利用思維導圖方式呈現中文古文對學習內容識記的影響研究

葉新東　陳衛東　許亞鋒　楊剛

[摘 要] 本研究采用古文《師說》作為實驗的素材，對24名在校大學生（男女各12人）采用純文字和運用思維導圖兩種呈現方式來呈現古文。在利用思維導圖呈現方式中，設計了可視化的圖形策略，利用眼動儀和Tobii Studio配套軟件分析學習者瀏覽不同策略可視化圖形時的眼動軌跡特點和結合聲音數據分析瀏覽效果（對兩組聲音數據，將聲音效果從語速、重復率與錯誤率等三個維度進行分段分析）。眼動數據分析可以發現，思維導圖和純文字在注視時間、注視熱圖、注視點順序上都有很大的差異。聲音數據分析也可看出有思維導圖呈現方式比純文字呈現方式更有利于實驗者獲取信息，并且更有助于觀察者記憶。另外基于眼動軌跡和注釋熱圖的分析研究還表明，在記憶的首尾效應方面，純文字呈現方式存在首尾效應，而思維導圖呈現方式首尾效應不明顯。

[關鍵詞] 思維導圖； 古文； 呈現方式； 內容識記

[中圖分類號] G434 [文獻標志碼] A

[作者簡介] 葉新東（1976—），男，浙江溫州人。副教授，博士研究生，主要從事新技術、新媒體與教育的研究。E-mail：yxd@wzu.edu.cn。

一、引 言

屏顯示技術的發展使得可視化環境得以進一步改善，豐富多彩的數字屏幕使各種圖形、圖像形式互為激蕩匯流，我們已經進入了一個讀圖時代。圖形、圖像等視覺信息因其生動直觀、信息承載量大、啟發思維等特點改變了我們知識獲取的方式。同時隨著腦研究的爆炸式激增，神經科學的研究領域開始被研究者所涉足，人們開始從研究外在的可視化形式轉向把可視化與人的大腦思維相結合，或者說把知識可視化向思維可視化層面提升。研究者們開始探尋一種與腦的最佳自然學習和思考方式相一致的知識學習取向。對于可視化的研究，伴隨著計算機技術的發展，經歷了從數據—信息—知識可視化的研究歷程。隨著基于計算機的工業設計的興起和腦科學的發展，這一研究開始向適合人的思維的可視化視角發展，同時也從計算機科學領域向與其他學科的交叉領域滲透，包括心理學、教育學、管理學等學科。

在認知科學領域，很多研究已經關注可視化與知識理解和記憶的相互關系。GeneBellinger、Durval Castro和Anthony Mills認為理解（Understanding）支撐著數據到信息和知識的轉換，理解并不是一個獨立的層次。[1]趙國慶等從可視化對象、可視化目的、可視化方式和交互類型等四個方面對數據可視化、知識可視化、技術信息可視化與知識可視化進行了比較。[2]其中，針對智慧（思維）可視化的方法、技術的相關研究也頗多，主要集中在用何種結構的圖形圖像顯示知識更符合人們的思維方式，受化學中元素周期表的使用、外觀和邏輯的啟發，Ralph Lengler和Martin Eppler整合了形式多樣的視覺表征，依據各類視覺表征的相關性和不同點對技術進行“編號”、“上架”。[3]

對于可視化所帶來的理解和記憶的良好效果，也被諸多研究證實。Holley等認為對知識和信息結構的可視化能幫助學習者應對復雜和非良構的知識內容 。[4][5]Jonassen等認為可視化能夠幫助學生去理解相關內容和資源的創意、思想和知識，方法是通過提取、建構、組織和調整，描述、評價、定位以及進入、傳播知識內容。[6]可視化可以利用人類自有的發現模式進程。[7]因為Laseau指出：從遠古時代，人們即廣泛地使用視覺方式來表達思想，[8]而Lakin & Simon認為一個圖表或示圖（Diagram）有時可以勝過一萬字，這說明人類本身所具有的視覺思維這個重要特性。[9]人們能夠提取視覺和空間的工作記憶，[10] [11]這表明它使用涉及人類工作記憶不同子系統的認知加工過程的多重代碼，更有利于支持學習過程 。[12]個人的知識和信息內在結構的可視化外在表達可以幫助人們搜尋和認知加工知識內容的結構元素。[13]在學習和解決問題的過程中，可視化克服工作記憶中存儲的信息容量和時間的限制可以幫助學習者解決問題，表明了可視化會降低認知負荷。[14]為應對復雜的認知任務的要求，可視化擴大個人的記憶能力。[15] [16]

上世紀60年代英國心理學家東尼·博贊（Tony Buzan）研究達芬奇、愛因斯坦等“天才人物”所留下的手稿時，發現圖像、圖形、符號構成了這些手稿的主體，由此發明思維導圖這種學習方式。可視化已經被證實是應對復雜知識和豐富信息情境下知識理解和記憶的有效策略。思維導圖這個可視化策略和工具在引入中國以來也受到了中國教育研究者的關注，相關應用也很好地得以開展，但是對于思維導圖在中文教學中認知層面的研究還是缺乏的。本論文研究的目的是試圖通過使用眼動儀探尋不同的可視化呈現對知識理解的不同表現，尋求思維導圖內容呈現符合視覺思維的不同證據。

本研究利用中文古文作為研究素材是由于中文古文教學在中文語言教學中是一個難點，同時古文文章對于學生的理解和記憶來說是一個非良構的語言結構和表達，更能夠測試可視化在復雜知識和非良構知識表達中的作用。研究首先通過分析學習者對不同呈現內容的識記效果，了解不同呈現方式對記憶影響。然后通過分析可視化圖形瀏覽注視點時間的分布規律、區域注視偏好、可視化圖形內容等因素對學習者眼動行為的影響，確定不同可視化圖形的眼動行為特點，尋找影響識記效果的眼動證據。希望為可視化內容呈現策略設計提供建議和幫助。

二、實驗設計與實施

（一）實驗假設

1. 使用思維導圖呈現中文古文更有利于實驗者獲取內容信息，提高記憶效果。

2. 思維導圖呈現中文古文能夠提高實驗者對文章結構的把握，緩和記憶過程中的首尾效應。

（二）實驗方法

1. 實驗對象

被試者為24名高校在讀生，其中男生12名，女生12名，文科生和理科生各12人，年齡20～23歲，身心健康，智力正常，視力或矯正視力正常，母語為漢語，均為右利手。志愿參加實驗，并簽署知情同意書，實驗后獲取一定的報酬。

2. 實驗材料

本研究采用中國經典古文《師說》作為實驗的素材，此古文不分文理科學生在中學時代都接觸過。實驗素材采用兩種呈現方式，一種是純文字的呈現方式，類似于中學教材中的內容呈現方式；另外一種是使用思維導圖來呈現古文，根據思維導圖特點使用并設計了可視化的內容結構方式，通過提煉關鍵字并加粗、設置顏色，附加與關鍵字相關的圖片，段落之間用不同顏色的分支展示，分支之前加上提煉的段落大意，將古文形象地展示在被試者的眼前。實驗材料為兩張不同呈現方式的古文《師說》圖片，也就是純文字呈現和思維導圖呈現。實驗素材從內容上保持一致，從結構和呈現形式上存在顯著差異，如圖1所示。

3. 實驗設備

實驗采用瑞典Tobii公司制造的非頭戴式眼動儀。這款眼動儀的被試者不需要戴眼鏡或接觸，使用遠程的方式，眼動儀看起來像一臺普通的顯示器，給被試者創造一個自然的環境。被試者能夠自由地瀏覽，并會經常忘記他們眼動行為正在被記錄。眼動儀可以直接觀察記錄被試者內在的認知加工過程，使實驗數據更加真實可靠。眼動儀的配套軟件Tobii Studio能夠對每個頁面的播放時間進行設置，確保每個頁面的測試時間。在實驗中，實驗設計者能夠通過屏幕觀察被試者的眼動行為，從客觀上確保眼動儀能夠收集出被試者的注視點分布、興趣區域、注視時間等數據。實驗的視覺刺激材料通過眼動儀上的屏幕予以呈現。

4. 實驗過程

本實驗主要采用圖片感知范式（Picture Perception Paradigm）呈現圖片，刺激呈現在17寸眼動儀液晶顯示屏上，顯示器分辨率為1024×768像素。實驗開始時屏幕中將顯現指導語，告知被試者實驗要求，讓被試者坐在眼動儀前，將眼動儀調整到使用狀態，并對被試者的雙眼進行定位和校準，一分鐘后導入預存的實驗材料古文圖片，實驗材料古文《師說》內容以圖片樣式呈現，呈現方式為純文字圖片或者是思維導圖形式的圖片，將純文字呈現方式的圖片區域分為三個（見圖2），思維導圖呈現方式的圖片區域也分為三個（見圖3），一個被試僅提供一種方式呈現材料。呈現時間為10分鐘，要求被試者注視屏幕對材料內容進行記憶。10分鐘過后顯示白屏。進入效果測試時間，要求被試者背誦所呈現的古文，并通過錄音設備將背誦的聲音錄制下來。背誦結束，完成一個樣本的實驗，以此重復完成24個樣本實驗，樣本分配為純文字呈現12人，6男6女；思維導圖呈現12人，6男6女，同時考慮文理科人數均衡。

在整個實驗環境中，保持室內光線柔和，被試者獨坐于安靜房間內，并與電腦屏幕相距約80cm，實驗時排除盡可能多的外界干擾因素。

記憶效果測試使用語速、錯誤率和重復比率等三個參數，選取這三個參數是根據對中學語文教師的咨詢和訪談，教師普遍認為從學生背誦課文的角度看，這三個參數能夠主要體現學生對此部分內容的理解和記憶。語速是指每分鐘背誦的文字數量，錯誤率是指背誦錯誤文字的個數除以總文字個數，重復比率是指重復文字的數量除以總文字的數量。

三、實驗數據與分析

（一）全文記憶效果測試結果

1. 語速

思維導圖呈現方式組的語速平均為每分鐘156.75±25.670個，純文字呈現方式組的語速平均為每分鐘125.75±18.917個。思維導圖呈現方式組的平均語速比純文字呈現方式組的平均語速高，獨立樣本t檢驗得t=3.368，p=.003<0.05，顯示思維導圖和純文字的呈現方式的平均語速的差異顯著。

2. 錯誤率

思維導圖呈現方式組的錯誤率均值為0.33513±0.0255662，純文字呈現方式組的錯誤率均值為0.155511±0.1049686。思維導圖呈現方式組的平均錯誤率比純文字呈現方式組的平均錯誤率低，獨立樣本t檢驗得t=-3.912，p=.001<0.05，顯示思維導圖和純文字的呈現方式的錯誤字數率的差異顯著。

3. 重復比率

重復比率是指被試在背誦古文過程中，對已背誦過的文字由于不確定或者對后續內容不確定的情況下重復已背過內容的字數與文字總字數的比。思維導圖呈現方式組的重復比率為0.011221±0.0061778，純文字呈現方式組的重復比率為0.136772±0.0913312。思維導圖呈現方式組的重復比率比純文字呈現方式組的重復比率低，獨立樣本t檢驗得t=-4.684，p=.000<0.05，顯示思維導圖和純文字的兩組呈現方式的重復比率存在顯著差異。

（二）文章內容分段記憶效果測試結果

1. 純文字的呈現方式

對純文字呈現方式下朗誦聲音數據進行分段分析，并同樣從語速、重復率、錯誤率等三個維度進行比較。

語速均值從第一段到第四段分別為：157.83±31.86、119.50±28.39、151.25±30.52、162.17±33.05，語速整體比較如圖4所示，作為文章中間部分的第二段成為語速最慢的部分。通過獨立樣本t檢驗，以中間部分第二段作為對象分別與其他段落進行比較，第二段與第一段比較得t=3.112，p=.005<0.05，顯示兩段語速存在顯著差異，第二段的語速比第一段的語速慢；第二段與第三段比較得t=-2.639，p=.0015<0.05，顯示兩段語速存在顯著差異，第二段的語速比第三段的語速慢；第二段與第四段比較得t=-3.392，p=.003<0.05，顯示兩段語速存在顯著差異，第二段的語速比第四段的語速慢。

錯誤率均值從第一段到第四段分別為：0.006858±0.0091、0.136758±0.0985、0.007183±0.0121、0.00015±0.0005，錯誤率均值整體比較如圖4所示，作為文章中間部分的第二段成為錯誤率最高的部分。通過獨立樣本t檢驗，以中間部分第二段作為對象分別與其他段落進行比較，第二段與第一段比較得t=-4.549，p=.000<0.05，顯示兩段錯誤率存在顯著差異，第二段的錯誤率比第一段的高；第二段與第三段比較得t=-4.523，p=.000<0.05，顯示兩段錯誤率存在顯著差異，第二段的錯誤率比第三段的高；第二段與第四段比較得t=4.805，p=.000<0.05，顯示兩段錯誤率存在顯著差異，第二段的錯誤率比第四段的高。

重復比率均值從第一段到第四段分別為：0.019667±0.0255、0.108525±0.0732、0.008333±0.0102、0.0003±0.0010，重復比率整體比較如圖4所示，作為文章中間部分的第二段成為重復比率最高的部分。通過獨立樣本t檢驗，以中間部分第二段作為對象分別與其他段落進行比較，第二段與第一段比較得t=-3.972，p=.001<0.05，顯示兩段重復比率存在顯著差異，第二段的重復比率比第一段的高；第二段與第三段比較得t=4.698，p=.000<0.05，顯示兩段重復比率存在顯著差異，第二段的重復比率比第三段的高；第二段與第四段比較得t=5.124，p=.000<0.05，顯示兩段重復比率存在顯著差異，第二段的重復比率比第四段的高。

2. 思維導圖的呈現方式

對思維導圖呈現方式下朗誦聲音數據進行分段分析，并同樣從語速、重復率、錯誤率等三個維度進行比較。

語速均值從第一段到第四段分別為：175.17±35.88、177.83±40.45、164.83±42.99、154.33±40.76，語速整體比較如圖5所示，四段文字在背誦時的語速無明顯差異。通過獨立樣本t檢驗，以中間部分第二段作為對象分別與其他段落進行比較，第二段與第一段比較得t=0.171，p=0.866>0.05，顯示兩段語速不存在顯著差異；第二段與第三段比較得t=0.763，p=0.454>0.05，顯示兩段語速不存在顯著差異；第二段與第四段比較得t=1.418，p=0.170>0.05，顯示兩段語速不存在顯著差異。

錯誤率均值從第一段到第四段分別為：0.013764±0.0167、0.018552±0.0212、0.000748±0.0009、0.001496±0.0029，錯誤率均值整體比較如圖5所示，四段文字在背誦時的錯誤率顯示不同的差異特點。通過獨立樣本t檢驗，以中間部分第二段作為對象分別與其他段落進行比較，第二段與第一段比較得t=-0.614，p=0.546>0.05，顯示兩段錯誤率不存在顯著差異；第二段與第三段比較得t=2.904，p=0.008<0.05，顯示兩段錯誤率存在顯著差異；第二段與第四段比較得t=2.758，p=0.011<0.05，顯示兩段錯誤率存在顯著差異。

重復比率均值從第一段到第四段分別為：0.015111±0.0164、0.041592±0.0543、0.002992±0.0039、0.002095±0041，重復比率整體比較如圖5所示，四段文字在背誦時的重復比率顯示不同的差異特點。通過獨立樣本t檢驗，以中間部分第二段作為對象分別與其他段落進行比較，第二段與第一段比較得t=-1.617，p=0.120>0.05，顯示兩段重復比率不存在顯著差異；第二段與第三段比較得t=2.455，p=0.022<0.05，顯示兩段重復比率存在顯著差異；第二段與第四段比較得t=2.512，p=0.02<0.05，顯示兩段重復比率存在顯著差異。

（三）來自眼動軌跡的證據

1. 思維導圖呈現方式的瀏覽各區域

通過分析思維導圖呈現方式的三個區域的注視時間分配均值，得到了被試者的區域瀏覽時間分配百分比（如圖6所示）。

由圖6可知被試者在三個區域上的注視時間分配百分比差別還是比較小的。為了進一步檢測被試者注視時間差異性比較，使用SPSS進行方差檢驗后得到了以下結果：方差齊性檢驗得F=.291，p=.750>0.05，提示方差齊性。由表1可知， F值為1.863，p=0.175> 0.05，提示這三個區域的注視時間不存在顯著的區別。

使用LSD法多重進行比較，由表2中數據可以看出區域之間的相伴概率都是大于0.05的，所以認為三個區域之間差異不顯著。

2. 純文字呈現方式的瀏覽各區域

通過分析純文字呈現方式的三個瀏覽區域的注視時間分配均值，得到了被試者的區域瀏覽時間分配百分比（如圖7所示）。

由圖7可知被試者在三個區域上的注視時間分配百分比還是有差異的。為了進一步檢測被試者注視時間差異性比較，本文用SPSS進行方差檢驗后得到了以下結果：方差齊性檢驗得F=.310，p=.736>0.05，提示方差齊性。由表3可知， F值為23.967，p=0.001< 0.05，提示這三個區域之間至少有兩個區域存在顯著的區別。

使用LSD法進行多重比較，從表4可知區域一與區域二、區域三的相伴概率都小于0.05，顯示區域一與其他兩個區域之間存在顯著差異；而區域二與區域三差異不顯著。

（四）來自注釋熱圖的證據

某樣本純文字呈現方式的注視熱圖如圖8所示，可以明顯地看出，被試者在圖片上的注視時間在區域上的分配是不同的，整體區域的注視時間分配很不均勻，主要集中在一、二兩個區域。某樣本思維導圖呈現方式的注視熱圖如圖9所示，大體上所有區域的注視時間無太大起伏，分布比較均勻。從這兩張圖中我們還可以看出，思維導圖呈現方式的注視熱圖中紅色部分相對較少，純文字呈現方式的紅色部分則相對較多。也就是說思維導圖呈現方式中長時間注視的區域較少，純文字呈現方式中長時間注視的區域較多，這也說明人們平時比較喜歡瀏覽開頭部分，也就出現了首尾效應。但是可以通過采用適當的圖形策略加強每一塊內容的感官刺激以改變人們瀏覽的習慣，提高記憶效果。

四、實驗總結

從實驗數據分析得出思維導圖和純文字的呈現方式在語速、錯誤率、重復比率上存在顯著性差異，也就是總體上可以得出使用思維導圖呈現《師說》要比純文字呈現《師說》的效果好，更容易記憶。這與相關研究是符合的，Naps等人的研究表明在一定條件下的可視化可以增強學生的學習，[17]而思維導圖利用關鍵字提取和不同顏色顯示，圖示化展示關鍵內容情境，并結構化知識內容的方法，都是為學習者提供增強視覺記憶加工的可能性，對于提高內容的識記有正面的影響。在思維導圖呈現內容的過程中，人腦自始至終處于一種激活的狀態，并且不斷地對進入當前工作記憶中的內容（圖形、顏色、線條和文字等）和長時記憶中的有關內容進行聯系，使工作記憶中的信息和長時記憶中的信息較快地進行交換，形成更為良好的記憶效果。

從實驗數據可以得知，純文字的《師說》呈現方式的第二段與第一段、第三段、第四段在語速、錯誤率、重復率上存在顯著性差異，也就是第二段的記憶效果要比其他幾段的記憶效果差。也就是說出現了首尾效應。這與早期H·艾賓浩斯，使用無意義音節為材料進行實驗所發現的著名保持曲線有一定相似性。[18]而純文字的呈現由于中國古文的理解與中國現代文的理解是不一樣的。古文的詞和句對于現代學生而言有點類似與無意義的文字組合，所有出現類似效應有一定理由。從實驗數據可以得知，思維導圖的《師說》呈現方式的第二段與第一段、第三段在語速、錯誤率、重復率上存在不同的顯著性差異，沒有出現顯著的首尾效應。這與H·艾賓浩斯的實驗發現的遠隔聯想和系列位置效應兩種現象可能存在一定相關。他認為學習一個系列性材料時，每一個項目都與其他任何一個項目建立聯想，即不僅與鄰近項目建立聯想，而且與遠隔項目建立聯想，并認為影響遠隔聯想強度的一個主要因素是學習程度。[19]思維導圖恰恰促進了材料間的聯想，隨著材料的多通道刺激，學習程度會加深，這樣使遠隔聯想的范圍逐漸減小，而思維導圖的結構化呈現內容使系列位置效應偏于減弱。思維導圖呈現方式首尾效應不明顯。這也恰恰符合20世紀50年代末的信息加工理論。許多心理學家逐漸傾向于以信息加工理論解釋系列位置效應，認為對系列的任何部分，只要加以注意，或采取一定的信息加工策略都容易記住。[20]

來自眼動軌跡和注釋熱圖的研究也表明了出現以上結果的學生的內在表現。純文字的呈現方式，被試在三個注視區域中的區域一與其他兩個區域之間存在顯著差異，而區域二與區域三差異不顯著。這與注視熱圖直觀顯示的結果是一致的。而在思維導圖的呈現方式中兩種分析方法都得出三個區域的注視時間不存在顯著的區別。說明思維導圖結構化信息的作用明顯使得對信息內容的注視時間均勻化，思維導圖呈現內容打破信息內容線性呈現的局限，使認知資源的投入趨向均勻，使學習者對信息內容形成一個整體大局的認識。這樣對消弭首尾效應有一定用處。

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