基于动画信息表征的多媒体学习研究现状分析

[摘 要] 国内外动画多媒体学习研究刚刚起步但发展迅速，在研究内容方面正突破传统的媒体内在设计属性，走向自然教学情境下诸因素综合作用效果研究；在研究方法方面已开始突破传统一般认知行为心理实验研究范式，出现眼动行为分析新实验技术范式快速推广应用的趋势。基于眼动行为分析方法的动画多媒体学习研究，将会使传统的多媒体学习机制研究更加深入和系统。

[关键词] 动画； 多媒体； 信息表征； 学习效果

[中图分类号] G434 [文献标志码] A

[作者简介] 胡卫星（1978—），男，山东烟台人。副教授，硕士生导师，博士。主要从事信息技术形式下新媒体学习的心理机制研究。E-mail：。

动画能够揭示事物动态发展过程和发生现象，常用于展现与时间序列有关的教学内容，是当前多媒体学习研究中最为重要和活跃的研究点之一。在当前的教育教学实践活动中，基于动画的多媒体学习可以表现为两种基本形式：[1]一种是基于无交互计算机动画演示的辅助学习，主要研究动画信息表征方式是如何帮助学习者实现内部心智模型的可视化、制造认知冲突和帮助学习者探索知识理解；另一种是基于交互计算机动画智能的模拟学习，主要是研究如何利用动画智能伙伴模拟一定的情景或系统工作流程等，通过丰富的人机交互行为来提高学生的学习效果。

动态多媒体（动画）表征形式与静态多媒体（图文）表征形式下的信息加工处理过程是否存在差异？差异表现在什么方面？是什么原因造成这些差异？这三个问题是当前动画多媒体学习研究领域涉及到的最基本问题。相对于丰富的图文搭配结合的多媒体学习研究，尽管动画已开始在教学中被大量引入并使用，但有关如何设计和使用动画多媒体信息表征方式的问题并没有被很好地进行研究，这方面的研究还处于起步阶段。[2]

一、动画多媒体学习的主要研究内容

目前已有的研究成果显示，对动画多媒体学习研究主要集中在不同动画信息表征形式产生的学习效果研究上：一是动画自身不同设计属性特点对学习效果的影响；二是动画多媒体形式与教学内容信息设计方式等因素结合产生的学习效果分析；三是交互计算机动画模拟学习效果的研究；四是动画多媒体教学信息设计原则体系的分析研究。

（一）动画自身不同内在属性特点的多媒体学习效应研究

在人类所接触的信息中，文字只占了很小的一部分，视觉和听觉占了大半。因此，在数字化学习环境中应用视听媒体教学对学习者的最终学习成效将会产生较大影响。而在计算机多媒体中，基于计算机动画的视听教学使用率非常高。一般认为[3]使用动画教学的目的大致有四个：美化画面、引起注意、反馈强化和展示教学内容。而最适宜以动画媒体形式来展示的课程内容知识有下列五种：程序性的动作、不易实际观察得到的现象或知识、需要观察在某一段时间内变化的知识、复杂系统各组件间的相互关系模拟、符合动态表征特质的抽象概念。动画多媒体学习效应的发挥是与其自身内在的不同设计属息相关的，常见的动画自身内在不同设计元素可以概括为四个方面：[4]形、色、光、动。“形”即形状，是指影片中的人物造型、场景设计、画面构图及由特殊材质所形成的视觉整体感知效应。“色”即色彩，它是指当光线照射到物体后使观众视觉神经产生的感受。色彩是动画画面的重要组成元素，是传达思想的重要途径，它让动画影片有了灵魂和血肉。“光”指的是光影，在动画影片中光影主要用来塑造空间、营造气氛、制造悬念、刻画角色和完成动作等。“动”即动作，一般地动画影片中的“动”包含两方面：一是镜头内部的动，主要是指动画中目标任务角色的各种动作；二为镜头外部的动，意为由摄影或后期剪辑所构成的画面运动。林菁（2006）[5]通过实验探讨动画中颜色与背景信息两种设计属性对不同年龄学生认知学习效果的影响。该研究中采用3（简单动画影像组、加入颜色动画组、加入颜色及背景信息动画组）×3（小学三年级、小学六年级、中学二年级组）实验设计，以动物的迁徙、动物的分类、动物的速度等动画影片为实验教材。研究结果显示，颜色与背景信息对小学三年级学生认知学习的表现有影响，但对另两组年龄较大者无显著影响。动画影像中的速度对吸引学习者兴趣有很大影响，表现为动作太慢容易使学生不想再观赏下去，而动作快速、夸张、情节紧凑则容易使学生印象深刻，例如猎豹追羚羊、赛跑等情节都是大部分学生印象最深刻的地方。因此，动画多媒体信息教材设计应充分考虑到动画媒体形式自身的不同设计属性，并注意使其各种不同设计属性能够与学习主题实现恰当配合。

（二）动画多媒体形式与个体认知特征、教学内容信息设计方式结合产生的学习效果分析

关于动画多媒体学习效果研究大多着重于分析不同的动画外在表征设计对学习者认知推理的影响，主要研究学习者是如何针对不同表征形式的同一概念进行分析理解的。要想探讨动画是否真正有利于学习，是否能真正促进学习者的学习，就必须把动画与能够表达相同信息的静态图片形式相比较，只有这样才能将动画教学效果从图像的效果中分离出来。但是，目前对于动画与静态图片的多媒体学习效果的对比并无一致性结论。有些学者[6][7]研究发现，使用动画媒体呈现方式比静态图片更有助于提升学习效果，有些学者[8][9]则发现静态图像的学习效果更好，也有些学者[10][11]认为两者之间的学习效果无显著差异。计算机动画与静态视觉图片对于学习者多媒体学习成效的影响还有待进一步探讨和厘清。究其造成这种现象的原因主要是没有认识到动画多媒体学习研究的复杂性，没有在一个更为完整的框架中考虑，没有采用诸因素综合交互作用的观点去研究分析。动画情境下多媒体学习研究依然是一个十分复杂的系统过程，动画多媒体学习效果的好坏取决于多媒体信息呈现方式、教学设计方式、学习者个体特征和教学策略等因素的综合交互作用。

Paivio（1990）认为在计算机多媒体教学环境中，学习者容易因为长时间阅读文字信息而造成注意力不集中现象，若能使用动画媒体形式来进行教学，学习者不仅可以因为有不同形态的刺激而扩展注意广度，而且也能使具有空间性以及先后时间性的概念表达得更为清楚。[12]ChanLin（2000）的研究显示，动画中的时空变化信息能有助于解释事件随时间变化的过程，模拟事件随时间转变的流畅心理模式，从而能够有效减轻学习者的认知负荷，提升学习成效。[13]相比而言，Schnotz（2002）研究发现静态图像的呈现缺乏时间信息，即使是系列的连贯插图，也只能简单代表时间上的几个点，未能完整表现变化过程和一系列事件如何发生的系统机制。[14]因此，学习者进行静态图片学习时，需要自行在脑海中进行转换及推论中间的状态，从而增加学习者的认知负荷和降低学习成效。因此，动画学习成效要优于静态图片。但也有许多研究发现，动画会造成学习者较高的认知负荷而不利于学习，因为多媒体动画教材会比静态图片更需要学习者的图像记忆能力和空间思维能力。[15][16]Lowe（2003）的研究结果显示，学习者在进行动画学习时，会把注意力放在很有吸引力的动画外在设计特征上，而忽略与学习主题有关的重要内在教学内容信息设计。由于动画比静态图像更为复杂，因此就会给学习者造成更高的认知负荷，为了应付较高的认知负荷，学习者必须选择性地分配自己的注意力。[17]庄新怡（2005）的研究也指出，动画比静态图像更复杂，所含的信息也更多。因此，动画在信息处理的感官收录和工作记忆加工过程中需要更多的心理资源，当学习任务和动画媒体结合对学习者心理资源的需求较大时，动画和任务便会产生竞争效应而不利于学习。[18]Reed（2006）认为，当学习者自身有能力进行心理模拟时，动画教学便是非常有必要的。只有不同动画媒体形式与不同个体特征、教学内容信息设计方式相结合，才能让学习者产生良好高效的学习效果。动画媒体并不是适合任何教学内容的呈现，而只是限定于一些特定类型的教学内容。在呈现特定教学内容时，动画媒体形式需要与特定教学内容的主题相一致，否则只能给学习者造成较大的认知负荷或不利的认知冲突，导致低效或无效的学习结果。[19]

（三）计算机模拟动画多媒体学习效应的研究

基于计算机模拟（Simulation）展开的动画多媒体学习研究，主要是指采用基于交互动画技术制作的包含真实系统模型的计算机程序，让学习者可通过改变输入变量或操作观察到的反馈，获得一种接近于“真实”的虚拟交互学习体验，进而有助于学习者完成知识的意义建构。计算机模拟可提供的认知辅助功能主要有两种：一是解释，即运用多媒体信息表征方式帮助教学信息的呈现，各种多媒体元素如文本、静态图片、动画、声音等以“稿本”的方式进行设计并呈献给学习者，以期学习者能够对学习信息进行实时有效的加工；二是体验，即用多媒体虚拟技术来构建各种微观世界或学习环境以供学习者采用一定的角色扮演而自由探索。当前动画多媒体在学习过程中的功能正由知识解释向学习者经历体验转化：解释功能下的动画多媒体学习研究倾向于帮助教学信息的多样式呈现，以期学习信息能够得到学习者的有效深层加工；体验功能下的动画多媒体研究则更倾向于用多媒体来建构各种发现式学习环境，供学习者在其中自由探索。而学习者自由探索于非线性的信息资源中极易发生“迷航”和“过载”现象。因而，研究重点在于如何使用各种认知支架工具，如样例反馈、专家指导、智能引导和各种参考资源等来促进学习者的认知探索过程。何秋萱（2004）探讨计算机软件Flas对中学生遗传概念改变的影响，发现动画确实能够对学习者的学习有所帮助，尤其是动画可动态模拟减数分裂的过程，帮助学习者对学习目标作直觉了解，更容易理解并掌握遗传概念。模拟动画能够提供一个更明确的影像给学习者，降低学习者抽象思考的层次，让学习者在概念发展和概念改变上有很好的进展。[20]Roblyer（2003）的研究结果提到，模拟动画系统如果没有提供好的说明或问题解决情境，学习可能沦为错误尝试的过程，反而更为耗时且没有效率。[21]基于计算机模拟动画教学的注意事项，让我们了解到任何一种媒体教学型态都有其双面性，既有优点也有弊端。因此，在设计或选用计算机模拟动画进行教学时，应充分考虑学生的特质和课程内容，只有这样才能达到最佳的学习效果。从这些研究中，可以得知使用计算机模拟动画来辅助教学已经越来越多，研究者针对计算机模拟动画在学习成效、适用科学概念种类、适合的使用年龄等各方面都有所考虑，但研究的深度和广度还有待于进一步加深和拓展。

（四）动画多媒体教学信息设计原则的研究

借鉴传统多媒体学习理论和教学应用原则，一些专家学者也根据自身对动画多媒体实验研究的结果，设计开发了一系列属于动画的多媒体教学应用基本原则。Betrancourt（2002）总结了动画的教学应用用途，他认为动画多媒体信息表征形式教学应用优势主要有三点。第一，动画能够支持视觉与心理表征的过程。动画提供了动态现象的视觉呈现，而这可以帮助学习者跨越时间与空间的观察障碍。第二，动画可以使学习者产生认知冲突。动画脚本可以针对相同的现象提供给学习者多个动画，让学习者选择正确的动画进行观察。在动画脚本中包含学习者的观察和讨论，用以帮助学习者建立明确的概念。第三，动画能够促使学习者探索现象。学习者通过对动画的积极探索，可以理解和记住动画所呈现的内容。[22]同时，通过实验研究发现，动画多媒体教学信息设计原则除了之前研究者提出的适合一般多媒体教学的邻近原则、通道原则和信号原则等，还将有专属动画的另外几个教学设计原则。第一，适合性原则——动画中的变化应当与学习者的概念模型相互一致，而不是与现象的变化一致，即真实的现象可以根据学习者的学习需要进行拆分，然后使学习者进行逐步学习各拆分后的内容，以此用于帮助学习者理解事物变化的因果关系。第二，理解力原则——为了使学习者更好地理解动画内容，动画中物体的图形设计应当使用规范的图形符号，而那些对促进理解不起作用的装饰性元素需要从动画中去掉。第三，注意力引导原则——由于动画的播放过程经常包括多个现象的同时变化，因此为保证学习者在观察动画的过程中不错过重要的变化信息，需要引导学习者的注意力。第四，交互性原则——如果学习者可以控制动画的播放，那么动画中包含的信息可以更好地被学习者所理解。这不仅保证学习者能够有足够的时间整合当前的信息，在理解当前信息的情况下开始学习后面的信息，而且也将动画所分割的组块能根据学习者的认知规律进行相互联系。第五，灵活性原则——由于并不能预先知道学习者原有的知识水平，动画多媒体教学材料在设计的时候应当包含一些使播放更加灵活的选项。[23]这样，动画中的信息就可以避免冗余，进而能够清晰地传递给学习者。除了Betrancourt，还有更多的研究者提出其他相关的动画教学应用设计原则，但不管是哪种设计原则，其根本的目的都是研究利用动画来帮助学习者完成心智模型的可视化表征、制造认知冲突，探索和理解特定概念系统的内在运行机制。[24][25]尽管动画在教学中已经得到大量使用，但有关如何设计和使用动画的相关指导原则和实施方法并没有被很好地进行研究。

二、动画多媒体学习的主要研究方法

（一）传统认知心理行为实验研究方法

受多媒体学习研究方法的整体影响，动画多媒体学习的研究也呈现出认知心理实验研究范式的深深印记，即通过严格的实验设计来控制相关的自变量（如不同样式的动画媒体信息表征）来观察是否能够得到有利于因变量（如学习效果）提高的各种效应。谢明勋（2000）[26]进行了网页中动画分布位置与阅读绩效的认知行为实验研究。首先通过文献探讨寻找出可能的影响因素来设计实验材料与步骤，实验为9水平（动画位置于文字的上、下、左、右、左上、左下、右上、右下方及无动画的控制组）单因素实验设计。网页中不同位置出现的动画围绕经过随机数出现的九个英文字母，让具备一定阅读能力、视力和网页浏览经验的小学生来阅读，同时记录被试阅读时间，并在阅读之后进行正确度的测验，同时利用量表让被试对阅读动画网页的疲劳度进行主观评价。结果发现，网页中动画相对于文字区块的不同分布位置，会对被试阅读所需的时间、被试主观自觉的疲劳程度、正确选择接收回忆报告的整体容量等产生不同程度的影响，但是与正确报告文字位置或错觉组合发生的机率无关。传统认知心理行为实验研究范式下的动画多媒体学习已日趋成熟，从动画多媒体形式对学习者学习成绩（记忆成绩、保持成绩）和学习态度、满意度的影响分析，已拓展到更为深入的研究层次，如动画多媒体学习与认知负荷、动画多媒体与空间记忆等。同时，又受新实验技术和方法发展的影响，动画多媒体学习研究又呈现出新的研究范式——基于眼动行为数据分析的认知实验研究。

（二）新兴眼动行为分析实验研究方法

眼动行为分析法运用在心理学和教育学研究领域中已近四十年，其主要是用科学的方法来研究当人在做不同认知作业时，眼球的移动方式是不是也可以反映不同的认知过程，如注意力运作机制、偏好态度、中文阅读理解过程等，甚至也成为测谎与临床治疗的重要诊断工具。[27]蔡金成、佘晓清（2009）[28]运用眼动行为分析法探讨了不同教师在观看动画教学时眼动行为的差异，以及眼动行为与概念建构之间的关系。研究结果显示，不同学科背景的小学教师在电流相关概念上的认知情形有显著差异，电流概念动画能帮助教师进行概念改变。另外，不同学科背景教师的眼动行为数据虽没有高度显著差异，但发现科学背景教师在动画区域上注视点平均时间都较非科学背景教师长，科学背景教师的视线轨迹大部分都在观看动画的对象如何运动，剩余的时间才会浏览说明文字和镶嵌文字，非科学背景教师的视线轨迹大部分在浏览文字和镶嵌文字区域，浏览动画区域的时间较短。研究充分证明注意力分布与概念建构程度有密切的关系。上述研究过程及成果表明，眼动行为分析法探讨教学动画对多媒体学习成效的影响是切实可行的新研究方式。通过诸如眼球注视点次数、注视时间、动画与文字区域注视点的平均注视时间、动画与文字区域注视时间的百分比、不分区总注视时间与视线轨迹等参数的差异，以了解不同背景学习者在动画多媒体学习过程中注意力分布与内部知识建构的关系，从而能够设计出更加符合学习者有意义学习的多媒体信息开发原则，进而更深层次地分析学习者的多媒体学习机制。

三、当前动画多媒体学习研究的综合分析

（一）动画多媒体学习研究内容分析

通过前面的综合分析可以看出，目前国内外关于动画多媒体学习的研究主要是从三个层次上进行的：即技术层次、符号层次和心理层次。第一，技术层次是指着眼于将动画作为制作和传递动态信号的技术设备，主要研究具体动画设计制作技术发展及应用和动画自身内在设计属性的发展状况，如如何更好地完成动画人物造型的技术等；第二，符号层次是指信号的类型，即在动画中什么内容在发生变化、如何变化（例如运动变化、形态变化、观察角度变化等），主要是研究动画作为一种媒体符号表征形式能否成为当前数字化环境下的教学信息传递基本单元，以及如何使用这种媒介来提高学生的学习绩效；第三，心理层次是指当观察并理解动画时，学习者内部所发生的心理感知和认知加工过程，主要研究动画作为教学信息的表征形式在促进学习者内部有意义学习中具体是如何影响认知过程的，如感知觉、记忆、思维和问题解决等。通过对这三个层次的分析，当前关于动画多媒体学习研究和教学应用设计观点已由传统的技术设备角度转变为从学习者学习活动的角度出发，即研究者们最关心的问题是动画何时以及如何促进学习者的内部学习过程。因此，首先需要在研究内容上将动画多媒体信息呈现方式与学习者的个体特征相结合展开研究，厘清不同个体特征下的动画多媒体学习特点。其次，动画多媒体作为一种信息呈现方式（符号表征形式），要实现好的学习效果还需要与教学内容的设计方式相关联。只有不同动画媒体形式与教学内容信息设计方式相适配，才能让学习者产生良好高效的学习效果。最后，教师将动画多媒体教材融入具体学科课程的教学策略也会对学习者的最终学习效果产生重大影响。因此，需要将动画多媒体信息呈现方式与教学策略实施方式相结合展开研究。

总之，当前国内外还没有相关的系统实证研究来证明动画效果要好于纯静态教材，更没有确切的关于动画是如何促进学习者内部认知过程机制的相关实验研究。因此，需要将动画多媒体信息形式与学习者个体特征、教学信息内容设计特征和教学策略实施方式等进行有机的结合。只有这样，才能系统清晰地看到动画多媒体信息表征方式对学习者学习认知过程的影响。

（二）动画多媒体学习研究方法的分析

传统多媒体学习研究通常采用反应时间（错误率）测定和追踪测量的认知心理行为研究范式。[29]反应时间（错误率）测定主要是测试被试进行某一认知加工过程的时间或正确率。这个方法对于像知觉和再认等较为简单的认知任务或过程是可以的，但是对于复杂加工认知过程来讲，用一个反应时数据来描述多认知成分显然会过于粗糙。跟踪测量法则要求被试在实验过程中随时报告相关信息，该方法虽然能够对所研究的认知过程进行即时测量，但明显的实验条件会干扰正常的认知过程，而且被试受其表达能力等多种因素影响，报告往往会存在一定的主观性。新兴的眼动行为追踪分析法是一种贴近自然状态的心理测量技术，它能深入揭示复杂认知活动具体实时加工的发生机制。通过监控学习者的眼球运动不仅可知道学习者心理运作结果，而且更为重要的是还可以揭开学习者认知结构随时间改变的过程，即监控眼球相当于随时监控认知过程。[30]在工作记忆资源分配测量中使用眼动仪，不仅能很好地评估学习者与教学工具的互动，而且通过分析呈现图片与文字整合的不同形式，能显示出学习者获得信息时的信息加工差异。

当前图文结合的眼动行为研究比较多，但对于动画媒体形式或影视媒体形式的研究在国内外还只是刚起步。这主要有两方面的原因：一是动画或影视媒体的眼动行为研究数据庞大，进行分析处理需要一种新的统计分析方法；二是动画或影视方面的实验材料较难开发制作，尤其是带有交互性的动态多媒体信息表征。因此，非常有必要尝试在动画情境下的多媒体学习研究中引入眼动行为分析研究法，探索新的数据处理与研究流程。

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