数字化学习中运用多媒体（上）

[美]理查德·E.梅耶/著 张恩铭 盛群力/译

摘 要：本文通过回顾12条基于研究的教学设计原则，说明了如何设计计算机辅助多媒体教学材料来促进学习。首先介绍了多媒体原则（根据五个对照实验得到的中值效应量为d=1.67），其主张在计算机辅助教学中，语词和图像同时呈现的效果比只呈现语词的效果要好。无关认知加工做的是和教学目标无关的事情。为了减少无关认知加工，提出的教学原则有聚焦要义（d=0.70）、标记结构（d=0.46）、控制冗余（d=0.87）、空间邻近（d=0.79）和时间邻近（d=1.30）。基本认知加工的功能在于对基本材料进行心理表征。为了调节基本认知加工，提出的教学原则有分段呈现（d=0.70）、预先准备（d=0.46）和双重通道（d=0.72）。生成认知加工的功能是为了建构材料的意义。为了促进生成认知加工，提出的教学原则有个性化（d=0.79）、人声化（d=0.74）和具身化（d=0.36）。部分原则有边界条件，例如有的原则对新手学习者比对专家学习者更有效。

关键词：数字化学习;教学设计;多媒体学习;学习科学

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：2096-0069（2019）01-0001-09

计算机辅助学习（Computer‐assisted learning，CAL）可以追溯到20世纪五六十年代，那时人们通过大型计算机提供程序指令。如今，计算机辅助学习的发展已经进入新的时代，提出了“数字化学习”（e‐learning）[1][2][3]。数字化学习的定义是，由数字化设备提供的教学以促进学习 [4]。数字化设备可以是任何由计算机芯片控制的电子设备，包括台式计算机、笔记本电脑、平板电脑、智能手机、游戏控制台和可穿戴设备（例如头戴式虚拟现实显示器）。

一、数字化学习中运用多媒体的案例

多媒体教学（multimedia instruction）是指用语词和图像共同呈现信息，以促进学习[5][6]。语词可以用口头形式（例如讲解）或印刷形式呈现。图像可以是静态的（例如插图、图标、地图或照片），也可以是动态的（例如动画或视频）。在数字化学习中，多媒体可以是带有讲解的，或屏幕上带有语词说明的动画、视频或静态图像，也可以是基于计算机的交互式游戏、模拟任务或活动，并在其中呈现口头或印刷形式文本。

几百年来，语词一直是教学中的主要交流形式：从口头讲述（如讲座）到手写语词（如卷轴）、印刷文字（如书本），再到电子文字（如屏幕上的语词或通过扬声器传递的语词）。也许口头言语是我们这个物种唯一的，也是最伟大的教育技术。它是最有用的工具，因为其可以帮助人们学习和提高认知水平。随着电子文字的发展，教学中的交流形式也相对发生转变，因此本文研究的重点就是包括语词和图像在内的电子教学信息（electronic instructional messages）。

多媒体原则（multimedia principle）是这样一种教学原则：学习者同时从语词和图像中学习的效果比单独从语词中学习的效果要好[7][8]。具体到数字化学习领域，多媒体原则主张：学习者同时从计算机辅助的语词和图像中学习的效果，比只从语词中学习的效果更好。例如，假设教师对自行车打气筒的工作原理进行三次如下讲解：“当手柄被向上拉起时，活塞随之向上运动，进气阀打开，排气阀关闭，空气进入下部气缸。当手柄被向下推进时，活塞随之向下运动，进气阀关闭，排气阀打开，空气经软管排出气缸外。”之后，对这堂只有教师讲解的授课效果进行测试。结果表明，大学生能够在问题解决测试中得出的正确答案数为3.2个左右[9]。

然而，设想如果我们为听到的讲解配上动画，那么会发生什么呢？当对讲解加动画的授课效果进行解决问题测试时，大学生可以得出的正确答案数为7.7个。有趣的是，这些学生在回忆讲解内容方面并没有显著差异，平均可以得到70%到80%的分数。简言之，尽管图文结合并不能够帮助学习者更好地记忆语词，但的确能帮助学习者实现更好的理解，在解决问题的迁移测试中表现更佳。总之，综观五次使用计算机辅助学习的对照实验（学习内容包括泵、制动器、照明器和四则运算）[10][11][12][13]，学习者同时使用语詞和图像学习的表现，比单独使用语词学习的表现更好。研究得到了很高的中值效应量（d=1.67）。这些为验证多媒体原则而进行的重复实验，为数字化多媒体学习提供了理论依据。多媒体原则是整个数字化学习研究领域的基础性教学设计原则，它为“图文结合”这个历史悠久的呼吁提供了理论依据。早在1658年，一部名为《世界图解》（Orbis Pictus）的图书便采用了图文结合的形式出版。夸美纽斯（Comenius）编写的这本书，是第一本采用这一形式的教育类书籍[14]。

二、数字化学习中有效使用多媒体的案例

虽然有证据表明，多媒体原则强调的图文结合教学方式确实可以促进学生学习，但是并非所有的图像都同样有效。在本部分，笔者将探讨如何使用语词（例如口头言语或印刷文本）和图像（例如动画、视频或静态图片）来生成有效的多媒体教学信息。此外，笔者还将探讨每项原则的边界条件，包括对谁有效，对哪些内容有效，以及在什么条件下该原则最有效。

如图1所示，多媒体学习的认知理论（cognitive theory of multimedia learning）为在数字化学习中有效使用多媒体提供了理论基础。多媒体教学内容通过耳朵（指向听觉感觉记忆）和眼睛（指向视觉感觉记忆）进入学习者的信息加工系统。在这里，材料只能保持很短的时间。如果学习者注意到了感觉记忆中的一些瞬间即逝的信息（如“选择”箭头所示），那么就可以将这些信息转移到工作记忆中进一步得到加工。学习者必须在20秒内对信息予以主动处理，以使其保持在工作记忆中。接下来，学习者在心理上将输入的语词信息和视觉信息分别组织成一个一致的语词表征（或语词模型）或图像表征（或图像模型），该过程由“组织”箭头表示。最后，学习者从长时记忆中激活相关的原有知识，并将其提取到工作记忆中。此时，学习者将原有知识和上述两种模型进行整合（如“整合”箭头所示）。最后，在工作记忆中构建的学习结果，可以存储到长时记忆中。以上过程可以是迭代的，而非严格线性的。因此，意义学习是否发生取决于学习者在学习期间是否积极主动参与认知加工，即学习者是否做了选择、组织和整合这三个心理运作事件。

如你所见，该模型的基础是认知科学的三个重要原理：（1）双重通道原理（dual‐channels principle），人对视觉信息和语词信息有相互独立的信息加工通道[15];（2）容量有限原理（limited‐capacity principle），无论什么时候，人都只能处理每个通道中的少量信息[16][17];（3）主动加工原理（active processing principle），当学习者在学习过程中对材料进行适当加工时，意义学习就发生了。加工方式包括了选择、组织和整合[18][19]。

对教师来说，主要的挑战是生成可以激发选择、组织和整合这三个认知过程的多媒体教学信息，同时保证工作记忆中的视觉通道和言语通道不会超载。考虑到工作记忆容量有限的特点，以及学习者在学习过程中积极主动参与加工过程的需要，本文提出三个主要教学目标：（1）减少无关认知加工（即和教学目标无关的，由不良教学设计引起的认知加工）;（2）调节基本认知加工（即在对材料进行心理表征时产生的认知加工，教学材料的复杂性可能会对其造成影响）;（3）促进生成认知加工（即对材料建构意义时产生的认知加工，学习者为学习付出努力的主观意愿会对其造成影响）。

以下我们将探讨若干教学原则的研究基础，这些原则有助于实现上述三个目标。讨论的基础是对《剑桥多媒体学习手册》一书中计算机辅助授课的文献资料进行回顾[20][21][22]。在一定程度上，研究结果对实际教育环境的适用性有限，因为许多研究都只是进行了即时测试的实验室短期实验。

三、减少无关认知加工的教学原则：聚焦要义、标记结构、控制冗余、空间邻近和时间邻近

表1列出了减少无关认知加工的五个原则：聚焦要义、标记结构、控制冗余、空间邻近和时间邻近。此外，对于每个原则，该表还统计了使用计算机辅助学习的对照实验数量，在这些实验中哪些产生的是正向结果（在“数量”这一列），以及根据科恩（Cohen）的d公式计算出的中值效应量（在“效应量”这一列）。在每个对照实验中，我们比较控制组和实验组的学习结果测试表现。控制组和实验组接受的是相同的授课，不同之处在于实验组额外使用了某一种教学原则。本节提出的教学原则旨在帮助学习者在学习时减少无关认知加工，从而释放更多的认知容量，以进行基本认知加工和生成认知加工，实现意义学习。

首先介绍第一个原则，请观察图2中的幻灯片。这节课是一节计算机辅助的幻灯片授课，其内容是病毒如何导致感冒。幻灯片的左侧包含一个诱人的细节（有趣却与教学目标无关的材料），即性生活和抵抗感冒之间的关系的相关研究;不过，幻灯片的右侧就没有包括这一无关材料。你可能希望学生在“感冒与病毒”这一主题课堂上学得更好，于是便添加了一些有趣（但无关）的事实内容，这样做的理由是学生会更感兴趣。然而，根据图1中多媒体学习的认知理论，如果学习者必须对无关材料进行加工，那么他们将只能用较少的认知容量来加工课堂中的基本材料。

表1 说明，为了验证“聚焦要义”（coherence）原则，实验人员总共进行了12项对照实验，进行这些实验的课程全部是计算机辅助课程，内容涉及闪电、制动器、海浪、冰河时代、感冒与病毒、生物学和远程历史学习[23][24][25][26][27][28][29][30]。正如预测的那样，在全部12个对照实验中，实验组（即去除无关材料那一组）都比控制组在迁移或理解测试中的表现要好。研究得到了较高的中值效应量（d=0.70）。这些发现支持了聚焦要义原则——当教师在计算机辅助的多媒体课堂上，将与教学目标无关的材料剔除时，学习者可以学得更好。

下面对聚焦要义原则的边界条件进行讨论：在代表病毒的图形上加入有趣的情感细节（例如赋予病毒和宿主细胞以人类的面部表情），可以提高测试表现[31][32][33]。需要进一步研究的是，教师设计的这些情感细节，什么时候才能使学习者将注意力集中在相关材料上，又在什么时候会分散学习者的注意力？此外，有新的证据表明，当无关材料十分有趣[34]，学习者的工作记忆容量低[35][36]，或课堂的认知水平高[37]时，聚焦要义原则最适用。

接下来介绍第二个原则，请看表2的两个讲义片段。这两个讲义片段对应的是同一节多媒体课，主题是飞机如何实现爬升。二者的不同之处在于，左侧的片段没有任何标记，而右侧的片段却对结构进行了标记（标记的方法是用粗体字强调）。你可能认为使用左侧版本（即只给出解释的“干净”版本）的学生可以学得更好。然而实际上，如果学生需要在选择和组织重要信息方面得到帮助，那么用声音强调关键术语并为了提高组织性而添加标题，可以引导学习者进行认知加工。这种做法和多媒体学习的认知理论也是保持一致的。提示结构（也称作视觉提示）还可以用一些标记（例如箭头、着色或突显标记）来突出图像的相关部分。

表1说明，为了验证“标记结构”（signalling）原则，实验人员进行了20项对照实验。这些实验涉及的授课均为计算机辅助教学，内容包括飞机、视觉感知、地理、机械系统、制动系统、心血管系统、教学技巧、钢琴原理、喷气发动机、神经网络、语言产生和鱼类运动[38][39][40][41][42][43][44][45][46][47][48][49][50][51][52][53]。实验结果和预测的结果一致，实验组（即提示关键语词或图像的关键特征那一组）在其中的18项实验中都比控制组在迁移或理解测试中的成绩要好。研究得到了中等的中值效应量（d=0.46）。这些发现支持了标记结构原则——当教师在计算机辅助的多媒体课堂上突出文本或图像的关键部分时，学习者可以学得更好。

标记结构原则的一个重要的边界条件是，它只对原有知识较少的学生起作用，对原有知识较多的学生则不一定起作用[54]。

下面继续介绍第三个原则，请看图3的示例。在进行幻灯片展示时是应该只包括图像和口头讲解（如左侧幻灯片所示）呢，还是应该既包括图像和口头讲解又在屏幕上显示和讲解内容一致的文本（如右侧幻灯片所示）呢？你的猜测也许是，对学习者来说，同时使用口头言语和印刷文本才是理想的，因为学习者可以自行选择适合个人学习风格的呈现方式。然而，根据多媒体学习的认知理论，呈现多余的口头言语和多余的印刷文本可能会导致增加无关认知加工，并干扰学习。例如，学习者可能會试图调和口头言语和书面语词之间的矛盾，而不去尝试理解这些语词究竟意味着什么。同样地，教师向学习者提供的作为陈述的印刷文本可能会分散学习者的视觉注意力，从而导致学习者不能在阅读说明的同时对图像进行加工。因此，根据多媒体学习的认知理论，只呈现图像和讲解是最有效的，因为图像可以在视觉通道中加工，而语词则可以在语言通道中加工。

表1中说明，为了验证“控制冗余”（redundancy）原则，实验人员进行了13项对照实验。这些实验涉及的课程均为计算机辅助的授课，内容包括电子工程、闪电、植物学和人类记忆[55][56][57][58][59][60][61][62]。实验结果和预测的一致，全部13项对照实验中的实验组（即在多媒体课程上只呈现图像和口头讲解，而不同时呈现图像、口头讲解和屏幕文本的那一组）都比控制组在迁移或理解测试中的成绩要好。研究得到了较高的中值效应量（d=0.87）。这些发现支持了控制冗余原则——当教师在计算机辅助的多媒体课堂上只呈现图像和口头讲解，而不同時呈现图像、口头讲解和屏幕文本时，学习者可以学得更好。

卡尔优加（Kalyuga）等人讨论了控制冗余原则的边界条件[63][64]。他们发现，控制冗余原则对原有知识较少的学生，比对原有知识较多的学生更有效。此外，有证据表明，在没有图像时，同时提供印刷文本和口头讲解[65][66]可以改善学习，向带有讲解的动画或幻灯片添加多余的屏幕文本也可能促进学习，但是要注意：只能向正在讨论的图像部分添加一两个语词[67]，或者让屏幕文本与口头讲解的内容不同[68]。

接着介绍第四个原则。印刷文本放在哪里更有利于学习？请看图4，你认为是将印刷文本作为字幕置于图像下方（如图4左侧幻灯片所示）更好，还是将这些语词放置在图像的相应部分附近（如图4右侧幻灯片所示）更好？正如图4左侧分开演示的幻灯片那样，你可能认为先学习图像，再学习语词（或先学习语词，再学习图像）是一个好办法。而你喜欢这种分开演示的原因可能是你认为学习者必须参与更多的认知活动，以便将语词和图像联系起来，并参与生成一种“合理难度（desirable difficulty）”[69]。反之，多媒体学习的认知理论则断言，分开演示会比整合演示产生更多的无关认知加工，从而导致学习者没有足够的认知容量去进行意义学习所必需的认知加工。当你必须来回翻看说明语词和对应的图像部分时，便产生了无关认知加工，它将消耗你有限的认知容量。当语词和图像的对应部分很接近时，你会知道该看向哪里并因此减少无用的寻找和回看。

表1说明，为了验证“空间邻近”（spatialcontiguity）原则，实验人员进行了8项对照实验。这些实验涉及的课程同样均为计算机辅助教学的课程，内容涉及闪电、泵、制动器、电路、统计、医疗程序和肾脏的工作原理[70][71][72][73][74][75][76]。实验结果和预测的结果一致，全部8项对照实验中的实验组（即整合演示的那一组）都比控制组（即分开演示的那一组）在迁移或理解测试中的成绩要好。研究得到了较高的中值效应量（d=0.79）。在这些研究中，不论是整合演示还是分开演示，呈现的图像和屏幕文本都是相同的，唯一的不同点在于，语词和对应的图像部分的距离是远还是近。这些发现也和吉恩斯（Ginns）的观点[77]一致，其支持空间邻近原则——当教师在计算机辅助的多媒体课堂上将印刷文本和图像的对应部分邻近呈现，而不分开呈现时，学习者可以学得更好。

减少无关认知加工的第五个原则和讲解与图像的时间顺序有关。从时间的角度考虑讲解与图像的两种呈现方式：一是同时呈现，即口头言语和屏幕上正在展示的图像保持一致（如表3的右侧所示）;二是依次呈现，即口头言语在幻灯片或动画的前面或后面呈现（如表3的左侧所示）。你可能认为依次呈现语词和图像（顺序可以颠倒）是最有效的，因为这样做可以将两种类型的材料分别呈现一次，并且会花费两倍于同时呈现的时间。然而，多媒体学习的认知理论却给出了相反的回应：依次呈现会产生繁重的无关认知加工，因为直到看到图像（或听到讲解）为止，学习者都必须将讲解（或图像）全部保持在自己的工作记忆中。这样做使得学习者只剩下较少的认知容量来理解新接触的材料。而通过同时呈现语词和图像，学习者可以同时将互相对应的语词和图像放置在工作记忆中，从而促进整合过程，实现意义学习。

表1的最后一行支持了上面的解释。该行说明，为了验证“时间邻近”（temporal contiguity）原则，实验人员共进行8项对照实验。这些实验涉及的课程均为计算机辅助教学的授课，内容包括泵、制动器、闪电以及肺的工作原理[78][79][80][81]。实验结果表明，全部8项对照实验中的实验组（即讲解和图像同时呈现的那一组）都比控制组（即讲解和图像依次呈现的那一组）在迁移或理解测试中的成绩要好。研究得到了很高的中值效应量（d=1.30）。在这些研究中，不论是整合演示还是分开演示，呈现的图像和屏幕文本都是相同的，唯一的不同点在于，语词和对应的图像部分的距离是远还是近。这一系列结论同样和吉恩斯的一项元分析[82]保持一致，并支持了时间邻近原则——当教师在多媒体课堂上将讲解和图像同时呈现，而不依次呈现时，学习者可以学得更好。

有学者讨论了时间邻近原则的边界条件：当材料以小块呈现[83][84]，或材料对学习者来说比较简单时[85]，时间邻近原则不适用。

综上所述，表1列出了五种有大量实证支持的方法，这些方法可以帮助学习者减少无关认知加工，从而促进学习[86]。（未完待续）

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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