) 學習前進行「分數」單元先備知識前測，時間大約 10-15 分鐘。 (3) 填完前測測驗卷後，由學習者自行操作電腦進行學習，為確保學習的公平性，本研究審視教材的難易度與內容，再考量每一個學習者都可以從容完成教材學習的前提下，設定每個學習者學習時間不超過 25 分鐘，在這段時間內由學習者自行掌控學習進度。 (4) 在實驗過程中，利用 MORAE 行為監控軟體控制，並且記錄每個學習者之學習過程。 (5) 在實驗過程中，每位受試者均配戴 emWave 非侵入式感測器，並同時紀錄受試者的情緒狀況，藉以了解受試者在學習過程中的情緒變化。 (6) 學習結束後，學習者必須填寫與前測內容一樣，但更改測驗題目數字，且修改題目順序以及選項順序的後測測驗卷、認知負荷量表以及認知風格量表。 (7) 研究者針對每一位學習者之前、後測試卷進行評量(刪除無效樣本)。. 29.

(43) 圖 3- 2 實驗流程圖. 3.3 研究對象. 本研究以小學數學科「分數」單元設計動畫互動型多媒體教材，進行產生認知負荷最高的前 27%學習者之學習情緒、認知負荷及學習成效關聯研究。考量所設計教材內容難度與國小各年級數學課程的教學進度. 後，本研究挑選小學三年級之學生作為研究對象，在經過邀請後，新北市榮富國小及桃園縣石門國小同意給予實驗教學上的協助。 30.

(44) 表 3-1 為之新北市榮富國小及桃園縣石門國小的有效樣本數，榮富國小男生 21 人，女生 19 人，總計 40 人；石門國小男生 33 人，女生 37 人，總計 70 人。. 表 3- 1 有效樣本數新北市榮富國小桃園縣石門國小有效樣本男生. 21. 33. 有效樣本女生. 19. 37. 有效樣本總計. 40. 70. 3.4 研究工具 3.4.1 分數單元之多媒體教材本研究設計之國小數學「分數」單元動畫互動型多媒體教材，係由幾位國小資深教師根據其教學經驗，分析課程單元內容後協助設計而成。此外，也幫忙依據學習內容設計前後測試卷，作為學習成效評估的依據。為求教材內容難易度的有效掌握，以利於學習者產生一定程度之認知負荷，本實驗進行前，在新北市榮富國小進行分數單元教學先導實驗，利用已設計之學習單元對應之測驗試題，測驗現今國民小學三年級學童之「分數」單元先備知識，以便從學習單元中挑選出適合本研究所需難度之學習單元。本研究將多數人未經學習即可正確答題之學習單元刪除。最後從 17 個學習單元中挑選出 10 個學習單 31.

(45) 元，作為實驗過程學習者應學習之學習單元，經篩選後之學習單元如表 3-2 所示。圖 3- 3 則為本研究所設計之國小「分數」單元動畫互動型多媒體教材示例，每一個設計之動畫互動型多媒體教材均同時包含 Flash 動畫、教材內容解說(聲音)及互動功能元素。. 表 3- 2 學習之分數單元 (資料來源：張美惠(2006)，彭祈叡(2007)，研究者整理) 適用. 難易. 年級. 度. 二上. -1. 能運用平分的概念、解包含除的除法問題. 二下. -0.1. 能運用平分的概念、解有餘數的等分除的除法問題. 二下. 0. 能運用平分的概念、解有餘數的包含除的除法問題. 學習單元包含除. 學習目標. 等分除(有餘數) 包含除(有餘數) 將物品平分後、依序以真分數描述一個物體的部分量、並且. 幾分之幾. 二上. 0.1 使學生具有分數序列的概念物品平分後、依序以真分數或假分數描述多個物體的部分. 假分數. 四上. 0.2 量、並有分數序列概念；在其中分辨出真分數與假分數. 同分母真分三下. 0.5. 比較同分母真分數的大小. 六上. 0.7. 比較異分母真分數的大小. 六下. 1.2. 數比大小異分母真分數比大小在同單位量下、能了解分數所代表的部份量、並進行同分母. 加減混合. 真分數的加減混合運算. 32.

(46) 加數未知. 三下. 1.3. 能進行加數未知的解題活動. 被減數未知. 三下. 1.8. 能進行被減數未知的解題活動. 圖 3- 3 國小「分數單元」教材示例. 3.4.2 學習情緒識別本研究使用的學習情緒感測儀器為 HeartMath 所開發的情緒壓力檢測儀 emWave (Timothy,Culbert, Howard & Rollin; HeartMath, http://www.heartmath.com/)，此一情緒壓力檢測儀可藉由非侵入式的夾耳式感測元件來感測心跳變異率 (Heart rate variability, HRV)，並藉此偵測受試者之情緒變化，如圖 3-4 所示。再經由情緒辨識演算法分析出包含正面、平靜及負面之情緒，如圖 3-5 所示。. 33.

(47) 圖 3- 4 Ear Sensor 圖 3-5 中之 Heart Rate in Beats per Minute 為每分鐘心跳累積量的曲線圖，Coherence Ratio 係利用 Heart Rate 進行功率頻譜密度分析 (Power Spectrum Analysis)而得。McCraty 等人(1995) 提出交感神經 (sympathetic)和副交感神經(parasympathetic)之間的相互作用，可利用自我回想並且利用統計計算出正面及負面情緒的基準，功率頻譜分析之後，可以歸納出三色指數(Coherence Ratio)，其中紅色的部份代表功率頻譜密度中的低頻區(Low Frequency, LF)，表示交感神經活動變化，根據分析結果代表負面情緒；藍色部分則代表功率頻譜密度中的中頻區(Medium Frequency, MF)及副交感神經活動變化，表示平靜；綠色部分代表功率頻譜密度中的高頻區(High Frequency, HF)及交感神經與副交感神經相互作用變化，表示正面情緒。. 34.

(48) Heart Rate in Beats per Minute. Heart Rate. Accumulated. Coherence Ratio. Coherence Score Coherenc. 圖 3- 5 emWave PC Interface 圖 3-5 中 ACS 代表 Accumulated Coherence Score，為計算 Coherence 正面情緒、負面情緒和平靜狀態之加權值；Coherence 為學習者的情緒狀態值，0 為負面情緒，1 為平靜狀態，2 為正面情緒；HRA(Heart Rate Artifacts)，HRA 值為 emWave 在進行情緒測量時出現錯誤資料的檢測值， 0 為正常訊號，1 為錯誤訊號。在分析情緒資料時，emWave 會剔除錯誤資料不加以分析。在 emWave 中，每 0.5 秒取樣一次 HRV (Heart rate variability)訊號，每 10 筆數據紀錄產生一情緒辨識狀態。當 Coherence 為紅色時，Coherence Value (CV)為-1；當 Coherence 為藍色時， CV 為+1；當 Coherence 為綠色時，CV +2，(3-1)式為 CV 在不同條件下的值。   1, if Coherence(t)  0 and HRA(t)  0 (negative emotion)  CV (t )   1, if Coherence(t)  1 and HRA(t)  0 (peaceful emotion) , CV (0)  0, t  0,1,2,..., m  2, if Coherence(t)  2 and HRA(t)  0 (positive emotion) . (3-1) 其中 CV(t)為第 t 個取樣時間時依照 Coherence 值做變化(-1、+1、+2)；. 35.

(49) Coherence(t)為第 t 個取樣時間之 Coherence 值；HRA(t)為第 t 個取樣時間之 Heart Rate Artifacts 值；m 為辨識情緒狀態的時間值。. 當 HRA 值為 0 且 Coherence(t)值為 2 的狀態下，得累加正面情緒，如(3-2)式。 m. ACS of Positive Emotion   CV (t ), if Coherence(t)  2 and HRA  0. (3-2). t-1. 當 HRA 值為 0 且 Coherence(t)值為 1 的狀態下，得累加平靜情緒，如 (3-3)式。 m. ACS of Peace Emotion   CV (t ), if Coherence(t)  1 and HRA  0. (3-3). t-1. 當 HRA 值為 0 且 Coherence(t)值為 0 的狀態下，得累加負面情緒，如(3-4)式。 m. ACS of Negative Emotion .  CV (t ) , if Coherence( t)  0 and HRA  0 t 1. (3-4). 由(3-2)(3-3)(3-4)式個別累加算出正、負面情緒和平靜情緒，可進一步計算出正面情緒和負面情緒的百分比。如(3-5)(3-6)式：. Positive Emotion . ACS of Positive Emotion  100 ACS of Positive Emotion  ACS of Peace Emotion  ACS of Negative Emotion. (3-5) Negative Emotion . ACS of Negative Emotion  100 ACS of Positive Emotion  ACS of Peace Emotion  ACS of Negative Emotion. (3-6). 36.

(50) 3.4.3 人機互動軟體分析 Morae 是由美國 TechSmith 公司所開發的人機互動軟體，它能夠錄製使用者在測試環節中的完整過程。例如：使用者實際的操作行為，包括使用者的語音、測試問卷等，並能透過即時遠端監控和後期分析，獲得測試結果、記錄及校準使用者和系統資料，最後可輸出影像或圖表形式的報告 (Morae, http://www.linksoft.com.tw/Products.asp?seq=150 )。Morae 係由三個獨立的組件所構成：. 1. Morae Recorder：錄製可用性測試影像。可記錄使用者所看到的螢幕畫面、影像與聲音、滑鼠點擊與鍵盤使用以及錄製任務過程影片。 2. Morae Observer：即時遠端監控，支援多用戶端。透過 Morae Observer，研究者可觀察受測者之操作動作，透過聲音與影像即時檢視過程，研究者可記錄任務的開始點與結束點、記錄錯誤，以及進行即時筆記。 3. Morae Manager：分析、統計並製作演示報告。基於 Morae Recorder 錄影和 Morae Observer 監控資料蒐集，進行後期分析和統計的工具。本研究僅使用 Morae Recorder 及 Morae Manager 輔以蒐集及分析資料，利用 Morae Recorder 控制學習者學習的單元和順序，並且利用 Morae Manager 確認實際學習時間，再與 emWave 測得之情緒狀態進行對應。. 37.

(51) 3.4.4 認知負荷量表主觀測量方法是目前測量認知負荷最普遍使用的方法(Pass, & Van Merriënboer, 1994) 。對於主觀認知負荷測量， Marcus 及 Sweller(1996)提出以下建議： 1. 在完成學習任務後，應立即測量，以避免工作記憶區中的心智負荷程度，因時間流逝而消失。 2. 提問的敍述須力求簡單，避免增加負荷。 3. 學習任務不應包含過多身體的活動(physical activity)，避免失焦。. 本研究採用 Yueng(2000)所發展的認知負荷量表，各題項以 Likert 五點尺度衡量之，學習者依個人認知分別以「非常同意」、「同意」、「普通」、「不同意」和「非常不同意」，圈選出與自己最符合之選項。量表分成難易度（D）、能力（I）、負面影響（A）、心智努力（E）等四個分量表，其 Cronbach's α 係數為 0.78-0.93。每個分量表各有四題問題，共有 16 題問題。其中正向問題有四題，反向問題有十二題。量表分數以公式(3-1)計算後，計算結果即為認知負荷量，分數越高代表學習者的認知負荷越高。 (3-7). 3.4.5 認知風格量表. 本研究主要採用動畫互動型多媒體教材，探究學習者之認知負 38.

(52) 荷、學習成效及學習情緒彼此之間是否具有顯著關聯。此外，也進一步探究動畫互動型多媒體教材對於不同認知風格學習者之認知負荷、學習成效及學習情緒影響。本研究選擇圖像型/文字型之認知風格作為探討依據，並採用 Childers, Houston, & Heckler(1985)發展的 SOP 量表（Style of Processing Scale, SOP），以及經由孫櫻純(2010) 翻譯之中文版本作為區分圖像型/文字型認知風格學習者之研究工具，其 Cronbach's α 係數分別為 0.748 及 0.757。該量表計分方式係使用 Likert 量表(1932)之尺度進行衡量，學習者可依照「非常同意」、「同意」、「普通」、「不同意」和「非常不同意」選項，依據自己實際的認知狀況圈選出與自己最符合之選項。藉此量表可將學習者區分為「圖像型高文字型低」及「圖像型低文字型高」之極端圖文風格學習者，作為本研究探討動畫互動型多媒體教材，對於不同認知風格學習者在認知負荷、學習成效及學習情緒之影響依據。. 3.5 資料分析本研究主要係聚焦於探究學習者在使用動畫互動型多媒體教材進行學習時，學習者的學習情緒、認知負荷及學習成效彼此之間的關聯情形。在蒐集前後測、情緒資料、學習者主觀填寫之認知負荷量表及 SOP 量表後，再以統計軟體進行分析。以下針對各研究面向之資料分析方法進行說明：. 3.5.1 高低認知負荷學習者之學習成效差異分析學習成效分析係透過成對樣本 t 檢定(Pair sample t test)，針對學習者之前後測成績進行分析，顯著水準設為 0.05，以探討動畫互動型多媒體教材對於學習者是否具有學習成效。而針對認知負荷高低極端學 39.

(53) 習者之學習成效差異部分係以獨立樣本 t 檢定進行分析。. 3.5.2 高低認知負荷學習者之學習情緒差異分析學習情緒資料係來自於情緒壓力檢測儀 emWave，經過資料處理後，計算學習者於學習過程中之正負面情緒百分比，再以獨立樣本 t 檢定針對認知負荷高低極端值之學習者學習情緒差異進行分析。. 3.5.3 圖文認知風格極端學習者之認知負荷差異分析認知風格資料係來自於 SOP 認知風格量表，本研究依據學習者 SOP 認知風格量表填答結果，將學習者區分為「圖像型高文字型低「及「圖像型低文字型高「兩種極端之圖文傾向認知風格類型，再針對這. 兩種極端認知風格學習者之認知負荷進行獨立樣本 t 檢定，探討其認知負荷差異。. 3.5.4 學習情緒、認知負荷以及學習成效之相關性分析針對學習情緒、認知負荷以及學習成效之相關性，本研究採用皮爾森積差相關分析 (Pearson product-moment correlation coefficient analysis)與迴歸(Regression)進行分析。若相關性之顯著值 p<0.05 即進行逐步多元迴歸分析 (Multiple stepwise regression analysis)，以進一步探究學習情緒、認知負荷以及學習成效之間是否具有可預測性。. 40.

(54) 第四章資料分析. 本章共分成三節，第一節說明有效樣本的基本資料；第二節針對本研究所所使用之量表進行信度分析；第三節為實驗結果分析。. 4.1 樣本基本資料分析本研究之正式教學實驗，實驗對象為新北市榮富國小及桃園縣石門國小三年級學生，總人數為154人，扣除無效樣本後，實際完整參與前、後測及實驗之有效樣本人數為110人。表4-1為有效之受測者前後測、正負面情緒以及認知負荷之敘述性統計結果。結果顯示學習者對於本研究設計之動畫互動型多媒體教材感受之整體認知負荷偏低，導致整體學習者之學習情緒、認知負荷以及學習成效並無顯著關聯，因此本研究僅針對認知負荷高低極端值27%之學習者進行學習情緒、認知負荷及學習成效影響分析。. 表 4- 1 前後測、正負面情緒以及認知負荷之敘述性統計個數平均數標準差 110 110 110 110 110 110 110 110 110 整體認知負荷 110 前測後測學習成效正面情緒負面情緒 D I A E. 41. 4.03 6.51 2.54 .07 .86 15.75 14.76 16.37 16.79 30.59. 2.23 2.16 1.88 .050 .074 3.30 3.89 3.76 3.49 16.61.

(55) 首先，本研究針對受測者之前測及後測成績進行成對樣本t檢定，結果如表4-2所示。結果顯示前後測成績具有顯著差異(t=-13.33, p=.00<.05)，且後測成績高於前測，表示本研究設計之動畫互動型多媒體教材具有學習成效。. 表 4- 2 前後測之成對樣本 t 檢定結果. 成對變數差異平均數差異的 95% 信賴區間平均標準的標準數差誤下界上界成前測 - -2.48 對後測. 1.95. .19. -2.85. t. -2.11 -13.33. 自由顯著性度 (雙尾) 109. .00. 4.2 量表之信度分析為了驗證本研究所採用之認知負荷量表具有一定信度，可完成有效之學習者認知負荷量測，本研究針對認知負荷量表進行再測信度分析，總量表之信度分析結果如表 4-3 所示。結果顯示 Cronbach's α 係數達 0.83，信度良好；而各分量表的信度分析分別如表 4-4、表 4-5、表 4-6 和表 4-7 所示，結果顯示 Cronbach's α 係數分別為 0.64、0.74、0.69 及 0.80，雖未全部達 0.7 以上，但皆尚在分量表信度之可接受範圍內。. 表 4- 3 認知負荷量表之整體信度分析 Cronbach's Alpha 值項目的個數 .83 42. 16.

(56) 表 4- 4 認知負荷量表之難易度分量表信度分析 Cronbach's Alpha 值項目的個數 .64. 4. 表 4- 5 認知負荷量表之能力分量表信度分析 Cronbach's Alpha 值項目的個數 .74. 4. 表 4- 6 認知負荷量表之負面影響分量表信度分析 Cronbach's Alpha 值項目的個數 .69. 4. 表 4- 7 認知負荷量表之心智努力分量表信度分析 Cronbach's Alpha 值項目的個數 .80. 4. 此外，SOP 認知風格量表經過信度分析之後，文字型分量表信度為 0.72，如表 4-8 所示，而圖像型分量表信度為 0.43，如表 4-10 所示。為了提升整體量表的信度，本研究以統計分析的方法刪除答題會降低信度的題項，其中文字型分量表刪除第 2、5、19 題，圖像型分量表刪除第 1、12、 13 題，刪除這些填答狀況較不理想的題項後，文字型分量表信度提高為為 0.79，如表 4-9 所示，圖像型分量表信度提高為 0.51，如表 4-11 所示。. 根據 Nunnally（1978）指出在實際應用上，一般 Cronbach's α 係數值 43.

(57) 達到. 0.5 以上為可接受，因此圖像型信度分析的結果，雖然 Cronbach's α 係數不高，但 SOP 認知風格量表僅用於背景變項之分組，因此經過刪題後的圖像型 Cronbach's α 係數尚可接受。. 表 4- 8 SOP 量表文字型刪題前信度 Cronbach's Alpha 值項目的個數 .72. 10. 表 4- 9 SOP 量表圖像型刪題前信度 Cronbach's Alpha 值項目的個數 .43. 10. 表 4- 10 SOP 量表文字型刪題後信度 Cronbach's Alpha 值項目的個數 .79. 7. 表 4- 11 SOP 量表圖像型刪題後信度 Cronbach's Alpha 值項目的個數 .51. 7. 4.3 實驗分析 4.3.1 學習情緒與認知負荷之相關性分析本小節主要探討認知負荷前 27%高的學習者利用動畫互動型多媒體教材進行國小數學「分數」單元學習時，其學習情緒與認知負荷的 44.

(58) 相關性。因此，本研究以皮爾森積差相關分析(Pearson product-moment correlation coefficient analysis) 及簡單迴歸分析 (Simple Linear Regression)進行統計分析。探討之研究問題分別列舉如下：. (1) 認知負荷前27%高之學習者使用動畫互動型多媒體教材進行學習時，其正面情緒與認知負荷是否具有顯著相關。 (2) 認知負荷前27%高高之學習者使用動畫互動型多媒體教材進行學習時，其負面情緒與認知負荷是否具有顯著相關。 (3) 認知負荷前27%高且不同性別學習者使用動畫互動型多媒體教材進行學習時，其正面情緒是否具有顯著差異。 (4) 認知負荷前27%高且不同性別學習者使用動畫互動型多媒體教材進行學習時，其負面情緒是否具有顯著差異。 (5) 認知負荷前27%高且不同性別學習者使用動畫互動型多媒體教材進行學習時，其認知負荷是否具有顯著差異。 (6) 認知負荷前27%高且不同性別學習者使用動畫互動型多媒體教材進行學習時，其正面情緒對於認知負荷是否具有顯著相關。 (7) 認知負荷前27%高且不同性別學習者使用動畫互動型多媒體教材進行學習時，其負面情緒對於認知負荷是否具有顯著相關。. 在有效樣本110人中，認知負荷前27%高的學習者，人數總共30 人，本研究以皮爾森積差相關分析了解正負面情緒與認知負荷的相關程度，結果如表4-12所示。結果顯示難易度(Difficulty, D)分量與正面情緒達到顯著負相關性(p=.01<.05)，皮爾森相關係數為-0.47，表示認 45.

(59) 知負荷前27%高的學習者其感受之認知負荷中的教材難易度越高，其正面情緒越低。此外，表4-12結果亦顯示難易度(Difficulty, D)與負面情緒達到顯著正相關性(p=.01<.05)，皮爾森相關係數為0.48，表示認知負荷前27%高的學習者其感受之認知負荷中的教材難易度越高，其負面情緒越高。而正負面情緒與認知負荷的其他分量構面的相關性，並沒有達到顯著相關水準。. 表 4- 12 認知負荷前 27%高學習者之正負面情緒與認知負荷皮爾森積差相關分析結果正面情緒正面情 Pearson 相緒關. 1. 顯著性 (雙尾) 個數負面情 Pearson 相緒關顯著性 (雙尾) 個數. 負面情緒. D. I. A. E. -.92** -.47** -.14 -.12 -.09 .00. 整體認知負荷 -.13. .01 .41 .52 .63. .48. 30 -.92**. 30 30 30 30 30 1 .48** .15 .12 .15. 30 .07. .00. .01 .43 .52 .42. .71. 30. 30. 30. 30. 30. 30. 30. 由於難易度(Difficulty, D)與正面情緒達到顯著負相關，因此本研究進一步利用簡單迴歸分析針對難易度與正面情緒進行迴歸分析，結果如表 4-13 所示。結果顯示難易度可解釋的正面情緒變異量為 22%。而難易度與正面情緒迴歸分析之 Anova 分析 F 檢定值為 7.85，達顯著水準(p=.01<.05)，代表此迴歸模型具有統計上的意義。正面情緒對難易度的標準化係數 β 達-0.47，顯示認知負荷分量中的難易度可一定程度有效預測正面情緒。 46.