動態(tài)可視化數(shù)字教育資源何以有效？*——基于75項實驗或準實驗研究的元分析

杜雪嬌 閆志明 林洪新 李孔琳

動態(tài)可視化數(shù)字教育資源何以有效？*——基于75項實驗或準實驗研究的元分析

杜雪嬌 閆志明 林洪新[通訊作者]李孔琳

（魯東大學(xué) 教育科學(xué)學(xué)院，山東煙臺 264025）

動態(tài)可視化作為一種重要的數(shù)字教育資源呈現(xiàn)形式，能夠為學(xué)習(xí)者提供所學(xué)內(nèi)容隨時間變化的直觀外部表征。然而，動態(tài)可視化是否比靜態(tài)可視化更能提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果仍然存在爭議。對此，文章采用元分析方法，圍繞“動態(tài)可視化數(shù)字教育資源何以有效？”的問題，對75項實驗或準實驗研究進行了整體效應(yīng)分析和調(diào)節(jié)效應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)：動態(tài)可視化相較于靜態(tài)可視化整體上更具優(yōu)勢效應(yīng)，能取得更好的學(xué)習(xí)效果，且動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)受學(xué)習(xí)者學(xué)段、學(xué)習(xí)內(nèi)容元素交互性與可操作性、學(xué)習(xí)材料線索和學(xué)習(xí)過程時間壓力的影響。在此基礎(chǔ)上，文章針對動態(tài)可視化數(shù)字教育資源設(shè)計與應(yīng)用的優(yōu)化提出了建議，以期助力教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展。

動態(tài)可視化；靜態(tài)可視化；數(shù)字教育資源；學(xué)習(xí)效果；元分析

動態(tài)可視化（Dynamic Visualizations）是教育數(shù)字化的重要資源，完善動態(tài)可視化設(shè)計、推進動態(tài)可視化深度融入教學(xué)可助力教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型。在教育科學(xué)領(lǐng)域，動態(tài)可視化是指采用動畫或視頻等方式對學(xué)習(xí)內(nèi)容進行處理之后所形成的連續(xù)動態(tài)影像[1]，可為學(xué)習(xí)者提供相關(guān)學(xué)習(xí)內(nèi)容隨時間連續(xù)變化的直觀外部表征[2]。與之對應(yīng)的概念是“靜態(tài)可視化”，其通常以靜態(tài)畫面的方式呈現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容。當(dāng)前，動態(tài)可視化與靜態(tài)可視化的學(xué)習(xí)效果研究主要存在三種觀點：動態(tài)可視化的學(xué)習(xí)效果優(yōu)于靜態(tài)可視化（下文將這種現(xiàn)象稱為“動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)”）[3][4]、動態(tài)可視化的學(xué)習(xí)效果與靜態(tài)可視化沒有差異[5]、靜態(tài)可視化的學(xué)習(xí)效果優(yōu)于動態(tài)可視化[6]。除了觀點不一，動態(tài)可視化的相關(guān)研究成果與其在教學(xué)實踐中的設(shè)計應(yīng)用也還存在脫節(jié)的現(xiàn)象。對此，本研究構(gòu)建檢驗動態(tài)可視化有效性的理論框架，并納入國內(nèi)外相關(guān)實驗或準實驗研究進行元分析，重點探討以下問題：動態(tài)可視化相較于靜態(tài)可視化是否有效？動態(tài)可視化對哪些學(xué)習(xí)者更有效？哪些學(xué)習(xí)內(nèi)容更適宜于通過動態(tài)可視化呈現(xiàn)？如何設(shè)計動態(tài)可視化的學(xué)習(xí)材料和學(xué)習(xí)過程，以最大程度地發(fā)揮其優(yōu)勢效應(yīng)？

一 理論框架與調(diào)節(jié)變量

1 檢驗動態(tài)可視化有效性的理論框架設(shè)計

多媒體學(xué)習(xí)認知理論和認知情感理論是支撐動態(tài)可視化研究的重要理論。其中，多媒體學(xué)習(xí)認知理論認為，學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者主動對所學(xué)內(nèi)容進行心理構(gòu)建的過程，該過程需要消耗認知資源，如果認知加工所需的認知資源超過學(xué)習(xí)者擁有的認知資源總量，就會阻礙學(xué)習(xí)。因此，某種呈現(xiàn)形式有效性的發(fā)揮往往存在一定的適宜條件和設(shè)計要點[7]，如可能僅針對特定的學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)內(nèi)容；只有通過對學(xué)習(xí)材料和學(xué)習(xí)過程的合理設(shè)計，才能減少所需的認知資源，從而發(fā)揮其有效性。多媒體學(xué)習(xí)認知情感理論也表示，上述適宜條件和設(shè)計要點影響學(xué)習(xí)情緒與動機，而學(xué)習(xí)情緒和動機通過調(diào)控認知加工也會影響學(xué)習(xí)效果[8]。依托這兩個理論，本研究構(gòu)建了檢驗動態(tài)可視化有效性的理論框架，如圖1所示。圖1顯示，動態(tài)可視化的有效性受其適宜條件和設(shè)計要點兩方面的制約。具體來說，對于那些適宜的學(xué)習(xí)者和學(xué)習(xí)內(nèi)容，借助設(shè)計合理的學(xué)習(xí)材料和學(xué)習(xí)過程，可以通過動態(tài)可視化降低所需認知資源、激發(fā)積極情緒、提高學(xué)習(xí)動機，進而促進學(xué)習(xí)，發(fā)揮動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)；而對于那些不適宜的學(xué)習(xí)者和學(xué)習(xí)內(nèi)容，或者當(dāng)學(xué)習(xí)材料和學(xué)習(xí)過程設(shè)計不合理時，動態(tài)可視化反而會增加所需認知資源、激發(fā)消極情緒、降低學(xué)習(xí)動機，進而阻礙學(xué)習(xí)，導(dǎo)致動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)消失，甚至發(fā)生逆轉(zhuǎn)。

圖1 檢驗動態(tài)可視化有效性的理論框架

2 影響動態(tài)可視化有效性的調(diào)節(jié)變量選取

基于檢驗動態(tài)可視化有效性的理論框架，梳理和分析以往動態(tài)可視化與靜態(tài)可視化的對比研究成果，可以發(fā)現(xiàn)：這些研究在學(xué)習(xí)者、學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)材料、學(xué)習(xí)過程四個要素的部分特征上存在差異，這些特征可作為影響動態(tài)可視化有效性的重要調(diào)節(jié)變量。

（1）學(xué)習(xí)者特征：文化背景和學(xué)段

以往研究關(guān)于學(xué)習(xí)者的差異主要集中在文化背景和學(xué)段上：①不同文化背景下學(xué)習(xí)者的思維模式、學(xué)習(xí)習(xí)慣、自主學(xué)習(xí)偏好可能不同[9]，對動態(tài)可視化的喜好和依賴程度也存在差異，可能會影響動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)。②Wong等[10]以小學(xué)生為被試發(fā)現(xiàn)了動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)，而Mayer等[11]以大學(xué)生為被試并未發(fā)現(xiàn)動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)——這可能是因為不同學(xué)段的學(xué)生在生理和認知上存在差異，導(dǎo)致其對動態(tài)可視化與靜態(tài)可視化的興趣、態(tài)度、認知加工均有不同，最終影響學(xué)習(xí)效果。由此推測，文化背景和學(xué)段是影響動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)的重要調(diào)節(jié)變量。

（2）學(xué)習(xí)內(nèi)容特征：所屬學(xué)科、元素交互性和可操作性

以往研究所選取的學(xué)習(xí)內(nèi)容也有較大差異，主要體現(xiàn)在所屬學(xué)科、元素交互性和可操作性上：①不同研究者選取了不同學(xué)科的學(xué)習(xí)內(nèi)容[12][13]。相較于語文、數(shù)學(xué)學(xué)科，物理、生物、化學(xué)等學(xué)科通常包含大量隨時間和空間演變的學(xué)習(xí)內(nèi)容，其動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)可能更大。②不同研究者選取的學(xué)習(xí)內(nèi)容在元素交互性上存在差異。所謂“元素交互性”，是指個體學(xué)習(xí)某一內(nèi)容時在工作記憶中需同時加工的元素之間的交互作用程度[14]。有些學(xué)習(xí)內(nèi)容包含的各部分元素是同時發(fā)生變化的，且需要協(xié)同作用，屬于高元素交互性內(nèi)容，如滑輪系統(tǒng)中幾個滑輪的運轉(zhuǎn)原理[15]；而有些學(xué)習(xí)內(nèi)容包含的各部分元素是按時間順序相繼發(fā)生變化的，元素間交互作用較少，學(xué)習(xí)者可以逐一加工，屬于低元素交互性內(nèi)容，如閃電形成過程[16]。當(dāng)學(xué)習(xí)高元素交互性內(nèi)容時，由于動態(tài)可視化中的畫面轉(zhuǎn)瞬即逝，學(xué)習(xí)者在某一時間點較難同時感知并加工所有的變化元素，故動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)可能會受到制約。③不同研究者選取的學(xué)習(xí)內(nèi)容在可操作性上也存在差異。所謂“可操作性”，是指客體所具有的可以使用手或身體進行操作的屬性[17]。以往研究顯示，在諸如打結(jié)、解迷津環(huán)等可操作性內(nèi)容上動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)往往更大[18]；而在諸如解決概率問題、記憶抽象符號序列等不可操作性內(nèi)容上動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)往往較小，甚至消失[19]，故可操作性會影響動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)。綜上可以推測，所屬學(xué)科、元素交互性和可操作性是值得探討的調(diào)節(jié)變量。

（3）學(xué)習(xí)材料特征：線索和可控性

以往研究在學(xué)習(xí)材料上的差異主要涉及線索和可控性：①有些研究添加了線索[20]，而有些研究并未添加線索[21]。線索是指能夠吸引注意力的非學(xué)習(xí)內(nèi)容性信息，如箭頭等[22]。線索對動態(tài)可視化和靜態(tài)可視化的促進作用往往不同，進而可能影響動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)。②以往研究在可控性上也各不相同。例如，Yang等[23]的研究中學(xué)習(xí)者可進行播放、下一步、暫停、快進、快退控制，即完全可控；Sanchez等[24]的研究中學(xué)習(xí)者可進行播放、下一步和暫停控制，即部分可控；Rekik等[25]的研究中學(xué)習(xí)者可進行播放和下一步控制，即輕度可控；而Mayer等[26]的研究中學(xué)習(xí)材料完全由實驗者控制，即不可控。前三種可控的條件可以緩解動態(tài)可視化中的信息瞬時性問題，優(yōu)化學(xué)習(xí)效果。由此推測，線索和可控性是重要的調(diào)節(jié)變量。

（4）學(xué)習(xí)過程特征：時間壓力

以往研究在學(xué)習(xí)過程上的差異集中在時間壓力上。有的研究要求學(xué)習(xí)者在有限時間內(nèi)完成學(xué)習(xí)任務(wù)[27]，即有時間壓力；有的研究并未對學(xué)習(xí)時間進行限制或設(shè)置了較長的學(xué)習(xí)時間[28]，即無時間壓力。動態(tài)可視化提供了所學(xué)內(nèi)容的動態(tài)外部表征，學(xué)習(xí)者可直接“讀取”這些表征，即使有時間壓力，也可快速構(gòu)建出相應(yīng)的心理表征；而靜態(tài)可視化僅提供相關(guān)靜態(tài)畫面，學(xué)習(xí)者往往需要更多的時間進行推測。由此推測，時間壓力也是影響動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)的調(diào)節(jié)變量。

二 研究設(shè)計

1 文獻檢索與篩選

本研究的中文文獻以“動態(tài)可視化”或“靜態(tài)可視化”或“視頻”或“動畫”或“靜態(tài)圖”為關(guān)鍵詞，數(shù)據(jù)來源于知網(wǎng)、維普和萬方數(shù)據(jù)庫；英文文獻則以“Dynamic Visualization”或“Static Visualization”或“Video”或“Animation”或“Static Picture”為關(guān)鍵詞，數(shù)據(jù)來源于PsycINFO、ERIC、Taylor & Francis、Science Direct和ProQuest數(shù)據(jù)庫。為避免遺漏，本研究采用文獻回溯法進一步檢索相關(guān)文獻，并使用Google Scholar和百度學(xué)術(shù)補查遺漏文獻。梳理以往研究，本研究發(fā)現(xiàn)Rieber[29]于1989年首次比較了動態(tài)可視化與靜態(tài)可視化的學(xué)習(xí)效果，故本研究文獻檢索的時間范圍設(shè)為1989年1月至2022年12月，共檢索到中英文文獻1001篇。

圖2 文獻篩選流程

結(jié)合研究需要與元分析要求，本研究按照以下標(biāo)準篩選檢索到的文獻：①應(yīng)為實驗或準實驗研究，排除非實驗研究；②應(yīng)為對比動態(tài)可視化和靜態(tài)可視化學(xué)習(xí)效果的研究，排除無靜態(tài)可視化對照組的研究；③動態(tài)可視化應(yīng)為解釋學(xué)習(xí)內(nèi)容的連續(xù)動態(tài)影像，排除僅起裝飾或吸引注意作用的研究和僅逐步呈現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容的研究；④靜態(tài)可視化應(yīng)為靜態(tài)畫面，排除僅為文本的研究；⑤研究分析應(yīng)包含學(xué)習(xí)后的測驗成績，且包含用于生成元分析效應(yīng)量所需的完整數(shù)據(jù)。文獻篩選流程具體如圖2所示，其中n代表文獻數(shù)量，k代表獨立效應(yīng)量數(shù)量。最終，納入元分析的共有75篇文獻，生成110個獨立效應(yīng)量。

2 文獻編碼

本研究將納入元分析的75篇文獻按調(diào)節(jié)變量逐條進行編碼，具體情況如表1所示。為保證可靠性，編碼由兩位經(jīng)過元分析編碼標(biāo)準培訓(xùn)的研究者分別進行，結(jié)果顯示一致性系數(shù)Kappa值為0.95，說明編碼具有較高的一致性；對于編碼的分歧之處，由兩位研究者協(xié)商解決。

表1 編碼情況

理論框架中的要素調(diào)節(jié)變量編碼類別 適宜條件學(xué)習(xí)者文化背景國內(nèi)、國外 學(xué)段小學(xué)、初中、高中、大學(xué) 學(xué)習(xí)內(nèi)容所屬學(xué)科語文、數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物、地理、其他 元素交互性低元素交互性、高元素交互性 可操作性可操作性、不可操作性 設(shè)計要點學(xué)習(xí)材料線索有線索、無線索 可控性完全可控、部分可控、輕度可控、不可控 學(xué)習(xí)過程時間壓力有時間壓力、無時間壓力

3 分析工具與效應(yīng)量計算

本研究將動態(tài)可視化組設(shè)為實驗組、靜態(tài)可視化組設(shè)為控制組，以測驗成績?yōu)榻Y(jié)果變量，采用CMA 3.0進行元分析。本研究選擇Hedges’s g為效應(yīng)量指標(biāo)，計算效應(yīng)量g值，并從整體效應(yīng)和調(diào)節(jié)效應(yīng)兩個方面進行結(jié)果分析。為避免單篇文獻生成過多效應(yīng)量、占用權(quán)重過高，引起結(jié)果偏差，本研究參考謝和平等[30]的效應(yīng)量合并方式對包含多種條件的文獻進行合并處理：如果一項實驗同時報告多種條件下的學(xué)習(xí)效果，且這些條件不是本研究關(guān)注的調(diào)節(jié)變量，就將其轉(zhuǎn)換為一個效應(yīng)量；同時，為保證效應(yīng)量間的獨立性，如果一項實驗報告了同一樣本的多項測驗結(jié)果，就采用CMA 3.0將多項測驗結(jié)果的效應(yīng)量合并后納入元分析。

圖3 發(fā)表偏差檢驗漏斗圖

4 發(fā)表偏差檢驗

發(fā)表偏差檢驗漏斗圖如圖3所示，可以看出：樣本文獻的效應(yīng)值基本在合并效應(yīng)值對稱軸兩側(cè)對稱分布，初步顯示樣本數(shù)據(jù)不存在發(fā)表偏差。相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果顯示，失安全系數(shù)為3767，遠大于臨界值5k+10；Egger線性回歸檢驗的截距為0.08，接近0；95% CI為[-1.14, 1.31]，包含0；值為0.893，不顯著。上述數(shù)據(jù)表明，樣本數(shù)據(jù)存在發(fā)表偏差的可能性較小，比較有效可靠。

三 研究分析

1 整體效應(yīng)分析

本研究依據(jù)Borenstein等[31]提出的模型選擇標(biāo)準和異質(zhì)性檢驗中的Q檢驗、I2檢驗，來確定研究分析所采用的模型——如果效應(yīng)量異質(zhì)性顯著且程度較高，就選擇隨機效應(yīng)模型。Q檢驗結(jié)果顯示，Q=616.35，df=109，＜0.001；I2檢驗結(jié)果顯示，I2=82.87%。這表明效應(yīng)量異質(zhì)性顯著且程度較高，故本研究選用隨機效應(yīng)模型。本研究采用隨機效應(yīng)模型評估動態(tài)可視化對測驗成績的影響，結(jié)果顯示：合并效應(yīng)值g=0.29，為小效應(yīng)量[32]；＜0.001，動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)顯著。也就是說，動態(tài)可視化相較于靜態(tài)可視化整體上更具優(yōu)勢效應(yīng)，且這種優(yōu)勢效應(yīng)具有一定的普遍性和穩(wěn)定性，其原因主要在于：①動態(tài)可視化能直觀地在視覺上呈現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容元素間的動態(tài)變化關(guān)系，為學(xué)習(xí)者提供所學(xué)內(nèi)容隨時間變化的外部表征[33]，進而促進他們更好地構(gòu)建內(nèi)部心理表征。②動態(tài)可視化能直觀地展示學(xué)習(xí)內(nèi)容的細微變化[34]，有效避免了學(xué)習(xí)者因難以想象出這些細微變化而產(chǎn)生的困擾和錯誤理解。因此相較于靜態(tài)可視化，動態(tài)可視化的認知加工所需資源更少，更能激發(fā)學(xué)習(xí)者的積極情緒并提高其學(xué)習(xí)動機，進而取得更好的學(xué)習(xí)效果。

2 調(diào)節(jié)效應(yīng)分析

（1）學(xué)習(xí)者特征

學(xué)習(xí)者文化背景和學(xué)段的調(diào)節(jié)效應(yīng)檢驗結(jié)果如表2所示，具體分析如下：

表2 學(xué)習(xí)者文化背景和學(xué)段的調(diào)節(jié)效應(yīng)檢驗結(jié)果

調(diào)節(jié)變量類別效應(yīng)數(shù)效應(yīng)值（g）95%置信區(qū)間漸進組間效應(yīng) 下限上限Z值p值 文化背景國內(nèi)160.22-0.020.461.830.068QB=0.36p=0.549 國外940.300.180.434.47＜0.001 學(xué)段小學(xué)90.540.230.853.440.001QB=8.54p=0.036 初中140.530.330.735.12＜0.001 高中100.410.160.653.200.001 大學(xué)770.200.050.352.600.008

①文化背景的調(diào)節(jié)效應(yīng)不顯著（QB=0.36，=0.549）。雖然國內(nèi)、國外不同文化背景下學(xué)習(xí)者的思維模式、學(xué)習(xí)習(xí)慣等存在差異，但這些差異對動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)的影響較弱，導(dǎo)致其調(diào)節(jié)效應(yīng)不顯著。可見，動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)具有跨文化一致性，這方面的國外研究結(jié)論也適用于國內(nèi)。值得注意的是，本研究包含的國內(nèi)學(xué)習(xí)者樣本量較少，未來應(yīng)在借鑒國外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，深入調(diào)查我國不同地區(qū)、學(xué)校面臨的普遍性和突出性問題，加強動態(tài)可視化的本土化研究。

②學(xué)段的調(diào)節(jié)效應(yīng)顯著（QB=8.54，=0.036）。進一步檢驗發(fā)現(xiàn)，小學(xué)（g=0.54）和初中（g=0.53）的動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)顯著大于大學(xué)（g=0.20），其他學(xué)段間的差異均不顯著。究其原因，主要在于具體形象思維是小學(xué)生、初中生的主要思維形式，而動態(tài)可視化具有生動形象性，更能激發(fā)他們的積極情緒、提高其學(xué)習(xí)動機和學(xué)習(xí)興趣；另外，小學(xué)生、初中生的空間想象能力和抽象邏輯思維尚不完善，僅通過靜態(tài)可視化可能難以理解學(xué)習(xí)內(nèi)容，因此動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)更大。而大學(xué)生的演繹推理和空間想象能力較強，抽象邏輯思維比較完善、自主學(xué)習(xí)能力更強[35]，他們更關(guān)注知識本身，僅通過靜態(tài)可視化也能理解學(xué)習(xí)內(nèi)容，因此動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)相對更小。

（2）學(xué)習(xí)內(nèi)容特征

學(xué)習(xí)內(nèi)容所屬學(xué)科、元素交互性與可操作性的調(diào)節(jié)效應(yīng)檢驗結(jié)果如表3所示，具體分析如下：

表3 學(xué)習(xí)內(nèi)容所屬學(xué)科、元素交互性與可操作性的調(diào)節(jié)效應(yīng)檢驗結(jié)果

調(diào)節(jié)變量類別效應(yīng)數(shù)效應(yīng)值（g）95%置信區(qū)間漸進組間效應(yīng) 下限上限Z值p值 所屬學(xué)科語文40.18-0.380.750.640.521QB=5.34p=0.500 數(shù)學(xué)40.14-0.190.470.830.409 物理220.210.030.402.220.027 化學(xué)100.15-0.490.790.470.636 生物320.380.220.544.67＜0.001 地理50.08-0.220.370.510.610 其他330.370.130.622.970.003 元素交互性低元素交互性920.370.270.486.96＜0.001QB=7.12p=0.008 高元素交互性18-0.15-0.520.22-0.800.423 可操作性可操作性210.620.230.924.13＜0.001QB=6.18p=0.013 不可操作性890.220.100.343.65＜0.001

①所屬學(xué)科的調(diào)節(jié)效應(yīng)不顯著（QB=5.34，=0.500）。所屬學(xué)科不影響動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)，可能是因為不論屬于何種學(xué)科，大部分動態(tài)可視化和靜態(tài)可視化對比研究所選取的學(xué)習(xí)內(nèi)容均包含隨時間或空間演變的內(nèi)容，需要學(xué)習(xí)者從時間、空間或邏輯等維度進行整合，才能建立起相應(yīng)的心理表征。而動態(tài)可視化可直接為學(xué)生提供用以構(gòu)建這一心理表征的外部模型，對這部分學(xué)習(xí)內(nèi)容有一定促進作用。此外，本研究中部分學(xué)科包含的樣本量較少，學(xué)習(xí)內(nèi)容較為集中，或許不足以反映該學(xué)科學(xué)習(xí)內(nèi)容的本質(zhì)特征。綜上，所屬學(xué)科對動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)并沒有顯著影響。

②元素交互性的調(diào)節(jié)效應(yīng)顯著（QB=7.12，=0.008），低元素交互性學(xué)習(xí)內(nèi)容的動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)顯著大于高元素交互性學(xué)習(xí)內(nèi)容（0.37＞-0.15）。究其原因，在于動態(tài)可視化的信息具有瞬時性的特點，當(dāng)采用動態(tài)可視化呈現(xiàn)高元素交互性學(xué)習(xí)內(nèi)容時，學(xué)習(xí)者必須同時感知這些同步變化的高交互性信息元素，并理解不同元素之間的協(xié)同變化關(guān)系，這需要消耗大量的認知資源，致使學(xué)習(xí)者的認知負荷過高、學(xué)習(xí)動機較低，因而學(xué)習(xí)效果較差；而靜態(tài)可視化的信息具有持續(xù)性的特點，當(dāng)采用靜態(tài)可視化呈現(xiàn)高元素交互性學(xué)習(xí)內(nèi)容時，學(xué)習(xí)者可以先逐一觀察這些同步變化的信息元素，再進一步理解這些元素之間的協(xié)同變化關(guān)系，學(xué)習(xí)效果往往較好，因此在高元素交互性學(xué)習(xí)內(nèi)容上，動態(tài)可視化相較于靜態(tài)可視化并無優(yōu)勢。相反，在低元素交互性學(xué)習(xí)內(nèi)容上，由于各個信息元素的變化是相繼發(fā)生的，即使是動態(tài)可視化學(xué)習(xí)者也能逐一觀察這些相繼變化的元素，進而理解所學(xué)內(nèi)容，因此低元素交互性學(xué)習(xí)內(nèi)容的動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)顯著。

③可操作性的調(diào)節(jié)效應(yīng)顯著（QB=6.18，=0.013），可操作性學(xué)習(xí)內(nèi)容的動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)顯著大于不可操作性學(xué)習(xí)內(nèi)容（0.62＞0.22）。可操作性學(xué)習(xí)內(nèi)容的動態(tài)可視化往往涉及手和身體的可操作性動作，觀察這些動作可以激活學(xué)習(xí)者大腦中的鏡像神經(jīng)元系統(tǒng)，幫助他們通過觀察和模仿進行學(xué)習(xí)[36]。而根據(jù)具身認知理論的觀點，這些動作賦予了所學(xué)內(nèi)容以額外的身體運動表征，將原本抽象的認知過程建立在個體與外界環(huán)境有目的交互的基礎(chǔ)上[37]。另外，這些動作可以將學(xué)習(xí)者的注意力吸引到關(guān)鍵內(nèi)容上，促進他們對這些內(nèi)容進行優(yōu)先認知加工。綜上，與不可操作性學(xué)習(xí)內(nèi)容相比，可操作性學(xué)習(xí)內(nèi)容的動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)更大。

（3）學(xué)習(xí)材料特征

學(xué)習(xí)材料線索和可控性的調(diào)節(jié)效應(yīng)檢驗結(jié)果如表4所示，具體分析如下：

表4 學(xué)習(xí)材料線索和可控性的調(diào)節(jié)效應(yīng)檢驗結(jié)果

調(diào)節(jié)變量類別效應(yīng)數(shù)效應(yīng)值（g）95%置信區(qū)間漸進組間效應(yīng) 下限上限Z值p值 線索有線索480.11-0.080.301.110.265QB=7.73p=0.005 無線索620.430.310.566.79＜0.001 可控性完全可控190.21-0.020.431.800.072QB=3.34p=0.342 部分可控140.19-0.030.411.670.094 輕度可控160.15-0.280.590.700.486 不可控610.380.240.535.24＜0.001

①線索的調(diào)節(jié)效應(yīng)顯著（QB=7.73，=0.005），無線索的動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)顯著大于有線索（0.43＞0.11）。究其原因，主要在于以往研究采用的線索多為吸引注意力的視覺線索，可以提高學(xué)習(xí)者對靜態(tài)可視化中關(guān)鍵元素的注意。但是，動態(tài)可視化中動態(tài)變化的元素本身就具有較強的視覺凸顯性，已經(jīng)起到了視覺上吸引注意力的作用，且由于動態(tài)信息轉(zhuǎn)瞬即逝，學(xué)習(xí)者在加工動態(tài)可視化材料時對視覺通道資源的依賴性較強[38]，而添加這類線索可能會與學(xué)習(xí)內(nèi)容競爭視覺通道認知資源[39]，故添加這類線索對動態(tài)可視化學(xué)習(xí)效果的促進作用相對較小。除了吸引注意力的視覺線索，以往研究還多采用標(biāo)示方向的線索，可以引導(dǎo)學(xué)習(xí)者發(fā)現(xiàn)所學(xué)內(nèi)容運動或變化的方向。靜態(tài)可視化較難呈現(xiàn)上述信息，添加這類線索可以提升其學(xué)習(xí)效果；但動態(tài)可視化本身較好地呈現(xiàn)了這些信息，添加這類線索反而畫蛇添足，故添加這類線索對動態(tài)可視化學(xué)習(xí)效果的促進作用相對較小。綜上，相較于有線索，無線索的動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)更大。

②可控性的調(diào)節(jié)效應(yīng)不顯著（QB=3.34，=0.342）。可控性不影響動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)，這可能是因為：一方面，在完全可控、部分可控、輕度可控這三種情況下，學(xué)習(xí)者能夠根據(jù)自己的理解情況調(diào)整信息的呈現(xiàn)狀態(tài)，這可以提高他們的積極主動性，解決動態(tài)可視化的信息瞬時性問題；但另一方面，控制任務(wù)本身會分散學(xué)習(xí)者的注意力，消耗一定的認知資源[40]，且學(xué)習(xí)者往往不能準確監(jiān)控和判斷自己的學(xué)習(xí)情況，這會導(dǎo)致他們過多或過少地進行相關(guān)控制[41]，從而錯過一些關(guān)鍵信息，影響動態(tài)可視化信息的完整性和流暢性。因此，可控性有利有弊，需謹慎設(shè)計控制方式。值得一提的是，未來研究需要驗證可控性與其他變量（如學(xué)習(xí)者的元認知監(jiān)控能力）的交互作用，并探討學(xué)習(xí)者進行控制操作的頻率與學(xué)習(xí)效果的關(guān)系、控制操作對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)動機和注意力分配的影響等問題，以進一步解釋該結(jié)果。

（4）學(xué)習(xí)過程特征

學(xué)習(xí)過程時間壓力的調(diào)節(jié)效應(yīng)檢驗結(jié)果如表5所示，具體分析如下：時間壓力的調(diào)節(jié)效應(yīng)顯著（QB=5.05，=0.025），有時間壓力的動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)大于無時間壓力（0.43＞0.17）。這可能是因為學(xué)習(xí)者可以根據(jù)動態(tài)可視化提供的動態(tài)外部表征，快速構(gòu)建出相應(yīng)的內(nèi)部心理表征，學(xué)習(xí)效率較高；而學(xué)習(xí)者在靜態(tài)可視化學(xué)習(xí)時，需要對比、分析靜態(tài)圖之間的差異，推測發(fā)生的變化，并在心理上將其動態(tài)化[42]，這需要一定的時間。故在有時間壓力時，動態(tài)可視化學(xué)習(xí)者能夠快速理解學(xué)習(xí)內(nèi)容，而部分靜態(tài)可視化學(xué)習(xí)者較難理解學(xué)習(xí)內(nèi)容；相應(yīng)地，在無時間壓力時，所有學(xué)習(xí)者均有足夠的時間理解所學(xué)內(nèi)容。因此，相較于無時間壓力，有時間壓力的動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)更大。

表5 學(xué)習(xí)過程時間壓力的調(diào)節(jié)效應(yīng)檢驗結(jié)果

調(diào)節(jié)變量類別效應(yīng)數(shù)效應(yīng)值（g）95%置信區(qū)間漸進組間效應(yīng) 下限上限Z值p值 時間壓力有時間壓力530.430.170.594.94＜0.001QB=5.05p=0.025 無時間壓力570.170.020.322.200.028

四 優(yōu)化動態(tài)可視化數(shù)字教育資源設(shè)計與應(yīng)用的教學(xué)建議

元分析結(jié)果表明，動態(tài)可視化相較于靜態(tài)可視化整體上更具優(yōu)勢效應(yīng)，能取得更好的學(xué)習(xí)效果，且動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)受學(xué)習(xí)者學(xué)段、學(xué)習(xí)內(nèi)容元素交互性與可操作性、學(xué)習(xí)材料線索和學(xué)習(xí)過程時間壓力的影響。基于此結(jié)論，針對動態(tài)可視化在教學(xué)實踐中存在的適用條件不明晰、設(shè)計不合理等問題，本研究提出優(yōu)化動態(tài)可視化數(shù)字教育資源設(shè)計與應(yīng)用的教學(xué)建議，具體如下：

1 強化動態(tài)可視化在小學(xué)和初中學(xué)段的本土化運用

學(xué)習(xí)者特征方面的數(shù)據(jù)分析表明，動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)具有跨文化一致性，且小學(xué)生和初中生的動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)顯著大于大學(xué)生。據(jù)此，本研究建議借鑒和吸收國外相關(guān)研究成果，推動動態(tài)可視化在我國小學(xué)和初中學(xué)段的本土化應(yīng)用。例如，針對我國小學(xué)和初中教育教學(xué)中存在的知識量大、需求多樣化、師生負擔(dān)重等問題，可以結(jié)合我國學(xué)生的文化背景、思維模式和學(xué)習(xí)習(xí)慣，開發(fā)兼顧小學(xué)和初中各學(xué)段學(xué)生實際需求與個體差異的、優(yōu)質(zhì)且高效的動態(tài)可視化數(shù)字教育資源。同時，應(yīng)找準動態(tài)可視化適宜群體、教育教學(xué)實際需求與學(xué)生學(xué)習(xí)特征的交叉融合點，加強教師信息技術(shù)和各學(xué)段學(xué)科教學(xué)的融合與實踐能力，實現(xiàn)動態(tài)可視化數(shù)字教育資源精準推送、有針對性運用和規(guī)模化因材施教的有機結(jié)合，創(chuàng)新教學(xué)模式，推動教育數(shù)字化的發(fā)展與轉(zhuǎn)型。

2 深化動態(tài)可視化在低元素交互性與可操作性學(xué)習(xí)內(nèi)容上的應(yīng)用

學(xué)習(xí)內(nèi)容特征方面的數(shù)據(jù)分析表明，動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)具有跨學(xué)科的穩(wěn)定性，且低元素交互性學(xué)習(xí)內(nèi)容的動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)顯著大于高元素交互性學(xué)習(xí)內(nèi)容、可操作性學(xué)習(xí)內(nèi)容的動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)顯著大于不可操作性學(xué)習(xí)內(nèi)容。據(jù)此，本研究建議打破學(xué)科壁壘，加強動態(tài)可視化在各學(xué)科中的應(yīng)用。同時，優(yōu)先選用動態(tài)可視化呈現(xiàn)其低元素交互性內(nèi)容；而對于那些高元素交互性內(nèi)容，可采用靜態(tài)可視化呈現(xiàn)，或者先通過分塊逐步展示、添加關(guān)鍵靜態(tài)畫面等方式降低這類學(xué)習(xí)內(nèi)容的高元素交互性，再選用動態(tài)可視化呈現(xiàn)。此外，我國中小學(xué)教學(xué)中應(yīng)多加設(shè)置含有手和身體可操作性動作的學(xué)習(xí)內(nèi)容，并借助實物教具、VR設(shè)備、虛擬仿真實驗室等增加學(xué)生的實際操作與切身體驗，以促使學(xué)生深化具身認知，優(yōu)化學(xué)習(xí)效果。

3 細化動態(tài)可視化學(xué)習(xí)材料中的線索與可控性設(shè)計

學(xué)習(xí)材料特征方面的數(shù)據(jù)分析表明，無線索的動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)顯著大于有線索，而可控性對動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)沒有顯著影響。據(jù)此，本研究建議在本身視覺信息比較豐富的動態(tài)可視化學(xué)習(xí)材料中要慎重添加吸引注意力的視覺線索或標(biāo)示方向的線索——如確需使用，可適當(dāng)添加不占用過多視覺工作記憶資源的聽覺通道線索。此外，可控性有利有弊，需要謹慎設(shè)計，應(yīng)確保控制方式的簡單便捷性和動態(tài)可視化信息的連貫完整性，同時盡量符合我國學(xué)習(xí)者的控制習(xí)慣。

4 優(yōu)化動態(tài)可視化學(xué)習(xí)過程中的時間設(shè)定

學(xué)習(xí)過程特征方面的數(shù)據(jù)分析表明，有時間壓力時的動態(tài)優(yōu)勢效應(yīng)大于無時間壓力。據(jù)此，本研究建議教師進一步優(yōu)化學(xué)生進行動態(tài)可視化學(xué)習(xí)過程中的時間設(shè)定。例如，可以根據(jù)我國不同地區(qū)、不同學(xué)校學(xué)生的實際情況，在安排學(xué)生進行動態(tài)可視化學(xué)習(xí)時適當(dāng)縮減其學(xué)習(xí)時間，以增加學(xué)生的時間壓力，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和潛能，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和效率，進而實現(xiàn)學(xué)習(xí)與教學(xué)過程的減負、提質(zhì)與增效。

總之，相關(guān)專家學(xué)者、教育資源開發(fā)者應(yīng)與一線教師加強溝通合作，立足我國教育教學(xué)實際需求，借鑒、吸收上述科學(xué)研究成果，優(yōu)化我國動態(tài)可視化數(shù)字教育資源的設(shè)計與應(yīng)用。

五 結(jié)語

本研究對75項實驗或準實驗研究進行了元分析，探究了動態(tài)可視化相較于靜態(tài)可視化的學(xué)習(xí)效果及其影響因素，并為優(yōu)化動態(tài)可視化數(shù)字教育資源的本土化、科學(xué)化設(shè)計與應(yīng)用提出了相關(guān)建議，以期助力教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型。需要指出的是，本研究還存在一些不足，有待后續(xù)研究進一步完善，如本研究僅納入了中英文相關(guān)文獻，后續(xù)研究可進一步納入其他語種文獻；本研究僅探究了動態(tài)可視化何以有效的問題，后續(xù)研究可以借助近紅外腦功能成像、功能性核磁共振等認知神經(jīng)科學(xué)技術(shù)手段深入探索其內(nèi)在加工機制。

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How can Dynamic Visualization of Digital Educational Resources be Effective?——A Meta-Analysis Based on 75 Empirical or Quasi-Empirical Studies

DU Xue-jiao YAN Zhi-ming LIN Hong-xin[Corresponding Author]LI Kong-lin

Dynamic visualization, as an essential form of presentation of digital educational resources, can provide learners with an intuitive external representation of the changes of their learned content over time. However, whether dynamic visualization is more effective in improving learners’ learning effects as compared to static visualization is still controversial. Therefore, this paper adopted a meta-analysis method to carry out the overall effect analysis and moderator effect analysis of 75 empirical or quasi-empirical studies by focusing on the problem of “how can dynamic visualization of digital educational resources be effective?” It was found that the dynamic visualization had more overall advantage effect and could achieve better learning effects, as compared to static visualization. And the dynamic advantage effect was affected by learner learning segment, interaction and operability of learning content elements, learning material cues and time pressure during the learning process. Based on this, some suggestions were proposed for the optimization of the design and application of dynamic visualization digital educational resources, expecting to assist the digital transformation and high-quality development of education.

dynamic visualization; static visualization; digital educational resource; learning effect; meta-analysis

G40-057

A

1009—8097（2023）09—0099—11

10.3969/j.issn.1009-8097.2023.09.010

本文受國家社科基金社會學(xué)一般項目“‘互聯(lián)網(wǎng)+教育’促進城鄉(xiāng)教育均等化的機制研究”（項目編號：22BSH014）資助。

杜雪嬌，講師，博士，研究方向為學(xué)習(xí)與認知，郵箱為duxuejiao19900330@163.com。

2023年1月26日

編輯：小米