視覺注意力引導在動態數位教學設計上對學習成效與認知負荷之影響-以國中「凸透鏡折射成像」補救教學為例

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國立交通大學

理學院（科技與數位學習）學程

碩士論文

視覺注意力引導在動態數位教學設計上對

學習成效與認知負荷之影響

- 以國中「凸透鏡折射成像」補救教學為例

The Effect of Visual Attention Guiding on Dynamic Digital Instructional

Design in Learing Achievement and Cognitive Load：

Remedial Instruction of the Formation of Images by Convex Lenses in

the Junior High School as An Example

研究生

：

張世彥

指導教授

：

李榮耀教授

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i

視

覺注意力引導在動態數位教學設計上對學習成效與認知負荷之影響

- 以國中「凸透鏡折射成像」補救教學為例

The Effect of Visual Attention Guiding on Dynamic Digital

Instructional Design in Learing Achievement and Cognitive Load：

Remedial Instruction of the Formation of Images by Convex Lenses in

the Junior High School as An Example

研究生：張世彥

Student ： Shih-Yen Chang

指導教授：李榮耀教授

Advisor ： Dr. Jong-Eao Lee

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 2012

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

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視覺注意力引導在動態數位教學設計上對學習成效與認知負荷之影響

-以國中「凸透鏡折射成像」補救教學為例

學生：張世彥

指導教授：李榮耀教授

國立交通大學理學院科技與數位學習學程

中文摘要本研究主要為探究視覺注意力引導在動態數位教學設計對學習成效與認知負荷之影響 - 以國中凸透鏡折射成像補救教學為例。研究方法採用準實驗研究法－不等組前、後測設計，研究對象分為實驗組與控制組分別為 48 名與 58 名國中九年級自然科學習成就中、低的學生，教材內容相同，但教材呈現方式不同，實驗組以視覺注意力引導所製作的多媒體教材進行補救教學，而對照組則採用一般傳統圖文簡報進行。實驗前先進行前測，教學實驗後，以獨立樣本 t 檢定分析探討實驗組與對照組受試學生在後測方面的學習成效與認知負荷，以及一個月之後兩組延後測的延續性。而研究結果發現： (一 )對於整體學生以及自然科學習成就中等的學生而言，「視覺注意力引導」動態數位教材能有效地降低學習過程中的認知負荷與提升學習成效，且學習成效延續性較佳。 (二 )對於自然科學習成就低落的學生而言，「視覺注意力引導」動態數位教材無法降低學習過程中的認知負荷，也無法提升學習成效，且學習成效延續性較差。關鍵字：視覺注意力、認知負荷、凸透鏡折射成像、補救教學、多媒體學習

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The Effect of Visual Attention Guiding on Dynamic Digital

Instructional Design in Learing Achievement and Cognitive Load：

Remedial Instruction of the Formation of Images by Convex

Lenses in the Junior High School as An Example.

Student：Shih-Yen Chang

Advisor：Dr. Jong-Eao Lee

Degree Program of E-Learning

National Chiao Tung University

Abstract

This res earch aim s to discover the effect of visual at tention guidi ng on d ynami c di git al ins tructi onal teachi ng desi gn t oward stud y achi evem ent and cognit ive load --a stud y on t he j unior hi gh school rem edi al t eachi ng of t he form at ion of im ages b y convex lens es . The res earch method is adopted from t he quasi -experi ment al research desi gn.The research obj ect i s di vided into one experi ment al group cons ist ed of 48 9th -grade students and one cont rol group consist ed of 58 9th -grade students wi th low stud y achi evements in sci ence and m edi um stud y achi evem ent s in s ci ence.The research method consi sts of the s am e t eaching mat eri al but with di fferent teaching m ethods .The experiment al group appli es mul ti -medi a teaching mat eri al based on visual att enti on guiding to practi ce the rem edial t eaching. Contrar y to t hat , t he control group applies the cl assi c pict orial t eaching met hod. The pret est i s execut ed before t he research. Aft er the experim ent al t eaching perform ed, an i n dependent sample t test is used to anal yz e t he stud y achi evem ent and cognitive load of the post test students from t he experim ent al group and t he

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control group. Consequentl y, t he durati on of the dela yed postt est from thes e two groups af t er one month i s als o anal yz ed. Hence, the stud y res ult dem onst rat es the fol lowing resul ts:

(一 )To t he enti ret y st udents and students wit h medium stud y achievement in science, ‘visual attention guiding’ dynamic di git al t eac hing m at erial m a y reduce t he cogniti ve load

effi ci entl y, improve stud y achi evem ent and has bett er duration of stud y achievement.

(二 )To t he students wit h low stud y achi evem ent in s cience, ‘vis ual attention guiding’ dynamic digital teaching material may not reduce cognitive l oad during st ud y process, or improve stud y achi evem ent and have l ower duration of s tud y achi evem ent . Keywords：visual attention、cognitive load、the formation of images by convex lenses、 Remedial Instruction、multiple media learing

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致謝在國立交通大學兩年的碩士班生涯裡，非常感謝的李榮耀教授、陳明璋教授、陳永富教授，無論是在我的課程進修、論文撰寫等，都給我非常豐富的指導，提升了我的視野，也精進了我的教學能力。感謝世易、依萍、淑媛、敏惠等同學，一路走來互相扶持，遇到瓶頸時一起互相討論打氣，讓我這兩年不孤單。最感謝的就是我最摯愛的家人，謝謝父母親這兩年來幫忙照顧我的女兒，你們真的是辛苦了 !謝謝我的老婆對我的包容以及體諒，讓我可以專心完成學業；謝謝我最可愛的女兒以柔，給了我努力的動力。最後，謹以此論文獻給曾經幫助我完成碩士學業的每一個人。

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目次中文摘要 ... II Abstract ... III 致謝 ... V 目次 ... VI 表次 ... IX 圖次 ... XII 一、緒論 ... 1 1.1 研究背景和動機 ... 1 1.2 研究目的 ... 4 1.3 研究問題 ... 5 1.4 研究的範圍 ... 5 1.4.1 教材內容 ... 5 1.4.2 研究對象 ... 6 1.5 研究的限制 ... 6 1.5.1 主題限制 ... 6 1.5.2 抽樣的限制 ... 6 1.5.3 母群體限制 ... 6 1.5.4 受試人員限制 ... 7 1.5.5 施測時間限制 ... 7 1.6 名詞解釋 ... 7 二、文獻探討 ... 9 2.1 視覺注意力引導 ... 9 2.1.1 注意力的定義 ... 9

2.1.2 突現刺激(abrupt onset)與捕捉視覺注意力 (capture visual attention) ... 10 2.2 多媒體學習理論 ... 14 2.2.1 多媒體學習的定義 ... 14 2.2.2 多媒體訊息處理的流程 ... 14 2.2.3 多媒體學習理論的三大基本假設 ... 15 2.2.4 多媒體學習理論教材設計原則 ... 19 2.3 認知負荷理論 ... 22 2.3.1. 認知負荷的定義 ... 23 2.3.2. 認知負荷的基本假定 ... 24 2.3.3. 認知負荷的類型 ... 25 2.3.4. 認知負荷教學設計效應 ... 27

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2.3.5. 認知負荷測量 ... 31 2.4 透鏡成像的迷思概念 ... 32 2.5 補救教學 ... 34 2.5.1 補救教學意涵 ... 34 2.5.2 補救教學的對象與特徵 ... 34 2.5.3 實施補救教學之歷程與課程設計原則 ... 35 三、研究方法 ... 37 3.1 研究流程 ... 37 3.1.1 準備階段 ... 39 3.1.2 實驗階段 ... 39 3.1.3 分析階段 ... 39 3.2 研究對象 ... 40 3.2.1 整體學生立足點一致 ... 41 3.2.2 各組不同學習成就之學生立足點一致 ... 44 3.3 研究設計 ... 48 3.3.1 研究法的選擇 ... 48 3.3.2 研究變項與假設 ... 49 3.3.3 實驗流程 ... 52 3.4 研究工具 ... 52 3.4.1 實驗教材製作 ... 53 3.4.2 前測卷 ... 57 3.4.3 階段學習成就測驗 ... 66 3.4.4 認知負荷量表 ... 66 3.5 資料分析方法 ... 67 3.5.1 統計分析軟體 ... 68 3.5.2 Effect Size ... 68 3.5.3 學習效率 ... 68 3.5.4 投入分數 ... 70 3.5.5 綜合學習效率與投入分數 ... 71 四、研究結果與討論 ... 73 4.1 不同教材設計對學生後測表現之影響 ... 73 4.1.1 在整體學生後測方面 ... 73 4.1.2 在低自然學習成就學生後測方面 ... 75 4.1.3 在中自然學習成就學生後測方面 ... 76 4.2 不同教材設計對學生認知負荷之影響 ... 78 4.2.1 在整體學生的認知負荷方面 ... 78 4.2.2 在低自然學習成就學生的認知負荷方面 ... 80 4.2.3 在中自然學習成就學生的認知負荷方面 ... 84

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4.3 不同教材設計教學後學生後測成績與認知負荷分析 ... 87 4.3.1 對整體學生而言 ... 87 4.3.2 對不同學習成就之學生而言 ... 88 4.4 不同教材設計對學生延後測表現之影響 ... 91 4.4.1 在整體學生延後測方面 ... 91 4.4.2 在低自然學習成就學生延後測方面 ... 93 4.4.3 在中自然學習成就學生延後測方面 ... 94 4.5 研究結果與分析 ... 96 4.5.1 學習成就部分 ... 96 4.5.2 認知負荷量表部分 ... 98 4.5.3 簡化統整研究結果 ... 99 4.5.4 分析結果摘要表 ... 101 五、結論與建議 ... 105 5.1 研究結論 ... 105 5.2 檢討與建議 ... 107 5.2.1 對於教學之建議 ... 107 5.2.2 對於未來研究之建議 ... 107 參考文獻 ... 109 附錄一:學習單 ... 117 附錄二:凸透鏡折射成像前測卷 ... 123 附錄三:凸透鏡折射成像後測卷 ... 126 附錄四:凸透鏡折射成像延後測卷 ... 129 附錄五:認知負荷問卷 ... 132 附錄六：自然與生活科技領域凸透鏡折射成像補救教學教學活動設計 ... 133

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表次表 1 注意力的定義 ... 9 表 2 信號原則的使用方式 ... 22 表 3 認知負荷的定義，整理分述如下： ... 23 表 4 認知負荷測量兩個像度關係表 ... 31 表 5 透鏡成像的迷思概念相關的研究 ... 32 表 6 受試班級資料 ... 41 表 7 整體受試學生上學期三次自然科定期評量定期評量組別統計量 ... 42 表 8 整體受試學生九年級上學期三次自然科定期評量之平均成績獨立樣本檢定 ... 42 表 9 整體受試學生前測成績組別統計量 ... 43 表 10 整體受試學生前測成績獨立樣本檢定 ... 43 表 11 低學習成就受試學生上學期三次自然科定期評量定期評量組別統計量 ... 44 表 12 低學習成就受試學生九年級上學期三次自然科定期評量之平均成績獨立樣本檢定 ... 45 表 13 低學習成就受試學生前測成績組別統計量 ... 45 表 14 低學習成就受試學生前測成績獨立樣本檢定 ... 46 表 15 中學習成就受試學生上學期三次自然科定期評量定期評量組別統計量 ... 46 表 16 中學習成就受試學生九年級上學期三次自然科定期評量之平均成績獨立樣本檢定 ... 47 表 17 中學習成就受試學生前測成績組別統計量 ... 47 表 18 中學習成就受試學生前測成績獨立樣本檢定 ... 48 表 19 教材設計內容摘要表 ... 49 表 20 不等組前後測實驗設計 ... 52 表 21 凸透鏡折射成像總流程表 ... 52 表 22 實驗教材製作 ... 54 表 23 多媒體學習目標 ... 58 表 24 雙向細目表 ... 59 表 25 KMO 統計量值意義 ... 60 表 26 預試 KMO 與 Bartlett 檢定 ... 60 表 27 各題 MSA 值 ... 61 表 28 共同性 ... 62 表 29 試題之可靠性統計量 ... 63 表 30 各題難度 ... 64

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表 31 鑑別度指數 ... 65 表 32 各題鑑別度 ... 65 表 33 各題難度與鑑別度統整表 ... 66 表 34 認知負荷量表 ... 67 表 35 ... 74 表 36 整體學生後測獨立樣本 t 檢定 ... 74 表 37 ... 75 表 38 低自然學習成就學生後測獨立樣本 t 檢定 ... 76 表 39 ... 77 表 40 中自然學習成就學生後測獨立樣本 t 檢定 ... 77 表 41 整體學生困難度認知負荷獨立樣本 t 檢定組別統計量 ... 78 表 42 整體學生困難度認知負荷獨立樣本 t 檢定 ... 79 表 43 整體學生花費心力認知負荷獨立樣本 t 檢定組別統計量 ... 80 表 44 整體學生花費心力認知負荷獨立樣本 t 檢定 ... 80 表 45 低自然學習成就學生困難度認知負荷獨立樣本 t 檢定組別統計量 ... 81 表 46 低自然學習成就學生困難度認知負荷獨立樣本 t 檢定 ... 81 表 47 低自然學習成就學生花費心力認知負荷獨立樣本 t 檢定組別統計量 ... 83 表 48 低自然學習成就學生花費心力認知負荷獨立樣本 t 檢定 ... 83 表 49 中自然學習成就學生困難度認知負荷獨立樣本 t 檢定組別統計量 ... 84 表 50 中自然學習成就學生困難度認知負荷獨立樣本 t 檢定 ... 85 表 51 中自然學習成就學生花費心力認知負荷獨立樣本 t 檢定組別統計量 ... 86 表 52 ... 86 表 53 整體學生學習效率與投入分數數值 ... 88 表 54 不同學習成就學生學習效率與投入分數數值 ... 91 表 55 整體學生延後測獨立樣本 t 檢定組別統計量 ... 92 表 56 整體學生延後測獨立樣本 t 檢定 ... 93 表 57 低自然學習成就學生延後測獨立樣本 t 檢定組別統計量 ... 94 表 58 低自然學習成就學生延後測獨立樣本 t 檢定 ... 94 表 59 中自然學習成就學生延後測獨立樣本 t 檢定組別統計量 ... 95 表 60 中自然學習成就學生延後測獨立樣本 t 檢定 ... 96 表 61 整體學生人數、各項測驗平均數及標準差、effect size 摘要表 ... 96 表 62 低自然學習成就學生人數、各項測驗平均數及標準差、effect size 摘要表 ... 97

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表 63 中自然學習成就學生人數、各項測驗平均數及標準差、effect size 摘要表 ... 98 表 64 整體學生認知負荷量表 ... 98 表 65 低自然學習成就學生認知負荷量表 ... 99 表 66 中自然學習成就學生認知負荷量表 ... 99 表 67 後測成績研究結果摘要表 ... 100 表 68 認知負荷研究結果摘要表 ... 100 表 69 延後測成績研究結果摘要表 ... 100 表 70 階段學習成就分析結果摘要表 ... 101 表 71 認知負荷量結果摘要表 ... 102 表 72 ... 103 表 73 延後測分析結果摘要表 ... 104

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圖次

圖 1 Yantis 與 Jonides 突現刺激實驗(Yantis and Jonides 1984) .... 12

圖 2 Yantis 與 Jonides 非突現刺激實驗(Yantis and Jonides 1984) 13 圖 3 Abrupt Visual Onset 實驗結果(Yantis and Jonides 1984) ... 14

圖 4 多媒體訊息處理流程 ... 15 圖 5 視覺通道示意圖以圖像為例 ... 16 圖 6 視覺通道示意圖以印刷文字為例 ... 16 圖 7 聽覺通道示意圖以聲音為例 ... 17 圖 8 視覺訊息轉換進入聽覺通道示意圖以印刷文字為例 ... 17 圖 9 聽覺訊息轉換進入視覺通道示意圖以聲音為例 ... 17 圖 10 聽覺訊息與視覺訊息分別進入聽覺通道與視覺通道示意圖 ... 18 圖 11 聲音與印刷文字進入聽覺通道示意圖 ... 18 圖 12 圖像與印刷文字進入視覺通道示意圖 ... 19 圖 13 實施步驟流程圖 ... 39 圖 14 學習效率圖 ... 69 圖 15 教學投入分數圖 ... 71 圖 16 學習效率與學習投入分數圖 ... 72 圖 17 學習效率與投入分數圖（整體） ... 88 圖 18 學習效率與投入分數圖（不同學習成就） ... 91

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一、緒論

本章共分五節，主要說明本研究之研究動機與背景、研究目的、研究問題、研究範圍與研究限制。

1.1 研究背景和動機

研究者在國中教授自然與生活科技幾年下來察覺，許多學生往往對於較抽象、難理解、微觀世界或同時產生大量訊息的內容無法吸收理解、內化，造成學習速度較緩慢，無法跟上教學進度，導致學業成就低落，甚至內心徬徨無助，進而放棄學習。例如：研究者之前利用傳統板書教學教授「凸透鏡折射成像」，且會帶學生到實驗室完成「凸透鏡的折射成像」實驗，但幾年下來發現，大部分的學生都會反應該單元不易理解、不好學。研究者發現：學生的肉眼無法直接觀察到透明光線的前進，因此無法想像為何光線進入另一介質之後會產生前進方向改變（折射現象），以及折射的光線如何成像、像的性質，如 :正立的像、倒立的像、放大的像、縮小的像、實像、虛像，成像的位置等，許多學生皆無法理解，雖課本也有編實驗加以輔助，但是學生只能觀察到巨觀的實驗結果，對於成像過程無法利用肉眼看到光線如何透過透鏡折射成像，導致學生做完實驗之後在學習成效方面還是很有限，可見研究者過去傳統板書教學，將教材內容整理後，利用粉筆在黑板上書寫重點精華以及圖示，再請學生抄寫板書，並搭配講述式教學，雖有其優點，但在教材的呈現以及修改上，卻有不足的地方，因此對學生而言容易產生迷思概念。如何保留傳統教學的優點，突破限制，彌補其不足，為本研究的最主要的動機。教育部於 2009 年底投入大量經費於國民中、小學進行 e 化教室之建置，幾乎每間教室都有單槍投影機、投影布幕 ( 教育部 2008) 。研究者所任教的學校於 2010 年每間教室皆已安裝完成。

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四年（ 2008 至 2011 年）後，應用資訊科技進行教學的教師數達全國中小學教師數的 90%。教師是引導學生習得資訊科技應用能力與態度的關鍵人物 (教育部 2008)。因此可見資訊融入教學將漸成教學之常態。資訊科技可以促進教育改革，對傳統教學帶來革新 (Dexter, Anderson et al. 1999) 。推動資訊科技融入各領域教學，整合教學、學習和人力資源，可增加教學創新的機會，使教學活動更經濟有效 (何榮桂 2002)。近幾年在學習環境中優先使用多媒體以及視覺工具作為教學工具的趨勢已大幅增加 (Sankey 2003)。更有研究發現 1.學生對資訊科技融入自然與生活科技科教學接受度很高。 2. 資訊科技融入自然與生活科技科教學實施具有相當高的可行性 (汪寶明 2004)。因此研究者開始思考是否利用學校現有的電腦以及單槍投影機進行教學，以弭補研究者過去「凸透鏡折射成像」教學之不足。根據「教育部中小學資訊教育白皮書」：教育部教學資源網，網站內容涵蓋各項學習領域及重大議題的數位教學資源，現有數位資源數量總計 46,876 筆 (教育部 2008)，再加上教科書書商所提供的多媒體數位教學光碟、電子書或利用搜尋引擎進行關鍵字檢索等等，目前中小學教師在資訊融入教學的教學資源方面已有非常多現成的教材可以選擇，且多媒體動畫教學較傳統版書教學更能提升學習的興趣 (陳昌宏 2002)，以及多媒體數位教材的最主要特色在於可以整合不同的多媒體，如 :文字、圖片、聲音、動畫、影片，可以促進閱讀的興趣以及學習者的意願 (Kettanurak, Ram amurth y et al. 2001) 。雖然這些現成的多媒體教材一開始提升了學習者的興趣 ,但是真的能提升學習的成效、協助學生理解教學內容嗎 ?值得進一步討論。當多媒體教材設計不佳時，不但各種媒材間的訊息會相互干擾，同時還會導致學習者認知上的負荷，影響學習成效 (陳彙芳＆范懿文 2000)。如果多媒體教材的所呈現的訊息又多且呈現的步驟又快，學習者還來不及選取相關的文字或圖像，下一段的教學訊息又開始，因此，學習者無法進行較深層的組織以及整合，這種情形將導致訊息量超過學習者的認知容量，影響學習的成效

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(M a yer and M oreno 2003)。PowerP oint 若一次呈現的訊息太多，讓學習者選取、組織、整合訊息困難，形成負荷 (Atkinson and Mayer 2004)。過多的動畫會干擾學習 (Rieber 1996)。在教學設計與教學方法相同的情況下，多媒體電腦輔助教學產生的學習成效與傳統教學法產生的學習成效無顯著差異，即單純使用多媒體電腦輔助教學並不能顯著提高學生的學習成效 (Zhang 2007) 。 PowerPoint 教學簡報中，若出現不相關的教學素材，將會影響學習者的學習成效 (Bartsch and Cobern 2003) 。若同一時間呈現的教學訊息愈多，學習者理解的反而愈少 (Mayer, Heiser et al. 2001) 。學校推廣資訊融入教學之際，應該注意其教材設計在學生學習上所產生的認知負荷相關問題 (王全興 2008)。由上述可知 :1.若多媒體教材中出現太多非必要的多媒體元素，在理解教材內容方面並沒有產生更顯著的結果，甚至將會干擾學習者學習，降低學習的成效。 2. 設計多媒體教材時，若未妥善地運用的認知策略，將可能產生訊息處理的干擾，增加學習者認知上的負荷，而降低了學習的成效。因此，如何設計多媒體教材才能降低學習者學習過程中的認知負荷，有效提升學習的成效，為本研究的最重要的課題。由於 Microsoft PowerPoint 容易上手，具高普及性，且容易修改，因此研究者選用 Microsoft PowerPoint 製作「凸透鏡折射成像」教學多媒體。自製教學媒體開發不易，但卻最合乎學生的需要 (張霄亭譯。 Heinich 2002)，以下為本教材設計時的主要理論依據： 1.Mayer 和多位學者經過多年實驗研究，提出十二個多媒體學習的設計原則 (Clark and Mayer 2011) 。

2.Sweller 等人歸納認知負荷理論在各學科領域的研究結果，提出十四項教學設計原則 (Sweller 2010)。

3.在 Yantis 與 Jonides 所設計的實驗結果支持突現刺激 (abrupt onset) 可以自動快速地的捕捉視覺注意力 (Yanti s and J onides 1984) 。

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方式，因此教學設計是很重要，若設計得好，則可以降低學習過程中的認知負荷，並且協助基模建立 (Sweller 1989])。本數位教材即在 Microsoft PowerPoint 作業環境下，在增益集外掛由陳明璋博士所研發的 AMA (Activate Mind Attention) 為教材設計輔助工具 (陳明璋 2008)，設計出符合視覺注意力引導且高度彈性呈現的數位教材，讓授課者能依教學現場需求，適時地突顯最主要的教學訊息以及訊息之間的關聯，或適時地隱藏其他無關的訊息，將注意力引導到最主要的教學訊息上，協助降低學習者選取訊息的困難度，且能讓學習者可以組織、整合授課者傳達的訊息，讓該訊息可以在工作記憶區中有效地處理，進而轉換成基模進入長期記憶中，提升學習成效 (Chen, Wu et al. 2008) 。綜合以上所述：本研究嘗試以視覺注意力引導的角度出發，結合多媒體學習理論、認知負荷理論的觀點，設計出「凸透鏡的折射成像」多媒體教材，並使用該教材對國中九年級自然科中、低學習成就的學生進行補救教學，探討該教材設計是否能降低學習過程中的認知負荷，提高學習成效。

1.2 研究目的

基於上述研究的背景和動機，本研究擬達成以下目的： (一 ) 了解以「視覺注意力引導」與「一般傳統圖文簡報教材」所設計之凸透鏡折射成像多媒體教材運用於國中自然科「凸透鏡的折射成像」補救教學下，對學生的階段學習成就表現之影響。 (二 ) 了解以「視覺注意力引導」與「一般傳統圖文簡報教材」所設計之凸透鏡折射成像多媒體教材運用於國中自然科「凸透鏡的折射成像」補救教學下，對學生的認知負荷之影響。 (三 ) 了解以「視覺注意力引導」與「一般傳統圖文簡報教材」所設計之凸透鏡折射成像多媒體教材運用於國中自然科「凸透鏡的折射成像」補救教學下，學生的階段學習成就表現與認知負荷之間是否存在相

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關。 (四 ) 了解以「視覺注意力引導」與「一般傳統圖文簡報教材」所設計之凸透鏡折射成像多媒體教材運用於國中自然科「凸透鏡的折射成像」補救教學下，對學生的延後測表現之影響。

1.3 研究問題

綜合之前的說明，本研究將國中自然科光學中「凸透鏡折射成像」單元設計成符合「視覺注意力引導」的多媒體數位教材，並運用於補救教學，檢視對「整體」以及「中、低學業成就」的學生在「學習成就」和「認知負荷」是否產生影響為本研究主軸，因此本研究的問題如下： (一 ) 依照「視覺注意力引導」所設計的「凸透鏡折射成像」多媒體數位教材，運用於國中自然科光學補救教學，對整體學生以及自然科中、低學業成就的學生，在階段學習成就的影響為何？ (二 ) 依照「視覺注意力引導」所設計的「凸透鏡折射成像」多媒體數位教材，運用於國中自然科光學補救教學，對整體學生以及自然科中、低學業成就的學生，在學習過程的認知負荷的影響為何？ (三 ) 學習成就與認知負荷量之間的相關性為何？ (四 ) 依照「視覺注意力引導」所設計的「凸透鏡折射成像」多媒體數位教材，運用於國中自然科光學補救教學，對整體學生以及自然科中、低學業成就的學生，在延後測的影響為何？

1.4 研究的範圍

1.4.1 教材內容

本研究所發展的教材內容以國中八年級自然與生活科技領域第三冊第四章第三節「光學」單元中「凸透鏡折射成像」的為主題（康軒版，民國 100 年 9 月再版，國民中學自然與生活科技教

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科書第三冊）。

1.4.2 研究對象

研究者所任教之學校於第八節輔導課班編班時，教務處將九年級所有自願參加第八節輔導課的學生，學業全年級排名 140 名之前 (即學業成就高 )的學生集中教學，而學業年級排名 140 名之後 (即學業成就中、低 )的學生，教務處則將學生隨意編班，進行補救教學。研究者研究的對象即任教學校中九年級學業成就中、低且自願參加第八節輔導課的學生所組的班級，研究者並依研究對象九年級上學期三次自然科定期評量之平均成績進行獨立樣本 t 檢定，選擇其中四個成績無顯著差異之班級學生作為研究對象。

1.5 研究的限制

1.5.1 主題限制

本研究僅針對國中自然科光學單元中的「凸透鏡折射成像」補救教學討論，因此對於不同的自然科主題或不同的領域仍需設計不同的實驗與教材加以印證，無法類推。

1.5.2 抽樣的限制

基於受試學生的受教權，以及不影響研究者任教學校的正常運作，因此義務教育時間內無法將受試學生進行隨機抽樣，只能以教務處編的班級採取便利抽樣。

1.5.3 母群體限制

本研究因人力、物力、時間等因素的限制，僅能以研究者所任教之苗栗縣立某國中九年級第八節輔導課編班，其中四個學業成就中、低學生所組成班級做為施測母群體，易有代表性不足之

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疑慮，因此研究結果有侷限性，無法推論至全國國民中學的學生。

1.5.4 受試人員限制

抽樣出來的四個班級中，有三個班級為研究者原本的授課班級，另一個班級平常並非研究者所任教，但該班級暑期輔導課自然科為研究者所任教，所以對研究者有一定的熟悉度，為求謹慎，教學實驗之前，到該班級代課兩堂，複習與教學實驗無關的單元。

1.5.5 施測時間限制

班級的教學與施測時間點稍不相同，稍微影響

1.6 名詞解釋

1. 視覺注意力引導：在 Yantis 與 Jonides 所設計的實驗可以發現：「突現刺激」可以減少搜尋時間以及可以捕捉視覺注意力 (Yantis and J onides 1984) 。 2. 突現刺激 (abrupt onset) ：目標物突然出現在畫面中空白處，可以提升搜尋效率以及可以捕捉視覺注意力 (Yantis and Jonides 1984) 。

3. 非突現刺激 (no-onset) ：目標物由原來的物件演變形成，目標物出現的位置，原來就有其他物件。

4. 認知負荷：個體在執行某種工作、作業或任務的過程中，個體所感受到的心智負荷與心智努力的負載狀態，且就訊息處理理論而言，「認知負荷」係指工作記憶的負荷 (working memory load )(陳密桃 2003)。

5. 自然科學業成就高：九年級上學期三次自然科定期評量之平均成績在整個九年級前 27％。 (吳明隆 2011)

6. 自然科學業成就中：九年級上學期三次自然科定期評量之平均成績介於整個九年級前 27％ ~後 27％之間。 (吳明隆 2011)

(22)

7. 自然科學業成就低：九年級上學期三次自然科定期評量之平均成績在整個九年級後 27％。 (吳明隆 2011) 8. 學習成效：學習成效是指受試學生經過教學實驗之後，能利用所學解決問題的能力，本研究之「學習成效」之操作型定義為教師自編「凸透鏡折射成像」單元成就測驗之分數，包含記憶與理解兩種題型。 9. 多媒體學習： Clark 和 Mayer(2003)將多媒體學習定義為從使用文字（包含印刷文字、口述文字）和圖像（包含插圖、圖片、照片、地圖、動畫、影像）共同呈現之材料來學習，因此可將多媒體學習稱之為雙碼學習 (dual-code learning)或雙通道學習 (dual-channel learning) (M a yer and Moreno 2003) 。

10. 一般傳統圖文簡報教材：傳統教科書串流式版面配置方式呈現或書商製作的教學簡報，一次呈現大量的教學圖文訊息。 11. 注意力 (Att ention)：注意力是指個體對情境中的眾多刺激，只選擇其中一個或一部份去反應，並從而獲得知覺經驗的心理活動（張春興， 1989)。在人類訊息處理中有重要作用，它具有選擇功能、維持功能、調節功能和整合訊息的功能。 12. AMA 系統：國立交通大學陳明璋教授於 2002 年成立 Informath 工作室，以 PowerPoint 簡報系統為平台，結合軟體中的優點，針對軟體的缺點改善，重新組成增益集，開發出 Mathematical Presentation S yst em（數學簡報系統， MathPS ），原本是以數學科教材設計及教學開發為出發點，後因不斷開發創新，不再侷限在數學科，涵蓋數學教育、視覺設計、以及計算機圖學方面等，因此改名為 Activate Mind Attention 系統（簡稱 AMA），使其運用的範圍更廣 (陳明璋 2008; 轉引自謝東育 2009)

(23)

二、文獻探討

本章共分五節，主要對視覺注意力引導、多媒體學習理論、認知負荷理論、透鏡成像迷思概念及補救教學進行文獻探討。

2.1 視覺注意力引導

實驗心理學家 Treicher 經由大量的心理實驗，發現 83％的人類是通過視覺從獲得外界的資訊，換言之，資訊透過視覺接收是最容易被大部分的人所接受且有效的方式 (Treicher 1967)。學習的首要步驟在「注意」，否則不能處理訊息，亦不可能接受或認知 (朱敬先 2002) 。教學的過程若能主動吸引學生的注意力，學習者才會有機會進一步將教學內容組織與整合。因此，如何設計多媒體教材才可以捕獲學生的視覺注意力是非常重要的一個課題。

2.1.1 注意力的定義

以下為國內外學者對於注意力的定義，見下表 1：表 1 注意力的定義學者注意力的定義張春興 1989 個體對情境中的眾多刺激，只選擇其一個或一部分去反應，並從而獲得知覺經驗的心理活動。鍾聖校 1990 是一種專注的覺醒狀態，伴隨著清晰的感覺、知覺和中樞神經系統對刺激做反應的預備狀態。宋淑慧 1992 注意力的作用在於選擇反應，而不在於選擇刺激。彭聃齡&張必隱 2000 注意力是一種有意識和受控制的活動，具有意識的指向性及集中性的特點。鄭昭明 2004 是指從事某種作業時心智活動的分配。（接下頁）

(24)

表 1(續)

Das, Naglieri et al. 1994 注意力是在「顯著的清晰 (sensible clearness)」或「清楚的知覺(clarity of sensation)」的項目。李玉琇&蔣文祁 2009 注意力(attention)指的是我們主動處理有限的訊息，這些訊息來自我們的感官、我們所儲存的記憶以及其他認知歷程所可獲得的大量訊息，它包含了意識和潛意識的歷程。 Broadbent 1957 注意力的作用在於選擇刺激，防止個體傳遞訊息的能力超載；注意的功能是選擇或接受某些資料而排除其餘者。 Kahneman 1973 是一種具有限容量之資源，與努力集中之特性。資料來源：修改自余鳳庭 2009

2.1.2 突現刺激(abrupt onset)與捕捉視覺注意力 (capture

visual attention)

在 Yantis 與 Jonides 的研究中所設計的實驗結果支持突現刺激 (abrupt onset) 可以自動快速地的捕捉視覺注意力，實驗過程說明如下 (Yantis and Jonides 1984 [47]):

7. 如果目標英文字母 (刺激物 )「」，是由圖 1(3)中三個位置指標「」其中任一個逐漸演變形成，且其畫面中空白的地方「突然出現」的英文字母並非實驗一開始指定的目標英文字母，以上的「」則稱

(27)

為「非突現刺激」 (no-onset)，如圖 2。

（1）（2）（3）

（4）（5）（6）

圖 2 Yantis 與 Jonides 非突現刺激實驗(Yantis and Jonides 1984)

實驗發現，利用回應時間當 Y 軸，顯示畫面的大小（刺激物的數量）當 X 軸，突現刺激所畫出的斜直線斜率幾乎為零，突現刺激 (abrupt onset) 的搜尋速度較非突現刺激 (no-onset) 更快，由此可知，將受試者主動注意的部分控制住，當目標英文字母突然呈現在空白的無位置指標的畫面上，突現刺激可以增加視覺搜尋效率，以及捕捉注意力見下圖 3。

(28)

圖 3 Abrupt Visual Onset 實驗結果(Yantis and Jonides 1984)

2.2 多媒體學習理論

本節將針對多媒體學習理論及多媒體學習理論教學設計原則等進行介紹。

2.2.1 多媒體學習的定義

多媒體學習 (Multimedia Learning)被定義為利用「文字」與「圖像」呈現教材內容並進行學習 (Mayer 2001)： (一 )文字包含了印刷文字與口述文字。在紙張上印刷或是在螢幕上呈現的字幕皆可歸類為印刷文字；而口述文字則為旁白、演講者說出來的話等。 (二 )圖像包括靜態與動態。靜態的例如：照片、圖畫、圖表、地圖等；而動態的例如：影片或動畫等。因此，多媒體學習也可以被認定為雙通道 (dual-channel) 學習或雙碼 (dual-code)學習 (Mayer 2009)

2.2.2 多媒體訊息處理的流程

學習者接收多媒體訊息之後，將進行以下三階段的認知處理流程，如圖 4：

(29)

(一 )選取相關訊息：學習者經由耳朵與眼睛接收到文字或圖像的多媒體訊息之後，會分別形成視覺與聽覺表徵，接著自動選取有意義的相關文字或圖像，並且儲存在工作記憶區中。 (二 )組織已選擇的訊息：先前自動選取的文字與圖像在工作記憶區中進行組織形成具有連貫、結構性的語文模型和圖像模型。 (三 )新訊息與既有知識整合：語文模型及圖像模型在工作記憶區中彼此聯結、配對，並與長期記憶中原先既有的相關先備知識形成外在關聯，並進行整合，讓訊息產生意義。圖 4 多媒體訊息處理流程資料來源：修改自 (Mayer 2009)

2.2.3 多媒體學習理論的三大基本假設

多媒體學習理論有三個基本假設，分別為雙通道假設 (Dual -channel Ass umption) 、有限容量假設（ Limit ed -capacit y Assumption ）及主動處理假設（ Acti ve-proces sing Ass um ption ） (M a yer 2001) ，分述如下：

(一 )雙通道假設：

根據 Paivio 所提出的雙碼理論 (Clark and Paivio 1991) 以及 Baddel e y 的工作記憶模型 (Baddel e y 1992)，Ma yer 認為處理視覺訊息的視覺通道以及處理聽覺訊息的聽覺通道的兩個通道是互相分開的獨立通道：

(30)

1. 視覺通道：當眼睛接收到視覺訊息時，會經由視覺通道進入工作記憶區，如圖像、印刷文字等 (Mayer, Heiser et al. 2001) ，見下圖 5 與下圖 6。圖 5 視覺通道示意圖以圖像為例資料來源：修改自(Mayer 2005) 圖 6 視覺通道示意圖以印刷文字為例資料來源：修改自(Mayer 2005) 2. 聽覺通道 :當耳朵接收到聽覺訊息時，會經由聽覺通道進入工作記憶區，如聲音等 (Mayer 2001) ，見下圖 7。

(31)

圖 7 聽覺通道示意圖以聲音為例資料來源：修改自(Mayer 2005) 在雙通道假說中，有經驗的學習者不管訊息用哪一種方式收錄，皆可以將兩個通道收到的訊息相互轉換，說明如下： 1. 印刷文字訊息雖然經由眼睛接收，但有經驗的學習者卻可以將印刷文字訊息轉換成聲音，並在工作記憶區中形成語文模型與先備知識進行整合，見下圖 8。圖 8 視覺訊息轉換進入聽覺通道示意圖以印刷文字為例資料來源：修改自(Mayer 2005) 2. 聲音訊息雖然經由耳朵接收，但有經驗的學習者卻可以將聲音訊息轉換成圖像，並在工作記憶區中形成圖像模型與先備知識進行整合，見下圖 9。圖 9 聽覺訊息轉換進入視覺通道示意圖以聲音為例資料來源：修改自(Mayer 2005) 因此，如果學習者同時使用視覺通道以及聽覺通道進行學習，工作記憶區不會超過容量限制，訊息收錄更為快速，學習成效可以提升，所以能達到好的學習效果，見下圖 10。

(32)

圖 10 聽覺訊息與視覺訊息分別進入聽覺通道與視覺通道示意圖資料來源：修改自(Mayer 2005) 反之，當學習者接收訊息時，若所有的訊息皆經由同一個通道收錄，工作記憶區將超過容量限制，訊息收錄會變慢，則學習成效將會降低： 1. 例如 : 印刷文字和聲音同時呈現時，兩者訊息在工作記憶區中同時使用聽覺通道，見下圖 11。圖 11 聲音與印刷文字進入聽覺通道示意圖資料來源：修改自(Mayer 2005) 2. 例如：印刷文字和圖像同時呈現時，兩者訊息皆經由視覺通道進入工作記憶區，見下圖 12。

(33)

圖 12 圖像與印刷文字進入視覺通道示意圖資料來源：修改自(Mayer 2005) (二 )有限容量假設：視覺通道與聽覺通道同一時間所能處理的訊息量有限，因此當大量的訊息湧入時，學習者無法接收所有的訊息，僅有少部分的訊息能保留在工作記憶中，所以工作記憶區容量有限，但長期記憶區容量無限。 (三 )主動處理假設：當學習者接收到新的訊息時，會主動將其與長期記憶中的既有經驗、基模和先備知識一併整合，進行認知處理

2.2.4 多媒體學習理論教材設計原則

(一 )多媒體原則 (M ultim edi a P rinciple)

「文字 +圖像」並用的教材設計，學習效果比僅用「文字」更好，也就是以多媒體組合呈現教材的形式勝過以單一媒體的形式呈現之教材。

(二 )空間接近原則 (Spati al C onti guit y Pri nciple) ：

設計教材時，若圖像與相關的說明文字相對位置較近，學習者的學習成效會比相對位置較遠時更好。因為圖像與說明文字的相對位置較近時，學習者的視覺可以快速搜尋相關的教學訊息，不會讓認知資源浪費在搜尋教學訊息，因此學習者可將更多的認知資源專注於其它訊息上，故可以提升教學成效。

(34)

(三 )時間接近原則 (Temporal C onti guit y Pri nciple) ：當對應的視覺與聽覺教材同時呈現，其教學成效比接續出現的成效更好。人類的短期記憶容量有限，若學習者在聽完教學訊息之後才開始播放相關視覺訊息，此時學習者為了保留先出現的訊息，將會耗費認知的空間，因此較無法在容量有限的工作記憶區內同時留住，較難以將兩者之關聯建立，所以學習成效因此而降低。

(四 )形式原則 (Modalit y Principl e)：

對學習者而言，「動畫＋旁白」的學習成效會比「動畫＋字幕」更佳。因為「動畫 +字幕」設計的教材，動畫與字幕同時呈現時，視覺通道同時湧進動畫與文字訊息，視覺通道將會阻塞，造成認知負荷過重，或者，眼睛必須來回搜尋動畫與字幕的關聯性，導致無法完整接收訊息，導致之後的組織以及整合作業無法順利進行。反之，若使用「動畫 +旁白」設計教材時，動畫是視覺訊息，經由視覺管道接收，而旁白則是聽覺訊息，利用到聽覺管道接收，兩個通道同時使用時，學習者的學習成效較好。

(五 )重複原則 (R edundanc y P rinci ple)

「圖像 +旁白」的教材設計比用「圖像 +旁白 +字幕」的教材設計讓學習者獲得更佳的學習成效。因為圖像與字幕皆是經由視覺通道接收，同時呈現的話會同時佔用視覺通道，而造成認知負荷過重，因此使用「圖像 +旁白」學習成效較佳。但以下的情況，字幕的出現對於學習是有幫助的 : （ 1）旁白並非學習者的母語，或是口語的內容對於學習者而言太過於困難且有不熟悉的關鍵字；（ 2 ）多媒體教材沒有圖像可呈現；（ 3）圖像與字幕循序呈現或呈現的速度較慢。 (Mayer 2009)

(六 )連慣性原則 (Coherence Pri ncipl e)

(35)

像，將會降低學習者的學習成效。與教學無關的訊息可能會占用工作記憶區中的認知資源，會使學習者分散注意力。因此屏除與教學目標無關的聲音、文字或圖像，將可提升學習者的學習效果。 (七 )個人化原則 (Pers onalization Pri ncipl e)

數位教材設計時，使用「我」和「你」第一、二人稱的對話方式，盡量避免使用第三人稱，並且以對話的方式設計教材會比使用形式化的方式設計之教材更好，因為學習者會覺得教學者好像就交談的對象，所以學習者會更專注於教學者想要傳達的訊息，可提升學習者的學習動機。

(八 )圖像原則 ( Image Princi ple)

當教學的畫面中出現了教學者的圖像時，學習者的學習成效並不一定會比較好。因為教學者或演講者的影像會干擾學習者，產生額外的處理過程。 (九 )聲音原則 (Voi ce P rincipl e) 教材的旁白講述若使用「人聲」呈現會比「機器聲」呈現更佳。

(十 )分割原則 (S egm ent ation P rincipl e)

當教材內容對於學習者而言較複雜、教材展演速度較快或很陌生時，此時可以使用分割原則。因為當多媒體教材以連續不間斷的方式展演時，將會造成學習者認知負荷超載，降低學習成效；此時，可使用分割原則將教材內容分割成數個小部分，並設計讓教學者或學習者能操控教學，依個人步驟進行學習，讓學習者有充分的時間可以對於選擇文字及影像進行組織及整合，完全了解教學內容之後再進入下一個步驟。 (十一 ) 事先訓練原則 (Pre-training Principle) 類似預習的效果，讓學習者在正式學習之前就已先知道主要概念特徵與教學內容的專有名詞，先幫學習者建立起基本基模，

(36)

當正式學習開始時，先前建立的基本基模可以協助教學內容建立關聯，使學習者學習更深入，有效提升學習成效。 (十二 ) 信號原則 (Signaling Principle) 設計多媒體教材適時加入可以提示教學內容重點之信號，可以引導學生將注意力投注於重要的教材內容之上，避免認知資源的浪費，因此可以提升學習者對於教學內容的理解程度。常用的方法如下表 2：表 2 信號原則的使用方式分類特徵使用方式語言信號 Verbal Signaling 大綱 Outline 課程還未開始解說之前，先將大綱呈現出來標題 Heading 每一節一開始就先加入標題，而此標題與大網有密切的關係強調聲音 Vocal emphasis 以較大的音量或是較慢的速度念出關鍵字指標字 Pointer words 在文中加指標字，如：首先…第二… 第三… 視覺信號 Visual Signaling 箭頭 Arows 利用箭頭指出圖像中重要的部位特殊顏色 Distinctive colors 利用特別顯目的顏色強調圖像的概念閃爍 Flashing 利用閃爍的方式顯示圖像的特定部位指示手勢 Pointing gestures 利用手指圖案，指向圖像的某個部分淡化 Graying out 將圖像目前還未強調的部位的顏色變淡，讓正在強調的部分能夠得更多的注意力資料來源：整理自 Mayer 2009

2.3 認知負荷理論

(37)

本節將介紹澳洲心理學家 Sweller(1988)所提出的「認知負荷理論」 (Cognitive Load Theory, CLT) 。

2.3.1. 認知負荷的定義

以下為國內外研究者對於認知負荷的定義，見下表 3: 表 3 認知負荷的定義，整理分述如下：研究者定義 Sweller 1994 學習者在問題解決時花費太多的心力於解題的技巧，所以必須使用大量的認知記憶能力，導致沒有多餘的認知能力來從事新的學習以獲得基模。所以，將認知負荷定義為執行特定的任務時加諸於個人認知系統的負荷。 Paas 1992 認知負荷是一種多向度的概念，包含兩種面向：一是「心智負荷」(mental load)，二是「心智努力」(mental effort)；因此 Paas 認為，若個體對於學習內容所知覺的困難度越大，或者個體在心智上更需努力，則認知負荷就會越大。因此，給予學習者的工作任務太過困難，或工作需要投入極大心力，都將容易加重認知上的負荷(轉引自謝東育 2009)。陳密桃 2003 個體在執行某種工作、作業或任務的過程中，個體所感受到的心智負荷與心智努力的負載狀態，且就訊息處理理論而言，「認知負荷」係指工作記憶的負荷 (working memory load) 。

宋曜廷 2000 指在執行某種作業的過程中，因作業特性所需的認知能量 (capacities)或認知資源(resources)而造成認知系統(特別是工作記憶)的負載狀態。綜合上述各學者對認知負荷所做的定義，本研究所指之「認知負荷」為研究者利用視覺注意力引導所設計的動態數位教材，在第八節輔導課對國中九年級進行凸透鏡折射成像補救教學，學習者在進行學習時，多媒體教材的設計對學習者認知系統 (特別指

(38)

工作記憶 )所產生的負荷。

2.3.2. 認知負荷的基本假定

認知負荷理論對人類認知結構有四項基本假定，分述如下 (一 )工作記憶區 (Worki ng M emor y) 的容量有限根據 Baddeley (1992) 的工作記憶理論，訊息的處理主要在工作記憶中。 Miller(1956)研究發現，一般人只能記下 7± 2 個單位，但是真正操作處理的，只有 2～ 4 個單位，若未經複誦，大約 20 秒隨即消失 (Miller 1956)，可見人類的工作記憶容量很小且容量有限制，訊息停留時間極為短暫。 (二 )長期記憶區 (Long-term Memory)的容量無限訊息經過工作記憶中的處理後會進入長期記憶區，長期記憶區的儲存量不但無限，同時也是永久的 (張春興 1996)。長期記憶中儲存的訊息都是經過處理，有組織的基模 (schema)；專家和生手在面對新的學習時的差別，即專家在長期記憶中存有大量的解決方法，擁有較多的基模，可以快速地在其中尋求解決之道，而生手的長期記憶中沒有相關解決問題的基模，就只能在工作記憶區中不斷地推理和搜尋，因此會耗費大量的工作記憶容量，增加了認知負荷。 (三 )知識和技能是以基模（ S chem a）的型態儲存於長期記憶區中學習所得知識概念或技能從簡單到複雜，由粗糙到精緻的過程，以基模的形式進行編碼，最終存於長期記憶中，此過程會發展出專門的知識以及複雜的工作技能。基模主要功能有二：其一、基模在長期記憶中提供組織與儲存訊息的功能，其二、基模在工作記憶中處理新訊息，將眾多訊息組成一個較複雜的基模，形成一個單一的處理單位，因此，可使工作記憶區釋放出更多的資源空間，達到降低工作記憶區的認知負荷。 (四 )基模運作自動化是基模建構的重要過程人類處理訊息的模式有兩種，一種是透過意識的控制式（ Controlled Processing ）處理，一種是不透過意識的自動式

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（ Automatic Processing ）處理 (Sweller, Van Merrienboer et al. 1998)。控制處理在工作記憶區中運作時，需運用意識控制，所以會佔據許多工作記憶區容量；而自動化 (automatic) 處理則完全不同，藉由不斷地反覆練習，將基模運作自動化之後，很少運用意識控制，因此可以節省工作記憶的認知資源，降低認知負荷。由以上可知，基模運作自動化 (schema automation ) 將可節省許多工作記憶的認知資源，釋放工作記憶容量，因此可以同時對更多訊息作更深入更順暢的處理，故基模的自動化是基模建構過程中很重要的步驟。综合上述可以得知：工作記憶是有限的，而長期記憶是無限的，工作記憶在運作過程中，需從長期記憶中檢索提取既有相關的知識基模，進行整合以解決問題。所以，如果無法從長期記憶中有效提取相關基模來處理新訊息時，可能會因此而消耗過多的工作記憶的認知資源，因而產生不同類型的認知負荷。

2.3.3. 認知負荷的類型

新的訊息必須在工作記憶區處理形成基模之後才能進入長期記憶區，而在此處理的過程中所產生的認知負荷， Sweller 分為三種主要型式：內在認知負荷 (intrinsic cognitive load) 、外在認知負荷 (extraneous cognitive load) 、增生認知負荷或稱為有效認知負荷 (germane cognitive load) (Sweller, Van Merrienboer et al. 1998) 。

(一 ) 內在認知負荷：

內在認知負荷取決於教材本質上的複雜度、困難度 (元素間的關聯程度 )以及學習者本身的程度 (所具備的先備知識或經驗 )之間的交互作用 (Paas, Tuovinen et al. 2003)。若教材原本的結構困難度很高，學習者需要在工作記憶區中不斷處理關聯性高的元素，將造成較高的認知負荷而降低學習的成效，相反的，若教材內容簡單，則不需同時將大量元素置入工作記憶區中，即可對各元素有所理解，故其內在認知負荷較低。除了教材外，學習者本身的專

(40)

門知能及先備知識也是內在認知負荷的來源，高先備知識者因為擁有自動化的基模，因此當新的訊息進入工作記憶，便能迅速與自動化的基模進行整合，可以減少工作記憶的消耗，降低內在認知負荷，反之低先備知識者，因長期記憶區中缺少相關基模，所有新的訊息必須在工作記憶區中單獨地不斷進行處理，則易消耗工作記憶區，造成更大的認知負荷 (Van Merriënboer and Sweller 2005) ，可見雖然同一份教材，由於每位學習者的先備知識不同，因此對於不同的學習者將產生因人而異的內在認知負荷。由上述可知內在認知負荷是基本的負荷，無法經由教學設計來改變，然而可利用學習者基模的獲得和自動化來降低。近年來相關的研究更進一步提出有效管理內在認知負荷的教學策略，例如可以將複雜的教材切割成較小的部分，阻隔教材內部元素之間的互動，讓學習者可以從同時一次處理大量的複雜的教材變成分批處理 (Kalyuga 2009)。設計教材時，雖然不能直接改變教材本身內在認知負荷，但可以間接地管理。 (二 ) 外在認知負荷：指學習者感受到心智負荷，但卻無法達到學習目標且浪費有限的認知資源 (Clark, Nguyen et al. 2006) ，因此又稱之為壞 (bad) 的、無益的 (unproductive) 和非建設性的 (non-constrctive) 負荷 (Kal yuga 2009)。主要來自不佳的教學方法、教學設計及多媒體展演形式等所影響 (Paas, Tuovinen et al. 2003)。教材呈現與組織方式的不同，對學習者來說會造成不同程度的負荷 (Gerjets and Scheiter 2003)。因此，改善教材呈現形式、組織方式或教學程序，可以降低外在認知負荷，提升學習成效。

(三 ) 增生 (有效 )認知負荷：

來自於學生專注於處理、理解學習內容的過程或基模建構的認知過程 (Gerjets and Scheiter 2003; Renkl and Atkinson 2003) ，雖然會增加學習者的負荷感，但能協助基模的建構。當內在認知負荷與外在認知負荷之總和未超出學習者的能力範圍時，適當的引

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入有效認知負荷才能有效提昇學習。

認知負荷理論認為內在認知負荷、外在認知負荷和增生 (有效 ) 認知負荷具有相加性，三者總和為人類的總認知容量 (Paas, Tuovinen et al . 2003) ，即人的工作記憶區是有容量上的限制，所以學習時這三種認知負荷的總和不能夠超過工作記憶的容量，否則就會影響學習的成效 (Sweller, Van Merrienboer et al. 1998) 。

內在認知負荷無法經由教學設計來降低，但可以經由基模的建構和自動化來降低，降低之後便可以挪出更多的認知容量，以容納更多的外在認知負荷。適當的教材呈現方式，可以降低外在認知負荷，也可以協助學習者將學習內容進行組織、整合及基模建構 (Brunken, Plass et al. 2003) 。

2.3.4. 認知負荷教學設計效應

為了能讓教學者設計教學內容與教學展演時有準則， Sweller 提出十四項因教學設計所產生的效應 (Sweller 2010) ，希望藉由這些教學設計所產生的效應能引導學習者降低認知負荷，提升學習成效。教學設計原則與其主要影響的認知負荷類型，茲分別說明如下：

(一 )開放目標效應（ Goal Free Effect ）－外在認知負荷

傳統的單一目標教學方法也就是找出標準答案的解題方式，限制學習者的想法，使學習者限制在框架內進行認知處理，容易造成工作記憶區的超載。開放目標就是讓學習者在盡可能地表達個人思考過程中任何步驟或結論，給予學習者自由思考的空間，不受教師目標的限制 (Sweller 2004)。

(二 )解題範例效應（ Worked Exam pl e Effect ）－外在認知負荷

如果學習者是初學者，教師在教導程序性的知識時，若可以呈現適當的步驟化解題範例，讓其閱讀參考，可以降低資源耗費並減少學習時間，會比初學者自己探索解決來得好。即解題範例能減少外在認知負荷 (Sweller 2004)，降低工作記憶區的負荷，因此可以協助學習者建構基模。

(42)

(三 )完成問題效應（ Complet ion Probl em Effect ）－外在認知負荷上述解題範例雖有助於學習者進行學習，但是並非每個學生都會仔細的閱讀解題範例，且題目與解答同時置入工作記憶區，同時佔據工作記憶區，易造成外在認知負荷，因此將上述的解題範例進行修改，保留部分解題步驟，剩下的由學習者自己完成解題，完成問題效應與解題範例效應一樣，能降低外在認知負荷，促進基模建立 (Sweller, Van Merrienboer et al. 1998) 。

(四 )分散注意力效應（ S plit-att ent ion Effect ）－外在認知負荷

分散注意力效應常發生在真實的教育環境，例如 :學習時，學習者常需要整合許多訊息，若這些訊息的呈現安排在不同的位置（例如 : 圖形與解說文字分離放置）、或出現時間不一致（例如 : 動畫和語音未能適當搭配），學習者需要在相關的訊息之間來回搜尋與比對，分散注意力效應就會發生，因此浪費了大量的工作記憶資源，使認知負荷增加 (Sweller, Van Merrienboer et al. 1998)。 (五 )冗餘效應（ R edundanc y Effect ）－外在認知負荷當學習者所面對的教學訊息單獨呈現不需相互參照整合就能理解就可以理解時，不需再以不同樣貌的同時呈現，若同一訊息同時出現不同的呈現樣貌，將同時佔據工作記憶區，冗餘效應就會發生，例如 :當圖片與文字分別都能解釋內容時，若二者同時放置一起，將強迫學習者去建立二者間的關聯，此舉非但不能加強學習效果，反而會造成認知負荷 (陳彙芳＆范懿文 2000) (六 )形式效應（ Modalit y Effect）－外在認知負荷 Baddel e y (1976 ) 提出工作記憶的運作，包含主要的中央執行系統，以及視覺空間掃描系統與語音迴路系統，兩大輔助系統獨立處理視覺及聽覺的訊息。當學習者處理訊息時，若經由視覺以及聽覺管道分別處理不同性質的訊息，分擔工作記憶對於訊息處理的負荷量，比只經由單一管道處理訊息，學習成效更佳。例如 : 「圖片 +印刷文字」的教材呈現方式，因為圖片訊息與印刷文字訊息皆必須由視覺通道處理，會產生爭道的問題，分散了注意力，因此學習成效不佳；反之，若將文字的部分改成口語解說，即以

視覺注意力引導在動態數位教學設計上對學習成效與認知負荷之影響-以國中「凸透鏡折射成像」補救教學為例

國立交通大學

理學院（科技與數位學習）學程

碩 士 論 文

視覺注意力引導在動態數位教學設計上對

學習成效與認知負荷之影響

- 以國中「凸透鏡折射成像」補救教學為例

The Effect of Visual Attention Guiding on Dynamic Digital Instructional

Design in Learing Achievement and Cognitive Load：

Remedial Instruction of the Formation of Images by Convex Lenses in

the Junior High School as An Example

研 究 生

：

張世彥

指 導 教 授

：

李榮耀 教授

視

覺注意力引導在動態數位教學設計上對學習成效與認知負荷之影響

- 以國中「凸透鏡折射成像」補救教學為例

The Effect of Visual Attention Guiding on Dynamic Digital

Instructional Design in Learing Achievement and Cognitive Load：

Remedial Instruction of the Formation of Images by Convex Lenses in

the Junior High School as An Example

研 究 生 ： 張世彥

Student ： Shih-Yen Chang

指導教授 ： 李榮耀 教授

Advisor ： Dr. Jong-Eao Lee

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 2012

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

視覺注意力引導在動態數位教學設計上對學習成效與認知負荷之影響

-以國中「凸透鏡折射成像」補救教學為例

學生：張世彥

指導教授：李榮耀 教授

國立交通大學理學院科技與數位學習學程

The Effect of Visual Attention Guiding on Dynamic Digital

Instructional Design in Learing Achievement and Cognitive Load：

Remedial Instruction of the Formation of Images by Convex

Lenses in the Junior High School as An Example.

Student：Shih-Yen Chang

Advisor：Dr. Jong-Eao Lee

Degree Program of E-Learning

National Chiao Tung University

一 、 緒 論

1.1 研究背景和動機

1.2 研究目的

1.3 研究問題

1.4 研究的範圍

1.4.1 教材內容

1.4.2 研究對象

1.5 研究的限制

1.5.1 主題限制

1.5.2 抽樣的限制

1.5.3 母群體限制

1.5.4 受試人員限制

1.5.5 施測時間限制

1.6 名詞解釋

二 、 文 獻 探討

2.1 視覺注意力引導

2.1.1 注意力的定義

2.1.2 突現刺激(abrupt onset)與捕捉視覺注意力 (capture

visual attention)

、

、

、

、

、

、

碩士論文

研究生

指導教授

李榮耀教授

研究生：張世彥

指導教授：李榮耀教授

碩士論文

指導教授：李榮耀教授

一、緒論

二、文獻探討