[美]理查德·E.梅耶/著 張恩銘?盛群力/譯

摘 要：本文通過回顧12條基于研究的教學設計原則，說明了如何設計計算機輔助多媒體教學材料來促進學習。首先介紹了多媒體原則（根據(jù)五個對照實驗得到的中值效應量為d=1.67），其主張在計算機輔助教學中，語詞和圖像同時呈現(xiàn)的效果比只呈現(xiàn)語詞的效果要好。無關認知加工做的是和教學目標無關的事情。為了減少無關認知加工，提出的教學原則有聚焦要義（d=0.70）、標記結構（d=0.46）、控制冗余（d=0.87）、空間鄰近（d=0.79）和時間鄰近（d=1.30）。基本認知加工的功能在于對基本材料進行心理表征。為了調節(jié)基本認知加工，提出的教學原則有分段呈現(xiàn)（d=0.70）、預先準備（d=0.46）和雙重通道（d=0.72）。生成認知加工的功能是為了建構材料的意義。為了促進生成認知加工，提出的教學原則有個性化（d=0.79）、人聲化（d=0.74）和具身化（d=0.36）。部分原則有邊界條件，例如有的原則對新手學習者比對專家學習者更有效。

關鍵詞：數(shù)字化學習;教學設計;多媒體學習;學習科學

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：2096-0069（2019）01-0001-09

計算機輔助學習（Computer‐assisted learning，CAL）可以追溯到20世紀五六十年代，那時人們通過大型計算機提供程序指令。如今，計算機輔助學習的發(fā)展已經(jīng)進入新的時代，提出了“數(shù)字化學習”（e‐learning）[1][2][3]。數(shù)字化學習的定義是，由數(shù)字化設備提供的教學以促進學習 [4]。數(shù)字化設備可以是任何由計算機芯片控制的電子設備，包括臺式計算機、筆記本電腦、平板電腦、智能手機、游戲控制臺和可穿戴設備（例如頭戴式虛擬現(xiàn)實顯示器）。

一、數(shù)字化學習中運用多媒體的案例

多媒體教學（multimedia instruction）是指用語詞和圖像共同呈現(xiàn)信息，以促進學習[5][6]。語詞可以用口頭形式（例如講解）或印刷形式呈現(xiàn)。圖像可以是靜態(tài)的（例如插圖、圖標、地圖或照片），也可以是動態(tài)的（例如動畫或視頻）。在數(shù)字化學習中，多媒體可以是帶有講解的，或屏幕上帶有語詞說明的動畫、視頻或靜態(tài)圖像，也可以是基于計算機的交互式游戲、模擬任務或活動，并在其中呈現(xiàn)口頭或印刷形式文本。

幾百年來，語詞一直是教學中的主要交流形式：從口頭講述（如講座）到手寫語詞（如卷軸）、印刷文字（如書本），再到電子文字（如屏幕上的語詞或通過揚聲器傳遞的語詞）。也許口頭言語是我們這個物種唯一的，也是最偉大的教育技術。它是最有用的工具，因為其可以幫助人們學習和提高認知水平。隨著電子文字的發(fā)展，教學中的交流形式也相對發(fā)生轉變，因此本文研究的重點就是包括語詞和圖像在內(nèi)的電子教學信息（electronic instructional messages）。

多媒體原則（multimedia principle）是這樣一種教學原則：學習者同時從語詞和圖像中學習的效果比單獨從語詞中學習的效果要好[7][8]。具體到數(shù)字化學習領域，多媒體原則主張：學習者同時從計算機輔助的語詞和圖像中學習的效果，比只從語詞中學習的效果更好。例如，假設教師對自行車打氣筒的工作原理進行三次如下講解：“當手柄被向上拉起時，活塞隨之向上運動，進氣閥打開，排氣閥關閉，空氣進入下部氣缸。當手柄被向下推進時，活塞隨之向下運動，進氣閥關閉，排氣閥打開，空氣經(jīng)軟管排出氣缸外。”之后，對這堂只有教師講解的授課效果進行測試。結果表明，大學生能夠在問題解決測試中得出的正確答案數(shù)為3.2個左右[9]。

然而，設想如果我們?yōu)槁牭降闹v解配上動畫，那么會發(fā)生什么呢？當對講解加動畫的授課效果進行解決問題測試時，大學生可以得出的正確答案數(shù)為7.7個。有趣的是，這些學生在回憶講解內(nèi)容方面并沒有顯著差異，平均可以得到70%到80%的分數(shù)。簡言之，盡管圖文結合并不能夠幫助學習者更好地記憶語詞，但的確能幫助學習者實現(xiàn)更好的理解，在解決問題的遷移測試中表現(xiàn)更佳?？傊?，綜觀五次使用計算機輔助學習的對照實驗（學習內(nèi)容包括泵、制動器、照明器和四則運算）[10][11][12][13]，學習者同時使用語詞和圖像學習的表現(xiàn)，比單獨使用語詞學習的表現(xiàn)更好。研究得到了很高的中值效應量（d=1.67）。這些為驗證多媒體原則而進行的重復實驗，為數(shù)字化多媒體學習提供了理論依據(jù)。多媒體原則是整個數(shù)字化學習研究領域的基礎性教學設計原則，它為“圖文結合”這個歷史悠久的呼吁提供了理論依據(jù)。早在1658年，一部名為《世界圖解》（Orbis Pictus）的圖書便采用了圖文結合的形式出版?？涿兰~斯（Comenius）編寫的這本書，是第一本采用這一形式的教育類書籍[14]。

二、數(shù)字化學習中有效使用多媒體的案例

雖然有證據(jù)表明，多媒體原則強調的圖文結合教學方式確實可以促進學生學習，但是并非所有的圖像都同樣有效。在本部分，筆者將探討如何使用語詞（例如口頭言語或印刷文本）和圖像（例如動畫、視頻或靜態(tài)圖片）來生成有效的多媒體教學信息。此外，筆者還將探討每項原則的邊界條件，包括對誰有效，對哪些內(nèi)容有效，以及在什么條件下該原則最有效。

如圖1所示，多媒體學習的認知理論（cognitive theory of multimedia learning）為在數(shù)字化學習中有效使用多媒體提供了理論基礎。多媒體教學內(nèi)容通過耳朵（指向聽覺感覺記憶）和眼睛（指向視覺感覺記憶）進入學習者的信息加工系統(tǒng)。在這里，材料只能保持很短的時間。如果學習者注意到了感覺記憶中的一些瞬間即逝的信息（如“選擇”箭頭所示），那么就可以將這些信息轉移到工作記憶中進一步得到加工。學習者必須在20秒內(nèi)對信息予以主動處理，以使其保持在工作記憶中。接下來，學習者在心理上將輸入的語詞信息和視覺信息分別組織成一個一致的語詞表征（或語詞模型）或圖像表征（或圖像模型），該過程由“組織”箭頭表示。最后，學習者從長時記憶中激活相關的原有知識，并將其提取到工作記憶中。此時，學習者將原有知識和上述兩種模型進行整合（如“整合”箭頭所示）。最后，在工作記憶中構建的學習結果，可以存儲到長時記憶中。以上過程可以是迭代的，而非嚴格線性的。因此，意義學習是否發(fā)生取決于學習者在學習期間是否積極主動參與認知加工，即學習者是否做了選擇、組織和整合這三個心理運作事件。

如你所見，該模型的基礎是認知科學的三個重要原理：（1）雙重通道原理（dual‐channels principle），人對視覺信息和語詞信息有相互獨立的信息加工通道[15];（2）容量有限原理（limited‐capacity principle），無論什么時候，人都只能處理每個通道中的少量信息[16][17];（3）主動加工原理（active processing principle），當學習者在學習過程中對材料進行適當加工時，意義學習就發(fā)生了。加工方式包括了選擇、組織和整合[18][19]。

對教師來說，主要的挑戰(zhàn)是生成可以激發(fā)選擇、組織和整合這三個認知過程的多媒體教學信息，同時保證工作記憶中的視覺通道和言語通道不會超載?？紤]到工作記憶容量有限的特點，以及學習者在學習過程中積極主動參與加工過程的需要，本文提出三個主要教學目標：（1）減少無關認知加工（即和教學目標無關的，由不良教學設計引起的認知加工）;（2）調節(jié)基本認知加工（即在對材料進行心理表征時產(chǎn)生的認知加工，教學材料的復雜性可能會對其造成影響）;（3）促進生成認知加工（即對材料建構意義時產(chǎn)生的認知加工，學習者為學習付出努力的主觀意愿會對其造成影響）。

以下我們將探討若干教學原則的研究基礎，這些原則有助于實現(xiàn)上述三個目標。討論的基礎是對《劍橋多媒體學習手冊》一書中計算機輔助授課的文獻資料進行回顧[20][21][22]。在一定程度上，研究結果對實際教育環(huán)境的適用性有限，因為許多研究都只是進行了即時測試的實驗室短期實驗。

三、減少無關認知加工的教學原則：聚焦要義、標記結構、控制冗余、空間鄰近和時間鄰近

表1列出了減少無關認知加工的五個原則：聚焦要義、標記結構、控制冗余、空間鄰近和時間鄰近。此外，對于每個原則，該表還統(tǒng)計了使用計算機輔助學習的對照實驗數(shù)量，在這些實驗中哪些產(chǎn)生的是正向結果（在“數(shù)量”這一列），以及根據(jù)科恩（Cohen）的d公式計算出的中值效應量（在“效應量”這一列）。在每個對照實驗中，我們比較控制組和實驗組的學習結果測試表現(xiàn)?？刂平M和實驗組接受的是相同的授課，不同之處在于實驗組額外使用了某一種教學原則。本節(jié)提出的教學原則旨在幫助學習者在學習時減少無關認知加工，從而釋放更多的認知容量，以進行基本認知加工和生成認知加工，實現(xiàn)意義學習。

首先介紹第一個原則，請觀察圖2中的幻燈片。這節(jié)課是一節(jié)計算機輔助的幻燈片授課，其內(nèi)容是病毒如何導致感冒。幻燈片的左側包含一個誘人的細節(jié)（有趣卻與教學目標無關的材料），即性生活和抵抗感冒之間的關系的相關研究;不過，幻燈片的右側就沒有包括這一無關材料。你可能希望學生在“感冒與病毒”這一主題課堂上學得更好，于是便添加了一些有趣（但無關）的事實內(nèi)容，這樣做的理由是學生會更感興趣。然而，根據(jù)圖1中多媒體學習的認知理論，如果學習者必須對無關材料進行加工，那么他們將只能用較少的認知容量來加工課堂中的基本材料。

表1 說明，為了驗證“聚焦要義”（coherence）原則，實驗人員總共進行了12項對照實驗，進行這些實驗的課程全部是計算機輔助課程，內(nèi)容涉及閃電、制動器、海浪、冰河時代、感冒與病毒、生物學和遠程歷史學習[23][24][25][26][27][28][29][30]。正如預測的那樣，在全部12個對照實驗中，實驗組（即去除無關材料那一組）都比控制組在遷移或理解測試中的表現(xiàn)要好。研究得到了較高的中值效應量（d=0.70）。這些發(fā)現(xiàn)支持了聚焦要義原則——當教師在計算機輔助的多媒體課堂上，將與教學目標無關的材料剔除時，學習者可以學得更好。

下面對聚焦要義原則的邊界條件進行討論：在代表病毒的圖形上加入有趣的情感細節(jié)（例如賦予病毒和宿主細胞以人類的面部表情），可以提高測試表現(xiàn)[31][32][33]。需要進一步研究的是，教師設計的這些情感細節(jié)，什么時候才能使學習者將注意力集中在相關材料上，又在什么時候會分散學習者的注意力？此外，有新的證據(jù)表明，當無關材料十分有趣[34]，學習者的工作記憶容量低[35][36]，或課堂的認知水平高[37]時，聚焦要義原則最適用。

接下來介紹第二個原則，請看表2的兩個講義片段。這兩個講義片段對應的是同一節(jié)多媒體課，主題是飛機如何實現(xiàn)爬升。二者的不同之處在于，左側的片段沒有任何標記，而右側的片段卻對結構進行了標記（標記的方法是用粗體字強調）。你可能認為使用左側版本（即只給出解釋的“干凈”版本）的學生可以學得更好。然而實際上，如果學生需要在選擇和組織重要信息方面得到幫助，那么用聲音強調關鍵術語并為了提高組織性而添加標題，可以引導學習者進行認知加工。這種做法和多媒體學習的認知理論也是保持一致的。提示結構（也稱作視覺提示）還可以用一些標記（例如箭頭、著色或突顯標記）來突出圖像的相關部分。

表1說明，為了驗證“標記結構”（signalling）原則，實驗人員進行了20項對照實驗。這些實驗涉及的授課均為計算機輔助教學，內(nèi)容包括飛機、視覺感知、地理、機械系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、教學技巧、鋼琴原理、噴氣發(fā)動機、神經(jīng)網(wǎng)絡、語言產(chǎn)生和魚類運動[38][39][40][41][42][43][44][45][46][47][48][49][50][51][52][53]。實驗結果和預測的結果一致，實驗組（即提示關鍵語詞或圖像的關鍵特征那一組）在其中的18項實驗中都比控制組在遷移或理解測試中的成績要好。研究得到了中等的中值效應量（d=0.46）。這些發(fā)現(xiàn)支持了標記結構原則——當教師在計算機輔助的多媒體課堂上突出文本或圖像的關鍵部分時，學習者可以學得更好。

標記結構原則的一個重要的邊界條件是，它只對原有知識較少的學生起作用，對原有知識較多的學生則不一定起作用[54]。

下面繼續(xù)介紹第三個原則，請看圖3的示例。在進行幻燈片展示時是應該只包括圖像和口頭講解（如左側幻燈片所示）呢，還是應該既包括圖像和口頭講解又在屏幕上顯示和講解內(nèi)容一致的文本（如右側幻燈片所示）呢？你的猜測也許是，對學習者來說，同時使用口頭言語和印刷文本才是理想的，因為學習者可以自行選擇適合個人學習風格的呈現(xiàn)方式。然而，根據(jù)多媒體學習的認知理論，呈現(xiàn)多余的口頭言語和多余的印刷文本可能會導致增加無關認知加工，并干擾學習。例如，學習者可能會試圖調和口頭言語和書面語詞之間的矛盾，而不去嘗試理解這些語詞究竟意味著什么。同樣地，教師向學習者提供的作為陳述的印刷文本可能會分散學習者的視覺注意力，從而導致學習者不能在閱讀說明的同時對圖像進行加工。因此，根據(jù)多媒體學習的認知理論，只呈現(xiàn)圖像和講解是最有效的，因為圖像可以在視覺通道中加工，而語詞則可以在語言通道中加工。

表1中說明，為了驗證“控制冗余”（redundancy）原則，實驗人員進行了13項對照實驗。這些實驗涉及的課程均為計算機輔助的授課，內(nèi)容包括電子工程、閃電、植物學和人類記憶[55][56][57][58][59][60][61][62]。實驗結果和預測的一致，全部13項對照實驗中的實驗組（即在多媒體課程上只呈現(xiàn)圖像和口頭講解，而不同時呈現(xiàn)圖像、口頭講解和屏幕文本的那一組）都比控制組在遷移或理解測試中的成績要好。研究得到了較高的中值效應量（d=0.87）。這些發(fā)現(xiàn)支持了控制冗余原則——當教師在計算機輔助的多媒體課堂上只呈現(xiàn)圖像和口頭講解，而不同時呈現(xiàn)圖像、口頭講解和屏幕文本時，學習者可以學得更好。

卡爾優(yōu)加（Kalyuga）等人討論了控制冗余原則的邊界條件[63][64]。他們發(fā)現(xiàn)，控制冗余原則對原有知識較少的學生，比對原有知識較多的學生更有效。此外，有證據(jù)表明，在沒有圖像時，同時提供印刷文本和口頭講解[65][66]可以改善學習，向帶有講解的動畫或幻燈片添加多余的屏幕文本也可能促進學習，但是要注意：只能向正在討論的圖像部分添加一兩個語詞[67]，或者讓屏幕文本與口頭講解的內(nèi)容不同[68]。

接著介紹第四個原則。印刷文本放在哪里更有利于學習？請看圖4，你認為是將印刷文本作為字幕置于圖像下方（如圖4左側幻燈片所示）更好，還是將這些語詞放置在圖像的相應部分附近（如圖4右側幻燈片所示）更好？正如圖4左側分開演示的幻燈片那樣，你可能認為先學習圖像，再學習語詞（或先學習語詞，再學習圖像）是一個好辦法。而你喜歡這種分開演示的原因可能是你認為學習者必須參與更多的認知活動，以便將語詞和圖像聯(lián)系起來，并參與生成一種“合理難度（desirable difficulty）”[69]。反之，多媒體學習的認知理論則斷言，分開演示會比整合演示產(chǎn)生更多的無關認知加工，從而導致學習者沒有足夠的認知容量去進行意義學習所必需的認知加工。當你必須來回翻看說明語詞和對應的圖像部分時，便產(chǎn)生了無關認知加工，它將消耗你有限的認知容量。當語詞和圖像的對應部分很接近時，你會知道該看向哪里并因此減少無用的尋找和回看。

表1說明，為了驗證“空間鄰近”（spatialcontiguity）原則，實驗人員進行了8項對照實驗。這些實驗涉及的課程同樣均為計算機輔助教學的課程，內(nèi)容涉及閃電、泵、制動器、電路、統(tǒng)計、醫(yī)療程序和腎臟的工作原理[70][71][72][73][74][75][76]。實驗結果和預測的結果一致，全部8項對照實驗中的實驗組（即整合演示的那一組）都比控制組（即分開演示的那一組）在遷移或理解測試中的成績要好。研究得到了較高的中值效應量（d=0.79）。在這些研究中，不論是整合演示還是分開演示，呈現(xiàn)的圖像和屏幕文本都是相同的，唯一的不同點在于，語詞和對應的圖像部分的距離是遠還是近。這些發(fā)現(xiàn)也和吉恩斯（Ginns）的觀點[77]一致，其支持空間鄰近原則——當教師在計算機輔助的多媒體課堂上將印刷文本和圖像的對應部分鄰近呈現(xiàn)，而不分開呈現(xiàn)時，學習者可以學得更好。

減少無關認知加工的第五個原則和講解與圖像的時間順序有關。從時間的角度考慮講解與圖像的兩種呈現(xiàn)方式：一是同時呈現(xiàn)，即口頭言語和屏幕上正在展示的圖像保持一致（如表3的右側所示）;二是依次呈現(xiàn)，即口頭言語在幻燈片或動畫的前面或后面呈現(xiàn)（如表3的左側所示）。你可能認為依次呈現(xiàn)語詞和圖像（順序可以顛倒）是最有效的，因為這樣做可以將兩種類型的材料分別呈現(xiàn)一次，并且會花費兩倍于同時呈現(xiàn)的時間。然而，多媒體學習的認知理論卻給出了相反的回應：依次呈現(xiàn)會產(chǎn)生繁重的無關認知加工，因為直到看到圖像（或聽到講解）為止，學習者都必須將講解（或圖像）全部保持在自己的工作記憶中。這樣做使得學習者只剩下較少的認知容量來理解新接觸的材料。而通過同時呈現(xiàn)語詞和圖像，學習者可以同時將互相對應的語詞和圖像放置在工作記憶中，從而促進整合過程，實現(xiàn)意義學習。

表1的最后一行支持了上面的解釋。該行說明，為了驗證“時間鄰近”（temporal contiguity）原則，實驗人員共進行8項對照實驗。這些實驗涉及的課程均為計算機輔助教學的授課，內(nèi)容包括泵、制動器、閃電以及肺的工作原理[78][79][80][81]。實驗結果表明，全部8項對照實驗中的實驗組（即講解和圖像同時呈現(xiàn)的那一組）都比控制組（即講解和圖像依次呈現(xiàn)的那一組）在遷移或理解測試中的成績要好。研究得到了很高的中值效應量（d=1.30）。在這些研究中，不論是整合演示還是分開演示，呈現(xiàn)的圖像和屏幕文本都是相同的，唯一的不同點在于，語詞和對應的圖像部分的距離是遠還是近。這一系列結論同樣和吉恩斯的一項元分析[82]保持一致，并支持了時間鄰近原則——當教師在多媒體課堂上將講解和圖像同時呈現(xiàn)，而不依次呈現(xiàn)時，學習者可以學得更好。

有學者討論了時間鄰近原則的邊界條件：當材料以小塊呈現(xiàn)[83][84]，或材料對學習者來說比較簡單時[85]，時間鄰近原則不適用。

綜上所述，表1列出了五種有大量實證支持的方法，這些方法可以幫助學習者減少無關認知加工，從而促進學習[86]。（未完待續(xù)）

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Using Multimedia for E-learning （I）

Author：Richard E.Mayer1，

Translators：ZHANG Enming2，SHENG Qunli2

（1.Department of Psychological and Brain Sciences，University of California，Santa Barbara，CA，USA;

2.School of Education，Zhejiang University，Hangzhou，Zhejiang，China 310028）

Abstract： This paper reviews 12 research-based principles for how to design computer-based multimedia instructional materials to promote academic learning，starting with the multimedia principle （yielding a median effect size of d =1.67 based on five experimental comparisons），which holds that people learn better from computer-based instruction containing words and graphics rather than words alone.Principles aimed at reducing extraneous processing（i.e.， cognitive processing that is unrelated to the instructional objective）include coherence（d=0.70），signaling（d=0.46），redundancy（d=0.87），spatial contiguity（d=0.79）and temporal contiguity（d=1.30）.Principles for managing essential processing（i.e.，mentally representing the essential material） include segmenting（d=0.70），pre-training（d=0.46） and modality（d=0.72）.Principles for fostering generative processing（i.e.，cognitive processing aimed at making sense of the material）include personalization（d=0.79），voice（d=0.74） and embodiment（d=0.36）.Some principles have boundary conditions，such as being stronger for low-rather than high-knowledge learners.

Key words： e-learning;instructional design;multimedia learning;science of learning