王福兴 等|自我生成教学促进多媒体学习：绘图的作用
自我生成教学促进多媒体学习：
绘图的作用
作者简介
王福兴
华中师范大学心理学院教授、
博士生导师
黄宇华中师范大学心理学院研究生
冷晓雪华中师范大学心理学院研究生
匡子翌华中师范大学心理学院
博士研究生
摘要
近来，教育心理学研究者逐渐关注帮助学习者从被动学习转变为主动建构，重视生成性学习策略的运用。自我生成教学和绘图是促进多媒体学习的两种重要的生成性学习策略。基于生成学习理论和认知负荷理论，探讨叠加使用自我生成教学和绘图策略能否更加有效地促进学习。绘图包括复制绘图、补充绘图和生成绘图三种形式，其生成加工程度依次加深。97名大学生被试被随机分配到复制绘图+教学组、补充绘图+教学组、生成绘图+教学组以及仅教学组。结果发现，复制绘图+教学组、补充绘图+教学组以及仅教学组的保持测验成绩均好于生成绘图+教学组。本研究结果支持认知负荷理论：（1）叠加使用自我生成教学和绘图这两种学习策略不如只使用自我生成教学一种学习策略的学习效果好。（2）叠加两种学习策略的效果受绘图形式的影响，自我生成教学策略叠加复制绘图和补充绘图策略的学习效果优于叠加生成绘图策略。（3）绘图的视觉特征不能影响自我生成教学对学习的促进作用。
关键词
多媒体学习；绘图；自我生成教学；学习策略
基金项目
国家自然科学基金面上项目“教学代理促进儿童视频学习的作用机制及其干预研究”(项目编号：62277025)的阶段性研究成果。
#目录速览
一、引言
（一）自我生成教学
（二）绘图学习
（三）研究假设
二、方法
（一）被试
（二）研究设计
（三）材料
（四）程序
（五）口头解释编码
三、结果
（一）学习结果
（二）主观体验
（三）口头解释质量
四、讨论与结论
五、教育启示与建议
（一）对学生的启示与建议
（二）对教师的启示与建议
一、引言
《礼记·学记》有言：“是故学然后知不足，教然后知困。知不足，然后能自反也；知困，然后能自强也。故曰教学相长也。”近期，随着网络学习和翻转课堂逐渐兴起，教育心理学研究者更加注重帮助学习者从被动学习转变为主动建构，更加重视生成性学习策略的运用。
自我生成教学(learning by teaching)是指学习者将所学知识以知识传递者角色讲给其他学习者听。[1]然而在使用这种策略时学习者往往仅对学习材料进行复述，很少结合自己的知识经验进行推论[2]，这样则限制了自我生成教学的积极效果。针对这一问题，研究者鼓励学习者主动建立已有知识经验与所学材料的联系，更多地进行生成性加工来促进学习。[3-4]绘图(learning by drawing)作为八大生成性学习策略之一，其促进学习的有效性已经得到许多研究证实。[5-7]然而，在实证层面，前人研究往往只单独关注某一种生成性学习策略的效果[8]，那么叠加使用自我生成教学策略和绘图策略是否能够更加有效地促进理解呢？在理论层面，叠加两种策略的学习效果究竟是更符合生成学习理论（生成加工的程度越高，学习越深入，效果越好），还是更符合认知负荷理论（生成加工的程度过高会造成认知超载，效果反而变差），前人研究并没有揭示这一内在机制。
基于先前研究的不足，本研究着重关注自我生成教学策略和绘图策略叠加使用的效果。此外，先前研究者还关注了不同的绘图形式（包括复制绘图和生成绘图）的效果[9-10]，那么本研究也将通过控制不同的绘图方式来控制绘图的深度。本研究旨在探讨不同形式的绘图与自我生成教学的结合使用如何影响学习效果。
（一）自我生成教学
自我生成教学是通过向他人解释学习材料的内容来促进学习的一种策略。[11]生成学习理论(generative learning theory,GLT)认为，在自我生成教学过程中学习者将新信息与现有的知识经验整合起来，进行深层次的认知加工，从而主动构建新知识[12]；同时还能促进学习者使用一些元认知策略来监控自身的理解情况并及时做出调整，从而更好地理解学习材料。[13]
总结以往的实证研究发现，和简单的再学习相比，以录视频的形式向一个想象的虚拟同伴进行自我生成教学能够有效地促进学习。[14-15]例如，Hoogerheide等人发现无论是对于即时保持测验(d=0.52)和即时迁移测验(d=0.74)还是4天后的延迟保持测验(d=0.43)和延迟迁移测验(d=0.692)，自我生成教学条件下学习者的学习表现均要好于再学习条件下的表现。[16]另外，一项元分析综合了28项研究结果表明，向一个想象的虚拟同伴进行口头解释确实能促进即时测试(g=0.51)和延迟测试的效果(g=0.60)。[17]
（二）绘图学习
绘图学习是指学习者主动建构表征性的、可视化的图画来加深理解的一种生成性学习策略。[18]在绘图学习中，学习者通过学习文本材料构建出的言语表征转化为以图画形式存在的非言语表征,从而深入理解和加工学习材料，促进学习。[19]
部分研究支持绘图能积极影响学习者的保持和迁移测验成绩。例如，Lin等人对比了生成绘图组、想象组和再学习组的理解测验结果，结果发现生成绘图组的理解力测验成绩要显著高于再学习组。[20]Fiorella和Zhang的元分析研究表明生成绘图促进学习存在较高的效应量，其中保持测验g=0.46，迁移测验g=0.70。[21]根据GLT，学习者主动建构或者生成图画这一过程能促进知识的选择、组织和整合，同时激发自我监控等元认知层面的活动,从而促进对学习材料更深入的认知加工。[22-23]此外，Van Meter和Firetto不仅关注到“生成化(generation)”的作用，还关注到“可视化(visualization)”这一因素的作用，认为绘图本身的视觉化效果也能影响学习效果。[24]因此，本研究也关注绘图本身的视觉化效果叠加在自我生成教学策略上会如何影响最终的学习结果。
然而，也有部分研究表明绘图学习并不能起到促进学习的效果，反而可能阻碍学习。[25-26]例如，Schleinschok等人对比了生成绘图组和再学习组的保持测验成绩，结果发现生成绘图不但没有促进对学习材料的记忆，反而阻碍了学习效果(d=-0.143)。[27]根据认知负荷理论(cognitive load theory,CLT)，信息超载会产生认知负荷，而生成绘图需要学习者将言语表征转化成图画表征，还要花费大量时间画出相应的内容，这一过程会消耗学习者大量认知资源，导致用于加工学习材料中的重要信息和整合连贯的心理模型的认知资源减少，最终阻碍学习。[28-29]
考虑到自我生成教学和生成绘图均可以促进生成性加工，从而促进学习，那么两种策略的叠加是否具有更好的效果呢？从GLT的角度来看，两种生成性学习策略的叠加能够让学习者产生更深程度的生成加工，从而更好地促进学习。但从CLT的角度来看，两种生成性学习策略的叠加也可能会使学习者的认知负荷超载，降低学习效果。目前仅有一项研究结合了绘图和自我生成教学这两种生成性学习策略进行研究。Fiorella和Kuhlman通过设置仅教学组、仅绘图组、一边教学一边绘图组(以录像的形式进行教学)以及再学习组，结果发现，学习者在一边绘图一边教学的条件下比仅进行教学条件下的产生的解释质量更高且更精细，并且保持和迁移的成绩更好。[30]
除了关注“生成绘图”的效果之外，部分研究者还关注了“复制绘图”（不包含生成加工的过程）的效果。例如，Mason等人将被试分为复制绘图组、生成绘图组以及控制组，结果发现生成绘图组对动画的理解要显著好于复制绘图组和控制组。[31]考虑到复制绘图的特点，叠加使用复制绘图和自我生成教学策略的效果与仅使用自我生成教学策略的效果可能无较大差异。另外，在本研究中还额外增加了一组“补充绘图”，即让学习者部分生成绘图，此时学习者的生成加工程度介于完整“生成绘图”与简单“复制绘图”之间，因此叠加使用补充绘图和自我生成教学策略的效果可能介于前两者之间。另外，通过比较“复制绘图+教学组”和“仅教学组”的学习结果可以探讨绘图的视觉图像本身的效果。
此外，总结前人研究发现学习者先验知识、自我概念以及教学效能感会影响自我生成教学的效果[32-33]，而先验知识和空间能力也会影响绘图的效果[34-36]，本研究将这几个变量作为控制变量。基于以上文献的总结，本研究旨在探究当学习者分别用不同形式的绘图与自我生成教学策略叠加时的学习效果究竟是能进一步促进学习还是会降低学习效果。
（三）研究假设
本研究将通过设置复制绘图+教学组、补充绘图+教学组、生成绘图+教学组以及仅教学组四种条件来探究同时绘图学习和自我生成教学这两种学习策略是否更有利于学习，并且进一步通过控制不同的绘图形式来深入探讨两种学习策略相互叠加的结果。
总结以往研究，基于GLT[37]和CLT[38]，本研究对差异方向没有明显倾向，故提出以下假设：
H1：复制绘图+教学组与仅教学组的学习效果无显著差异。
H2：补充/生成绘图+教学组与仅教学组的学习效果存在显著差异。
H3：不同绘图的深度（复制/补充/生成）的学习效果存在显著差异。
二、方法
（一）被试
在实验实施之前，使用G*Power 3.1.3进行了先验统计检验力分析。在单因素四水平被试间实验设计中，设定统计检验力1-β为0.8，α设定为0.05，预计达到0.4的效应量，所需样本量至少为76人。[39]共招募大学生被试100名，剔除不认真被试1名和极端值被试2名，最终有效被试为97人。其中复制绘图+教学组为25人、补充绘图+教学组为24人、生成绘图+教学组26人，仅教学组为22人。对人口学变量进行检验，发现四组间年龄差异不显著，F(3,96)=1.26，p>0.05，性别比例差异也不显著， χ2(3)=1.38，p>0.05。此外，单因素方差分析(One-Way ANOVA)结果发现，四组学习者之间的先验知识水平无显著差异，F(3,93)=0.60，p>0.05；空间能力水平无显著差异，F(3,93)=0.42，p>0.05；自我概念水平无显著差异，F(3,93)=0.98，p>0.05；教学效能感也无显著差异，F(3,93)=0.05，p>0.05。因此,本研究较好地控制住了个体变量的影响。
（二）研究设计
实验采用被试间单因素四水平实验设计，分为复制绘图+教学组、补充绘图+教学组、生成绘图组，仅教学组。因变量包括学习结果（保持测验和迁移测验）、主观体验感（认知负荷和学习兴趣），以及口头解释的质量（概念单元，精加工语句以及自我监控语句的数量），控制变量包括学习者的先验知识水平、空间能力、自我概念以及教学效能感。
（三）材料
1.学习材料
实验材料来自Zhang和Fiorella的研究[40]中所使用的图文材料“人体心肺循环系统”，主要学习该系统的结构、流程和作用（图1）。在预实验中，将材料的文本内容翻译成中文后，招募18名被试对学习材料的可读性和难度进行主观评定，结果显示该学习材料可读性较强且难度适中。
2.前测问卷
前测问卷包括：（1）人口学信息调查问卷，如学习者的年龄、性别和专业等；（2）先验知识调查问卷，参考Fiorella和Kuhlmann的研究[41]，该问卷包括12道判断题，如“你可以解释肺循环的含义吗？”和1道主观题“请你写下所有你现在能回忆出的关于人体心肺循环系统的内容”，其中主观题由两位研究者进行主观评分，评分一致性信度r=0.96，取两人平均评分作为最终结果；（3）自我概念问卷，参考Roelle和Renkl的研究[42]，共4个项目，如“我可以很快地学会生物知识”，采用Likert 4点计分，1表示“非常不同意”，4表示“非常同意”，α=0.86；（4）教学效能问卷，参考Klassen和Chiu的研究[43]，共8个项目，如“你在教学时能在课堂上运用多种教学策略吗？”，采用Likert 9点计分，1表示“一点也不能”，9表示“非常能”，α=0.86；（5）空间能力测试问卷，参考Witkin等人的研究[44]，采用9个镶嵌图形测验项目(从复杂图形中找出一个简单图形)，被试每正确找出一个计1分，总分为9分。
3.学习测验
学习测验包括：（1）保持测验，主要考察学习者对学习材料的识记情况，参考Zhang和Fiorella的研究[45]，该测验为一道主观题（“请尽可能详细地解释人体心肺循环系统所包含的结构和流程，并用文字表述”），共50分。（2）迁移测验，主要考察学习者对学习材料和深度理解和推理程度，参考Zhang和Fiorella的研究[46]，该测验为四道主观题（例如：“如果只有左心室停止泵血而右心室继续泵血，肺会发生什么？如果只有右心室停止泵血，而左心室继续泵血，身体会发生什么？请写下你的答案并解释”），每道主观题9分，共36分。学习测验由两名研究者进行评分，r保持=0.98，r迁移=0.99，取两人平均评分作为最终结果。
4.主观体验
主观体验问卷是由学习者主观评定的认知负荷和学习兴趣两部分组成。参考Pass的研究[47]，认知负荷由两个项目进行测量（“请你对刚才学习时你的努力程度进行评定”和“请你对刚才所学习的材料的难度进行评定”），采用Likert 9点计分。参考Horovitz等人的研究[48]，学习兴趣也由两个项目进行测量（“你有多喜欢刚才的学习内容？”和“你想进一步学习心肺交换系统相关知识吗？”），也采用Likert 9点计分。主观体验问卷分别在学习者学习阶段结束、绘图阶段结束以及教学阶段结束后这三个时间点进行施测。结果发现，认知负荷问卷的α为0.53，学习兴趣问卷的α为0.54。
（四）程序
实验全程为纸笔测验，在安静的实验室环境进行。分为以下五个阶段。
前测阶段：被试签署完知情同意书后，首先完成前测问卷，时间约为10分钟。
学习阶段：被试被随机分配到生成绘图+教学组、补充绘图+教学组、复制绘图+教学组或仅教学组，并按照指导语要求学习材料20分钟（图1）。被试学习完毕后完成学习体验感主观评定。
绘图阶段：生成绘图+教学组的被试需要凭借自己的理解和记忆在一张空白A4纸上画出人体心肺循环系统的示意图；补充绘图+教学组的被试需要补充完整一张只包含约50%关键信息的人体心肺循环系统示意图；复制绘图组的被试需要对照学习阶段所看到的完整的人体心肺循环系统示意图，在一张空白A4纸上临摹一遍；而仅教学组则再次学习图文材料。绘图时长为5分钟。前三组被试绘图完毕后进行绘图体验感主观评定。
教学阶段：被试被告知将以录视频的形式把刚刚所学的内容讲给一位想象的且不熟悉人体心肺循环系统的同伴听，教学时长不限。教学阶段结束后被试对教学体验感进行主观评定。
测验阶段：被试完成保持和迁移测验。
最后主试给予被试一定报酬并致谢。整个实验时长为1小时左右。
（五）口头解释编码
实验结束后，研究者将所有学习者的教学视频逐一转换为文字稿，经过人工核对后，参考Roscoe等人的研究[49]，由两位研究者进行编码评分。概念单元的计分方式与后测中保持测验的采分点相同，比如“肺循环是指从心脏右侧到肺，再回到心脏左侧”，指出了肺循环的流程，计1分；精加工语句指学生结合已有知识，通过举例、类比等方式将学习内容与自己更熟悉的经验联系起来而产生超出学习材料的解释，比如，“当心脏收缩时，房室瓣产生压力，就像大雨中的一把伞一样紧紧抵着”，将房室瓣关闭的状态比作一把伞，计1分；监控语句指学生评估反思自己的思维过程和理解水平而产生的表述，比如，评估自己是否理解了学习材料以及学习材料是否容易理解（如，“这个非常好理解”，计1分）。评分一致性信度r概念单元=0.99，r精加工=0.98，以及r自我监控=0.99。
三、结果
（一）学习结果
四种实验条件下学习者保持和迁移测验成绩的平均值和标准差见表1。
将先验知识、空间能力、自我概念和教学效能感等个体变量与保持、迁移测验的成绩进行相关分析，学习者的先验知识与保持测验成绩存在显著正相关(r=0.23)，空间能力与迁移测验成绩存在显著正相关(r=0.27)。
对于保持测验，将先验知识作为协变量，协方差分析结果发现，四组学习者的保持测验成绩存在显著差异，F(3,93)=4.26，p=0.007，ηp2=0.121，事后比较(LSD，下同)发现，复制绘图+教学组（p=0.003）、补充绘图+教学组（p=0.018）以及仅教学组的保持测验成绩均显著好于生成绘图+教学组（p=0.003），其余两组之间均无显著差异，如图2所示。
（二）主观体验
学习者在学习阶段、绘图阶段以及教学阶段的主观体验结果见表1。
在学习阶段，四组学习者之间的认知负荷无显著差异，F(3,93)=0.34，p>0.05；学习动机无显著差异，F(3,93)=0.82，p>0.05。在绘图阶段，除控制组外的三组学习者之间的认知负荷无显著差异，F(2,72)=011，p>0.05；绘图动机无显著差异，F(2,72)=0.51，p>0.05。在教学阶段，四组学习者之间的认知负荷无显著差异，F(3,93)=0.07，p>0.05；教学动机无显著差异，F(3,93)=0.34，p>0.05。
（三）口头解释质量
单因素方差分析结果发现，四组学习者在教学时产生的概念单元数量无显著差异，F(3,93)=0.22，p>0.05；精加工语句的数量无显著差异，F(3,93)=1.19，p>0.05；自我监控语句的数量也无显著差异，F(3,93)=1.63，p>0.05。
四、讨论与结论
本研究发现，对于保持测验的成绩，首先，复制绘图+教学组与仅教学组的学习效果无差异，这符合假设H1。说明复制绘图对学习者生成教学解释不能起到补充效果，且绘图的视觉图像本身并没有对结果产生干扰。其次，仅教学组的表现好于生成绘图+教学组，说明在自我生成教学的基础上叠加绘图策略其实并不如仅使用自我生成教学策略的学习效果好。补充绘图+教学组与仅教学组的学习结果无差异，这部分符合假设H2。此外，复制绘图+教学组和补充绘图+教学组的学习表现也要好于生成绘图+教学组，但复制绘图+教学组与补充绘图+教学组无差异，这部分符合假设H3。这可能是因为叠加使用自我生成教学和绘图两种策略已经超过了学习者的认知资源可承受的范围，造成了认知超载，降低了学习效果；也可能是因为生成绘图是生成视觉表征，而生成教学解释是生成言语表征，视觉通道和听觉通道信息的转换和整合导致信息加工困难，难以取得理想的学习效果。
然而，对于迁移测验的成绩，四种条件下的迁移测验成绩并无显著差异，这可能是同时使用绘图和自我生成教学这两种生成性学习策略消耗了学习者大量的认知资源，从而使学习者难以结合自身的先验知识整合出较好的心理模型。综上，本研究发现同时使用绘图和自我生成教学这两种生成性学习策略其实会使学习者的认知负荷超载，从而对学习者的学习效果表现出消极阻碍的作用，研究结果支持认知负荷理论。[50-51]
在本研究中所使用的认知负荷量表和学习兴趣量表的内部一致性信度较低(α分别为0.53和054)。先前已有研究指出认知负荷的两个子维度(心理努力和感知难度)之间的相关程度较低，如在DeLeeuw和Maye的两个实验中发现两者的相关分别为0.26和0.33[52]，并且这一量表普遍存在信度较低的问题。[53]针对学习兴趣的测量也同样如此。[54]重要的是，本研究的两个量表系数虽然偏低，但仍在可接受的范围之内，且先前也有研究报告了偏低的信度系数。[55]
与Fiorella和Kuhlmann的研究结果[56]不一致的是，本研究并没有发现绘图对自我生成教学过程中口头解释质量的促进作用。导致这一结果可能有以下几点原因：第一，学习材料的难度不同，Fiorella和Kuhlmann的研究中使用的是人类呼吸系统的文本材料，这一学习材料的难度要低于本研究所使用的人体心肺循环系统的材料难度，学习材料的难度会影响学习者绘图的质量，从而限制绘图的积极作用[57]，先前研究也揭示了低质量绘图的阻碍作用。[58-59]第二，绘图和教学的顺序不同，Fiorella和Kuhlmann的研究中学习者是边教学边绘图，而在本研究中学习者是先完成绘图再进行教学或者说口头解释。Fiorella等人的研究中发现同时使用绘图与书面解释两种学习策略存在顺序效应[60]，这种顺序效应可能会导致差异结果。第三，教学的时长不同。本研究中学习者平均教学的时长没有超过五分钟，学习者可能没有充分地将较为复杂的人体心肺循环系统的内容完整地讲出来，这也会影响最终的学习结果。
未来可以考虑从以下几个方面进行改进：第一，重新对迁移测试项目进行进一步修订。认知负荷也可以考虑结合一些客观的生理指标来进行阐述，学习兴趣也要采用多维度、项目数量更丰富的量表进行测量。第二，探究顺序效应的作用，可以通过增加实验条件深入探讨绘图和自我生成教学这两种学习策略是否存在顺序效应以及该效应如何体现。第三，考虑增加纯绘图组或纯再学习组作为控制组，深入探讨既有绘图又有自我生成教学是否比简单的再学习的效果要更好，和纯绘图组的学习效果相比又会有怎样的结果，自我生成教学对于绘图的质量会有怎样的影响等问题。
本研究的研究结果证实了认知负荷理论：（1）叠加使用自我生成教学和绘图这两种学习策略不如只使用自我生成教学一种学习策略的学习效果好。（2）叠加两种学习策略的效果受绘图形式的影响，自我生成教学策略叠加复制绘图和补充绘图策略的学习效果优于叠加生成绘图策略。（3）绘图的视觉特征不能影响自我生成教学对学习的促进作用。
五、教育启示与建议
（一）对学生的启示与建议
本研究发现采用自我生成教学策略具有较好的保持测验成绩，建议学习者在学习材料时通过将所学内容口头讲述给他人听这种方式来促进所学新知识与先前知识经验的结合，从而生成新知识表征，加深对学习内容的识记效果。而当学习者在考虑结合使用两种生成性学习策略时则需要谨慎，本研究发现学习者叠加使用自我生成教学和绘图策略并没有仅使用自我生成教学一种策略的学习效果好，尤其是当学习者既生成绘图又生成教学解释后，对所学知识的识记效果最差。这可能是因为存在不同通道信息的转换加工困难，同时受到认知资源容量限制。因此，相较于叠加生成绘图策略，更鼓励学习者采用临摹图画的方式，通过临摹材料中的图画内容，同时生成教学解释增强对知识的记忆效果。
（二）对教师的启示与建议
结合本研究发现的自我生成教学的优势效应，鼓励教师倡导“以教促学，教学相长”的教育理念，在课堂中适当转换学生角色，让学生承担“教师”的角色，帮助其增强唤醒意识并集中注意力来促进学习。“以教促学”有利于体现“以学生为中心”“以学生能力培养为目标”的教学原则，可以充分调动学生的主观能动性，这与建构主义倡导的“交互式教学”不谋而合。建构主义认为学习的实质是个体参与实践，与他人、环境等相互作用的过程，是形成参与实践活动能力的过程。基于这种理念的交互式教学是指激发学生主体意识，使他们积极参与课堂教学，即让师生共同参与知识的建构。让学生以“教师”的角色讲授内容可以激发学生的学习主动性，主动消化课堂重点，理解知识内涵，完成知识建构。建议教师由知识的传授者转变为学生主动建构的促进者，在教学过程中采用“以学生为中心”教育思想和教学模式、“以教促学”教学方法和“交互式”教学设计。
参考文献
本文刊于《苏州大学学报（教育科学版）》2023年第3期，第97-106页。 如有媒体或其他机构转载，请规范引用、注明出处。
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图文编辑：王心怡
责任编辑：杨雅婕
审核人：罗雯瑶
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