教学动画情绪设计对认知加工影响的实证研究

邱相彬 沈洲 戴伊瑞 方圆

摘 要：情绪是整体学习不可或缺的一部分。文章从拟人化程度、表情丰富程度两类情绪设计元素出发，探究教学动画情绪设计对学习者认知加工过程与学习效果的影响，并借助眼动追踪技术，记录和揭示学习者整个学习过程的潜在认知方式。通过眼动追踪与实验分析发现：诱发学习者较高积极情绪的是拟人化且表情丰富设计，而拟人化不能单独诱发积极情绪，只有与表情丰富度相结合才能诱发积极情绪;促使学习者认知加工投入最高的是高拟人表情丰富设计，其次分别是低拟人表情丰富设计、高拟人表情单一设计和低拟人表情单一设计;促进学习者认知迁移的是表情丰富度设计、拟人化设计。研究结论对教学动画设计开发实践具有一定的参考价值。

关键词：教学动画;情绪设计;眼动分析;认知加工;学习效果

中图分类号：G40-057      文献标志码：A        文章编号：1673-8454（2021）08-0017-05

教育信息化进入2.0阶段以后，对教学资源的个性化、精准化设计提出了更高的要求[1]。而脑科学的研究显示，学习是在认知、情绪和生理层面进行多层次信息交流的过程，学习和情绪无法分开，情绪是整体学习不可或缺的一部分，是学习者学习活动的重要组成部分[2]。对教学动画、视频等进行情绪设计研究，已成为多媒体学习研究领域的重要趋势。“对教学动画进行情绪设计可诱发学习者产生各种情绪，不同情绪对认知加工产生不同影响”[3]。本研究旨在从拟人化与表情丰富度两类情绪设计元素出发，探究教学动画情绪设计对学习者认知加工过程与学习效果的影响，并借助眼动追踪技术，记录和揭示学习者整个学习过程的潜在认知方式。

一、 研究回顾

以往对多媒體学习的研究大多建立在Mayer[4]的“多媒体学习—认知理论”（CTLM）基础之上，而这一理论的一大局限是没有考虑学习者在认知过程中出现的情感与动机因素。为此，Moreno等[5]提出了“多媒体学习认知—情绪理论”（CATLM），该理论模型增加了情感与动机两类影响因素，并提出了多个假设。例如：情绪中介假设认为，学习可以通过对情感和动机两类因素的增减来进行认知调节。该理论又指出“多媒体学习材料视觉设计具有认知和情感两种功能，多媒体学习材料设计可以影响学习过程中的动机、态度及认知方式”[6-8]。此后，研究者们开始关注情绪设计对多媒体学习认知加工的影响。

情绪设计指的是“通过各种形状、色彩、机理等造型要素，将情感融入设计作品中，在消费者欣赏、使用作品时，激发他们的联想，使之获得情感上的愉悦”[9]。Um等[10]首次运用颜色和形状对教学动画“人体的免疫过程”进行设计，发现暖色和圆形可以诱发学习者的积极情绪，提高学习者的认知效果。随后，Plass等[11]的进一步研究却发现，在暖色单独作用的情况下，并不能诱发学习者的积极情绪，只有将暖色和圆形共同使用时，学习者的积极情绪才会被成功诱发，进而说明对教学动画进行情绪设计时，需将颜色与形状结合起来才可以达到情绪诱发的效果，促进学习者的认知加工过程。

在对教学动画进行颜色与形状两种情绪设计的探索后，一些学者开始从拟人化的维度进行研究。Mayer[12]通过对教学动画进行圆形与表情丰富的拟人化设计，发现这样的情绪设计可以更好地诱发学习者的学习情绪以提升认知效果;龚少英等[13]考察了颜色对教学动画拟人化设计的影响，发现拟人化只有与彩色结合时，才能对学习情绪和学习效果产生影响。近年来，研究者们开始将眼动技术运用到情绪设计的相关研究中。Park等[14]通过眼动实验发现，具有表情特征的拟人化情绪设计可以更好地吸引学习者的注意力，但并没有促进学习者的认知过程。而蒋文君等[15]通过眼动技术研究发现，在积极情绪下，学习者对学习内容的注视时间较多，而在消极情绪下的整体注视个数较少，注视时间也较短。可见，眼动追踪技术可以对认知过程中的眼动情况有较为直观的了解，从而能深入分析学习者认知加工过程，为实验结果做出更好的解释。

综上所述，在如何综合运用拟人化与表情丰富程度来进行情绪设计，及其对认知加工产生怎样的影响方面，现有研究结论还不够具体明确，仍需要更进一步的实验证据。本研究在拟人化程度与表情丰富程度两方面进行组合设计，同时运用眼动追踪技术，考察四种情绪设计类型对学习者认知加工过程与学习效果的影响。

二、 研究方法

1.参与者

本研究选取某师范院校118名本科生作为研究对象。研究对象平均年龄21岁，其中男生32人，女生86人。被试的视力或矫正视力正常，无色盲或色弱。118名被试随机分配到四组不同实验条件组。四组分别为：低拟人表情单一组（29人）、低拟人表情丰富组（30人）、高拟人表情单一组（29人）、高拟人表情丰富组（30人）。

2.实验设计

本研究采用双因素被试间实验设计。自变量为拟人化程度（高vs低）和表情丰富程度（丰富vs单一）。因变量分别是学习情绪、眼动数据指标（注视点个数、注视时间、注视热点）以及学习效果（保持成绩、迁移成绩）。

3.实验材料

实验材料是一个主题为“通货膨胀的原理”的教学动画。该内容由四部分组成，分别是“通货膨胀的定义”“通货膨胀的原理”“恶性通货膨胀”“通货膨胀的利弊”。低拟人化的设计体现为色彩鲜艳为黑白灰的非彩色，不作拟人化处理;高拟人化的设计体现为色彩鲜艳且更具层次感，进行拟人化处理。表情丰富度是在拟人度的基础上进行设计，表情单一的设计仅由黑色的圆点、长方形、三角形与线条组成，表情丰富的设计则由彩色且卡通化的表情组成，同时会根据语境和文字来变换微笑、惊讶等多种表情。图1为四组情绪设计学习材料截图。

4.实验测量

先验知识测量：先验知识测量由四个关于通货膨胀知识熟悉度的主观评定题组成，采用0（完全不符合）到4（完全符合）的评分方法，满分16分。

情绪评定测量：本研究采用Gross和Levenson采用的情绪维度量表评估学习者的情绪状态。自我评估的项目中，效价从0（不愉悦）到9（愉悦）。学习者在观看教学动画之后，进行情绪测量。在本实验中，量表α系数前测为0.91，后测为0.86。

学习成绩测量：当学习者观看完教学动画后，就被要求对所学内容进行测验。测验考察学习者对动画材料细节的记忆情况，问题的答案均来于学习材料中。共四道填空题，四道单选题，答对一题计1分。迁移测验考察学习者运用知识解决问题的能力，共4道开放式问题，每题5分。所有测验成绩的评分均由具有丰富统计知识的三位研究生担任，评分者的一致性系数为0.93。

眼动数据测量：采用型号为Tobii T120的眼动仪对学习者学习过程的眼动情况进行测量。测量的内容主要有注视点个数（反映学习者的注视频率和兴趣度）、注视时间（反映学习者的专注度）、注视热点（反映学习者的注意力分配情况）。

5.实验程序

实验在多媒体机房进行，实行一人一机模式。实验共分为四个阶段：①前测阶段。学习者填写相关的人口学信息（包括年龄、性别及专业等）和先验知识问卷。②调试阶段。先进行情绪预处理，让所有被试观看中性视频，并完成自我情绪评定，以保证被试进入学习前情绪稳定和避免情绪差异。接下来学习者端坐在合适高度的椅子上，上半身与眼动仪保持大概60厘米的距离，双眼注视眼动仪屏幕，进行实验前的眼动校准工作，校准成功方能进行实验，校准失败不能进行实验，三次失败即取消实验资格。③学习阶段。学习者观看教学动画，从中学习通货膨胀的原理，学习者在观看过程中不可主动调节动画进程。④后测阶段。学习结束后，学习者依次完成情绪主观报告问卷和学习测验。

三、 数据分析

1.情绪诱发效果

为探究学习者在观看教学动画后，两种情绪设计元素诱发积极情绪的程度，以拟人化、表情丰富度两类因素作为被试间因素，将诱发的情绪值作为因变量，进行两因素方差分析。

在主效应方面，拟人化主效应不显著，F（3，114）=2.44，P=0.12;表情丰富度主效应显著，F（3，114）=31.03，P=0.00。拟人化与表情丰富度之间交互作用显著，需要进行简单效应分析。进一步进行简单效应分析发现，在高拟人化条件下，表情丰富组积极情绪水平显著高于表情单一组，F（3，114）=70.97，P=0.00;在低拟人化条件下，表情丰富组的积极情绪与表情单一组无显著差异，F（3，114）=0.09，P>0.05。表情丰富度和拟人化设计在积极情绪上的交互作用如图2所示。

2.眼动数据

为考察不同情绪设计对学习过程中眼动的影响，实验选取注视点个数、注视时间及注视热点分布图等眼动指标进行分析。

（1）注视点个数分析

注视点个数反映学习者对整个教学动画的注视频率，注视点个数越多，说明教学动画对学习者的吸引力越大。通过对四组平均注视点个数进行方差分析发现，四组参与者的总注视点个数均不存在显著差异。但均值比较显示，高拟人表情丰富组参与者的注视点个数均值最高（M=245.80），然后依次是低拟人表情丰富（M=242.00）、高拟人表情单一（M=238.60）、低拟人表情单一（M=230.60）。各组平均注视点个数与标准差如表1所示。

（2）注视时间分析

注视点持续时间反映了学习者对整个教学动画的专注程度，持续时间越长，说明学习者对教学动画的专注程度越高。以拟人化、表情丰富度两类因素作为被试间因素，将注视时间作为因变量，进行两因素方差分析。在主效应方面，拟人化主效應不显著，F（3，114）=0.12，P>0.05;表情丰富度主效应显著，F（3，114）=3.93，P=0.05。拟人化与表情丰富度之间的交互作用不显著。各组平均注视时间与标准差如表2所示。

（3）注视热点分布图分析

注视热点分布图反映了学习者注意力的投入和分配情况。热点图主要由几种深浅颜色组成。颜色深如红色表示学习者对该区域的关注程度较高，注视点较多，注视时间也较长;颜色浅如绿色表示学习者对此区域的关注程度低。通过对四组热点图进行分析发现：文本元素和表情类图形元素具有较多的红色区域，而常规物体和三角形、长方形等基本形状具有较少的红色区域。高拟人化表情丰富组中的文本、图形都得到了更多的热点关注，其次是低拟人化表情丰富组、高拟人化表情单一组和低拟人化表情单一组。

3.学习效果

为排除先验知识对学习测验的影响，实验前先进行先验知识测验。对四组学习者的成绩进行Levene方差齐性检验，结果显示，F（3，114）=0.135，p>0.05，未达到显著水平，说明四组学习者的先验知识水平差异不显著，故可以排除先验知识对学习结果的影响。

完成正式学习测验后，以表情丰富度（丰富vs单一）、拟人化（高拟人vs低拟人）为自变量，分别将保持测验、迁移测验作为因变量，进行两因素被试间方差分析。结果显示：在保持测验上，表情丰富度和拟人化设计的主效应均不显著，F（3，114）=0.016，p>0.05;交互作用也不显著，F（3，114）=0.298，p>0.05。在迁移测验上，表情丰富度的主效应显著，F（3，114）=4.64，p<0.03;拟人化设计的主效应显著，F（3，114）=5.88，p<0.01;交互作用不显著，F（3，114）=5.85，p>0.05。四组被试测验的平均数和标准差如表3所示。

四、 结果讨论

1.教学动画情绪设计对学习者认知过程中情绪的影响

由实验结果可知，表情丰富能单独诱发积极情绪，拟人化不能单独诱发积极情绪，但和表情丰富结合能诱发积极情绪。这表明拟人化诱发积极情绪是有条件的，只有在表情丰富的条件下才能诱发积极情绪，高拟人且表情丰富设计能诱发学习者更高的积极情绪。

以上结论的可能解释是表情丰富设计是拟人化情绪设计的一个重要维度，没有与丰富的表情相结合的拟人化设计，其拟人化难以达到较高的程度，不足以诱发学习者的积极情绪。因此，只有对教学动画进行高拟人化且丰富的组合表情设计，才能更好地发挥教学动画视觉设计的情感功能。另一个可能的原因是当今大学生更习惯于表情丰富的视觉表达形式，活泼丰富的表情元素更能引起他们的注意，调动他们的情绪。该实验结论也进一步拓展了国内学者的相关研究。

2.教学动画情绪设计对学习者认知过程中眼动的影响

眼动数据能较为直观地反映学习者在学习过程中的认知特征。数据显示，无论是注视点个数、注视时间还是注视热点图，高拟人表情丰富组所表现出来的数值均是最高的，其次是低拟人表情丰富组、高拟人表情单一组和低拟人表情单一组。

可见，表情丰富度设计元素在吸引学习者的关注度上具有重要作用。同时具备丰富表情和高拟人两种设计元素，能更好地增加学习者对教学动画的注意力投入度。高拟人表情丰富组学习者的注视点较为集中，主要分布在文本元素与表情类图形元素之上，这促进了学习者对图文信息的整合，有助于对学习内容的深度加工。

3.教学动画情绪设计对认知加工学习成绩的影响

从实验结果来看，拟人度与表情丰富度的情绪设计均提高了学习者的迁移测验成绩，却没有提高学习者的保持测验成绩。可能的原因有：保持测验的题目均直接来源于动画，以考查识记性知识为主，不需要对知识进行深度加工便可答对;迁移测验的要求更高，需要学习者对知识进行深度整合和加工，学习材料呈现方式的不同对学习者深度加工产生了不同的影响。

从学习情绪来看，高拟人化与丰富表情的设计更好地诱发了学习者的积极情绪，促进了学习者的深度学习和精细加工，从而提高了迁移成绩。从认知负荷来看，高拟人化与表情丰富的动画降低了学习的内在认知负荷，积极情绪提高了学习的相关认知负荷，因此，学习者具有足够的认知资源，采用高级学习策略对学习材料进行深度加工和整合，进而促进学习迁移[16]。从眼动分析来看，情绪设计提高了学习者的注意力，促进了对图文信息的整合和对知识的深度加工，最终表现为迁移成绩的提高，这与以往“积极情绪可以促进学习者投入更多的注意力资源到学习材料上”[15]的研究结论相一致。因此，通过对教学动画进行高拟人化与表情丰富相结合的设计，可以更好地促进学习迁移。

五、 结论与展望

本研究对通过拟人化程度、表情丰富程度两类元素进行情绪设计开展实验，同时结合眼动追踪技术来综合考察情绪设计对学习者认知过程与学习效果的影响。最终得出以下结论：①诱发学习者较高积极情绪的是拟人化且表情丰富设计，而拟人化不能单独诱发积极情绪，只有与表情丰富度相结合才能诱发积极情绪;②促使学习者认知加工投入最高的是高拟人表情丰富设计，其次分别是低拟人表情丰富设计、高拟人表情单一设计和低拟人表情单一设计;③促进学习者认知迁移的是表情丰富度设计、拟人化设计。

以上结论对教学动画开发实践具有一定参考价值。设计者在开发教学动画时，可较多注重表情丰富的设计，即在保证彩色与多样形状结合的同时，增强其拟人化的美观度以及真实度，同时赋以各种各样丰富的表情，使学习材料更加贴近学生的现实生活，从而增强学习材料与学习者之间的亲近感，激发其学习的积极情绪和兴趣。本研究重点探讨了教学动画情绪设计中两种特定情绪元素，以及积极情绪设计对学习者眼动特征、学习保持和学习迁移的影响。未来的研究还需进一步扩大样本量，增加教学动画情绪设计的类型，深入研究学习者不同情绪、眼動特征及学习效果之间的关系，从而为教学动画的设计提供更多实验证据。

参考文献：

[1]教技[2018]6号.教育部关于印发《教育信息化2.0行动计划》的通知[Z].

[2]北京师范大学认知神经科学研究中心.理解脑——新的学习科学的诞生[M].北京：教育科学出版社，2010.

[3]Anastasia Efklides，Chryssoula Petkaki.Effects of mood on students' metacognitive experiences[J].Learning and Instruction，2005，15（5）：415-431.

[4]MAYER R E.The Cambridge handbook of multimedia learning[M].New York： Cambridge University Press，2005.

[5]Moreno R.Does the modality principle hold for different media？ A test of the method-affects-learning hypothesis[J].Journal of Computer Assisted Learning， 2006，22（3）：149-158.

[6]Moreno R.Optimising learning from animations by minimising cognitive load： Cognitive and affective consequences of signalling and segmentation methods[J].Applied Cognitive Psychology，2007，21（6）：765-781.

[7]Moreno R，Mayer R E.Cognitive principles of multimedia learning： The role of modality and contiguity[J].Journal of Educational Psychology，1999，91（2）：358-368.

[8]ROXANA moreno，Richard Mayer.Interactive multimodal learning environments[J].Educ Psychol Rev，2007，19（3）：309-326.

[9]Donald A Norman著，付秋芳、程进三译.情感化设计[M].北京：电子工业出版社，2005.

[10]Um E R， Plass J L， Hayward E O， Homer B D. Emotional design in multimedia learning[J].Journal of Educational Psychology，2012，104（2）：485-498.

[11]Jan L.Plass，Steffi Heidig，Elizabeth O.Hayward，et al.Emotional design in multimedia learning：effects of shape and color on affect and learning[J].Learning and Instruction，2014，29：128-140.

[12]Richard E.Mayer，Gabriel Estrella.Benefits of emotional design in multimedia instruction[J].Learning and Instruction，2014，33：12-18.

[13]龔少英，上官晨雨，翟奎虎等.情绪设计对多媒体学习的影响[J].心理学报，2017，49（6）：771-782.

[14]Babette Park，Lisa Knrzer，Jan L.Plass，et al.Emotional design and positive emotions in multimedia learning： an eyetracking study on the use of anthropomorphisms[J].Comput Educ，2015，86：30-42.

[15]蒋文君，包洪娟，杨振等.情绪设计和呈现方式对多媒体学习的影响——行为和眼动研究[J].教育现代化，2019，6（5）：273-278.

[16]Gerald J.Gorn，Amitava Chattopadhyay，Tracey Yi，et al.Effects of color as an executional cue in advertising：they're in the shade[J].Manage Sci，1997，43（10）：1387-1400. （编辑：王晓明）