Springer Science+Business Media
B.V.
The educational value of visual cues and 3D-representational format in a computer animation under restricted and realistic conditions
Thomas
这是我最近阅读的一篇论文，因与自己感兴趣的方向有些相关，细读思考如下：
1、论文介绍
文章主要研究视觉线索和3D动画呈现方式分别在受限的实验环境及现实课堂环境中的教育价值。
问题提出
文章指出当前教育中越来越多的使用多媒体学习环境，而多媒体学习环境的一个重要教学手段就是动态视频，例如，自然科学教学中，多数对象具有动态的特征，使得动态视频比静态图片在自然科学教学上更具优势。然而，由于动态视频的信息呈现具有短暂性，使得动态画面比静态图片更难加工，于是如何改进动态视频的教学设计的问题被提出。作者提出两个假设：
1．多数动态过程都具有很高的复杂性，在动态画面中使用线索能否可以把学生的注意力集中到关键知识点上？
2．多数动态过程存在于3维空间，3D动画方式是否比2D动画方式更能促进学生的学习？
文章还指出，目前有关多媒体学习的实证研究多数是在严密控制的实验室条件下进行，具有系统步调学习特点；而真实的多媒体学习环境则具有交互式及自定步调学习的特点。那么：
1．实验室条件下多媒体学习的研究成果是否可以迁移到真实的多媒体学习场景中？
另一方面，动画中大量而又不断变化的信息，以及交互式软件的使用带来的外在认知负荷的对学习的影响也在本研究的考虑范围内。
研究方法及过程
文章采用实证研究方法及问卷调查法调查研究上述提出的若干问题。
在本次研究中，作者进行了两个实验：
实验1，在受限的实验室条件下，采用系统步调学习方法，调查研究视觉线索及图像呈现方式（2D/3D）对知识的获取及理解的教育效果，实验中学习的内容是生物领域中的一个主题---ATP合酶的结构和功能。研究人员分别制作了4个版本的ATP合酶结构功能的动态视频：
a）2维呈现ATP合酶过程，没有提示视觉线索
b）2维呈现ATP合酶过程，有提示视觉线索
c）3维呈现ATP合酶过程，没有提示视觉线索
d）2维呈现ATP合酶过程，有提示视觉线索
其中视觉线索是在上述动态视频中，在关键知识点嵌入相关的文字和解说。83名来自生物课堂的大学生参与该实验，他们被随机的分为4个小组，每组成员观看其中一个版本的ATP合酶动态视频，每个小组中动态视频通过投影仪被统一播放，学生没有交互式操作动态视频的可能。之后分发调查问卷，调查及研究每组学生观看完各自版本的ATP合酶动态视频后，对知识的获取（记忆），理解，感知认知负荷及态度的情况。本次研究采用线性回归模型R.2.4.1(R Development Core Team 2006)分析问卷数据，研究实验1设定的学习场景中视觉线索及图像呈现方式（2D/3D）的教育价值。
实验2，在更具生态效度的课堂情景中，采用自定步调学习方法，调查研究视觉线索及图像呈现方式（2D/3D）对知识的获取及理解的影响。与实验1不同，实验2是在真实的多媒体学习环境中进行，实验2学习的内容与实验1一样，都是生物学中的一个主题-- ATP合酶的结构和功能。除了提供与实验1一样的4个版本的有关ATP合酶结构功能的动态视频外，研究人员还为参与实验2的学生提供而额外的CD（《细胞II--电厂--线粒体与能量代谢》(见 Sanderet al. 2003)，CD包含一些静态图片，二维动画，19个视频，10个3D方式的动画等内容，作为学生基础知识方面的学习材料。223名分别来自中学和大学得学生参与了该实验，他们被随机的分为4组，每组拥有相同的多媒体学习环境即：相同型号的PC，相同的交互式软件。{wy}不同的是，每组中嵌入到多媒体学习环境中的ATP合酶结构功能的动态视频的版本不同（2D/3D ,有/无线索）。 学生可以自由的观看和操作（回放，暂停，重播等）PC中所有内容。之后分发与实验1同样的调查问卷，来调查每组学生在进行多媒体学习后，对知识的获取（记忆），理解，感知认知负荷及态度的情况。也采用采用线性回归模型R.2.4.1分析问卷数据，研究在实验2设定的场景中，视觉线索及图像呈现方式（2D/3D）的教育价值。
研究结果及结论
通过对上述两个实验的研究分析，文章的得出以下研究结果：
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
综上所述，视觉线索及中图像呈现方式（2D/3D）在不同的学习场景中其对教育效果的影响有相同也有不同，所以文章得出结论是：经过严密控制的实验室条件证明下的结果不能轻易迁移到自然课堂（制定步调）的学习中。
2、综合讨论
一些研究显示，由于视觉线索有整合文字信息及图片的视觉搜索的特点，所以视觉线索的呈现会带来外在认知负荷(e.g., Berthold and Renkl 2009; Craig et al. 2002; Jamet et al. 2008; Jeung et al. 1997; Kalyuga et al. 1999; Lorch and Lorch 1996)，然而，在本研究中，研究数据显示在动态视频的教学中使用线索不会增加学生学习过程中的感知认知负荷，相反，在受限的实验1设定的场景中，由于学生只能统一观看一次动态视频教学材料，因此需要更多的认知能力来加工动态信息，视觉线索的呈现起到了减轻学生感知认知负荷的作用。在实验2多媒体学习环境中，由于学生可以交互式操作教学材料，反复查看动态教学视频，所以线索在实验2场景中，对学生的感知认知负荷没有太大的影响。
在本研究中发现，视觉线索的呈现，不能促进学生对ATP合酶合成这个复杂的动态过程的理解，这个结果与Tabbers等人的研究结果一致（2004），他们发现在70分钟的学校课程中视觉线索的效果甚微。如果说是因为视觉线索呈现时间较短，导致不能促进学生对ATP合酶合成这个复杂过程的理解，那么在动态视频教学中，采用长时间呈现视觉线索，或者同时呈现多个线索的方式，是否会对学生的理解有积极影响呢？这还需进一步的调查研究来证实这个假设。
本研究的第二个议题是，图像呈现方式（2D/3D）的教育价值，有关3D呈现方式对学习的影响的实证研究目前还比较缺稀也不一致(见 Keller et al. 2006)，大多数研究指出3D呈现方式与2D呈现方式相比不但没有优点反而会给学习带来不利因素(e.g. Byrne 1996; Hanna et al. 1998; Keller et al. 2006)。例如，一些作者认为3D动画的动态方式有助于学习者心理模式的建构(Hays 1996; Wu and Shah 2004)，另外一些研究则宣称3D动画的动态方式特别对空间能力较低的学习者会导致他们工作记忆的认知过载(Huk 2006; Mayer and Sims 1994)。在本研究中，两个实验设定的不同学习情景下，不同的图像呈现方式（2D/3D）也呈现不同的教育效果。由于实验1采用系统步调学习，学习材料呈现时间较短，学习内容又是一个3维动态对象，所以本研究表明，在实验1场景中，3D图像呈现方式促进学习。 由于实验2采用自定步调学习，学生通过交互操作动态视频学习材料，自己控制学习进度，因此，在实验2场景中，2D图像呈现方式显示出更能促进学习的趋势。
本研究表明，无论在实验1还是实验2中，学生的感知认知负荷不受图像呈现方式(3D vs. 2D)的影响，研究还发现图像呈现方式（2D/3D）会影响学生的态度。参与两个实验的学生都表示他们更喜欢观看3D动画教学材料。但是研究同时表明，虽然学生更喜欢在教学中使用3D方式的教学材料，但是3D呈现方式所增加的积极态度并不能促进学生的学习。
概括的说，本研究强调了视觉线索对学习促进的教育价值，但是3D图像呈现方式的教育价值则在不同学习场景中有不同的体现。在受限的系统步调的学习场景中，3D图像呈现方式对学习有很好的促进作用；在自定步调的多媒体学习环境中，3D图像呈现对学习的支持作用不但消失反而趋于反面。
3、总结及展望
通过对上述论文的学习和研究，我赞同视觉线索的教育价值，即在动态视频的教学中，适当的使用视觉线索来提高学生对关键知识点的注意，从而促进学习。但是怎样才能“适当的呈现”视觉线索？视觉线索呈现的时间点，呈现方式，持续的时间，呈现的个数都会影响视觉线索促进学习的积极影响。如果在动态视频教学中不恰当的使用视觉线索，反而会增加学生的认知负荷，造成认知过载，给学习带来不良影响。所以在视觉线索的应用上还需做进一步的调查研究。
总的来说，2D图像方式与3D图像方式的动态视频在不同情景的学习中各有优缺点。2D动画方式制作成本较低，在交互式多媒体学习环境中，2D动画就能够很好的支持学习。另一方面，在自然科学教育中，很多对像都具有动态特征，而这些动态对象存在于3维空间中，像在本研究受限的系统步调学习情景中，3D动画方式的教学能更好的促进学生对复杂的3维动态过程的理解。所以两种图像呈现方式的动态视频各有优缺点，考虑使用成本方面，我主张在不必要使用3D图像方式的教学场景中就尽量不使用3D动画。
在本研究中还观察到，由于交互式多媒体学习环境包含其他与学习主题无关的2D/3D动态视频，所以有一定比例的学生没有把主要时间花费在与教学主题（ATP合酶结构和功能）相关的动态视频上。如何强调学习相关模块的重要性，让使用多媒体学习环境的学生更多的关注与学习相关的2D/3D图像方式的动态视频也是我们下一步要研究的课题。
