以視覺分離、對應與提示元素在國中英語數位教材設計之研究-以數字讀法為例

國立交通大學

理學院科技與數位學習學程

碩 士 論 文

以視覺分離、對應與提示元素在國中英語數位教材設

計之研究-以數字讀法為例

Visual Isolation, Layout Design, and Hint in Digital English

Teaching Material Design in Junior High School: A Study of

Number Reading

研 究 生

：

陳雅婷

指 導 教 授

：

張靜芬 博士

陳明璋 博士

以視覺分離、對應與提示元素在國中英語數位教材設計

之研究-以數字讀法為例

Visual Isolation, Layout design, and Hint in Digital English

Teaching Material Design in Junior High School: A Study of

Number Reading

研 究 生 ： 陳雅婷

Student ： Ya-Ting Chen

指導教授 ： 張靜芬

陳明璋

Advisor ： Ching-Fen Chang

Ming-Jang Chen

國立交通大學

理學院科技與數位學習學程

碩 士 論 文

A Thesis

Submitted to Degree Program of E-Learning

College of Science

National Chiao Tung University

in partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of

Master

in

Degree Program of E-Learning

June 2013

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

中 華 民 國 一 百 零 二 年 六 月

以視覺分離、對應與提示元素在國中英語數位教材設計之

研究-以數字讀法為例

1

學生：陳雅婷

指導教授：張靜芬 博士、陳明璋 博士

國立交通大學理學院科技與數位學習學程

中文摘要

本研究以「英文數字讀法」單元為例，目的在探討「以視覺分離、對應與提 示」之教材設計對於國中學生的英語學習表現及認知負荷感受之影響。本實驗以 新竹縣某國中四個班級共 112 位七年級的學生為研究對象，採準實驗研究設計， 自變項為教材設計和學習成就，依變項為階段學習成就測驗、延後測和認知負荷 感受，實驗組為視覺分離、對應和提示之教材設計，對照組為一般數位教材設計， 並以二因子變異數進行實驗數據分析。研究結果顯示：(1)除了階段學習成就測驗 英文轉數字部分外，教材設計與學習成就兩變項在階段學習成就測驗、延後測和 認知負荷感受皆沒有交互作用。(2)在階段學習成就測驗表現上，實驗組於總分、 數字轉英文、英文轉數字與聽力等部分顯著優於對照組。(3)在延後測表現上， 實驗組於總分、數字轉英文與聽力顯著優於對照組。(4)在認知負荷感受上，實 驗組學生感受到的認知負荷顯著低於對照組學生。(5)綜合學習效率與學習投入分 數判斷學習成果，實驗組為高投入高效率，對照組為低投入低效率，兩組教材對於 高學習成就學生均未產生專業知識反轉效應。因此依據研究結果，本研究建議敎 學者可將「視覺分離、對應和提示」之教材設計應用於「英文數字讀法」單元的 教材設計上，以提昇學生學習成效。 關鍵字：視覺分離、對應與提示、注意力與視覺引導、數位教材設計、國中英語 1 本論文部分研究成果與國科會專題研究計畫 100-2511-S-009-006- 及101-2511-S-009-006-MY2 相關。 i

Visual Isolation, Layout design, and Hint in Digital English

Teaching Material Design in Junior High School: A Study of

Number Reading

Student: Ya-Ting Chen Advisor: Ching-Fen Chang, Ming-Jang Chen

Degree Program of E-Learning

National Chiao Tung University

Abstract

This study designed a teaching material on number reading, and examined the effects of teaching material design by using “visual isolation, layout design and hint” on English learning performances and perception of cognitive load in junior high school students. 112 participants from four classes at a junior high school in Hsinchu County participated in this study. Adopting a quasi-experimental, the independent variables were teaching material design and learning achievement. The dependent variables were learning achievement test, delayed post-test and perception of cognitive load. The teaching material design of experimental group was based on visual isolation, layout design and hint while control group was the general digital teaching material design. The result of the experiment was analyzed through two-way ANOVA. The results of the study showed: (1) In terms of learning achievement test, delayed post-test and the perception of cognitive load, there was no significant interaction between the two independent variables, teaching material design and learning achievement except English transfers number in learning achievement test. (2)In terms of learning achievement test, experimental group wasbetter than control group in total scores, English transfers number, number transfers English and listening comprehension. (3) In terms of delayed post-test, experimental group was better than

control group in total scores, English transfers number and listening comprehension. (4)

In terms of perception of cognitive load,perception of cognitive load of the participants in experimental group was lower than that in control group. (5) Judging from the synthesis of “Instructional Efficiency” and “Instructional Involvement Score”, the

participants in experimental group belonged to the learning style of high involvement and high efficiency while those in control group belonged to the learning style of low involvement and low efficiency. No “Expertise Reversal Effect” was found among high-achievers in experimental group and control group.In conclusion, we suggest that teachers can apply “visual isolation, layout design and hint” approach to design teaching material on “English number reading” to improve the students’ learning performances.

Keywords: visual isolation, layout design and hint, attention and visual guiding, digital teaching material design, English in junior high school

誌謝

歷經兩年的努力和奮鬥，我的論文終於完成了，心中真是無限感動。回首這 兩年的過程，經歷了懷孕生子，同時還得努力追趕論文進度，這一切都是為了能 順利在兩年內完成碩士學位。如今，我做到了！一路上要感謝的貴人很多，首先， 要感謝的是張靜芬教授，在我尋找論文題目和實驗過程中，給予我指點和方向， 讓我的論文能順利完成。更要感謝陳明璋教授，在教材設計的過程中，細心指導 每個環節，不論多麼辛勞仍不厭其煩地指點修正，仔細地給予我寶貴的意見，使 我對教學與教材有全新的看法。另外，感謝口試召集人孫于智教授，給予論文寶 貴的意見，使論文更加完善。 感謝一起共同打拼的研究所 AMA 團隊同學兼夥伴們，感謝士立在我寫作論 文和分析數據有困難時，及時給予回應和幫助，感謝振順學長、淑貞學姊、天行、 昭吉、蕙璐、威鈞，總是提供許多寶貴意見和鼓勵。接著，感謝我的父母和家人， 給予我關懷和支持，特別是我的老公建源在這辛苦的兩年時光裡分擔許多家事， 讓我可以全心全意專心在論文上，並在我最低潮時給我鼓勵和最大的支持，感謝 這一路來一直有你陪伴！感謝我的公婆幫我帶小孩，讓我可以無憂無慮盡全力拚 論文。最後感謝我最親愛的寶貝君君，謝謝妳在媽咪肚子裡就乖乖陪著我上研究 所的課，感謝妳從出生到現在像天使一樣，總是乖乖的，不讓媽咪擔心，妳的誕 生一直是媽咪寫作論文最大的動力，論文能順利在兩年內完成妳有很大的功勞！ 感謝因為有妳，我的生活更加圓滿！ v

目次

中文摘要 ... i Abstract... iii 誌謝 ... v 目次 ... vii 表次 ... xi 圖次 ... xiii 第一章 緒論 ... 1 1-1 研究背景與動機 ... 1 1-1-1 研究背景 ... 1 1-1-2 研究動機 ... 2 1-2 研究目的 ... 3 1-3 研究問題 ... 4 1-4 研究範圍與限制 ... 4 1-5 名詞解釋 ... 6 第二章 文獻探討 ... 7 2-1 注意力與視覺搜尋 ... 7 2-1-1 視覺注意力 ... 7 2-1-2 選擇性注意力 ... 8 2-1-3 視覺搜尋 ... 10 2-1-4 視覺注意力與視覺搜尋對本研究之影響 ... 12 2-2 認知負荷理論 ... 12 2-2-1 認知負荷的基本假設 ... 12 2-2-2 自然訊息處理系統的原則 ... 14 2-2-3 認知負荷的類型 ... 15 2-2-4 認知負荷效應 ... 16 2-2-5 訊息的對應形式 ... 25 2-2-6 認知負荷理論對本研究的影響 ... 27 2-3 多媒體學習理論 ... 27 2-3-1 多媒體學習理論的基本假設 ... 28 2-3-2 多媒體學習理論的認知負荷 ... 29 2-3-3 多媒體學習理論的教學設計原則 ... 30 2-3-4 多媒體學習理論對本研究之影響 ... 32 2-4 第一語言和第二語言的關係 ... 32 2-4-1 第一語言和第二語言的差異性和相似性 ... 33 2-4-2 語言的遷移 ... 33 vii

2-4-3 第一語言和第二語言的關係對本研究之影響 ... 35 第三章 研究方法 ... 37 3-1 研究流程 ... 37 3-1-1 準備階段... 38 3-1-2 實驗階段 ... 38 3-1-3 分析階段 ... 39 3-2 研究設計 ... 39 3-2-1 研究方法 ... 39 3-2-2 研究變項與假設 ... 39 3-2-3 實驗流程 ... 41 3-3 研究對象 ... 41 3-4 研究工具 ... 43 3-4-1 實驗教材 ... 43 3-4-2 前測試卷 ... 48 3-4-3 階段學習成就測驗試卷 ... 48 3-4-4 延後測試卷 ... 50 3-4-5 認 知 負 荷 量 表 ... 50 3-5 資料分析 ... 51 3-5-1 量化分析 ... 51 3-5-2 質性資料分析 ... 51 第四章 研究結果與討論 ... 53 4-1 階段學習成就測驗及延後測之分析 ... 53 4-2 質性分析 ... 77 4-2-1 高學習成就學生之質性分析 ... 77 4-2-2 低學習成就學生之質性分析 ... 81 4-3 認知負荷分析 ... 84 4-4 學習效率與投入分數暨專業知識反轉效應分析 ... 87 4-4-1 整體學生學習效率與投入分數暨專業知識反轉效應之分析 ... 87 4-4-2 各學習成就學生學習效率與投入分數暨專業知識反轉效應之分 析 ... 88 第五章 研究結論與建議 ... 91 5-1 研究結論 ... 91 5-2 建議 ... 92 5-2-1 教學建議 ... 92 5-2-2 研究建議 ... 93 參考文獻 ... 94 1. 中文文獻 ... 94 2. 英文文獻 ... 96 viii

附錄一 上課學習單 ... 98

附錄二 前測試卷 ... 99

附錄三 階段學習成就測驗及延後測試卷 ... 100

附錄四 實驗組教材 ... 101

表次

表 1 研究範圍 ... 5 表 2 教學實驗流程表 ... 41 表 3 受試學生班級人數及上學期英語科段考成績表 ... 42 表 4 受試學生高、低學習成就人數分配表 ... 42 表 5 兩組學生上學期英語科段考平均成績獨立樣本T 檢定摘要表 ... 43 表 6 兩組學生前測平均成績獨立樣本T 檢定摘要表 ... 43 表 7 實驗組教材 以數字轉英文舉例說明 ... 44 表 8 實驗組及對照組教材比較一覽表 ... 46 表 9 前測試卷給分 標 準 ... 48 表 10 階段學習成就測驗預試難度與鑑別度表 ... 49 表 11 階段學習成就測驗雙 向 細 目 表 ... 50 表 12 整體學生階段學習成就測驗及延後測描述性統計摘要表 ... 54 表 13 整體學生「階段學習成就測驗總分」平均數摘要表 ... 55 表 14 整體學生「階段學習成就測驗總分」之二因子變異數分析摘要表 ... 55 表 15 整體學生「延後測總分」平均數摘要表 ... 57 表 16 整體學生「延後測總分」之二因子變異數分析摘要表 ... 57 表 17 整體學生「階段學習成就測驗單字」平均數摘要表 ... 59 表 18 整體學生「階段學習成就測驗單字」之二因子變異數分析摘要表 ... 60 表 19 整體學生「延後測單字」平均數摘要表 ... 61 表 20 整體學生「延後測單字」之二因子變異數分析摘要表 ... 62 表 21 整體學生「階段學習成就測驗數字轉英文」平均數摘要表 ... 63 表 22 整體學生「階段學習成就測驗數字轉英文」之二因子變異數分析摘要表 ... 64 表 23 整體學生「延後測數字轉英文」平均數摘要表 ... 65 表 24 整體學生「延後測數字轉英文」之二因子變異數分析摘要表 ... 66 表 25 整體學生「階段學習成就測驗英文轉數字」平均數摘要表 ... 67 表 26 整體學生「階段學習成就測驗英文轉數字」之二因子變異數分析摘要表 ... 68 表 27 學習成就、教材設計在階段學習成就測驗英文轉數字之單純主要效果二因 子共變數分析摘要表 ... 69 表 28 整體學生「延後測英文轉數字」平均數摘要表 ... 70 表 29 整體學生「延後測英文轉數字」之二因子變異數分析摘要表 ... 71 表 30 整體學生「階段學習成就測驗聽力」平均數摘要表 ... 72 表 31 整體學生「階段學習成就測驗聽力」之二因子變異數分析摘要表 ... 73 表 32 整體學生「延後測聽力」平均數摘要表 ... 74 表 33 整體學生「延後測聽力」之二因子變異數分析摘要表 ... 75 xi

表 34 整體學生「花費心力」平均數摘要表 ... 85

表 35 整體學生「花費心力」之二因子變異數分析摘要表 ... 86

表 36 整體學生學習效率與投入分數 ... 87

表 37 不同學習成就之學習效率與投入分數 ... 89

圖次

圖 1 特徵整合理論 ... 8 圖 2 早期選擇理論處理流程 ... 9 圖 3 晚期選擇理論處理流程 ... 10 圖 4 平行搜尋與序列搜尋 ... 11 圖 5 結合搜尋 ... 12 圖 6 學習效率圖 ... 20 圖 7 學習投入分數圖 ... 21 圖 8 綜合學習效率與學習投入分數圖 ... 22 圖 9 水平和垂直的對齊方式 ... 26 圖 10 多媒體學習理論的認知模型 ... 28 圖 11 研究流程 ... 37 圖 12 整體學生階段學習成就測驗及延後測在單字、數字轉英文、英文轉數字與 聽力平均分數折線圖 ... 76 圖 13 S2 學生階段學習成就測驗試題卷 ... 78 圖 14 S5 學生階段學習成就測驗試題卷 ... 80 圖 15 S6 學生的階段學習成就測驗試題卷 ... 80 圖 16 S8 學生階段成就測驗和延後測 ... 82 圖 17 S11 學生的階段學習成就測驗試卷 ... 83 圖 18 S12 學生的階段學習成就測驗試卷 ... 84 圖 19 整體學生學習效率與投入分數之視覺化圖像 ... 88 圖 20 不同學習成就之學習效率與投入分數視覺化圖像 ... 89 xiii

第一章 緒論

1-1 研究背景與動機

1-1-1 研究背景

1. 課程的內容 教育部九年一貫英語課程綱要提到培養學生基本的英語溝通能力，俾能 運用於實際情境中是國民中小學英語課程目標之一 (教育部，2001)。英語溝 通能力要能運用於學生的生活情境中，讓學生可以在日常生活中使用英語， 才是達到真正的英語溝通能力。英文數字在國中英語課程是基礎的課程，在 日常生活中數字的使用也是非常普遍的，例如：時間和金錢的說法都需要使 用到數字，可見其重要性和實用性，然而，在國中英語課程中卻沒有把「英 文數字讀法」納入正式的課程單元中，在國中階段只有教到基本的數字單字 和讀法，例如：個位數、十位數、百位數、千位數，最多也只有提到「萬」 的英文讀法，對於數字大一點的讀法卻很少教到，甚至沒有一個明確的教學 單元和目標是有關於教導學生怎麼讀英文數字，這與課綱的英語課程目標講 求的實用性並不符合，因此，本研究者以「英文數字讀法」為教學的單元， 教導學生如何讀英文單字，以貼近生活情境，幫助學生在實際生活情境中使 用正確的英文數字讀法。 2. 中英文對於數字讀法的差異 中文和英文對於數字讀法有不同的差異，中文的數字讀法每個數字都有 其單位，例如中文的數字單位有「個」、「十」、「百」、「千」、「萬」等說法， 然而英文的數字讀法卻只有幾個單位，例如英文的數字單位只有百

(hundred)、千 (thousand)、百萬 (million)和十億 (billion)等單位，這些單位 的不同常導致學生在學習英文數字讀法上產生困難，尤其是單位轉換上的錯

亂，例如，英文沒有「萬」這個英文單位的說法，因此在表達萬的說法上必 須用多少個「千」去表示「萬」的說法，中英文轉換的過程需耗費很多記憶 資源，在有限的資源下處理過多的訊息常出現學習上的錯誤。 3. 學習英文數字讀法的困難 英文數字讀法包含的訊息量很多，不但要處理大量的數字，還要轉換中 英文不同的單位，往往造成學生學習時的認知負荷過重，導致學習成效不 彰。當學生認知負荷過重，適當的教材設計可以幫助學生減輕學習上的負 擔，然而，針對此單元設計的教材並不多，在教材沒有適當的安排設計之下， 無法降低學習內容的複雜度，幫助學生對此單元的了解。另外，教師在教學 時大多利用黑板進行傳統教學，對於低學習成就的學生而言，黑板上一次呈 現的訊息量太多，學生注意力容易分散而無法集中目標學習。若能將教材做 適當的安排設計，將多個訊息分開處理，不但可以降低學生視覺的負擔，也 可以減輕其認知負荷而達到學習效果。

1-1-2 研究動機

教育部於公布之「國民中小學九年一貫課程綱要英語學習領域」中提到上課 宜採輕鬆活潑、互動的教學模式；教材內容及活動設計宜生活化、實用化及趣味 化；體裁宜多樣化。除強調個別語言成分之外，更應強調聽、說、讀、寫四種技 能的培養，透過多元教材與活動練習，循序漸進，讓學生藉由同儕及師生的互動， 多方面接觸英語，並實際運用，而非由老師單向灌輸文法知識。 (教育部，2001)。 本研究教學內容即針對生活實際情況設計的學習單元，目的是讓學生能學到實用 且重要的英語，並在日常生活中使用之，而在教材設計方面則使用多媒體教材， 並於課堂中搭配教材提問以引導學生開口說英語，讓學生可以不斷地練習說和聽 的能力，另外於課堂進行一段落後，給予學習單的練習讓學生可以練習到讀寫方 面的能力，以達到聽、說、讀、寫四種技能的練習。 近十幾年來英語學習者的年齡有向下延伸的趨勢，多樣化的教材和多媒體的 教學工具，讓學習者的學習內容豐富，但也使教材的難易度出現明顯的差異性， 2

造成學習的表現呈現了「雙峰現象」，高成就和低成就的學習者占多數，中間程 度的學習者卻只有少數的人，而這種現象就造成了高低成就的學習者出現不同的 問題，往往高學習成就者因學會了而不願參與課堂活動，低學習成就者因大量的 訊息造成認知負荷過重，跟不上進度放棄學習。如何讓高成就學習者願意主動回 答並參與課堂的活動，且讓低學習成就者能降低其認知負荷以有效處理訊息，降 低認知負荷獲得成就感，這是身為英語教師的責任，因此本研究的教材設計是為 了讓低學習成就的學生減低其認知負荷，並讓高學習成就學生願意參與課堂的學 習主動回答問題。 國民中小學九年一貫英語課程綱要實施要點的教學方法提到英語教學的實 施應配合目標進行，並透過多元化的平面及視聽教材，包括錄音帶、錄影帶、電 腦多媒體、書本、圖片等(教育部 ，2001，九年一貫課程綱要領域-英語)。教師 身為專業知識者對教學單元有一定深入的了解，如能針對教學單元設計製作適合 學習者的教材，必能對學生的學習有所助益，基於此，本研究者針對上述之研究 背景，例如課程內容的實用性、中英文轉換的困難和訊息負荷量太多等，設計多 媒體教材並搭配電腦進行教學，以期達到教學目標。 教師在運用資訊科技設計教材的過程中，清楚地掌握各個學習階段所產生的 心理作用、眼睛的視覺搜尋機制與大腦運作機制，並適時地將必要的訊息呈現給 學習者，藉著凸顯訊息之間的關聯，來協助、組織並引導學習者的注意力，是設 計者在設計教材時的當務之急。(簡敏慧，2012)。本研究運用視覺搜尋、認知負 荷理論、和多媒體學習理論為基礎，以視覺分離的方式，將教材中一長串的數字 分別切割成數個獨立「區塊」，先個別處理「區塊」的數字讀法，再引導到整體 的數字讀法，並藉由數字與英文上下的對應方式，引導學生注意到相關訊息的連 結和關係，同時給予單位提示，降低學習者的認知負荷，達到良好的教學成效， 以提供教師作為數位教材設計上的參考。

1-2 研究目的

綜合上述之研究動機，本研究使用國立交通大學陳明璋博士所開發的 AMA 3

（Activate Mind Attention），其為微軟公司的 PowerPoint 簡報軟體上運作的增益 集，依照認知負荷理論的教材設計原則、多媒體設計原則和視覺搜尋理論，自製 多媒體教材，於授課過程中引導學生搜尋訊息並進行口語練習，以避免不必要的 訊息分散，降低認知負荷。 本研究使用的實驗教材內容包含英文數字讀法的「單字」、「數字轉英文」以 及「英文轉數字」等部分，期望以「視覺分離、對應與提示」之教材設計，引導 學生先注意當下個別訊息的關係，再藉由提示循序漸進到瞭解完整的數字讀法， 以減少視覺搜尋時所造成的視覺負擔。 綜上所述，本研究欲探討以「視覺分離、對應與提示」之教材設計對於高低 學習成就的學生在學習表現與認知負荷感受方面的影響。另外，透過學習效率與 學習投入分數，觀察對於高學習成就學生是否產生專業知識反轉效應。

1-3 研究問題

本研究之研究問題如下： 1. 以「視覺分離、對應與提示」之教材設計和學習成就對於階段學習成就測驗 的交互作用是否顯著？ 2. 以「視覺分離、對應與提示」之教材設計和學習成就對於延後測的交互作用 是否顯著？ 3. 以「視覺分離、對應與提示」之教材設計和學習成就對於認知負荷感受的交 互作用是否顯著？ 4. 對於高學習成就學生是否產生專業知識反轉效應？

1-4 研究範圍與限制

1. 研究範圍 本研究發展的教材內容以「英文數字讀法」單元為探討之研究範圍，研 究對象為本研究者服務學校的學生，希望透過視覺分離、對應與提示的教材 4

設計，提升學生在此單元的學習成效。研究範圍如表 1。 表 1 研究範圍 項目 內容 研究場域 新竹縣某國中 研究參與者 研究者本人 研究觀察對象 七年級四個班級的學生 研究設計與方法 本研究旨以「視覺分離、對應與提示」所設計之數位英語 教材，對學生的學習成效、認知負荷感受是否產生影響？ 2. 研究限制 (1) 主題限制 本研究以「英文數字讀法」單元為主題，所得的結論對於其他不同 的英語教學主題，仍需設計不同的教材進行實驗加以驗證，不宜推論到 其它教學單元。 (2) 母群體限制 本研究受限於人力、物力、時間等因素的考量，僅能以本研究者服 務學校採取便利抽樣，抽取國中七年級四個班級的學生作為施測母群體 進行實驗，抽樣的有效樣本僅 112 位，易有代表性不足及統計樣本不足 之疑慮，因此研究結果無法推論到其它班級或他校的學生。 (3) 受測人員限制 因本研究施測的班級有部份原授課教師非研究者本身，受測學生對 於本研究者授課方式、說話語氣的不適應，可能出現些許的課堂狀況， 以致於影響施測結果。 (4) 時間限制 5

本研究因環境限制，受測的班級教學和施測時間點有些微不同，加 上施測時間只有兩堂課，對受測學生可能會產生新鮮感，影響到實驗結 果。

1-5 名詞解釋

1. 視覺分離、對應與提示(Visual Isolation , Layout Design and Hint)

本研究所指的視覺分離是利用逗點和格子的方式以區隔每個數字，讓學 生先注意當下的訊息，以減輕認知負荷；視覺對應是指利用數字和英文上下 對齊的方式來引導學生注意相關的訊息，藉此學生可以快速找到數字所對應 的英文，減少視覺搜尋的時間，另外，藉由單位的提示，幫助學生了解每個 數字的單位說法，以便學習者能藉由單位的提示清楚表達出數字讀法，減輕 學習者在讀數字時所需耗費的心力。

2. 專業知識反轉效應(Expertise Reversal Effect)

專業知識反轉效應(Expertise Reversal Effect)是指某一種教學設計方式 對於新手來說是有效果的，但對於高先備知識者則會失去效力甚至有負面的 影響(Kalyuga，2007)。

第二章 文獻探討

本章一共分為四節，分別針對注意力與視覺搜尋、認知負荷理論、多媒體學 習理論、第一語言與第二語言的關係等文獻作說明。

2-1 注意力與視覺搜尋

視覺是我們最具優勢的感官，視覺的輸入超越凌駕於所有的感官，若輸入的 過程越視覺化，則以後的再認和回憶會越好(Medina、洪蘭（譯），2009)。學習 的重要關鍵之一是注意力，只有當訊息先被學習者視覺所「注意」到，大腦才能 進一步處理注意到的訊息進行編碼和儲存，學習才可能發生。教材中的訊息大部 分都是經由視覺傳導，因此教學者如何讓學習者注意到關鍵的訊息，並設計符合 學習者注意力及視覺搜尋的教材，達到學習的成效是本研究探討的目的之一。

2-1-1 視覺注意力

生活中充滿了各式各樣的視覺刺激，但並不是對所有的訊息都有反應，因大 腦所能處理的訊息與容量有限，需透過知覺的選擇，將不相關且不重要的訊息排 除，而將重要的的訊息藉由「注意力」的過程而予以保留，傳送到大腦皮層中， 進一步的分析與處理，因此「注意力」在人類資訊處理過程中扮演重要的角色。 注意力是一種控制工具，它可使視覺系統適應各種不同認知任務，協助當下的我 們該選擇處理什麼。注意力可從專注在特徵局部結合的分析到全面性景象特質的 登錄(Treisman, 2006)，使我們可專注在單一物件上，也可分散在幾個物件上，甚 至分佈在全面的景象上將其當成整體來看。 Neisser 於 1967 年所提出注意力的處理機制，提到人類的視覺認知系統有 兩個階段，分別為「前注意階段 (Preattentive Stage)」與「注意階段 (Attentive Stage)。前注意階段是注意力尚未作用之階段，依照亮度、顏色、方向、運動方 向和速度，以及一些簡單特徵原則先約略區分不同物體(Wolfe,1998）。注意階段 是涉及更複雜的訊息處理，可以主動控制的。

Treisman 所提出的特徵整合理論 (Feature Integration Theory)，如圖 1，可 以用來解釋兩階段式注意力的處理。首先，在前注意階段中，不同型態的基本視 覺特徵會透過一個快速的初始平行歷程把刺激物分別登錄在不同的特徵圖 (Feature Map)中，例如色彩圖 (Color Maps)、方位圖 (Orientation Maps)、大小圖 (Size Map)、距離圖 (Distance Map)等等(葉素玲, 1999)。在注意階段中，經過不 同的特徵圖譜處理後，主動式的注意力以序列的方式進行掃描，將各個特徵圖所 記錄的訊息存取進入短期記憶，並進行特徵結合(A. Treisman & Souther, 1985)。

圖 1 特徵整合理論

資料來源 (A. M. Treisman & Gelade, 1980)

綜觀上述而言，前注意階段能以快速且平行的方式將各種基本視覺特徵登 錄在適當的特徵圖中，而在注意階段注意力則像探照燈一樣有次序地掃描，並將 同一位置的特徵結合起來，整合成一個完整的訊息(葉素玲，1999)。

2-1-2 選擇性注意力

選擇性注意力是大腦的一種選擇的機制，在眾多視覺刺激中取捨過濾，只選 擇一部分的訊息進入高階層次處理，其餘部分阻擋在中樞處理的程序之外、或維 8

持在意識經驗水平面下。在外界大量的訊息刺激透過感官而進入工作記憶中處理 儲存時，因無法同時處理這麼多的訊息，須經由注意力的選擇機制將某些訊息過 濾掉，僅處理相關重要的訊息，否則認知資源會因此而超載。此即在同時湧進的 多數刺激中，只挑選少部分的刺激做精細的處理，其他未被挑選到的刺激僅作粗 略的處理或不處理 (葉素玲，1999) 。關於選擇性注意力的理論主要有早期選擇 理論、晚期選擇理論、與折衷的濾器減弱理論，以下分別說明之。 1.早期選擇理論(Broadbent 過濾理論)

Broadbent (1958) 提出過濾理論 (Filter Theory) ，認為用來處理辨識物體 的內在資源有限，須在辨識階段做早期選擇，過濾掉不必要的訊息，因此所有 進入感官的刺激必須先經過一個過濾器，通過過濾器後才能進入知覺系統作進 一步的分析，被過濾掉的刺激則會完全被捨棄不處理，如圖 2。這是屬於注意 力在早期介入選擇的觀點。 圖 2 早期選擇理論處理流程 資料來源：修改自葉素玲(1999)。視覺空間注意力，載於李江山（主編），視覺 與認知-視覺知覺與視覺運動系統（頁 296）。台北市：遠流。 2.晚期理論(Deutsch 與 Deutsch 過濾理論) Deutsch 與 Deutsch (1963) 認為用來處理辨識物體的資源無限，所有進入 感官的刺激皆會先進入物體辨識的知覺分析歷程，由知覺系統評估刺激的重要 性，有就是在晚期階段選擇適當的反應即可，物理刺激平行進入視覺系統，也 同時進入物體辨識的歷程，之後進入短期記憶進而反應，如圖 3。 9

圖 3 晚期選擇理論處理流程

資料來源：修改自葉素玲(1999)。視覺空間注意力，載於李江山（主編），視覺

與認知-視覺知覺與視覺運動系統（頁 296）。台北市：遠流。

3.折衷理論(Treisman 濾器減弱理論)

Treisman (1964) 提出濾器減弱理論 (Filter-attention Theory) ，認為每一刺 激有強度的分配，其相對應的內在處理管道也具有不同的敏感度。刺激強度必 需高於門檻值(Threshold)才能被偵測出來加以處理，門檻值是由各管道的敏感 度決定的，敏感度越高者門檻值越低，刺激越容易進入，由於注意力的影響， 注意力所在的管道具有較高的敏感度。除了管道的敏感度外，標準值(Criterion) 亦會影響偵測，例如與個人本身相關訊息，其標準值會較低，較易被偵測。

2-1-3 視覺搜尋

在前注意力階段就能被視覺系統接收辨識的刺激屬性，稱為基本特徵 (Basic Features)，這類屬性不需注意力就能被處理。視覺搜尋 (Visual Search)就是一種 鑑別屬性是否為基本特徵的方法。典型的視覺搜尋，是讓受試者在一堆干擾物中 尋找某一特定目標物。實驗中干擾物與目標物的總和稱為刺激總量 (Set Size)。 注意力的運作對刺激總量極敏感，刺激總量愈大則移動注意力從事搜尋作業所耗 費的時間愈多。隨著干擾物的增加，受試者耗費時間也隨之增加，代表其需要注 意力的介入才得以辨識；如一堆隨意方向的「L」中找到「T」，若隨著干擾物增 加找到目標物所耗費時間並未改變，則代表不需注意力就能被處理，即可認定此 搜尋的特徵為基本特徵，如在萬綠叢中找出一點紅(陳一平，2011)。 Treisman 等相關學者，以視覺搜尋實驗進行研究，提出兩種搜尋模式： 1. 平行搜尋 (Paralle Search)： 10

搜尋時間不會隨著干擾物增加而增加，干擾物多寡對搜尋時間影響不大，代 表目標物與干擾物之間的特徵元素有明顯差異，例如：在一堆綠點中找出一 個紅點或在一堆 R 的干擾物中搜尋 O 的目標物。 2. 序列搜尋 (Serial Search)： 搜尋時間隨著干擾物增加而增加，無法一眼看出目標物的特徵，需逐一比對， 代表目標物與干擾物之間的特徵元素相似，例如：在一群字母B中找出一個 字母P。 以上兩種模式的干擾物數量與搜尋時間的關係，從平行搜尋圖可知目標物 O 和干擾物 B 差異較大，代表搜尋時間不受干擾物數量影響，也較不需要注意力 輔助，其關係斜率較小；而序列搜尋圖中目標物 P 和干擾物 B 相似，代表搜尋 時間會受干擾物數量影響，越需注意力來輔助搜尋。其關係斜率較大，如圖 4。 圖 4 平行搜尋與序列搜尋 資料來源：修改自“視覺心理學”，陳一平著，2011，199 頁 實驗歸納出來的視覺基本特徵，主要有四種：線段走向、顏色、運動(方向 或速率)和速度、大小(長度、粗細、空間頻率等)。上述之平行搜尋和序列搜尋大 多屬單一特徵搜尋，也就是目標物和干擾物僅相差一種基本特徵。若目標物與干 擾物的差異由兩種基本特徵組成時，則會造成結合搜尋 (Conjunction Search)，如 圖 5 中，若想找出目標物灰色 X，必須在一堆黑色的 X 和灰色的 O 干擾物中去 搜尋，此時干擾物與目標物同時有兩種特徵的差異，一為顏色，一為形狀。因此 結合搜尋比單一特徵搜尋困難，是屬於需要花費注意力搜尋的序列搜尋。(陳一 平，2011)。 11

圖 5 結合搜尋 資料來源：修改自“視覺心理學”，陳一平著，2011，202 頁

2-1-4 視覺注意力與視覺搜尋對本研究之影響

本單元「英文數字讀法」包含許多數目大的數字，學生往往不知從何開始讀 數字，造成認知負荷過重，如何讓學生能注意到個別數字的意義和其關連，對學 習英文數字讀法將更有幫助。本研究教材設計符合學習者注意力引導及視覺搜尋 原理的機制，利用格子將數字分離，使學習者的注意力先著重在教學畫面的一小 部分，再引導到整體，同時利用視覺對應方式，將中英文以上下的對齊方式，以 減少視覺搜尋的時間，並透過提示、顏色等信號，將學習者的注意力引導到教學 的當下重點，以提高學習成效。

2-2 認知負荷理論

認知負荷理論是由 John Sweller 所提出，根據 Sweller(1988)的定義，認知負 荷(Cognitive Load)是將一特定工作加諸於個體的認知系統時，所產生的負荷總 量，也就是工作記憶的負荷總量。他認為學習效果不佳的原因除了學習內容的困 難度和先備知識的不足外，訊息處理時所造成的負荷量也是影響學習效果的因素 之一。以下分別介紹認知負荷的基本假設、類型及教學設計原則。

2-2-1 認知負荷的基本假設

關於人類的認知結構(Cognitive Architecture)認知負荷理論提出四項基本假 設(Sweller, Van Merriënboer, & Paas, 1998)，分述如下；

1. 工作記憶(Working Memory)的容量有限

工作記憶區(Working Memory)又稱為「短期記憶」，其容量有限，平均只 能儲存 7±2 個元素(Elements)，且在同一個時間只能處理有限的元素，另外， 訊息停留在工作記憶區的時間極為短暫，若未經過複誦練習，大約 20 秒就會 遺忘 (Van Merriënboer, & Sweller, 2005)。

2. 長期記憶(Long-Term Memory)的容量無限 長期記憶是指訊息長期不忘的永久記憶。相對於短期記憶在感官收錄後 只能保留 20 秒內的記憶，長期記憶的容量是無限的。(張春興, 2001) 。長期 記憶區儲存著大量複雜的知識和程序性技能。練習次數越多，往後從長期記 憶中提取或回存的速度也越快。 專家與新手的差別就在長期記憶區儲存內容的不同，專家的長期記憶區 存有較多的知識基模與解決策略，面對問題時，專家可以從中提取較好的應 對知識與問題解決策略；而新手在面對問題時因長期記憶中尚未建構出解決 問題的策略，只能在工作記憶區中摸索找出解決方式，因此會耗費較多的工 作記憶容量，增加了認知負荷量。 3. 知識和技能是以基模(Schema)的型態儲存於長期記憶中 基模(Schema)是一種有組織的思想或行為模式，用來建構及組織知識。 基模的功能有二，一是組織與儲存知識的功能，二是降低工作記憶的負荷量， 透過工作記憶區的運作，個體將眾多訊息與原來長期記憶中的基模結合，融 成一個複雜的高階基模，成為單一的處理單位。進到長期記憶區來處理，達 到降低工作記憶區的認知負荷(Van Merrienboer & Sweller, 2005)。

4. 基模運作自動化 ( Schema Automation ) 是基模建構的重要過程 人類的訊息處理過程有二種，一種為控制式(Controlled Processing)的處 理，另一種為自動式(Automatic Processing)的處理。控制式處理受意識所控 制，在工作記憶區中進行，運作時佔據較多工作記憶容量；相對於控制式處 理而言，自動式處理不太需要意識監控，在運作時耗費較少的工作記憶容量。 知識技能一開始都是經由意識處理，透過不斷地練習之後，基模運作才能達 到自動化處理，這可節省工作記憶運作的認知資源，以降低工作記憶的認知 負荷(Sweller,1988)。例如背誦九九乘法表時，經由多次練習，反應答案時間 越快，就表示已達自動化處理的階段。 13

2-2-2 自然訊息處理系統的原則

認知負荷理論是在生物演化框架下，基於人類認知架構發展而來的教學設計 理論，將人類認知系統的運作比喻為生物演化系統，兩者皆為自然訊息處理系 統，具相似的訊息處理運作機制，其處理訊息時具有以下原則(Sweller et al., 2011)：

1. 訊息儲存原則 (Information Store Principle)

所有的訊息都儲存在一個容量無限的訊息儲存庫中，長期記憶扮演著訊 息儲存庫的角色，而人類的認知系統中，訊息與知識是以基模的形式存儲， 再將其儲存在長期記憶中。

2. 借用與重組原則 (Borrowing and Reorganizing Principle)

新訊息是經由他人的訊息儲存庫借用而來，再與本身訊息庫中的相關訊 息進行重整，並形成新的訊息而儲存於訊息儲存庫中。人類認知系統中，新 知識大多是由他人的長期記憶中借用而來，並從長期記憶中提取相關的基模 在工作記憶中作整合，整合的過程具有隨機性，有時會產生迷思概念，而整 合後形成的新基模將儲存於長期記憶中。

3. 隨機生成原則 ( Randomness as Genesis Principle)

隨機生成原則是用於解決問題時，缺乏可用的知識，即可隨機產生可能 的解決方案，之後在工作記憶檢測是否有效，若有效則儲存以備未來利用， 無效則丟棄，重複這些步驟直到問題解決。因此，隨機生成原則的目的是產 生「全新」的訊息，其不同於由借用與重組原則借用而來的新訊息。隨機生 成原則強調隨機產生與測試程序，其訊息通常是沒有組織的。

4. 改變狹隘限制性原則 (Narrow Limits of Change Principle)

由於訊息處理系統能處理的訊息量是有限的，太多的訊息變化組合之數 量容易使訊息處理系統無法負荷，因此必須限制變化的幅度，以利訊息處理 系統能迅速處理、快速反應。在人類認知系統中，因工作記憶處理訊息元素 的容量與持續時間有限，因此在工作記憶中處理的元素數量必須受到限制， 以免認知資源超載。

5. 環境組織與連結原則 ( Environmental Organizing and Link principle)

在環境中能適當地運用訊息是自然訊息處理系統的最終目的。環境組織 與連結原則是運用訊息儲存庫中的訊息，來應對環境中的各種狀況與問題。 人類認知系統中，從長期記憶中提取知識基模，然後在工作記憶中處理，以 管理人類在環境中的各種活動與問題解決。來自長期記憶的熟悉訊息在工作 記憶處理時，其持續時間與容量是不受限制的。 綜合上述，訊息儲存原則是將知識基模儲存於長期記憶；借用與重組原則 與隨機生成原則可獲取新知識基模；改變狹隘限制性原則與環境組織與連結原 則可應用長期記憶中的知識基模，以應對環境中的各種狀況與問題。 教學之主要目的在於增加長期記憶中的知識基模，透過借用與重組原則可 將增加長期記憶的知識基模，若無可借用的來源，則可透過隨機成因原則創 造，但因為狹隘限制性原則，工作記憶處理陌生的新訊息時是有限制的，過程 也是緩慢的。

2-2-3 認知負荷的類型

根據認知負荷理論，學習者必須在工作記憶中處理教學訊息，處理教學訊息 時在工作記憶上所造成的負荷，將其分類如下(Sweller et al., 2011)：

1. 內在認知負荷 (Intrinsic Cognitive Load)

有些由訊息的內在本質所造成的工作記憶負荷，被稱為「內在認知負

荷」。它是學習者達成學習目標時所獲得的訊息基本結構，與教學程序無關。

2. 外在認知負荷 (Extraneous Cognitive Load)

由於訊息呈現的方式或學習者參與活動需要工作記憶資源所造成的認知 負荷，被稱為「外在認知負荷」。在教學設計中，是與學習目標無關且不必要 的負荷，在許多情況下是多餘不必要的。 由資料的內在性質所造成的內在認知負荷與資料的呈現方式所造成的外在 認知負荷，兩者都必須使用到資源並藉由工作記憶來處理。用來處理資料內在本 質造成的負荷所需的資源是與學習有關的，被稱為「增生資源」，它是用於處理 15

與學習內容相關的信息所需的工作記憶資源。僅用於由教學設計所施加的信息之 工作記憶資源，被稱為「在外資源」，必須處理外在認知負荷(Sweller et al., 2011) 。 內在認知負荷與外在認知負荷累加決定了認知負荷總量。若處理內外在認知 負荷所需要的工作記憶資源超過可用的工作記憶資源，認知系統至少有一部分在 處理必要訊息時會失敗。教學設計的目標是減少外在認知負荷，以便於有較大的 工作記憶資源可以處理與學習相關的內在認知負荷。 互動元素被定義為在工作記憶中同時被處理的元素。若某些資料可以一次學 習一個元素，因此在元素互動性是低的，內在認知負荷也較低。因此，高元素互 動資料會比低元素互動資料需要耗費更多的工作記憶資源，所以內在認知負荷也 較高。 低內在認知負荷與任務的困難程度必須有所區別，一項任務可能有很低的內 在認知負荷，需要的工作記憶負荷較低，但仍是非常困難的，例如學習第二語言 的詞彙就是一個清楚的例子。學習外語有好多字彙需要學習，是一項費時又困難 的任務，但該任務的困難是來自於大量需要學習的個別元素，而不是來自於每個 元素相關的複雜度。 對於低元素互動性的材料，內在認知負荷是低的，學習者仍可以處理信息， 但在高內在認知負荷的情況下，教學設計的問題可能是重要的。當內在認知負荷 低的時候，把工作記憶資源用在處理不適當的教學設計可能沒關係，但內在認知 負荷高的時候，這可能就是關鍵。因此，認知負荷理論一直主要是關注在降低外 在認知負荷。

2-2-4 認知負荷效應

認知負荷理論根據眾多實驗證據，提出了十五項教學設計原則，茲分別說明 如下 (Sweller et al., 2011) ：

1. 開放目標效應 (Goal Free Effect)

單一目標或標準答案導向的解題方式容易侷限想法，造成較大的認 知負荷，開放目標效應是指讓學習者在沒有具體的目標，能自由思考， 多 重表達個人的思考歷程，如此可以降低外在認知負荷，也能更有效地建 構基模。例如數學問題，以沒有具體目標的問題敘述如「盡可能求出所 有的角」，代替具有明確目標之問題敘述如「求出角 A」，學習效果更好。 在開放目標問題環境下可以降低外在認知負荷，專注於局部的關 係，幫助規則歸納與基模的獲得，對於只包含有限步驟的問題是有效的。 2. 工作示例效應 (Worked Example Effect)

工作示例效應是指教師在教學時，先呈現適當的工作示例供新手學 習者參考，提供問題的逐步解題示範，以減少工作記憶區不必要的探索 與資源耗損，如此可降低外在認知負荷，幫助建構完整的解題基模，加 速基模自動化的過程。

3. 完成問題效應 (Problem Completion Effect)

完成問題是指給定一個特定的目標狀態 ，提供學習者部分的解決方 案，其餘的則由學習者繼續完成 (Sweller, et al., 1998)。因此，完成問題 是一種部分的工作示例，將工作示例加以修改為只提供部分的解決步 驟，保留部分關鍵的解題步驟讓學習者完成。若工作示例的步驟太多， 會產生額外的外在認知負荷。完成問題可以確保學習者深入思考問題並 注意關鍵訊息，以降低外在認知負荷，促進基模建構。 4. 分散注意力效應 (Split-Attention Effect) 面對至少兩個以上的訊息來源，學習者需要分散他們的注意力，在 不同來源的訊息資料來回搜尋、比對，相當耗費工作記憶資源，造成大 量的外在認知負荷，這就是分散注意力效應。若能將這些不同訊息來源 的資料以實際整合的方式呈現，而 不 是 靠 心 力 去 整 合 時 ， 可減少不 必要的搜尋與參照，減低工作記憶區的負荷，降低外在認知負荷。 5. 形式效應 (Modality Effect) 17

形式效應是指圖像、文字等視覺訊息的教材，與圖像搭配口語之視 覺與聽覺訊息的教材，後者產生的學習成效優於前者。因為圖像與文字 皆屬於視覺形式，易造成視覺感官通道的阻塞。學習者經 由 圖像與口語 之視 覺 及 聽 覺 兩 通 道 來 接 收 訊 息，降 低 了 以 視 覺 形 式 呈 現 所 有 訊 息 時 造 成 的 視 覺 通 道 的 負 荷 。以人類的認知系統來看，當同時使 用視覺和聽覺兩種處理器，可將部分認知負荷從視覺通道分攤到聽覺通 道，因此降低了外在認知負荷，工作記憶即可擴展應用( Sweller,2010 )。 複雜的文字訊息以視覺形式呈現可能更適當，因為太長或複雜的聽 覺訊息將因為工作記憶的限制而無法在工作記憶中維持與處理，若圖表 很複雜的，可配合提示或信號以減少視覺搜尋，讓聽覺信息相關之視覺 訊息的搜尋可以加速；若聽覺訊息只是重述圖表內容，會造成冗餘效應； 對於專家學習者，形式效應可能被消除或反轉，造成專業知識反轉效應。 6. 冗餘效應 (Redundancy Effect) 相同的教材內容如果用圖像、文字和口語解說三種方式皆可傳達， 而僅用圖像、文字或口語其中之一便可將訊息傳達清楚，那麼當多碼同 時被展演就會產生冗餘效應 ( Sweller, 2004 )。如果多個訊息來源都是可 以單獨理解的，不需要在心智上整合，多餘的訊息應該去除，以免學習 者將注意力集中在多餘的訊息上，反而干擾學習，而造成外在認知負荷 增加。學習者的先備知識會影響冗餘效應，對於初學者是必要且非冗餘 的訊息，對於專家學習者可能反而變成是多餘的，導致專業知識反轉效 應。

7. 專業知識反轉效應 (Expertise Reversal Effect)

專業知識反轉效應是指某一種教學設計的方式對低先備知識的學習 者而言是有效的，但對於高先備知識者則會失去效力，甚至有負面的影 響( Kalyuga, 2007 )。因此，對於初學者有幫助的教材，對專家學習者而

言可能無太大助益，因為專家學習者被要求處理這些訊息將消耗額外不 必要的認知資源，而增加外在認知負荷。 Kalyuga (2009)指出教學者應配合學習者不同程度的專業知識水準 或經由學習後不斷改變的專業知識豐富度，適時地調整教學活動，設計 具有高度彈性效能的多媒體認知環境。例如在教學初期，由於新手還未 具備單獨理解圖表訊息的能力，因此圖表須配合額外的文字訊息，隨著 學習者的專業知識水準逐漸提高，初期必要的額外文字訊息可能變成多 餘而應逐漸抽離。 有無專業知識反轉效應可以透過學習效率(Instructional Efficiency)和 學習投入分數(Instructional Involvement Score)觀察。Paas 和 van

Merriënboer (1993) 提出一種視覺化的學習效率公式及效率圖 (Efficiency Graph) ，用以評估學習效率的方式。將學習成就表現分數及 認知負荷量轉成 Z 分數 (Z Score)，分別為 Zp 及 Zc，學習效率之計算公 式如下(1)： 2 c p Z Z E = − (1 ) （

σ

X X Z = − ； Zp = 學習成就表現 Z 分數 ； Z c = 認知負荷 Z 分數） 以 Zc 為 橫 坐 標 ， Zp 為 縱 坐 標 ， 即 可 在 直 角 坐 標 平 面 上 標 出 該 點 位 置 ， 如 圖 6 所 示 (Paas, 2003)。 19

圖 6 學習效率圖

資料來源：”Cognitive load measurement as a means to advance cognitive load theory.”by F. Paas, J. E. Tuovinen, H. Tabbers & P. W. M. Gerven, 2003, Educational

psychologist, 38(1), p.68

圖上三種情況所代表的意義為：A 區表示高學習效率 (High Efficiency)，即 學習者的學習成就表現高而認知負荷量低，即 Zp > Zc，其方程式為 E > 0。B 區 表示中效率，即學習者的學習成就表現與認知負荷量達到平衡一致，即 Zp= Zc， 其方程式為 E = 0。C 區表示低學習效率 (Low Efficiency)，即學習者的學習成就 表現低而認知負荷量高時，即 Zp < Zc，其方程式為 E < 0。 對於高學習成就學生，可藉由學習效率來觀察是否產生專業知識反轉效應， 若因外在認知負荷增加而降低其學習效率，則會產生專業知識反轉效應(Clark, et al., 2006)。 動機是學習的關鍵之一，若學習者學習的動機越強，上課的投入程度越高， 相對地，付出的心力也較多，表現也較好。然而對於有些高學習成就的學習者而 言，若認為學習的知識內容是簡單、無挑戰性，可能比較不願意投入太多心力去 學習，進而影響其動機的強弱，Paas 等人 (2005) 基於動機、心智努力和表現是 正相關的假設，提出了學習投入分數（Instructional Involvement Score）的計算， 其計算公式(2)如下： 2 c p Z Z I = + (2) 20

（

σ

X X Z = − ； Zp = 學習成就表現 Z 分數 ； Z c = 認知負荷 Z 分數） 此投入分數的視覺化圖像的繪製方式與學習效率圖相同；以 Zc 為 橫 坐 標，Zp 為 縱 坐 標，如圖 7，以 直 線 I = 0 做分界，直線右上區域表示高投入， 直線左下區域表示低投入，藉此了解學習者投入之情形。對於高學習成就學生而 言，也可藉由投入分數來觀察是否產生專業知識反效應，若產生專業知識反轉效 應，其投入的情形會較差。 圖 7 學習投入分數圖

資料來源：”A motivational perspective on the relation between mental effort and performance : Optimizing learner involvement in instruction.”by F. Paas, J. E. Tuovinen, J. J. G. van Merriënboer, & A. Aubteen Darabi, 2005, Educational

Technology Research and Development, 53(3), p.29

由於學習效率與投入分數之圖形繪製方式相同，即他們在座標平面上所標 示的位置是相同的，故將兩圖重疊合併後，如圖 8，圖中兩條垂直的直線，分別 以直線 E = 0 為橫軸，而直線 I = 0 為縱軸，將平面隔成四個象限，第一象限為高 投入高效率，為學習時最理想的狀況；第二象限為高投入低效率；第三象限為低 投入低效率，為學習時最不理想的狀況；第四象限為低投入高效率 (Kalyuga, 2009)。因此，此圖可同時觀察出實驗對象之學習效率與學習投入分數，同時也 能觀察是否有專業知識反轉效應的產生。 21

圖 8 綜合學習效率與學習投入分數圖

8. 指引漸退效應 (Guidance Fading Effect)

指引漸退效應是指隨著學習者的專業知識增長，詳細的教學指引或 過多的示範與提示反而會成為多餘的外在認知負荷，應該逐步減少引 導，使學習者自行完整的解決問題，以避免造成專業知識反轉效應。 教學者在教學初始之際，因為學習者缺乏可用的知識基模，可以給 予完整的示例學習或教學指引，使其更快瞭解其中的程序與步驟，但隨 著學習者的專業知識基模增加，詳細的教學指引要與既有的基模整合反 而需要額外認知資源，產生不必要的認知負荷。因此教學者應適當移除 或省略部分教學指引，給予學習者的教材呈現應是初期給於工作示例 (worked example)，中間要求完成問題(completion problems)，最後呈現完 整的問題 (full problems) (Sweller, 2010)。

9. 想像效應 (Imagination Effect)

「想像」被定義為對一個程序或概念的心智再製 (Sweller, 2011)。想 像效應是指 在教學過程中 ，學習者「想像」一個過程或概念，的表現優 於「研讀」同樣過程和概念(Cooper, Tindall-Ford, Chandler, & Sweller, 2001; Leahy & Sweller, 2004; 2005)。在進行想像時，學習者必須從長期 記憶中提取知識基模在工作記憶中處理與內在認知負荷有關的交互元 素，因此想像效應會促使基模的自動化。

想像效應的發生是學習者必須具備與任務相關的知識基模，因為長 期記憶的知識基模可以結合多個元素成為單一元素，以降低認知資源的 需求；然而先備知識不足的學習者因沒有足夠的知識基模從事想像， 因此想像的效果不佳或甚至無法進行想像。 10. 自我解釋效應 (Self-Explanation Effect) 「自我解釋」為學習者學習工作示例的一種心智對話，這有助於理解 例子並從中建立基模(Ruth Colvin Clark, Nguyen, & Sweller, 2006)。自我 解釋要求學習者自行「解釋」一個新的過程或概念，這能夠引導學習者 運用有效認知資源處理相關的互動元素，以建立基模並獲得知識的理解。 從事自我解釋時，學習者的先備知識水準必須夠高，長期記憶才有 足夠的知識基模，在工作記憶中處理交互作用元素與知識基模，這和從 事想像時的情況一樣，對於先備知識不足的學習者而言無法從事自我解 釋。 想像效應及自我解釋效應能幫助有效的心智處理過程，兩者是透過 鼓勵學習者進行適當的心智過程，而非靠著改變教材來達到心智處理過 程(Sweller, 2011)。Sweller (2010) 指出教學者可鼓勵並引導學習者去使 用認知過程，來取代直接教導，如此可消除與學習無關的活動。

11. 元素交互性效應 (Element Interactivity Effect)

元素交互作用決定了內在認知負荷的程度。若元素交互作用是低 的，內在認知負荷也低，也就是教學內容是簡單的，此時即使所使用的 教材設計不良，而造成外在負荷是高的，也不會妨礙學習；若元素交互 作用是高的，內在負荷也高，如果又增加了高外在認知負荷，則會造成 總負荷量超過工作記憶容量 (Sweller, 2011)。 元素交互性程度與先備知識水準有關。同樣的學習材料，先備知識 不足的學習者，其元素交互性可能較高，但先備知識水準較高的學習者， 其元素交互性可能不高，因為知識基模可合併多個交互作用元素成為一 個單一基模，而降低了元素交互性。

12. 獨立元素效應 (Isolated Elements Effect)

學習任務的元素交互作用高，同時處理全部元素易使工作記憶區超 載，造成極高的內在認知負荷，不利於學習與理解，若藉由預先訓練、 專注於子目標等策略 ，將部分交互作用元素分割成一小部分的 元素獨 立處理 ，這種策略稱為獨立元素效應。 Sweller (2010) 指出獨立互動元素效應是藉由人為方式去降低元素 互動性的內在認知負荷，雖然任務或目標的內在認知負荷總量不會改 變，但可將任務分割成數個任務或目標，學習者一開始先學個別的元 素，再學元素間的交互作用，使高交互作用元素獨立處理轉變為低交互 作用，讓工作記憶區的工作量不超載的情況下，降低學習者的認知負荷並 促進學習成效。 內在認知負荷與學習者的知識水準有關。在學習初期階段，獨立元 素效應對於先備知識水準較低的學習者是有效的，因為可以降低內在認 知負荷，對於理解學習材料與發展部分基模有幫助；對於先備知識水準 較高的學習者而言，已具備足夠的知識基模，可處理大量交互作用元 素，因此不必藉由獨立元素隔離交互作用元素，甚至可能造成專業知識 反轉效應。 13. 變化效應 (Variability Effect) 變化效應是指教學者提供不同情境的題目和問題狀態讓學習者去 學習，藉由題目的變化來促使其基模的發展，強化學習轉化的能力。若 可用的工作記憶資源足以滿足內在認知負荷的需求，學習者能在不同類 別的問題應用學到的知識，表示具有更複雜的知識基模，知識遷移就產 生。因此增加工作示例的變化有助於促進遷移，導致變化效應。 Sweller (1998) 認為高度變化的題型雖會增加學習或練習過程中的 認知負荷，卻可獲得更好的轉化遷移效果，因此所增加的認知負荷是增 生認知負荷，而非外在認知負荷。變化效應因增加變化性易導致工作記 24

憶超載，對於先備知識不足的學習者而言，減少了學習；相反地，對於 高先備知識水準的學習者而言，變化效應是有益的。

14. 短暫訊息效應 (Transient Information Effect)

短暫訊息效應被定義為學習的遺失，由於訊息在學習者有時間充份 處理或與新訊息連結之前就已經消失了(Sweller,2011) 。短暫訊息效應 的訊息主要特徵是「短暫的」，而且訊息內容的元素交互作用必需是高 的，這是一種新的認知負荷效應解釋。若容易在工作記憶維持與處理的 短暫訊息，將不會產生短暫訊息效應。當複雜冗長的訊息以口語形式呈 現，短暫訊息會因高元素交互作用而使工作記憶超載，而利用書面的形 式呈現的持久訊息可有效降低這種負荷，訊息元素可以隨時取回工作記 憶中處理，產生一種類似於反向形式效應。冗長複雜的短暫訊息可利用 適當分割簡化訊息，則可有效降低或消除短暫訊息的負面影響。 15. 集體工作記憶效應 (Collective Working Memory Effect)

當個人透過合作學習比單獨學習獲得較高的學習成效時，即產生集 體工作效應。此效應是一種新的認知負荷效應，合作學習使學習者訊息 的獲得從教學者或其他知識豐富的專家轉到其他的學習者。藉由共享與 協調訊息來達到合作學習所需額外的工作記憶資源，稱為處理成本 (Kirschner, Paas, & Kirschner, 2009) 。對於複雜的學習任務，在幾個人 之間分散元素是有好處的，因為處理成本少於處理大量元素的成本；對 於簡單的學習任務，處理成本很可能高於共享所降低的認知負荷，因此 單獨學習可能較好。(Sweller, 2011)。

2-2-5 訊息的對應形式

分散注意力發生在學習者需要分散他們的注意力到至少 2 個訊息來源之 間，不管是空間上或時間上的分開。在許多分散注意力的情況下，工作記憶資源 25

很可能為了處理無關的交互作用元素而從基模形式轉移開，導致學習的效果不 佳。分散注意力效應發生在教學策略以整合的教材為基礎時，比以分散來源的材 料產生更好的學習效果。(Sweller, 2011)。 當超過兩個以上的訊息來源，發現使用垂直排列的對應形式比水平排列的對 應形式，所獲的學習效果更好。Chung(2007) 在學習中文作為第二語言的領域 中，使用三種不同訊息來源以研究分散注意力。Chung 同時地呈現三種字卡給學 習者，字卡裡包含中文字體、英文翻譯和拼音。不只是在三種字卡操作上的順序 相同，還有它們之間的實際距離也是相同的。結果發現英文或拼音被呈現時是靠 近中文字體而非空間上的分離，獲得較好的學習和發音，這顯示了分散注意力效 應。 圖 9 水平和垂直的對齊方式

Lee and Kalyuga(2011)從認知負荷理論的觀點，研究了拼音在學習中文作為 第二語言的效果。他們建議當學習單字時，通常使用水平排列的形式呈現拼音， 可能施加了高度的認知負荷，並阻礙字體的學習，因為學習者在搜尋和配對相應 的字體和拼音時造成分散注意力。改用垂直排列的形式，拼音正好被放在對應的 字體下，因此減少可能的分散注意力。圖 9 描述了水平和垂直這兩種形式。在 一項包含學習中文作為第二語言的高中生的實驗中，比較了垂直與水平排列字 體、拼音與英文翻譯的學習效果。結果顯示垂直形式因為消除了分散注意力而有 26

顯著的優勢。(Sweller, 2011)。

2-2-6 認知負荷理論對本研究的影響

本研究之教材設計運用示例效應，由教學者先呈現適當的例子供學習者參 考，以解決相同的程序性問題，並根據形式效應，配合阿拉伯數字把對應的英文 文字改以口語表達；根據分散注意力效應，在教材設計上，呈現視覺相關的訊息 在位置上盡量接近，口語對應的畫面呈現在時間上接近；在實驗組教材的設計 上，根據訊息垂直對應的形式，將中英文以上下對齊的方式，讓學生可快速地搜 尋到相關的訊息，以減輕視覺搜尋所造成的負擔，並應用獨立元素效應，把數目 大的數字先切割成數個獨立的數字來處理，讓高元素交互作用變成低元素交互作 用，以降低其認知負荷。並且利用專業知識反轉效應的產生與否來分析本實驗教 材是否適用於常態編班教學上。

2-3 多媒體學習理論

Mayer (2001)等學者以 Paivio (1986) 的雙碼理論 (Dual-Coding Theory)為基 礎，提出多媒體學習理論，指出多 媒 體 學 習 (Multimedia Learning)是 利 用 文 字 (Words)與 圖 像 (Pictures)的 方 式 來 呈 現 教 材 內 容 ， 以 進 行 學 習 。

其中的「文字」有口說文字與印刷文字；「圖像」則有靜態圖片(如圖片、照片、

地 圖 等 ) 與 動 態 圖 片 ( 如 影 片 、 動 畫 等 ) 。 因 此 多 媒 體 學 習 又 稱 為 雙 模 式 (Dual-mode)、雙碼 (Dual-code)、或雙通道 (Dual-channel) 學習 (Mayer, 2009)。

多媒體學習要達到效用，必須先瞭解人們是如何學習與接收訊息的模式，從 人類處理訊息的過程才能發展出多媒體設計的原則，因此，Mayer 提出多媒體進 行學習的認知模型，以人類感官中的視覺與聽覺雙通道 (Dual-channel) 進行學 習，如圖 10，由此說明人類資訊處理的方式與系統。

圖 10 多媒體學習理論的認知模型 資料來源：廖真瑜 (2011)。多元表徵應用於二元一次聯立方程式文字題列式教 學之研究 (頁 9 )，國立交通大學，新竹市。 經 過 感 官 通 道 後 ， 會 依 序 進 行 三 種 認 知 處 理 過 程 ， 分 述 如 下 ： 1. 選取 (Select) 學 習 者 針 對 要 注 意 的 文 字 或 圖 像 訊 息 ， 自 動 選 取 對 其 有 意 義 的 文 字 或 圖 像 ， 並 進 一 步 儲 存 在 工 作 記 憶 區 中 處 理 。 2. 組織 (Organize) 學 習 者 將 選 取 的 文 字 與 圖 像 ， 在 工 作 記 憶 區 中 ， 使 其 分 別 成 為 一 個 連 貫 且 整 體 的 語 文 模 型 (Verbal Model)和 圖 像 模 (Pictorial Mod el)。 3. 整合 (Integrate) 學 習 者 在 工 作 記 憶 中 ， 將 語 文 模 型 及 圖 像 模 型 進 行 比 對 ， 並 與 長 期 記 憶 中 既 有 的 相 關 知 識 基 模 加 以 連 結 、 整 合 。

2-3-1 多媒體學習理論的基本假設

在多媒體學習認知理論下，Mayer 提出三個假設，分述如下： 1. 雙通道 (Dual Channels) 人類擁有兩個訊息處理通道，由聽覺感官接收訊息為聽覺通道；由視覺 28

感官接收訊息為視覺通道，這兩通道是獨立的，分別各自加工處理訊息。 2. 有限容量 (Limited Capacity) Mayer 認為視覺或聽覺通道同時所能處理的訊息量是有限的，若在同時 間湧入大量訊息將無法同時處理，故對於進入的訊息何者該被注意，就必須 有所抉擇，只選擇部分訊息置於工作記憶區中組織，因此這些訊息很可能是 片段而非完整的。 3. 主動處理 (Active Processing) 面對訊息時，人類會主動進行認知處理，包含選取相關訊息、組織訊息 或將訊息與原來存在長期記憶區中既有的知識、經驗和基模整合。

2-3-2 多媒體學習理論的認知負荷

在學習的過程中可能會有三種認知處理方式，每一種都會用到學習者可用的 認知容量，即是認知負荷的三個模式 (DeLeeuw ＆ Mayer, 2008)，分述如下： 1. 外在的認知處理 (Extraneous Cognitive Processing)

即為認知負荷裡的外在認知負荷，指的是學習過程的認知處理對教學目 標無用，起因於不良的教學設計，例如相關的圖文在不同頁所造成的視覺搜 尋比對。若外在的認知處理耗盡了學習者所有可用的認知容量，則學習者就 無法進行學習的認知處理，如選取、組織和整合，導致無學習成效，反應出 來的是較差的記憶及轉移表現。

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

即為認知負荷裡的的內在認知負荷，由教材本身的複雜度決定。若學習 者在學習過程大部份只專注於本體的認知處理，則反應出來的可能偏向死記 硬背的學習，雖然會有較好的記憶表現，但轉移表現卻較差。

3. 衍生的認知處理 (Generative cognitive processing)

即為認知負荷裡的增生認知負荷，指的是藉由提高學習動機的方式讓學 習者瞭解教材本身時所產生的認知處理，因此衍生的認知處理可歸因於學習 者的動機程度，若學習者能致力於本體及衍生的認知處理，則非常有可能產 生有意義的學習結果，即能有好的記憶及轉移表現。

2-3-3 多媒體學習理論的教學設計原則

由於上述的三種認知處理皆會佔用有限的認知資源，Mayer(2009)提出了十 二項可以降低認知負荷的多媒體教材設計原則，以減少外在的認知處理、管理本 體的認知處理以及增加衍生的認知處理，分述如下： 1. 減少外在認知處理的五個設計原則 (1) 連貫原則 (Coherence Principle) 教材設計應與教學目標相關，與教學目標不相關的文字、圖像、聲 音等額外的素材要避免，因為這些無關的訊息會分散學習者的注意力。 (2) 信號原則 (Signaling Principle) 在教材中可適當加入信號，使訊息醒目以吸引學習者的注意力，引 導其針對關鍵訊息做認知處理。常用的信號包含標題、粗體、斜體、字 體大小、顏色、符號、閃爍、淡入、淡出、箭頭、底線等。 (3) 重複原則 (Redundancy Principle) 多媒體教材的設計以「圖像加上旁白」會比「圖像加上旁白及字幕」 得到更好的學習效果 (Mayer, 2001)。因為圖像與字幕的訊息都同是經 由視覺管道，若同時呈現會造成通道負荷過量，而影響學習。然而有些 情況下增加字幕是可以促進學習，例如沒有圖像的展演、有充足的時間 處理圖像、教材文字內容太專業困難、或旁白並不是母語。

(4) 空間接近原則 (Spatial Contiguity Principle)

相對應的文字與圖像「位置接近」會比遠離的學習效果好，因為不 用耗費資源在搜尋與比對上，如此較容易建立訊息之間的關連。新訊息 的出現不要蓋住原先的訊息，若分散在不同區塊的訊息要用指示線連接 以建立關聯。

(5) 時間接近原則 (Temporal Contiguity Principle)

相關的文字與圖像「同時呈現」會比接續呈現的學習效果好。因為 訊息接續出現，學習者必須保留之前的訊息以便和後續的內容做統整， 容易耗費認知空間，造成工作記憶的負擔，使學習資源不足。

2. 管理本體認知處理的三個設計原則 (1) 分割原則 (Segmenting Principle) 將教材分割成數個「小片段」，並讓學習者自己控制片段的呈現和 循序展演的速度，這樣的學習效果會比連續播放的方式來得更好。因為 學習者可以有較足夠的時間去選擇片段中的訊息並加以組織及整合。 (2) 事先訓練原則 (Pre-training Principle) 若教材的內容較複雜困難時，在學習之前可先讓學習者知道教材的 主要概念名稱或特徵，複習所需的先備知識，再進行學習，學習效果較 好。 (3) 形式原則 (Modality Principle) 當教材同時包含圖像與文字兩種訊息時，文字訊息以「口述文字」 的聽覺方式呈現會比以印刷文字的視覺方式呈現，獲得更好的學習成 效。因為圖像和印刷文字都是經由視覺通道來處理，單一的視覺通道資 源有限，容易造成通道阻塞，產生認知負荷；相反地，若使用圖像和口 述文字，圖像經由視覺通道，口述文字經由聽覺通道，視聽覺雙通道互 不干擾，又可互相轉換兩種表徵，因此會有較好的學習成效。我們的感 覺器官是一起演化出來的，視覺會影響聽覺，聽覺也會影響視覺，若同 時刺激多個感官，我們的學習會比較好(Medina、洪蘭（譯），2009)。 3. 增加衍生認知處理的四個設計原則 (1) 多媒體原則 (Multimedia Principle) 教材設計使用「圖像、文字並用」的學習效果優於「僅用文字」的 效果，因「圖像、文字並用」較能幫助學習者同時建構語文與圖像模型， 並建立彼此的關聯，進行心智的整合。這對新手學習者特別重要，然而 對專家學習者的幫助可能不大，因專家學習者在閱讀文字時就能建立自 己的心智圖像，可是新手則需要與文字相關的圖像表徵來幫助學習。 (2) 個人化原則 (Personalization Principle) 教學時採用「對話式」的講述課程會比「形式化」的講述來得好。 多使用第一人稱(我)、第二人稱(你)來進行教學，不要只用第三人稱， 並在講述過程中多使用直接感受的句子，讓學習者感受到教學者在與他 31