多媒體學習中線索原則是否存在經驗逆轉效應？-來自兩項元分析的證據 *

趙婷婷 楊曉夢 張 洋 王燕青 謝和平 王福興

(1 華中師范大學心理學院，武漢 430079) (2 南京師范大學心理學院，南京 210000)

1 引言

線索原則（signaling/cuing principle）指出，個體在學習加入線索的學習材料時，學習效果更好（van Gog, 2014）。在學習材料中加入線索，能夠吸引學習者的注意，促進學習者對學習材料的選擇、組織和整合加工（de Koning & Jarodzka, 2017；van Gog, 2014）。但也有研究者指出，教學設計的有效性可能會受到學習者知識經驗的影響，提出經驗逆轉效應（expertise reversal effect）：即對低先備知識者有效的教學設計可能對高先備知識者沒有促進作用甚至會阻礙學習（Kalyuga, 2007；Kalyuga, Ayres, Chandler, & Sweller, 2003）。那么，在多媒體學習環境下，線索這種教學設計是否也存在經驗逆轉效應？如果存在，其背后的原因是什么？這些問題值得探究。為此，本研究通過兩個元分析分別綜合以往線索對高、低先備知識者影響的研究，檢驗多媒體學習環境下線索原則是否存在經驗逆轉效應，以及能否從認知負荷理論視角解釋線索原則的經驗逆轉效應。

1.1 經驗逆轉效應

認知負荷理論是經驗逆轉效應產生原因的一種理論解釋（Kalyuga, 2007； Sweller, 2005）。該理論認為，長時記憶中儲存著大量圖式，這些圖式將概念和問題解決程序分類表征。在執行任務時，相關圖式被激活以指導當前任務的加工。此外，該理論認為人的認知資源是有限的，認知負荷分為三類：內在認知負荷（intrinsic cognitive load）、外在認知負荷（extraneous cognitive load）（阻礙學習的認知負荷，受學習材料設計影響）、相關認知負荷（germane cognitive load）（Sweller, 2005）。學習者執行學習任務時的總認知負荷是內、外兩種認知負荷之和（Sweller, 2010； Sweller, Ayres, &Kalyuga, 2011a）。如果學習過程中的總認知負荷超出認知資源總量，則會發生認知超負荷并對學習產生不利影響（Paas, Tuovinen, Tabbers, & van Gerven, 2003）。

對于經驗逆轉現象產生的原因，認知負荷理論給予了解釋。對于低先備知識者，其長時記憶中缺乏任務相關圖式，在執行任務時缺乏來自圖式的內部指導。而為其提供外在教學支持則彌補了內部圖式的缺失，從而避免學習者采用認知無效的嘗試錯誤策略，降低學習過程中的認知負荷并促進學習（Kalyuga et al., 2003）。

而高先備知識者已經獲得相關知識圖式，此時教學設計者提供的教學支持可能與來自內部圖式的指導重合，外部教學支持反而成了冗余信息。加工冗余教學支持占據了高先備知識者額外的認知資源（Kalyuga et al., 2003）。在這種情況下，一方面，高先備知識者會體驗到更高的外在認知負荷，但總認知負荷可能尚未超出工作記憶資源總量，從而不會對學習造成阻礙。另一方面，如果加工冗余教學支持所消耗的外在認知負荷較高，導致認知超負荷，那么額外教學支持反而會降低其學習效果（Paas et al., 2003）。外部教學支持能夠促進低先備知識者的學習而對高先備知識者沒有促進作用甚至阻礙學習，分別反映了部分的和完全的經驗逆轉（Kalyuga & Renkl, 2010）（見圖1）。

圖 1 基于認知負荷理論的經驗逆轉效應

1.2 線索原則與經驗逆轉效應

對于低先備知識者，線索會為其學習帶來積極影響。由于缺乏來自長時記憶中相關圖式的內部指導，低先備知識者對信息的選擇性注意更多的是一個自下而上的過程，受學習材料在視覺上的突出程度影響更大（Lowe, 1999）。但在實際學習中，視覺上較為突出的信息不一定和學習主題相關（Schnotz & Lowe, 2008）。在這種情況下，低先備知識者的注意很容易被在視覺上突出的無關元素吸引，導致認知資源被用于加工與學習目標無關的信息，從而導致相關信息沒有得到深入加工，不利于學習。而線索是教學設計者加入的視覺凸顯，能夠更迅速地將低先備知識者的注意吸引到相關學習內容上（de Koning & Jarodzka, 2017；van Gog, 2014），降低了視覺搜索帶來的認知負荷，避免了認知超負荷現象的發生并促進學習。

而對于高先備知識者，線索可能會阻礙學習。在學習過程中，高先備知識者在長時記憶相關圖式的指導下能夠注意到任務相關信息（Canham &Hegarty, 2010； Jarodzka, Scheiter, Gerjets, & van Gog,2010）。線索是教學設計者加入的外部引導，高先備知識者需要識別線索的意義（Richter, Scheiter, &Eitel, 2016）。這些額外加工過程占據了部分認知資源，相比于沒有線索的教學條件，高先備知識者加工有線索的學習素材會消耗更多的認知資源。因此加入線索可能不會對高先備知識者產生促進作用，甚至會阻礙學習。

1.3 研究目的及假設

盡管根據理論推斷，線索原則可能存在經驗逆轉，但目前缺少多媒體學習中線索原則是否存在經驗逆轉的客觀證據，以及線索如何影響高、低先備知識者學習過程中的認知負荷。為此，本研究通過兩個元分析來解決上述問題。分別綜合了以往線索對高、低先備知識者認知負荷及學習結果影響的研究。如果線索對低先備知識者學習效果的元分析結果是積極的，而對高先備知識者學習效果的元分析結果不顯著或是消極的，則可以認為線索原則存在經驗逆轉。此外，通過分別對線索如何影響高、低經驗學習者的認知負荷進行考察，以檢驗線索原則經驗逆轉的認知負荷理論解釋是否正確。

根據以上論述，本研究提出假設1：線索原則存在經驗逆轉效應；假設2：線索能夠降低低先備知識者的認知負荷，但會增加高先備知識者的認知負荷。

2 研究方法

2.1 文獻檢索與納入標準

使用關鍵詞“cue”、“signals”與“multimedia learning”組合在谷歌學術、PsycINFO、ERIC、ProQuest 博碩士論文全文數據庫等對相關英文文獻進行搜索并參照相關文章的參考文獻列表進行搜索。使用關鍵詞“線索”、“信號”與“多媒體學習”組合在百度學術、CNKI 中國學術期刊網絡出版總庫等數據庫中對相關中文文獻進行檢索，同時參照相關研究的參考文獻列表對文獻進行搜索。文獻檢索時間截至2019 年10 月。

元分析的納入標準如下：（1）研究是線索對多媒體學習影響的研究，即學習材料既包含文本或講解又包含畫面信息（Mayer, 2014）；（2）研究應明確表明被試經驗水平或提供先前知識測驗得分；（3）研究是實證研究，需設置線索組和控制組；（4）研究應報告能計算效應量的統計數據。

2.2 文獻編碼

對納入文獻按照以下標準進行編碼：（1）文獻基本信息（作者、時間、樣本量）。（2）被試經驗水平。對明確表明被試經驗的研究，按照所提供信息進行編碼。如未提供明確信息，則參照先前研究（Schneider, Beege, Nebel, & Rey, 2018），按被試先前知識測驗得分相對于總分的百分比對被試進行劃分，先前知識測驗得分在總分50%以下或以上，分別編碼為低或高先備知識者。（3）學習成績，若測驗考察被試對內容的識記則將其編碼為保持，若考察對內容的理解則將其編碼為遷移。（4）主觀認知負荷，不同的研究會采用多種指標測量認知負荷，最通常使用的是感知難度和主觀評定心理努力（Sweller, Ayres, & Kalyuga,2011b）。研究者認為這兩種指標均是對總認知負荷的測量（Paas et al., 2003； Sweller et al., 2011b）。考慮到元分析效應量獨立性的基本假設，即單個研究不能生成多個主觀認知負荷效應量（Hedges,Tipton, & Johnson, 2010），本研究選擇感知難度作為主觀認知負荷指標，在研究未提供感知難度的情況下采用主觀評定心理努力作為認知負荷指標。

2.3 效應量

本研究采用效應量參數的無偏估計Hedge’sg作為效應量指標（Hedges & Olkin, 1985）。當線索條件下的保持、遷移測驗及主觀認知負荷低于控制組時，效應量方向為負。

2.4 模型選取及發表偏差檢驗

鑒于元分析納入的文獻在使用的線索類型、學習材料等方面存在差異（Hedges & Vevea, 1998），選取隨機效應模型計算合成效應量，置信區間設置為95%。此外，通過事后異質性檢驗Q檢驗進一步考察隨機效應模型的選取是否合理（Lipsey &Wilson, 2001）。發表偏差是指統計檢驗結果顯著的研究更容易發表進而更容易被納入元分析，導致元分析可能會過高估計研究的真實效應（Borenstein,Hedges, Higgins, & Rothstein, 2009）。本研究采用常用的Egger 線性回歸檢驗元分析是否存在發表偏差（Egger, Smith, Schneider, & Minder, 1997）。

本研究采用CMA 2.0（Comprehensive Meta-Analysis 2.0）進行元分析。

3 結果

3.1 納入的研究

線索對低先備知識者效應的元分析共納入來自40 篇文獻的44 項實驗，其中生成基于研究水平的保持、遷移、認知負荷效應量分別為36、38、25 個。總樣本量n=3699，其中線索條件下的樣本量為n=1983。

線索對高先備知識者效應的元分析共納入16 篇文獻的19 項實驗，分別生成16、17 及12 個保持、遷移及認知負荷效應量。總樣本量n=1269，其中線索條件下的樣本量n=664。

3.2 線索對高、低先備知識者保持成績的影響

對于低先備知識者的元分析結果發現線索對保持成績有小到中等的效應，Hedge’sg=0.32，95%CI[0.17, 0.47]，p＜0.001，表明線索能促進低先備知識者知識的保持。

對于高先備知識者，結果表明線索對其保持成績沒有影響，Hedge’sg=-0.06，95%CI[-0.53,0.41]，p=0.793。

3.3 線索對高、低先備知識者遷移成績的影響

對于低先備知識者，線索對其遷移測驗成績有小到中等的效應量，Hedge’sg=0.37，95%CI[0.22, 0.52]，p＜0.001，表明線索能夠促進低先備知識者知識的遷移。

但對于高先備知識者，線索對其遷移成績沒有影響，Hedge’sg=0.15，95%CI[-0.10, 0.40]，p=0.231。

結合線索對高、低先備知識者保持、遷移成績的元分析結果，線索能促進低先備知識者的保持和遷移，但對高先備知識者沒有影響，支持了假設1，即線索原則存在經驗逆轉且屬于部分經驗逆轉效應。

3.4 主觀評定認知負荷

結果發現線索對低先備知識者的認知負荷有顯著效應，Hedge’sg=-0.17，95%CI[-0.31, -0.04]，p=0.012，加入線索能夠降低其認知負荷。

而對于高先備知識者，元分析結果表明線索對其主觀認知負荷無影響，Hedge’sg=0.05，95%CI[-0.23, 0.32]，p=0.734。

線索對高、低先備知識者認知負荷效應的兩個元分析結果部分支持了假設2：驗證了在學習材料中加入線索能夠降低低先備知識者的認知負荷，但未驗證加入線索會增加高先備知識者認知負荷的假設（見表1和表2）。

表 1 線索對低先備知識者的元分析

表 2 線索對高先備知識者的元分析

3.5 異質性檢驗

對兩個元分析的3 種結果變量分別進行異質性檢驗（見表1和表2），結果發現Q檢驗均顯著，表明效應量之間顯著異質，因此本研究采用隨機效應模型比較合理。

3.6 發表偏差檢驗

采用Egger 線性回歸對兩項元分析進行發表偏差檢驗，結果表明Egger 線性回歸檢驗均不顯著，可認為元分析不存在較大發表偏差（見表1和表2）。

4 討論

本研究通過分別綜合多媒體學習領域中線索對高、低先備知識者影響的研究，結合元分析結果以檢驗線索原則是否存在經驗逆轉效應，并驗證認知負荷理論能否解釋線索原則的經驗逆轉現象。

關于線索原則是否存在經驗逆轉效應，元分析結果表明在保持和遷移成績上，線索對低先備知識者均有促進作用；而線索對高先備知識者的保持和遷移成績沒有影響。學習成績的元分析結果均支持了假設1，即線索原則存在經驗逆轉效應且屬于部分經驗逆轉。該結果與Richter 等人（2016）的研究結果一致。但在Schneider 等人（2018）有關線索效應的元分析中，并未發現學習者知識經驗對線索的調節作用，這和本研究的結果不一致。可能的原因是本研究的元分析納入文獻均屬于多媒體學習環境下的研究，而Schneider 等人的研究納入了大量線索對純文本學習影響的文獻。因此，所關注學習環境的差異可能是研究結果不一致的原因。在多媒體學習領域，直接探究先前知識水平與線索有效性之間關系的實證研究數量有限，在本研究檢索到的文獻中，其中有3 項研究發現線索原則存在部分經驗逆轉（Arslan-Ari, 2018；Johnson, Ozogul, & Reisslein, 2015； Johnson, Ozogul,Moreno, & Reisslein, 2013）；1 項研究沒有發現線索原則的經驗逆轉（Wang, Zhao, Mayer, & Wang,2020）。總體來看，這和本研究的線索原則存在部分經驗逆轉的結論相一致。

關于認知負荷理論能否解釋線索原則的經驗逆轉效應，主觀認知負荷的元分析結果部分支持了認知負荷理論：即加入線索的確降低了低先備知識者的主觀認知負荷；但和預期不符的是，加入線索并沒有引發高先備知識者更高的認知負荷。這可能是因為高先備知識者并沒有耗費較多認知資源對加入的線索進行深入加工。元認知策略領域的研究表明，學習者在學習過程中會對當前信息與自身學習目標的相關性進行評估，如果特定信息被評價為與學習目標無關，自我管理學習能力較高的學習者會避開這些無關內容尋找更合適的內容進行加工（Azevedo, 2014）。對于高先備知識者，線索對他們進一步學習的發生沒有促進作用，高先備知識者會對這些線索的價值進行評估并將其評價為低學習相關信息。因此，高先備知識者可能并不會進一步加工這些線索信息，進而沒有引發更高認知負荷并損害其學習效果。先前研究也發現，當提供錯誤的圖文匹配線索時，眼動數據表明學習者僅會在學習初期對這些錯誤的線索進行加工，而隨后的學習過程中，學習者在意識到這些線索不能為學習帶來幫助后便不再注意這些線索，因此不匹配的線索并未影響學習表現（Scheiter & Eitel, 2015）。

5 結論與展望

通過結合線索對高、低先備知識者學習結果和認知負荷效應的元分析，本研究發現線索原則在多媒體學習情境下存在部分經驗逆轉，且部分支持了經驗逆轉效應的認知負荷理論解釋。

在學習領域，經驗逆轉效應的實證研究通常采用知識經驗測驗得分中位數二分的方式來劃分高、低經驗學習者，也即“高經驗學習者”并非真正意義上的專家，而是知識水平相對較高的學習者（Rey & Buchwald, 2011）。參照以往研究將先前知識測驗得分在總分50%以上或以下的被試分別劃分為高、低經驗者的模式（Richter et al.,2016； Schneider et al., 2018），本研究也采用了類似的分類方式。考慮到每項研究所使用的先前知識測驗難度不同，這樣的劃分方式可能不夠精確。另外，50%的標準可能降低了高、低經驗者的差異，未來研究應考慮差異更大的劃分方式，如：選取經驗是前、后27%的被試。

此外，本研究采用感知難度或主觀評定心理努力作為學習者學習過程中總認知負荷的測量指標，盡管這一做法和部分認知負荷領域的研究相一致（Kalyuga, Chandler, & Sweller, 2001； Paas & van Merri?nboer, 1994），但也有研究發現，感知難度和心理努力是對不同類型認知負荷的測量。如，Deleeuw 和Mayer（2008）發現主觀評定心理努力對內在認知負荷的變化更敏感；Cierniak，Scheiter和Gerjets（2009）通過讓學習者評價學習內容難度及學習材料難度來分別測量學習者學習過程中的內在及外在認知負荷。因此，認知負荷評估方法上的爭議需要后續研究結合經驗逆轉進行深入探討。

未來研究也可以考慮采用這種元分析方式檢驗其他教學設計原則是否存在經驗逆轉效應。