激發式動態教學對三角形外心的學習成效之研究

國

立

交

通

大

學

理學院網路學習學程

碩

士

論

文

激發式動態教學對三角形外心的學習成效之研究

The Effects of Using Trigger-based Animation on

Learning the Circumcenter of A Triangle.

研 究 生：黃建欽

指導教授：陳明璋 教授

激發式動態教學對三角形外心的學習成效之研究

學生：黃建欽

指導教授：陳明璋 博士

國立交通大學理學院網路學習碩士在職專班

中文摘要

激發式動態呈現是運用一個物件當激發器（trigger）控制一連串訊息的出現、突顯… 等動作，且任一個訊息都能被不同的激發器控制。所以演示者便可彈性的安排物件呈現 的方式或順序，讓聽眾自動地將注意力集中在重要的訊息上。而激發式動態教學，則是 一種結合認知心理學、認知負荷理論、多媒體學習理論所發展出來的一種以激發式動態 呈現為工具的教學內容設計方法及展演環境，讓演示者輕鬆地與學習者互動。 洪榮忠（2008）發現激發式動態呈現有助於數學學習成就較低的學生在數學上的學 習，吳帝瑩（2008）從排列組合的問題中發現使用激發式動態呈現不管對學習成就低或 高的學生，在記憶及轉化測驗上都有較佳的表現。本研究則是希望以量化及質化的方式 探討使用激發式動態教學，是否能幫助學生學習幾何、降低認知負荷並檢視學生的學習 感受。 結果發現，認知負荷量與記憶、轉化測驗都有顯著的相關。接受激發式動態教學的 學生，在學習成效上包含記憶、轉化測驗都有較佳的表現，且能降低其認知負荷。 關鍵詞：激發式動態教學、認知負荷、多媒體學習、幾何學習、三角形外心

The Effects of Using Trigger-based Animation on

Learning the Circumcenter of A Triangle.

Student：Chien-Chin

Huang

Advisor：Dr. Ming-Jang Chen

Degree Program of E-Learning

National Chiao Tung University

Abstract

Trigger-based animation applies an object as a trigger which controls continuous messages to show up, highlighted, etc, and any message can be controlled by different triggers. Therefore, it will make listeners concentrate on important messages naturally if an expresser arranges objects shown in the ways or orders that he or she desires. The trigger-based animation Instruction was developed from cognitive psychology, cognitive load theory and multimedia learning. It uses the trigger-based animation as a tool to design the instruction and expression environment so it can make the expresser interact with the listeners easily.

Rong-Zhong Hong (2008) discovered that Trigger-based animation could improved those students who were in lower educational achievement of math, and Ti-Ying Wu (2008) found from the combinatorial problem that the Trigger-based animation made the students who were in both lower and higher educational achievement of math have better performance. This study tried to use the methods of quantitative and qualitative to research if the trigger-based animation could help the students to improve learning geometry, and reduce cognitive load or inspect their learning feeling.

The research found that Cognitive load is closely related to memory and transform test.Those students who accepted the trigger-based animation instruction had better performance in learning effects including memory and transform test, and reduced cognitive load effectively as well.

誌謝

陳之藩先生曾說過一句話：「因為需要感謝的人太多了，就感謝天吧！」這就是我 現在的心境。回想二年前，那時擔任教職差不多四年的時間，正是對教學已經上手，以 及如何與學生、家長相處有自己的一套方法的時候。但我卻開始對教師的工作有了麻痺 的感覺，失去了初任教師時的熱情與新鮮感。於是，在父母的「刺激」下，我決定參加 交通大學理學院在職專班的考試，企圖在學習以及研究的路上，重拾對教職的熱情。謝 謝父母將這個機會帶給了我，並始終在一旁鼓勵我，給我最大的加油及打氣。 很幸運的，我並沒有辜負大家期望而順利地考上。沒想到接下來卻是出忽我意料之 外的大量作業，壓著我在工作之餘必須全力的準備這些大大小小作業，而冷落了我新婚 的妻子，在此謝謝她的體諒及辛苦，以前的人常說；「成功的男人背後，一定有個偉大 的女人。」如今這句話，我是百分之百的認同，也希望未來，我也能當她的「偉大的男 人」。接著，終於到了選研究題目及找指導教授的時候。我想，老天真的很照顧我，因 為他把陳明璋老師送來當我們的班導，指導我們的論文研討，讓我有機會接觸到老師的 團隊及激發式動態呈現，而一頭栽了下去。隨即而來的就是與同儕之間的討論及互相切 磋，在研究室中與許晏斌、謝東育及李鈴茹這些伙伴及老師的讀書會中，雖然有著壓力， 但我真的很快樂地投入這個讀書會，分享我們所閱讀的文章及交換心得。之後，他們更 提供我非常多的點子，及協助我完成教材設計及試題編撰。非常感謝他們給我的幫助， 拓展了我的視野，祝福他們未來不管是在研究的道路還是人生的道路都能順順利利，平 步青雲。 當然，作為一個在職的研究生，就必須兼顧研究及工作，勢必無法將所有的事情都 做到完美。感謝我的校長、同事對我的體貼，容忍我在工作上的不完美，讓我在工作之 餘完成了我的論文，你們一直是我學習的對象及努力的動力，謝謝你們。也感謝我最可 愛的學生，雖然你們總在身旁嘰嘰喳喳，增加我的困擾，但你們也會相當貼心地寫一張 小卡，請我繼續加油努力，甚至乖乖當我的研究對象而分文未取，那種感覺實在相當奇 妙啊！ 兩年的時間，很快就過去了，終於到了要繳出成績單的時刻，我還是想再次對陳明 璋老師說出我的感謝。老師從不以嚴格的口吻訓誡我們，或是牽著我們的鼻子前進；取 而代之的是自己不斷地精進，以身教做出最好的示範，及給予我們一條非常寛大的路， 任我們自由發揮。雖然因此我們走了許多路，碰了很多壁，甚至繞了一圈回到原點，但 這些都是相當寶貴的經驗，實力的累積，我相信這一定能成為我的能量，而最後發光發 熱的，謝謝您，明璋老師。

目錄

中文摘要 ... i Abstract... ii 誌謝 ... iii 目錄 ... iv 表目錄 ... vi 一、緒論 ... 1 1.1 研究背景 ... 1 1.1.1 多媒體學習理論 ... 1 1.1.2 數學簡報系統的應用 ... 2 1.2 研究目的與問題 ... 2 1.3 研究範圍與限制 ... 3 1.3.1 研究範圍 ... 3 1.3.2 研究限制 ... 3 二、文獻探討 ... 5 2.1 注意力 ... 5 2.1.1 注意力的基本概念 ... 5 2.1.2 注意力的選擇及分散 ... 5 2.2 認知負荷理論 ... 7 2.2.1 認知負荷的基本假定 ... 7 2.2.2 認知負荷的來源 ... 9 2.2.3 降低負荷的教材設計原則 ... 10 2.2.4 認知負荷的測量 ... 13 2.3 多媒體學習理論 ... 14 2.3.1 多媒體學習理論的三大假設 ... 14 2.3.2 多媒體學習理論的教材設計原則 ... 15 2.4 AMA 與適性指標 ... 20

2.4.1 結構式複製繪圖法（Structural Cloning Method, SCM） ... 20

2.4.2 激發式動態呈現（Trigger-based Animation, TA） ... 21

2.4.3 激發式動態教學（Trigger-based Animated Instruction, TAI） ... 22

2.4.4 適性指標（Adaptive Pointer） ... 23 2.5 幾何學習 ... 29 2.5.1 幾何思考發展層次 ... 30 2.5.2 幾何圖形的認知理解 ... 31 2.5.2 三角形外心的學習內容 ... 33 三、研究方法 ... 37 3.1 研究流程及架構 ... 37

3.2 研究設計 ... 38 3.2.1 研究法的選擇 ... 38 3.2.2 研究變項與假設 ... 39 3.2.3 實驗流程 ... 40 3.3 研究對象 ... 40 3.4 研究工具 ... 41 3.4.1 教材設計 ... 41 3.4.2 測驗設計 ... 63 3.4.3 認知負荷量表設計 ... 68 3.4.4 學習感受問卷設計 ... 68 3.4.5 訪談設計 ... 71 3.5 資料分析方法 ... 72 四、研究結果與討論 ... 74 4.1 量化資料分析 ... 74 4.1.1 記憶測驗的結果及分析 ... 74 4.1.2 轉化測驗的結果及分析 ... 75 4.1.3 認知負荷測驗的結果及分析 ... 76 4.1.4 認知負荷測驗與記憶測驗的相關性分析 ... 76 4.1.5 認知負荷測驗與轉化測驗的相關性分析 ... 77 4.2 質化資料分析 ... 77 4.2.1 學習感受問卷的結果與分析 ... 77 4.2.2 訪談的結果與分析 ... 85 五、結論與建議 ... 92 5.1 結論 ... 92 5.2 建議及未來研究方向 ... 93 5.2.1 建議 ... 93 5.2.2 未來研究方向 ... 94 參考文獻 ... 96 附件一 「三角形外心」單元之記憶測驗 ... 100 附件二 「三角形外心」單元之轉化測驗前測 ... 103 附件三 「三角形外心」單元之轉化測驗後測 ... 105 附件四 「三角形外心」單元之學習成就及認知負荷問卷 ... 107 附件五 「三角形外心」單元之訪談問題 ... 109 附件六 實驗組（激發式動態呈現）的教材內容 ... 110

表目錄

表 2- 1 適性指標之形狀特徵（FORM）編碼及應用 ... 23 表 2- 2 適性指標之顏色特徵（COLOR）編碼及應用 ... 24 表 2- 3 適性指標之深度特徵（DEPTH）編碼及應用 ... 26 表 2- 4 適性指標之運動特徵（MOTION）編碼及應用 ... 26 表 2- 5 九年一貫課程網要「三角形外心」能力指標對照表 ... 34 表 2- 6 「三角形外心」教學內容、目標及先備知識對照表 ... 34 表 3- 1 實驗流程與時間分配表 ... 40 表 3- 2 實驗組及對照組的段考平均及標準差摘要表 ... 41 表 3- 3 實驗組及對照組的段考平均 t 檢定摘要表 ... 41 表 3- 4 教學目標與投影片的對照關係表 ... 43 表 3- 5 教學投影片的共同適性指標設計表 ... 43 表 3- 6 教學投影片的個別適性指標原則表 ... 44 表 3- 7 適性指標特徵分類編碼與自訂動畫對照表 ... 45 表 3- 8 第二張教學投影片的製作分析與修改表 ... 45 表 3- 9 第三張教學投影片的製作分析與修改表 ... 48 表 3- 10 第四張教學投影片的製作分析與修改表 ... 50 表 3- 11 第五張教學投影片的製作分析與修改表 ... 51 表 3- 12 第六張教學投影片的製作分析與修改表 ... 53 表 3- 13 第七張教學投影片的製作分析與修改表 ... 54 表 3- 14 第八張教學投影片的製作分析與修改表 ... 56 表 3- 15 第九張教學投影片的製作分析與修改表 ... 57 表 3- 16 第十張教學投影片的製作分析與修改表 ... 59 表 3- 17 第十一張教學投影片的製作分析與修改表 ... 60 表 3- 18 第十二張教學投影片的製作分析與修改表 ... 61 表 3- 19 第十三張教學投影片的製作分析與修改表 ... 62 表 3- 20 第十四張教學投影片的製作分析與修改表 ... 62 表 3- 21 轉化測驗試題與教學目標分析表 ... 66 表 3- 22 轉化測驗前測試題與教學目標分析表 ... 67 表 4- 1 實驗組與對照組在各種測驗的敍述統計摘要表 ... 74 表 4- 2 記憶測驗的獨立樣本 t 檢定分析摘要表 ... 75 表 4- 3 轉化測驗後測的獨立樣本 t 檢定分析摘要表 ... 75 表 4- 4 實驗組與對照組的前測與後測之成對樣本 t 檢定分析摘要表錯誤! 尚未定義書 籤。 表 4- 5 轉化測驗後測的獨立樣本 t 檢定分析摘要表 ... 76 表 4- 6 認知負荷測驗與記憶測驗的相關係數分析摘要表 ... 76 表 4- 7 實驗組認知負荷測驗與記憶測驗的相關係數分析摘要表 . 錯誤! 尚未定義書籤。

表 4- 8 對照組認知負荷測驗與記憶測驗的相關係數分析摘要表 . 錯誤! 尚未定義書籤。 表 4- 9 認知負荷測驗與轉化測驗的相關係數分析摘要表 ... 77 表 4- 10 實驗組認知負荷測驗與轉化測驗的相關係數分析摘要表錯誤! 尚未定義書籤。 表 4- 11 對照組認知負荷測驗與轉化測驗的相關係數分析摘要表 錯誤! 尚未定義書籤。 表 4- 12 學習感受問卷第 1 題的作答結果 ... 78 表 4- 13 學習感受問卷第 2 題的作答結果 ... 78 表 4- 14 學習感受問卷第 3 題的作答結果 ... 79 表 4- 15 學習感受問卷第 4 題的作答結果 ... 79 表 4- 16 學習感受問卷第 5 題的作答結果 ... 80 表 4- 17 學習感受問卷第 6 題的作答結果 ... 80 表 4- 18 學習感受問卷第 7 題的作答結果 ... 81 表 4- 19 學習感受問卷第 8 題的作答結果 ... 81 表 4- 20 學習感受問卷第 9 題的作答結果 ... 82 表 4- 21 學習感受問卷第 10 題的作答結果 ... 82 表 4- 22 學習感受問卷第 11 題的作答結果 ... 83 表 4- 23 學習感受問卷第 12 題的作答結果 ... 83 表 4- 24 學習感受問卷第 14 題的作答結果 ... 84 表 4- 25 學習感受問卷第 15 題的作答結果 ... 85

圖目錄

圖 2- 1 多媒體學習理論雙通道模型 ... 14 圖 2- 2 Duval 的幾何學習認知歷程圖 ... 33 圖 3- 1 研究流程圖 ... 37 圖 3- 2 研究架構圖 ... 38 圖 3- 3 記憶測驗第一題關鍵內容及解答（實驗組） ... 63 圖 3- 4 記憶測驗第一題關鍵內容及解答（對照組） ... 63 圖 3- 5 記憶測驗第二題題目及解答 ... 64 圖 3- 6 記憶測驗第三題關鍵內容及解答 ... 64 圖 3- 7 記憶測驗第四題題目及解答 ... 65 圖 3- 8 記憶測驗第五題題目及解答 ... 65 圖 3- 9 記憶測驗第六題關鍵內容及解答 ... 65

一、緒論

本章共包含三節，研究的背景、研究的目的與問題與研究的範圍及限制。

1.1 研究背景

此節以「多媒體學習理論」、「數學簡報系統的應用」二個角度來說明研究的背景。

1.1.1 多媒體學習理論

多媒體（multimedia）即是包含多種媒體（media）的意思。研究者將它定義成是呈 現文字（以視覺或是聽覺的方式呈現文字）及圖像（如動畫、圖片、圖表或影片）的一 種媒介（Mayer, 2005）。在本研究中，我們將背景音樂及音效予以捨棄，雖說它們也屬 於媒體的一種，且適當的加入學習內容中可以製造一個好的學習情境或是提高學習者的 興趣，但它們並不是學習中絕對必要的。為了避免在加入它們的同時反而讓認知容量 （cognitive capacity）超出負荷，所以我們寧願將它去除，以達到較好的學習成效（Mayer, 2003）。 資訊媒體的不斷進化，讓教與學之間產生了很多的變化，增加了更多的可能性。但 操控媒體就像是雙面刃一般，使用得好當然大大加強了教學的效果；相對的，也有可能 因一昧而未加規畫的使用媒體，而造成反效果。因此，多媒體學習理論（multimedia learning）的研究成為近期來相當熱門的主題。再加上認知負荷理論（cognitive load theory） 的相關內涵與其相互輝映，眾多的學者於是試著以實驗的方式整合多媒體及人類的認知 心理，而發展出許多多媒體教材設計的原則（Mautone & Mayer, 2001; Mayer, 2001; Mayer & Moreno, 2003; Sweller, Merrienboer & Pass, 1998）。這些原則的確有助於多媒體教材 的設計，教材設計者也相當依賴這些原則以做為設計教材時的指引。但在找到這些原則 時的實驗場所，並不都是在實際的教學現場中，難道在多了教師的口語及改變了教材的 播放速度或順序之後，這些原則都不會改變嗎？如果會變又是如何變法？身為教師又該 如何應對、使用教學媒體呢？這都是許多研究者迫在眉梢想要知道的答案！ 本研究所要探討的即是上述的眾問題之一：「針對在實際的教學現場中，教師們應 當如何使用教學媒體？」而目前使用率最高的教學媒體，當屬Microsoft 所推出的 Office 系列下的 PowerPoint 簡報軟體了。本研究使用的系統即是一個輔助 PowerPoint 的增益 集「AMA」，藉這兩者的結合，來探討激發式動態呈現的教學成效。

1.1.2 數學簡報系統的應用

雖說透過現代科技，可使用多媒體的教學來幫助學習，但數位落差的問題仍普遍地 存在。除了硬體設備的不足之外，教師的技術訓練也不夠。前者或許無從使力，但或許 能藉由操作簡單、容易自學、隨手可得的軟體給予教師協助。

AMA（Activate Mind Attention）是國立交通大學網路學習專班從 2003 年，由陳明 璋博士開始策畫，與Informath 工作室共同發展的一套以 Microsoft 的 PowerPoint 為平台 的媒體設計與展示增益集﹝原名數學簡報系統（Mathematical Presentation System, MathPS ）﹞。當初即是為了降低數位落差而發展出來的，選擇 PowerPoint 的原因則是 看上它的普及性與適用性，惟其功能對於教學現場來說尚嫌不足，於是才會衍伸出 AMA，以提供教師一個良好的設計教材及展演環境。

AMA 的核心功能為「激發式動態呈現」（Trigger-based Animation, TA），及「結 構式複製繪圖法」（Structural Cloning Method, SCM）。本研究即是致力於將「激發式 動態呈現」（陳明璋, 2008）（詳見 2.4.1 小節）予以發揮，再配合林煜庭（2007）提出 的「適性指標」（adaptive pointer）（詳見 2.4.3 小節），並依循多媒體教材的設計原則、 認知負荷理論，透過實際的教學現場來教學，探討其是否能協助教師吸引學生的注意， 讓學生能自然而然地專注在教師希望其接收的內容上，並降低其認知負荷。

1.2

研究目的與問題

AMA 既原名為數學簡報系統，想當然爾對於數學教材的設計環境下了一番功夫， 單就構圖環境而言，AMA 的幾何繪圖能力及處理複雜物件的能力足以應付我們在教授 幾何時所需繪製的圖形（蘇柏奇, 2006）；而洪榮忠（2008）以激發式動態呈現來教導 二元一次方程式的圖形單元，發現激發式動態呈現有助於數學學習成就較低的學生在數 學上的學習；吳帝瑩（2008）也以激發式動態呈現來教導一個排列組合的問題，發現不 論對學習成就高或低的學生，在記憶及轉化測驗上都有較佳的表現。本研究延續上述研 究者的成果，選擇以不容易在傳統課程教導的「幾何」做為教材，繼續探討以激發式動 態呈現的教學，對學生的學習成效、認知負荷及學習感受的影響。其中學習成效分為記 憶與轉化問題，研究目的如下： 1. 探討以激發式動態呈現教導三角形外心，對學生在記憶、轉化及認知負荷測驗中的

影響。 2. 使用激發式動態呈現的教學方式對學生在學習感受的影響。 3. 探討認知負荷量是否會影響記憶及轉化測驗。 根據以上的研究目的，本研究的研究問題如下： 1. 以激發式動態呈現教導三角形外心，是否會使學生在記憶、轉化及認知負荷測驗的 表現優於靜態呈現的教導方式？ 2. 以激發式動態呈現教導學生，他們的學習感受為何？ 3. 認知負荷量是否與記憶或轉化測驗之間有相關性？

1.3 研究範圍與限制

1.3.1 研究範圍

1. 研究對象： 本研究以新竹縣某國中的二年級兩個班做為研究對象。 2. 研究內容： 本研究是以課堂授課下的激發式動態呈現來教學，課程內容源自三年級課程中的 「三角形的三心」。研究者截取其中「三角形的外心」的部分做為授課教材，使教 材有難度及複雜度，且確定受試者有足夠的先備知識能學習此教材。

1.3.2 研究限制

1. 範圍的限制： 本研究因人力、物力及時間等因素，並未針對研究對象做隨機抽樣，僅以研究者 所任教的學校學生做為研究對象，因此可能使外在效度降低，若要將其推論至其他 地區或對象，可能需小心評估以免過度推論。不過，本研究的研究對象會如此選擇， 也是有其優點及必要性，將在第三章中再加以陳述。 2. 工具的限制： 本研究使用了「學習感受及認知負荷問卷」，是希望探得學生在學習中的心理感

受，以彌補本研究在量的分析中所測不出來的內在感受、學習歷程。但此問卷是根 據「激發式動態教學」的特點來設計，為一初探式的設計，因此，在尚未發展成標 準化的問卷時，信、效度可能不足。 3. 教材發展的限制： 本研究的教材是研究者使用AMA自行發展出來，以符合激發式動態呈現的教材， 希望透過注意力的導引，引導學生的學習。但注意力導引及其分析過程非常繁複， 單純使用理論加以分析或許尚嫌不足，如能同時使用眼球分析甚至腦神經的相關分 析，應能更明確的發展出更好的教材，以徹底験證激發式動態呈現的成效。 4. 授課環境的限制： 本研究採「準實驗研究法」，而無法使用「真實驗研究法」的原因就在於本研 究必須在課堂中進行研究，而在課堂中會影響學習的因素非常多，如教學環境、授 課教師、學習者的學習態度…等，研究者只能盡量減少無關變因，但卻無法保證一 定能避免，因而勢必影響其推論性。

二、文獻探討

本章主要在說明相關的文獻內容，內容包含了注意力的相關理論、認知負荷理論、多 媒體學習理論、激發式動態呈現與適性指標及幾何學習相關理論。

2.1 注意力

本節共分為兩小節，分別說明注意力的基本概念及注意力的選擇、分散，以供我們 在設計教材或引導學習時的參考及依據。

2.1.1 注意力的基本概念

導引學生的注意力，在教學過程當中是非常重要的，若無法導引注意力，則更無法 引導教學。所以了解何謂注意力，如何維持及導引注意力應是一位教師所要掌握的基本 能力。 注意力簡單來說是一種認知所擁有的資源，而這種資源必須是有限的，以免因同時 需處理過多的訊息而無法將訊息做有效的處理。注意力的處理程序在訊息處理理論中分 為兩種，一為快速且自動化的處理，另一為較緩慢且必須接受意識控制的處理，Johnston 等人（1995）用「輸入注意」（input attention）及「控制注意」（controlled attention） 這兩個名詞分別來命名。這兩種處理程序雖然這樣的不同，但對於我們在處理教材上卻 同樣的重要。不過，本研究所使用的激發式動態呈現，較重視「輸入注意」的引導，期 望能在最快的時間內引導學習者的注意力、降低其認知負荷，增加學習的空間，所以於 「控制注意」的部分著力較少。

2.1.2 注意力的選擇及分散

在教學當中若想導引學習者的注意力，應先了解學習者是如何在眾多的訊息中選擇 訊息的。而既然注意力的資源是有限，想必其中應要有個機制能篩選這些待處理的訊 息，或是將注意力的資源做合理、有效的分配。相關的理論及模型有很多，先介紹如下： 1. 選擇性過濾理論： 這個理論認為訊息在訊息傳遞的早期即將部分的訊息阻擋於外，以避免造成不 必要的負擔。其中，Broadbent（1958）的模型認為訊息可經由不同的通道進入，

但它們都會通過一個過濾器，而這個過濾器僅會讓一個通道中的訊息繼續前進，進 行知覺等後續處理，其他的訊息則永遠被過濾掉了。不過，當這個刺激具有較明顯 的特性時（如音調的高低、速度、節奏的不同），這個刺激也能順利的通過過濾器。 之後，Moray（1959）的模型則主張過濾器會濾掉大部分的訊息，只留下較顯著、 較強大的訊息可以通過。 2. 衰減理論： 在Treisman（1964）的模型中，刺激都會進入一個過濾器，這個過濾器會使所 有刺激大幅衰減，若這個刺激在進入過濾器前的強度就很弱，則它就有可能被衰減 到幾乎不會通過下一階段。反之，若這個刺激很強，雖其必定會被減弱，也能順利 通過過濾器。 3. 後期過濾理論：

Deutsch & Deutsch（1963）及 Norman（1968）都主張所有的訊息都經過了感 覺及概念分析之後才進入過濾器中篩減。 4. 注意力資源理論： 上述三種理論的模型都屬於瓶頸理論的模型，即訊息都會通過一個過濾器而留 下部分的訊息，但較新的理論（kahneman, 1973）開始採用注意力的資源分配，這 個理論認為根據作業的不同，會分配到不同多寡的注意力資源。 其實不論是瓶頸理論或是資源理論，都再次說明了注意力的資源是有限的，訊息必 須有所選擇的輸入。因此，如同本節一開始所述，教學必須小心地讓重要的訊息呈現在 學習者的面前，減少不必要的訊息誤入心智中而佔用有限的空間。尤其在多媒體教學的 環璄中，我們擁有相當多的工具能幫忙引導學生的注意力，但工具若掌握得不好，注意 力若引導得不當，反而會造成注意力的分散，降低學習的品質。 當我們必須同時注意兩個或以上的刺激，或是同時從事兩個或以上的作業時，注意 力資源必定會因此而分散，這就是產生了「分散注意力」。而分散注意力通常都會使得 表現下降，無法達到單一刺激時的集中或單一作業時的水準。（Neisser & Becklen, 1945； Spelke, Hirst & Neisser, 1976；Pashler, 1994）所以不管是在何種情況之下，我們都應當 盡量避免分散注意力的發生。在2.2 及 2.3 節中將會提到的認知負荷理論及多媒體學習 理論，也都提到了與分散注意力相關的教材設計原則，再次說明了其重要性。

2.2 認知負荷理論

認知負荷（cognitive load）源於歐美的人體工學（hrgonomics）及人因科學（human factor）…等領域，早期稱為心智工作負荷（mental workload）原本是應用於軍事訓練及其 他企業上，希望藉由減少執行者在工作及任務的心智負荷，以增加執行工作或任務的績 效。直到Sweller 開始探討教學的內容、方法對學習者產生的認知負荷之負面影響，並於 1988 年提出了「認知負荷理論」，學界才開始針對教學內容、教學法對學習者產生的各種 影響聚焦。

Sweller、Van Merrienboer 和 Pass（1998）指出，認知負荷是將一特定工作加於學 習者的認知系統時，所產生的負荷量。如果個體對學習的內容感到越困難，或是在心智 上感覺到越費力時，就會產生越大的認知負荷。認知負荷也與工作記憶中的記憶單位數 有關，若工作記憶中存放了過多的單位，就會造成過度的負荷。 以下針對認知負荷的基本假定、來源、教材設計原則及測量，共四小節分別敍述：

2.2.1 認知負荷的基本假定

認知負荷對個體的認知架構（cognitive architecture）有一些基本的假定規則（Sweller, Van Merrienboer & Pass, 1998），這些假定與認知負荷的產生及大小有關，分述如下：

1. 工作記憶的容量有限： 工作記憶（working memory）是一個負責暫時儲存的系統，能操控部分的資訊 且在感知及動作的控制間形成一個重要的連結（Baddeley, 1998）。不過工作記憶的 容量很有限，且工作記憶的所要做的事並不僅是保有訊息而已，還需處理這些訊息， 若訊息的內部元件關聯性很高，即會造成更大的負荷，所以實際上一次能處理的訊 息就會更少。 2. 長期記憶的容量無限： 長期記憶（long-term memory）就像是一個大型的資料庫一樣，而且這個資料庫 還沒有儲存的容量限制。日常生活所要應付的一切，都需要靠我們的長期記憶才能 完成：作息時間、上司交代的工作，甚至自己的名字，無一不是儲在這個資料庫中。 以學習的角度來說，若沒有在長期記憶中儲存到知識，將會對學習者造成很大的影 響，因學習者若僅能在工作記憶及短期記憶中處理這些訊息，就會耗費工作記憶中 有限的容量，造成認知負荷。

3. 儲存在長期記憶中的資料是以基模的型式存在： 基模（schema）是知識表徵（knowledge representation）的一種，會隨經驗累積 不斷擴增而形成多個階層性的組織，而這些組織交互連結糾結成一個網，所以基模 又叫做認知結構。基模在儲存於長期記憶之前，會先在工作記憶區進行活化，藉此 擴增、刪減、重整多個複雜的訊息，也因其有整合的動作，而大符減少佔用的工作 記憶容量，讓工作記憶有多餘的空間處理更多的訊息。 4. 使基模的建構自動化相當重要： 自動化（automatic）即指不涉及意識控制，沒有意圖且消耗很少的注意力資源 （Posner & Snyder, 1975）。個體在處理周遭的訊息時共有兩種方式，一為使用意 識加以控制，另一則為自動化。通常，當對同一件事有了足夠的練習時（高度複雜 的作業，需增加練習的量）即可使原本需要以意識控制的歷程轉為自動化。因此， 若使基模在建構的過程中變為自動化，擺脫意識的控制，則能節省工作記憶的空 間，以應付更多的訊息。

Sweller & Sweller（2006）還提出了另一個假設，「自然資訊處理系統」（Natural Information Processing Systems），他們認為人類的認知架構其實與自然演化的發展非常 相像。假設共包含五個原則，這些原則可用來產生應有的教學程序：

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

在我們的認知系統中，為了能夠儲存資訊，必定要有一個非常大儲存庫，就如 同需維持生命的生存發展所需的基因一般，必須能負荷上千甚至百萬筆的資訊，且 能透過複雜的運作，管理複雜的生命活動。而這個龐大的儲存庫就是我們的長期記 憶，教學的目的即是將大量的訊息存在長期記憶中。

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

在生命演化或是認知行為中，我們都必須快速的獲取資訊、重組資料，並在重 組的過程或結束時，捨棄無用而保留有用的資訊（通常會將新知識中與舊有知識不 一致的部分刪除）。

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

就演化來說，遺傳如果一成不變，無法產生新奇的遺傳密碼，則物種就沒有改 變的機會而無法適應環境的變化。就認知結構而言，一開始的資訊似乎是隨機而來 的，與借用與重組原則一樣在測試之後若是好的、有效的則保留；不好的、無用的

則捨棄。另外，相對與借用與重組的有效性，隨機生成的結果雖然可能較為新奇， 但困難度也會相對的較高。

4. 狹窄限制原則（Narrow Limits of Change Principle）：

基因必須選擇讓有用的、新奇的環境資訊收入儲存系統中。所以在收入資訊時 一定要有一個機制，負責限制資訊量的大小，透過這機制篩檢出真正有用的資訊。 在認知結構中，這個機制就如同我們的工作記憶，雖然可以保護我們不接收無用的 資訊，但也因此，讓我們無法一次接收大量有用的資訊（超過認知負荷量就不行）。 5. 環境組織與連結原則（Environmental Organizing and Linking Principle）： 不論認知結構或是生物的遺傳系統中，皆在環境與儲存的資訊間建立了一個連 結，允許環境去偵測出哪些資訊是最適用的。長期記憶中的基模（schema）就是與 外在的環境連結在一起，而需經由外在刺激而引發。

2.2.2 認知負荷的來源

Sweller 從教學設計的角度將認知負荷的來源分為三種，分述如下： 1. 內在認知負荷（Intrinsic Cognitive Load）：

教材內容的元件（element）數量及之間的關聯度、交互程度如果愈高，或著 簡單的說，若教材愈困難，則內在認知負荷就會愈高。當我們在理解低關聯程度的 教材時，我們的工作記憶不需同時抓取很多的元件就可理解教材的內容，所以並不 會佔用太多工作記憶的容量。但相反的，高關聯程度的教材，就必須佔用較多的工 作記憶，因而造成負荷。 另一個影響內在認知負荷的因素，就是學習者本身的先備知識。當學習者在學 習新觀念時，若其舊有的基模整理得較完備，則工作記憶就不會很零散的抓取所需 的內容，而是將整個基模帶入，大大的降低工作記憶的消耗。所以，教材設計者應 確實了解學習者的先備知識，才能配合其基模、掌握學習內容的難易度，降低學習 者的內在認知負荷。

2. 外在認知負荷（Extraneous Cognitive Load）：

外在認知負荷與教學內容的呈現有關。教學內容的呈現方式有許多差異，這些 差異都會影響學習者的認知負荷。例如，Sweller 跟他的同事曾提出了許多實驗來 說明，整合視覺及口語的資訊或許能減少實驗者在文字及圖片上分散注意力，提高

教學成果（Chandler & Sweller, 1992；Sweller,Chandler, Tierney & Cooper, 1990； Tarmizi & Swller, 1988），這便是一種藉由改變教學設計達到降低外在認知負荷的 例子。教學設計者要改變內在認知負荷可能較為困難，但一個設計良好的教材，卻 能大幅地降低外在認知負荷，這點相當的重要，是本研究教材設計的最高指導方針 之一。 3. 增生認知負荷 在認知負荷理論當中，基模佔了一個很重要的位置，而透過有效的教材設計、 呈現及教學活動，能幫助基模的建立與促進基模的自動化。儘管這些教學活動同樣 會提高學習者的認知負荷，但卻能使學習者將專注力集中學習上面，達到有效的學 習，有點像是「適當的壓力就是助力」的意思。但增生認知負荷並不能夠無上限的 增加，而是只有在外在認知負荷低而使得總認知負荷量（外在、增生及內在認知負 荷加總）未超出工作記憶的限制時才得以適當的增加（Sweller, Van Merrienboer & Pass, 1998）。在 2009 年的認知負荷研討會中，Sweller 提出了最新的看法，他認 為內在認知負荷與增生認知負荷有部分是重疊的，因此總負荷量的計算方式有所改 變。

2.2.3 降低負荷的教材設計原則

認知負荷不僅僅提出相關理論而已，也提出了許多的實用的教材設計原則，茲介紹 如下： 1. 自由目標效應（Goal-free Effect）： 當學習者面臨一個非單一解決途徑的題目時，不限制其目標的教學方式而讓他 自由發展、表達自己的想法或思考歷程，將能有效的降低外在認知負荷（Sweller, 1989）。 對於課堂授課，尤其是本研究的實驗對象國中生而言，課程進度壓力常常是迫 使自由目標效應無法發揮的最大阻力，但自由地表達想法或思考歷程又相當重要， 因此本研究在實施實驗教學時，皆會在教學的關鍵點盡量給予受試者思考及互動的 機會，以增加這個效應的功效。

2. 工作示例效應（Work Example Effect）：

常涉及某種程度的技能，有一定的執行程序的知識）時，若能給予適度的步驟化範 例，將能降低外在認知負荷，避免大量的認知資源被消耗（Sweller, 1989）。Copper & Sweller 在 1985 及 1987 證明工作示例效應在代數的學習上是有效的，Zhu & Simon（1987）也在其他的數學主題上，驗證工作示例效應的有效性。

3. 問題完成效應（Problem Completion Effect）：

「問題完成效應」是工作示例效應的延伸，實驗證明當完整的提供範例時的效 果，不如僅提供部分的步驟供學習者思考的效果來的好。原因可能有數個：其一為 過多的提示將會剝奪學習者的樂趣、學習的慾望及思考的方向；其二為當學習者將 完整的範例與自己處理中的問題皆置於工作記憶時，可能會造成負荷，適得其反。 「完成策略（competion strategy）」或許是一個不錯的方法，其指在一開始時提供 完整的解題，再進一步的慢慢減少步驟，至最後的僅呈現題目本身（Sweller, Van Merrienboer & Pass, 1998）。

在幾何的認知理解中，包含了循序性理解（sequential apprehension）（詳見2.5.2 小節），說明了在幾何的學習中，往往包含相當多的程序性知識，因此工作示例效 應及問題完成效應在幾何的領域更顯得格外的重要。 4. 分散注意力效應（Split-attention Effect）： 「分散注意力」的情況我們已經在 2.1 節中介紹過，其發生在當學習者必須分 散他們的注意力或是在內心整合不同的資訊時。而「分散注意力效應」即指學習者 學習整合過的資訊（指將相關的文字、圖形在空間及時間上做適當的整合），勝過 學習以分散注意力型式呈現的資訊。Tarmizi 和 Sweller（1988）算是最早觸及到 分散注意力效應的觀念，他們那時在驗證worked examples 如何幫助學習幾何，之 後Chandler 和 Sweller（1991）也在設計給電子科學徒的教學材料及生物學實驗圖 表中找到了分散注意力效應的測驗支持，Swller 和 Chandler 更在 1994 及 1996 年 的兩個研究中，發現分散注意力效應僅會在材料關聯度高的時候出現 。 「多媒體學習理論」也同樣的提到了分散注意力效應（Mayer, 2001, 2005）， 且其還將其依時間及空間的整合原則分為「Temporal Contiguity Principle」及 「Spatial Contiguity Principle」，研究者將會在之後的 2.3.2 小節中介紹。

5. 形式效應（Modality Effect）：

工作記憶的運作方式，Baddeley 認為分別由「視覺空間畫板部門」（Visuo-spatial Sketchboard），及「聲韻迴路部門」（Phonological Loop）這兩個部門來處理視覺

及聽覺的訊息。認知負荷理論認為若訊息能被這兩個部門一起處理，效果將會優於 僅使用單一部門。如Mousavi, Low & Sweller （1995）的實驗指出，若將教材中的 「印刷文字」改以「聲音文字」表達，則可與「以視覺呈現的圖片」相配合，經由 視覺及聽覺兩通道來接收訊息，而不會因文字、圖片都以視覺呈現而分散了注意 力。其他研究如Mayer & Moreno, 1998；Tindall-ford, Chandler & Sweller, 1977； Moreno & Mayer, 1999…等也全都在他們的實驗得到類似的結果。

6. 累贅效應（Redundancy Effect）：

對學習者而言，教師提供的訊息並不是愈多便愈能幫助學生建構出他們的知 識，如個別的訊息就能使學生理解，那麼再給予其他的訊息便多餘了（Sweller, Van Merrienboer & Pass, 1998）。我們可以從人類認知結構中了解這個效應發生的原 因：新的訊息應該以減少不必要工作記憶負荷的方式呈現，以節省工作記憶的空 間，因為工作記憶空間是有限的。例如當學習者必須同時聽及閱讀一段文字，而這 兩種型式的文字沒有完全相同，或學習者接收的速度沒有一致時，訊息便很可能變 得破碎而難以理解，工作記憶將會花更多的時間統整及協調這些訊息。 但「累贅效應」的發生並不是絕對的，往往與學習者的先備知識有關，若學習 者的先備知識不足，則另加的說明文字可能是需要的；但若面對的是老手，則會造 成多餘效應（McNamara et al. ,1996）。 7. 變化效應（Variability Effect）： 「變化效應」就是一個使用增生負荷來促進學習的例子。藉由改變問題的情 境，刺激思考，幫助基模的建立與拓展，但應用時需注意前述所提到的整體認知負 荷量不能超出學習者的能力範圍（Sweller, Van Merrienboer & Pass, 1998）。 以上幾點都是相當實用的教材設計原則，本研究雖是使用以「課堂授課為導向」的 教學方式，但仍將上述原則視為教材編製的指導方針，惟因人、事、時、地、物的不同 而加以融入變通使用（基本上會都融入本研究的教材當中，特別需要說明的部分，將會 在3.4.1 小節中說明）。

2.2.4 認知負荷的測量

Sweller、Van Merrienboer 和 Pass（1988）將認知負荷的概念分為兩種維度，一為「任 務向度」（task-based dimension），另一為「學習者向度」（learner-based dimension）。因 此，要測量認知負荷量的多寡，勢必以此為出發點。從任務向度來看，即是測量學習者 在達成任務的過程中產生的負荷量，其稱為「心智負荷」（mental load），它與任務的內 在特性（如：教材本身的難易程度）與外在特性（如：教材的展示方式）有關。而從學 習者向度來看，即是測量學習者在實行任務時所付出的認知能量，稱為「心智努力」 （mental effort）。

Sweller、Van Merrienboer 和 Pass（1988）針對心智努力的部分引述了 Wierwille 與 Eggemeier 二位學者在 1993 年提出的三種測量方法，分別為主觀測量法、生理測量法、 任務及表現測量法，以下分述這三種方法的測量方式： 1. 主觀測量法（Subjective Technique）： 此測量法必須假設學習者能針對他們的學習歷程，自己做一個反省及檢驗，且 有能力使用製定的評定量表將自己「心智努力」的程度加以量化。 2. 生理測量法（Physiological Technique）： 此測量法是根據量測學習者種種生理現象（如：眼睛的反應、腦中活動、心跳 及血壓…等）的變化，檢驗出學習者的認知負荷量。不過這種需要儀器輔助的方法 對於研究者而言，是較不便利的，要取到龐大的樣本也較不容易。

3. 任務及表現測量法（Task And Performance-based Technique）：

此測量法是根據任務的難度及學習者的表現（如：學習成績、速度及錯誤率… 等）來推論學習者的認知負荷量。通常來說，若任務愈難且學習者的各種表現愈差， 則認知負荷量會愈大。 以上三種方法是測量認知負荷量常見的方法，其中主觀測量法可以很便利且快速的 測量出學習者的認知負荷量，且不需要使用儀器、耗費大量的經費，所以是使用最普遍 的一種方法，本研究便是使用這種測量法。

2.3 多媒體學習理論

在研究背景中，已經說明了 Mayer 針對「多媒體學習」所下的定義，在此 不再贅述。以下針對多媒體學習理論的假設、教材設計原則做進一步的探討：

2.3.1 多媒體學習理論的三大假設

1. 雙通道假設（Dual-Channel Assumption）： 圖 2- 1 多媒體學習理論雙通道模型 資料來源：引自（Mayer, 2001）

早在1960 晚期，Pavio 就提出了「雙碼理論」，認為我們人類依靠圖像及語言 兩種編碼方式表徵訊息，這兩種方式將訊息組織成能夠加以操弄及儲存，往後也能 再提取加以使用的知識。而 Baddeley 也提出過「視覺空間畫板部門」與「聲韻迴 路部門」，這些基本上與Mayer 的雙通道假設概念是一樣的。Mayer 認為我們能將 訊息分成兩個通道來處理，由眼睛接收到的訊息，經由視覺管道處理；由耳朵接收 到的訊息則經由聽覺管道處理，其中文字訊息可能以口語文字的方式進入聽覺通道 或是以印刷文字的方式進入視覺通道。此外，訊息若能以兩個管道來接收，則效果 會較佳，且兩個管道之間的訊息是可以互相轉換的，例如將聽到的文字轉換成心 像，便可在視覺管道中進行處理，而這個動作將有助於心智整合訊息，將訊息以較 完整的方式儲存。 2. 有限的容量假設（Limited-Capacity Assumption）：

雙通道同時能夠處理的訊息量是有限的（Clark & Mayer, 2003; Mayer, 2001）， 我們在同一個通道中不能同時接收過多的訊息，這與工作記憶區的容量限制有關， 也與Baddeley 的工作記憶理論及 Sweller 的認知負荷理論中的論述一樣，所以如何

控制訊息的呈現量，使學習者能夠消化，是多種理論中所強調的重點，也是教材設 計者及教學者極須注意的地方。 3. 主動處理假設（Active-Processing Assumption）： 主動處理假設是在敍述學習這個動作的發生是主動。學習者知識的累積是藉著 新訊息與舊有的、存在長期記憶中的舊知識、基模的相互作用的結果，所以儘管給 予一樣的訊息，每個人都會有不同的解讀與判斷，而這個歷程是主動發生的。主動 處理歷程分為三個階段，「選擇訊息」、「組織訊息」、「整合訊息」，分述如下： (1) 選擇訊息： 學習者將感覺記憶中耳朵及眼睛所得到的文字或圖像訊息做一番篩選而 進入了工作記憶中形成了聲音或圖像表徵。 (2) 組織訊息： 進入工作記憶的聲音及圖像表徵進一步進行內部關聯，組織成互有關係 的結構─口語及圖像模型。 (3) 整合訊息： 新訊息已經整理成口語及圖像模型，這時長期記憶中的舊有知識、基模 便進來工作記憶中與新訊息整合，有意義的學習到此才算正式成形。

2.3.2 多媒體學習理論的教材設計原則

Mayer 在 2005 年出了「The Cambridge Handbook of Multimedia Learning」這本書（R. E. Mayer, 2005），書中整理出十項教材設計的原則，簡述如下： 1. 多媒體原則（Multimedia Principle）： 教材的內容設計應同時包含文字及圖像，會比僅包含文字或僅包含圖像好。這 與人接收訊息的雙通道有關，若訊息能分別經由視覺及聽覺通道而進入工作記憶 區，則可分擔兩個通道的各別負荷，且這些不同表徵的訊息也可以互相整合及互 補，更完整的建構出知識。

2. 空間接近原則（Spatial Contiguity Principle）：

Mayer（2001）制定出這個原則，他認為當學習者所學習的文字與相關的圖像 在畫面中的位置接近時比遠離時成效更好。這個原則與視覺搜尋有關，當文字與圖 像相對位置較近時，因搜尋的時間縮短，所以能夠降低認知資源的消耗，進而能將

多餘的認知資源投注在其他的訊息上。增加訊息的獲取量，當然能提高學習成效。 當畫面上需同時呈現的物件量少且複雜度不高時，我們當然能夠盡量將文字及 圖像擺放在附近以符合空間接近原則。但在實際的教學中，我們往往必須呈現複雜 度很高的畫面，此時便不容易將文字及圖像擺放靠近，變通的方法就是運用格式塔 原理（Gestalt Law）的群化原則，引導、協助學習者連結文字及圖像，降低搜尋所 需花費的認知資源，或著利用「激發式動態呈現」的方式適時且彈性地控制訊息量、 降低認知負荷。

3. 時間接近原則（Temporal Contiguity Principle）：

與空間接近原則一樣，Mayer（2001）定義了這個原則，不過早在他 1991 及 1992 年的實驗中就驗證了同步呈現比非同步呈現的表現好。Mayer & Smith（1994） 除了同樣證明了同步呈現的優點，還發現了時間接近原則對高空間能力的學習者有 顯著的影響，但對低空間能力的學習者卻沒有影響。原因在於低空間能力的學習者 必須花費更多的認知資源來連結不同種類的資訊，反而造成負荷，形成阻礙。 時間接近原則的敍述如下：當學習者所學習的文字及相關圖像同步化時，會比 兩者在不同時間中出現來的好。原因在於當文字及圖像同時呈現時，就能在「組織 訊息」階段便順利的產生關聯；但若兩者的出現有時間差，則會因工作記憶的容量 限制，而使得先呈現的訊息遺失部分內容，兩者的關聯性當然就大打折扣。 不過當訊息被切割成小段時，則因訊息的量有所控制，則不管文字及圖像是接 續的出現或是同時出現，都不會有明顯的效果差別，如同接收整合完的資訊一樣 （Moreno & Mayer, 1999；Mayer, 2001）。在激發式動態呈現的特點中，有一個「分 段切割」，便是利用控制訊息的量，來達到優化教材的目的（詳見2.4.3 小節）。 4. 連貫原則（Coherence effect）：

在多媒體學習理論中，Mayer 將學習者所需面對的認知處理分成三個種類：「必 要的處理」（Essential processing）、「附加的處理」（Incidental processing）及「表 現的維持」（Representational holding）（Mayer, 2003）。其中，必要的處理包含：「選 擇文字」、「選擇圖片」、「組織文字」、「組織圖片」及「整合」；附加的處理指的 是教材表達的內容中扣除「必要的處理」剩下的部分；表現的維持則指的是在工作 記憶區還留著口語或視覺的記憶。 許多教材製作者總認為在教材中增加一些美觀的背景或是音樂能提高學生的 注意力，但 Mayer 認為這些都是一種「附加的處理」，將會造成以下幾種不當的

影響： (1) 與「必要的處理」競爭認知資源，消耗工作記憶的容量，分散學習者學習 更加重要的知識。 (2) 學習者可能針對「附加的處理」進行一連串的認知行為，跳脫教師在課堂 上的掌握，造成訊息呈現的不連貫，打斷學習的流程。 除了「附加的處理」之外，其實不恰當的文字、圖像也都會造成上述的結果， 所以連貫原則指的就是需確立好教學目標，將教材的設計放在呈現目標上，盡量捨 棄不相關的部分，使得教學得以連貫。因此，本研究的教材便捨棄了不必要的文字、 圖片及動畫，甚至將背景也設成單色的白色，以避免對教學產生干擾。 5. 形式原則（Modality Principle）： 當同時呈現圖像及文字時，使用「口語文字」會較「印刷文字」好。根據雙通 道假設，口語文字是由耳朵接收進入聽覺管道，印刷文字是由眼睛接收進入視覺管 道。所以當文字與圖像需一起呈現時，印刷文字會與圖像一起進入視覺管道，彼此 佔用資源，以致雙方面的訊息接收都受到干擾；若使用口語文字則可避開這樣的局 面。在認知負荷理論中，也同樣提到了這個原則。 6. 累贅原則（Redundancy Principle）： 當學習者學習具有「動畫、口語文字」的教材，會比學習具有「動畫、口語文 字、印刷文字」效果較好。這與形式原則的理由是類似的，都是基於雙通道假設。 當僅有動畫及口語文字時，兩者可以分別經由視覺及聽覺通道；但當動畫、口語文 字、印刷文字皆出現時，動畫及印刷文字則會彼此佔用視覺通道的資源，造成干擾。 所以，當動畫中口語文字及印刷文字同時出現時，我們應將印刷文字視為多餘的訊 息而予以捨棄。 不過，換個角度思考，若動畫呈現的時間較長，以致於當口語文字已漸漸消失 在我們的工作記憶中或是我們想要強調一些關鍵概念時，我們也可使用彈性指標使 文字適時的出現，幫助學生銜接內容或進行加強。所以，並不是印刷文字絕對不可 以出現，需視環境、條件而彈性地調整，甚至有些容易聽錯的文字，我們更應藉由 印刷文字將其呈現才行。

7. 個別差異原則（Individual Differences Principle）：

（high-knowledge）的學生來得影響大；對「高空間能力」（high-spatial）的學習者 比「低空間能力」（low-spatial）的學習者來得影響大。以知識程度來說，高知識程 度的學習者在面對設計不良的教材時，因先備知識較為完善，所以比較能夠做出正 確的整合；相對的，低知識程度的學習者較仰賴教材的導引，而隨著設計的好壞影 響表現。以空間能力來說，因在多媒體學習中會碰到大量的圖文，學習者常需靠心 像來整合各類表徵，所以對高空間能力的學習者而言，他們運用心像的能力較強， 也因此能夠表現的比低空間能力的學習者來的好。 8. 互動原則（Interactivity Principle）： 這裡的互動指的並不是師生之間的交流，而是學習者不能被牽著鼻子走，一定 要按照自己的能力自己的步調，調整課程進行的快慢，以免造成認知負荷。 這項原則比較針對自學的教材設計，但其實對於我們以教師授課的環境來說， 其實更為重要。尤其是國內的教學常常都是教師主導教學的流程，更加忽略了這項 原則的必要性，所以我們可以使用激發式動態呈現，雖一樣是由教師操控流程，但 卻可以讓教材更有彈性，更符合不同能力程度的學習者的需求。當然，教師的先前 訓練及學生的主動學習也是不可獲缺的。 9. 個人化原則（Personalization Principle）： 講課的內容以口語化的方式能比形式化的方式得到更好的效果，形式化指的就 是較不接近人類自然溝通的語言。這對我們課堂授課來說，沒有這方面的問題，只 要避免機械化的「唸書」即可。 10. 信號原則（Signal Principle）： 多媒體的教材中，若有辦法強調內容的組織結構或是能給予重點提示時，學習 成效會更好。在導引學習的過程中，常會因素材必須大量出現而造成重點失焦，此 時，若能引導學習者的注意力，讓學習者專注於該學習的內容上，例如在信號原則 中常用的方式為「突顯標題」（heading）與「強調關鍵訊息」（key information） （Mayer, 2005），利用加上一段綱要或是標題來協助組織文字，或是以畫底線、 變化字型…等方式來強調重點，引導注意力。 激發式動態呈現與信號原則的目的都是為了降低外在認知負荷，導引學習者的 注意，只不過方法不同，我們將在下節再做較詳細的介紹 除了上述的十點原則，Mayer 在 2009 年再補充了幾個多媒體學習的設計原則：

1. 事先訓練原則（Pre-training Principle）： 這個原則說明若能夠在學習之前，先知道主要概念的名字和特徵，則學習效果 會較好。這有點類似預習的效果，讓學生再一次看到主題時能有複頌的效果，自然 會提高注意力，加深其印象。 2. 聲音原則（Voice Princiole）： 在個人化原則中提到，以對話、口語化的方式來講課，比形式化的講課更有教 學效果。本原則進一步的說明，使用「人聲」的方式會比「機器音」的方式更有教 學效果。 這個原則，對於以課堂授課為導向的我們來說，完全不成問題，我們不但能做 到「人聲」，而且是非常彈性的人聲，能依現實狀況變化的人聲，相信更能達到有 效的教學。 3. 圖像原則（Image Princiole）： 當畫面中出現了演講者的圖像時，學習效果並不一定會提高。這個原則同樣 地，並不影響課堂授課的教學設計。 除了這些增加的原則之外，Mayer（2009）更配合了 Sweller 的認知負荷理論，重新 將學習中的三種認知過程加以定義，分別為：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。 外在的認知處理，相當於 Sweller 的外在認知負荷，指針對教學的設計產生的認知 處理。可減少外在認知處理的原則為：空間接近原則、時間接近原則、連貫原則、累贅 原則及信號原則。 本體的認知處理相當於 Sweller 的內在認知負荷，指當教材經由訊息選取的過程而 進入工作記憶時，這個過程會受到教材本身的難易、複雜度的影響。可減少本體的認知 處理的原則為：形式原則、分割原則及事先訓練原則。 衍生的認知處理過程，相當於 Sweller 的增生認知負荷，指當訊息進入組織及整合 的階段時，藉由一些提高學習動機的方式所產生的認知處理。可增加衍生的認知處理原 則為：多媒體原則、個人化原則、聲音原則、圖像原則。 上述這些原則，都是研究激發式動態教學所需注意的，或許有些原則當初是針對多 媒體學習來設定，情境會與課堂授課有所不同，但基本精神並沒有改變，因此仍是設計 激發式動態呈現教材所需參考的原則（基本上會將原則融入教材當中，特別需要說明的

部分，將會在3.4.1 小節中說明）。

2.4 AMA與適性指標

本節共分三個部分，分別說明AMA 的兩大功能，結構式複製繪圖法（Structural Cloning Method, SCM）、激發式動態呈現（Trigger-based Animation），及適性指標。

2.4.1 結構式複製繪圖法（Structural Cloning Method, SCM）

如同1.1.2 小節中所述，AMA 為一套以 Microsoft 的 PowerPoint 為平台的媒體設計 與展示增益集。其功能之一就是「結構式複製繪圖法」。 結構式複製繪圖法的概念，就是利用結構以及複製的手法來造形，精準的操弄大量的 物件以協助教材的定位，突破繪圖上人機介面的限制，完成複雜圖案。可運用的範圍涵 蓋數學、視覺設計、計算機圖學等方面，是一種新的繪圖法。在AMA 裡又分為兩大構 圖環境，「幾何構圖」及「複雜構圖」，以協助結構式複製繪圖法的運用： 1. 幾何構圖： 在AMA下的「Geometer」，可協助各種線段（中垂線、角平分線…等）、弧、 圓及三角形…等基本幾何形狀的繪製，以彌補PowerPoint簡報軟體中，繪圖環境的不 足。本研究教材中的大部分圖形設計，即是仰賴這個環境所製作出來的。 2. 複雜構圖： 通常指的是能處理下列四種狀況的環境（陳明璋, 2006）： (1) 視覺能分辨，但不行或不容易滑鼠定位的物件。 (2) 不容易操作的定位，如旋轉角度、移至定位、縮放調整…等。 (3) 物件的數量多而處理費時。 (4) 需簡單的程式才能設計的圖形。 結構式複製繪圖法的功能相當實用、簡單但強大，也持續有新的論文發表出來，不 過並不是本研究的重點（本研究大部分構圖僅使用幾何構圖的環境），在此不多加著墨。

2.4.2 激發式動態呈現（Trigger-based Animation, TA）

激發式動態呈現是 AMA 的另一大功能，它的想法就是運用一個物件當激發器 （trigger）控制一連串訊息的出現、突顯…等動作，且任一個訊息都能被不同的激發器 控制。所以演示者便可彈性的安排物件呈現的方式或順序，讓聽眾自動地將注意力集中 在重要的訊息上，讓演示者輕鬆地與學習者互動。 激發式動態呈現的基本模式共有七種，分述如下： 1. 開關/關開/突顯： 主要是在訊息上設置一個透明物件當作激發器，當滑鼠觸發激發器時，訊息便 能在隱藏、顯現兩種狀態中互換，先設定為隱藏或顯現都可彈性應用。 2. 多元開關： 能使用多個控制不同物件的激發器，但都讓物件顯示在同一位置上。 3. 序列式激發： 由同一個激發器循序的激發出訊息，訊息可以是單獨的、並列的或逐一但不消 失的呈現，若訊息出現的位置相同，也能藉此製作出簡易的動畫。 4. 串接式激發： 與序列式激發類似，不過串接式激發中新出現的物件或訊息，就是下一個可被 觸發的激發器。這個模式可避免因滑鼠不斷地移動所造成的干擾或分散注意力。 5. 全開關（關開）： 藉由一個激發器，控制多個訊息或物件同時出現或消失。 6. 1-1 開關： 將物件分為兩組，一組為激發器，另一組則為被激發的物件，兩組中的物件分 別以圖層為順序做一對一的配對。 7. 動態表格： 用來操控與表格相關的動作，可設定表格為全開關、個別開關、行或列開關。 除了這七種基本模式之外，還可與PowerPoint 內建的自訂動畫中的功能配合做出更 多更複雜的動作，都可自行彈性運用，不過動態激發的目的是要吸引注意力、降低認知 負荷，所以一味的強調動畫並不是我們的目標，過度的使用，反而會有不當的效果。

2.4.3 激發式動態教學

（Trigger-based Animated Instruction, TAI）

激發式的動態教學是一種結合認知心理學、認知負荷理論、多媒體學習理論所發展 出來的一種以激發式動態呈現為工具的教學內容設計方法及展演環境。其特點說明如 下： 1. 激發注意： 透過適性指標，可以導引聽眾的注意、突顯主要的訊息，淡化或關閉次要的訊 息，降低其負荷，以幫助其建立訊息間的關聯。並可適時的協助聽眾迅速搜尋訊息， 與展示者同步學習。 2. 分段切割： 將教材依其訊息量、與前後訊息的關聯度做彈性的切割分段，以區塊化、模組 化的方式呈現訊息。 3. 多重組合： 切割後的訊息可再進行群化、重組，再以不同的激發器來控制。一個訊息也可 被包含在不同的群組中，以不同的激發器來控制。 4. 彈性激發： 訊息可順序的、自由的、彈性的被激發。 5. 平順連貫： 訊息的呈現由演示者加以控制，速度可以較平順，內容可以較連貫。 6. 溝通互動： 演示者透過設計好的教材可與聽眾達到良好的互動。 7. 適性教學 教材可依不同學習成就、特性的聽眾加以變化，再由演示者依情況彈性調整呈 現方式。 以上的特點皆與適性、彈性有關，好處相當的多。但相對的來說，如果演示的能力 不足，或教材設計不良，是有可能將優點轉為缺點，反而增加學生的負荷。

2.4.4 適性指標（Adaptive Pointer）

雖然在激發式動態教學中，我們歸納出了多項特點，但激發式動態教學最主要的目的 就是為了能控制訊息、排除雜訊、降低搜尋的困難度以協助訊息的選取、組織及整合，進 而引導先備知識的融合，引導學生主動學習。而「適性指標」便是一種能協助我們達到上 述目的的激發式動態呈現方式。 林煜庭（2007）指出，適性指標是一種視覺物件，它能協助視覺搜尋以及引導注意力， 並且使演講者能以彈性且互動的方式操控它，互動指的是當演講者對物件或訊息下達指令 時（如按滑鼠一下），物件或訊息能做出回應（例如：出現、隱藏、改變顏色、改變大小、 改變形狀、位置移動…等）。而這些改變物件或訊息之「視覺特徵」的「回應」，都是在 前注意歷程中自動化運作，使學習者幾乎不須耗費資源就能搜尋、選取到正確的訊息，降 低了外在認知負荷。也因其可彈性地選擇是否激發訊息，所以可適當的顯示訊息，增加增 生認知負荷，重新導引學習。 設計適性指標所採用的視覺特徵經常是不需學習或練習的，如同前述是一種自動化的 運作，林煜庭共歸納出形狀（FORM）、顏色（COLOR）、深度（DEPTH）、及運動（MOTION） 四種特徵。在以下幾個表格中，研究者使用林煜庭（2007）的特徵分類編碼，並列出這些 特徵及這些特徵延伸出的應用方法，以供我們設計教材的參考： 表 2- 1 適性指標之形狀特徵（FORM）編碼及應用 特徵分類編碼 說明 特徵應用 1.1.1 FORM- Orientation 目標物與干擾物方向不同 _{可在方向、長度或寬度特徵上分} 辨出目標物（線段）。 1.1.2 FORM-Length 目標物與干擾物長度不同 1.1.3 FORM-Width 目標物與干擾物寬度不同 1.2 FORM-Size 目標物與干擾物大小不同 可在大小上分辨出目標物。 （接下頁）

表2-1 適性指標之形狀特徵（FORM）編碼及應用 （接上頁） 1.3 FORM-Curvature 目標物與干擾物彎曲 程度不同 (1) 曲率差距大時，愈能找到目標 物。 (2) 曲率差距小時，應將曲率小的 線段當做目標物。 (3) 曲率可用做一種指標符號，如 括號來突顯文件。 1.4 FORM-Blur 目 標 物 與 干 擾 物 模 糊 程度不同 (1) 模糊程度差愈多，愈能找到目 標物 (2) 應將清晰的物體當作目標物。 (3) 當畫面上不同的顏色或質感太 多，可使用模糊程度來強調目 標物。 1.5 FORM- Added marks 替 目 標 物 外 加 具 有 強 調效果的標記 1.5.1 -pointer 替目標物外加指標 可替目標物加上不同顏色的指標。 1.5.2 -underline 替目標物外加底線 可替目標物加上底線 1.5.3 -enclosure-border 外框式區域 可替目標物加上外框 1.5.4 -enclosure-interior 底色質感式區域 可替目標物加上底色或改變其質 感 資料來源：改自（林煜庭, 2007） 表 2- 2 適性指標之顏色特徵（COLOR）編碼及應用 特徵分類編碼 說明 特徵應用 2.1 COLOR-Hue 目 標 物 與 干 擾 物 色 相 不同 2.1.1 -strategy： distinct hue 策略：目標與干擾區隔 _{可在色相上分辨出目標物與干擾} 物。進一步可將干干擾物隱藏或只 在目標物上加上彩色提高辨識度。 -strategy： hidden istractors 策略：隱藏干擾物 -strategy： pop-out target 策略：僅強調目標物 （接下頁）

表2-2 適性指標之顏色特徵（COLOR）編碼及應用 （接上頁） 2.1.2 -perception： unique hues 知覺：純粹色相 (1) 色相之間的辨別度不受明度的 改變而影響。 (2) 教材應使用固定的色相。 (3) 教材設計最好使用白色、黑 色、紅色、黃色、綠色、藍色。 (4) 畫面中不宜出現過多的顏色， 不要超過五種。 -perception： cross-cultural naming 知覺：顏色跨文化命名 -perception： focal colors 知覺：焦點顏色 -perception： categorical colors 知覺：顏色類別 2.1.3 -label：distinctness 標示：可區別性 (1) 可將畫面底色設為白色、指標 設為黑色。 (2) 若標示物在其他色塊中，可將 標示物添加白或黑色外框。 (3) 標示區很小時，不要只靠顏色 來標示。 -label ： chromatic simultaneous contrast 標示：色彩同時性對比 -label：field size 標示－標識區域大小 -label：color blindness 標示－色盲 2.2 COLOR-Intensity 目 標 物 與 干 擾 物 色 彩 強度不同 2.2.1 -luminance 明度差異 將目標物與背景的明度差距拉大 2.2.2 -simultaneous brightness contrast 同時性亮度對比 -SBC：contrast SBC：對比因素 -SBC ： luminance difference SBC：明度差異 -SBC：area ratio SBC：面積比例 目標物不要太大 -SBC ： crispening effect SBC：清晰效果 (1) 應使用白色背景 (2) 可將背景的明度設為介在目標 物與干擾物之間 -SBC：spatial sensitivity SBC：空間敏感度 (1) 文字與背景的明度比至少要 3：1，10：1 是最佳的。可將 對比盡量拉大。 (2) 可將文字的明度調至比背景 低。 2.2.3 -grouping 色彩強度群化 當需要將物件分類或對應時，可利 用調整透明度，將其分為兩類。 資料來源：改自（林煜庭, 2007）

表 2- 3 適性指標之深度特徵（DEPTH）編碼及應用 特徵分類編碼 說明 特徵應用 3.1 DEPTH- Stereoscopic depth 目 標 物 與 干 擾 物 之 立 體深度不同 3.1.1 -transparency 透明度圖層 可盡量突顯目標圖層與非目標圖 層的差異性 -TP：good continuity 連續性 在圖層的交界處，應使其具有很好 的邊界連續性。 -TP：luminance 明度 上方圖層明度要較高。 -TP：texture 質感 質感差異愈大愈好，但重疊區域不 能與原本兩圖層差異太大。 3.2 DEPTH-Convexity & Concavity 目 標 物 與 干 擾 物 之 凸 凹感受不同 3.2.1 -shading orientation 陰影方向 陰影方向最好是上下的型態。 3.2.2 -shading contrast 陰影明度對比程度 若凸凹的感覺不明顯，應將亮區與 暗區的明度差異再拉大 資料來源：改自（林煜庭, 2007） 表 2- 4 適性指標之運動特徵（MOTION）編碼及應用 特徵分類編碼 說明 特徵應用 4.1 MOTION- New object 目 標 物 是 突 然 出 現 的 新物件 4.1.1 -original location 原始位置 (1) 滑鼠啟動適性指標的位置應在 目標物所在的位置，且說明文 字應盡量靠近目標物。 (2) 若滑鼠無法在目標物的位置 上，至少也應提供「位置訊 息」。 （接下頁）

表2-4 適性指標之運動特徵（MOTION）編碼及應用 （接上頁） (3) 應讓同一物件在不同頁面當中

顯示在同一位置。

4.1.2 -onset and offset onset 與 offset 因素

(1) 「突然出現」（onset）的效果 比「突然消失」（offset）的效 果好。 (2) 原本就在畫面上的物件，可使 用offset。 (3) 使用 offset 來強調的部分不應 該完全消失，應保留一部分。 4.1.3 -luminance change 明度改變因素 效果不如 onset，但可一起搭配。 當新物件與背景的明度差愈大，新 物件onset 的效果愈好。 4.1.4 -inhibition of return 回向抑制 (1) 兩個訊息出現的時間間隔不要 在300~3000ms 之間。 (2) 若要將視線導引回到前一個掃 視的位置，不要有其他刺激 onset。 (3) 兩個訊息若要序列的出現在同 一位置時，應間隔三秒以上。 4.1.5 -CIOH CIOH (1) 當物件需要群化時，提示物不 要與待搜尋物件有共同的視 覺待徵。 (2) 當物件不需要群化時，目標物 的提示最好有「關鍵特徵」。

4.1.6 -stroop effect Stroop Effect

(1) 提示物最好與所有待搜尋的物 件沒有相同的視覺特徵。 (2) 文字附近的物件最好都與文字

的含義有關聯。

表2-4 適性指標之運動特徵（MOTION）編碼及應用 （接上頁）

4.1.7 -negative priming Negative Priming Effect

前一個干擾物指標不要變成下一 個目標物指標，或著上下兩個直接 使用不同型態的指標。

4.1.8 -feature-map

inhibition Feature-Map Inhibition 可將特定的「特徵圖」突然出現。 4.1.9 -visual marking Visual Marking 若要使干擾物消失，應在目標物出

現之前。 4.2 MOTION- Transient 目 標 物 的 某 種 視 覺 特 徵發生瞬變 明度瞬變比色相瞬變更能吸引注 意力 4.3 MOTION- Looming 目 標 物 感 覺 上 往 觀 察 者接近 可讓物件突然變大，吸引注意力。 Powerpoint 動畫中的「閃光燈泡」 或「放大/縮小」都是應用的方法。 4.4 MOTION- jitter motion 目標物在畫面中抖動 可讓物件在小範圍內抖動，吸引注 意力。Powerpoint 動畫中的「閃光 燈泡」或「蹺蹺板」都是應用的方 法。 4.5 MOTION- New motion 目 標 物 是 突 然 由 靜 而 動的物件 可讓物件在畫面中「由靜而動」， 吸引注意力，其效果與「突然出現」 一樣強烈。 4.6 MOTION- Flicker 目標物在畫面中閃爍 (1) 可讓物件忽隱忽現、忽明忽 暗，吸引注意力。Powerpoint 動畫中的「閃光燈泡」或「閃 爍」都是應用的方法。 (2) 「忽隱忽現」的效果比「出現 新物件」吸引注意的效果更長。 4.7 MOTION- Coherence 運 動 方 式 一 致 性 所 產 生的層次感 目標物最好能由下而上激發；干擾 物最好能由上而下抑制。 4.8 MOTION- Direction 目 標 物 與 干 擾 物 運 動 方向不同 我們可將注意力放在集中往固定 方向運動的物件。 資料來源：改自（林煜庭, 2007）