视觉注意理论对数学教学PPT设计的启示

宋佩佳　王光明

【摘要】课堂教学中，学生从PPT中所获得的内容主要是靠视觉，教师想要吸引学生的视觉注意，促使学生主动地借助视觉接受信息，需要根据学生视觉注意的能量分配和特征整合理论设计相应的数学PPT课件.基于视觉注意的能量分配理论和特征整合理论的角度，教师在设计数学PPT课件时，需要结合数学教学内容的重难点和逻辑特征，依据视觉选择性的决定因素，进行课件的组织和设计；基于视觉注意的能量分配问题，PPT课件的设计应避免视觉刺激过多，过度消耗学习者的视觉资源；基于特征整合的问题，PPT课件中具体的设计要考虑文本的逻辑结构，充分考虑具体教学内容在PPT课件界面的整体性.

【关键词】视觉注意；选择性注意；集中性注意；数学教学PPT设计

1引言

进入21世纪，面对日趋激烈的国力竞争，世界各国普遍关注教育信息化在提高国民素质和增强国家创新能力方面的重要作用.在2012年，教育部为了更好地落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020）》中信息技术对教育发展的要求，提出了专项规划《教育信息化十年规划纲要（2010—2020）》.该项规划明确提出，缩小基础教育数字鸿沟，促进优质教育资源共享[1].在2014年，教育部又发起了全国中小学教师信息技术应用能力提升工程，并且颁布了《中小学教师信息技术应用能力标准（试行）》，指出：“信息技术应用能力是信息化社会教师必备专业能力.……对教师在教育教学和专业发展中应用信息技术提出了基本要求和发展性要求.其中，应用信息技术优化课堂教学的能力为基本要求，主要包括教师利用信息技术进行讲解、启发、示范、指导、评价等教学活动应具备的能力；应用信息技术转变学习方式的能力为发展性要求，主要针对教师在学生具备网络学习环境或相应设备的条件下，利用信息技术支持学生开展自主、合作、探究等学习活动所应具有的能力[2].”可见，教师合理地运用现代信息技术进行数学课堂教学设计势在必行.在实际教学中，教师普遍选择的信息技术就是PPT.然而，目前数学教学设计的相关文章并没有对数学PPT的教学设计做出详细阐述.比如，方均斌等人提出了数学教师应该用优化眼光来进行教学设计，但是并未对如何优化PPT的设计做出诠释[3].傅海伦等人指出数学教学课件设计与使用的不当具有消极影响，却未有提及解决教师依赖问题的方法[4].王光明通过问卷调查等相关研究方法，提出了融入信息技术的数学教学设计评价标准和基于“学思知行”提出的数学教师评价指标也没有涉及到有关PPT的数学教学设计[5][6].此外，通过对《中国电化教育》和《电化教育研究》中PPT课件的文章整理，发现亦有研究者依据相关理论对PPT课件进行合理、有效地设计，但是缺乏与数学学科的整合.如，孙方提出了降低课件认知负荷的信息加工和整合的策略[7].衷克定等人仅仅是从多媒体中色彩搭配的视角，研究了学生对PPT注意集中程度[8].在数学教学设计中，教师只注重自身的教学过程，而缺乏对学生视觉注意的帮助，忽视了PPT课件在教学中与学生的交互性，忽视了学生对PPT课件中细节信息的注视问题和整体内容的视觉整合加工问题，就会降低数学课堂教学的效率.本文首先简述视觉注意理论，然后阐述其对数学PPT课件制作和设计的启示.

2视觉注意理论

在大数据时代，数据筛选和处理已经成为人类在处理外界信息的重要能力.特瑞克勒（D.G. Treichler）曾指出，人类从外界获取的信息中，通过视觉获取的信息占83%.在课堂教学中，学生从PPT中所获得的内容主要是靠视觉.教师想要吸引学生的视觉注意，促使学生主动地借助视觉接受信息，需要根据学生视觉注意的能量分配和特征整合理论设计相应的数学PPT课件.因此，在数学教学设计中，结合视觉的认知过程对PPT课件的制作和设计进行优化是很有必要，将有助于提高学生的学习效率和成效.

21凯恩曼的能量分配模型

在1973年，Kahneman在《注意和努力》中指出，为了完整地识别一个刺激，就需要资源.如果刺激较复杂，需要的资源就多.如果同时呈现几种复杂的刺激，资源可能就会很快耗尽.如果给资源已耗尽的人再呈现另外的刺激，这些新异刺激将不被加工（或注意）[9].他认为，注意资源总量主要决定于觉醒水平，它是有限的，从该总资源中分得的资源多少决定着各信息被注意的程度.这样，资源的分配方案便成了注意的选择性的关键.这个分配方案主要受三方面因素的制约：对完成任务所需能量的评估、个体的当前意愿和个体的长期倾向[10].依照Kahneman的看法，个人的长期倾向反映不随意注意的作用，即将能量分配给新异刺激、突然动起来的东西等；当时的意愿体现任务的要求和目的等；对完成任务所需能量的评价是一个重要的因素，它不仅影响可得到的能量，使其增多或减少，而且极大地影响分配方案.从这个模型来看，只要不超过可得到的能量，人就能同时接收两个或多个输入，否则就会发生相互干扰，甚至只能进行一种活动[11].

22Treisman的特征整合理论

在1980年，Treisman提出了特征整合理论（Feature Integration Theory），该理论着眼于注意的整合功能，将注意与知觉的内部过程紧密地结合起来.Treisman对物体的特征（如颜色、大小和特定朝向的线条）和物体本身（客体）进行了区分，将特征看作是某个维量的一个特定值，而客体则是一些特征的结合.特征整合论从知觉出发，将客体知觉过程分成早期的前注意和特征整合两个阶段.在前注意阶段，视觉注意机制中存在一个快速而且发生于早期的平行加工过程；在这一过程里，环境中，哪些物体的各个视觉特征被组合在一起进行加工；这一过程并不受注意的影响.在特征整合阶段，视觉注意是一个系列加工过程.在这一过程里，特征被整合起来形成各种物体.系列加工过程要比平行加工过程缓慢，在刺激集较大时尤为如此.集中注意可把特征整合起来.在这种情况下，集中注意就像胶水一样协助组织各种可用的特征形成完整物体.贮存的知识可以影响特征整合.在集中注意或相关知识缺乏的情况下，来自不同物体的特征被随机组合起来而引起“错觉失联”现象[12][13].

基于视觉注意的本质，Kahneman的资源分配方案体现了对视觉信息的选择性；Treisman的特征融合理论实质上是体现了对视觉信息的集中性，在高效的视觉搜索中各个物体是并行处理的，而在低效的搜索过程中物体是被串行处理的.当通过单一的特征就可以把目标物体和干扰物体区分开来，搜索属于前一种情况.当目标物体和干扰物体的区别是由多种特征组合时，搜索就属于后一种情况.

3启示

数学PPT课件作为辅助数学教学的可视化工具，教师需要探索其设计的视觉传达规律，以便制作出符合学习者视觉信息接受选择性分配和客体集中性规律的PPT课件.简洁凝炼、导航清晰的教学内容和布局和谐、图文并茂的形式是高质量PPT的必备特征，因而PPT课件的视觉化设计应以数学教学内容设计和形式设计为重点.

31基于注意分配理论的PPT课件设计的启示

由注意分配理论可知，学生在课堂教学时间内可利用的视觉资源量在一定程度上取决于他们当时认知资源的唤醒水平，即，数学PPT课件中的信息越复杂，学生所需要的认知资源就越多.同时，学生视觉资源的选择性分配还由学生的当前意愿和长期倾向以及对完成任务所需能量评估决定.因此，在数学课堂教学中，教师在设计数学PPT课件时，需要结合数学教学内容的重难点和逻辑特征，依据视觉选择性的决定因素，进行课件的组织和设计.311PPT课件中数学教学内容的重点、难点设计

研究者调查发现，教材文字的搬家、堆砌问题是PPT课件中现存的最严重的问题[14].从凯恩曼的注意分配理论可知，每一页PPT所包含的教学信息量越多，学习者所需要处理信息的视觉资源总量就越大.基于凯恩曼的注意分配理论，学习者的觉醒水平决定着资源总量，而学习的当前意愿对学习者的视觉选择性注意又有着重要的影响.那么，在数学课堂教学中，当学习者需要耗尽大量的视觉资源对数学PPT课件中过多的教材文字信息进行分析时，他们将不会对教师所讲授的教学内容加工（或注意）.因此，教师在设计课件时，不仅要依据数学课程标准确定教学的总目标和教学的重点，而且还要依据学习者需求对教学内容进行分析、归纳和提炼，进而确定教学难点.这样就需要教师对数学PPT课件中具体教学内容的整体性和层次性进行合理地分配.为此，教师设计的PPT课件都要确保每张PPT的主题单一、突出，同时，每张PPT的主题都要为诠释教学重点服务，以便更好地维持和转移学生的注意力，促使学生为数学教学的重点分配更多的视觉认识资源，这样有利于学生对知识的编码和长时记忆的保存；即便是，由于数学教学内容的逻辑性决定了教师需要在同一张PPT中多方面和多角度的呈现教学重、难点和教学目标内容，教师也应采用PPT软件中的链接或触发器等功能对教学内容进行逐个呈现.

认知心理学家认为，人类对客体的思维表征是通过符号实现的.概念是事物本质的反映，是对一类事物的概括和表征[15].在数学PPT课件中出现的文字信息多数为数学概念及其说明，依据数学课程标准的要求，对数学概念的理解亦是教学的重点.教师应针对数学概念的不同分类进行不同的概念文字表述方式.

描述性定义就是采用直观地描述或与其他概念相类比的方法来阐述概念的意义.例如，二次根式的定义可设计为图1的两种形式.

形式1：一般的，形如a（a≥0）的式子叫做二次根式

形式2：一般的，形如a（a≥0）的式子叫做二次根式

图1二次根式的定义

数学概念除去内涵定义和外延定以外，还存在一种定义方式，即形式定义.例如，“函数y=ax2+bx+c（a，b，c是常数，且a≠0）叫做二次函数”，这就是形式定义，可设计为图2的形式，同时，教师可以对二次函数的各项系数做重点说明.这样的定义，虽然能从其中分解出概念的内涵，按规则作外延分类，但又不是从内涵或外延出发而构造相应的模式，它的着眼点在于被定义概念的本质结构[16].图2二次函数的定义

312PPT课件中数学教学内容的逻辑设计图3知识逻辑结构样图

在数学课堂教学中，教学信息的呈现应该符合学生的认知和思维发展规律.数学学科教学内容的逻辑性很强，主要包括知识点自身的逻辑设计和知识点间的逻辑设计.教师在设计数学PPT课件时，要立足于对教材的分析，从具体教学内容的知识点逻辑出发，保证PPT课件的连续性，避免过大的思维跳跃.从凯恩曼的注意分配理论可知，长期倾向影响学生的不随意注意，决定着学生视觉选择性注意的认知资源分配.因此插入新异的图片、突然动起来的动画等不但不能促进学生的学习，相反会消耗学生的视觉认知资源.教师在制作PPT课件中，总会受自身情绪因素的影响，即在教学中加入有趣但不相关（与讲授主题有关，但与内容的理解无关）的有吸引力的图形、图像、动画.由于与学习内容的理解无关，它不能很好地帮助学习者建立起有意义的联系.数学课中往往是推理逻辑，内容呈现要由易到难.另外，设计一个清晰的导航，以便发挥PPT启发、提示和组织教学思路的功能.经过提炼内容要点和逻辑设计的PPT，一目了然，容易让学生抓住内容的精髓，促进学生的理解.初中数学中四边形的教学中，教师可以将教学的重点和逻辑体系用图3所示的结构框图呈现在学生的面前，这样就有利于学生对核心知识的记忆以及对数学逻辑的掌握.

32基于特征整合理论的PPT课件设计的启示

学生在注视PPT课件时，主要是将课件中的内容进行编码，储存在工作记忆中，通过练习和重复，变成长时记忆.这样，教师就需要依据视觉的特征整合理论，考虑PPT课件颜色、大小和特定朝向的线条等方面的因素.321PPT课件中颜色的搭配

在光亮条件和黑暗条件的情况下，人眼对各种光的感受性并不相同，在学生之间出现了一定的差异[17].因此，在设计PPT课件时，要根据学生上课时所处的不同的光照条件，选择合适的颜色以达到最优.

在教室光线比较充足的条件下，比如上午9-12点的时间段，主要是视锥细胞在起作用，对555纳米的黄绿光最为敏感，在能量相同的条件下，人眼觉得黄绿光最亮，这时，教师可以选555纳米的黄绿光为前景色，即字体颜色，来增加对锥体细胞的刺激，引起更好的视觉感受.同时，由于物体与背景之间的对比度影响视觉敏度，当物体与背景之间的对比度加大时，视觉敏度会提高[18].所以，在选择背景颜色时，应该选择跟黄绿光的对比度大一点的颜色，根据实验心理学对颜色搭配的研究，可以选择蓝色或黑色.但由于背景色蓝色宜淡，故以蓝色为最优，其次是黑色.

在教室光线比较暗淡时比如上午8-9点和下午4-5点，尤其是冬季时，我们可以将其认为是暗条件下，起作用的主要是视杆细胞，对507纳米的蓝绿光最为敏感.所以，在这种情况下，教师可以选507纳米的黄绿光作为字体颜色来提高暗条件下的视觉感受性.至于背景颜色，则选择蓝绿光对比度大的颜色，可以选择白色[18].

视觉感受取决于颜色的三个特征：亮度、色调、饱和度.其中饱和度反应了某种色光被白光冲淡的程度，会随着环境光线的变化而引起人视觉的变化.环境光线的强弱对于PPT课件的视觉感受性影响也很大，太暗或太亮都不利于提高幻灯片的视觉效果.在光亮条件下，背景可以适当地选择稍暗一点的颜色来减少对眼睛的刺激，而不能选择得太亮，比如白色、红色等；在黑暗条件下，室内适当的开几盏灯也是很有必要的[17].在PPT课件的教学中，如果环境的光强太大，文字和背景颜色的饱和度都会降低，其对比度和可视度也会受到影响.所以，为了提高课件的视觉感受性，环境光的光强不能太大.

322PPT课件中数学图形和文本关系的考虑

数学PPT课件设计中图形是一类主要呈现的客体，几何图形的特点是直观性，文字描述对图形具有解释的作用.PPT课件中简洁的文字在促进学生对PPT课件中内容的记忆具有不可替代的作用.此外，在短时间内，学生不太容易记住图形细节，而往往记住的是图形的整体.例如，基于安德森等人对知识的分类，投影、平行投影、中心投影、正投影等概念属于陈述性知识，学生需要借助知觉的表象去记忆或贮存投影分类的相关知识.如果教师在同一页PPT中同时逐项展示各个性质，如图4，并辅助说明，这样就可以使学生在头脑中形成投影的相关分类及其性质的表象，进而，在回忆投影的基础知识时，会以表象的形式呈现出来.图4投影的分类

根据眼动的规律，画面的左上部分总是最先被学生感知到，而且注视频率最高，而画面的右下区域为最低注意区域[19].为此，一般将教学内容的主要信息或需重点观察的事物安排在注视频率高的区域，使学习者对主要信息能优先、充分地感知，而对一些次要的、起补充说明作用的信息可以考虑安排在注意频率较低的区域.画面构图要力求做到主体突出、内容简洁、视觉明确、观察重点集中，且画面整体协调.在初中几何图形的教学中，教师重在需要培养学生几何直观的观念，需要帮助学生从感性知觉上升为理性认识.因此，教师可以将生活情境和抽象的数学图形设计在同一画面中，例如，圆周角定理的教学，教师可借助足球比赛中运动员选择中路射门的原理加以阐明，如图5.图5圆周角定理

综上所述，从视觉注意的能量分配理论和特征整合理论的角度，分析了数学PPT课件制作中的设计问题.基于视觉注意的能量分配问题，PPT课件的设计应避免视觉刺激过多，过度消耗学习者的视觉资源；基于特征整合的问题，PPT课件中具体的设计要考虑文本的逻辑结构，充分考虑具体教学内容在PPT课件界面的整体性.虽然，每一位教师都必须要能够善用信息技术进行课堂教学，但是，教师也并不是在所有的课堂教学中都要使用PPT课件，需要根据具体的课型和教学目标确定是否选用PPT课件进行教学.此外，本文仅是从学生视觉注意的能量模型和特征整合理论来探讨了PPT课件的设计、制作.PPT课件设计还需要考虑更多的内容，比如，字体的大小、动画中内容出示的方向、每张幻灯片的信息量等等，注意与工作记忆、长时记忆的关系都有待进一步研究.

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.教育信息化十年规划纲要（2010-2020年）[DB/OL].http：//www.china.com.cn/policy/txt/2012-03/31/content_25033911_2.htm

[2]中华人民共和国教育部.中小学教师信息技术应用能力标准（试行）

[DB/OL].http：//wenku.baidu.com/link？url=uo7ZfcfsRm-vsPCskVABo-8qQcvh9EQcnNExVwxsL00bnrR6ps6zTImThCq4hGDdg--iPlhdngORG24QF3lh8Jaj2GFxWuxcMHjeVFfw2te

[3]方均斌，薛智慧等.用“学科的眼光”还是“优化的眼光”看世界—基于数学教学设计三步曲引发的思考[J].数学教育学报，2012，21（4）：92-99

[4]傅海论，徐丹，葛倩.对数学教学设计实践的再认识[J].教育科学研究，2014，4：70-75

[5]王光明，杨蕊.融入信息技术的数学教学设计评价标准[J].中国电化教育，2013，11：101-120

[6]王光明，刘金英等.基于“学思知行”有机结合的数学教师评价指标[J].数学教育学报，2014，23（3）6：43-47

[7]孙方.多媒体课件的信息加工策略研究[J].中国电化教育，2012，3：81-89

[8]衷克定，康文霞.多媒体中本色—背景色搭配对注意集中度的影响[J].电化教育研究，2010，6：88-95

[9]丁锦红，张钦，郭春彦.认知心理学[M].北京：中国人民大学出版社，2010：42-47

[10]罗跃嘉，魏景汉.注意的认知神经科学研究[M].北京：高等教育出版社，2004：5-6

[11]王甦，汪安圣.认知心理学[M].北京：北京大学出版社，2008：62-67

[12]M.W.艾森克，M.T.基恩著，高定国，肖晓云译.认知心理学第四版（上册）[M].上海：华东师范大学出版社，2004：190-192

[13]A.M. Treisman， G. Gelade. A feature-integration theory of attention.Cognitive Psychology.1980， 12（1）：97-136

[14]王朋娇，郭魏，张恒庆.PowerPoint教学演示文稿的精益化设计策略研究[J].电化教育研究，2009，3：104

[15]喻平.数学教学心理学[M].北京，北京师范大学出版社，2012：227

[16]李树臣.浅谈数学概念的定义方式[J].山东教育，2007：40-42

[17]黎娇娥，高闯.基于视觉感受性的CAI课件优化分析[J].高等函授学报（自然科学版），2005，04：3-4

[18]黎娇娥.CAI课件可视化的初步优化分析[D].华中师范大学，2006

[19]安璐.教学PPT中插图位置的眼动实验研究[J].电化教育研究，2012：1：75-80