教材設計與解說方式對於學習表現和眼動影響之初探-以三角形內角題目為例

國

立

交

通

大

學

理學院網路學習學程

碩

士

論

文

教材設計與解說方式對於學習表現和眼動影響之初探

-以三角形內角題目為例

A Pilot Study on the Effects of Teaching Material Designs and Explaining

Ways on Learning Performances and Eye Movements：

A Case Study of the Angle Problems in Triangles

研 究 生：李鈴茹

指導教授：陳明璋 博士

陶振超 博士

教材設計與解說方式對於學習表現和眼動影響之初探

-以三角形內角題目為例

A Pilot Study on the Effects of Teaching Material Designs and Explaining Ways on Learning Performances and Eye Movements：

A Case Study of the Angle Problems in Triangles

研 究 生：李鈴茹 Student：Ling-Ju Li

指導教授：陳明璋 Advisor：Ming-Jang Chen

陶振超 Chen-Chao Tao

國 立 交 通 大 學

理學院網路學習學程

碩 士 論 文

A Thesis

Submitted to Department 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

教材設計與解說方式對於學習表現和眼動影響之初探

-以三角形內角題目為例

學生：李鈴茹 指導教授：陳明璋 博士

陶振超 博士

國立交通大學理學院網路學習學程

摘要

運用多媒體進行課堂教學時，教材的呈現和引導，還有教學者的解說方式都 是影響學習過程的重要因素。一般的學習測驗只能評量教學後的綜合表現，而眼 動追蹤系統 (Eye-tracker) 能夠記錄整個教學過程中學習者眼球移動的狀況，藉 此可以了解學習者是否能夠快速地看到目標物還有視線停留的狀況，可作為評定 視覺搜尋和注意力引導的參考。 本研究以國中數學幾何課程中的三角形內角題目為例，依教材是否含有適性 指標 (adaptive pointer)，還有解說方式是否為口語化 (oral elabortion)，設 計成三種不同教學設計：無適性指標加上非口語化解說、適性指標加上非口語化 解說、適性指標加上口語化解說。受試者為28位國中七年學生，隨機分配到三組 中，進行眼球追蹤實驗和學習的記憶測驗 (retention test)。實驗結果顯示：含 有適性指標的教學設計 (實驗組2，N=10)，在學習的記憶測驗上有顯著優異的表 現，並且對於協助視覺搜尋和注意力引導有顯著的作用；適性指標加上口語化解 說的教學設計 (實驗組3，N=9)，各項表現情形和實驗組2差不多，並沒有達到顯 著更優異的結果，但是能明顯幫助受試者減少對於圖片中英文編碼的觀看次數。 關鍵詞：眼球移動、適性指標、口語化解說、教學設計

A Pilot Study on the Effects of Teaching Material Designs and Explaining

Ways on Learning Performances and Eye Movements：

A Case Study of the Angle Problems in Triangles

Student：Miao-Ling Tseng

Advisor：Dr. Ming-Jang Chen

Dr. Chen-Chao Tao

Degree Program of E-learning

National Chiao Tung University

Abstract

When using multimedia instruction in the classroom, the present of teaching materials and the teacher’s explaining ways are important roles in learning process. Traditional learning tests can just assess the outcomes after whole teaching process finished. However, Eye-tracker system can record the learner’s all eye movements within the learning process, so that, we can judge whether the learner can notice the target faster or not, and know the patterns of the point of gaze. To make use of these, we can examine the effects on vision searching and attention guiding.

This pilot study took triangular angle topic in geometry course of mathematics of junior high school as an example. Considered the teaching material designs and explaining ways, we designed three kinds of instructional groups: no adaptive pointer with non-oral elaboration, adaptive pointer with non-oral elaboration, and adaptive pointer with oral elaboration. Participants were seventh grade students (N=28) whose eye movements were measured as viewing the instructional PowerPoint. Following the instruction, they had a retention test to assess their learning performance. Ayalysis indicated that instruction with adaptive pointer (group 2, N=10) showed better effects on retention performance, vision searching and attention guiding. The results of the situation of adaptive pointer with oral elaboration (group 3, N=9) was similar to group 2, but it would reduce the number of fixations on English letters in graphs.

誌謝

回顧兩年以來在職進修的日子，雖然倍感辛苦，卻是受益良多，經過歷鍊才 得以更加成長。本研究能夠順利完成，實是受到許多人士的協助和幫忙，心中感 激萬分。 首先要感謝指導教授陳明璋博士，耐心且專業的指導，不斷給予創意的激發 和精神的鼓勵，讓我能在挑戰中學習成長，其認真付出、不斷精進的研究精神， 實在值得效法。同時也要感謝傳播所的陶振超博士親切熱心的指導，讓我對於眼 動追蹤技術的理論和實務，能夠有紮實的訓練，並且在實驗過程中不斷地給予支 援和建議，以讓實驗能夠順利進行。除此之外，亦要感謝傳播所研究生游婉雲給 予實驗上大力的協助，還有教育大學研究生廖子慧的經驗分享與建議，都是讓研 究能夠完成的重要功臣。 還有，要感謝專班的同學們互相的幫助和資源的分享，使我能夠順利通過每 個課程；感謝光武國中數學老師們的支持，使我得以減輕工作上的負擔；感謝參 與眼動實驗學生們的配合，讓實驗過程得以順利平安；最後要感謝家人的支援和 鼓勵，沒法好好陪你們的這段日子，真的感到非常抱歉。 最後，謹以此篇論文獻給幫助過我的每一個人，祝大家順心如意。

目 錄

摘要 ... I 英文摘要 ... II 誌謝 ... III 目錄 ... V 表目錄 ... VII 圖目錄 ... IX 第一章 緒論 ... 1 1-1 研究背景和動機 ... 1 1-2 研究目的 ... 4 1-3 研究問題 ... 7 1-4 研究範圍與限制 ... 8 1-5 名詞解釋 ... 10 第二章 文獻探討 ... 13 2-1 多媒體學習理論 ... 13 2-1-1 多媒體學習的認知理論 ... 13 2-1-2 多媒體教材的設計原則 ... 17 2-1-3 適性指標的設計原則 ... 23 2-2 注意力與多媒體學習 ... 29 2-2-1 人類的注意力處理系統 ... 29 2-2-2 視覺注意力與眼球移動 ... 31 2-2-3 認知負荷與注意力 ... 34 2-2-4 注意力與多媒體學習 ... 36 2-3 眼動追蹤技術 ... 42 2-3-1 眼球運動的機制 ... 42 2-3-2 測量眼動的方式 ... 46 2-3-3 眼球運動指標 ... 50 2-3-4 相關的眼動研究 ... 53 第三章 研究方法 ... 56 3-1 研究設計 ... 56 3-2 研究流程 ... 58 3-3 研究對象的選取 ... 61 3-4 研究工具 ... 62

3-4-2 學習的記憶測驗 ... 64 3-5 實驗教材的設計 ... 65 3-5-1 教材選取的考量 ... 65 3-5-2 練習教材的設計 ... 66 3-5-3 教材的基本設計 ... 67 3-6 資料分析方法 ... 75 第四章 研究結果與討論 ... 76 4-1 記憶測驗表現的分析 ... 76 4-2 眼球移動的資料分析 ... 80 4-2-1 適性指標區之首視點時間 ... 82 4-2-2 凝視時間 ... 85 4-2-3 凝視次數 ... 89 4-2-4 凝視時間百分比 ... 93 4-2-5 凝視次數百分比 ... 97 4-2-6 每次試驗的凝視時間百分比 ... 101 4-2-7 每次試驗之凝視次數百分比 ... 105 4-2-8 每次凝視時間 ... 109 4-2-9 凝視的空間密度 ... 111 4-3 結果摘要 ... 112 第五章 結果與建議 ... 115 5-1 研究結論 ... 115 5-2 綜合討論 ... 116 5-3 研究貢獻 ... 119 5-4 研究建議 ... 120 5-5 未來研究方向 ... 124 參考文獻 ... 126 1. 中文部分 ... 126 2. 英文部分 ... 127 附錄 ... 134 附錄 1 徵求受試者之實驗介紹與說明 ... 134 附錄 2 實驗說明與同意書 ... 136 附錄 3 正式實驗前之練習教材說明 ... 137 附錄 4 學習記憶測驗 ... 139 附錄 5 實驗教材的設計與說明 ... 140 附錄 6 各組凝視的空間密度之比較 ... 172 附錄 7 各投影片的眼動關注區域之劃分 ... 178

表 目 錄

表 1 多媒體學習認知理論的假設 ... 14 表 2 多媒體的設計原則 ... 18 表 3 數學多媒體在教學上的設計原則 ... 20 表 4 信號原則的使用方式 ... 21 表 5 學習者導向/教學者引導學習之媒體教材特質比較分析 ... 23 表 6 數學簡報系統視覺及互動設計的基本原則 ... 24 表 7 適性指標的形狀特徵分類 ... 26 表 8 適性指標的七個設計原則 ... 27 表 9 課堂教學環境與適性指標 ... 28 表 10 注意力的處理系統 ... 30 表 11 「突出」特徵的作用 ... 33 表 12 多媒體研究上測量注意力的方法 ... 41 表 13 實驗的分組 ... 57 表 14 研究的變項 ... 57 表 15 上學期數學成績之描述性統計量與變異數分析表 ... 61 表 16 Tobii T120 之資料 ... 62 表 17 選取教材之基本資訊 ... 65 表 18 各組之實驗教材 ... 67 表 19 實驗材料之投影片編號、時間和數學概念 ... 69 表 20 教材中所使用的適性指標 ... 71 表 21 記憶測驗表現之描述性統計量和變異數分析 ... 76 表 22 記憶測驗之正確率和作答時間的多重比較：Scheffe 法 ... 77 表 23 所使用之眼球移動資料的說明 ... 80 表 24 適性指標區的首視點時間之描述性統計量和變異數分析 ... 83 表 25 適性指標區之首視點時間的多重比較：Tamhane 檢定 ... 83 表 26 凝視時間之描述性統計量和變異數分析 ... 85 表 27 凝視時間之同質性檢定 ... 86 表 28 凝視時間的多重比較：Scheffe 檢定 ... 86 表 29 凝視次數之描述性統計量和變異數分析 ... 89 表 30 凝視次數之同質性檢定 ... 90 表 31 凝視次數的多重比較：Scheffe 檢定和 Tamhane 檢定 ... 90 表 32 凝視時間百分比之描述性統計量和變異數分析 ... 93 表 33 凝視時間百分比之同質性檢定 ... 94 表 34 凝視時間百分比的多重比較：Scheffe 檢定和 Tamhane 檢定 ... 94 表 35 凝視次數百分比之描述性統計量和變異數分析 ... 97 表 36 凝視時間百分比之同質性檢定 ... 98 表 37 凝視時間百分比的多重比較：Scheffe 檢定 ... 98 表 38 每次試驗的凝視時間百分比之描述性統計量和變異數分析 ... 101 表 39 每次試驗凝視時間百分比之同質性檢定 ... 102 表 40 每次試驗凝視時間百分比的多重比較：Scheffe 檢定和 Tamhane 檢 定 ... 102

表 41 每次試驗的凝視次數百分比之描述性統計量和變異數分析 ... 105 表 42 每次試驗凝視時間百分比之同質性檢定 ... 106 表 43 每次試驗凝視時間百分比的多重比較：Scheffe 檢定 ... 106 表 44 每次凝視時間之描述性統計量和變異數分析 ... 109 表 45 每次凝視時間的多重比較：Scheffe 檢定 ... 110 表 46 統計資料總表 ... 112 表 47 事後分析結果的總表 ... 113

圖 目 錄

圖 1 課堂教學環境示意圖 ... 2 圖 2 口語化解說之例子 ... 11 圖 3 聲音和圖片的認知處理模型 ... 15 圖 4 聲音和印刷文字的認知處理模型 ... 16 圖 5 印刷文字和圖片的認知處理模型 ... 16 圖 6 眼球構造圖 ... 43 圖 7 視覺傳遞路徑 ... 43 圖 8 Purkinje-images ... 47 圖 9 眼球對紅外線的反射 ... 47 圖 10 研究的架構圖 ... 56 圖 11 研究流程圖 ... 58 圖 12 實驗流程圖 ... 59 圖 13 Tobii 裝置示意圖 ... 63 圖 14 投影片編號的設計 ... 68 圖 15 實驗組 1 和 2、3 教材畫面示意圖 ... 70 圖 16 「三角形內角和」之適性指標呈現 ... 70 圖 17 「平角」之適性指標呈現 ... 71 圖 18 非口語化解說與口語化解說的設計 ... 72 圖 19 符合空間接近原則的設計 ... 73 圖 20 符合時間接近原則的設計 ... 73 圖 21 符合分割原則的設計 ... 74 圖 22 記憶測驗的正確率之長條圖 ... 78 圖 23 記憶測驗的作答時間之長條圖 ... 79 圖 24 眼動資料之關注區範圍示意圖 ... 81 圖 25 適性指標區首視點時間的長條圖 ... 84 圖 26 各關注區凝視時間的長條圖 ... 87 圖 27 各關注區凝視次數的長條圖 ... 91 圖 28 各組凝視時間百分比之圓形圖 ... 95 圖 29 各組凝視次數百分比 ... 99 圖 30 各組每次試驗的凝視時間百分比之圓形圖 ... 103 圖 31 各組每次試驗的凝視次數百分比 ... 107 圖 32 各組凝視空間密度的示意圖 ... 111

第一章 緒論

本章共分為五節：第一節說明研究背景和動機；第二節說明研究目的；第三 節說明研究問題；第四節說明研究範圍與限制；第五節說明名詞解釋。

1-1 研究背景和動機

近年來隨著資訊科技的迅速發展，政府推展班班有電腦到班班用電腦，甚至 到班班有單槍投影機，使得教師運用資訊科技，自行設計教材來進行課堂教學也 愈來愈方便了。坊間亦有許多唾手可得的開放式多媒體教材，亦成為教師所常使 用的數位資源之一。而實際運用於教學上，由於 Flash 的教材，製作時間長、難 度高，修改不易，因此一般教師最常用的還是以 PowerPoint 製作教材，進行課堂 教學。 然而，數位教材並非課堂教學的萬靈丹，不當地使用資訊融入教學，反而無 法達到預期的學習效果，甚至造成學習的干擾。例如，同時動態呈現太多的訊息、 不當的聲光效果、展演方式的不佳、不良的圖文編排…等，會造成學習者訊息處 理超過負荷 (C. Atkinson & Mayer, 2004)，影響學習的效果。所以，妥善運用 資訊科技，讓教學者能夠適時地呈現必要的訊息給學習者，引導學習者的注意力， 凸顯訊息之間的關聯，協助組織和整合訊息，是設計教材時的重要課題。

經過許多研究和驗證，Mayer 等人發展以「學習者」為中心 (learner-centered) 的教學研究，歸納出多媒體設計的原則 (R. E. Mayer, 2001, 2005, 2009; R. E. Mayer & Moreno, 2003)，成為多媒體設計教材時重要依據之一。然而，在實際的 課堂教學環境是主要是以「教學者」引導學習的學習方式，教學者主控教學的步 調和訊息的呈現，並且是全班同學一起進行學習的，這樣的模式和以學習者為導 向的模式是有一些差異 (陳明璋，2008)，因此所遇到的問題也不盡相同 (林煜庭， 2007)，是否一般的多媒體設計原則就能完全滿足以教學者引導學習的教學設計， 達到增益學習的效果？ 在教學者引導學習的課堂教學環境中，教學者也是多媒體學習的一環。教學 者除了呈現視覺的訊息給學習者，同時以語音解說的方式傳遞聽覺的訊息給學習

者，並且掌控學習的步調與順序。一般課堂的教學環境，教室的大銀幕是主要顯 示訊息的地方，如圖 1 所示。教學者一方面操控螢幕上的資訊呈現時間和方式， 並且一方面配合視覺呈現進行解說和發問；學習者觀看螢幕上的視覺訊息的同 時，一邊聆聽解說並且進行思考、適時發問及回答問題；師生之間會產生互動。 教學者除了要注意如何引導學習者的注意力之外，尚須加以考量全班學生的整體 性、同步性及個別性等因素。 圖 1 課堂教學環境示意圖 在課堂教學環境中，視覺訊息和聽覺訊息是同等重要，而且幾乎是同時呈現 給學習者。教學者主要教材來傳遞視覺訊息，運用語言來傳遞聽覺訊息。該如何 有效地引導學習者獲取訊息，學習者如何將訊息加以組織和整合以形成知識，達 到學習的效果，這是教學設計所需慎加考量的。 一般多媒體學習研究經常使用的學習成就測驗，是在教學完後進行評量，所 測量出的結果為綜合性的結果，無法精確指出影響的主因，例如：在學習的過程 中究竟是那個環節或部分學習者提取訊息出現問題、或是訊息組織有困難，如此 教學者無法精準地加以改善。由於視覺是學習最主要的知覺管道，而且心理學家 也認為眼睛的凝視軌跡是直接反映個體注意力分佈與認知策略的重要指標 (Just & Carpenter, 1976; Williams, Loughland, Green, Harris, & Gordon, 2003)。 因此，近年來許多的研究者使用眼動追蹤系統 (Eye-tracker) 來研究受試者觀看

文字和圖片的情形 (M. Hegarty, Carpenter, & Just, 1991; Rayner, Rotello, Stewart, Keir, & Duffy, 2001)。由於此技術能夠提供自然且直接的方式來觀察 眼球移動的行為，並且不受到實驗作業所要求的策略影響，可提高實驗結果的外 在效度 (external validity) (李培榮，2008)；而且，在擷取資料的時間點和空 間性，也較其它研究技術來得精細 (柯華葳、陳明蕾、廖家寧，2005)，成為教學 研究上新穎的研究工具。

1-2 研究目的

為解決課堂教學環境所面臨的教材設計的問題，交通大學陳明璋博士自 2002 年起陸續以激發式動態呈現 (Trigger-based Animation) 的概念，發展 AMA (Activate Mind Attention) 系統的展演環境，進而提出激發式動態教學的設計 原則，使得教師便於利用 PowerPoint 設計彈性且互動之教材。教學者引導學習的 教學環境，是由教學者主導教學的步調和訊息的呈現，引導學習者注意力，並且 考量全班同學的認知歷程運作狀況，適時地呈現訊息、解說訊息和排除干擾，以 協助學習者選取、組織和整合訊息，達到降低認知負荷的作用 (Chen, 2003; Chen & Tan, 2007; 邱建偉，2005；陳明璋，2008)。 在激發式動態教學的設計原則中，提出「適性指標」(adaptive pointer) 的 概念。林煜庭（2007）從視覺認知科學 (visual cognition theory)、認知神經 科學 (cognitive neuroscience) 及資訊視覺化 (information visualization) 等 領 域尋求 適 性指標 的 理論基 礎 ，歸納 出 適性指 標 具有形 狀 (form) 、 顏 色 (color)、深度 (depth) 及運動 (motion) 等視覺特徵，能夠到「協助視覺搜尋」 和「引導注意力」的作用，進而提出了七個適性指標的設計原則。廖子慧（2009） 延續林煜庭的研究，進一步利用眼動追蹤系統為工具，以質性研究方式探究適性 指標在學習過程上的作用，並且提出適性指標在設計運用上的建議。然而，這些 研究都並非以量化實驗的方式來驗證適性指標。因此本研究接續之前研究設計， 針對課堂教學環境設計適性指標的實驗，並且量化研究的方式來探究適性指標的 作用性。 多媒體學習的理論認為圖形同時加上口述文字(spoken text) 的學習效果 佳，因為可在不同管道間處理聽覺和視覺的訊息，不會造成認知處理超過負荷， 所以提出多媒體設計的形式原則 (Modality Principle) (R. E. Mayer, 2005; R. E. Mayer & Moreno, 2003)。Mayer 等人進一步考量 social cues 對於多媒體學習 的影響，提出了個人化原則 (Personalization Principle)，認為「對話式」 （conversational style）的講述方式學習效果較佳 (R. E. Mayer, 2001, 2005; Richard E. Mayer, Fennell, Farmer, & Campbell, 2004; R. Moreno & Mayer, 2000, 2004)。

必須仰賴符號的編碼，因此學習者需要記住編碼、搜尋編碼和組織編碼，然後指 出幾何物件、描述幾何物件。在這樣的過程中，學習者可能耗費較多的資源於符 號編碼的處理上，反而會減少其他處理歷程所需的資源，對學習造成影響。針對 這樣的情況，本研究以凸顯的視覺特徵代替符號編碼進行幾何圖像的解說，並且 根據多媒體學習的個人化原則，進一步提出了「口語化解說」(oral elaboration) 的講述方式。如果學習者能夠減低聽覺編碼過程所造成注意力和工作記憶的耗 損，讓更多的資源使用在高階的認知處理上，那麼對於學習應該是有助益的。因 此本研究設計不同解說方式的實驗，以驗證口語化解說的作用。 訊息傳遞的第一步是訊息要能夠被學習者「注意」到，然後才有機會進一步 被處理和學習，而且視覺處理是最主要的訊息處理管道。因此本研究除了使用一 般的學習的記憶測驗外，並且另外使用眼動追蹤系統作為研究工具，記錄學習者 在教學過程中的眼球移動資料，以探究實驗設計對於視覺搜尋和注意力引導的影 響。 以眼動追蹤系統為工具進行教材實驗時，若是實驗時間太長 (約 12 分鐘)， 對於國中學生而言可能易造成眼睛疲勞和分心的情形，會影響實驗的結果 (廖子 慧，2009)；再者，較長時間的實驗，所累積的眼動資料會也太多太複雜，因而非 常難以分析 (Poole & Ball, 2005）；並且，完整的課堂教學過程，是一個很複 雜的認知處理過程，包含引起動機、概念建立、例題示範、學生練習…等。然而， 對於不同認知歷程的眼動研究，目前尚未發展完全，尤其是數學課堂教學的眼動 研究，幾乎很少。 因此本研究先針對例題講述這部分的教學，進行眼動研究之初探，讓學習者 看完一題的解說即進行記憶測驗的作答，以貼近課堂教學時的學習狀況。學習者 總共觀看三題教學解說，並且進行三次記憶測驗，因此全部的眼動實驗時間約五 分多鐘，以避免實驗時間太久的問題。也由於本研究並非完整的教學過程，所以 並不進行學習的轉移測驗 (transfer test)，僅進行記憶測驗 (retention test) 來了解學習的情況。 綜上所述，本研究的目的為探究不同的教學設計對於學習過程的影響。利用 眼動追蹤系統的觀察和紀錄，還有學習的記憶測驗表現，比較不同的教材設計 (有 /無適性指標) 搭配不同的解說方式（有/無口語化解說），設計三種教學的實驗， 並且探究對於學習者的記憶表現和眼球運動的影響，以驗證適性指標和口語化解 說對於「協助視覺搜尋」和「引導注意力」的作用，達到幫助學習的效果。

研究根據適性指標的設計原則和多媒體的設計原則，並且搭配不同的解說方 式，設計出三種教學實驗。研究目的為： 1. 探討不同的教學實驗對於學習的記憶表現之影響。 2. 探討不同的教學實驗對於視覺搜尋的影響。 3. 探討不同的教學實驗對於注意力引導的影響。 4. 探討口語化解說方式對於眼動行為的影響。

1-3 研究問題

本研究的最終目的是了解在課堂教學的學習過程中，不同的教學設計方式： 適性指標的運用和口語化解說方式是否能達到幫助視覺搜尋和引導注意力的作 用，使得學習者能夠有效率地獲得訊息，則對於學習的表現應是有助益的。依據 上述的研究目的，本研究的研究問題有： 1. 適性指標是否有助於提升學習的記憶表現？適性指標加上口語化解說是 否更加有助提升學習的記憶表現？ 2. 適性指標是否有助於減少視覺搜尋的時間？適性指標加上口語化解說是 否更加有助於減少視覺搜尋的時間？ 3. 適性指標是否能達到引導注意力的作用？適性指標加上口語化解說是否 更加能夠達到引導注意力的作用？ 4. 口語化的解說方式是否能夠減少對於幾何圖像中符號編碼的觀看？

1-4 研究範圍與限制

1. 研究範圍

本研究是以新竹市某國中之七年級學生為取樣對象。研究材料以課堂教學導 向的幾何教學，為國中八年數學課程的「三角形內角」之例題講解，設計三種實 驗教材 (無適性指標+非口語化、有適性指標+非口語化、有適性指標+口語化)， 進行眼球運動的追蹤和學習的記憶測驗。

2. 研究限制

（1） 範圍的限制

本研究基於研究目的、人力和時間等因素，取樣對象為新竹市某國中的七年 級學生，研究材料為數學幾何教材，為便於使用眼動追蹤儀當作研究工具，所設 計的實驗材料也與真實的教學情境有些差別，教材呈現時間較短。因此研究結果 欲推論到其他對象、地區、學習領域、教學情境，應審慎評估，不宜過度推論。

（2） 樣本的限制

為取樣的方便及減少原教學者與實驗教學者不同對學習者的影響，所選擇之 樣本由本人任教的三個七年級班級徵求受試者。由於七年級學生的數學背景知識 可能夠不足，國中的幾何內容在七年級並無相關課程的設計，因此實驗材料的選 擇會受到限制。由於國中的課程進度緊湊，實驗進行時間須不能影響正常的國中 課程。再者，本實驗必須在實驗室進行，無法在原班級的課堂教學。因此，國中 生要離開校園進行實驗，必須事先徵求學生家長、導師、任課老師的同意，學生 安全、交通問題、學校排課等須詳加考量安排。由於以上的種種因素，使得本研 究無法大量取樣，僅能採取方便樣本，對於其他學生的可能情形無法實驗觀察， 所知有限，因此不宜過度推論到其他年級和地區的學生。

（3） 工具的限制

本實驗使用的眼動追蹤系統來測驗受試者的眼球運動情形，並且在眼動實驗 室進行實驗。眼動追蹤系統的螢幕顯示器約 17 吋，當受試者與螢幕的距離約 60 公分，整個螢幕所產生的視角範圍約 40°。然而在實際教室環境中，學生的位置不 同，所觀看的視角範圍也不盡相同。再者，受試者對於實驗室的環境的感受：陌 生、新奇…等，還有實驗的進行方式，每次僅一位受試者單獨實驗，與課堂教學 環境中同儕一起學習，情境相差很多。種種因素，可能使得受試者的表現與實際 教室環境中的表現是有差異的 受到眼動儀器偵測範圍的影響，受試者的姿勢會有一些限制。在課堂教學時， 學生能夠以各種輕鬆的姿勢聽課，然而進行眼動實驗時，學生頭部必須盡量保持 固定，眼動追蹤系統才能準確且穩定地記錄到資料。因此學生會較易感到疲累， 也會有忍不住動來動去的情形，會對眼動資料的擷取產生些微的影響。再者，約 有 10~20% 的受試者會產生無法追蹤到眼球移動的情況（Jacob & Karn, 2003）， 例如：受試者的眼睛太小、睫毛太長，金屬眼鏡框的反光、斜視…等因素。然而 台灣學生近視比例高，個人眼睛狀況不同，因此取樣時較難排除這些受試者，僅 能在實驗之後刪去眼動資料品質不佳的受試者之資料。 在課堂教學的情境中，教師會針對學生的即時反應，調整不同的教學節奏， 呈現不同的訊息。但本研究為了便於使用眼動追蹤系統進行實驗和資料分析，事 先將所設計好的教材錄製好，因此師生之間的互動性也會受到一些限制。

1-5 名詞解釋

1. 眼動追蹤系統 (Eye-tracker)

眼動追蹤系統是一種能夠偵測人類眼動凝視位置、停留時間和視線軌跡的儀 器。此技術能夠提供自然且直接的方式來觀察眼睛的行為 (李培榮， 2008)，並 且在擷取資料的時間點和空間性較其它研究技術來得精細 (柯華葳等，2005）， 隨著其測量方法和技術的改良，使得此技術應用在各領域的研究上，也逐漸蓬勃 發展起來 (Rayner, 1998)。

2. 適性指標 (Adaptive Pointer)

適性指標是指是一種視覺物件，此物件具有協助「視覺搜尋」以及「引導注 意力」的特性，並且在呈現過程中，演講者能彈性地以互動方式操控此物件。互 動的方式，包含利用隱藏轉變成顯示、由顯示轉變成隱藏、改變顏色、改變大小、 改變形狀或是移動位置等。 狹義的適性指標是內容之外的輔助符號，用以凸顯物件、或建立物件之間的 關聯、或凸顯主要訊息之間的關係。廣義的適性指標包含訊息的結構化、視覺化、 內容本身的凸顯以及附加的輔助元件。 從使用的角度來看，適性指標有三個主要的用途：吸引注意力、協助選取相 關的圖文碼、協助組織相關的圖文碼。適性指標能夠增進訊息的易得性，減少不 必要的編碼與解碼，降低外在的認知負荷，並且協助訊息之間關聯性的建立。 本研究所使用的教材內容為「三角形內角問題」，教材設計中所使用到的「適 性指標」之呈現方式，依其視覺特徵分類，主要包含「標記」、「強調」、「淡 出」、「出現」、「閃動」和「消失」。其中，標記、強調、出現、閃動，都可 達到吸引注意力的作用，並且配合解說的過程適時地展現，以協助訊息的處理； 而淡出和消失的作用主要在於讓舊訊息消失或是淡化，不被這些舊訊息所干擾， 也有助於其他訊息的處理。

3. 口語化解說 (Oral Elaboration)

口語化的解說是指除了以對話的方式（conversational style）來解說教學 內容，符合多媒體學習的個人化原則（Personalization Principle），並且在數 學教學上，以凸顯的視覺特徵取代以英文符號編碼來解說幾何圖像。以下圖 2 的 三角形為例，口語化的解說為「紅色三角形」，而非口語化的解說為「三角形 ABC」。 圖 2 口語化解說之例子 在本研究中所使用的口語化解說，主要是針對角和三角形這兩個幾何物件， 運用不同色相凸顯並出現角的標記和三角形，如此就能以凸顯的視覺特徵來取代 這兩個幾何物件的英文編碼之解說方式，讓學習者能夠聽到訊息後，更快也找到 目標物，減少對於編碼的處理，則能夠有更多的資源進行其他的處理。

4. 引導注意力 (Attention Guiding)

引導注意力是指教學者利用「視覺引導」和「聽覺引導」的方式，減低學習 者的認知負荷，並且協助在選取、組織和整合訊息上的處理。視覺的引導包含利 用具有突出 (salience)特徵的視覺物件，在感知面向產生對比的作用，能夠減少 視覺搜尋和補捉視覺的注意力 (Pashler, 1998)，產生由下而上的注意力處理； 聽覺引導是指利用教學的解說內容傳遞聽覺的訊息，引發聽覺的注意，產生由上 而下的注意力處理，協助學習者夠將注意力停留在訊息上，產生更進一步的處理。 本研究中所使用的視覺引導為適性指標的設計，聽覺引導為口語化的解說。 適性指標會配合解說的過程和教學的步調，讓教學能夠適時地加以呈現和掌控， 並且運用感知產生「對比」的設計吸引學習者看到目標物，產生自動的注意力處 理。口語化解說能夠達到減少編碼的處理，減低工作記憶的負荷，並且配合解說 的過程和適時地呈現相關訊息，引導學習者注意力於這些訊息上，產生控制的注 意力處理，以協助學習者能夠建立這些訊息的關聯，有助於訊息的組織和整合。 在本研究中是利用眼動追蹤系統來評估教學設計對於引導注意力的作用。在 某個目標區中若有較多的注意力分佈 (凝視的比例愈高)，表示有較多的處理，分

散注意力的情況也能減少，則可認為引導注意力的作用愈佳。

5. 視覺搜尋 (Visual Searching)

視覺搜尋是指受試者開始搜尋目標物，直到看到目標物後並且停下來處理的 過程。如果目標物能夠具有較引人注意的特質，則視覺搜尋的時間會愈快速 (Jacob & Karn, 2003)。一般而言，從試驗的開始到目標區產生第一次凝視的這 段期間，稱為首視點時間，可當作搜尋效率的重要指標。 本研究是使用適性指標以凸顯目標物，並且將不相關的干擾訊息給予消失或 是淡出，以幫助學習者能夠更快地找到目標。以眼動追蹤系統來搜集在目標區的 首視點時間，如果產生首視點時間愈短，則表示視覺搜尋愈快速。

6. 符號編碼 (Symbol Encoding)

符號編碼是指在教學的解說過程或是文字呈現時，利用英文字母或是其他的 符號，以排列組合的方式形成一個專有名詞，以便於指出某個幾何物件，是幾何 教學上常用的表示方式。例如：AB (唸：直線 AB) 來表示直線、BAC(唸：角

第二章 文獻探討

本研究的目的是探討不同的教學設計對於學習過程的記憶表現和眼球移動的 影響。在課堂教學的環境下，學習者必須一邊觀看所呈現的教材，一邊聆聽教學 者的解說來進行學習，視覺呈現和聽覺解說都是影響學習表現的因素。本研究利 用 PowerPoint 和 AMA 系統來設計教材，採圖文兼用的呈現方式，屬於多媒體學習 的一種，並且操控視覺引導和聽覺引導，希望了解學習過程的注意力分佈和視覺 搜尋的情況，因此利用眼動追蹤技術來測量受試者的眼球移動。以下就針對多媒 體學習、注意力和眼動追蹤技術等相關理論進行探討。

2-1 多媒體學習理論

多媒體學習（multimedia learning）是指「文」與「圖」兼用的學習方式， 包含以語言文字型態呈現的印刷文字（printed text）與口述文字（spoken text）， 以及圖像型態呈現的插圖（illustrations）、圖片（graphics）、照片（photos）、 地圖（maps）、動畫（animation）和錄影（video）等（R. E. Mayer, 2005）… 因此，在課堂進行數學教學，亦是運用「文」和「圖」來協助學生學習，屬於多 媒體學習的一種。以下分別就多媒體的認知理論、教材設計原則和適性指標的設 計原則加以說明。

2-1-1 多媒體學習的認知理論

Mayer（2001）與多位學者以 Paivio 的雙碼理論 （Dual-Coding Theory）為 基礎提出多媒體學習的認知理論，來說明在多媒體學習時，人類的認知系統如何 分配與處理多媒體訊息。多媒體學習的認知理論有三個重要的認知假設：「雙通 道假設」（Dual-Channel Assumption）、「有限容量假設」（Limited-Capacity Assumption）和「主動處理假設」（Active-Processing Assumption），如下頁 表 2 所示。

表 1 多媒體學習認知理論的假設 假設 解釋 相關文獻 雙通道 人類擁有處理視覺訊息和聽覺訊息 的兩個獨立通道 Paivio(1986), Baddeley(1986, 1999) 有限制的容量 每一個通道中，一次所能處理的訊息 量是有限的 Baddeley(1986, 1999), Chandler & Sweller(1991)

主動處理 學 習 者 會 透 過 注 意 進 入 的 相 關 訊 息、組織所選擇的訊息成為一致的心 智表徵，並且把其他的知識和心智表 徵整合一起，產生主動學習的過程 Mayer(2001), Wittrock(1989) 資料來源：引自 Mayer, 2005, p34 在多媒體學習的認知理論模型中，Mayer (2001) 綜合了 Baddeley 的視覺空 間 初 步 加 工 系 統 (visuospatial sketchpad) 與 語 音 迴 路 (articulatory/phonological loop) 的分類，以及 Paivio 的語文（verbal）與 非語文（nonverbal）系統的分類，提出多媒體學習理論的二個通道：視覺／圖像 模型（visual/pictorial）通道與聽覺／語文模型（auditory/verbal）通道。 多媒體學習的核心工作在於「工作記憶」（working memory）中的處理 (R. E. Mayer, 2001, 2005)。由於各通道中同時能夠處理的訊息量是有限的，因此處理 訊息時必須考量不能超過工作記憶容量的負荷，此與 Sweller 認知負荷理論的主 張不謀而合。 在主動意識的情況下，在工作記憶中可短暫保留已登錄的訊息和進行知識操 作的處理。主動處理的歷程包含三個階段：「選擇相關訊息」、「組織已選擇的 訊息」和「將新訊息與先備知識整合」(R. E. Mayer, 2001, 2005)。學習者注意 到多媒體訊息中的相關詞語和圖像，然後將訊息編錄在感覺記憶中，形成視覺表 徵和聽覺表徵，再選取訊息進入工作記憶區中；學習者進一步對於工作記憶區中 的訊息進行組織，建立內在關聯和一致的知識表徵，然後形成語文模型和圖像模 型；最後，學習者將語文模型和圖像模型與長期記憶中的相關先備知識形成外在 關聯，並且加以整合，讓訊息得以產生意義、形成知識。 多媒體學習的認知理論認為，訊息的形式不同，其認知處理歷程也不同。在

一般課堂的幾何教學，教學者配合幾何圖形進行講述，並且適時把重要的式子和 文字列出來。依多媒體理論的學習模型，當教學者對幾何圖形進行解說時，解說 的聲音訊息會由耳朵進入聽覺管道，然後建立語言模型；而幾何圖片的呈現會由 眼睛進入視覺管道，建立圖像模型，然後整合先備知識達到學習，如圖 3 所示。 由於兩者是在不同管道間處理，並不會造成任何認知處理過程超過容量限制，因 此能達到好的學習效果（R. E. Mayer, 2005）。 圖 3 聲音和圖片的認知處理模型 資料來源：修改自 Mayer, 2005 然而在解說的同時，教學者也會呈現重要的式子和文字，並且針對文字內容 加以解釋。依多媒體理論的學習模型，此時的認知運作方式如下頁圖 4 所示。雖 然聲音和印刷文字是從不同的感官通道進入，但是組織訊息時會同時進入語言處 理模型，可能會造成工作記憶的處理超過容量限制，因此會影響學習的效果 （R. E. Mayer, 2005）。但是，在實際課堂教學，這樣的情況是很難避免的，而且， Mayer 的理論研究是以學生為導向之自學式多媒體教材為主，並沒有針對課堂教學 引導學習之教材進行研究。而課堂教學時，印刷文字和解說內容並非一模一樣， 聲音解說的口述文字會比書寫的文字多很多，因此不能就此草率否認聲音和印刷 文字同時呈現的設計方式。為避免「同時」在工作記憶中對不同來源的訊息進行 組織處理，而造成處理容量超過負荷的情況，教學者可利用「依序」出現的方式， 讓印刷文字和聲音的解說之間有些微時間差異，學習者能夠有充份時間看完印刷 文字，然後專心聆聽解說；或是充分解說完畢之後，再呈現印刷文字。

圖 4 聲音和印刷文字的認知處理模型 資料來源：修改自 Mayer, 2005 另一種情況是印刷文字和幾何圖片同時呈現的情況，如圖 5 所示。兩種訊息 會同時眼睛進入，在選取影像的過程，受試者的眼睛必須在兩種訊息之間來來回 回地移動，也會佔用較高的處理資源在選取訊息上。因此，若此兩種訊息在空間 上的位置能夠更接近地整合一起，則能夠改善此問題（R. E. Mayer, 2005）。 圖 5 印刷文字和圖片的認知處理模型 資料來源：修改自 Mayer, 2005

2-1-2 多媒體教材的設計原則

Mayer（2009）根據多媒體學習的認知理論和 Sweller 的認知負荷理論，認為 在學習的過程中有三種認知的處理方式：外在的（extraneous）認知處理、本體 的（essential）認知處理和衍生（generative）的認知處理 （R. E. Mayer, 2009）。 外在的認知處理，Sweller 稱為外在認知負荷，是指在教學目標之外，受到教 學設計所引起的認知處理；本體的認知處理，Sweller 稱為內在（intrinsic）認 知負荷，是指在訊息選取的處理時，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；衍生的認知處理，Sweller 稱為增生 （germane）認知負荷，是指在組織和整合訊息的處理時，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。 Mayer 和多位學者經過多實驗研究，提出十二個多媒體學習的設計原則（R. E. Mayer, 2009），可作為教材設計的重要參考。依認知處理的方式，分為五個可以 減低外 在 處理的 設 計原則 ： 連貫原 則 （Coherence Principle）、 信號 原則 （Signaling Principle）、累贅原則（Redundancy Principle）、空間接近原則 （ Spatial Contiguity Principle ） 和 時 間 接 近 原 則 （ Temporal Contiguity Principle）；三個管理本體處理的設計原則：分割原則 (Segmenting Principle)、 事先訓練原則（Pre-training Principle）和形式原則（Modality Principle）； 還有四個增加衍生處理的設計原則：多媒體原則（Multimedia Principle）、個 人化原則（Personalization Principle）、聲音原則（Voice Principle）、圖 像原則（Image Principle）。如下頁表 3 所示。

表 2 多媒體的設計原則 設計原則 說 明

減

低

外

在

的

處

理

連貫原則 Coherence Principle 與主題「不相關」的文字、圖像或聲音若 能加以排除，學習效果較好 信號原則 Signaling Principle 多媒體教材，若含有可強調教材內容組織 結構與重點的「提示」（cues），學習效果 較好 累贅原則 Redundancy Principle 學習者從具有「動畫與口述文字」的教材 比具有動畫、口述文字與字幕的教材能得 到更好的學習效果 空間接近原則

Spatial Contiguity Principle

相關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

時間接近原則

Temporal Contiguity Principle

相關的文字與圖像「同時呈現」比接續呈 現的效果好

管

理

本

體

的

處

理

分割原則 Segmentation Principle 當多媒體教材被分割成數個小「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 Pre-training Principle 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 形式原則 Modality Principle 文字訊息以「口述文字」的方式呈現會比 印刷文字有更好的效果

表 3 多媒體的設計原則 (續) 設計原則 說 明

增

加

衍

生

處

理

多媒體原則 Multimedia Principle 教材設計採用「文字」與「圖像」並用的 學習效果會比僅採用文字好 個人化原則 Personalization Principle 教材的用語採 「對話式」方式會比採用 形式化的方式，得到更好的學習效果。 聲音原則 Voice Principle 講述的聲音採用「人聲」的方式會比機器 音的方式，學習者能夠學得更好 圖像原則 Image Principle 當螢幕上有出現演講者的圖像時，並不必 然會得到較好的學習效果 資料來源：整理自 R. E. Mayer, 2009 每個多媒體設計原則會受到學習者本身和教材本身情況的因素，而會有不同 程 度 的 設 計 效 果 ， 這 些 因 素 包 含 ： 個 別 差 異 情 況 （ Individual Differences Condition），以及複雜性和步調情況（Complexity and Pacing Conditions）。 在學習多媒體的課程時，對於低知識（low-knowledge）的學習者會比高知識 （high-knowledge）的學習者，有較強的設計效應；而教材的情況因素方面，具 有較高複雜度（high-complexity）的內容會比低複雜度（low-complexity）的內 容，會有較強的設計效應，而快步調（fast-paced）的呈現教材會比慢步調 （slow-paced）的顯示方式，得到較強的設計效應。 在多媒體學習的研究上，涉及在數學方面的研究相對較少，尤其是幾何問題 (R. E. Mayer, 2005)。雖然 Mayer 的多媒體實驗並非屬於數學的教材，但是其中 的多媒體原則、空間接近原則、形式原則、多餘原則…等也適用在數學的教材設 計。然而關於個別差異情況的方面，兩者的結果有部分不同：數學的多媒體學習 研究認為「高成就」 (high-achieving) 的學習者設計效應較高，一般的多媒體 研究認為是「低知識」的學習者設計效應較好。 數學多媒體學習之教學設計的相關研究結果，整理如下頁表 4 所示。

表 3 數學多媒體在教學上的設計原則 類別 設計原則 與 Mayer 的一般多媒_{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 靜態圖 + 口述文字 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 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 動態圖 + 印刷文字 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 動態圖 + 口述文字 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

資料來源：整理自 R. E. Mayer, 2005

本研究所關注的適性指標設計，與多媒體設計原則的「信號原則」(Signaling Principle) 有密切相關；而口語化的解說方式，則與多媒體設計中的「個人化原 則」(Personalization Principle) 有部分相似之處。以下針對此兩個多媒體設 計原則加以說明。

1. 信號原則 (Signaling Principle)

Mautone 與 Mayer（2001）年發表多媒體設計的信號原則，主要利用強調教材 內容組織結構與重點的提示的信號，來協助學習者處理教材。信號原則的使用方 式，包含在口語中「加強重音」提醒關鍵字、使用「箭號」指示注意動畫中的某 個影像、添加「綱要」或「標題」以協助組織文字、利用「底線」和「粗體字」 來凸顯重要訊息、藉由添加「圖地」顯現已呈現的部分來協助組織影像。 Mayer（2009）進一步依據不同素材的使用方式，將信號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 (R. E. Mayer, 2009)，整理如表 5 所示。 表 4 信號原則的使用方式 分 類 特 徵 使用方式 語言信號 Verbal Signaling 大綱 Outline 在課程開始解說之前，就先把大綱呈現出來 標題 Heading 在每一節開始加入標題，此標題是與大網息息 相關的 強調聲音 Vocal emphasis 以更大的音量或是更慢的速度念出關鍵字 指標字 Pointer words 在文中加下指標字，如：首先…第二…第三… 視覺信號 Visual Signaling 箭頭 Arows 以箭頭指出圖像的重要部位 特殊顏色 Distinctive colors 用特別顯目的顏色來強調圖像的概念 閃爍 Flashing 用閃爍的方式顯示圖像的特定元件 指示手勢 Pointing gestures 是一種螢幕上的機制，可指出圖像的某個部分 淡化 Graying out 將圖像中其餘部位淡化，以讓正在描述的成分 能夠獲得更多的重視 資料來源：整理自 R. E. Mayer, 2009

信號原則包含聲音、文字、符號的使用，目的是為了能讓相關的訊息更加地 凸顯。但是，使用過多的信號反而會增加學習者的困惑感，反而不能達到引導注 意力，因此應該更加審慎地運用信號才是（Stull & Mayer, 2007）。信號原則的 作用不僅能夠對訊息的視覺表徵產生知覺 (Schnotz, 2002)，並且能夠釋放出更 多的認知資源來建構內部的心智模型，產生學習的基模 (schema)，因此有助於提 升學習者的了解程度 (R. E. Mayer, 2005)。適性指標不但運用多媒體理論的信 號原則之特性，能夠強調教材內容的結構和提示重點，並且特別針對教學者引導 學習的教學環境衍生更多的應用方法，茲於下一小節詳加說明。

2. 個人化原則 (Personalization Principle)

個人化原則是 Mayer 在以電腦為介面的學習環境，考量社交因素會影響學習 者的動機，能夠增進認知的處理，進而提出的設計原則之一。此原則認為教材的 用語採用「對話式」 (conversational style） 的方式會比採用「形式化」 （formal style）的方式得到更好的學習效果 (R. E. Mayer, 2001, 2005, 2009; Mayer, Fennell, Farmer, & Campbell, 2004; Moreno & Mayer, 2000, 2004)！多媒體 學習的設計研究認為，產生對話式的講述用語可利用以下兩個方式： (1) 使用第一、二人稱，而非使用第三人稱的架構。 (2) 教學者在解說中增加一些句子，達到直接和學習者對話的作用(R. E. Mayer, 2005)。 本研究所使用的「口語化」解說方式 (oral elaboration)，亦是關注在聲音 的講述上，符合個人化原則的精神，採用對話式的解說方式。然而在幾何教學上 與一般多媒體教學的教材不同在於，在教學的解說中，常用編碼來提示幾何物件 和描述幾何物件之間的關係。例如：幾何圖形的每個點通常會有一個英文字母來 代表之，就會利用英文符號編碼來解說某個幾何物件。若是所設計的教材中含有 適性指標，就可利用所凸顯的特徵來對目標幾何物件進行解說，避免使用英文符 號編碼來解說的情況。 聽覺的引導大多屬於自主控制的注意力處理，聽學習者聽到英文字母時，也 不免會去搜尋這些英文符號，但是目標物是幾何物件而非英文符號，因此就可能 會產生多餘的處理，增加視覺搜尋的時間，造成學習的干擾。所以，本研究針對 這樣的假設設計實驗，以了解「口語化」的解說方式，對眼球移動和記憶表現的 影響情形。

2-1-3 適性指標的設計原則

在課堂教學的環境中，教師需要適時、明確地提供訊息，因此如何安排訊息、 如何引導訊息、排除雜訊、及降低搜尋的困難度，協助訊息的選取、組織、整合 訊息，進而引導先備知識的整合，是所有的多媒體教學設計的學者所要解決的問 題。因此，交通大學陳明璋博士的研究團隊提出適性指標 (Adaptive Pointer) 的 概念，作為課堂教學環境時，多媒體學習認知引導的機制。一般的自學式多媒體 學習是以學習者為導向，而課堂中的多媒體學習是以教師者引導學習，兩者的教 材特質有些不同，說明如表 6 所示。 表 5 學習者導向/教學者引導學習之媒體教材特質比較分析 導向 學習者為導向 教學者引導學習 地點 單一電腦、軟體/網頁 教室大銀幕 對象 個別學生 全班同學 教材 特性 教材能與學生互動；教學流程規 劃清楚；動態呈現，適性化不易 呈現模式簡單、設計簡單；教師 主導呈現的順序和詮釋；詮釋可 即時、有彈性且多元 互動 特性 個別性互動，學習者依個人特性 啟動學習內涵 教師主導，同時與學生互動，教 師須同時兼顧全班的整體性和個 別性 呈現 模式 文字、圖像、動畫、聲音、軟體 模擬、軟體操作 文字、圖像、動畫、聲音、軟體 模擬、軟體操作、肢體語言 自我/系統掌控式視覺呈現 系統/教師掌控式視覺呈現 以文字、圖像為主，語言為輔 文字圖像和語音同等重要 教材設計 考量因素 學習者的個別性 整體性、同步性 學習能力、空間能力、性別差異、感官型態、認知型態、先備知識 教材設計 成本 成本高、修改不易 成本低、修改容易 資料來源：陳明璋，2005

針對課堂教學的學習環境，邱建偉（2005）探討數學簡報系統視覺及互動設 計的基本原則，考量學習者的視覺、教材的內容、課堂上的應用，讓學習者的認 知負荷不超過工作記憶容量，對教材作有效地動態呈現，並且提出了九個基本原 則，如表 7 所示。 表 6 數學簡報系統視覺及互動設計的基本原則 原則 說明 指標 靜態與動態指標、符號、圖示、語言，以避免重複搜尋 訊息 層次 掌握訊息角色與呈現的比重，以呈現主題 群化/關聯 建立相關訊息視覺關聯 對比/比較/演化 相似性與差異性之呈現 步驟 概念分解或步驟化 動態/互動/隨意 依教學情境呈現教學內容，調整教學步調 結構 訊息結構化，有助於探索訊息，抽象概念的呈現 銜接/連貫/重整 導覽、銜接與重整的性質，可協助學生在偶爾無法跟上 教師步調時，能夠重新審視先前內容 溝通性 教師、學生與教材三者可以溝通的環境 資料來源：邱建偉，2005 綜合指標、層次和群化/關聯等激發式動態呈現原則，陳明璋博士進一步提出 適性指標的概念，認為適性指標是一種視覺物件，讓教學者在教學過程中，能夠 適性地以互動的方式操控這些視覺物件，以達到「減少視覺搜尋」和「引導注意 力」的作用。因此，適性指標就是吸引注意力的第一要件 (陳明璋，2008)。 狹義的適性指標是內容之外的輔助符號，用以凸顯物件、或建立物件之間的 關聯、或凸顯主要訊息間的關係。廣義的適性指標包含訊息的結構化、視覺化、 內容本身的凸顯以及附加的輔助元件。以下針對課堂授之教學、適性指標的用途、 視覺特徵、設計原則和應用加以說明。

1. 適性指標的用途

從使用的角度來看，適性指標有以下三個主要用途： （1） 吸引注意力。 （2） 協助選取相關的圖文碼。可增進訊息的易得性，減少不必要的編碼 (encoding) 與解碼 (decoding)，降低外在的認知負荷。 （3） 協助組織相關的圖文碼，建立訊息之間的關聯性。

2. 適性指標的視覺特徵

林煜庭 (2007) 認為視覺認知科學 (Visual Cognition Theory)、認知神經 學 (Cognitive Neuroscience)、資訊視覺化 (Information Visualization) 等 領域理論都支持適性指標的有效性，並且從中歸納出適性指標的四個視覺特徵： 形狀 (form)、顏色 (color)、深度 (depth) 和運動 (motion) 視覺特徵。

適性指標的形狀特徵是指能夠讓目標物在方向、長度、寬度、大小、曲度、 模糊度與干擾物有所區別的特徵，亦可利用外標記的方式，吸引觀看者的注意力； 適性指標的顏色特徵是利用不同的「色相」(hue) 和「色彩強度」(intensity) 特 徵，讓適性指標在畫面中達到強調的效果，因此愈易被偵測到；適性指標的深度 特徵是透過「立體深度」(stereoscopic depth) 或「凹凸感受」(convexity & concavity) 的特徵，適時改變圖層的上下關係，增加語言描述的彈性，影響視覺 搜 尋 效 果 ； 適 性 指 標 運 動 特 徵 是 指 利 用 突 然 出 現 (new object) 、 瞬 變 (transient)、接近 (looming)、移動 (new motion)、閃爍 (flicker)等特徵， 引發知覺系統產生注意。 其中形狀特徵、顏色特形和深度特徵大致與多媒體學習的「信號原則」有相 關，然而適性指標的運用方式更加多元、應用更廣；除此之外適性指標與信號原 則尚有一些不同之處，例如，適性指標具有運動的視覺特徵，這是信號原則相關 研究上較無提及的部分；適性指標主要是視覺物件，並沒有考慮到聽覺的影響， 但是加重語氣、提高音調的解說方式，都屬於信號原則運用的一種。 茲將適性指標的視覺特徵分類和說明，摘要整理如下頁表 8 所示。

表 7 適性指標的形狀特徵分類 特徵分類編碼 說明 1.1 FORM-Orientation、Length、Width 目標物與干擾物方向、長度、寬度 不同 1.2 FORM-Size 目標物與干擾物大小不同 1.3 FORM-Curvature 目標物與干擾物彎曲程度不同 1.4 FORM-Blur 目標物與干擾物模糊程度不同 1.5.1 FORM-Added marks-pointer、 underline、enclosure-border、 enclosure-interior 替目標物外加指標，如箭頭、底線、 外框式 common region、底色質感 式 common region 2.1.1 COLOR-Hue-[strategy：distinct hue、hidden distractors、pop-out target]

策略－目標與干擾區隔、隱藏干擾 物、僅強調目標物 2.1.2 COLOR-Hue-[perception：unique hues、cross-cultural naming、focal colors、categorical colors] 知覺－純粹色相、顏色跨文化命 名、焦點顏色、顏色類別 2.1.3 COLOR-Hue-[label：distinctness、 chromatic simultaneous contrast、field size、color blindness] 標示－可區別性、色彩同時性對 比、標識區域大小、色盲 2.2.1 COLOR-Intensity-[luminance、 SBC、grouping] 亮度、SBC、色彩強度群化 3.1 DEPTH-Stereoscopic depth 目標物與干擾物之立體深度不同 3.2 DEPTH-Convexity & Concavity 目標物與干擾物之凹凸感受不同

4.1 MOTION-New object 目標物是突然出現的新物件 4.2 MOTION-Transient 目標物的某種視覺特徵發生瞬變 4.3 MOTION-Looming 目標物感覺上往觀察者接近 4.4 MOTION-jitter motion 目標物在畫面中抖動 4.5 MOTION-New motion 目標物是突然由靜而動的物件 4.6 MOTION-Flicker 目標物在畫面中閃爍 4.7 MOTION-Coherence 運動方式一致性所產生的層次感 4.8 MOTION-Direction 目標物與干擾物運動方向不同 資料來源：整理自林煜庭，2007

3. 適性指標的設計原則

適性指標主要是運用在課堂教學的環境中，利用 AMA 系統進行建構和設計， 並且符合激發式動態教學 (Trigger-based Animated Instruction, TAI) 的設計 原則，發展出七個設計原則 (林煜庭，2007)，說明如表 9 所示。 表 8 適性指標的七個設計原則 原 則 說 明 標示原始位置 原則 （1） 適性指標之滑鼠啟動點應該在目標物所在位置 （2） 適性指標應該含有位置資訊，不論是「直接出現在目標 物所在位置」或是「指出目標物的方位」 （3） 同一物件或物件之指標在不同頁面出現時位置要相同 （頁間定位） 特徵獨立原則 （1） 適性指標應盡量採用單一特徵的設計方式 （2） 適性指標應盡可能的與所有待搜尋物件沒有共同的視覺 特徵，尤其不應具有干擾物的視覺特徵 （3） 適性指標應避免前一個用來標示干擾物的視覺特徵，用 來標示現在要突顯的目標物 通道原則 當畫面中某一類型的視覺特徵通道非常擁擠時，我們在設計適 性指標時應該考慮採用其他類型的視覺特徵 群化原則 （1） 目標物群化：可用來建立各個目標物的關聯性 （2） 干擾物群化：可以協助視覺搜尋作業，將干擾物以質感 辨認的方式，整群加以忽略 明度差異原則 適性指標的設計必須考慮明度因素，目標物或是適性指標的明 度與干擾物的明度差異越大，凸顯效果越好 引導原則 （1） 要同時考慮由上而下的「抑制性引導」（inhibitory guidence）以及由下而上的「刺激性引導」（excitatory guidence）兩項因素 （2） 一個有效的策略是「目標物由下而上激發，干擾物由上 而下抑制」

觸發原則 要有觸發「新出現」(new object onset) 或是觸發「新移動」 (new motion onset) 的機制

4. 適性指標的應用

之前已提及以教學引導學習的課堂教學教材和以學生為主的多媒體學習教材 有許多的不同處，因此，在教材設計上所面臨的問題也不盡相同。適性指標的設 計，不僅符合多媒體的設計原則，並且能夠克服多媒體設計原則在課堂教學環境 下無法解決的問題 (林煜庭，2007)。適性指標和多媒體設計原則的關係，及應用 方式，說明如表 10 所示。 表 9 課堂教學環境與適性指標 教材設計問題 解決方法 適性指標 與空間接 近原則 (1) 圖像附近沒有足夠的空 間容納所有的文字訊息 (2) 文字訊息影響圖像的辨 認 (3) 兩個訊息在畫面中有距 離，並且無法接近 適性指標具有可開可關的特性，教學 者可依學習者的學習狀況，適時以適 性指標「顯示文字訊息」，也可在不 需要時「隱藏文字訊息」，讓文字訊 息呈現時所需要的總空間減少，並且 可避免學習者在關注圖像時被文字 訊息所干擾 適性指標 與時間接 近原則 需要互相比較之圖層位置重 疊且無法分割，所造成無法 同時表達兩個圖像觀念的困 擾 利用適性指標的適性開關，以新出現 物件來引導學習者看到目前教學者 說明的物件，或是將不必要的訊息加 以隱藏，使教材可在不同時間點呈現 當下個別的狀態，亦可運用適性指標 之透明度圖層來區隔兩種狀態，便於 互相加以比較 適性指標 與累贅效 應相關之 原則 印刷文字、口述文字同時出 現 會 產 生 累 贅 效 應 (Redundancy Effect)。與此 相關的多媒體學習設計原則 有連貫原則、形式原則、累 贅原則和個別差異原則 (1)適性指標的設計可以依據個別差 異情況進行適當的回應，對於高 先備知識的學習者可隱藏累贅的 訊息，對於低先備知識的學習者 則顯示必要的訊息 (2)著重口述文字時，可以將文字訊 息關閉，符合形式原則與累贅原 則的精神 (3)當學習者對保持口述文字的內容 感到吃力時，可適時開啟文字訊 息，讓視覺通道協助認知歷程的 處理，充分發揮雙通道的效能 資料來源：整理自林煜庭，2007

2-2 注意力與多媒體學習

資訊傳遞給學習者的第一步，就是這些資訊要能被學生「注意」到，然後才 有機會進一步被處理和學習，因此，本研究亦欲探究在學習的過程中，教學和教 材之設計對於學習者注意力分佈的影響。以下就人類的注意力、視覺注意力、認 知負荷和注意力的關係，還有多媒體學習在注意力方面的相關研究進行探討。

2-2-1 人類的注意力處理系統

人們所認為的注意力現象，有兩個主要的特徵：選擇性和容量限制 (Pashler, 1998)。選擇性特徵觀點認為，有意識的感知通常是有選擇性的，而人們所能察覺 的刺激只是很小的一部分；刺激對行為的衝擊也是選擇性的維持注意力，例如在 走路、開車、打球…時，人的行為只是反應很小部分的感官刺激。由於人在同一 時間可能執行的心智處理是有限的，因此心智會不斷地優先分配一些感官資訊， 產生選擇性的注意力處理，造成對意識經驗和行為不同程度的影響。 注意力的理論的早期發展，Broadbent (1958) 提出著名的瓶頸概念，強調在 同一個時間，人所可以處理的資訊相當有限。相對於瓶頸理論的觀點，有研究者 提出，人可以透過練習的方式 (見 Neisser，1976) 和環境的設計 (見 Felming, 1987; Gangé et al., 1988)，來提高同時注意好幾個東西的效率。 注意力在資訊處理的過程，扮演重要的角色。由於在環境中人所遭遇到的資 訊非常多，而注意力會讓心智聚焦在一些刺激和任務上，影響認知決定該注意到 那個資訊，因而研究者發展出注意力的認知資訊處理模型 (Dodd & White, 1980)。 資訊處理理論認為，注意力是由很多連續的步驟所組成的，有些步驟是下意識的， 如感覺的輸入，有些步驟則是有意識的，如選擇性注意力。

依注意力的系統來看，人類有兩個分開的但是會互相影響的注意力系統：自 動的 (automatic) 和自願的 (voluntary) 注意力系統，而不是單一的注意力系 統 (見 Posner & Friedrich, 1986)。Hillyard & Hansen (1986) 稱此兩種注意 力系統為：自動的處理和控制的處理。注意力處理系統的特性，如下頁表 11 所示。

表 10 注意力的處理系統 自動處理 (automatic process) 控制處理 (controlled process) 處理速度 _{快速的，經常在 1 秒內完成} 較慢的，需要 1 秒或 2 秒以 上才能完成 耗費之資源 _{需要少量的心力 耗費許多心力} 意識 _{無法知覺或省察到心智的處理 能意識到心智的處理} 資訊處理方式 平行地 (parallel) 處理 序列地 (serial) 處理 資料來源：整理自李玉琇、蔣文祁 (譯)，2005 教學的過程是包含這兩種注意力處理方式。教材中突然出現或是移動的物 件，會吸引學習者的自動去觀看，屬於自動的注意力處理。教學者的口語引導， 希望學習者主動去注意某個物件，屬於控制的注意力處理。控制的處理與個體的 興趣和意向有關，當資源分配到特定的物件或位置，才能更進一步地進行分析處 理 (Treisman & Gelade, 1980)，產生學習的活動。

2-2-2 視覺注意力與眼球移動

實驗心理學家 Treicher 在 1967 年透過大量的心理實驗證實，人類從外界獲 得的資訊有 83％是通過視覺，也就是說用視覺來傳遞資訊，是最容易且有效的方 式。人看哪裡被假設為能夠指出認知過程的前端 (Just & Carpenter, 1976)。教 學者操弄教材的呈現，常常希望引導學到「看」到那裡，因此，視覺注意力對於 多媒體學習也是非常重要的。

回顧心理學上關於注意力和眼球運動的歷年研究，視覺注意力和眼球的移動 有密切的關係 (Duchowski, 2003)。Von Helmholtz (1925) 假設視覺注意力是視 力知覺不可或缺的機制，他主要關注在眼睛活動與空間的位置，即視覺注意在「那 裡」 (Where)；James (1981) 相信注意力可以是一個更隱藏的內部機制，類似於 想像力、預感或想法，他關注在注意焦點有關的含意或期待，即與注意焦點有關 的是「什麼」 (What)；到了 1940 年代，Gibson 提出集中視覺注意力意圖的第三 個因素--注意力變化的反應性質，此觀點是基於觀察者的先入之見或是態度，說 明了「該做什麼」或「如何」反應行為；Yarbus (1967) 給受試者明確的圖像問 題，測量受試者看此圖像時的眼睛活動，記錄的眼睛觀看圖像的連續圖樣，稱此 圖樣為視線軌跡 (scanpath)；Posner 等人提出景像 (scene) 移動時注意力機制 類似於聚光燈 (spotlight)，聚光燈的大小似乎被局限在視小窩的區域中，然而 Posner 等人也發現，注意力的方位並非總是與眼睛的活動有關；Treisman (1986) 提出視覺注意力的特徵整合理論 (Feature Integration Theory)，注意力像黏著 劑 (glue) 一般的作用，可以把分散在特定位置中的特徵整合、連接起來；Kosslyn (1994) 提出注意力視窗 (window) 模型，相似於 Broadbent 的選擇過濾器和 Treisman 稀釋的過濾器理論，但是認為注意力視窗大小能夠因應情況而改變。

James 和 Von Helmholtz 注意力的觀點大致上符合視覺注意的中央小窩 (foveal) 和視小窩周邊 (parafoveal) 視覺的觀點 (Duchowski, 2003)。當影像 的刺激發生時，我們可能考慮圖像中會吸引注意力的一些區域。這些區域可能最 初是在視小窩周邊被察覺，透過視小窩的視覺，要求更進一步仔細的審查。出現 在在邊緣的影像，可能驅動注意力下一個該看到那裡，因此我們可確認是什麼被 呈現在那些地點。 眼睛要看到某處的某個物件之注意力，稱為定向 (orientation) 注意力。定 向注意力的處理系統，可能是屬於控制的注意力處理，也可能是自動的注意力處

理。例如，受到任務目標的影響而受試者引導其注意力，是意識所控制的，屬於 控制的處理；被螢幕上出現相關元件所自動捕捉注意力，不是意識所控制，屬於 自動的處理。Posner (1980) 則稱這兩種模式為內在的 (endogenous) 定向注意 力和外在的 (exogenous) 定向注意力。 在教學過程中，這兩種的定向注意力常常是混合使用的，本研究的設計也是 如此。例如：突然出現的標記，這樣的設計也是適性指標的一種，可吸引目光無 意識地看到該物件，屬於外在的定向注意力；以口語引導學習者計算出某個角的 度數，學習者必須目光必須尋找並且觀看相關的訊息，為意識所控制的，此時適 性指標可達到協助選取和組織相關圖文碼，屬於內在的定向注意力。 突出 (salience) 是引起外在定向注意力的重要刺激特徵。Pashler (1998) 認為，突出的物件會在感知的面向產生局部的對比，例如：顏色、定向、移動， 或突然出現…。適性指標的設計，亦是利用讓學習者在感知上產生局部對比的作 用，因此，適性指標亦具備「突出」的特徵。 「突出」的特徵，有兩大作用，一是減少視覺搜尋的時間，另一個是幫助捕 捉注意力，相關研究整理，如下頁表 12 所示。

表 11 「突出」特徵的作用

作用 說明 出處

減少 視覺搜尋

突出的物件有助於減少視覺搜尋的

時間，讓人能夠很快地找到這些目標 Treisman & Gelade(1980) 當受試者若知道突出的特徵與任務

有關時，視覺搜尋會更有效率 Yantis & Egeth (1999)

補捉注意力

顏色突出的元件，可觀察到自動的注 意力捕捉機制

Turatto, Galfano, Gardini, & Mascetti (2004)

突然出現的物件和移動的物件，可發 現捕捉注意力的現象，並且會引起眼 睛的移動。

Abrams & Christ(2003)； Godijn & Theeuwes, (2002); Oonk & Abrams(1998) 物件出現移動，會比出現刺激的特

徵，更能有效捕捉注意力 Hillstrom & Chai(2006)

「突出」物件的研究結論是否能夠用輕易地在複雜的任務上，例如多媒體的 學習，還有需要更多的考量，這方面在視覺注意力上的研究仍有很大的發展空間。 然而，適性指標的設計不但具備有「突出」特徵的作用，並且所設計的「突出」 特徵都是與當下的學習目標有關的，因此能夠達到減少視覺搜尋和捕捉注意力的 作用。