知识可视化对网络学习认知负荷影响的实验研究
丁静
（贵州大学，贵州 贵阳）
摘 要： 网络课程的日益发展为学习者提供了海量的学习资源，海量的信息可能会造成学习者认知负荷超载，而知识可视化是在科学数据可视化、信息可视化的基础之上发展而来的，并且逐渐成为人们关注的焦点。基于此，本文以认知负荷理论为支撑、将知识可视化和学习风格结合在一起，试图对学习者在网络学习中的学习效果进行实验研究，进而探讨网络教学中知识可视化的重要性。实验结果表明，在网络学习中适当运用知识可视化工具设计学习资源，并依据不同的学习风格为学习者推荐相应的学习资源，在一定程度上能提高学习者的学习效率。
关键词： 知识可视化；认知负荷；学习风格
一 引言
许多研究指出，读图时代人们接收信息有视觉化趋势。知识可视化（Knowledge Visualization）是研究视觉表征在改善人与人之间知识创造和传递中的应用。网络的日益发展，使得网络教育越来越普及，知识可视化是当今科学教育的热点研究领域。[1]通过网络学生可以更方便地进行学习，由于现在在校大学生的大部分时间都处于繁重的课业学习当中，迫切需要快速获取、理解、掌握、交流知识。知识可视化能减少认知负荷，解决信息过载问题，从而提高知识的学习，内化和运用效率。因此对网络学习中知识可视化和认知负荷的研究是很有必要的，以期能帮助大学生进行更加高效的学习。
本研究节选大学选修课《现代教育技术》课程中的微课的发展历程章节为实验材料。根据同一学习内容设计两个学习材料，一个是知识可视化版的实验组，一个是文字版的对照组，在网络学习中运用两个材料进行实验。探讨以下几个问题：实验组和对照组的学生，哪个的认知负荷低？在知识可视化材料中，不同学习风格的学生认知负荷如何？在文字版材料中，不同学习风格的学生认知负荷又如何？学习哪个材料的学习成绩更好？在每个材料中，具有不同学习风格的学生的学习效果如何？不同学习风格的学生更适合哪种学习材料？
综上，英国高校图书馆的数字学术服务致力于基于技术的研究服务，通过技术支持、技术培训等帮助研究人员提高数字技术，从而促进大学社区和社会公众的数字学术研究能力。
二 文献综述
如何提高教学效率，使学生在有限的精力中投入最少、收获最多一直是教育领域追求的目标。大数据时代的到来，不仅使人们陷入了信息迷航，也出现了信息超载现象。在教育领域这样的状况也不可避免，大量信息的涌入，使学生在学习过程中出现信息超载，学习效率低下，而知识的可视化则可以减轻信息超载现象。
良好的解题习惯是解决问题的基础，没有良好的解题习惯，学生在解题过程中，会出现遗漏关键点，看错题的现象，不利于学生成绩的提高。因此，教师在习题教学时，就要注重培养学生的解题习惯，帮助学生养成读题、画关键词、分析已知条件、列公式、解答的解题习惯，使学生能够理解题目所给出的已知内容，挖掘出题目中的隐含条件，找到相应的公式，最后解出问题。
1.知识可视化
那条船离他不过四哩路，他把眼睛擦净之后，可以很清楚地看到它；同时，他还看出了一条在光辉的大海里破浪前进的小船的白帆。可是，无论如何他也爬不完这四哩路。这一点，他是知道的，而且知道以后，他还非常镇静。他知道他连半哩路也爬不了。不过，他仍然要活下去。在经历了千辛万苦之后，他居然会死掉，那未免太不合理了。命运对他实在太苛刻了，然而，尽管奄奄一息，他还是不情愿死。也许，这种想法完全是发疯，不过，就是到了死神的铁掌里，他仍然要反抗它，不肯死。
在2004年，美国学者Matin J. Eppler和Remo A.Burkard给出知识可视化的定义，他们认为，知识可视化是研究在两个人以上之间运用视觉表征手段提高知识创造和传递的领域，因此知识可视化也可被认为是所有能用来构成和传输复杂见解的视觉化表征手段。[2]2009年学者赵国庆对知识可视化的定义提出了修订，他认为知识可视化是研究如何应用视觉表征改进两个或更多人之间复杂知识创造与传递的一个学科。[3]
根据以上原理运用可视化工具MindManager对学习材料进行设计，设计完成后，请十多位没有学过该材料的本科生进行试学，对存在的问题进行反复修改，最后确定设计的实验材料，并且这十位同学不参加接下来的实验。可视化设计过的材料内容和未设计的文字版内容是一样的，只是表示方式不同。
在金融机构“引进来”和“走出去”方面，1996年，泰京银行进入云南，这是第一家进入云南的外资银行。之后，恒生银行、汇丰银行、东亚银行、渣打银行等相继进入云南市场。到了2017年，进入云南的外资银行数量已达8家。同时，云南省金融业深入推进沿边金融综合改革，积极支持辐射中心建设，重点改革领域取得多项突破。
认知负荷理论是1988年澳大利亚新南威尔士大学的心理学家Sweller提出的，该理论假设人类的认知结构由工作记忆和长时记忆组成。其中工作记忆也可称为短时记忆，它的容量有限，一次只能存储7±2条基本信息或信息块。长时记忆于1995年由Ericsson和Kintsch等提出。长时记忆的容量几乎是无限的。长时记忆是学习的中心，如果长时记忆中的内容没有发生变化，则不可能发生持久意义上的学习。
衡量教学效率的最佳方式是将认知负荷和学习表现相结合。较低的认知负荷与较高的学习表现是最有效的。如果研究方法为学生提供不同的学习材料呈现方式，则应收集包括认知负荷和学习成绩在内的数据，进行测量分析，以多样的方法去衡量教学效率是一种可行的方案。然而，学生有不同的学习风格。以前的研究指出，接受相同学习方法的学生并不总是表现出类似的学习成绩。其中一个主要原因是学生有自己的学习偏好，所以下面部分探讨学习风格。
3.学习风格
后测包括认知负荷和课后测试题。对于认知负荷的测量已形成许多主客观的测量方法, 且各有利弊，[6]使用可靠、有效的认知负荷测量方式是本研究得到可靠结果中尤为重要的一步。本研究使用1994年Paas等开发的问卷，经Paas 验证，该认知负荷测量问卷的信度系数为0.90。[7]课后测试题是根据所学材料编制的题目，有10道选择题，5道多选题和一道论述题，满分为100分。
在Sweller之后，经过许多心理学不懈的努力，认知负荷理论也逐渐得到完善。根据影响认知负荷主要因素：学习材料的复杂性、个体的先前知识经验与学习材料的组织和呈现方式的来源及性质，本研究控制其他因素并针对学习材料的呈现方式设计实验材料。
利用Excel软件对调查中所获取的原始数据分别建立相应的文件,并针对不同的群落特征对数据进行归纳整理。
三 方法
1.学习材料的设计
本研究选取1997年Felder和Soloman依据Felder-Silverman学习风格模型设计的所罗门学学习风格问卷。现已得到越来越多研究者的认可，被CS383, MASPLANG, LSAS, TANGOW等国外著名的自适应学习系统所采纳，在大量实验数据的支持下，证明了其具有良好的适用性和信效度。[5]
学习材料内容为大学选修课《现代教育技术》中的——微课的发展历程。本研究基于知识可视化的教学设计，可视化的教学设计就是对语言、文字进行更加深入的信息加工，利用各种可视化的工具将复杂的教学过程用最简单的可视化形式表征出来。可视化的教学设计要关注教学设计过程的具体化、教学设计内容的图示化、教学设计思路的可视化、教学设计成果的共享化。
在教育教学领域运用知识可视化，应基于认知负荷理论。认知负荷决定着教学效率的高低，例如在学习同一知识点时，不同的呈现形式会产生不同的认知负荷，所以应考虑认知负荷。以下部分提供了与认知负荷相关的文献的综述。
2.被试
某大学面向全校学生开设选修课《现代教育技术》。某大学大一到大三共有96名学生选修《现代教育技术》课程，为使学生文理分布均衡，根据学生的专业、先前知识和学习风格类型从这96名同学中抽取40名同学作为被试。
3.测量工具
费米尔在他的《翻译行为中的目的与委任》一文中这样说：“任何一种翻译行为形式，包括翻译自身，都可以被看作是一种行为，正如它的名字所诠释的那样，任何行为都有主旨、目的”，“翻译的最终目的是译文，译文的形式并非照搬原文模式。要想创造出理想的翻译作品，译者必须清楚地了解翻译的目的与译文的功能”，从而可以更好地选择合适的翻译策略和方法，即“翻译的目的决定了翻译的方法。
2.认知负荷
本研究采用的测量工具是学习风格问卷、认知负荷量表、先前知识问卷和课后测试题。
当前，RTLinux嵌入式操作系统在Linux嵌入式操作系统领域有较大影响，RTLinux嵌入式操作系统任务与进程通过Real-Time FIFOs通信，其内核结构[3]如图1所示。
前测包括学习风格和先前知识测验。实验前根据所学材料进行先验知识测试，以排除先前知识对实验结果的影响，先前知识问卷由两位现代教育技术的教师编制，具有一定的信效度。学习风格的测量用于区分两种相反学习风格的学生，学习风格问卷选取所罗门学习风格问卷的表象型/言语型维度，以说明这两种偏向的学生在哪种学习材料中的学习更好。
许多学者已经证实学习风格对学习表现的影响。为了达到更好的学习效果，其他学者指出，教师不应该假设所有学生都有相同的学习方式，而是应该根据学生的不同偏好或要求准备适当的指导。
4.实验程序
本实验设计两个自变量，一个是不同的学习材料（即一个可视化材料，一个非可视化材料），另一个是不同学习风格的学生（言语型和表象型）。因变量为学习完材料后学生的认知负荷以及课后测试题的成绩。
案例3：女，59岁，于2017年5月前因乳房疼痛不适，在外院检查发现乳腺癌，病理活检诊断为非特殊性浸润癌，ER(-),PR(-),HER2(-)，行全身检查，准备手术治疗，检查发现颅内多发占位，考虑乳癌脑转移，预后不佳，不建议乳癌手术治疗，给予相关保守治疗。后经几次放疗，效果不佳，患者渐渐意识状况下降，经综合考虑，患者家人要求免疫治疗。2018年3月在我院进行免疫治疗，经过3个多月治疗患者脑内肿瘤未见明显增大，患者各种神经系统症状均予以改善，KPS评分值提高。
这项研究在计算机实验室中进行，学生每人一台网络畅通能正常运行的电脑。作者为整个实验的指导者。被试进入实验室前已填过先前知识和学习风格问卷，参加实验的40名同学均为低先前知识的学生，言语型和表象型各20名学生，随机分言语型和表象型各10名学生学习知识可视化材料（实验组），剩下20名学生学习非知识可视化材料（对照组）。被试进入实验室、熟悉实验环境；指导者向被试介绍实验目的意义和流程；按分组进行学习，并完成相应的课后试卷和认知负荷测试；实验结束。
四 实验结果
这项研究调查了使用两种不同的学习方法对不同学习风格学生的认知负荷和学习成绩的影响。对实验结果利用SPSS23.0进行分析，主要结果如表1所示。
表1 各实验组的均值分析
表象型学习风格的学生在学习知识可视化材料（即实验组）时的成绩最好（84.9），认知负荷也最低（5.5）。言语型学习风格的学生在学习非知识可视化材料（即对照组）时的成绩高于表象型学习风格的学生，认知负荷也低于表象型学习风格的学生。表明不同学习风格的学生有不同的学习偏好。
实验组中表象型学习风格的学生认知负荷低于总体的认知负荷，且成绩高于总体成绩；对照组中言语型学习风格的学生认知负荷低于总体认知负荷，且成绩高于总体成绩。说明相对于不按学习风格设计学习材料，按照学习者学习风格设计的学习材料对学习者产生的认知负荷低，学习效率更高。
实验组的成绩高于对照组，认知负荷低于对照组。表明知识可视化设计后的材料能提高学习者的学习效率。
实际上，马铃薯种植密度会受到多种因素的影响，不管是土地环境还是马铃薯品种都会影响马铃薯的产量，因此在种植马铃薯的时候一定要明确当地的土壤情况，选择适合当地的马铃薯品种，随后根据土壤条件控制马铃薯种植密度。
五 结论和讨论
以前的研究证实知识可视化的教学应用均对教学效果产生积极的影响，能够为学生带来更好的学习效果。[8]许多研究也证实，不同学习风格的学生有不同的学习行为和要求。[9]言语型风格的学生偏向于学习文字版的材料，而具有视觉型风格的学生习偏向于图片形式的学习材料。因此，在本研究中设计和探讨了不同学习风格的学生学习可视化和非可视化两种学习材料后的学习效果。
从本研究的结果得出结论，两个学习材料的设计考虑了学生的认知能力和接受能力，使学生能很好地完成实验任务。研究发现学生的学习风格在他们的认知负荷中发挥了关键作用。实验组中表像型学习风格的学生在学习可视化材料时具有最低的认知负荷，对照组中言语型学习风格的学生在学习非可视化材料时具有最低的认知负荷，表象型学习风格的学生学习可视化材料的认知负荷低于该材料的总体认知负荷，且成绩高于总体成绩，所以根据学习风格而设计学习材料学习效率更高。实验组学生的总体认知负荷低于对照组的学生，且成绩高于对照组的学生，表明知识可视化后的材料学习效率更高。因此建议不同学习风格的学生学习与之相对应形式的学习材料，以及在今后的教学中可采用知识可视化的形式，以减轻学习者的认知负荷，从而提高学习效率。
在这项研究中，样本量比较小，学生只是在校的学生。因此，结果可能不适合推广到年龄较小的学生。因此，未来的研究可以扩展到更广的年龄范围。此外，未来的研究可以考虑自我效能。也就是说，学生可以确定他们在现实生活中运用知识可视化进行学习的学习效果会不会更好。
参考文献
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本文引用格式： 丁静.知识可视化对网络学习认知负荷影响的实验研究[J]. 教育现代化，2019，6（40）：175-177.
DOI： 10.16541/j.cnki.2095-8420.2019.40.056
作者简介： 丁静（1992-），女，贵州六盘水人，贵州大学，助理实验师。