國
立
交
通
大
學
理學院網路學習學程
碩
士
論
文
激發式動態呈現教學設計之研究－以代數為例
A Study on Instruction Design by Trigger-based Animation
in the Algebra
研 究 生：謝東育
指導教授：陳明璋 博士
激發式動態呈現教學設計之研究
-以代數為例
A Study on Instruction Design by Trigger-based Animation in the Algebra
研 究 生：謝東育 Student：Tung-Yu Hsieh
指導教授：陳明璋 Advisor：Ming-Jang Chen
國 立 交 通 大 學
理學院網路學習學程
碩 士 論 文
A ThesisSubmitted to Department of E-learning College of Science
National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of Master
in
Degree Program of E-learning July 2009
Hsinchu, Taiwan, Republic of China
激發式動態呈現教學設計之研究－以代數為例
學生：謝東育 指導教授：陳明璋 博士
國立交通大學理學院網路學習學程
中文摘要
激發式動態呈現教學是基於認知心理學、認知負荷理論與多媒體學習理論提出的概 念。教師以激發式動態呈現的方式，設計出配合課堂教學之數位內容教材，將更輕易吸 引聽眾的注意力、引導學習、減少工作記憶的負擔，且降低認知負荷。為讓師生能溝通 無礙的進行講解與學習，互動式教材的設計對注意力的引導尤其必要，適性指標就是吸 引注意力的第一要件。 在林煜庭（2007）的研究顯示，使用具有適性指標教材的課堂授課中，學生的學習 成效會優於沒有適性指標的教材的課堂授課。依據其研究可知在激發式動態呈現教學環 境下，融合適性指標，有助於數學學習；但在毫無視覺情境、生活體驗、自然語意可言 的代數教材學習上，算式展演的繁雜冗長，會讓學習者無法掌握解題過程的主要概念， 即使適性指標加入設計亦無法完全解決。 本文研究主題以國中一年級數學科二元一次聯立方程式單元為教材設計主題，隨機 挑選對此單元學習成就低落的學生分成兩班進行補救教學實驗，採準實驗研究法。 研究發現教材設計者可遵循教學內容結構化、教材呈現區塊化、建立訊息關聯及口 語簡化解說四大原則並搭配適性指標教材設計原則來將繁冗的代數教材予以改良，從研 究證實確實產生顯著效果，證實了代數教材設計原則確實能有效幫助學習。 關鍵字：激發式動態呈現、認知負荷、多媒體學習A Study on Instruction Design by Trigger-based Animation
in the Algebra
Student：Tung-Yu Hsieh Advisor： Dr. Ming-Jang Chen
Degree Program of E-learning
National Chiao Tung University
Abstract
Trigger-based Animated Instruction is based on the concept of cognitive
psychology, cognitive load theory and multimedia learning theory. In
Trigger-based Animated Instruction, the teacher who designs the digital content
teaching material which cooperates with classroom instruction, and will attract
the audience's attention more easily, guide studying, reduce the burden of
working memory, and reduce cognitive load. The design of the interdynamic
teaching material is especially essential to the guide of attention for students.
The adaptive pointer plays an important role in attracting attention.
The research by Lin YuTing (2007) reveals,while using the teaching
material with the adaptive pointer, the learning effect of students will be
superior to using the teaching material without the adaptive pointer. In
Trigger-based Animated Instruction, the adaptive pointer helps students to study
mathematics easily. But the teaching material of algebra doesn’t have any visual
situation, life experiences, and natural language, and then it will make the
pointer is adopted.
This study regards the unit of linear equations in two variables of
mathematics in junior high material of the first grade as the teaching material,
we select those with low-achievenment, and divide them into two classes at
random, experimented with remedial Instruction, with quasi-experimental
design.
Results of this study show we can design the teaching material of algebra
by the four major principles with the construction of the content of courses, the
block of the teaching material, setting up connected information and simplifying
spoken language and to match the principles of the adaptive pointer of teaching
material, to improve the complicated, copious teaching material of algebra. The
result indicates the experiment really has a significant effect to prove the
teaching material design principle of algebra is really helpful to study.
誌謝
兩年的求學生涯，一路走來心中滿懷感恩。感謝指導教授陳明璋博士，引領我進入 數學教材設計這個領域，在每個設計版本的來回揣試中，他總是耐心且不吝指導，因而 激發出本研究的代數設計原則，從他身上我看到了學者為基礎數學教育的戮力付出，也 看到了資訊融入教學的落實，這種創新、努力不懈、為教育紮根的研究精神實在令人值 得效法。 其次，感謝一起進行研究的晏斌、鈴茹、建欽三位同學，謝謝他們在我忙到焦頭爛 額，分身乏術時，都能提點我並給予最大的支援，讓我在課業和研究論文撰寫上都能一 一完成。 要感謝的人真得很多，但是最後我想感謝「天」。回想兩年前，趕在最後一天才知 道交大招生並完成報名，兩年來歷經小孩出生、擔任學校行政職務、家人驟逝、車禍驚 魂，一度想放棄學業回歸家庭生活，但都咬牙走過。感謝老天爺給我這樣的歷練，或許 現在收成的果實才是最甜美，感謝每一個幫助過我的人，我會銘記在心。謝謝大家！目錄
中文摘要 ... i 英文摘要 ... ii 誌謝 ... iv 表目錄 ... vii 圖目錄 ... viii 第一章 緒論 ... 1 1.1 研究背景與動機 ... 1 1.2 研究目的 ... 2 1.3 研究問題 ... 2 1.4 研究範圍 ... 3 1.5 研究限制 ... 3 第二章 文獻探討 ... 5 2.1 注意力 ... 5 2.1.1 注意力處理程序 ... 5 2.1.2 注意力的選擇 ... 6 2.2 多媒體學習理論 ... 7 2.2.1 多媒體學習理論三大基本假設 ... 7 2.2.2 多媒體教材的教學設計原則 ... 10 2.3 認知負荷 ... 16 2.3.1 學者定義 ... 16 2.3.2 認知負荷的基本假定 ... 17 2.3.3 認知負荷的類型 ... 18 2.3.4 認知負荷理論的教學設計原則 ... 20 2.3.5 認知負荷理論的測量 ... 22 2.4 適性指標與教材設計原則 ... 23 2.4.1 適性指標定義 ... 23 2.4.2 適性指標的視覺特徵 ... 24 2.4.3 適性指標設計原則 ... 27 2.5 激發式動態呈現教學 ... 27 2.5.1 AMA系統 ... 27 2.5.2 激發式動態呈現基本模式 ... 28 2.5.3 激發式動態教學 ... 28 2.6 補救教學 ... 29 2.6.1 補救教學意義 ... 29 2.6.2 補救教學對象 ... 302.6.3 補救教學課程設計原則 ... 30 2.6.4 補救教學設計原則 ... 31 2.7 二元一次聯立方程式學習迷失概念 ... 32 第三章 研究方法 ... 35 3.1 研究流程 ... 35 3.2 研究對象 ... 36 3.3 研究設計 ... 36 3.3.1 研究法的選擇 ... 36 3.3.2 研究變項與假設 ... 37 3.3.3 實驗流程 ... 39 3.4 研究工具設計 ... 39 3.4.1 實驗教材製作 ... 39 3.4.2 代數教材設計原則 ... 41 3.4.3 實驗問卷製作 ... 44 3.5 資料分析方法 ... 47 第四章 研究結果與討論 ... 49 4.1 受試學生測驗資料 ... 49 4.2 資料分析與假設說明 ... 50 4.3 研究結果摘要 ... 57 第五章 研究結論與建議 ... 59 5.1 研究結論 ... 59 5.2 建議 ... 59 5.3 未來研究 ... 61 參考文獻 ... 63 中文部分 ... 63 英文部分 ... 65 附錄 ... 69 附錄一、【實驗組】投影片教學過程簡述及教材分析 ... 69 附錄二、【對照組】投影片教學過程簡述及教材分析 ... 86 附錄三、階段學習成就測驗卷 ... 101 附錄四、延後測驗卷 ... 103
表目錄
表 1 多媒體學習的認知理論與認知負荷理論對照表 ... 10 表 2 信號原則的使用方式 ... 12 表 3 多媒體教材的設計原則 ... 15 表 4 認知負荷兩個向度分類關係表 ... 22 表 5 適性指標之形狀特徵 (FORM) 編碼及說明 ... 24 表 6 適性指標之顏色特徵 (COLOR) 編碼及說明 ... 24 表 7 適性指標之深度特徵 (DEPTH) 編碼及說明 ... 25 表 8 適性指標之運動特徵 (MOTION) 編碼及說明 ... 26 表 9 適性指標教材設計原則 ... 27 表 10 受試學生上學期數學科學期成績及標準差摘要表 ... 36 表 11 受試學生上學期數學科學期成績獨立樣本t檢定摘要表 ... 36 表 12 分組教材設計內容摘要表 ... 38 表 13 教學實驗流程與時間分配表 ... 39 表 14 教材投影片與適性指標設計原則對照表 ... 40 表 15 教學投影片的共同適性指標設計表 ... 40 表 16 受測試題難度、鑑別度說明表 ... 45 表 17 代入消去法計算題給分標準 ... 45 表 18 加減消去法計算題給分標準 ... 46 表 19 認知負荷量表 ... 47 表 20 受試學生人數、各項測驗平均數及標準差、Effect size摘要表 ... 49 表 21 階段學習成就測驗成績（代入消去法）獨立樣本t檢定摘要表 ... 51 表 22 階段學習成就測驗成績（加減消去法）獨立樣本t檢定摘要表 ... 51 表 23 延後測成績（代入消去法）獨立樣本t檢定摘要表 ... 52 表 24 延後測成績（加減消去法）獨立樣本t檢定摘要表 ... 53 表 25 實驗組、對照組不同主題後測、延後測成績平均數比較表 ... 53 表 26 後測成績effect size摘要表 ... 54 表 27 延後測成績effect size摘要表 ... 55 表 28 認知負荷測驗（代入消去法）獨立樣本t檢定摘要表 ... 55 表 29 認知負荷測驗（加減消去法）獨立樣本t檢定摘要表 ... 55 表 30 實驗數據綜合比較表 ... 56 表 31 分析結果摘要表 ... 57圖目錄
圖 1 多媒體學習理論雙通道模型 ... 7 圖 2 文字/聽覺通道示意圖 ... 8 圖 3 文字/視覺通道示意圖 ... 8 圖 4 圖像/視覺通道示意圖 ... 8 圖 5 文字/聽覺通道示意圖 ... 9 圖 6 聽覺/視覺通道同步示意圖 ... 9 圖 7 研究流程 ... 35 圖 8 區塊化過程範例 ... 42 圖 9 對齊過程範例 ... 43 圖 10 建立二維圖像關係過程範例 ... 43 圖 11 受測學生平均分數折線圖（代入消去法、加減消去法） ... 54第一章 緒論
1.1 研究背景與動機
近年來因資訊硬體與教學軟體的蓬勃發展，教師運用資訊科技融入教學活動的比例 大幅增加。創新的學習型式，優質的網路學習素材，使得各領域均有豐富且具特色的教 學資源，讓學生能體驗不同的教材呈現方式，進而提高學習興趣，促使教學品質的提升。 Mayer 多媒體學習理論中提及雙通道假設、容量有限、主動處理三項假設，其中雙 通道假設也就是當訊息以圖像與聲音同時呈現時，可以獲得最佳的效益。因此在設計多 媒體教材時，為激發學習動機與吸引學生注意力，應將雙碼理論所述之聲音與影像在進 入工作記憶是採並行的雙通道，並不互相干擾的概念廣泛運用，讓學生獲得最好的學習 成效。 Sweller (1988) 認為傳統的問題解決方法太強調解題技巧，學習者必須使用大量的 認知記憶能力，導致沒有多餘的認知能力來從事學習與獲得基模，因而造成加諸於學習 者的認知系統上的負荷，更由於訊息進入工作記憶時間很短，如果沒有相關基模與其整 合，很快的就會被新進的訊息取代，所以當複雜訊息呈現時，學習者常無法掌握訊息。 陳明璋博士基於認知科學與多媒體學習理論，提出了以課堂授課為導向之激發式動 態呈現教學 (Trigger-based Animation) 概念。以 Microsoft PowerPoint 及 AMA (Activate Mind Attention) 外掛增益集為作業平台，提供視覺化環境，讓教師能依本身授課需求， 設計出具高度呈現彈性並能配合課堂教學互動之多媒體教材，能更輕易的達成與學習者 的認知互動 (Chen, 2003; Chen & Tan, 2007; 陳明璋，2008) 。林煜庭（2007）更以激發 式動態呈現教材設計理念為基礎，提出了「適性指標」 (adaptive pointer) 概念。適性指 標是一種視覺物件，具有「協助視覺搜尋」以及「引導注意力」的特性，在呈現過程中， 演講者能彈性地以互動方式操控適性指標，並引導學習者瞭解教材內容。因此在教材設 計上，可利用適性指標來吸引學習者的注意力至關鍵的教學訊息上，使之夠得到更多的 資源來進行更進一步的認知處理，進而產生學習。 十七世紀法國偉大哲學家、數學家笛卡兒 (Descartes) 曾說：「一切問題都可以轉化 為數學問題，一切數學問題都可以轉化成代數問題，一切代數問題都可以轉化為方程 式，一切問題均將迎刃而解。」，可見代數方程式其重要性，尋求其解更是數學教育的 核心。 但是缺乏視覺情境、生活體驗、自然語意想像的代數教材，往往造成學習者毫無想 像空間，多媒體學習理論在此主題的運用似乎有所不足，也甚少相關研究碰觸此類主題。因此教師若學養不足，在欠缺教學技巧的教學當中，學生的解題就多淪為記憶制式 化的運算，不知其目的，中上程度學生是如此，更遑論低學習成就學生，最後就是以放 棄學習收場。 什麼樣的環境才能支援這樣的教學需求，同時符合學習理論的假設？在此環境下課 堂教材應具備怎樣的特性？教材設計及教學策略會有甚麼樣的影響？因此本研究嘗試 以注意力引導的角度出發，結合多媒體學習與認知負荷理論的觀點，探討代數教材設計 對低學習成就者的影響，並希望能歸納出設計原則供教學使用，讓學生的挫折感迎刃而 解。
1.2 研究目的
多媒體學習理論所設定的主題、研究環境多是對學習者有相當程度的想像刺激，但 是面對沒有視覺情境、自然想像的代數專業領域，因為條件不同，所以多媒體學習理論 在處理上會有其限制，產生的作用似乎有所不足。因此，本研究的目的是： 1. 發展代數教材設計原則以補強多媒體學習理論不足之處。 2. 驗證適性指標結合代數教材設計原則，對學生的學習成效，是否有顯著效果？1.3 研究問題
綜合研究動機、目的，本研究將以國中一年級數學科二元一次聯立方程式為教材主 題，在結合適性指標的激發式動態教學環境下，針對補救教學學生深入探討教材設計對 學習成效及認知負荷所造成的影響。 本研究要探討的問題如下： 1. 適性指標設計原則結合代數教材設計原則運用在教學設計上，對需進行補救教 學的學生其學習成就表現是否有影響？ 2. 適性指標設計原則結合代數教材設計原則運用在教學設計上，對需進行補救教 學的學生其學習成就表現在經過四週後是否有持續性的影響？ 3. 適性指標設計原則結合代數教材設計原則運用在教學設計上，對需進行補救教 學的學生在降低學習認知負荷量方面是否有影響？1.4 研究範圍
本研究以國中一年級數學科二元一次聯立方程式為研究主題範圍，此範圍為代數的 基礎運算能力，影響日後代數課程學習甚鉅。研究對象則挑選此階段學習成效低落，需 進行補救教學的學生為受試者，希望驗證代數設計原則對此主題學習成就低落的學生有 顯著效果，並加以推廣，幫助學生學習代數教材。1.5 研究限制
本研究的教學實驗在設計之初務求嚴謹，但因現實環境限制仍產生諸多變因，影響 施測結果。現將實際操作過程中可能遭遇到的限制分述如下，應在施測前先行尋覓解決 之道，將變因所帶來之影響降到最低。 1. 主題限制 本研究期能驗證代數教材設計原則確實能產生顯著效果，但所得結論能否印證至不 同代數主題，仍需設計不同實驗加以證明。 2. 母群體限制 本研究因人力、物力、時間等因素的限制，僅能以某國中國一學生作為施測母群體， 所能抽取樣本有限，易有代表性不足之疑慮，但若能擴及其他鄉鎮學校，甚或跨縣市， 便能合理推論研究結果。 3. 授課環境限制 研究者任教學校，屬非都會區學校，學生甚少接觸大螢幕投影教學；又因受試人員 來自各班，在不影響各班正常上課情形下，需另外安排教室進行實驗教學，該教室的明 亮程度、物品擺設均非學生平常熟悉的上課環境，容易產生新奇效應而影響施測結果。 4. 受試人員限制 由於受試者非研究者任教班級，對研究者教學時的口語速度、音量、音色均不熟悉， 受試學生的不適應有可能會影響施測結果。第二章 文獻探討
2.1 注意力
注意力在訊息處理過程中扮演著非常重要的角色，有注意力的存在，才能辨別空間 中物體的種類與型態。因此，注意力是產生知覺的重要關鍵。注意力機制之所以必須存 在的主要原因，是因為我們的心理資源是有限的，無法同時處理過多的事項。雖然所有 的視覺刺激平行的進入視覺系統內，其中僅有少數能在某些階段被挑選出來做進一步較 精細的知覺分析，因此只有這些刺激達到物體辨識的歷程，其餘的部分可能僅作粗略的 處理，甚至是不做任何處理而無法辨識。一旦缺乏這種機制，我們將面對著大量的訊息 而無所適從。2.1.1 注意力處理程序
注意力在訊息處理過程中扮演著非常重要的角色，有注意力的存在，才能辨別空間 中物體的種類與型態。注意力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，Treisman (1982) 指出人類有兩個分 開但會相互影響的注意力處理系統－輸入注意處理 (input attention processing) 與控制 注意處理 (controlled attention processing) ：1. 輸入注意的處理 「輸入注意」是指訊息進到認知系統所作的基本處理，屬於較早期的注意力處理。 其所處理的內容層次較低，一秒內便可完成自動化的處理，學習者不會查覺到有心智處 理過程，因此耗費相當少的心力；其運作方式是平行的。 2. 控制注意的處理 「控制注意」是一種對心智努力或心智焦點做有意的、自發配置的處理，運作方式 是序列的、被意識所控制的。在此種處理程序下，心智必需相當努力，才能控制注意力 聚焦在某個刺激上，相形耗費許多心力，因此處理速度較緩慢，需要 1 秒或 2 秒以上才 能完成。 由於兩個性質不同的注意力處理系統的存在，教材內容設計時應思考某個設計的目 的是為了引發學習者自動化的處理，或是希望能引發意識聚焦的控制注意，如此才能讓 教材內容依其不同的目的而有更適當的安排。
2.1.2 注意力的選擇
注意力的引發有時是在無意識之下進行，毫不費力的；相對的，有些涉及意識層面 的注意，就需要高層次的認知處理時。然而在面對大量訊息時，人類又是如何對刺激做 選擇或忽略呢？藉著忽略或不強調某個刺激，可以因此凸顯某些顯著的特徵，集中注意 力的焦點，以增進我們對這個刺激做更深入的認知理解。注意力的選擇有幾種不同的解 釋，說明如下： 1. Broadbent 的模型 Boradbent 認為在感覺刺激的多重管道上會遇到一個注意力的過濾器，使目標刺激 通過過濾器，進入知覺歷程，作較高層次的處理，除了目標刺激外，一些有顯著感覺特 性的訊息也可以通過注意力系統。而其他的刺激則會在感覺過濾器中被濾掉，永遠無法 通過管道進入知覺的層次。 2. Moray 的選擇性過濾器模型 Neville Moray 認為並非所有不被注意的訊息都無法通過濾器，當強大、高度顯著的 訊息出現時，可突破過濾器的機制，使非刺激目標進入知覺層次。Neville Moray (1959) 發 現參與實驗的人，會忽略大部分未注意的訊息，但是當未注意的一耳出現自己的名字 時，他們仍可注意到。 3. Treisman 的減弱模型 Treisman 在實驗中發現，過濾器機制只是「減弱」非目標刺激，而非完全「阻斷」 所有的非目標刺激。Treisman 在實驗中發現兩個現象，當訊息由注意的一耳突然轉到不 注意的一耳，參與者會聽到不注意那耳相同訊息的前幾個字。顯示脈絡會短暫地引導參 與者注意他本來應該忽略的訊息。未注意的訊息與注意的訊息相同時，甚至是出現的時 間不同步，所有的參與者都會注意到。實驗的結果說明了過濾器的減弱效果並沒有大到 足以阻止這些較強的刺激進入知覺系統。 4. Deutsch 和 Deutsch 的後過濾器模型 不同於前面三種關於注意力的過濾器理論，後過濾器理論認為過濾器是在知覺及概 念分析的後面，以此解釋我們可以聽到自己的名字或對雙語者而言可注意另一耳的翻 譯。由上述幾個對於注意力選擇機制的說明，我們了解個體對注意力的進入具有選擇 性，當強大、高度顯著的訊息出現時，可突破過濾器的機制，進入知覺層次運作，由此 可見，教材呈現時只要能夠突顯主要訊息、去除雜訊，刺激就可通過過濾器。張景媛 (1991)指出教學媒體不需複雜多變，只要能「突出」就可達到引起注意的目的，而所謂 的突出就是指提供的刺激可以激發注意力，使這些較強的刺激通過。在激發式動態呈現 的教學過程中，我們藉由在複雜畫面中加入或突顯訊息，以強化刺激來源，引發學習者 的注意。
2.2 多媒體學習理論
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-channellearning) 。多媒體學習理論說明了人類在進行多媒體學習時，認知系統如何分配以處理 多媒體訊息的過程（圖 1）。 圖 1 多媒體學習理論雙通道模型 資料來源：修改自 Mayer, 2005
2.2.1 多媒體學習理論三大基本假設
多媒體學習理論有三個基本假設，分別為雙通道假設 (Dual channels) 、容量有限 假設 (Limited capacity) 、主動處理假設 (Active processing) (Mayer, 2001) ：1. 雙通道假設 (Dual channels)
雙通道假設源自 Paivio 的雙碼理論 (Clark & Paivio, 1991; Paivio, 1986) 與 Baddeley 的工作記憶模型 (Baddeley, 1986, 1999) 。Mayer 認為人類擁有處理視覺及聽覺訊息的兩 個獨立通道，由眼睛接收的訊息，會在視覺通道中加工，而由耳朵進入的訊息，則會在 文字 圖像 耳朵 眼睛 聲音 圖像 語文模型 圖像模型 先備 知識 整合 組織 文字 組織 影像 選擇 文字 選擇 影像 多媒體呈現 感覺記憶 工作記憶 長期記憶 旁白 字幕 圖像
聽覺通道中加工，其中文字訊息可能以旁白的方式進入聽覺通道（圖 2）或是以字幕的 方式進入視覺通道（圖 3），圖像訊息則是以視覺通道進入工作記憶體（圖 4）。 圖 2 文字/聽覺通道示意圖 資料來源：修改自 Mayer, 2005 圖 3 文字/視覺通道示意圖 資料來源：修改自 Mayer, 2005 圖 4 圖像/視覺通道示意圖 資料來源：修改自 Mayer, 2005 組織 文字 文字 圖像 耳朵 眼睛 聲音 圖像 語文模型 圖像模型 先備 知識 整合 組織 影像 選擇 文字 選擇 影像 多媒體呈現 感覺記憶 工作記憶 長期記憶 旁白 字幕 圖像 文字 圖像 耳朵 眼睛 聲音 圖像 語文模型 圖像模型 先備 知識 整合 組織 影像 選擇 文字 選擇 影像 多媒體呈現 感覺記憶 工作記憶 長期記憶 旁白 字幕 圖像 組織 文字 組織 文字 文字 圖像 耳朵 眼睛 聲音 圖像 語文模型 圖像模型 先備 知識 整合 組織 影像 選擇 文字 選擇 影像 多媒體呈現 感覺記憶 工作記憶 長期記憶 旁白 字幕 圖像
在雙通道假說中，雖然不同呈現方式的訊息會從各自的通道進入工作記憶，學習者 卻可以將兩個管道接收到的訊息相互轉換。例如字幕是由眼睛接收，因此由視覺通道進 入工作記憶，但有經驗的讀者卻可以在心智上將字幕訊息轉化成聲音，透過聽覺通道進 入工作記憶體（圖 5）。相同的，學習者也可以將聽覺接收器接收到的訊息轉化成影像收 錄，所以訊息不管用哪一種方式收錄，可以在原來的通道內流通，也可以轉換到另一個 通道進入。雙通道假設認為，當我們可以同步使用不同的兩個收錄訊息的管道，就可以 加速訊息接收，形成有意義的學習（圖 6）。 圖 5 文字/聽覺通道示意圖 資料來源：修改自 Mayer, 2005 圖 6 聽覺/視覺通道同步示意圖 資料來源：修改自 Mayer, 2005 2. 容量有限假設 (Limited capacity)
人類在每一個通道所能夠同時處理的訊息量是有限的 (Clark & Mayer, 2003; Mayer, 2001) ，此假設與 Baddeley 的工作記憶的訊息處理有容量限制及 Sweller 的認知負荷理 論主張相同。 當大量訊息湧入，學習者能保留於工作記憶中的訊息只有少部分，也可能是片段而 組織 文字 文字 圖像 耳朵 眼睛 聲音 圖像 語文模型 圖像模型 先備 知識 整合 組織 影像 選擇 文字 選擇 影像 多媒體呈現 感覺記憶 工作記憶 長期記憶 旁白 圖像 組織 文字 文字 圖像 耳朵 眼睛 聲音 圖像 語文模型 圖像模型 先備 知識 整合 組織 影像 選擇 文字 選擇 影像 多媒體呈現 感覺記憶 工作記憶 長期記憶 旁白 字幕 圖像
非完整的。所以如何適當切割訊息、控制呈現量，使學習者能夠進行有意義的學習，則 是多媒體教材設計的重點。
3. 主動處理假設 (Active processing)
學習者會將其接收到的訊息與自己的既有經驗、知識和基模整合出一致的心理表 徵，這個認知處理歷程是主動進行的 (Clark & Mayer, 2003; Mayer, 2001) 。
主動處理歷程包含「選擇相關訊息」、「組織已選擇的訊息」、「將新訊息與既有知識 整合」三階段，分述如下： （1）選擇相關訊息：多媒體教材呈現之文字和圖像訊息經由學習者感官收錄 (encoding) 後，會分別形成視覺與聽覺表徵；接著藉由選擇文字或圖像的方 式使得訊息表徵進入工作記憶區中。 （2）組織已選擇的訊息：學習者在工作記憶區中將所選擇的訊息進行組織，建立 訊息文字和圖像各元素間的內在關聯，形成一致的、具有結構的語文模型和 圖像模型。 （3）將新訊息與既有知識整合：學習者在工作記憶區中將語文模型及圖像模型彼 此配對，與長期記憶中的相關既有知識形成外在關聯，並進行整合以使訊息 產生意義。
2.2.2 多媒體教材的教學設計原則
Mayer (2009) 認為在學習的過程中有三種認知的處理方式：外在的認知處理、本體 的認知處理和衍生的認知處理（表 1）。 表 1 多媒體學習的認知理論與認知負荷理論對照表 多媒體學習理論 R. E. Mayer 認知負荷理論 Sweller 內容說明 外在的認知處理 （extraneous） 外在認知負荷 在教學目標之外，受到教學設計所引起的認知 處理 本體的認知處理 （essential） 內在認知負荷 在訊息選取的處理時，將教材本身描繪到工作 記憶中所產生的處理過程，會受到教材本身的 複雜性所影響 衍生的認知處理 （generative） 增生認知負荷 在組織和整合訊息的處理時，為了讓學習者更 能知覺教材本身的意義，因而藉由提高學習動 機的方式所產生的認知處理Mayer 和多位學者經過多實驗研究，提出十二個多媒體教材的設計原則 (R. E. Mayer, 2009) ，可作為教材設計的重要參考。若依 Mayer 所提出三種認知的處理方式（外
在的、本體的和衍生的認知處理），可分為：
1. 減低外在處理的設計原則：連貫原則 (Coherence Principle) 、信號原則 (Signaling Principle) 、重複原則 (Redundancy Principle) 、空間接近原則 (Spatial Contiguity Principle) 、時間接近原則 (Temporal Contiguity Principle) 。 2. 管理本體處理的設計原則：分割原則 (Segmenting Principle) 、事先訓練原則
(Pre-training Principle) 、形式原則 (Modality Principle) 。
3. 增加衍生處理的設計原則：多媒體原則 (Multimedia Principle) 、個人化原則 (Personalization Principle) 、聲音原則 (Voice Principle) 、圖像原則 (Image Principle) 。 現將十二個多媒體教材的設計原則詳述如下： 1. 連貫原則 (Coherence Principle) 連貫原則指的就是確立教學目標，教材設計的目的在於呈現教學目標，捨棄不相關 的部分，使得教學得以連貫。Mayer (2003) 將學習者所需面對的認知處理分成三個種類： （1）必要的處理 (Essential processing) ：「選擇文字」、「選擇圖片」、「組織文字」、 「組織圖片」及「整合」。 （2）附加的處理 (Incidental processing) ：教材內容扣除「必要的處理」剩下的部 分。 （3）表現的維持 (Representational holding) ：在工作記憶區留著口語或視覺的記憶。 將與主題無關之材料 (material) 如：文字、插圖、音樂等排除時，學習者的學習成 效優於納入無關材料時 (Clark & Mayer, 2003) 。Mayer (2001) 指出無關的材料可能會造 成以下幾種情形：
（1）無關的材料在工作記憶中與重要的訊息競爭認知資源。 （2）使學習者從重要的資料或訊息中分散注意力。
（3）分裂組織中的資料或訊息處理。
2. 信號原則 (Signaling Principle)
當多媒體教材含有協助如何處理教材的信號（可強調教材內容組織結構與重點的提 示）時，學生對教材的瞭解程度會比學習不含協助信號教材的學生好 (Mayer, 2005) 。 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) ，如：在口語中加強重音提醒關鍵字、使用箭號指示注意動畫中的某個影 像、添加綱要或標題以協助組織文字、利用底線和粗體字來突顯重要訊息等。
Mayer (2009) 進一步依據不同素材的使用方式，將信號分為使用在文字上的語言信 號 (verbal signaling) 和使用在圖像部分的視覺信號 (visual signaling) 兩種 (R. E. Mayer, 2009) ，整理如表 2 所示。 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 在開始進行教學內容講解之前，先呈現課程大綱 標題 Heading 在教材的每一節開頭處加入標題大綱 強調聲音 Vocal emphasis 當講解到課程關鍵字時，藉提高 音量或是放慢速度逐 字念出來提醒學習者 指標字 Pointer words 在教材內容中加入編號指標字，如：一、二、三、… 視覺信號 Visual Signaling 箭頭 Arows 以箭頭指出圖像的重點部分 特殊顏色 Distinctive colors 用刺激顯目的顏色來強調圖像的重點概念 閃爍 Flashing 用閃爍的方式顯示圖像的特定元件 指示手勢 Pointing gestures 指出圖像的某個部分 淡化 Graying out 將圖像中非講解部位淡化，讓正在敘述講解的主題能 夠凸顯，吸引學習者注意力 資料來源：整理自 R. E. Mayer, 2009 信號原則包含聲音、文字、符號的使用，目的是為了能讓相關的訊息更加地凸顯。 透過信號的提示便能引導學習者將注意力投注於重要的教材內容之上，避免注意力分散
3. 重複原則(Redundancy Principle) 學習者的學習成效在「動畫＋旁白」的多媒體教材中，比呈現「動畫＋旁白＋文字」 的多媒體還要好。其原因如雙通道假設所述，當僅有動畫及旁白時，兩者可以分別經由 視覺及聽覺通道；但當動畫、旁白、文字皆出現時，動畫及文字則會彼此佔用視覺通道 的資源，造成干擾。認知負荷理論所探討之重複效應與此原則並不完全相同，重複效應 主要涉及了多媒體學習理論之連貫原則，而非關雙通道假設。
4. 空間接近原則 (Spatial Contiguity Principle)
多媒體教材中相對應之文字及圖像呈現的位置彼此接近時，學習者的學習成效會比 相對位置遠離的更好 (Mayer, 2001) 。因為當相對應的文字及圖像彼此位置接近時，學 習者不需耗費認知資源 (mental resources) 於進行視覺搜尋，此時學習者在主動學習的 過程中可能行有餘力，可將多餘的認知資源投注在其他的訊息上，進而能增加訊息的獲 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，文字及圖像擺放就可以符合空間 接近原則。但實際教學必須呈現高複雜度畫面時，就需變通運用格式塔原理的群化原 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」的方式彈性激發概念控制訊息量、降低認知負荷。
5. 時間接近原則 (Temporal Contiguity Principle)
多媒體教材中相對應的文字及圖像同時呈現時，學習者的學習成效比兩者呈現出現 時間差的效果要好 (Mayer, 2001) 。若文字及圖像能同時呈現，則他們在「組織訊息」 階段便能順利的產生關聯；但當文字和圖像在不同時間呈現時，學習者較不可能同時在 工作記憶中保留兩者的心智表徵，因而難以建立聽覺表徵及視覺表徵間的心智連結而無 法做有效的整合。 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，學習者可靠自己整合資訊，而表現的如 同接收整合完的資訊一樣 (Moreno & Mayer, 1999；Mayer, 2001) 。
6. 分割原則 (Segmentation Principle)
當多媒體教材被分割成數個小片段時，學習者有足夠的時間及能力從每一個片段中 選擇文字及影像並加以組織及整合後，再進入下一片段；相反地，若多媒體教材以連續 的方式播放，學習者能夠從第一個片段中選擇文字及影像，但當學習者忙於組織及整合 被選擇的文字及影像時，便被要求對於接連呈現的訊息做選擇文字及影像的工作，造成
學習者雙重通道皆超荷的情況 (Mayer & Moreno, 2003) 。 7. 事先訓練原則 (Pre-training Principle) 學習者若能夠在學習之前，即先知道主要概念的名字和特徵，則學習效果會較好。 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。 8. 形式原則 (Modality Principle) 學習者可從「動畫＋旁白」中得到比「動畫＋文字」較佳的學習成效。原因在於多 媒體訊息中當文字與圖像一起呈現時，在視覺通道中必須同時處理圖像和文字訊息，因 而造成認知負荷過重，影響學習成效。認知負荷理論同樣也考慮到了工作記憶的兩個處 理訊息通道，並提出了「形式效應」。 9. 多媒體原則 (Multimedia Principle) 教材同時呈現「文字＋圖像」的學習效果比僅有「文字」學習的效果好 (Mayer, 2001) 。因為當文字和圖像一起呈現時，學習者能建立文字及圖像的心智模型，並建構 兩種心智模型之間的關連、進行整合。 10. 個人化原則 (Personalization Principle) 個人化原則是 Mayer 在以電腦為介面的學習環境，考量社交因素會影響學習者的 動機，能夠增進認知的處理，進而提出的設計原則之一。多媒體教材的用語採用「對話 式」的方式會比「形式化」的方式得到更好的學習效果。教材中對話式用語可多使用第 一、二人稱，避免使用第三人稱，並在解說過程增加與學習者對話句子，達到直接和學 習者對話的作用 (R. E. Mayer, 2005) 。 11. 聲音原則 (Voice Principle) 在個人化原則中提到，多媒體教材以對話式的方式來教學，比形式化的講課更有 教學效果。本原則進一步的說明，旁白講述的聲音使用「人聲」錄製的方式會比「機器 音」的方式更有教學效果。 12. 圖像原則 (Image Principle) 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。
茲將十二個多媒體教材的設計原則簡述整理如下表 3 所示。 表 3 多媒體教材的設計原則 設計原則 說 明 減 低 外 在 的 處 理 連貫原則 與主題「不相關」的文字、圖像或聲音若能加以排除，學 習效果較好 信號原則 多媒體教材，若含有可強調教材內容組織結構與重點的 「提示」 (cues) ，學習效果較好 重複原則 學習者從具有「動畫＋旁白」的教材比具有「動畫＋旁白 ＋文字」的教材能得到更好的學習效果 空間接近原則 相對應之文字與圖像在畫面中「位置接近」會比位置遠離 的學習效果好 時間接近原則 相關的文字與圖像「同時呈現」比接續呈現的效果好 管 理 本 體 的 處 理 分割原則 當多媒體教材被分割成數個小「片段」，並且能讓使用者 自己控制片段的呈現，會比連續播放的方式，學習效果較 佳 事先訓練原則 學習者若能夠事先知道主要概念的名字和特徵，學習效果 較佳 形式原則 文字訊息以「旁白」的方式呈現會比文字有更好的效果 增 加 衍 生 的 處 理 多媒體原則 教材設計採用「文字」與「圖像」並用的學習效果會比僅 採用文字好 個人化原則 教材的用語採 「對話式」方式會比採用形式化的方式， 得到更好的學習效果。 聲音原則 旁白講述的聲音採用「人聲」錄製的方式會比機器音的方 式，學習者能夠學得更好 圖像原則 當螢幕上有出現演講者的圖像時，並不必然會得到較好的 學習效果 資料來源：整理自 R. E. Mayer, 2009
2.3 認知負荷
認知負荷理論 (Cognitive Load) 來自歐美的人體工學 (ergonomics) 與人因科學 (human factor) 等領域，從心理、生理與認知層面，探討工作與任務對執行者的影響與 適合性（黃克文，1996）；早期應用於軍事訓 練與各種企業上，稱為「心智工作負荷」 (mental workload) ，直至澳洲新南威爾斯大學教育學院 Sweller (1988) 將此理論引入教 育界，隨即引起國際的重視，不但成為許多研究的理論基礎，也廣泛被應用於教學設計， 是當前有關學習與教學設計最具影響的理論之一。
2.3.1 學者定義
國內外有多位學者或研究者對認知負荷提出不同的看法，茲整理分述如下： Sweller (1988) 認為傳統的問題解決法太強調解題技巧，學習者必須使用大量的認 知記憶能力，導致沒有多餘的認知能力來從事學習與獲得基模，因而造成認知負荷，所 以「認知負荷」是將一特定工作加諸於學習者的認知系統時所產生的負荷，其與工作記 憶中的記憶單位數有關，個體若將一大堆的記憶項目儲存於工作記憶中，就容易造成「過 度」的認知負荷。 Jex (1988) 認為認知負荷是學習者在面對學習內容時，置身於一個相關脈絡中，欲 表現符合適當任務行為時，所意識到「任務要求」與「自身認知能力」之間，心智負荷 差異的評估。 Paas (1992) 則指出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。 黃克文（1996）指出認知負荷是學習者在接收、處 理與運用訊息過程中，因訊息內 容（數量、質量、脈絡…等）、學習環境、傳輸環境與互動方式等因素，超越了學習者 所知覺的認知能力，在當時的「心理」或「生理」上引起了負擔、重擔、苦惱與憂慮， 甚至失敗、挫折的後設概念。 宋曜廷（2000）則認為認知負荷係指執行某種作業過程中，因作業特性所需的認知 能量 (capacity) 或認知資源 (resources) 而造成認知系統（特別是工作記憶）的負載狀
陳密桃（2003）指出「認知負荷」係指個體在執 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) 。
黃柏勳（2003）認為「認知負荷」是個體在工作情境（學習情境）下處理訊息時， 所感受到心智負荷與心智努力的負荷總量。若負荷總量超出個體所能接受的上限，將導 致個體的認知系統無法負載，進而在心理或生理上引起焦慮、壓力與苦惱等負面知覺， 並影響工作（學習）的表現。 歸納以上學者的觀點可知，「認知負荷」是個體於面對訊息時所產生的「負荷量」， 工作記憶的項目越多，認知負荷越大；任務要求與自身認知能力間差距越大，則認知負 荷越大；在學習過程中，越需要付出較多的心智努力來學習時，認知負荷就越大。在心 智負荷與心智努力的負荷總量上，如果超出個體所能接受的範圍，而導致認知系統過度 負載，將會造成心理或生理上的負面效應，進而影響學習的表現。也象徵著心智負荷與 心智努力的「交互作用」、訊息難度與掌握訊息程度上的落差區間，以及因負擔而產生 的情緒性的後設概念。
2.3.2 認知負荷的基本假定
認知負荷理論對人類認知架構 (cognitive architecture) 有四個基本假定 (Mousavi, Low, & Sweller,1995; Sweller, van Merriënboer, & Paas, 1998) ，茲分述如下：
1. 工作記憶容量有限 「工作記憶」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) 。人類的工作記憶容量是有限制的，只能儲 存平均約7±2個單位，但是真正能進行操作處理的，只有2～4個單位，且工作記憶運作 或保留的時間極短，若未經複誦 (rehearsal) ，大約20秒隨即消失，若一次需處理多個訊 息、待處理訊息內在要素彼此互動關聯性高、則必須不斷搜尋元件之間的關聯度因而耗 費許多工作記憶，便會產生較大的認知負荷，導致學習困難。因此教學教材的設計必須 考量到工作記憶容量的問題，分析教材內容並作適當的切割，以區塊化的方式呈現，單 一區塊呈現的訊息量適中，避免超過工作記憶的容量，確保學習成效。 2. 長期記憶容量無限 人類長期記憶像是一個大型的資料庫本身沒有儲存容量上的限制。長期記憶中儲存 的訊息都是經過處理，有組織的知識基模，初學者 (naïve) 與專家 (expert) 最大的差別
就在於長期記憶的儲存內容，專家在長期記憶中儲存許多問題狀態及其對應策略，因此 專家在面對問題情境時，可迅速的激發長期記憶中的相關基模，立即檢索提取長期記憶 中的解決策略至工作記憶進行處理，進而解決問題，反觀初學者的處理之道則只能於工 作記憶中搜尋、推理、嘗試，尋找解決策略，因而耗費大量的工作記憶容量，而造成過 度的認知負荷。簡單來說，專家在遇到問題時，長期記憶中有較多相關解題基模可以參 照處理，相較初學者會有較好的表現。 3. 知識與技能以基模的型態儲存於長期記憶中 基模 (schema) 是敘述性知識的一種形式，藉由簡單到複雜，由粗略到精緻的基模 建構 (schema construction) 過程，發展專門知識 (expertise) 及複雜的工作技能。最後儲 存入長期記憶中，基模主要功能有二，一是在長期記憶中提供組織與儲存訊息的功能， 二是在工作記憶中處理新訊息，降低工作記憶運作所產生的負荷。
4. 基模運作自動化(schema automation)是基模建構的重要過程
自動化 (automatic) 通常不涉及意識控制，沒有意圖且消耗很少的注意力資源 (Posner & Snyder, 1975) 。人類在面對週遭訊息時不是透過意識 (conscious) 處理，就 是透過自動化 (automatic) 處理。人類的意識活動處理都是在工作記憶中進行，會佔用 許多工作記憶的空間；而自動化處理則少為意識所監控，其佔用極少的工作記憶容量。 許多知識技能經由不斷練習之後，才從意識處理轉換成自動化處理，基模運作自動化 (schema automation) 將可節省許多工作記憶的空間，而對更多訊息作同時或更深入的 處理，由此可知，基模的自動化是基模建構過程中很重要的步驟。 由上述基本假定中可歸納出：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。因此，若無法從長期記憶中有效、快速提取 相關既有知識基模處理新訊息，可能會消耗過多的工作記憶之認知資源，將產生不同類 型的認知負荷。
2.3.3 認知負荷的類型
認知負荷理論強調教學設計首重「基模的建構」與「自動化」，要達成這兩個目標 必須借助工作記憶的運作，Sweller 等人 (1998) 從教學設計的角度分析認為在此過程中 將產生下列三種類型的認知負荷：1. 內在認知負荷 (Intrinsic Cognitive Load) 內在認知負荷主要受到教材的特性（內在元素間的關聯程度）與學習者本身的程度 （所具備的先備經驗），以及兩者間交互作用的影響。 教材的特性即教材本身難易程度。若教材內容複雜，學習者需同時將大量元素置入 工作記憶區中，將造成其較高的內在認知負荷；相反的，若教材內容簡單，因為不需同 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。 除了教材特性外，另一個影響內在認知負荷的因素，就是學習者本身的專門知能及 先備知識。相同的學習內容（教材）對於擁有不同專門知能和先備知識的學習者，將會 導致不同程度的內在認知負荷。如果學習者具備完整的先備知識，本身具有與教材相關 的認知基模，當訊息進入工作記憶，便能迅速將外在訊息與自動化的基模進行整合，大 大的降低工作記憶的消耗，降低內在認知負荷。倘若無基模存在，則所有訊息必須在工 作記憶區中單獨處理，則易造成更大的認知負荷。 有鑑於此，教材設計者應考量教材本身難易程度與學習者的先備知識是否足夠，才 可盡量降低學習者的認知負荷。內在認知負荷是基本的負荷，它無法經由教學設計來降 低，但可經由基模的建構和自動化來降低，降低內在認知負荷就可降低整體認知負荷。 2. 外在認知負荷 (Extraneous Cognitive Load)
外在認知負荷或稱為無效的認知負荷 (ineffective cognitive load) ，主要是因為教材 呈現方式與教材設計不同的因素，造成學習者不同程度額外的負荷，與學習者的基模建 構和自動化無關，又因此種認知負荷是外加的，因此可藉由教材內容呈現與組織方式的 設計修改來減低，其為多媒體或教材設計者所致力研究的重點之ㄧ。 當訊息需經過整合才能彼此參照了解時，若於其呈現的時間上加以錯開，則會加重 外在認知負荷；若同時呈現或是預先將訊息比較、整合，則可降低外在認知負荷，例如： Sweller 提出許多實驗來證明，整合視覺及口語的資訊能防止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) ，這便是改變教學設計達到降低外在認知負荷的例子。 3. 增生認知負荷 (Germane Cognitive Load)
增生認知負荷又稱為有效的認知負荷 (effective cognitive load) ，此種負荷產生是因 為教材設計者提供額外訊息或教學活動給予學習者，協助其對學習內容建構基模與自動 化時所產生的認知負荷。例如：設計未完成的數學推理範例，引導學習者完成後續解題，
增生認知負荷雖看起來像是增加學習者的負荷感，但此種負荷是促進學習而非干擾 學習。由於會增加學習者的負荷感，因此必須於內在認知負荷、外在認知負荷與增生認 知負荷的總和，未超出學習者工作記憶所能負荷的範圍，適時引入增生認知負荷才具有 意義。 Sweller (2009) 在認知負荷研討會中更進一步出新的看法，認為內在的認知負荷和 增生認知負荷並非完全獨立，而是有部分重疊的，因此認知負荷的總量計算更加重要。 為了降低內在認知負荷而增加了增生負荷，卻使得認知負荷總量超過學習者的能力，這 樣的增生負荷並沒有存在的意義。
2.3.4 認知負荷理論的教學設計原則
Sweller 等人 (1998) 歸納認知負荷理論在各學科領域的研究結果，提出七項的教學 設計原則，茲分別說明如下：1. 自由目標效應 (Goal Free Effect)
傳統的目標導向教學，侷限學習者的想法與解題目標，容易造成極大的認知負荷， 因此當學習者面臨非單一解答題目時，主張應採開放目標的方式教學，給予學習者自由 思考的空間，使其不受教師目標的限制，可多重表達個人的思考歷程，啟發創造力，因 而可降低外在認知負荷。
2. 示例效應 (Worked Example Effect)
教師在教導有關程序性知識 (procedure knowledge) 時，若呈現適當的步驟化解題 範例，將可協助學生對問題有所理解，藉此建構較完整的解題基模，以減少學生面對問 題與解題時產生的認知負荷。
3. 問題完成效應 (Completion Problem Effect)
由於學生的學習能力不同，完整提供解題範例不但限制學習者的思考方向、剝奪學 習慾望，更因問題與示例同時置入工作記憶佔據運作空間，造成外在認知負荷。為減低 外在認知負荷，可將示例呈現一半的解法，另ㄧ半由學生自行完成，可促使學生對示例 作較精緻化的研讀與判斷，引導學生於外在認知負荷減低的狀況下學習。另一種方式則 採完成策略 (competion strategy) ，一開始時提供完整的解題範例，然後逐次減縮示例 的解題步驟，增加學習者需要自主完成的部份，最後僅呈現題目本身，學習者就可以自 行完整解題 (Sweller et al., 1998)。
4. 分心效應 (Split-Attention Effect) 分心效應可視為認知負荷中的一個現象。當學習者面對許多不同來源訊息時，必須 將這些訊息加以參照整合始可達成學習目標，因此這些訊息的呈現若在分散的空間（圖 形與解說文字分散放置）、或出現時間不一致（動畫和語音未能適當搭配），都可能使學 習者分散其注意力，以致增加其認知負荷 (Sweller et al., 1998) 。因此，為減少額外的 負荷，許多研究驗證，將相同內容訊息以實際整合的方式呈現，而不是靠心力去整合時， 可以減低工作記憶區的負荷量、去除分散注意力的效應 (Mousavi, et al.,1995) 。舉例來 說：閱讀一篇文章時，當註釋與內文分開時，讀者遇到不熟悉的辭彙，則須跳離內文， 到註釋處讀完解釋後，將解釋短暫的記在記憶區中，再回到先前文章處，將文章內容與 辭彙解釋合併在一起，如此便產生較高的認知負荷，因此設計教材的時候可按照多媒體 教材設計原則中 (Mayer, 2005) 空間接近原則與時間接近原則妥善安排訊息位置，避免 學習者產生過多的外在認知負荷。 5. 重複效應 (Redundancy Effect) 當學習者面對的訊息是多元且單獨呈現就可了解時，這些大 量的訊息若同時置入學 習者的工作記憶當中，反而增加學習者的認知負荷，不利教材學習，此時便產生了重複 效應。舉例來說：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（范懿文、 陳彙芳，2000）。在 Bobis, Sweller,和 Cooper (1993) 的研究中，對小學生作摺紙教學的 實驗，其將摺紙方法繪製成圖，重複效應的組別則是在流程圖旁加上許多的文字敘述， 研究結果發現，只看圖形的學習者，其所花的學習時間較短。 但重複效應並非絕對，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；但若面對的是有經驗的專家，則會造成重複效應 (McNamara et al. ,1996) 。面對教材可能產生的重複效應可以使用激發式動態教學，隱 藏次要訊息，凸顯主要訊息，利用注意力導引建立訊息之間的關聯。 6. 形式效應(Modality Effect)
Mousavi, et al. (1995) 的研究提及形式效應是由分心效應所導出。Baddeley (1976) 提出工作記憶的運作，包含主要的中央執行 (central executive) 系統，以及語音迴路 (articulatory) 系統與視覺空間掃描 (visuo-spatial sketchpad) 系統等兩大輔助系統來獨 立處理視覺及聽覺的訊息。訊息若能被這兩個部門一起處理，效果將會優於僅使用單一 個部門。其原因在於以雙重來源的方式呈現訊息，將可啟動學習者工作記憶運作的輔助 系統，共同處 理多方訊息，分擔工作記憶對於訊息處理的負荷量，改善分心效應的影響；
若以單一管道來處理訊息，將可能造成學習者認知負荷的增加。如 Mousavi, Low & Sweller (1995) 的實驗證實，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。 7. 變化效應 (Variability Effect) 「變化效應」就是一個利用增生認知負荷來促進學習的例子。教師教學時可以多元 呈現訊息，變化不同的問題狀態和學習情境，刺激學習者多元思考，建立其學習基模。 雖然變換情境可能在表面上造成認知負荷，但有助於引起學習者的注意 力，更投入學習 與作業，因此在學習遷移上的效果將更為明顯（宋曜廷，2000；Sweller et al., 1998）。
2.3.5 認知負荷理論的測量
認知負荷是訊息進入工作記憶運作時所產生的負荷總量，而如何測量這些所謂的 「負荷量」，便成為研究者所面臨的一大挑戰；由認知負荷的測量，可了解學習者在處 理新訊息時所遇到的困難，進而從中探求教學的改進，對於認知負荷理論而言，更提升 其教育層面的應用價值。認知負荷的測量方式可以歸類成兩個向度 (Brunken, L.Plass et al. 2003) ：客觀性
（主觀或客觀），關係（直接或間接）。客觀性向度著重在測量的方式是否主觀：自評報 告或客觀行為觀察、生理狀況觀察或表現觀察。而關係向度測量方法的分類是依據行為 實際特徵與測量的觀察。下頁表 4 為認知負荷測量兩個向度的關係表： 表 4 認知負荷兩個向度分類關係表 關係 客觀性 間接 直接 主觀 自我評量心智努力 自我評量壓力等級 自我評量教材難易 客觀 生理測量 腦部活動測量 行為評量 雙重任務表現 學習成效評量 資料來源：整理自 Brunken, L.Plass et al., 2003
1. 間接/主觀：學習者回顧學習的認知歷程，並依照付出的心智努力程度填寫量表。 2. 直接/主觀：藉由學習者評量教材的難易程度，直接關連學習者認知負荷的強度。 3. 間接/客觀：測量學習的成效或採用測量生理相關的訊息（例如眼動儀的測量）。 這些方法雖然客觀，卻都只是利用注意力間接的證實與認知負荷相關。 4. 直接/客觀：最直接且客觀的評量方式，利用神經影像、功能性核磁共振、陽電 子放射觀察腦部活動。雙重任務表現則是給予不同的主要任務與次要任務，藉 由兩個任務產生的負荷進行測量。 本研究礙於設備與課程限制，無法採用直接/客觀的觀察方式測量認知負荷，而是以 郭璟瑜（2003）的測量認知負荷題目為藍本來作修改，共兩題，就學習者對教材內容所 感受到的難易程度與自認為需付出的努力，分七個向度做為選項，以測量本實驗的認知 負荷量。
2.4 適性指標與教材設計原則
注意力是教學過程最重要的資源之一，它貫穿整個學習的過程，過程中即使教師能 掌握學習者的注意力未必保證有效學習，但是沒有注意力的學習必然是無效果。適性指 標就是吸引注意力的第一要件。適性指標必須符合「協助視覺搜尋」以及「引導注意力」 的特性，其視覺特徵必須強烈到足夠讓被強調的內容從整個頁面突顯出來。2.4.1 適性指標定義
適性指標是一種視覺物件，此物件具有協助視覺搜尋以及引導注意力的特性，並且 在呈現過程中，演講者能彈性地以互動方式操控此物件。前述的「互動方式」指的是負 責視覺呈現的系統平台能對演講者的輸入訊息做出「回應」，例如按一下滑鼠或是按下 鍵盤的某個鍵。而「回應」指的是改變指標物件的視覺特徵，例如由隱藏轉變成顯示、 由顯示轉變成隱藏、改變顏色、改變大小、改變形狀或是移動位置。 從使用的角度來看，適性指標有以下三個主要用途： 1. 引導注意力。 2. 協助選取相關圖文碼（增進訊息易得性，減少不必要的編碼 (encoding) 與解碼 (decoding) ，降低外部認知負荷）。 3. 協助組織相關圖文碼（建立訊息之間的關聯性）。2.4.2 適性指標的視覺特徵
適性指標所採用的視覺特徵經常不需學習或練習就能以自動化的方式運作，並且幾 乎不耗費注意力資源。林煜庭（2007）共歸納出形狀 (FORM) 、顏色 (COLOR) 、深 度 (DEPTH) 、及運動 (MOTION) 四種視覺特徵，分述如下： 1. 形狀特徵 (FORM) 適性指標可讓目標物在方向、長度、寬度、尺寸大小、彎曲程度、模糊處理、外加 標記等視覺特徵上與干擾物有所區別，進而達到標示出目標物的目的，吸引觀看者的注 意力。表 5 列出形狀特徵的編碼及說明： 表 5 適性指標之形狀特徵 (FORM) 編碼及說明 特徵分類編碼 說明 1.1 FORM-Orientation,Length,Width 目標物與干擾物方向、長度、寬度不同 1.2 FORM-Size 目標物與干擾物大小不同 1.3 FORM-Curvature 目標物與干擾物彎曲程度不同 1.4 FORM-Blur 目標物與干擾物模糊程度不同 1.5 FORM-Added marks 1.5.1 FORM-Added marks-pointer 替目標物外加指標 1.5.2 FORM-Added marks-underline 替目標物外加底線 1.5.3 FORM-Added marks-enclosure-border 外框式 common region 1.5.4 FORM-Added marks-enclosure-interior 底色質感式 common region 資料來源：整理自林煜庭，2007 2. 顏色特徵 (COLOR) 適性指標利用色相 (hue) 、色彩強度 (intensity) 來增強視覺搜尋與引發注意力，研 究顯示依據「顏色」來偵測物體或標定其位置會比根據或大小等其他屬性來得迅速穩 定。表 6 列出顏色特徵的編碼及說明： 表 6 適性指標之顏色特徵 (COLOR) 編碼及說明 特徵分類編碼 說明 2.1 COLOR-Hue 2.1.1 COLOR-Hue-(strategy:distinct hue) 策略－目標與干擾區隔 COLOR-Hue-(strategy:hidden distractors) 策略－隱藏干擾物 COLOR-Hue-(strategy:pop-out target) 策略－僅強調目標物 知覺－純粹色相COLOR-Hue-(perception:focal colors) 知覺－焦點顏色 COLOR-Hue-(perception:categorical colors) 知覺－顏色類別
2.1.3 COLOR-Hue-(label:distinctness) 標示－可區別性
COLOR-Hue-(label:chromatic simultaneous contrast) 標示－色彩同時性對比
COLOR-Hue-(label:field size) 標示－標識區域大小
COLOR-Hue-(label:color blindness) 標示－色盲
2.2 COLOR-Intensity
2.2.1 COLOR-Intensity-(luminance) 明度差異
2.2.2 COLOR-Intensity-(simultaneous brightness contrast) 同時性亮度對比
COLOR-Intensity-(SBC:contrast) SBC:對比因素 COLOR-Intensity-(SBC:luminance difference) SBC:明度差異 COLOR-Intensity-(SBC:area ratio) SBC:面積比例 COLOR-Intensity-(SBC:crispening effect) SBC:清晰效果 COLOR-Intensity-(SBC:spatial sensitivity) SBC:空間敏感度 2.2.3 COLOR-Intensity-(grouping) 色彩強度群化 資料來源：整理自林煜庭，2007 3. 深度特徵 (DEPTH)
深度特徵可分為「立體深度」 (stereoscopic depth) 及「凸凹感受」 (convexity & concavity) 兩個面向來做探討。立體深度視覺與圖層的上下安排緊密相關，而「凸凹差 異」則因人的基本視覺特徵的搜尋效果會受到陰影方向 (shading orientation) 以及陰影 對比 (shading contrast) 影響。表 7 列出深度特徵的編碼及說明： 表 7 適性指標之深度特徵 (DEPTH) 編碼及說明 特徵分類編碼 說明 3.1 DEPTH-Stereoscopic depth 3.1.1 DEPTH-Stereoscopic depth-(transparency) 透明度圖層 DEPTH-Stereoscopic depth-(TP:good continuity) 連續性 DEPTH-Stereoscopic depth-(TP:luminance) 明度 DEPTH-Stereoscopic depth-(TP:texture) 質感 3.2 DEPTH-Convexity & Concavity
3.2.1 DEPTH-Convexity & Concavity-(shading orientation) 陰影方向
3.2.2 DEPTH- Convexity & Concavity-(shading contrast) 陰影明度對比程度 資料來源：整理自林煜庭，2007
4. 運動特徵 (MOTION)
(looming) 」、「突然由靜而動 (new motion) 」、「閃爍 (flicker) 」、「運動方向 (direction) 」 以及「運動一致性 (coherence) 」七種引發注意力的重要特徵。表 8 列出運動特徵的編 碼及說明： 表 8 適性指標之運動特徵 (MOTION) 編碼及說明 特徵分類編碼 說明 4.1 MOTION-New object 目標物是突然出現的新物件
4.1.1 MOTION-New object-(original location) 原始位置 MOTION-New object-(original location:mouse) 動畫之滑鼠啟動點 MOTION-New object-(original location:information) 提示含有位置資訊 MOTION-New object-(original location:between pages) 頁間定位
4.1.2 MOTION-New object-(onset and offset) onset 與 offset 因素 4.1.3 MOTION-New object-(luminance change) 明度改變因素 4.1.4 MOTION-New object-(inhibition of return) 回向抑制
MOTION-New object-(inhibition of return:CTOA) 「提示」與「目標」不同步開始 的時間差在 300ms～3000ms 之間 IOR 效應最強 MOTION-New object-
(inhibition of return:previous saccade)
視線重回前一掃視位置誘發回向 抑制
MOTION-New object-
[inhibition of return:previous stimulus)
視覺刺激出現在前一刺激的相同 位置誘發回向抑制
4.1.5 MOTION-New object-(CIOH) CIOH
4.1.6 MOTION-New object-(stroop effect) Stroop Effect
4.1.7 MOTION-New object-(negative priming) Negative Priming Effect 4.1.8 MOTION-New object-(feature-map inhibition) Feature-Map Inhibition 4.1.9 MOTION-New object-(visual marking) Visual Marking
4.2 MOTION-Transient 目標物的某種視覺特徵發生瞬變 4.3 MOTION-Looming 目標物感覺上往觀察者接近 4.4 MOTION-jitter motion 目標物在畫面中抖動 4.5 MOTION-New motion 目標物是突然由靜而動的物件 4.6 MOTION-Flicker 目標物在畫面中閃爍 4.7 MOTION-Coherence 運動方式一致性所產生的層次感 4.8 MOTION-Direction 目標物與干擾物運動方向不同
2.4.3 適性指標設計原則
適性指標是林煜庭（2007）針對 AMA 系統特性，提出一種協助視覺搜尋以及引導 注意力的教材設計原則。適性指標共有七項原則（表 9）： 表 9 適性指標教材設計原則 原則 說明 標示原始位置原則 1. 滑鼠啟動點應與目標物位置相同 2. 直接與目標位置相同，或是能指出目標物的所在位置 3. 相同的物件在不同頁面出現時位置要相同 特徵獨立原則 1. 單一特徵 2. 標示待搜物與干擾物的適性指標特徵不同 3. 避免使用前一個用來標示干擾物的特徵來標示目標物 通道原則 1. 教材設計時，對於畫面上的顏色應避免超過五種 2. 當色彩使用過量，需標示目標物時，應採用不同類型特徵 群化原則 為區分干擾物與目標物： 1. 目標物群化：建立目標之間的關聯性 2. 干擾物群化：將干擾物整群忽略，協助目標搜尋 明度差異原則 利用干擾物與目標物之間明度的差異，協助搜尋目標 引導原則 1. 利用知覺中，由下而上的激發注意力、由上而下的抑制干擾 物 2. 將學習者的視覺避開不相干的刺激，以特徵搜尋的方式找到 目標觸發原則 適性指標必須要有動態視覺特徵（new object onset 或 new motion
onset），以便激發注意力 資料來源：整理自林煜庭，2007
2.5 激發式動態呈現教學
2.5.1 AMA系統
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 System（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 ）。AMA 是一個以降低數位落差為出發點，發展出一個媒體設計及展演的環境，核心 功能有激發式動態呈現 (Trigger-based Animation, TA) ，及結構式複製繪圖法 (Structural Cloning Method, SCM) 。本研究主要是應用激發式動態呈現，將一個物件當按鈕來控制 一連串的動態呈現，讓教材在教師的掌握下，隨著課堂教學活動的進行，選擇性的運作， 以步驟化、非循序的方式呈現，吸引學生的注意力，引導學習，降地認知負荷，兼顧全 班的整體性及個別性，同步的達到適性教學的效果。
2.5.2 激發式動態呈現基本模式
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：在訊息的上方加設一個透明的開關，當滑鼠觸發時，可以激發、 關閉物件，也可以改變物件性質，藉以凸顯訊息。 2. 多元開關：控制物件的按鈕，可將不同物件在相同位置顯示，當滑鼠觸發按鈕 時，物件會在顯示區分別呈現。 3. 序列式激發：由一個激發器控制一連串的動態呈現，可以是逐一、並列產生， 也可以排他產生（上一個物件在下一個出現時消失，若訊息位置重疊，就會呈 現動畫模式）。 4. 串接式激發：串接式激發也是循序的，與序列式激發不同處在於每一個被激發 呈現的物件本身也就是下一個即將被激發的物件之激發器。 5. 全開關（關開）：就是一個開關物件控制一群物件，同時出現或消失。 6. 1-1 開關：以群組物件的方式設定開關或關開，第一群當作激發器，另一群當作 被激發的物件，激發器與被激發物件之間的關係，以各群組中物件圖層的順序， 分別一對一對應。 7. 動態表格：可設定表格全開關、行開關、列開關、以及個別開關，用來控制與 其有行列關係的資料。2.5.3 激發式動態教學
激發式動態教學 (Trigger-based Animated Instruction, TAI) 是以認知負荷理論、多媒 體教學理論及認知心理學為理論基礎、以激發式動態呈現為工具所發展出動態數位內容
1. 激發注意：突顯主要訊息，淡化或關閉次要訊息，協助搜尋訊息、發現訊息關 聯。 2. 分段切割：教材設計過程前先進行內容分析，依工作記憶體容量的限制將與前 後訊息的關聯度做有意義的切割分段，使訊息可以在工作記憶體完整的保留、 整合。 3. 多重組合：分段切割過後的教材內容可以予以分組、群化、區塊化，由不同的 激發器控制。相同的訊息可由不同激發器控制，適時出現。 4. 彈性激發：訊息可以按照展演者的順序或隨意的被激發。 5. 平順連貫：訊息間的呈現速度完全由展演者依據課堂情境控制。 6. 溝通互動：教學過程中，透過設計良好的教材，師生能夠互動溝通無礙。 7. 適性教學：訊息的呈現順序、速度、組合與移除完全由展演者依據課堂演情境 控制。
