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通
大
學
理學院科技與數位學習學程
碩
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文
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圖文步驟化與同步呈現
對於國中圓與切線性質學習成效之比較研究
A Comparison Study between Stepwise and Simultaneous Presentation of
Graph and Words on the Learning of Circle and Tangent Properties
研 究 生：楊蕙璐
指導教授：陳明璋 博士
中
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圖文步驟化與同步呈現對於國中圓與切線性質學習成效之比較研究
A Comparison Study between Stepwise and Simultaneous Presentation of
Graph and Words on the Learning of Circle and Tangent Properties
研 究 生：楊蕙璐 Student：Hui-Lu Yang
指導教授：陳明璋 Advisor：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 ThesisSubmitted to Degree Program of E-Learning College of Science
National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of Master
in
Degree Program of E-Learning June 2013
Hsinchu, Taiwan, Republic of China
圖文步驟化與同步呈現對於國中圓與切線性質學習成效之比較研究
1學生：楊蕙璐
指導教授：陳明璋 博士
國立交通大學理學院科技與數位學習學程
中文摘要
中文摘要
中文摘要
中文摘要
訊息傳遞之首要是訊息要能被學習者「注意」到，教師如何正確利用視覺元素做好 視覺引導，將訊息正確地傳達，讓學生容易看到，就仰賴教師在教材設計及操控上之配 合。本研究採準實驗研究法，以「圓與切線間的性質關係」之幾何概念為教學內容，探 討圖文步驟化呈現教學與圖文同步呈現教學對學生學習成效與認知負荷感受的影響。以 二因子變異數進行實驗分析。研究結果顯示：(1)教學設計與學習成就水準兩變項在後測、 延後測各部分之表現及認知負荷感受均沒有顯著的交互作用。(2)教學設計變項對於後測 總成績、後測計算題、後測說明題之主要效果皆達到顯著差異；學習成就水準變項對於 後測總成績、後測計算題、後測說明題之主要效果皆達到顯著差異。(3)教學設計變項對 於延後測總成績、延後測計算題、延後測說明題之主要效果皆達到顯著差異；學習成就 水準變項對於延後測總成績、延後測計算題、延後測說明題之主要效果皆達到顯著差異。 (4)教學設計變項對於認知負荷感受之主要效果達到顯著差異；學習成就水準變項對於認 知負荷感受之主要效果未達顯著差異。(5)綜合學習效率與學習投入分數判斷學習情形， 實驗組為高效率高投入，對照組為低效率低投入，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。 關鍵字：注意力、視覺引導、多媒體學習、認知負荷、圖文步驟化、圖文同步呈現 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。A Comparison Study between Stepwise and Simultaneous Presentation
of Graph and Words on the Learning of Circle and Tangent Properties
Student：Hui-Lu Yang
Advisor：Ming-Jang Chen
Degree Program of E-Learning
National Chiao Tung University
Abstract
The most important thing of sending message is the message must be noticed. How do teachers properly make use of visual elements of visual guiding ,to convey the message properly and let students notice it? It depends on teaching design and manipulation. This study was based on a quasi-experimental deign method by using "circle and tangent properties " of geometric concepts for teaching content, and it explored stepwise teaching of graph and words and simultaneous presentation teaching of graph and words on students’ learning performances and perceptions of cognitive load..The result of the experiment was analyzed through two-way ANOVA.The results of the study showed that :(1) In terms of the individual scores in post-test and delayed post-test as well as the perceptions of cognitive load, there was no significant interaction between the two independent variables, teaching design and learning achievement level. (2)The major effect the variable of teaching design had on scores in post test was found to be significant in posttest total score, posttest calculation problems, posttest description problems; the major effect the variable of learning achievement level had on scores in post test was found to be significant in posttest total score, posttest calculation problems, posttest description problems. (3) The major effect the variable of teaching design had on scores in
delayed post-test was found to be significant in delayed posttest total score, delayed posttest calculation problems, delayed posttest description problems; the major effect the variable of learning achievement level had on scores in delayed post-test was also found to be significant in delayed posttest total score, delayed posttest calculation problems, delayed posttest description problems. (4) The major effect the variable of teaching design had on scores in perceptions of cognitive load was found to be insignificant; however, the major effect the variable of learning achievement level had on scores in perceptions of cognitive load was discovered to be significant. (5) Judging from the synthesis of learning effectiveness and learning involvement, participants in the experimental group belonged to learners of high efficiency and high involvement learning style while in the control group participants were described as learners of low efficiency and low involvement learning style. Both teaching materials did not lead to the expertise reversal effect in high achievers.
Keywords：attention, visual guiding, multimedia learning, cognitive load, stepwise of graph and words , simultaneous presentation of graph and words
誌
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回首這兩年，真的過的好充實，常覺得時間不夠用，無時無刻都在被時間追著跑， 雖然辛苦，還好，我努力了，今日，我做到了! 這一路走來，要感謝好多人… 感謝論文指導教授陳明璋博士，在專業知識上的建議與指導，開闊了我的視野，讓 我對教材與教學有了嶄新的認識。老師的辛勞與付出，點滴在心頭，無限感激！ 感謝李源順教授、袁媛教授、李俊儀教授、莊榮宏教授播冗給予寶貴的意見，讓我 的論文能更加完整。 感謝互相支援、互相打氣的 AMA 夥伴－士立、天行、昭吉、威鈞、雅婷、淑貞學 姐及振順學長，因為你們，我才能順利完成這本論文，能和你們一同學習，是一件幸福 的事。 感謝好友們，在我進修期間的鼓勵與支持，給了我不斷往前的動力。 感謝家人，做我精神上及生活上的強力後盾，讓我可以專心完成學業。終於能好好 陪伴你們了！ 走完這兩年，要感謝的人真的很多，謝謝所有曾經幫助過我的人，謝謝！目次
目次
目次
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 1-2 研究目的... 3 1-3 研究問題... 3 1-4 研究範圍與限制... 3 1-5 名詞解釋... 4 第二章 文獻探討 ... 5 2-1 注意力與視覺搜尋... 5 2-1-1 注意力 ... 5 2-1-2 視覺搜尋 ... 6 2-1-3 選擇性注意力 ... 8 2-1-4 特徵整合理論 ... 10 2-1-5 注意力與視覺搜尋對本研究之影響 ... 11 2-2 訊息處理理論... 12 2-2-1 訊息處理理論 ... 12 2-2-2 訊息處理理論對本研究之影響 ... 13 2-3 多媒體學習理論... 142-3-1 多媒體學習理論的基本假設 ... 14 2-3-2 多媒體學習理論的認知負荷 ... 16 2-3-3 多媒體學習理論的教學設計原則 ... 17 2-3-4 多媒體學習理論對本研究之影響 ... 19 2-4 認知負荷理論... 20 2-4-1 認知負荷基本假設 ... 20 2-4-2 認知負荷類型 ... 21 2-4-3 認知負荷效應 ... 22 2-4-4 認知負荷理論對本研究的影響 ... 30 2-5 幾何教學... 31 2-5-1 幾何思考的發展層次 ... 31 2-5-2 幾何圖形的認知理解 ... 32 2-5-3 數學符號表徵的轉化 ... 34 2-5-4 從表徵轉化看數學學習的困難 ... 35 2-5-5 幾何課程的學習 ... 36 第三章 研究方法 ... 41 3-1 研究流程... 41 3-1-1 準備階段 ... 42 3-1-2 實驗階段 ... 42 3-1-3 分析階段 ... 42 3-2 研究設計... 43 3-2-1 研究方法 ... 43 3-2-2 研究變項 ... 43 3-2-3 研究假設 ... 44 3-2-4 實驗流程 ... 45 3-3 研究對象... 46
3-4 研究工具... 48 3-4-1 實驗教材 ... 48 3-4-2 前測測驗卷 ... 55 3-4-3 後測測驗卷 ... 55 3-4-4 延後測測驗卷 ... 57 3-4-5 認知負荷量表 ... 57 3-5 資料分析... 58 第四章 研究結果與討論 ... 59 4-1 後測及延後測表現分析... 59 4-2 認知負荷分析... 74 4-3 學習效率與學習投入分數暨專業知識反轉效應分析... 77 4-3-1 整體學生之分析 ... 77 4-3-2 各學習成就學生之分析 ... 78 第五章 研究結論與建議 ... 81 5-1 研究結論... 81 5-2 建議... 83 5-2-1 教學建議 ... 83 5-2-2 未來研究建議 ... 83 參考文獻 ... 85 中文文獻 ... 85 英文文獻 ... 87 附錄一 實驗組教材 ... 89 附錄二 前測測驗卷 ... 109 附錄三 後測測驗卷及延後測測驗卷 ... 111
表次
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表次
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表 1 「圓與切線間的性質關係」教學內容、教學目標及先備知識對照表 ... 38 表 2 教學實驗流程表 ... 45 表 3 研究對象班級人數及上學期定期評量成績表 ... 46 表 4 研究對象之高、低學習成就人數分配表 ... 46 表 5 研究對象八年級上學期定期評量平均獨立樣本T 檢定摘要表 ... 47 表 6 研究對象前測成績獨立樣本T 檢定摘要表 ... 47 表 7 實驗組教材 (教學示例第五題為例) ... 50 表 8 對照組教材 (教學示例第五題為例) ... 54 表 9 後測及延後測描述性統計摘要表 ... 60 表 10 教學設計與學習成就水準在後測總成績之平均數摘要表 ... 61 表 11 教學設計與學習成就水準在後測總成績之二因子變異數分析摘要表 ... 61 表 12 教學設計與學習成就水準在延後測總成績之平均數摘要表 ... 63 表 13 教學設計與學習成就水準在延後測總成績之二因子變異數分析摘要表 ... 63 表 14 教學設計與學習成就水準在後測計算題之平均數摘要表 ... 65 表 15 教學設計與學習成就水準在後測計算題之二因子變異數分析摘要表 ... 65 表 16 教學設計與學習成就水準在延後測計算題之平均數摘要表 ... 67 表 17 教學設計與學習成就水準在延後測計算題之二因子變異數分析摘要表 ... 67 表 18 教學設計與學習成就水準在後測說明題之平均數摘要表 ... 69 表 19 教學設計與學習成就水準在後測說明題之二因子變異數分析摘要表 ... 69 表 20 教學設計與學習成就水準在延後測說明題之平均數摘要表 ... 71 表 21 教學設計與學習成就水準在延後測說明題之二因子變異數分析摘要表 ... 71 表 22 教學設計與學習成就水準在花費心力之平均數摘要表 ... 74 表 23 教學設計與學習成就水準在花費心力之二因子變異數分析摘要表 ... 75表 24 整體學生學習效率與學習投入分數 ... 77 表 25 不同學習成就水準之學習效率與學習投入分數 ... 79
圖次
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圖 1 平行搜尋與序列搜尋 ... 6 圖 2 干擾物數量與搜尋時間的關係 ... 7 圖 3 特徵搜尋與結合搜尋 ... 7 圖 4 BROADBENT 早期過濾器模型 ... 8 圖 5 TREISMAN 減弱模型 ... 9 圖 6 DEUTSCH與 DEUTSCH 晚期過濾模型 ... 9 圖 7 特徵整合理論 ... 11 圖 8 訊息處理歷程 ... 12 圖 9 雙通道假設模型 ... 14 圖 10 聽覺通道處理過程 ... 15 圖 11 視覺通道處理過程 ... 15 圖 12 學習效率圖 ... 25 圖 13 學習投入分數圖 ... 26 圖 14 綜合學習效率與學習投入分數圖 ... 27 圖 15 DUVAL幾何學習認知處理歷程相互作用關係圖 ... 33 圖 16 幾何視覺轉化－重新配置原圖 ... 34 圖 17 表徵轉換－自然語言轉數學語言 ... 35 圖 18 表徵轉換－代數表徵轉圖形表徵 ... 35 圖 19 視覺處理的第一步－子圖需被辨別 ... 36 圖 20 研究流程圖 ... 41 圖 21 實驗組教材畫面(1) ... 49 圖 22 實驗組教材畫面(2) ... 49 圖 23 對照組教材畫面 ... 49圖 24 後測及延後測計算題、說明題分數折線圖 ... 72
圖 25 整體學生學習效率與學習投入分數之視覺化圖像 ... 78
第一章
第一章
第一章
第一章 緒論
緒論
緒論
緒論
1-1
研究背景與動機
研究背景與動機
研究背景與動機
研究背景與動機
曾有學生向研究者說過：「老師，我看不懂圖形，也看不出它的性質，我當然就不會 回答。」可見幾何學習對學生的困擾，以及幾何教學對教師的挑戰。「幾何」是重要的數 學課程，多數學生在幾何的學習也主要來自於學校課堂，從國小的直觀操作到國中的幾 何推理證明(教育部，2008)，由具體操作到演繹推理間存在著相當大的落差，學生要跨越 並非如此順利，若教師在教材上沒有做好統整及安排，看不到圖形所呈現的訊息，就會 造成學生的認知負荷，不利於學習，當在表徵處理或轉換出現障礙，就會導致學習上的 困難，再面對到形式化的幾何證明時，學習意願自然低落。 許多教師在教學時，為了時間上的掌控，多直接進行講述教學，學生可能因缺少觀 察和思考，而在沒有真正理解概念的情形下，只是強記公式、定理，在後續建構數學知 識的過程就會產生問題，造成學習困擾。因此，數學教育不能只追求學生的基礎運算程 序與解題技巧的能力，而忽略了概念性理解的邏輯思考培養。在 Polya(1957)所著 How to solve it 一書中將「解題」這項心智活動分成了解問題、 擬定計畫、執行計畫、驗算與回顧四種一般性步驟(Polya，1957/蔡坤憲譯，2006)。教師 如何善用教材，引導學生思考，啟發並幫助學生完成「解題」，讓學生能獨立、適切的應 用它，提升學生幾何思維的能力，是重要課題。 數位化教學媒體的引進，讓教學產生不少變化，增加了更多提升學習成效的可能性， 然而，多媒體的使用就像雙面刃，好的使用讓教學效果提升；相對的，不當的設計不僅 對學習毫無助益，也干擾學習。研究者在國中教學現場發現，使用多媒體教學的教師， 其使用的教材來源依賴教科書廠商所提供占多數比例，使用自製教材的教師極少。教科 書廠商提供的多媒體教材通常只是課本內容的電子版，內容編排除了必要訊息外，經常 充斥著無關教學主題的多餘訊息，容易分散學生的注意力。
使用多媒體教材教學，除了硬體設備不可缺少外，軟體的配合才是主要重點。訊息 過多或缺乏醒目重點之設計將使學習者的注意力無所適從（陳一平，2011）。不少教師未 經過專業的視覺設計訓練，雖有好的工具與內容，但教材編排上未考慮訊息傳遞的重點， 讓設計不良的畫面以及不必要的訊息干擾，造成無法正確傳達訊息且模糊了學習者的學 習重點，讓學習反而困難重重。 訊息傳遞之首要是訊息要能被學習者「注意」到，才能有機會進一步被處理和學習 （張春興，1994），而視覺處理是最主要的訊息處理管道。由於工作記憶的限制，個體無 法一次處理大量訊息，當面臨大量訊息的刺激時，會注意整體、忽略細節、僅找部份重 點；若要在畫面上找到相關訊息，必須有足夠的時間思考及處理，才能透過選取與組織， 真正整合訊息(Mayer，2001)。
ChanLin & Okey (1994)指出連貫性的訊息適合在同一畫面出現，但如果螢幕中訊息 份量過多時，應將複雜的訊息加以分解，採用分層呈現的方式提供重點(引自林麗娟， 2000）；分層呈現的設計乃在於分割一份量繁重的訊息塊，藉螢幕逐步呈現訊息而引導學 習的重點(林麗娟，2000）。而許晏斌(2009)的研究發現藉由逐步呈現的物件激發可吸引學 習者的注意力，協助搜尋教材的訊息，以注意力引導學習，達到教材、教學者、學習者 三者之間的互動。因此，如何正確利用視覺元素做好視覺引導，將訊息正確地傳達，讓 學生容易看到，就仰賴教師在教材設計及操控上之配合。 本研究選取八年級常態班學生為實驗對象，以「圓與切線間的性質關係」之幾何概 念為教學內容，嘗試以注意力與視覺搜尋、多媒體學習理論及認知負荷理論為基礎，並 考量整體學生的認知歷程運作，由教學者主導教學，製作合適的教材內容進行教學，實 驗教材運用圖文步驟化呈現教學，期能藉有效的注意力引導，適時地呈現訊息、解說訊 息，協助學習者選取、組織和整合訊息，降低學習者的認知負荷，達到好的學習成效。 此外，在常態編班的模式下，學生程度可能有很大的差異，對低學習成就學生有效 的訊息引導，可能會對高學習成就學生的學習成效與投入程度有負面影響，進而產生專 業知識反轉效應，因此，本研究透過學習效率與學習投入分數，觀察高學習成就學生是 否產生專業知識反轉效應。
1-2
研究目的
研究目的
研究目的
研究目的
本研究嘗試以多媒體學習理論、認知負荷理論建議的教學設計原則，設計由教學者 主導教學，適合於課堂授課的多媒體教材，藉有效的注意力引導，適時地呈現訊息、解 說訊息，協助學習者選取、組織和整合訊息，降低學習者的外在認知負荷，達到更好的 學習成效。 本研究以「圓與切線間的性質關係」之幾何概念為教學內容，期望透過以圖文步驟 化呈現教學之教學設計，引導學習者進行有效學習，基於上述背景及動機，本研究欲探 討不同教學設計(圖文步驟化呈現教學 VS 圖文同步呈現教學)與不同學習成就水準(高學 習成就學生 VS 低學習成就學生)在學習表現與認知負荷方面的影響。另外，透過學習效 率與學習投入分數，探討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
研究問題
研究問題
研究問題
1. 不同教學設計與不同學習成就水準在後測表現是否有交互作用存在? 2. 不同教學設計與不同學習成就水準在延後測表現是否有交互作用存在? 3. 不同教學設計與不同學習成就水準在認知負荷是否有交互作用存在? 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
研究範圍與限制
研究範圍與限制
研究範圍與限制
1. 研究範圍 本研究以國中數學科幾何教學為主題，受限於人力、時間、資源等因素，研 究對象為新竹縣某國中常態編班之八年級四個班級，而後測及延後測測驗卷之試 卷批閱，另敦請一位教學年資 10 年之國中數學教師協助重複審閱，提供分數採計 上之建議。 2. 研究內容限制 本研究為避免課後補習影響，選擇九年級幾何教學課程為主題，所得之結果僅能做為相關單元之教學參考。 3. 研究對象限制 本研究僅以新竹縣某國中常態編班之八年級學生作為母群體，以便利抽樣抽 取有效樣本 116 位，所得之結果無法推論至其他班級或學校。 4. 受試人員限制 由於施測班級原授課教師皆非研究者本身，對於研究者授課方式、說話語氣 等熟悉度不足，受試學生的不適應狀況可能會影響實驗結果。
1-5
名詞解釋
名詞解釋
名詞解釋
名詞解釋
1. 圖文步驟化呈現 本研究所指的圖文步驟化呈現為藉由線條和顏色標記來突顯主要訊息或淡化 次要訊息的圖形特徵，利用雙通道模式、空間接近原則、符號表徵處理幾何說明 的訊息，以分段方式一步步呈現教學內容的訊息傳遞策略，協助學習者能在教學 者講解及提問時，快速搜尋到所指物件，減輕學習者在學習時的認知負荷，引導 學習者看出相關訊息、發現圖形間的元素關聯並做思考連結及回答的授課方式。 2. 圖文同步呈現 本研究所指的圖文同步呈現為利用雙通道模式、符號表徵處理幾何說明的訊 息，會同步呈現教學內容的完整圖文訊息，在課堂授課中，教學者以口語提問及 說明來進行突顯與補充內容，引導學習者看出相關訊息、發現圖形間的元素關聯 並做思考連結及回答的授課方式。 3. 幾何教學 本研究幾何教學範圍僅限於「圓與切線間的性質關係」之幾何概念。第二章
第二章
第二章
第二章 文獻探討
文獻探討
文獻探討
文獻探討
本章共分五節，分別說明注意力與視覺搜尋、訊息處理理論、多媒體學習理論、認 知負荷理論、幾何教學等文獻。2-1
注意力與視覺搜尋
注意力與視覺搜尋
注意力與視覺搜尋
注意力與視覺搜尋
學習過程必須先透過感官接收訊息，面對環境中的多種訊息時，要抓取主要訊息的 關鍵就在注意力，而視覺刺激的輸入是面對訊息最主要的感官接收器。以下就注意力、 視覺搜尋、選擇性注意力、特徵整合理論做討論。2-1-1
注意力
注意力
注意力
注意力
注意力是外界大量的訊息是否可以經由感官進入短期記憶中處理及儲存的一個重要 選擇機制(葉素鈴，1999)。個人會不斷地接收到外界給予的訊息，不論是從感官、儲存的 記憶或其他認知歷程所獲得，但人的心理資源有限，無法同時處理過多的訊息，因此注 意力指的是我們主動處理有限的訊息刺激做快速地處理，進而產生反應。 在注意力運作的過程中，根據是否需要意識控制而區分成控制歷程與自動化歷程(李 玉琇、蔣文祁譯，2010)： 1. 控制歷程 (controlled processes) 需要有意識地獲得，並且有意識地處理，在這當中需要極大的注意力，因此 也就需要花費較多的心力才能將訊息或任務完成。通常是指在學習新訊息時，由 於沒有相關經驗，需要建立知識，也就需要較高層次的認知處理才能理解。例如， 本研究單元內容為「圓與切線間的性質關係」，教學對象為尚未學過的八年級學生， 對學生而言，必須經由控制歷程才能產生學習。 2. 自動化歷程 (automatic processes) 大部分的自動化歷程不一定會有正在處理的意識感覺，僅需要很少或完全不需要花費心力，就可以快速地將訊息處理完畢 為對於教材內容已經精熟 念，甚至快速反應回答問題
2-1-2
視覺搜尋
視覺搜尋
視覺搜尋
視覺搜尋
Treisman 與 Gelade (1980) 1. 平行搜尋 (paralle search) 目標物與干擾物的特徵元素有明顯差異 搜尋時間，干擾物多寡對找到目標物的時間影響不大 2. 序列搜尋 (serial search) 目標物與干擾物的特徵元素相近或類似 尋時間，因無法立即看出目標物獨特之處 多(陳一平，2011)，如 圖 圖 圖 圖 1 平行搜尋與序列搜尋 資料來源 資料來源 資料來源 資料來源：修改自陳一平 (2011) 圖中平行搜尋之關係線的 要注意力輔助；而序列搜尋之關係線的 愈需要注意力輔助搜尋，如圖 就可以快速地將訊息處理完畢。例如，複習已經學過的教材 為對於教材內容已經精熟，所以當碰到舊教材的內容時，會自動回憶起舊教材概 甚至快速反應回答問題。 Gelade (1980) 提出視覺搜尋的兩種模式： (paralle search) 目標物與干擾物的特徵元素有明顯差異，即使干擾物的數量增加也不會加長 干擾物多寡對找到目標物的時間影響不大(陳一平， (serial search) 目標物與干擾物的特徵元素相近或類似，隨著干擾物的數量增加也會加長搜 因無法立即看出目標物獨特之處，需要逐一比對尋找 如圖 1。 (2011)。視覺心理學視覺心理學視覺心理學 (頁 199)。台北市：雙葉書廊視覺心理學 圖中平行搜尋之關係線的斜率較小，代表搜尋時間不受干擾物數量影響 之關係線的斜率較大，代表搜尋時間會受干擾物數量影響 圖 2。 複習已經學過的教材，因 會自動回憶起舊教材概 即使干擾物的數量增加也不會加長 ，2011)，如圖 1。 隨著干擾物的數量增加也會加長搜 需要逐一比對尋找，所耗費的時間愈 雙葉書廊。 代表搜尋時間不受干擾物數量影響，也較不需 代表搜尋時間會受干擾物數量影響，圖 圖 圖 圖 2 干擾物數量與搜尋時間的關係 資料來源 資料來源 資料來源 資料來源：修改自陳一平 (2011) 經由實驗歸納出來的視覺基本特徵主要有四種 大小(含長度、粗細、空間頻率等 2011)。 如果目標物與干擾物有明顯的不同 特徵搜尋(feature search)。例如 與干擾物的特徵元素有明顯差異 如果目標物與干擾物間的差異包含多種基本特徵 尋，此種視覺搜尋屬於結合搜尋 和紅色的「X」中找到一個紅色的 此兩種特徵差異在干擾物中都有出現 需要花費注意力資源的序列搜尋 圖 圖 圖 圖 3 特徵搜尋與結合搜尋 資料來源 資料來源 資料來源 資料來源：修改自陳一平 (2011) 干擾物數量與搜尋時間的關係 (2011)。視覺心理學視覺心理學視覺心理學 (頁 199)。台北市：雙葉書廊視覺心理學 經由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 空間頻率等)，在搜尋實驗得到的斜率幾近 0，即平行搜尋 如果目標物與干擾物有明顯的不同，彼此間的差異為基本特徵， 例如，要在一群綠色的「X」中找到一個紅色的 與干擾物的特徵元素有明顯差異，是屬於不需花費注意力資源的平行搜尋 如果目標物與干擾物間的差異包含多種基本特徵，需要結合較多的特徵才能進行搜 此種視覺搜尋屬於結合搜尋(conjunction search)。例如，要在一群綠色的 中找到一個紅色的「O」，由於目標物同時具備特徵「紅色 此兩種特徵差異在干擾物中都有出現，要辨認出目標，就必須結合這兩種特徵 需要花費注意力資源的序列搜尋，因此需花較長時間，如圖 3。 (2011)。視覺心理學視覺心理學視覺心理學 (頁 202)。台北市：雙葉書廊視覺心理學 雙葉書廊。 運動(方向或速率)、 即平行搜尋(陳一平， ，此種視覺搜尋屬於 中找到一個紅色的「O」，目標物 搜尋，如圖 3。 需要結合較多的特徵才能進行搜 要在一群綠色的「O」及「X」 紅色」及形狀「O」， 就必須結合這兩種特徵，是屬於 雙葉書廊。
2-1-3
選擇性注意力
選擇性注意力
選擇性注意力
選擇性注意力
注意力有時是在無意識下進行 (李玉琇、蔣文祁譯，2010)。 的內在處理資源有限，或能同時採取的反應有限 步的處理，而這個取捨機制即是選擇性注意力 選擇性注意力的模式有幾種 個明顯的「過濾器」；(2)如果有過濾 (李玉琇、蔣文祁譯，2010)。 1. 早期選擇過濾模式 Broadbent(1958)提出多重的感覺刺激都會經由過濾器來篩選訊息 過濾器篩選的刺激，才能夠進入到知覺系統中作進一步的處理 刺激則完全被捨棄不處理 圖 圖 圖 圖 4 Broadbent 早期過濾器模型 資料來源 資料來源 資料來源 資料來源：李玉琇、蔣文祁 ( Robert J. Sternberg)，(頁 173 2. 過濾減弱模式 Treisman(1964)認為多重的感覺刺激都會平行的經由過濾器某種程度的分析 來篩選訊息，具目標特性的刺激可以通過過濾器篩選 步的處理，未具目標特性的刺激並非完全被排除 注意力有時是在無意識下進行，選擇快速且較不費力，有時需要高層次的認知處理 。要如何對刺激做出選擇或者忽略？當面對大量訊息時 或能同時採取的反應有限，因此僅有少部份的訊息會接受更進一 而這個取捨機制即是選擇性注意力(selective attention)(李仁豪 幾種，這些模式的不同處在於：(1)對於進來的訊息 如果有過濾，過濾的產生是在訊息處理的哪一個階段 。針對幾個不同的模式，說明如下： 提出多重的感覺刺激都會經由過濾器來篩選訊息 才能夠進入到知覺系統中作進一步的處理 刺激則完全被捨棄不處理(李玉琇、蔣文祁譯，2010)，如圖 4。 器模型 (譯) (2010)。認知心理學認知心理學認知心理學認知心理學 Cognitive Psychology(5e) 173)。台北市：雙葉書廊。(原著出版年：2009) 認為多重的感覺刺激都會平行的經由過濾器某種程度的分析 具目標特性的刺激可以通過過濾器篩選，進入到知覺系統中作進一 未具目標特性的刺激並非完全被排除，而是一個逐漸減弱的歷程 有時需要高層次的認知處理 當面對大量訊息時，個體 因此僅有少部份的訊息會接受更進一 李仁豪、葉素玲，2004)。 對於進來的訊息是否有一 是在訊息處理的哪一個階段(Pashler,1998) 提出多重的感覺刺激都會經由過濾器來篩選訊息，可以通過 才能夠進入到知覺系統中作進一步的處理，未通過過濾器的 。 Cognitive Psychology(5e) (原作者： 2009) 認為多重的感覺刺激都會平行的經由過濾器某種程度的分析 進入到知覺系統中作進一 而是一個逐漸減弱的歷程。同時進入的每一刺激都有不同強度的分配 度。各管道的敏感度決定了閾限值 激強度必需高於閾限值才能被偵測出來加以處理 圖 5。 圖 圖 圖 圖 5 Treisman 減弱模型 資料來源 資料來源 資料來源 資料來源：李玉琇、蔣文祁 ( Robert J. Sternberg)，(頁 173 3. 晚期選擇過濾模式 J. Anthony Deutsch 辨識的知覺歷程分析， 的篩選，進入接下來的處理歷程 圖 圖 圖 圖 6 Deutsch 與 Deutsch 晚期 資料來源 資料來源 資料來源 資料來源：李玉琇、蔣文祁 ( Robert J. Sternberg)，(頁 175 時進入的每一刺激都有不同強度的分配，其對應的內在處理管道具有不同的敏感 各管道的敏感度決定了閾限值(Threshold，能引起反應的最小物理能量 激強度必需高於閾限值才能被偵測出來加以處理(李玉琇、蔣文祁譯 (譯) (2010)。認知心理學認知心理學認知心理學認知心理學 Cognitive Psychology(5e) 173)。台北市：雙葉書廊。(原著出版年：2009)
J. Anthony Deutsch 與 Diana Deutsch(1963)認為多重的感覺刺激都會進入物體 ，依據其重要性的不同，只有最重要的訊息可以經由過濾器 進入接下來的處理歷程(李玉琇、蔣文祁譯，2010)，如 晚期過濾模型 (譯) (2010)。認知心理學認知心理學認知心理學認知心理學 Cognitive Psychology(5e) 175)。台北市：雙葉書廊。(原著出版年：2009) 其對應的內在處理管道具有不同的敏感 能引起反應的最小物理能量)，刺 蔣文祁譯，2010)，如 Cognitive Psychology(5e) (原作者： 2009) 認為多重的感覺刺激都會進入物體 只有最重要的訊息可以經由過濾器 如圖 6。 Cognitive Psychology(5e) (原作者： 2009)
4. Neisser 的綜合模式 Ulric Neisser(1967)綜合早期過濾及晚期過濾模式，主張注意力的處理受兩個 歷程支配：前注意力(preattentive)及注意力(attentive)歷程。前注意力歷程對於所有 的輸入刺激是快速且平行處理的，只可用來察覺未注意訊息的物理感覺特性，無 法辨識意義和關係；注意力歷程發生的較晚且是平行執行的，並消耗時間和注意 力資源(如工作記憶)，可用來觀察特徵之間的關係並將片段訊息整合成一個物體 的心理表徵(李玉琇、蔣文祁譯，2010)。
2-1-4
特徵整合理論
特徵整合理論
特徵整合理論
特徵整合理論
Treisman(1986)的特徵整合理論(Feature Integration Theory)探討了視覺搜尋和選擇性 注意力的關係。Treisman 認為在前注意歷程時，視覺刺激的各特徵是個別處理，自動化 登錄在特徵圖(Feature map)上；在注意歷程時，當注意力投注在某空間位置上，就能將該 位置圖(Master Map)上所有特徵如顏色、形狀、方向、運動、深度等整合在一起，形成完 整的物體表徵(陳一平，2011)。例如，一開始是三個不同的目標物的刺激輸入，若要判斷 哪一個目標物屬於「月亮」這種物體，就必須針對不同的特徵(黃色、曲線的)做聯結整合， 如圖 7 中的虛線部份。 根據特徵整合理論就可以解釋為何特徵搜尋相對容易，而結合搜尋相對困難(李玉琇、 蔣文祁譯，2010)。若將注意力放在單一目標的辨別，此目標又具有干擾物所沒有的獨特 特徵，就可以輕鬆平行搜尋即可。相對的，若單一目標的特徵，在不同干擾物中會出現， 則需將目標的各個特徵加以結合(bind)再序列搜尋找出，就會耗費較多時間和心力。
圖 圖 圖 圖 7 特徵整合理論 資料來源 資料來源 資料來源
資料來源：修改自“How the deployment of attention determines what we see.” by A. Treisman, 2006, Visual Cognition, 14(4-8), p.412.
2-1-5
注意力與視覺搜尋對本研究之影響
注意力與視覺搜尋對本研究之影響
注意力與視覺搜尋對本研究之影響
注意力與視覺搜尋對本研究之影響
對於訊息的處理，是由兩種注意力系統不斷交互作用進行選擇，而自動化歷程所花 費心力及處理時間較少。若希望能增加自動化歷程處理，減少控制歷程處理，在設計教 材時，訊息呈現就必須著重在視覺上，才能將學習者的注意力引導在教學內容上。 訊息過多或缺乏醒目重點之設計將使觀看者的注意力無所適從(陳一平，2011)。面對 大量外在刺激時，訊息無法同時被處理，某些訊息會被過濾，僅處理必要訊息，因此， 設計教材時，要降低視覺搜尋的時間，避免重複搜尋、比對浪費有限的認知資源，應善 用選擇性注意力，突顯主要訊息，減弱次要訊息，讓主要訊息的作用與畫面展演的一致， 成為有意義的刺激，就能在教學過程中被學習者注意，很快的進入知覺歷程的運作。 幾何課程對學生的困難度有時在於學生無法從複雜的圖形中抽取所需訊息，透過視 覺引導讓學生能即時辨識訊息，暸解已知元素之間的關係，對於學習是相當重要的。本 研究教材設計利用顏色、標記等信號來引導注意力，排除干擾物，將幾何圖形中的主要 訊息突顯，次要訊息淡化，協助學生選取及組織訊息，並看到訊息之間的關聯，直接處 理必要訊息，讓認知資源能有效應用在學習上。2-2
訊息處理理論
訊息處理理論
訊息處理理論
訊息處理理論
訊息經由外在刺激的輸入 畫訊息呈現，讓透過感官收錄2-2-1
訊息處理理論
訊息處理理論
訊息處理理論
訊息處理理論
訊息處理理論(Information 著重在訊息如何經由感官覺察 的歷程(張春興，1994)，如圖 圖 圖 圖 圖 8 訊息處理歷程 資料來源 資料來源 資料來源 資料來源：修改自張春興 (1996 訊息處理是無法直接觀察的內在心理運作歷程 息處理是階段性的；(2)各階段的功能不一 根據這三項特徵，訊息處理將記憶處理分為三個階段 1. 感覺收錄(sensory register 個體憑視覺、聽覺 憶，這一階段的感覺收錄訊息處理理論
訊息處理理論
訊息處理理論
訊息處理理論
刺激的輸入到記憶處理跟內在心理運作歷程相關， 錄訊息時的學習過程能更快抓取到主要訊息 (Information-Processing Theory)發展自認知心理學的學習理論 著重在訊息如何經由感官覺察、注意、辨識、處理、轉換、記憶與儲存等內在心理活動 圖 8。 1996)。教育心理學教育心理學教育心理學教育心理學 (頁 225)。台北市：東華書局 訊息處理是無法直接觀察的內在心理運作歷程，此一內在心理歷程有三項特徵 各階段的功能不一；(3)訊息處理是前後交互作用的 訊息處理將記憶處理分為三個階段： (sensory register，簡稱 SR) 聽覺、味覺、嗅覺及觸覺等感官接觸環境刺激所引起的短暫記 這一階段的感覺收錄，刺激會短暫保持原狀以供個體抉擇是否作為重要訊息 ，了解訊息處理，規 訊息。 發展自認知心理學的學習理論，其焦點 記憶與儲存等內在心理活動 東華書局。 此一內在心理歷程有三項特徵(1)訊 訊息處理是前後交互作用的(張春興，1994)。 嗅覺及觸覺等感官接觸環境刺激所引起的短暫記 刺激會短暫保持原狀以供個體抉擇是否作為重要訊息來處理，在此區域頂多停留 5 秒，於這瞬間決定收錄的訊息若要進一步處理，就 加以注意及編碼後進入短期記憶，若無即予以放棄後遺忘(張春興，1994)。 2. 短期記憶(short-term memory，簡稱 STM) 訊息經由感覺收錄注意後進入短期記憶，在此停留的時間延續為 5~20 秒的記 憶，其記憶容量大約是 7 ± 2 個單元。訊息處理過程中，若處理的訊息是重要的， 經特別複習(rehearsal) 、記憶、理解，則訊息將進入長期記憶，因為此運作具有 心智運作的功能，也稱為工作記憶(working memory，簡稱 WM)；若只是對刺激 表現出適當反應，當目的已達，若無特別處理，則訊息就會流失、遺忘(張春興， 1994)。 3. 長期記憶(long-term memory，簡稱 LTM) 儲存的訊息或知識是長期的、甚至是永久的即為長期記憶，且長期記憶的容 量是無限的。在長期記憶中儲存的訊息或知識，可分為兩類：一類為情節記憶， 另一類為語意記憶。情節記憶是指有關生活情節的實況記憶；語意記憶是指我們 用自己理解的語文所表達的概念、原則與技能，也就是指個人學得的知識(張春興， 1994)。儲存在長期記憶的知識，無法在長期記憶中直接處理，而是被提取至工作 記憶運作、整合後，再進入長期記憶，如此不斷地交互作用。
2-2-2
訊息處理理論
訊息處理理論
訊息處理理論
訊息處理理論對本研究之影響
對本研究之影響
對本研究之影響
對本研究之影響
感官收錄是短暫且具選擇性，短期記憶容量是有限的，而長期記憶的知識提取，取 決於訊息被收錄儲存的方式，因此本研究於教學實驗時的每一個訊息呈現，皆保留適當 時間給予學習者注意，避免過多訊息分散注意力，使教學內容的重點能夠進入短期記憶 進一步處理；在教材設計上，訊息呈現時應加強重點提示，利用標示、步驟化教學引導， 幫助學習者選取、組織訊息，促進理解和記憶，讓學習者在面對問題時，較容易從長期 記憶提取相關學習經驗，能在工作記憶區中聯結思考並主動組織，將訊息整合為新知識、 新資訊，促進專業知識的提升。2-3
多媒體學習理論
多媒體學習理論
多媒體學習理論
多媒體學習理論
多媒體(Multimedia)是指 照片、地圖或動態的動畫或影片 則是利用文字及圖像呈現的雙編碼2-3-1
多媒體學習理論的
多媒體學習理論的
多媒體學習理論的
多媒體學習理論的
Mayer(2001)提出多媒體學習理論 學習時，認知系統如何處理訊息提出三個假設 1. 雙通道假設 (Dual-channel assumption) 人類在處理視覺訊息和聽覺訊息時 訊息是透過聽覺感官被接收 過視覺感官被接收，則進入視覺通道處理 圖 圖 圖 圖 9 雙通道假設模型 資料來源 資料來源 資料來源 資料來源：修改自 R. E. Mayer Cambridge University Press.多媒體學習理論
多媒體學習理論
多媒體學習理論
多媒體學習理論
是指用文字(印刷文字或口語文字)及圖像(包含使用靜態的圖表 地圖或動態的動畫或影片…等)共同呈現的材料；多媒體學習(Multimedia learning) 的雙編碼(dual-code)或雙通道(dual-channel)學習多媒體學習理論的
多媒體學習理論的
多媒體學習理論的
多媒體學習理論的基本
基本
基本假設
基本
假設
假設
假設
提出多媒體學習理論(Multimedia learning theory)，針對學習者在多媒體 認知系統如何處理訊息提出三個假設，分述如下：
channel assumption)
人類在處理視覺訊息和聽覺訊息時，是兩個獨立的通道， 訊息是透過聽覺感官被接收，則進入聽覺通道處理，如圖 10。
則進入視覺通道處理，如圖 11。
R. E. Mayer (2009). Multimedia Learning (2nd ed.) (p.61)
包含使用靜態的圖表、 (Multimedia learning) 學習(Mayer, 2009)。 針對學習者在多媒體 ，如圖 9。若呈現的 。若呈現的訊息是透
圖 圖 圖 圖 10 聽覺通道處理過程 資料來源 資料來源 資料來源 資料來源：修改自 R. E. Mayer Cambridge University Press.
圖 圖 圖 圖 11 視覺通道處理過程 資料來源 資料來源 資料來源 資料來源：：：修改自 R. E. Mayer ： Cambridge University Press.
2. 有限容量假設 (Limited 人類在每個感官通道所能同時處理的訊息是有限的 知負荷理論主張相同。 入的訊息，哪些該注意就必須有所抉擇 3. 主動處理假設 (Active 學習者會主動進行認知的處理 致的心智表徵(Mayer, 200 主動處理歷程在工作記憶區中的運作分為三個階段 (1) 選取：將感覺收錄所注意到的訊息經由篩選進入工作記憶中形成文字或 R. E. Mayer (2009). Multimedia Learning (2nd ed.) (p.6
R. E. Mayer (2009). Multimedia Learning (2nd ed.) (p.6
(Limited-capacity assumption) 人類在每個感官通道所能同時處理的訊息是有限的，這與 。因工作記憶容量有限，限制了處理訊息的能力 哪些該注意就必須有所抉擇(Mayer, 2009)。 (Active-processing assumption) 學習者會主動進行認知的處理，將接收到的訊息與既有經驗 (Mayer, 2001)。 主動處理歷程在工作記憶區中的運作分為三個階段，分述如下 將感覺收錄所注意到的訊息經由篩選進入工作記憶中形成文字或 (2nd ed.) (p.64). New York:
(2nd ed.) (p.64). New York:
這與 John Sweller 的認 限制了處理訊息的能力，故對於進
將接收到的訊息與既有經驗、知識整合成一
分述如下：
圖像表徵。 (2) 組織：將進入工作記憶中的文字或圖像表徵進一步處理，建立關連性連 結。 (3) 整合：將組織好的文字或圖像模形所構成的新知識，與長期記憶中既有 的相關知識進行整合，以使訊息產生意義。
2-3-2
多媒體學習理論的認知負荷
多媒體學習理論的認知負荷
多媒體學習理論的認知負荷
多媒體學習理論的認知負荷
Mayer(2009)提出學習的過程中有三種認知處理會使用到學習者可用的認知容量，導 致認知負荷的產生，分述如下：1. 外在的認知處理 (extraneous cognitive processing)
指的是學習過程中與教學目標無關的教學設計所引起的認知處理，相當於認 知負荷中的外在認知負荷。
若外在的認知處理大量耗費學習者可用的認知資源，則學習者就無法進行學 習的認知處理，會反應出較差的記憶及轉移表現。
2. 本體的認知處理 (essential cognitive processing)
選取學習內容的訊息到工作記憶中所產生的認知處理過程，會受到學習內容 本身的複雜度所影響，相當於認知負荷中的內在認知負荷。
若本體的認知處理佔據學習者大部分的認知資源，學習者可能進行的是死背 學習，會反應出較好的記憶表現，但較差的轉移表現。
3. 衍生的認知處理 (generative cognitive processing)
學習者在學習過程中為了能更瞭解教材本身的意義所產生的認知處理過程， 可歸因於學習者的動機，相當於認知負荷中的增生認知負荷。
若學習者能專注在本體及衍生的認知處理，有可能產生有意義的學習，就能 反應出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
多媒體學習理論的教學設計原則
多媒體學習理論的教學設計原則
多媒體學習理論的教學設計原則
由於認知容量有限，為了解決認知處理所導致的問題，Mayer(2009)提出了十二項多 媒體教材設計原則，來降低外在處理、管理本體處理及增加衍生處理，分述如下： 1. 五個降低外在處理的設計原則 (1) 連貫原則 (Coherence principle) 多餘的素材會分散注意力，對學習沒幫助，因此與教學主題無關的 文字、圖像、聲音等素材要排除，使學習得以連貫，學習效果較好。 (2) 信號原則 (Signaling principle) 在教材中適度加入一些信號來強調內容組織與重點提示，以引導學 習者的注意力在重要內容上。常用的信號方式包含大綱、標題、粗體、 底線、放大、顏色、淡化、閃爍、箭頭…等。 (3) 重複原則 (Redundancy principle) 與時機、對象有關。「圖像＋旁白」同時展演的效果優於「圖像＋旁 白＋字幕」同時展演的效果。圖像與字幕皆是經由視覺通道，同時使用 會造成通道負荷過量，使學習者無法兼顧兩種訊息，因而影響學習。 但在某些情況下增加字幕可以促進學習，如：沒有圖像、有充足的 時間、旁白為非母語或文字內容過於專業、艱深。(4) 空間接近原則 (Spatial contiguity principle)
相對應的圖像與文字，位置應儘量接近，較容易建立訊息之間的關 連；相關訊息要在同一畫面呈現；新進訊息不要遮蓋住原來訊息；若訊 息分散在不同的區塊，要用連接線指示對應部份以建立關聯。
(5) 時間接近原則 (Temporal contiguity principle)
相關的圖像與文字，同時呈現的學習效果會優於接續呈現的學習效 果。若圖片與講述是先後接續呈現，為維持前面內容和後續內容進行整 合，工作記憶負擔加重，則可用於學習的認知資源可能會不足。
2. 三個管理本體處理的設計原則 (1) 分割原則 (Segmenting principle) 將教材內容分割成數個循序展演的小單位，且允許學習者掌控展演 的速度。以學習者的學習步調呈現分割訊息的學習效果會優於呈現連續 訊息的學習效果。 (2) 事先訓練原則 (Pre-training principle) 當教材內容的複雜度或難度較高時，若能讓學習者事先知道教材主 要概念的名稱和特徵，學習效果較佳。 (3) 形式原則 (Modality principle) 當教材內容同時包含圖像與文字時，文字訊息以「口語講解」呈現 的學習方式會比「字幕」呈現的學習方式更好。視覺通道同時處理圖像 及文字訊息會負荷過多，若能利用口語講解，則圖像通過視覺通道、文 字通過聽覺通道，將有更多的認知資源可用於學習，因此雙通道形式呈 現的學習效果會比單一通道形式呈現的學習效果好。 3. 四個增加衍生處理的設計原則 (1) 多媒體原則 (Multimedia principle) 圖像與文字並用的學習效果優於只有文字的學習效果，較能幫助學 習者在工作記憶同時建立兩個表徵之間的連結，對於新手學習者特別重 要，而對於專家學習者幫助可能不大。 (2) 個人化原則 (Personalization principle) 採用「口語」方式的用語會比「形式」方式的用語有更好的學習效 果。對話自然溫和最好，多使用第一人稱、第二人稱，不要只用第三人 稱；另外，教學者應多使用直接感受的句子，營造談話的感覺，較能提 高學習者的學習意願。 (3) 聲音原則 (Voice principle) 多媒體教材若有口語旁白播放，採用真人聲音呈現的學習效果優於
使用機器聲音呈現的學習效果。 (4) 圖像原則 (Image principle) 在教學內容中呈現教學者的圖像，學習者的學習效果未必會提高。 可能會增加學習者外在的認知處理，使學習者因注意教學者的圖像而忽 略了教材內容。
2-3-4
多媒體學習理論對本研究之影響
多媒體學習理論對本研究之影響
多媒體學習理論對本研究之影響
多媒體學習理論對本研究之影響
一個有意義的學習，應該要讓學習者能在教學過程中，正確選取教學內容中的重點 訊息，並能將所接收到的文字或圖像訊息連結組織，並與舊有知識、經驗整合成新概念； 而運用多媒體教學時，教學設計必須留意是否符合學生的心智活動，才能有效傳遞訊息。 多媒體教學設計必須從學習者的角度考量訊息呈現的適切性，善用多媒體教材設計 原則以降低外在的認知處理、管理本體的認知處理及增加衍生的認知處理，讓學習者能 在工作記憶容量的限制下有效處理訊息，獲得好的學習成效。 本研究實驗教材設計上，力求簡潔扼要並去除與教學內容無關的素材，符合連貫原 則；運用信號突顯主要訊息以引導學生看出圖形間的關係，符合信號原則；圖形上的相 關訊息與對應的元素接近，以減少視覺搜尋，降低不必要的認知資源，符合空間接近原 則；講解教材時，口語與訊息、圖像之呈現時間接近，使口語及圖像相互配合、容易連 結，符合時間接近原則；教材展演採分割原則、事先訓練原則；以口語呈現敘述性文字， 符合形式原則與聲音原則；課堂引導、提問採用自然的口語對話，符合個人化原則。2-4
認知負荷理論
認知負荷理論
認知負荷理論
認知負荷理論
Sweller、van Merrienboer 與 Paas(1998)將「認知負荷」定義為將一特定工作任務加 諸於學習的認知系統時所產生的負荷，也就是工作記憶的負荷。Sweller(1998)認為學習困 難是因學習者必須使用大量的工作記憶去處理問題，導致沒有多餘的能力從事學習與獲 得基模。
2-4-1
認知負荷基本假
認知負荷基本假
認知負荷基本假
認知負荷基本假設
設
設
設
認知負荷對個體的認知結構有四個基本假設： 1. 工作記憶容量有限 人的工作記憶容量有限，而且在同一個時間只能處理有限的元素。雖然元素 的數量有限制，但元素的大小、複雜性、精密度是沒有限制的(Sweller et al. , 1998)。 此外，訊息在工作記憶區所停留的時間極為短暫，大約 20 秒就會遺忘。而工作記 憶的容量和時間限制只適用於新訊息的獲得，長期記憶中提取的訊息不受此限 制。 2. 長期記憶容量無限 工作記憶中的訊息經過處理後會進入長期記憶(Sweller et al. , 1998)。長期記 憶區的儲存量是無限且永久的；長期記憶區不只能儲存，還有溝通與其他功能。 面對問題時，專家與新手之差別，就在於專家在長期記憶中存有大量的問題 狀態知識與對應解決策略可以從中提取，而新手需在工作記憶中處理問題並尋找 解答，耗費較多的工作記憶容量。 3. 知識與技能以基模(schema)型態儲存於長期記憶 學習到的知識與技能會在工作記憶中處理，以基模的型態儲存在長期記憶中 (Sweller et al. , 1998)。基模在長期記憶中具有組織與儲存訊息的功能，藉由工作 記憶的運作，能將訊息整合成一個單一的高階基模處理單位，使工作記憶釋放出 更多空間，進而降低工作記憶的負荷。4. 基模運作自動化(schema automation)是基模建構的重要過程 人類處理訊息的方式有控制和自動化兩種。控制處理受意識掌管，在工作記 憶中進行，佔據較多工作記憶容量；而自動化處理不太需要意識監控，耗費較少 工作記憶容量。許多知識與技能開始時都是經由意識控制處理，透過反覆練習之 後才轉換成自動化處理。基模運作自動化不但能儲存訊息到長期記憶還能降低工 作記憶的負荷(Sweller et al. , 1998)。
2-4-2
認知負荷類型
認知負荷類型
認知負荷類型
認知負荷類型
Sweller、Ayres 與 Kalyuga(2011)依據教學訊息在工作記憶中的處理，將認知負荷分 為：1. 內在認知負荷 (Intrinsic cognitive load)
內在認知負荷和教材困難度、學習者的先備知識及專業程度有關(Sweller et al. , 2011)。具高度元素交互作用的教材，對先備知識不足或新手而言，需在工作 記憶中處理大量元素，產生的內在認知負荷較高；而先備知識或專業程度較高者 因擁有自動化的高階基模，在工作記憶中可能只是單一元素的處理，耗費較少的 工作記憶容量，產生的內在認知負荷較低(van Merriënboer & Sweller, 2005)。
Kalyuga(2009)認為若內在認知負荷超出工作記憶容量，就必須適當的管理， 例如：在工作記憶的限度下，將教學目標切割成數個必要的教學子目標，也就是 將教材分割成較小的區塊，讓學習者逐步的處理。而用於處理對學習有意義或適 當的內在認知負荷的認知資源稱為增生資源(germane resources)。
2. 外在認知負荷 (Extraneous cognitive load)
外在認知負荷與教材呈現的方式有關(Sweller et al. , 2011)。呈現教材訊息時， 會增加學習者的認知負荷，許多時候，教材設計與學習目標無關且增加了外在認 知負荷。
藉由較佳的訊息呈現和教材設計，可以降低外在認知負荷。而用於處理對學 習無意義或無關的外在認知負荷的認知資源稱為外在資源(extraneous resources)。
工作記憶資源可以分為處理內在認知負荷的增生資源和處理外在認知負荷的外在資 源，這樣的劃分已經成為認知負荷理論發展的基礎。 教學訊息的認知負荷總量由內在認知負荷與外在認知負荷加總。若內在認知負荷高， 則外在認知負荷必須降低，學習者可以投入大部份的工作記憶資源去處理教材內容，則 增生資源就高，增加有效學習；若外在認知負荷增加，學習者耗費工作記憶資源去處理 教學設計所增加的外在元素，則外在資源增加而增生資源減少，會降低有效學習，甚至 是沒有學習。當內在認知負荷低，而外在認知負荷高是因設計不佳的教材衍生的外在資 源耗費工作記憶資源，若認知負荷總量仍在工作記憶容量的限制內，也許不會干擾學習。 認知負荷理論的主要目標是教學設計應減少工作記憶資源耗費在與學習無關的外在 認知負荷，盡量把工作記憶資源用在處理與學習有關的內在認知負荷。對於外在認知負 荷可以透過教學程序的改變而降低，對於內在認知負荷則是要適當管理，並非總是降低， 但認知負荷總量不能超過工作記憶的限制。
2-4-3
認知負荷效應
認知負荷效應
認知負荷效應
認知負荷效應
基於認知負荷理論所提出的教學設計，多數是為了降低外在認知負荷，僅少數是改 變內在認知負荷，以促進學習或解決問題，藉隨機對照實驗所產生的認知負荷效應 (Sweller et al. , 2011)，分述如下： 1. 開放目標效應 (goal-free effect) 當有明確目標的問題轉換成沒有明確目標的問題引導，引發較好的學習表現 時，即產生開放目標效應。例如，常見的數學問題中，有明確目標的問題陳述是 「算出∠ABC 的角度」，而沒有明確目標的問題陳述則是改成「算出所有能計算 的角度」，這種開放目標的問題敘述仍可以讓學生算出目標角度「∠ABC」。 明確目標導向的解題方式有時會侷限想法，讓學習者容易忽略掉已知或未知 條件的關聯性，因而無法獲得問題解決時的整體知識。使用開放目標的問題解決 能降低外在認知負荷，不受目標限制的思考，促進規則歸納與基模建構，對於步 驟有限的題目是有效的。2. 工作示例效應 (worked example effect) 對於新手學習者，提供工作示例協助理解問題與解題，引發較好的學習表現 時，即產生工作示例效應。 工作示例提供問題的逐步解題示範，將工作示例設計者長期記憶中的問題解 決基模有效地提供給學習者，協助理解問題並加速基模自動化建構，降低外在認 知負荷。 研究工作示例效應時也發現了以下效應：完成問題效應、分散注意力效應、 形式效應、冗餘效應、專業知識反轉效應、引導漸減效應、變化效應。
3. 完成問題效應 (problem completion effect)
確認學習者在工作示例的思考及關鍵訊息的投注，就是完成問題效應。完成 問題是部份的工作示例，保留其中某些關鍵的解題步驟讓學習者完成。完成問題 效應能降低外在認知負荷，促進基模建構並引發較好的學習轉化。 4. 分散注意力效應 (split-attention effect) 當不同來源的訊息呈現是分散在不同位置或時間，學習者需要耗費額外的工 作記憶資源在來回搜尋、比對以整合訊息，以致於增加了外在認知負荷，即產生 分散注意力效應。 將訊息以整合的方式呈現，減少不必要的搜尋與比對，可以減低工作記憶的 耗費，降低外在認知負荷，去除分散注意力效應。 5. 形式效應 (modality effect) 當訊息以圖像搭配口語解說之形式呈現引發的學習成效優於以圖像搭配文字 解說之形式呈現時，即產生形式效應。 圖像與文字解說皆屬於視覺通道，而圖像與口語解說分別依靠視覺與聽覺通 道，不會有通道阻塞和資源不足的問題。採用雙通道處理訊息，可以擴展工作記 憶資源，分擔訊息處理的負荷量，而訊息呈現採用雙通道形式會比單通道形式更 有 效 率 。 此 效 應 也 是 Mayer(2009) 多 媒 體 學 習 理 論 中 的 形 式 原 則 (Modality principle)。
6. 冗餘效應 (redundancy effect) 若用圖像、文字和口語解說傳達相同訊息，相較於僅用一種形式解說訊息， 反而引發較差的學習成效時，則產生冗餘效應。 訊息若以單一形式呈現即可理解，不需要心智整合，則其他形式的呈現就應 該要移除，以免學習者將注意力集中在多餘訊息上，增加外在認知負荷。例如， 當圖像與文字分別都能解釋訊息時，二者若同時呈現，反而使學習者耗費心力去 建立關聯，非但沒有加強學習成效，反而造成認知負荷。
7. 專業知識反轉效應 (expertise reversal effect)
當訊息設計的呈現方式對新手學習者有效，卻對專家學習者失去效力甚至有 負面的效果時，則產生專業知識反轉效應。 專業知識反轉效應與學習者的知識程度有關。由於新手學習者缺乏相關的知 識，有益於新手學習者的訊息呈現可能對專家學習者是多餘的，反而耗費不必要 的認知資源去處理訊息且無益於學習。每個人的學習情況不同，教材必須適性化 設計，以符合學習者不斷改變的專業知識程度。 此外，要特別注意的是，元素交互性高的學習材料才會產生形式效應，但元 素交互性如果過高則雙通道優勢就不會產生；聽覺訊息必須有所限制，太冗長的 聽覺訊息會因工作記憶的限制而無法維持與處理，此時以視覺形式呈現複雜的文 字訊息可能更適當；若圖像很複雜，需要配合提示或信號以加速與聽覺訊息相關 之視覺訊息的搜尋；若聽覺訊息只是重述圖像內容，則產生冗餘效應；對於專家 學習者，形式效應可能被抵消或反轉，造成專業知識反轉效應。 是否產生專業知識反轉效應，可以透過學習效率(Instructional efficiency)與學 習投入分數(Instructional involvement score)來觀察。Paas 與 van Merriënboer (1993) 認為考量學習過程的認知負荷是重要的，因此提出視覺化的學習效率公式及效率 圖(Efficiency graph)，作為評估學習效率的方法。學習效率(E)之計算公式(1)如下： 2 c p Z Z E − = (1)
（ σ X X Z = − ； 以 Zc 為橫軸坐標 化圖像如圖 12 所示。 圖 圖 圖 圖 12 學習效率圖 資料來源 資料來源 資料來源 資料來源：：：修改自 Paas, F. G.：
Cognitive load measurement as a means to advance cognitive load theory.
psychologist, 38(1), p.68. 圖像所代表的意義 低，坐標點落在左上 A 直線上：代表學習者的學習成就表現與認知負荷量平衡一致 程式 E = 0 上，即 Zp 高，坐標點落在右下 efficiency)。 對於高學習成就學生 增加而降低其學習效率 Paas、Tuovinen、 ； Zp = 學習成就表現 Z 分數 ； Zc = 認知負荷 為橫軸坐標，Zp 為縱軸坐標，將點標示於坐標平面上 。
G., Tuovinen, J. E., Tabbers, H., & Gerven Cognitive load measurement as a means to advance cognitive load theory.
圖像所代表的意義為：A 區域，代表學習者的學習成就表現高而認知負荷量 A 區域，即 Zp > Zc，為高學習效率(high-instructional efficiency) 代表學習者的學習成就表現與認知負荷量平衡一致， = Zc。B 區域：代表學習者的學習成就表現低而認知負荷量 坐標點落在右下 B 區域，即 Zp < Zc，為低學習效率 對於高學習成就學生而言，若發生專業知識反轉效應，則會因外在認知負荷 增加而降低其學習效率。因此學習效率可用來觀察是否產生專業知識反轉效應
、van Merriënboer 與 Darabi (2005)指出「動機
認知負荷 Z 分數）
將點標示於坐標平面上， 學習效率視覺
Gerven, P. W. M. (2003). Cognitive load measurement as a means to advance cognitive load theory. ,Educational
代表學習者的學習成就表現高而認知負荷量 instructional efficiency)。 ，坐標點落在直線方 代表學習者的學習成就表現低而認知負荷量 為低學習效率(low-instructional 則會因外在認知負荷 觀察是否產生專業知識反轉效應。 動機」能被視為學習
是否成功的一個特點。 多，表現也較好。為了成功處理學習的任務 付出的心力。 Paas(2005)提出學習投入分數的計算 關的假設，也就是當學習者投入越多 投入分數(I)之計算公式 （ σ X X Z = − ； 圖形之繪製方式同學習效率 入情形，學習投入分數之視覺化圖像如 圖 圖 圖 圖 13 學習投入分數圖 資料來源 資料來源 資料來源
資料來源：：：：修改自 Paas, F. G., Tuovinen, J. E., van Merriënboer, J. J. G., &
(2005). A motivational perspective on the relation between mental effort and performance optimizing learner involvement in instruction.
Development,53(3), p.29. 圖像所代表的意義 。學習者動機強、願意投入學習時，相對的付出的心力也較 為了成功處理學習的任務，從舊有經驗中取出的基模決定所要 提出學習投入分數的計算，這是基於動機、心智努力和表現是正相 也就是當學習者投入越多、心智努力付出越多，表現自然越好 之計算公式(2)如下： 2 c p Z Z I + = (2) ； Zp = 學習成就表現 Z 分數 ； Zc = 認知負荷 圖形之繪製方式同學習效率，以直線 I = 0 做分界，以此瞭解學生學習時之投 學習投入分數之視覺化圖像如圖 13 所示。
, Tuovinen, J. E., van Merriënboer, J. J. G., &
motivational perspective on the relation between mental effort and performance ptimizing learner involvement in instruction. Educational Technology Research and
圖像所代表的意義：C 區域，代表學習者的學習成就表現與認知負荷量的和 相對的付出的心力也較 從舊有經驗中取出的基模決定所要 心智努力和表現是正相 表現自然越好。學習 認知負荷 Z 分數） 以此瞭解學生學習時之投
, Tuovinen, J. E., van Merriënboer, J. J. G., & Aubteen Darabi, A. motivational perspective on the relation between mental effort and performance
Educational Technology Research and
偏高，坐標點落在右上 involvement)。直線上 點落在直線方程式 I = 0 與認知負荷量的和偏低 (low-instructional involvement) 對於高學習成就學生 增加而降低其學習投入情形 反轉效應。 由於學習效率與學習投入分數之圖形繪製方式相同 直線 E = 0 為橫軸，直線 所示，即可同時觀察研究對象之 教學單元的學習狀況， 圖 圖 圖 圖 14 綜合學習效率與學習投入分數圖 圖像所代表的意義 區塊 II 為低效率低投入 入；右側區塊 IV 為低效率高投入 坐標點落在右上 C 區域，即 Zp + Zc > 0，為高學習投入 直線上，代表學習者的學習成就表現與認知負荷量的和為零 = 0 上，即 Zp + Zc = 0。D 區域，代表學習者的學習成就表現 與認知負荷量的和偏低，坐標點落在左下 D 區域，即 Zp + Zc < 0 instructional involvement)。 對於高學習成就學生而言，若發生專業知識反轉效應，則會因外在認知負荷 投入情形。因此學習投入分數也可用來觀察是否 學習效率與學習投入分數之圖形繪製方式相同，若將兩個 直線 I = 0 為縱軸，可見兩直線將平面分隔成四個區 即可同時觀察研究對象之學習效率與學習投入分數，藉此 ，以及觀察高學習成就學生是否產生專業知識反轉效應 綜合學習效率與學習投入分數圖 圖像所代表的意義：區塊 I 為高效率高投入，為學習時最理想的狀況 為低效率低投入，為學習時最不理想的狀況；左側區塊 為低效率高投入(Kalyuga, 2009)。 為高學習投入(high-instructional 與認知負荷量的和為零，坐標 代表學習者的學習成就表現 < 0，為低學習投入 則會因外在認知負荷 投入分數也可用來觀察是否產生專業知識 若將兩個圖形重疊，以 兩直線將平面分隔成四個區域，如圖 14 藉此了解研究對象於 高學習成就學生是否產生專業知識反轉效應。 為學習時最理想的狀況；下方 左側區塊 III 為高效率低投
8. 引導漸減效應 (guidance fading effect) 隨著學習者專業知識的提昇，對新手學習者有用的訊息設計可能會失效，甚 至產生多餘的外在認知負荷，因而需逐步減少問題解決的引導，使學習者自行處 理問題要求，則產生引導漸減效應。 給予學習者的教材呈現應是工作示例(worked example)、完成問題(completion problems)、完整的問題(full problems)，當學習者已學會，就不需慢慢的引導。 9. 想像效應 (imagination effect） 當學習者被要求想像一個程序或概念的學習成效優於直接學習程序或概念的 學習成效時，即產生想像效應。 「想像」被定義為對一個程序或概念的心智複製。學習者在想像時，相關知 識的基模會提取至工作記憶中處理與學習有關的交互元素，而不是處理與學習無 關的外在元素，這會促使基模自動化，提升增生資源，加強學習效果。 想像效應是學習者必須具備相關知識的基模，方能處理程序或概念的交互作 用元素，若學習者不具備相關知識的基模，就沒有足夠的認知資源從事想像，則 想像效應就無法產生。 10. 自我解釋效應 (self-explanation effect) 要求學習者去解釋一個新的程序或概念，這種引導使學習者運用認知資源去 處理相關的交互作用元素，與相關知識的基模建立關連，而引發較好的學習成效 時，則產生自我解釋效應。 「自我解釋」被定義為在學習工作示例時，可幫助學習者理解示例並從中建 立基模的心智對話(Clark, Nguyen & Sweller, 2006)。自我解釋效應與想像效應非常 有關且能有效協助心智處理，兩者皆不是因教材設計的改變，而是鼓勵學習者運 用認知資源去進行適當的心智處理，取代直接引導，因此學習者必須具備相關知 識的基模，對於先備知識較高的學習者可能較有助益，而先備知識不足的學習者 可能無法進行自我解釋。
