动画速度和学习者体验对多媒体学习的影响_学习迁移论文

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       分类号：G442 DOI：10.16187/j.cnki.issn1001-4918.2016.02.08

       1 问题提出

       动画作为一种重要的多媒体教学形式在指导性教学中得到广泛应用，并且对于学习具有积极的促进作用(H

ffler & Leutner，2007)。动画具有的一个显著特点是将信息动态呈现，并根据需要控制其呈现的速度(Fischer，Lowe，& Schwan，2008)。学习者的经验水平会影响到学习者对材料的感知：低经验者感知为快速的材料对于高经验者就有可能是慢速的，感知上的差异可能会对学习效果产生影响(Kalyuga，2007；Kalyuga，Ayres，Chandler，& Sweller，2003)。所以针对不同知识经验的学习者，动画以何种速度呈现才能优化其学习是本研究关注的重点。

       动画速度对多媒体学习的影响一直是研究者关心的重要问题，但是近年来对动画速度的研究存在不一致的结论。研究以没有任何物理知识基础的学习者为被试，以钟表机械系统知识作为学习材料，结果发现，当动画以较快速度呈现时，能够帮助学习者建构有关钟表工作原理的知识表征(Fischer et al.，2008；Fischer & Schwan，2010)。Meyer，Rasch和Schnotz(2010)筛选出先验知识问卷得分较低的被试为研究对象，发现当让学生自主控制动画呈现速度时，大部分学生会选择较慢的速度观看，低速呈现动画有利于细节知识建构，而快速呈现动画会有利于整体知识的建构，其眼动结果表明速度不影响学习者的注意转换，学习者对材料的理解独立于注意转换。段朝辉、颜志强、王福兴和周宗奎(2013)的研究使用渐进的闪电形成动画材料，用前测问卷筛选出低知识经验的学习者，发现慢速的迁移成绩好于快速和中速，且速度对学习者眼动的影响微弱，以上这些研究中选用具备较少或者无相关知识经验的学习者，发现动画速度会影响多媒体学习效果。

       但是也有一些研究发现速度不会对学习效果产生影响。De Koning，Tabbers，Rikers和Paas(2011)研究中选取了具备不同知识经验的学习者，其对三种实验条件的被试经验水平进行了平衡处理，结果发现，无论是快速还是慢速呈现，速度变化对学习没有影响，该研究和其他研究中对学习者知识经验水平的控制存在不同(Fischer et al.，2008；Fischer & Schwan，2010；Meyer et al.，2010；段朝辉等，2013)。那么学习者先前知识经验水平的选取是否会影响到动画速度的效果呢?

       在多媒体学习的研究中，大部分教学设计适用于新手或者低知识经验学习者，但是针对新手学习者的指导设计不一定适合专家，有可能会对专家的学习产生阻碍作用(Kalyuga，2007；Kalyuga & Renkl，2010)。比如：研究发现新手在有额外信息的情况下学习成绩好于没有额外信息指导的情况，专家在有额外信息指导条件下成绩显著低于没有额外指导的条件(Rey & Buchwald，2011)，这种现象被称作经验逆转效应(expertise reversal effect)(Kalyuga et al.，2003)。

       认知负荷理论(Sweller，1988)被研究者用来解释经验逆转效应，根据该理论，针对低经验者开发的教学设计可以有效地降低其认知负荷，从而提高学习效果；而这些教学设计或指导对于高经验学习者而言可能显得冗余(redundant)，并且需要更多的工作记忆资源来加工这些信息，形成认知负担，从而降低学习效果(Kalyuga & Renkl，2010；Kalyuga，Rikers，& Paas，2012)。基于此推测，速度和经验也可能会出现类似的情况，对于低经验者而言，慢速呈现动画时，学习者因为有更多的时间加工信息，认知负荷降低，学习成绩得以提高；而对于高经验者，慢速却过于冗余，增加了认知负荷，学习效果下降，所以学习者的经验水平很可能是影响动画速度教学效果的一个重要因素。

       本研究以核电站工作原理作为学习材料，通过筛选具有高、低不同核物理知识的被试，并利用眼动仪实时记录的特点，记录不同知识经验学习者在快、中和慢速动画条件下的注意分配过程，以此深入了解动画速度和学习者经验对学习的影响。此外，先前研究发现，教学设计的效果在延迟测验上会比即时测验更强(Kissane，Kalyuga，Chandler，& Sweller，2008)，因此，研究增加了一周后延迟后测，希望通过这个方式考察学习者经验在不同速度条件下随时间渐变的学习效果。根据认知负荷理论(Paas，1992；Sweller，1988)，研究预期(1)高经验被试在快速呈现动画时即时学习效果要好于慢速呈现，认知负荷和难度感知更小，而低经验学习者在慢速呈现动画时学习表现好于快速，认知负荷和难度感知更小；(2)对于一周后的延迟记忆测试，仍然预期与即时测验类似的学习效应；(3)不同经验水平学习者的信息加工方式可以通过其注意模式体现出来，有经验的个体会比低经验个体对任务相关区域的注视时间更长(Gegenfurtner，Lehtinen，& S

lj

，2011)，图片对于学习者构建多媒体心理表征起着重要作用(Eitel，Scheiter，Schüler，Nystr

m，& Holmqvist，2013)，预期高经验者比低经验者对图片区的注视时间更长。

       2 方法

       2.1 被试

       研究从某大学本科生中选取500名被试，通过前测先验知识问卷进行筛选，最终有效问卷223份，问卷得分处于3到31分之间(M=15.85，SD=5.46)，进行One-Sample Kolmogorov-Smirnov检验，服从正态分布，Z=1.19，p＞0.05，取样本得分的前后27％所对应的分数作为划分被试高低经验的标准，共招募114名被试。剔除实验过程中不专心、动作幅度过大导致眼动采样率小于75％的24名被试，有效被试90人(年龄M=21.4，SD=1.9，其中男生19人)。高经验组(M=22.44)前测分数显著大于低经验组(M=9.60)，t(88)=23.37，p＜0.01，d=0.27。所有被试在实验前都会签署实验知情同意书，并被随机分配到三种速度条件，实验结束后，均获得实验报酬。

       2.2 设计与材料

       实验为2(经验水平：高、低)×3(速度水平：快、中、慢)的被试间设计。其中经验水平通过先验知识问卷控制为高、低两个水平，速度通过每秒呈现元素数量的变化控制为快、中和慢速三个水平。

       2.2.1 动画材料

       研究使用的动画是介绍核电站工作原理的视频，核电站的工作流程包含三个相对独立的子系统，分别是反应堆主冷却剂系统、蒸汽和动力转换系统、循环水系统，这三个系统均是闭合的回路，每个子系统内部均有自己独特的运行机制，为学习者充分理解核电站的工作原理提供了详细知识和图示。动画为系统步调的无声版，下方配有文字解释(总汉字数386个)。学习材料使用Adobe Flash CS4制作，格式为AVI，分辨率为800×600像素。动画版本有三个：中速24帧/秒(时长：133秒)，快速为33帧/秒(时长：96秒)，慢速12帧/秒(时长：264秒)。

       2.2.2 先验知识问卷

       包含被试的年龄、专业等人口学资料和对核电站知识的调查。核电站知识的评定由两部分组成，第一部分是参照De Koning，Tabbers，Rikers和Paas(2010)的心脏循环系统实验的前测，共5题，满分14分，第1题要求被试在5点量表上主观评定他们对核电站知识的了解情况，从“非常少”(1分)到“非常多”(5分)；第2至4题是考察被试是否学习过核电站相关的知识，均为是否题，选“是”计2分，“否”计0分；第5题为被试在高中时物理成绩情况，选“低于40分”计0分，选“40分到60分”计1分，选“60分到80分”计2分，选“80分到100分”计3分；第二部分是关于核电站相关知识的高中物理题库(http：//www.ykw18.com/)，总共10道选择题，均包含4个选项，答对计2分，答错计0分，满分20分；总分为两部分分数之和。

       2.2.3 学习测验

       保持测验参照先前研究中使用的保持测验改编而成(Mayer & Moreno，1998)，由一个开放性问题组成，要求被试尽可能多地将刚学到的关于核电站工作原理的知识写在答题纸上，满分14分，答题时间为15分钟。即时保持与一周后延迟保持的再测信度r=0.60，p＜0.01。

       迁移测验由四个开放性问题组成，问题1“根据对学习材料的理解，你认为核反应过程中产生的辐射会不会污染海水?为什么?”；问题2“如果没有第三回路，可能会产生什么后果?为什么?”；问题3“减少核电站的核辐射的危害，应该采取哪些措施?”；问题4“与其他发电站相比，核电站的利与弊有哪些?”。该测验满分15分，时间限制为25分钟。即时迁移与一周后延迟迁移的再测信度r=0.52，p＜0.01。

       2.2.4 主观评定

       认知负荷参照Paas(1992)的自我评定，要求被试在9点Likert量表(“1—最小的心理努力”到“9—最大的心理努力”)评估其在学习过程中付出了多少心理努力。材料感知难度和问卷感知难度同样为9点Likert量表，从“1—最简单”到“9—最困难”。

       2.3 仪器与程序

       实验眼动仪为Tobii T120(Tobii Technology，Sweden)，采用双眼瞳孔-角膜反射记录，屏幕分辨率1024×768，可允许的头动范围30×22×30cm。刺激材料可视区域的水平视角32.5度，垂直视角26.0度(显示器17英寸，屏幕比例5：4，眼睛距屏幕60cm)。

       实验程序分为四个阶段。阶段1，筛选被试。从被试库中随机选择500名被试填写前测问卷，依据前测问卷得分分为高、低经验水平，然后随机被分配到快、中、慢三种条件下；阶段2，动画观看。被试进入实验室后，先向其宣读指导语，告知需要在电脑上学习一个有关核电站知识的动画，并在结束后完成一个测验。被试理解要求后，进行9点校准，校准结束后进入动画学习阶段并记录其观看过程的眼动。阶段3，即时测验。学习完后，被试会被带到一个安静的房间，完成保持和迁移纸笔测验，时长共40分钟。测验完成后，进行实验访谈。阶段4，延迟测验。一周后通过电话预约，邀请被试回实验室完成相同的保持和迁移测验，具体操作同阶段3。

       3 结果

       3.1 学习结果

       所有即时的保持、迁移成绩以及一周后延迟的保持、迁移成绩均由2名经过培训的评分者独立评定，取2名评分者的平均数作为被试的最终测验成绩(见表1)。两名评分者在各测验的皮尔逊相关系数分别为：即时保持测验r=0.91，即时迁移测验r=0.93，延迟保持测验r=0.96，延迟迁移测验r=0.94，ps＜0.01。对所有学习结果进行2(经验水平：高、低)×3(速度水平：快、中、慢)的方差分析后发现：

       即时保持上，速度主效应显著F(2，84)=7.07，p＜0.01，

=0.14(其中

为partial

，下同)，多重比较(LSD，下同)发现，慢速高于中速和快速(ps＜0.05)；经验主效应显著F(1，84)=20.67，p＜0.01，

=0.20，高经验者高于低经验者；交互作用不显著F(2，84)=2.48，p＞0.05。

       即时迁移上，速度主效应不显著F(2，84)=0.23，p＞0.05；经验主效应显著F(1，84)=13.10，p＜0.01，

=0.14，高经验者高于低经验者；交互作用不显著F(2，84)=1.79，p＞0.05。

       延迟保持上，速度主效应显著F(2，84)=14.62，p＜0.01，

=0.26，慢速高于快速和中速(ps＜0.01)；经验主效应显著F(1，84)=50.37，p＜0.01，

=0.75，高经验者高于低经验者；交互作用显著F(2，84)=4.72，p＜0.05，

=0.10。简单效应分析发现：高经验者在快速和中速下低于慢速(ps＜0.01)，低经验者在快速下高于中速(p＜0.05)。

       延迟迁移上，速度主效应不显著F(2，84)=0.19，p＞0.05；经验主效应显著F(1，84)=27.14，p＜0.01，

=0.24，高经验者高于低经验者；速度和经验交互作用显著F(2，84)=4.33，p＜0.05，

=0.09。简单效应分析发现，低经验者在快速下高于慢速(p＜0.05)。

      

       3.2 主观评定

       认知负荷上，速度主效应不显著F(2，84)=0.69，p＞0.05；经验主效应不显著F(1，84)=0.22，p＞0.05；交互作用不显著F(2，84)=0.19，p＞0.05。材料难度上，速度主效应不显著F(2，84)=2.44，p＞0.05；经验主效应显著F(1，84)=9.77，p＜0.05，

=0.10，高经验者低于低经验者；交互作用不显著F(2，84)=0.62，p＞0.05。问卷难度上，速度主效应不显著F(2，84)=0.73，p＞0.05；经验主效应显著F(1，84)=15.17，p＜0.01，

=0.15，高经验者低于低经验者；交互作用显著F(2，84)=5.17，p＜0.05，

=0.11。简单效应分析发现：低经验者在快速下低于中速(p＜0.05)。

      

      

       图1 实验材料示意图，分为图片和文字两个兴趣区

       3.3 眼动

       由于100毫秒是区分注视和其他眼动活动的界限(Manor & Gordon，2003)，所以研究把注视点超过100毫秒的注视点纳入结果分析，并将动画按照图片区域和文字区域分为两个兴趣区(Area of Interest，AOI)(见图1)。参照国内外关于多媒体学习的眼动研究中常用的指标(Ozcelik，Arslan-Ari，& Cagiltay，2010；段朝辉等，2013；王福兴，段朝辉，周宗奎，陈珺，2015；王福兴，芦咏莉，段朝辉，周宗奎，2013)以及各个眼动指标的含义(闫国利等，2013)，研究选取了总注视时间(total fixation duration，所有注视点的注视时间之和，不包含眼跳时间)作为分析指标，同时为全面考察在多媒体学习过程中速度对不同知识经验学习者注意分配及图文整合的影响，研究分别对整体区、图片区、文字区总注视时间以及图文转换次数进行了分析。

       3.3.1 总体眼动注视

       由于眼动中总注视时间和时长呈现正相关，所以为方便对比经验和速度对眼动的影响，对总注视时间以快、中和慢速时长进行加权(即：快速组动画时长96秒，其总注视时间数据除以96；中和慢速分别除以133和264)。加权后总注视时间已经没有实际单位，仅用于说明具体差异。

       整体总注视时间上，速度主效应显著F(2，84)=472.21，p＜0.01，

=0.92，快速短于中速和慢速(ps＜0.01)，中速短于慢速(p＜0.01)；经验主效应显著F(1，84)=6.54，p＜0.05，

=0.07，高经验者长于低经验者；交互作用不显著F(2，84)=2.10，p＞0.05。

       整体加权后总注视时间上，速度主效应不显著F(2，84)=2.18，p＞0.05；经验主效应显著F(1，84)=5.37，p＜0.05，

=0.06，高经验者长于低经验者；交互作用不显著F(2，84)=0.43，p＞0.05。

       3.3.2 图片眼动注视

       图片区总注视时间上，速度主效应显著F(2，84)=167.19，p＜0.01，

=0.80，快速短于中速和慢速(ps＜0.05)，中速短于慢速(p＜0.05)；经验主效应显著F(1，84)=5.64，p＜0.05，

=0.06，高经验者长于低经验者；交互作用不显著F(2，84)=0.84，p＞0.05。

       图片区加权后总注视时间上，速度主效应显著F(2，84)=9.96，p＜0.01，

=0.19，快速和中速短于慢速(ps＜0.05)；经验主效应显著F(1，84)=5.84，p＜0.05，

=0.07，高经验者长于低经验者；交互作用不显著F(2，84)=0.04，p＞0.05。

       3.3.3 文字区眼动注视

       文字区总注视时间上，速度主效应显著F(2，84)=63.03，p＜0.01，

=0.60，慢速长于快速和中速(ps＜0.01)，中速长于快速(p＜0.01)；经验主效应不显著F(1，84)=2.06，p＞0.05；交互作用不显著F(2，84)=0.79，p＞0.05。

       文字区加权后总注视时间上，速度主效应不显著F(2，84)=2.41，p＞0.05；经验主效应不显著F(1，84)=0.37，p＞0.05；交互作用不显著F(2，84)=2.68，p＞0.05。

       3.3.4 图文转换次数

       图文转换次数上，速度主效应显著F(2，84)=0.13，p＜0.01，

=0.63，慢速长于快速(p＜0.01)和中速(p＜0.01)，中速长于快速(p＜0.01)；经验主效应不显著F(1，84)=0.03，p＞0.05；交互作用不显著F(2，84)=2.37，p＞0.05。

       加权后的图文转换次数上，速度主效应不显著F(2，84)=0.13，p＞0.05；经验主效应不显著F(1，84)=0.64，p＞0.05；交互作用不显著F(2，84)=3.07，p＞0.05。

       4 讨论

       为更好地呈现教学材料，并适应于不同知识程度的学习者，研究探讨了动画呈现速度和学习者知识经验对多媒体学习效果的影响。传统观点认为快速呈现动画时，短暂的信息呈现方式会给低经验者施加过多的认知负荷，阻碍其学习，然而，本研究发现低经验学习者在快速呈现动画时拥有更好的延迟成绩；高知识经验学习者对图片区的总注视时间长于低知识经验学习者。

       在多媒体学习领域内，大量的研究发现经验逆转效应的存在(Kalyuga，2007)，但本研究在即时测验上没有发现这一现象，没能验证预期1。研究猜测材料难度很可能是影响经验逆转效应出现的一个重要因素，在先前发现经验逆转效应的研究中，学习材料的难度均较低。Amadieu，Van Gog，Paas，Tricot和Mariné(2009)探讨了概念地图结构和先验知识对学习结果的影响，使用9点难度评定量表，被试评定的难度均值为4.05；Post，Van Gog，Paas和Zwaan(2013)探讨了手势与知识经验对学习的影响，使用7点难度评定量表，被试评定的难度均值为2.55，本研究使用9点难度量表，被试评定的难度均值为6.2，这个评定结果超过了材料难度的中值，并大于前人研究中所评定的材料难度。此外，一些研究者认为学习者对认知负荷的评定也能够反映材料加工的难度(Kalyuga et al.，2012)，在没有发现经验逆转效应的研究中，研究者使用了9点量表测查认知负荷，被试评定的认知负荷值接近6，研究者认为，当学习材料对于学习者较为困难时，一些旨在优化学习效果的教学设计并不能提高低知识经验学习者的学习，也就不能出现经验逆转效应(Nievelstein，Van Gog，Van Dijck，& Boshuizen，2013)，而本研究中学习者评定的认知负荷也在6以上，学习材料对于学习者可能较为困难，且学习者的即时分数普遍较低。基于此，研究猜测材料难度很有可能是导致本研究没有在即时测验上出现经验逆转效应的一个重要原因。

       延迟测验的结果表明，低经验者在快速条件下的延迟保持成绩高于中速条件，高经验者则在慢速下的成绩更好，这个结果与段朝辉等人(2013)的研究结果不一致，并与预期2相反。段朝辉等(2013)使用的是渐变的实验材料，只有在呈现结束后学习者才能对全局信息有所了解，而本研究在学习开始时就已经呈现整体框架信息，学习者对整体性信息已经有所了解，整体性信息的呈现更有利于低经验学习者对全局信息的理解，所以材料的差异有可能是导致速度变化对学习结果产生不一致现象的原因。另外，本研究使用的学习材料在初始和结束阶段是从整体介绍核电站的工作原理，不包含专业性知识概念，在中间阶段分别围绕3个不同回路展开介绍，其中包含了很多复杂概念，如高压含泵水、主冷却剂泵和反应堆冷却剂等，这些概念的定义在学习材料中并没有介绍，有可能对低经验学习者的理解造成困难，局部细节知识比整体知识加工相对更难，当材料以快速的形式呈现时，复杂概念的呈现时间较短，低经验学习者更多地是从整体上感知学习材料和理解知识。早期研究发现，快速呈现动画有利于学习者构建整体知识，慢速呈现有利于学习者构建细节知识(Fischer & Schwan，2010；Meyer et al.，2010)。因此，对于具备较少相关知识概念的学习者，快速呈现动画可能有利于学习者从整体上把握知识，促进了学习；而高经验者已具备相关知识基础，慢速呈现可能使其基于已有的知识框架对细节知识建构，最终提高学习效果。同样，问卷难度的结果也间接支持了这种猜测，快速呈现动画降低了低经验者感知的问卷难度。

       研究在即时保持和即时迁移测验上没有发现差异，而在一周后延迟测验上发现了差异，说明动画速度的效果依赖于学习者的经验水平的现象可能只有随着时间的推移才能体现。以往研究中也发现了延迟成绩比即时成绩有更强的效应(Kissane et al.，2008)，研究者认为出现这种结果很可能是不同知识经验的学习者对不同速度条件下的加工深度不同，比如低经验者对快速条件下凸显的信息记忆更深刻，而高知识经验学习者对较慢的速度下细节知识关注更多，不同知识经验者特定的知识加工方式对学习效果的影响更可能随着时间的消逝凸显出来。

       在材料难度和认知负荷评定上，研究没有发现不同经验学习者对速度的主观感知存在明显变化，但是在材料难度和认知负荷评定上均可以看出低经验者在快速下的难度评定和认知负荷较小这一趋势，表明快速很有可能通过降低学习者的认知负荷来促进学习，鉴于现有的研究结果是基于小样本数据(每个条件仅15人)得出，这种猜测仍需进一步验证。

       研究按照整体、图片、文字三个区域分析速度对不同知识经验者的注视时间以及图文转换次数的影响，结果发现高低经验者在不同速度条件下的注意分配没有显著差异，在先前有关动画速度的眼动研究中，发现速度不会对低经验者的注意转换产生影响(Meyer et al.，2010；段朝辉等，2013)，本研究使用高经验者为被试，同样发现速度不会影响高经验者的注意，进一步推广了前人的研究，即速度变化对高经验者的知觉加工影响微弱。不同经验者没有根据速度变化表现出不同的注意加工模式，表明学习者的知识理解和知觉加工可能是两个独立的过程，但是这种猜测仍然需要进一步研究的验证。另外，研究发现经验不影响学习者对文字区域的注视，这种结果很可能与人们文本导向的阅读模式有关(Holsanova，Holmberg，& Holmqvist，2009)，但是经验会影响学习者对图片区域的注视时间，高经验者对图片区域的注视时间更长，验证预期3。Hegarty(1992)认为在多媒体学习中，为了建构更细致的心理表征，学习者需要对图片进行加工，猜测可能因为高经验者对图片区域的注视时间更长，构建的心理表征更为细致，所以才比低经验学习者拥有更好的成绩表现。

       5 结论

       研究得出以下结论：(1)在即时测验上，学习者知识经验水平的变化不会影响动画速度的教学效果；(2)在延迟一周后测验上，低经验学习者在快速呈现动画时学习效果更好，学习者知识经验和动画呈现速度对学习效果的影响更可能随着时间的推移体现出来；(3)基于研究所使用的整体型学习材料，高经验学习者比低经验学习者更关注图片。

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