基于认知负荷理论的多媒体教学呈现原则探讨

时间：2009-12-24 点击：220 发布：管理员
王文智
摘自《远程教育杂志》 2009年第02期
摘要：
认知负荷理论与多媒体学习的认知理论是目前多媒体教学研究颇受关注的两个领域。两种理论都从人类的认知学习机制出发,通过实验研究提出了多媒体信息设计的原则。本文对其中与教学呈现有关的研究结果进行综合。具体归纳为巧用图示、巧用语音、巧用提示和图文整合呈现、去除无关的信息以及控制冗余信息等原则。对于每一条设计原则,本文梳理了相应的实验依据和应用建议。以便教师能加深理解和灵活运用。
关键词：教学呈现 多媒体学习 认知负荷理论 多媒体学习的认知理论
正文：
要进行科学合理的多媒体教学呈现,不能单纯凭借主观经验和审美要求,而应该在科学的设计原则指导下进行,使之起到促进而非阻碍学生学习的作用。这些设计原则的提出,应该既有深厚的心理学理论基础,又要有大量的实证研究做支撑。在对设计有效的多媒体学习环境原则的探索中,有两条独立展开的研究线索最为重要,它们都获得了极为重要的成就。其一是澳大利亚教学设计研究专家斯维勒(Sweller,J)提出的认知负荷理论以及他与美国教育心理学家克拉克(Clark,R.C)共同在多媒体教学中的推广应用研究；其二是美国教育心理学家和多媒体教学专家梅耶(Mayer,R.E)提出的多媒体学习的认知理论。
认知负荷理论的核心思想是教学过程中工作记忆中的负荷应该成为教学设计者着重考虑的问题之一,多媒体学习的认知理论则是探索最佳利用文字和图片(图示)的心理学依据。两种理论都从人类认知学习机制出发,通过实验研究提出了一系列互为补充及相互印证参照的多媒体信息设计的原则。两者的理论假设有密切的联系,研究范式极其相似。本文对上述两种理论的研究结果进行综合,针对多媒体教学呈现,提出教学呈现中应该合理运用如下设计原则：巧用图示、巧用语音、巧用提示和图文整合呈现、去除无关的信息以及控制冗余信息等原则。对于每一条设计原则,本文梳理了相应的实验依据和应用建议,以便教师能假设理解和灵活运用。
一、巧用图示呈现原则
巧用图示原则的含义是指在教学呈现中适当利用图示能使学生更容易理解教学内容。
在教学呈现中利用图示很多时候能起到文字无法表达的作用,图示包括静态的或动态的视觉画面。梅耶对多媒体的定义即为用语词和画面共同呈现信息。他提出了著名的多媒体原则：学生掌握语词和画面组成的呈现比掌握只有语词的呈现学习效果好。
常见的错误理解与做法：教师和其它的教学呈现设计者可能会认为无论语词和画面,都是呈现相同信息内容的工具,使用画面是没有必要的,因为语词中已经包含了足够的信息。
实验事实1：Marcus,Cooper&SweHer(1996)让六年级学生完成连接不同构造的电路图的任务,任务中包括简单的串连和复杂的并联。实验时向一半被试提供文本的说明指导而向另一半提供图示呈现,文本和图示都能单独地说明问题。实验结果表明：使用图示组完成任务所用的时间比使用文本组要短,尤其是面对的任务复杂时,差别显著。而且被试对任务难度进行打分时,使用文本说明的被试组打分要高于使用图示的被试组,也就是使用文本组被试主观上觉得任务更难。
实验事实2：Carlson,Chandler&Sweller(2003)准备了两种不同版本化学课本来教学有机物的名称。有机物命名的规则主要是确定前缀名和后缀名,前缀是由分子内碳原子数目决定的,学习者只要数清楚分子内的碳原子数即可,而后缀名则由空间结构确定,学习者需要仔细考察分子的结构。
被试被随机分至两组,一组使用文本学习命名规则,而另一组则通过图示学习。结果在迁移测验中对前缀的掌握方面文本学习组的表现得略好,而对后缀命名规则的掌握上,图示组的成绩显著高于文本组。在对任务难度的主观评分方面,两组被试都认为命名后缀的难度比前缀大,而文本组对后缀命名难度的评分要显著地高于图示组。
据此研究者做了这样的结论：当教学材料需要学习者比较、联系或同时处理多个信息元素时,图示呈现可能更有利于学习和理解。而在当教学信息可以依次分别处理,各元素间的联系不复杂时,使用文字呈现方式也和图形呈现方式同样有效。
实验事实3：Mayer(2001)做了一系列实验,让大学生学习物理和机械原理的课程,包括学习打气筒的工作原理、闪电产生的原理和液压刹车系统的工作原理等。在这些实验中,研究者让部分被试阅读介绍这些原理的文字,而另一部分被试在学习相同文字的同时熟悉解释系统工作过程的图示。在六个不同的实验中,通过文字加图示呈现方式学习的被试都在迁移测验中取得了更好的成绩。
心理学解释：语词和图示是两种本质不同的知识表征系统。语言文字用一种较抽象的方式描述事物,而画面也许是人类表征知识的最原始的的模式,通过画面我们可以用更直观、更接近我们视觉经验的形式来描述事物。同一个事物既可以用语词又可以用画面来描绘,但产生的语言表征和图像表征的信息内容是不相同的。
尤其是在涉及到需要对空间关系进行理解和操作时(如上述实验1和实验2),使用画面能极大地提高学习成绩,因为图示本身就是以空间关系的形态存在的。如实验2的结论所说的那样,当元素间的关系较为简单时文字描述可能和图示同样起作用,但当教学信息更复杂时,图示的优势就显露无遗了。而除此之外,图示还能很好地表示一些本身并非空间的关系,如比例、变化趋势与变化过程等(就如我们常常用到的饼状图、柱状图等等),用图示进行表征可以帮学习加深理解。在上述的实验3中,被试在迁移测验中的好成绩可以说明他们获得了对课程内容更好更深入的理解。
教学建议：在设计教学呈现之初,就要考虑有哪些内容是适合用图示呈现的,尽量使用图形促进包含空间关系的原理学习,使用图表帮助学习者建立更深的理解。如果要向学生讲解的内容本身就是视觉上能看到的,比如几何空间关系,那勿庸置疑,使用图示是教师的首选。某些教学内容虽然本身并不具有可视性,甚至可以说是看不见摸不着的,比如构成比例、数值变化等,图示也能很好地呈现,甚至有时有“一图胜千言”的效果。因此,在多媒体教学呈现中使用图示往往能取得较好的效果。当然要合理地运用图示还要注意很多问题,在后面的几个设计原则中将会谈到。
二、巧用语音呈现原则
巧用语音原则的含义是指利用语音解释视觉呈现的内容,平衡视觉和听觉通道。
既然我们已经推荐使用图示和文字而非单一的文字来进行教学呈现,那么就不得不面对一个问题,即同时处理图示和文字的信息带给工作记忆很高的认知负荷。减少由同时处理画面和文字内容带来的认知负荷的一种方法是将进入大脑的信息分开到工作记忆的两个不同的储存区域去处理——视觉的和听觉的。认知负荷理论将用语音来替代书面 文字解释图示所带来的学习效果的提升称为“通道效应”(modality effect)。有学者认为通道效应是认知负荷理论的发现中最成熟最令人信服的一个发现。
常见的错误理解与做法：教师和其它的教学呈现设计者可能会认为一模一样的文字内容,用书面形式(本文中的书面文字泛指一切视觉形式的文字,包括印刷的和投影的等形式)还是语音形式没有什么区别,把这些文字放在屏幕上或是读出来都无关紧要。
实验事实1：Tindall-Ford,Chandler&Sweller(1997,见Clark等的综述)实验中用两种方式教授学徒工使用伏特表测量电压。实验者为一组被试提供电路连接示意图和一段对测量过程和示意图的文字说明。而向另一组被呈现的是同样图片,但说明文字改用语音以听觉而非视觉的形式呈现。被试在初始学习一段时间后参加笔试答题并使用仪器进行实际操作以测量掌握情况。在一个月之后被试又参加了同样的笔头和实际操作的测试,结果学习用语音解释图片的被试组取得了更好的成绩,组间差别显著。
实验事实2：Leahy,Chandler&Sweller(2003)以温度随时问的变化曲线为材料,设计了两套教学材料。其中一套用书面文字解释图表,而另一套则用语音讲解相同的内容。实验中对于简单的问题,使用书面还是语音解释图表在学习成绩上没有显著的差别;而在解决困难问题时,使用语音解说的学习效果要显著好于书面解释。
心理学解释：根据双通道假设,人类有两条相互独立的信息加工通道,一条是用于视觉,图像加工,另一条是用于听觉,言语加工。当语词以解说的形式呈现时,画面信息从人眼输入,语音信息从人耳进入,听觉,言语通道就会用来加工语词而视觉/图像通道会用来加工画面。两条通路平衡,都不会出现认知过载的情况。
相反,如果用书面或屏幕文本来呈现文字内容时,图示和文字都从眼睛输入,视觉,图像通道既要处理语词信息又要加工画面信息,很可能造成视觉/图像通道超载,而同时听觉/言语通道却被闲置不用。这样一来学习效果就不如以解说形式呈现语词的效果好。上面的实验1就很好地说明了这一点,而实验2则让我们注意到问题越复杂,通道效应体现得越明显。
教学建议：前面建议在教学呈现中使用图示,那么如果需要对某个图示做些说明,你应该选择口头解释,而不要用书面文字来解释。如果图示比较简单,三两句话可以说明,那么解释图示的文字通过视觉呈现尚可。而如果图示很复杂,那么在图示之外再投影出大段的解说文字,绝不是一个好的选择。不仅是图示,如果你呈现的课文需要解释,那么用口头解释也比用书面形式提供解释更好。当然,由于语音的流动易逝,学习者需要参考的内容,要用书面文字而不能使用语音,以便随时可以查看。
三、巧用提示和图文整合呈现原则
巧用提示和图文整合呈现原则的含义是指用提示和图文整合呈现避免视觉搜索和注意分散。
提示指的是用直线和箭头等将学生注意力吸引到复杂图示的重点部分,以及用斜体、粗体和重音等办法突出文本中的重要内容。图文整合呈现指的是把解释图示的某一部分的文字尽量靠近它所描述的那部分。这些方法都能有效地避免视觉搜索和注意分散。
常见的错误理解与做法：我们常常看到许多教师在屏幕上呈现大段的文字或者复杂的图片,却并没有用符号和提示将学生的注意引向需要重点关注的地方。还有的教师将需要相互对照的内容分离呈现,比如用电子幻灯片呈现一幅图片,却将解释图片的文字放在下一屏,课堂上可能来回翻页做讲解。
实验事实1：Jeung,Chandler&Sweller(1997,见Clark等)报告通道效应只有在用提示减少了视觉搜索时才起作用。研究团队比较了教几何知识时,用三种不同的多媒体解释的各自效果：(1)没有提示的图形+语音解说;(2)用闪光进行提示的图形+语音解说;(3)没有提示的图形+文本解释。研究结果发现在学习比较复杂的图形时,只有当语音解说所讲解的部分被闪光提示凸现出来,学习者的注意力被吸引到正在讲解的部分时,语音解说才比文本解释更有效。
实验事实2：Mautone&Mayer(2001)比较了有标注和无标注的文本的学习效果的差异。无标注的文本包含487个英文单词,标注方法就是添加每一小节的关键词,将文中的重点词语用粗体或斜体突出,增加标注后的版本有496个单词,篇幅变化很小。研究者做了三组实验,分别用文本、录音和计算机多媒体作为媒介测试对文本进行标注的效果。其中,录音版本将文本中粗体和斜体的文字用清楚而舒缓的语调读出。计算机多媒体版本则是在提供录音的同时在计算机屏幕上显示对应的文字。实验结果是在这三种不同呈现方式下,有标注的材料都带来更好的学习效果。
实验事实3：Moreno&Mayer(1999,见Mayer)研究了多媒体学习环境中注意力分散的问题。研究者开发了三种版本的多媒体动画课程来介绍闪电形成的过程。分离呈现的版本将说明文字置于动画下方即屏幕的底部,整合呈现的版本将描述文本尽量靠近它所描述的那部分画面,而语音版本则是将介绍文字改用录音呈现。结果语音版本的学习效果显著优于整合呈现版本,而整合呈现版本又显著优于分离呈现版本。Tindall-Ford,Chandler&Sweller(1997)以学徒工作为被试,以电路连接作为学习内容进行实验也得到了相似的结果。用语音对图示进行解释和用整合于图示当中的文本进行解释都好于把解释文字放在页面的底部。前两种呈现方式都能使被试的学习所得比通过文图分离呈现学习的所得多一倍左右。
心理学解释：前文我们已经提到,有意义的加工活动发生在工作记忆之中,工作记忆中进行的对信息的组织和整合是学习的关键。然而工作记忆的容量是有限的,我们只能专注于处理有限数量的信息,注意是有限的心理资源。如果课堂上呈现给学生的是大段文字或较复杂的图示,他们很有可能在不太重要的部分上浪费了过多的时间和精力。特别是年纪较小,学习经验不足的学生,这样的教学呈现对他们的学习效果可能造成很大的影响。即使学生能够有意识的监控自己的认知活动,尽力将注意集中到重点部分上去,视觉上的搜索依然给他们带来很高的认知负荷,跟不上教师的讲解。运用符号和提示帮助学生找到重点的部分对学生的帮助是很大的,它能去除不必要的视觉搜索带来的认知负荷,使学生能把有限的认知资源投入到有意义的信息加工活动中去。
实验3中的两组实验则告诉我们图文整合呈现的作用。图文整合呈现指的是把解释图示的某一部分的文字尽量靠近它所描述的那部分,而不是把对图示的全部解释文字放到一起,把这一整段文字放到图示的旁边或下方。已经有眼动实验证明,学习者在学习图文分离呈现时需要不时地交替注意图示的某一部分和它对应的解释,这给学习者带来了额外 的认知负荷。
教学建议：在设计教学呈现之时,遇有复杂的图示或较长的文字段落,教师应该想办法将材料里的重点部分突出出来。大部分计算机软件都能很方便的实现这一点,大标题、粗体、斜体、不同的颜色和高亮标示等等都是很好的方法,对于图示,可以用箭头或红色圆圈强调重要的部分。在教学呈现中,教师可以利用鼠标指针,教鞭,荧光笔甚至手指将学生的注意吸引到重要的部分。语音呈现的文本也可以利用有意的停顿和重音来提示学生。另外。在教学呈现中要用到的图片时就应考虑把说明图示某个部分的文字放到最接近它的位置,如果不容易做到,那至少把它们放在同一页面中。事实上,任何需要互相对照的内容都不应该分开在两页,在呈现中来回切换页面势必给教学带来不好的影响。
四、去除无关信息原则
去除无关信息原则的含义是指不要仅仅为了使得呈现有趣而添加与教学目标无关的信息。
常见的错误理解与做法：有很多教育研究者和教师认为,在教学材料中增加一些学生喜欢的图片、动画等,可以增加教学的吸引力。还有的教师为了使课文更生动有趣,不惜大大增加材料的篇幅,尽量把呈现给学生的文本写得有趣。
实验事实1：Harp and Mayer(1997,见Maye)比较了多种版本介绍天气知识的课程。两个基础版本分别包含550个单词和五幅有标题的图示。另外三个版本分别添加了150个单词或5张图片,或者150个单词加五张图片。这些图文讲述了一些有趣但并不切题的趣闻轶事。比如有一段文字介绍了美国平均每年死于雷击的人数和游泳者很容易被雷击的事实,另一段文字介绍了当飞机在飞行过程中遭受雷击会出现怎样的情况。教学专家将这些为提高情绪性兴趣而被加入的内容称为诱人细节或花边材料(seductive details)。需要注意,花边材料虽是与主题有关的,但对教学目标的实现却是无益的。实验中随机分配被试学习各种版本,之后进行测验的结果表明：学习基础版本的被试的成绩显著优于学习带有花边材料版本的被试。Mayer,Heiser,and Lonn(2001)在多媒体计算机环境下复制了上述实验,得到了类似的结果。因此,无论采用什么教学媒体,无关的细节都会阻碍教学。
实验事实2：Mayer&Jaekson(2005)开发了关于机械波形成的精简版和扩展版课程,并做了三组实验。精简版材料包括了553个单词和5幅图片,而扩展版包括980个单词和11幅图片。扩展版加入了数学等式、符号,以及与海浪有关的数学计算。学习精简版和扩展版的被试都被限定在7分钟之内完成学习,然后进行迁移测验。结果学习精简版的被试的成绩显著优于学习扩展版的。而在第二个实验中,研究者不限定学习时间,被试可以在他们自己满意的时候停止;在第三个实验中,研究者将教学材料全部制成计算机动画播放给被试看。后两个实验的迁移测验结果与第一个实验类似,精简版更有利于学习。
心理学解释：加入吸引人的花边材料确实可能唤醒学习者的情绪,激起学习者对呈现的材料的兴趣。然而兴趣至少可以分成两类：情绪性兴趣(emotional interest)和认知兴趣(cognitive interest)。情绪性兴趣是由那些吸引人的元素带来的,而认知兴趣则源自输入的信息与先前经验的关系,当这两者并不协调一致时,我们不得不借助推理等手段想方设法解决这种不一致,这个时候认知兴趣就产生了。显然,与情绪性兴趣相比,认知兴趣才对学习更有利。只有学习者对教学内容本身产生兴趣而不是仅仅觉得花边材料很有趣时,才能产生有意义的学习。否则,学习者很容易只关注那些吸引人的无关细节,有限的认知资源被无关的内容占据,从而影响了学习效果。实验1中的两组实验正说明了这一点。
实验2则向我们证明,过多的文字和图片会降低学习的效率,哪怕它们本与学习内容有一定的关联,但还是会影响学生对有限的认知资源的分配。
教学建议：设计教学呈现时大可不必花时间寻找有趣的图片、动画、小故事或小游戏之类的材料。依靠这些来吸引学生的眼球或许真的能达到目的,但是你将承受很大的风险——因为学生可能一节课下来只记得那些精彩有趣的娱乐元素,而对真正需要掌握的内容全无印象。
同样,你也不需要费力准备过多的图示和文字,呈现给学生的图片和文字只要足够说明问题就行,用节约下来的精力修改你要呈现的文本,使它简明易懂。不必在课上提供一些可有可无的细节信息,可以提供一些学习资源,让想了解得更多的学生自己在课后去探索。准备教学呈现材料时要紧紧地扣住教学目标。
五、控制冗余信息原则
控制冗余的呈现原则的含义是指尽量用最少种类的呈现模式作出讲解说明。
常见的错误理解与做法：有些教师尽量将能够利用的呈现模式都用上,图示、文本和语音多多益善。他们认为这样一来能为学习者提供更多的学习机会,可以从图示、书面文字和语音都获取一些信息,或者在一种呈现手段不适宜时,可以灵活变通。有些教师甚至会觉得,既然文字+图示的呈现优于单独的文字呈现,而语音+图示又常常能取得比书面文字+图示更好的效果,那么语音+图示+书面文字的呈现效果一定是最理想的了。
实验事实1：Kalyuga,Chandler&Sweller(1999)创制了三个版本的多媒体课程来介绍合金熔点随构成成分变化的图表,分别用书面文本、语音和文本+语音对图表进行说明。随机将被试分配学习其中一个版本的多媒体课程,学习者自己确定学习时间和速度。要求被试在学习完课程后对学习任务的难度作出评估,并参加一个学习效果的测验。研究结果表明：在语音帮助下学习的被试组取得了最好的测验成绩,同时对任务难度的主观评分也最低;利用书面文本学习的被试测验成绩要差一些,对任务难度的评分则高一些;而使用书面文字+语音同时呈现的版本学习的被试成绩最差,他们对任务难度的评分则最高,认为自己在学习过程中要投入很大的努力。
实验事实2：Chandler&Sweller(1991,见Clark等)比较了三种不同版本介绍心脏内血液流动过程的课程的教学时长和学习效果。只有图示的版本呈现了心脏的剖面图,图中将心房和心室标注了出来,并用箭头表示血液流动的方向。而另外两个版本则添加了一些描述性文字,如“上体和下体的静脉血都流回右心房”等。一个版本将这些文字整合到图片中,而另一个则将文字统一列于图片下方。实验结果是只包含图片的版本的学习时间显著的短于另外两个版本,而与此同时带来更好的测验成绩。
实验事实3：Leahy,Chandler&Sweller(2003)对照了加入语音解说对两幅不同的温度曲线图学习的作用。被试为小学五、六年级的学生,其中一幅曲线图嵌入了一些简短的说明文字,本身能够被理解不需要另做说明,而另一幅曲线图则较为复杂需要另作说明。在第一个实验中,材料是本身不 能被理解的图表,两组被试分别借助书面文字或语音解说进行学习。被试可以学习任意长的时间,之后参加一个测验,测验中的问题都是和温度曲线图有关的,有简单的也有复杂的。测验的结果与通道效应一致,对于较为复杂的问题,借助语音解说学习的被试比借助文字说明的被试取得了更好的成绩;而对于简单的问题,两组被试的成绩没有明显的差异。
在第二个实验中,研究者比较了在有或没有语音解说的条件下对本身能够被理解的图表的学习。结果表明在解决复杂问题时,没有语音解说条件下学习的被试取得了更好的成绩。对于本身能够被理解的图表来说,添加语音解说是多余的。
心理学解释：实验1证明了语音+图示+文本的呈现效果不如语音+图示,这种情况被梅耶称为“冗余效应”。原因是在语音+图示+文本的呈现下,画面和文本的信息都要通过眼睛进入学习者的信息加工系统,学生的视觉通道同时要加工图示和文本,视觉通道承受了较重的认知负荷,用于理解图示的认知资源变得很少。而语音+图示呈现中,从视觉通道进入的信息只有图示而已,认知负荷得到了控制。
实验2则表明即使没有语音说明,如果图示本身能被理解,添加文本说明文字也是多余的;实验3表明,只有图示确实需要解释时,用语音解释图示的优势(即通道效应)才会体现出来。而当图示本身能够被理解时,添加语音解说可能不但没有帮助,反而对原本专心于理解图示的学生造成干扰。必须要指出,这些实验中的图示都是较为复杂的,本身需要比较多的心理资源才能处理。这种情况下,无论语音还是书面形式呈现的文字都会带来额外的认知负荷,造成认知超载。而最好的选择是让学生集中所有的认知资源来处理图示。
教学建议：不用冗余的呈现模式也许是最重要的一条原则。因为有了多媒体教学呈现的条件以后,教师往往会误认为是在做锦上添花的工作,实际上带来的是画蛇添足的效果。教师要学会尽量用最少的呈现方式和教学媒体把问题说明白。如果图示是其意自明的,或者学生对图示已经很熟悉了,那只要呈现图示就好。如果呈现的图示需要解释,不妨考虑用语音,或者用文本进行解释,但绝对不要同时用语音和书面文字。
前面谈到的巧用图示、巧用语音、巧用提示和整合呈现等原则,都是在向学生呈现他们并不熟悉的内容时要考虑的问题。当学生对你呈现的内容已经很熟悉时,你就不必再利用图示和文字的结合来呈现信息,辅助文字的插图或者解释图片的文字,都可以被去除。这就告诉我们,在多媒体教学呈现中,绝不是越“多”越好,以少胜多才是真工夫。控制冗余信息有利于学习的,当学习者有比较丰富的相关经验时尤其是这样。