蔡新元陶夢(mèng)楚張健許艷閏

（1.華中科技大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，武漢，430074；2.光影交互服務(wù)技術(shù)文化和旅游部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢，430074；3.數(shù)字光影技術(shù)湖北省工程研究中心，武漢，430074；4.武漢大學(xué)信息管理學(xué)院，武漢，430072）

1 引言

近年來(lái)，隨著人工智能、數(shù)字孿生等技術(shù)的發(fā)展，教育領(lǐng)域的發(fā)展空間得以從現(xiàn)實(shí)世界向虛擬世界拓展。具有獨(dú)立數(shù)字身份的虛擬教師（virtual teacher），成為了人工智能技術(shù)在教育領(lǐng)域的主要應(yīng)用形態(tài)之一[1]。當(dāng)前，虛擬教師主要應(yīng)用于在線教學(xué)課程中，在有效節(jié)省教師人力成本的同時(shí)，為學(xué)習(xí)者提供了全新的人智交互體驗(yàn)[2-3]。然而目前絕大多數(shù)虛擬教師教學(xué)視頻的制作高度依賴視頻制作者的經(jīng)驗(yàn)、審美等主觀認(rèn)知，在教學(xué)信息和虛擬教師外觀的設(shè)計(jì)上缺少科學(xué)化、精細(xì)化的構(gòu)思[4],[5]507-524。這使得目前在線課程的教學(xué)信息呈現(xiàn)方式較為單一、虛擬教師視覺(jué)外觀設(shè)計(jì)無(wú)據(jù)可依，帶來(lái)了課程質(zhì)量良莠不齊、學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果并不理想等問(wèn)題[6]。

對(duì)于在線課程而言，教學(xué)信息的呈現(xiàn)方式是視頻制作者必須考慮的一個(gè)設(shè)計(jì)決策，與教學(xué)效果緊密相關(guān)[7-8]。已有研究在信息呈現(xiàn)方式對(duì)學(xué)習(xí)效果的影響上進(jìn)行了大量探索，然而值得注意的是，這些研究多以真人教師為教學(xué)主體，而當(dāng)人工智能教學(xué)代理取代真人教師后，教學(xué)信息該以何種方式呈現(xiàn)目前尚不可知。除此之外，虛擬教師的外觀同樣是一個(gè)顯著的視覺(jué)要素，能夠影響學(xué)生與虛擬教師的交互體驗(yàn)[9-10]。在虛擬人的眾多外觀特征中，擬真度是設(shè)計(jì)者在創(chuàng)建虛擬人形象時(shí)必須考慮的一個(gè)要素。擬真度有多種分類方式，已有研究主要對(duì)二維與三維、高分辨率與低分辨率[11]等對(duì)比強(qiáng)烈的表現(xiàn)方式進(jìn)行了討論，但相關(guān)研究結(jié)果并不能為擬人化虛擬教師的設(shè)計(jì)提供切實(shí)可行的指導(dǎo)。

基于此，本研究聚焦于學(xué)習(xí)者與虛擬教師的教學(xué)交互，開(kāi)展受控實(shí)驗(yàn)探索當(dāng)虛擬教師作為教學(xué)代理時(shí)，教學(xué)信息呈現(xiàn)方式對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)效果的影響。此外，本研究進(jìn)一步探討了當(dāng)虛擬教師外觀的擬真度不同時(shí)，信息呈現(xiàn)方式對(duì)學(xué)習(xí)效果的影響是否會(huì)發(fā)生顯著變化。本研究通過(guò)受控實(shí)驗(yàn)精準(zhǔn)度量用戶學(xué)習(xí)效果，為教學(xué)信息呈現(xiàn)方式和虛擬教師擬真度的設(shè)計(jì)提供了客觀科學(xué)的依據(jù)，以期提升人智教學(xué)交互體驗(yàn)和效果。

2 文獻(xiàn)綜述

2.1 信息呈現(xiàn)方式對(duì)學(xué)習(xí)效果的影響研究

目前，國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者研究了信息的不同呈現(xiàn)方式及其組合對(duì)學(xué)習(xí)效果的影響。一部分研究將文字與圖片所帶來(lái)的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)圖片會(huì)帶來(lái)更好的學(xué)習(xí)成績(jī)。例如，Marcus等人[12]在指導(dǎo)參與者完成連接電阻器的任務(wù)時(shí)，向兩組學(xué)生分別提供了文字說(shuō)明和圖示說(shuō)明，結(jié)果圖示組完成任務(wù)的時(shí)間比文本組要短，并且文字組的參與者在主觀上感覺(jué)任務(wù)更難。Carlson等人[13]將參與者分為兩組，分別學(xué)習(xí)圖示形式和文字形式的碳化合物命名規(guī)則，研究發(fā)現(xiàn)，在學(xué)習(xí)較為簡(jiǎn)單的前綴命名規(guī)則時(shí)，文字與圖片形式的教學(xué)效果無(wú)明顯差異；但在學(xué)習(xí)更為復(fù)雜的后綴命名規(guī)則時(shí)，圖片的方式呈現(xiàn)可以讓參與者在記憶時(shí)使用更少的元素來(lái)處理信息，能夠有效減輕其認(rèn)知負(fù)荷。

還有研究將文字、圖片等靜態(tài)呈現(xiàn)方式與動(dòng)圖、視頻等動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)方式進(jìn)行對(duì)比[14-15]。但在動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)方式是否能促進(jìn)學(xué)習(xí)效果上，學(xué)者們存在不一樣的看法。一些學(xué)者基于交叉學(xué)習(xí)理論和多媒體學(xué)習(xí)認(rèn)知理論提出，視頻的信息呈現(xiàn)方式會(huì)帶來(lái)與學(xué)習(xí)內(nèi)容無(wú)關(guān)的冗余信息，增加學(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)荷，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不理想[16]。Mohd等人[17]通過(guò)對(duì)比靜態(tài)視覺(jué)、二維動(dòng)畫視覺(jué)和三維動(dòng)畫視覺(jué)三種不同信息呈現(xiàn)方式的學(xué)習(xí)效果，發(fā)現(xiàn)靜態(tài)圖文呈現(xiàn)方式的學(xué)習(xí)效果要優(yōu)于二維和三維動(dòng)畫；盧婷、楊現(xiàn)民[18]指出在移動(dòng)學(xué)習(xí)環(huán)境下，圖文的呈現(xiàn)方式最有利于學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)，文本次之，視頻效果最差。但部分學(xué)者對(duì)此持相反意見(jiàn)，他們認(rèn)為視頻、動(dòng)畫等動(dòng)態(tài)立體的信息呈現(xiàn)方式可以更清晰地表征學(xué)習(xí)內(nèi)容，能夠提高學(xué)生在學(xué)習(xí)高難度學(xué)習(xí)材料上的效率和有效性，比靜態(tài)圖文對(duì)學(xué)生的幫助更大[19-20]。Kriz 和Hegarty[21]分別使用動(dòng)畫和靜態(tài)圖片來(lái)教授參與者有關(guān)沖水箱的知識(shí)，發(fā)現(xiàn)與學(xué)習(xí)靜態(tài)圖片的參與者相比，學(xué)習(xí)動(dòng)畫的參與者對(duì)知識(shí)的理解明顯更好。閆志明等人[22]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相較于圖文版（靜態(tài)圖片+文字解說(shuō)），動(dòng)畫版（動(dòng)態(tài)畫面+語(yǔ)音解說(shuō)）的學(xué)習(xí)材料能有效減輕參與者的認(rèn)知負(fù)荷，提升學(xué)習(xí)效率與效果。Lin等人[23]的實(shí)驗(yàn)得出了類似的結(jié)論，即觀看動(dòng)畫的參與者比觀看靜態(tài)圖片的參與者記住了更多的知識(shí)點(diǎn)。

2.2 虛擬教師擬真度相關(guān)研究

既有研究發(fā)現(xiàn)，擬人化是影響用戶對(duì)人工智能的體驗(yàn)感、接受度和使用意愿的重要因素[24]。當(dāng)人工智能視覺(jué)特征的擬真度越高時(shí)，其能夠帶來(lái)的社會(huì)感知越積極，如更高的信任度與喜愛(ài)度等[25-27]。當(dāng)這種對(duì)高擬真度人工智能產(chǎn)生喜愛(ài)感、信任感的現(xiàn)象映射至教育領(lǐng)域時(shí)，就可被“角色效應(yīng)”（persona effect）解釋，即栩栩如生的人工智能教育代理會(huì)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)產(chǎn)生強(qiáng)烈的積極影響[28-30]。因此，學(xué)者們開(kāi)始廣泛關(guān)注人工智能教學(xué)代理的視覺(jué)體驗(yàn)設(shè)計(jì)。研究的視覺(jué)要素主要包含四個(gè)方面：教學(xué)代理是否具有具象形象；虛擬教師的物種形態(tài)，如人類、動(dòng)物、機(jī)器人、無(wú)生命體等；虛擬教師的個(gè)性特征，如人種、性別、年齡等；虛擬教師的擬真度，如二維或三維、抽象或?qū)憣?shí)、漫畫風(fēng)格或?qū)憣?shí)風(fēng)格等。

在擬真度的相關(guān)研究中，一部分學(xué)者發(fā)現(xiàn)虛擬教師的擬真度并不會(huì)使學(xué)生的學(xué)習(xí)效果產(chǎn)生顯著差異。Moreno等人[31]將參與者分為兩組，分別接受真人教師與人工智能教學(xué)代理的教學(xué)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，兩組參與者的成績(jī)分?jǐn)?shù)沒(méi)有表現(xiàn)出顯著差異；Sahimi等人[32]設(shè)計(jì)了三種不同擬真程度的虛擬教師（卡通、中度寫實(shí)和超寫實(shí)），并通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)虛擬教師擬真度對(duì)參與者成績(jī)無(wú)顯著影響。另一部分研究雖然觀察到了擬真度對(duì)學(xué)習(xí)效果存在影響，但在具體的影響方向上尚未達(dá)成一致結(jié)論。Baylor等人[33]通過(guò)對(duì)比卡通教學(xué)代理和寫實(shí)教學(xué)代理，發(fā)現(xiàn)當(dāng)虛擬教師擁有更真實(shí)的動(dòng)畫時(shí)，更有助于增強(qiáng)學(xué)習(xí)遷移的效果；Dehn等人[34]認(rèn)為具有更真實(shí)視覺(jué)外觀的教學(xué)代理的暗示誤導(dǎo)性行為，可能會(huì)阻礙學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效率；Li等人[35]進(jìn)行了一項(xiàng)2（人類、機(jī)器人）×2（實(shí)拍視頻、虛擬動(dòng)畫）的析因?qū)嶒?yàn)，發(fā)現(xiàn)與動(dòng)畫－真人組和實(shí)拍－機(jī)器人組相比，實(shí)拍－真人組和動(dòng)畫－機(jī)器人組的參與者在知識(shí)記憶測(cè)試中的表現(xiàn)較好。

2.3 研究問(wèn)題

在對(duì)相關(guān)研究進(jìn)行梳理后可以發(fā)現(xiàn)，人智教學(xué)交互中的信息呈現(xiàn)方式主要分為文字、圖片、視頻三種類型，但在信息呈現(xiàn)方式對(duì)學(xué)習(xí)效果的影響上尚未形成一致的結(jié)論。虛擬教師擬真度在已有研究中已初步被發(fā)現(xiàn)能夠影響人智教學(xué)交互的學(xué)習(xí)效果，但在具體的表現(xiàn)方式和影響方向上仍有待討論。為填補(bǔ)上述研究空白，本研究擬對(duì)以下研究問(wèn)題進(jìn)行探索：

RQ1：為了提高學(xué)生對(duì)在線課程的學(xué)習(xí)效果，人智教學(xué)交互中應(yīng)該使用何種教學(xué)信息呈現(xiàn)方式？

RQ2：人智教學(xué)交互中虛擬教師的擬真度是否會(huì)調(diào)節(jié)教學(xué)信息呈現(xiàn)方式對(duì)學(xué)習(xí)效果的影響？

3 研究設(shè)計(jì)

本研究探索了人智教學(xué)交互中教學(xué)信息呈現(xiàn)方式對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)效果的影響，并進(jìn)一步檢驗(yàn)虛擬教師擬真度的調(diào)節(jié)作用。本研究采用3×2的被試間實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，信息呈現(xiàn)方式（文字/圖片/視頻）和虛擬教師擬真度（超寫實(shí)/卡通）均為被試間因素。本研究經(jīng)大學(xué)研究倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，嚴(yán)格遵循一般倫理準(zhǔn)則。

3.1 實(shí)驗(yàn)參與者

本實(shí)驗(yàn)以在某高校校園社交媒體平臺(tái)上發(fā)布廣告的形式來(lái)招募實(shí)驗(yàn)參與者，要求如下：（1）受教育程度為本科及以上；（2）視力與矯正視力正常；（3）沒(méi)有學(xué)習(xí)引力波相關(guān)課程的經(jīng)歷。實(shí)驗(yàn)共招募到54名參與者，其中男生18人、女生36人。為避免學(xué)習(xí)能力的差異對(duì)研究結(jié)果產(chǎn)生影響，在征得參與者同意的情況下，研究人員計(jì)算了他們近一學(xué)年所有課程的加權(quán)成績(jī)，并將其分為平均加權(quán)成績(jī)相近的6組。本研究在數(shù)據(jù)分析前剔除了操作檢驗(yàn)異常的9位參與者的數(shù)據(jù)，最終得到45個(gè)有效樣本。參與者年齡分布在18至27歲之間（M=21.91；SD=2.710）。所有參與者在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前均自愿簽署了知情同意書，并在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后被給予了相應(yīng)的報(bào)酬。

3.2 實(shí)驗(yàn)材料

本研究的實(shí)驗(yàn)材料為6個(gè)教學(xué)視頻。為制作教學(xué)視頻，研究人員首先需要確定視頻的教學(xué)內(nèi)容、信息呈現(xiàn)方式和虛擬教師動(dòng)畫。

在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上，選擇了“引力波”這一物理學(xué)和天文學(xué)的交叉領(lǐng)域。為保證課程的難易程度適中，教學(xué)內(nèi)容主要圍繞引力波的定義、探測(cè)方法、研究歷程與探測(cè)現(xiàn)狀這四個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解。學(xué)習(xí)材料的內(nèi)容均通過(guò)了物理專業(yè)教師的審閱修改，具有較高的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

在信息呈現(xiàn)方式的設(shè)計(jì)上，文本組教學(xué)課件中，教師PPT僅出現(xiàn)文字內(nèi)容對(duì)知識(shí)進(jìn)行講解；圖片組教學(xué)課件運(yùn)用圖示對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解，文字僅作為標(biāo)題或圖示注解出現(xiàn)；視頻組則是在相同的知識(shí)點(diǎn)上采用了視頻動(dòng)畫進(jìn)行講解。在正式實(shí)驗(yàn)前，邀請(qǐng)了6位教學(xué)專家對(duì)各組教學(xué)視頻的信息承載量進(jìn)行了判斷，確保各組學(xué)習(xí)材料的信息承載量基本相同。

在虛擬教師動(dòng)畫設(shè)計(jì)上，本研究參考Baylor的實(shí)驗(yàn)[33]，將虛擬教師的擬真度分為卡通版和超寫實(shí)版。兩種不同擬真度的虛擬教師動(dòng)畫均依照“建?！?jiǎng)幼鞑蹲健秩尽钡牧鞒踢M(jìn)行制作。在建模環(huán)節(jié)，使用MetaHuman軟件進(jìn)行虛擬教師三維立體建模，將其作為超寫實(shí)虛擬教師形象；在超寫實(shí)版的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整面部比例、五官造型、頭身比例等，創(chuàng)作出卡通版虛擬教師。在動(dòng)作捕捉環(huán)節(jié)，邀請(qǐng)高校教師作為動(dòng)作捕捉主體講授引力波課程，并運(yùn)用人工智能軟件對(duì)其授課時(shí)的身體動(dòng)作、面部表情、眼部動(dòng)作進(jìn)行精準(zhǔn)捕捉，運(yùn)用人工智能技術(shù)生成相對(duì)應(yīng)的虛擬教師授課動(dòng)畫。在渲染環(huán)節(jié)，為控制無(wú)關(guān)變量，兩種不同擬真度的虛擬教師采用了相同的紋理、材質(zhì)、色彩、燈光等參數(shù)。設(shè)計(jì)確保在現(xiàn)有技術(shù)范圍內(nèi)，最大程度地實(shí)現(xiàn)不同擬真度虛擬教師除人物形象外，其他視覺(jué)要素的統(tǒng)一。不同擬真度虛擬教師的設(shè)計(jì)流程與虛擬教師視覺(jué)外觀，如圖1所示。

圖1 虛擬教師制作流程與最終效果Fig.1 The Production Process and Final Effect of Virtual Teachers

研究人員最終制作出6個(gè)教學(xué)視頻，時(shí)長(zhǎng)均為4分12秒。視頻中出現(xiàn)的標(biāo)題、字體、字號(hào)、顏色等均一致，兩種擬真度的虛擬教師在授課過(guò)程中保持相同的語(yǔ)速、語(yǔ)調(diào)、音量和姿態(tài)。6組課程截圖如圖2所示。

圖2 虛擬教師教學(xué)視頻示例Fig.2 Examples of Virtual Teachers' Teaching Videos

3.3 變量測(cè)量

（1）前測(cè)問(wèn)卷

先驗(yàn)知識(shí)水平。問(wèn)卷題目均出自高等院校天體物理學(xué)教材中與引力波相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)[36]3-41，如“關(guān)于時(shí)空和引力的基本理論是？”“最早預(yù)言引力波的科學(xué)家是誰(shuí)？”等。問(wèn)卷共6題，其中4個(gè)單選題，每題5分；2個(gè)多選題，每題10分，總分40分。

（2）操作檢驗(yàn)

信息呈現(xiàn)方式。參與者被要求回答“在剛剛的教學(xué)視頻中，課程信息主要是以（‘文字 /圖片 / 視頻’）的方式呈現(xiàn)的”。問(wèn)卷采用5分李克特評(píng)價(jià)法進(jìn)行測(cè)量（1=完全不同意，5=完全同意）。

虛擬教師擬真度。量表采用Powers和Kiesler設(shè)計(jì)的擬真度量表[37]，從虛擬教師的類人性、動(dòng)作、自我意識(shí)等多個(gè)維度對(duì)虛擬代理的擬真度進(jìn)行打分，例如“虛擬教師看起來(lái)很像真人教師”“虛擬教師看起來(lái)是行動(dòng)自如的”等。采用5分李克特評(píng)價(jià)法進(jìn)行測(cè)量（1=非常不同意，5=非常認(rèn)同）。

（3）后測(cè)問(wèn)卷

后驗(yàn)知識(shí)水平。本研究設(shè)計(jì)了8道題目來(lái)檢驗(yàn)參與者觀看完視頻后對(duì)引力波相關(guān)知識(shí)的了解程度，用該分?jǐn)?shù)減去先驗(yàn)知識(shí)水平的分?jǐn)?shù)來(lái)作為學(xué)習(xí)效果。8道題目分別對(duì)應(yīng)課程內(nèi)容中的4個(gè)知識(shí)點(diǎn)，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)考查一道單選題和一道填空題，每題5分，共40分。其中，填空題的答案與標(biāo)準(zhǔn)答案完全一致得5分，若僅填寫出關(guān)鍵詞得2分，答錯(cuò)不得分。

3.4 實(shí)驗(yàn)流程

所有參與者在同一間安靜的實(shí)驗(yàn)室中完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，除實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前研究人員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)說(shuō)明外，參與者全程不會(huì)受到任何干擾。本實(shí)驗(yàn)的順序分為三步：首先，了解參與者的基本情況，包括姓名、性別、年齡、專業(yè)等，以及此前是否了解虛擬教師、是否接受過(guò)虛擬教師授課等，時(shí)間約為5 分鐘。然后，填寫前測(cè)問(wèn)卷，測(cè)試參與者對(duì)于引力波的先驗(yàn)知識(shí)水平，時(shí)間約10 分鐘。接著，進(jìn)行課程學(xué)習(xí)。參與者依據(jù)分組情況觀看相應(yīng)的教學(xué)視頻，時(shí)間約5 分鐘。最后，填寫后測(cè)問(wèn)卷，包括操縱檢驗(yàn)與學(xué)習(xí)效果測(cè)試，時(shí)間約15—20 分鐘。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 操縱檢驗(yàn)

信息呈現(xiàn)方式的操縱有效性檢驗(yàn)結(jié)果顯示，在54位參與者中，有45人報(bào)告的信息呈現(xiàn)方式與實(shí)際操縱一致，其余有9人報(bào)告的不一致，故剔除其數(shù)據(jù)。

虛擬教師擬真度的操縱有效性檢驗(yàn)結(jié)果顯示，參與者對(duì)超寫實(shí)版虛擬教師擬真度的評(píng)分顯著高于對(duì)卡通版擬真度的評(píng)分（M超寫實(shí)=10.65>M卡通版=9.77，p=0.020＜0.05），故本研究對(duì)虛擬教師擬真度的操縱是成功的。

4.2 信息呈現(xiàn)方式對(duì)學(xué)習(xí)效果的影響

三組不同信息呈現(xiàn)方式下學(xué)習(xí)效果的描述性統(tǒng)計(jì)如圖3所示，視頻呈現(xiàn)方式下的學(xué)習(xí)效果最好（M=16.69），其次為文字呈現(xiàn)方式（M=9.07）和圖片呈現(xiàn)方式（M=7.36）。單因素方差分析進(jìn)一步表明，這三種信息呈現(xiàn)方式下參與者的學(xué)習(xí)效果存在顯著差異（F（2, 43）= 3.462,p=0.041<0.05）。由此說(shuō)明，對(duì)人智教學(xué)交互而言，教學(xué)信息呈現(xiàn)方式是十分重要的，當(dāng)教學(xué)信息以視頻呈現(xiàn)時(shí)能夠帶來(lái)最優(yōu)的學(xué)習(xí)效果。

圖3 三種信息呈現(xiàn)方式下學(xué)習(xí)效果的描述性統(tǒng)計(jì)Fig.3 Descriptive Statistics of Learning Effect Under Three Modes of Knowledge Presentation

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)三種信息呈現(xiàn)方式中兩兩之間的差異性，本研究進(jìn)行了LSD 事后多重檢驗(yàn)（表1）。結(jié)果顯示：①視頻組與圖片組的學(xué)習(xí)效果差異顯著（p=0.019 ＜0.05），視頻組優(yōu)于圖片組；②視頻組與文字組的學(xué)習(xí)效果差異顯著（p=0.049 ＜0.05），視頻組同樣優(yōu)于文字組；③文字組與圖片組的學(xué)習(xí)效果差異并不顯著（p=0.662 ＞0.05），文字組略微高于圖片組。

表1 三組數(shù)據(jù)之間顯著性比較Table 1 Comparison of Significance Between Three Sets of Data

4.3 虛擬教師擬真度的調(diào)節(jié)作用

由于信息呈現(xiàn)方式和虛擬教師擬真度均為分類變量，故本研究采用多因素方差分析來(lái)檢驗(yàn)擬真度的調(diào)節(jié)作用。結(jié)果顯示，信息呈現(xiàn)方式與虛擬教師擬真度存在顯著的交互作用（p=0.039 ＜0.05），由此說(shuō)明擬真度能夠顯著調(diào)節(jié)信息呈現(xiàn)方式與學(xué)習(xí)效果間的關(guān)聯(lián)（圖4）。本研究接著進(jìn)行了單因素方差分析來(lái)檢驗(yàn)擬真度如何調(diào)節(jié)信息呈現(xiàn)方式與學(xué)習(xí)效果間的關(guān)聯(lián)。數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，在虛擬教師為超寫實(shí)版的條件下，信息呈現(xiàn)方式對(duì)學(xué)習(xí)效果的影響具有顯著性（F（2,20）=4.408,p=0.027 ＜0.05）；在虛擬教師為卡通版的條件下，信息呈現(xiàn)方式對(duì)學(xué)習(xí)效果的影響并不顯著（F（2,21）=3.028,p=0.071 ＞0.05）。這一結(jié)果說(shuō)明，信息呈現(xiàn)方式對(duì)學(xué)習(xí)效果的影響是有條件的，只有當(dāng)虛擬教師擬真度為超寫實(shí)時(shí)，不同的信息呈現(xiàn)方式才會(huì)產(chǎn)生顯著不同的學(xué)習(xí)效果。

圖4 擬真度在信息呈現(xiàn)方式與學(xué)習(xí)效果間的調(diào)節(jié)作用Fig.4 The Moderating Effect of Simulation Fidelity on Knowledge Presentation and Learning Effects

5 結(jié)論

5.1 討論

對(duì)于RQ1，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在人智教學(xué)交互中，信息的不同呈現(xiàn)方式會(huì)使學(xué)習(xí)者產(chǎn)生顯著不同的學(xué)習(xí)效果。與閆志明等人[22]、Lin等人[23]的研究結(jié)論基本相似，本研究發(fā)現(xiàn)，視頻信息呈現(xiàn)方式帶來(lái)的學(xué)習(xí)效果要優(yōu)于文字和圖片。根據(jù)Bétrancourt和Tversky[38]的研究，動(dòng)態(tài)的信息呈現(xiàn)方式能夠幫助學(xué)習(xí)者在腦海中構(gòu)建事物的形態(tài)變化與運(yùn)動(dòng)規(guī)則，使學(xué)習(xí)者可以將更多的認(rèn)知資源用于學(xué)習(xí)信息的深度處理。而靜態(tài)文字與圖片則需要學(xué)習(xí)者一邊觀看，一邊快速地對(duì)接收到的信息進(jìn)行解碼與理解，會(huì)給學(xué)習(xí)者帶來(lái)更多的心理負(fù)擔(dān)[23]。在本研究中，參與者需要付出一定的認(rèn)知努力來(lái)學(xué)習(xí)引力波隨時(shí)間不斷變化的表征及其成因，視頻這種呈現(xiàn)方式簡(jiǎn)化了這一學(xué)習(xí)過(guò)程，使學(xué)習(xí)者有更多的認(rèn)知資源學(xué)習(xí)引力波的產(chǎn)生機(jī)制與探測(cè)方法，進(jìn)而提升了對(duì)信息的深度加工和存儲(chǔ)。

在本研究中，對(duì)于同屬靜態(tài)信息呈現(xiàn)方式的圖片和文字而言，當(dāng)教學(xué)信息以文字呈現(xiàn)時(shí)，參與者的學(xué)習(xí)效果更好，但二者之間并無(wú)顯著差異。這一結(jié)果與陳靜等人[39]的研究基本一致，可能的原因在于：Allan Paivio的雙編碼理論認(rèn)為，詞語(yǔ)可以直接進(jìn)行言語(yǔ)編碼，而圖片只能通過(guò)意象表征才能接近言語(yǔ)編碼。圖片雖然比文本更加形象，更有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)進(jìn)行深層次的加工，但與此同時(shí)，卻需要以花費(fèi)更多的信息加工時(shí)間作為代價(jià)[40]259。因此，在時(shí)間不允許的條件下，文字能給予學(xué)生最直接的信息，比圖片更有利于學(xué)生對(duì)信息進(jìn)行直接加工。在本研究中，教學(xué)視頻的播放是由實(shí)驗(yàn)人員操控的，參與者不可以隨意暫?；蛑貜?fù)觀看教學(xué)視頻。這就導(dǎo)致在有限的時(shí)間內(nèi)，文字比圖片傳達(dá)的教學(xué)信息更為直觀，更有利于參與者對(duì)信息的加工，帶來(lái)的學(xué)習(xí)效果也更好。此外，圖片中或多或少存在抽象的信息提示，如箭頭或突出顯示等。這些提示必須與圖片中的其余信息進(jìn)行整合才能夠被理解，這就可能導(dǎo)致參與者承受更大的認(rèn)知負(fù)荷，更有可能出現(xiàn)理解偏差，從而導(dǎo)致圖片的學(xué)習(xí)效果不如視頻[41]。

對(duì)于RQ2，當(dāng)虛擬教師擬真度作為調(diào)節(jié)變量被引入分析后，結(jié)果顯示，在人工智能外觀為超寫實(shí)的條件下，信息呈現(xiàn)方式能夠顯著影響學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果；而降低人工智能外觀的擬真度后，不同信息呈現(xiàn)方式帶來(lái)的學(xué)習(xí)效果并無(wú)顯著差異。這一結(jié)果與Li的結(jié)果一致，可能的原因在于：擬真度更高的超寫實(shí)虛擬教師更接近于真人教師，因此相比之下，卡通虛擬教師更為新穎，更有可能分散學(xué)生對(duì)于教學(xué)信息的注意力，從而弱化了信息呈現(xiàn)方式對(duì)學(xué)習(xí)效果的影響[24]。依據(jù)注意分離效應(yīng)（split-attention effect）和干擾理論（interference theories of social agency），虛 擬教師作為在線學(xué)習(xí)中用來(lái)提升學(xué)習(xí)興趣的惑性細(xì)節(jié)（seductive details），會(huì)在學(xué)習(xí)者進(jìn)行信息選擇時(shí)分散其注意力，導(dǎo)致其對(duì)主要學(xué)習(xí)內(nèi)容的關(guān)注度下降，從而產(chǎn)生注意分離效應(yīng)[42]。當(dāng)信息呈現(xiàn)方式與教學(xué)代理動(dòng)畫通過(guò)同一視覺(jué)通道傳送到學(xué)習(xí)者大腦中時(shí)，這兩個(gè)冗余的信息源就會(huì)導(dǎo)致學(xué)習(xí)者的注意力分散，而學(xué)習(xí)者的認(rèn)知資源是有限的，當(dāng)人工智能教學(xué)代理的視覺(jué)特征的吸引力過(guò)大時(shí)，學(xué)習(xí)者投入到教學(xué)信息上的認(rèn)知資源就會(huì)相對(duì)應(yīng)地減少[43-44]。Pi同樣通過(guò)眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)探究了人工智能教學(xué)代理的視覺(jué)特征對(duì)學(xué)習(xí)者注意力的影響，發(fā)現(xiàn)相較于普通外觀的虛擬教師，學(xué)習(xí)者的視線在外觀可愛(ài)的虛擬教師身上停留的時(shí)間更長(zhǎng)，相應(yīng)地在學(xué)習(xí)材料區(qū)域停留的時(shí)間更短[45]。因此在本實(shí)驗(yàn)中可能存在，學(xué)生注意力在卡通教師的可愛(ài)外觀上停留時(shí)間更長(zhǎng)的情況。

5.2 理論與實(shí)踐啟示

本研究為現(xiàn)有研究提供了如下兩方面理論啟示。首先，本研究豐富了人智教學(xué)交互中信息呈現(xiàn)方式的相關(guān)研究成果。已有關(guān)于在線課程信息呈現(xiàn)方式的研究多以真人教師為教學(xué)主體，本研究則聚焦于虛擬教師這一新興的人工智能教學(xué)代理，對(duì)其人智教學(xué)交互過(guò)程中的信息呈現(xiàn)方式進(jìn)行了探索。其次，本研究充分挖掘了受控實(shí)驗(yàn)在解決設(shè)計(jì)決策問(wèn)題中的潛力。本研究著眼于現(xiàn)實(shí)生活中真實(shí)存在的設(shè)計(jì)決策問(wèn)題，從多學(xué)科融合的視角出發(fā)，開(kāi)展受控實(shí)驗(yàn)來(lái)精準(zhǔn)度量人智教學(xué)交互中參與者的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，有效克服了設(shè)計(jì)中經(jīng)驗(yàn)主義在提升人智交互體驗(yàn)中的局限，為虛擬人在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了科學(xué)可行的建議。

本研究為虛擬教師在線課程的設(shè)計(jì)提供了如下實(shí)踐啟示。首先，明確了動(dòng)態(tài)視頻是最適合人智教學(xué)交互的信息呈現(xiàn)方式；其次，當(dāng)虛擬教師的擬真度處于較高水平時(shí)，更要注重對(duì)信息呈現(xiàn)方式的選擇。根據(jù)本研究結(jié)果，在線教育從業(yè)者與人工智能教學(xué)代理的設(shè)計(jì)者可對(duì)其課程信息的呈現(xiàn)方式與虛擬教師的視覺(jué)外觀進(jìn)行優(yōu)化，為學(xué)習(xí)者提供更加高質(zhì)量的在線課程。

5.3 研究局限與展望

本研究也具有一定的局限性。①實(shí)驗(yàn)對(duì)象的局限性。實(shí)驗(yàn)對(duì)象數(shù)量較小，教育水平和專業(yè)背景等特征的分布并不廣泛，這可能降低了本研究結(jié)果在不同特征人群中的普適性和推廣性。②實(shí)驗(yàn)材料和環(huán)境的局限性。本研究制作的教學(xué)視頻時(shí)長(zhǎng)較短，整個(gè)實(shí)驗(yàn)均在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行，并未構(gòu)建真實(shí)的云平臺(tái)或網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境，使得實(shí)驗(yàn)的生態(tài)效度不高。未來(lái)研究可以嘗試實(shí)現(xiàn)真正的虛擬教師教學(xué)環(huán)境。③測(cè)量工具的局限性。本實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)習(xí)效果的衡量不夠全面，僅依靠前后測(cè)問(wèn)卷的差值來(lái)測(cè)量。未來(lái)研究可在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中加入眼動(dòng)儀等生理測(cè)量工具，記錄學(xué)習(xí)者在虛擬教師與教學(xué)信息之間的停留時(shí)間等，更為客觀地檢驗(yàn)信息呈現(xiàn)方式、擬真度等因素如何發(fā)揮作用。

作者貢獻(xiàn)說(shuō)明

蔡新元：提出整體研究思路與框架；

陶夢(mèng)楚：數(shù)據(jù)調(diào)研，論文起草與修改；

張?。禾岢稣w研究思路，論文最終版本修訂；

許艷閏：數(shù)據(jù)清洗和分析，修改論文。

支撐數(shù)據(jù)

支撐數(shù)據(jù)由作者自存儲(chǔ)，E-mail:taomc@hust.edu.cn。

1.陶夢(mèng)楚.Measurement data of variables.xlsx.變量測(cè)量數(shù)據(jù).

2.陶夢(mèng)楚.Data of operation test.xlsx.實(shí)驗(yàn)操作檢驗(yàn)數(shù)據(jù).