网络课程与慕课的区别 “三分屏”网络课程界面的眼动实验研究

　　[摘 要] “三分屏”是当前网络课程界面中普遍使用的一种呈现方式,本文对这种界面的有效性进行实验研究。结合Mayer的多媒体学习理论和认知负荷理论,运用眼动追踪技术,从认知心理学的层面探讨“三分屏”网络课程中教师形象的呈现方式对学习者的信息加工、认知负荷和学习效果的影响,试图揭示网络学习的基本规律,为网络课程的有效设计提供参考。
　　[关键词] 网络课程;三分屏;眼动实验;认知负荷;学习效果
　　[中图分类号] G40-054 [文献标识码] A [文章编号] 1672―0008(2009)06-0074-05
　　
　　一、引言
　　
　　随着现代远程教育的发展和高校精品课程的推行,网络课程的建设与应用日益广泛。“三分屏”是网络教学中目前十分流行的课件界面布局,其中包括三个区域:教师形象区(AOI1)、目录导航区(AOI2)和PPT内容区(AOI3),如图1所示。“三分屏”布局的网络课程的开发,主要利用专用软件将教师授课视频和PPT幻灯片进行同步组合。其中,主讲教师需要花费大量时间和精力来录制教学视频,网络课程制作人员还需对相应的素材进行多次剪辑和加工。然而,投入大量的成本,其实际教学效果如何,却少有人对此进行相应的实证研究。为此,本研究针对“三分屏”网络课程中教师形象的呈现方式进行对比实验,分析学习者的注意力分配、认知负荷和学习效果的差异,从而为网络课程的开发和制作提供参考。
　　
　　二、实验设计
　　
　　(一)实验目的
　　探讨“三分屏”网络课程中教师形象的呈现方式对学习者的注意力分配、认知负荷和学习效果的影响。
　　(二)实验对象
　　本研究选取了浙江师范大学教育学院和文传学院2007级的89名本科生作为研究对象。其中男生33人,女生56人。所有被试均能熟练使用计算机,具备一定的网络学习经历,没有智力或阅读方面的异常,视力和听力正常。
　　(三)实验变量
　　1.自变量
　　本实验的自变量设为1个,即教师形象的呈现方式。
　　2.因变量
　　本实验借鉴了Tabbers等人(2004)的研究方法,分别从学习者的测验成绩和认知负荷来展开研究[1]。Mayer(2001)认为,根据学习目的的不同,可以采用保持测验和迁移测验来检测学习结果[2]。Sweller等人(1998)认为,采用主观量表由被试自我报告完成任务时所付出的认知努力程度,是一种有效测量认知负荷的方法[3]。
　　研究表明,人类的信息加工在很大程度上依赖于视觉,来自外界的信息约有80%～90%是通过人的眼睛获得的,因此对于眼球运动(简称眼动)的研究被认为是视觉信息加工研究中最有效的手段[4]。本实验利用眼动仪来追踪和记录被试在网络学习中的眼动情况,如对特定区域的注视次数、注视时间、瞳孔直径等,从而作为分析学习者视觉认知的主要依据。
　　根据以上分析,确定本实验的因变量如下:(1)测验成绩:包括保持测验和迁移测验两类成绩。两者都采用纸笔测验的形式,其中保持测验包括8-10个单选题,以此来检测学习者的识记能力;迁移测验包括6-7个选择题(含多选题)或简答题,以此来检测学习者的理解能力。(2)认知负荷:本实验参考Pass(1992)的九点式主观量表来测量认知负荷[5]。根据学习任务的不同,将实验分为网络学习、保持测验和迁移测验三个阶段,各用1个单选题要求学习者报告其在各阶段的认知负荷。(3)注意力分配:包括被试对各兴趣区(AOI)的注视次数、注视时间、注意力热点图、瞳孔直径变化图等。
　　(四)实验材料
　　本研究选取国家精品课程《现代教育技术》的第2章“学与教的理论”中的“行为主义学习理论”一节作为实验材料。在正式实验前对学习者进行调查和前测,以了解他们对实验材料的熟悉程度和已有知识。结果表明,学习者对实验材料均表示不熟悉,各组被试的知识水平可以视为相同。根据实验设计,各组呈现的教师形象分别对应三种方式:(1)视频:呈现教师本人授课录像中的真实视频。(2)动画:呈现教师授课的模拟动画(通过智能化软件,将教师照片与语音进行自动匹配合成)。(3)照片:呈现教师本人的静态照片,并配以语音。为了便于比较,整个实验过程的学习进度均由系统预先设定,不允许学习者控制或调整。
　　(五)实验设备和环境
　　本实验在浙江师范大学教师教育学院的发展与教育心理实验室中进行,使用了Tobii 1750眼动仪记录被试的眼动状况,并采用与眼动仪配套的分析软件进行数据处理。
　　(六)实验过程
　　正式实验之前先进行预备实验。预备实验选取2名被试,旨在熟悉整个实验过程,并对实验中发现的问题进行修正。正式实验分为两个阶段,实验一:选取同一专业同一班级的14名被试,学习时间为26分钟,对视频和照片的呈现方式进行对比实验;实验二:选取不同专业不同班级的73名被试,学习时间为9分钟,对视频、动画和照片三种呈现方式进行对比实验。
　　实验一和实验二的具体步骤基本相同:(1)挑选符合条件的被试,并按男女比例随机分组;(2)安排被试进入实验室,熟悉实验环境,并呈现实验指导语;(3)对被试进行头与眼的校准、确认和漂移修正;(4)被试开始学习网络课程的内容,与眼动仪相连的计算机开始记录实验数据,直到实验材料呈现完毕;(5)要求被试完成测试题;(6)下一轮被试重复步骤2-5,直到全部被试实验完毕。
　　
　　三、实验结果及其分析
　　
　　(一)实验一的结果与分析
　　实验一仅涉及对视频组和照片组的对比分析,其中有4名被试的数据呈现异常,因此被剔除。利用SPSS 14.0对剩余的10名有效被试进行统计分析,主要结果如表1所示(其中区域AOI1、AOI2、AOI3的含义见图1)。
　　1.测验成绩
　　保持测验:视频组比照片组低;迁移测验:视频组比照片组低。单因素方差分析结果显示两组差异未达显著水平。
　　2.认知负荷
　　学习过程负荷:视频组比照片组低;测验负荷:视频组比照片组高。单因素方差分析结果显示两组差异未达显著水平。
　　3.注意力分配
　　总体上来看,PPT内容区受学习者的关注最多,且动态的教师形象更容易受到关注。具体表现为:(1)AOI1的关注比较:视频组的平均注视次数和时间明显高于照片组。(2)AOI2的关注比较:视频组的平均注视次数和时间低于照片组。(3)AOI3的关注比较:视频组的平均注视次数和时间明显低于照片组。
　　单因素方差分析结果表明,两个实验组在AOI1和AOI3的注视次数和注视时间上有显著差异,而在AOI2的注视次数和时间上未达到统计学意义上的显著水平。
　　4.瞳孔直径变化
　　由于不同被试的瞳孔直径差异较大,且同一被试的左右眼也存在差异。为了便于分析,这里仅在两个实验组中各取1个样本,并以左眼为例进行对比研究,结果如图2所示。其中REC01、REC04的瞳孔直径基本在3.5-4.5mm之间波动, REC02、REC03则基本在3.0-4.0mm之间波动。然而四者却呈现大致相同的变化趋势:在前8分钟,瞳孔直径相对较大,且呈现缓慢下降趋势;在第8-20分钟,瞳孔直径保持在一个相对稳定的范围内;在最后6分钟,瞳孔直径又出现上升趋势。这一现象在一定程度上反映了学习者在学习过程中的三种不同状态,与其注意力的保持程度有密切的关系。
　　某些眼动研究认为,瞳孔直径与人的情绪和认知加工有密切的关系。如看到厌恶的东西瞳孔会缩小,看到感兴趣的东西瞳孔会增大[6]。此外,认知心理学中的“首因―近因效应”认为,在任何一个注意时间段里,开始的时候和最后的时候注意力都是最集中的,如在一节课(40分钟)中,学习的保持可以划分三个阶段,如图3所示[7][8][9]。据此不难推测,在整个26分钟的网络学习过程中,前8分钟是学习的第一个高效期,学习者由于新接触所学内容,注意力较为集中,因此瞳孔的平均直径较大,但随着时间的推移注意力开始分散;第8-20分钟是学习的低沉期,学习者的兴趣和注意力保持在一个相对较低且稳定的水平,瞳孔直径的波动幅度较小;最后6分钟是学习的第二个高效期,此时学习者预期学习即将结束,注意力再次逐渐集中,瞳孔直径小幅上升。
　　(二)实验二的结果与分析
　　在实验一的基础上,实验二缩短了学习时间,增加了被试的数量和种类,并对测验负荷进行了细分。实验过程中有1名被试的实验数据呈现异常被剔除。利用SPSS 14.0对剩余72名有效被试的数据进行统计分析和检验,主要结果如表2和表3所示。
　　1.测验成绩
　　总体上来看,各组的平均测验成绩分别为:视频组(10.06)>动画组(9.91)>照片组(9.74)。具体表现为:(1)保持测验成绩:视频组的保持测验平均成绩最高,照片组最低。(2)迁移测验成绩:照片组的迁移测验平均成绩最高,动画组最低。单因素方差分析结果表明,三个实验组之间的测验成绩的差异均不明显,未达到统计学意义上的显著水平。
　　2.认知负荷
　　总体上来看,各组的认知负荷分别为:视频组(12.92)>动画组(12.65)>照片组(12.60)。具体表现为:(1)学习过程负荷:动画组的平均负荷最高,视频组最低。(2)保持测验负荷:照片组和动画组的平均负荷基本相同,视频组最低。(3)迁移测验负荷:视频组的平均负荷最高,动画组和照片组基本相同。
　　单因素方差分析结果表明,三个实验组之间的认知负荷的差异均不明显,未达到统计学意义上的显著水平。
　　3.注意力分配
　　总体上来看,PPT内容区(AOI3)受学习者的关注最多,且动态的教师形象更容易受到关注。具体表现为:(1)AOI1的关注比较:视频组的平均注视次数和时间最多,照片组最少。(2)AOI2的关注比较:视频组和照片组的平均注视次数和时间接近,动画组最少。(3)AOI3的关注比较:照片组的平均注视次数和时间最多,视频组最少。
　　单因素方差分析结果表明,三个实验组在AOI1和AOI3的注视次数和注视时间上差异非常显著,而在AOI2的注视次数和时间上未达到统计学意义上的显著水平。
　　三个实验组的注意力热点图如图4所示,其中圈内区域表示注意力集中的区域:(1)视频组:教师形象区受到的关注最多,其次是PPT内容区,最少的是目录导航区;(2)动画组:PPT内容区受到的关注最多,其次是教师形象区,最少的是目录导航区;(3)照片组:PPT内容区受到的关注最多;目录导航区比教师形象区受到的关注稍高,但二者总体都偏低。
　　此外,在三个实验组中,被试关注教师形象的区域都集中于教师的面部范围,而面部以外部分基本不受关注。
　　4.瞳孔直径变化
　　在三个实验组中各取1个样本,并以左眼为例进行对比分析,结果如图5所示。其中REC02、REC17的瞳孔直径在3.0-3.5mm之间波动,而REC09基本在3.5-4.5mm之间波动。三者在整个学习过程中呈现出大致相同的变化趋势:在学习的第一阶段(前3分钟),平均瞳孔直径较大;在第二阶段(第4-7分钟),瞳孔直径保持在一个相对稳定的范围内上下波动;在第三阶段(最后2分钟),瞳孔直径又出现上升趋势。这一现象再次与“首因―近因效应”基本吻合,表明学习者的注意力在一定时期的学习过程中确实存在三种不同的状态。
　　
　　四、研究结论与问题
　　
　　(一)主要结论
　　综合上述实验结果,可以得出以下几点结论:
　　1.动态呈现的信息将比静态信息更容易受到关注
　　这一点与人们通常的看法是一致的,因此教师的真实讲解视频更容易引起学习者的关注,相应的注视次数和注视时间也更多。
　　2.单位时间内学习者的注意力资源是有限的
　　当过多的注意力被分配到特定的内容(如教师形象)时,其他内容(如PPT的内容)受到关注的机会就会减少。
　　3.教师形象的呈现方式与学习效果没有明显的相关性
　　通常的观点认为,真实的教师视频形象能增强学习者的临场感,能促进学习者以更加认真的态度参与学习。然而,本实验的研究结果表明,网络课程中静态或虚拟的教师形象不一定意味着学习效果的降低。
　　4.在网络学习中利用人工智能技术来模拟教学,在一定程度上是可行的
　　本实验采用口型自动匹配软件生成虚拟的教师讲授动画为学习者授课,其实施效果与真实的授课视频差异并不显著。这至少说明,在一些偏重理论性知识或文字内容的教学中,采用动画形式的虚拟教师或学伴辅助学习,同样可以接近或达到真实视频的教学效果。
　　5.在网络学习过程中同样出现了传统课堂环境中的“首因―近因效应”
　　针对“首因-近因效应”,在网络课程的教学设计中,可以在高效期-I引入新教学内容,在高效期-II进行课堂总结,而在低沉期安排练习或交流活动,以实现网络学习效果的最大化。
　　(二)存在的问题
　　学习内容和被试的选择:本实验选择了理论性较强的教学内容作为实验材料,且被试均为文科专业背景的学生,因此存在一定的局限性。下一步的研究还有待于对其他类型的教学内容和学生展开实验探索。
　　学习环境与过程的真实性:本实验由于在实验室中实施,与真实的网络学习环境存在一定差异。学习者反映在平时的网络学习中,习惯边学习边做其他事情(如聊天、听音乐等),而本实验中的学习步调完全由系统控制,这些都可能影响本实验结论的普适性。
　　干扰变量的考虑:实验过程中的隔音效果不够理想,外界的噪声可能会对被试产生干扰;另外,由于单台实验设备的限制,需要被试逐个、分批次参与实验,而不是全体同时进行实验,这些因素对实验结果可能会造成影响。
　　
　　五、结束语
　　
　　借鉴认知心理学常用的眼动实验方法对教育技术学领域中的问题进行研究,是十分有意义的尝试。本实验从“三分屏”网络课程这一常见的网络学习媒介入手,针对教师形象呈现方式进行了探索性的对比实验研究。实验结果既验证了人们关于网络学习的某些基本观点,也发现了一些值得注意的现象和规律。本研究认为,眼动实验法将有助于深入揭示网络学习的机制,为网络学习的深入研究提供重要的方法和技术的支持。
　　
　　[参考文献]
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　　[5]F Paas. Training strategies for attaining transfer of problem-solving skill in statistics: A cognitive load approach [J]. Journal of Educational Psychology,1992,(4).
　　[6]肖玮. 眼神也能泄密――眼动仪简介[EB/OL]. 省略/nr.jsp? pagetype=TPP_CONTENT&wbnewsid=23016&tree=0, 2009-7-1.
　　[7]刘儒德. 教育中的心理效应[M]. 上海:华东师范大学出版社,2005.
　　[8]周士勤. 系列位置效应研究及其对课堂教学的启示[J]. 教学与管理,2007,(12).
　　[9]王如新. 脑科学研究新成果与教学指导[EB/OL]. https://www.省略/upload/message/ 1824/脑科学与学习.doc, 2009-7-1.省略);张剑平,教授,博士生导师,浙江大学教育技术研究所、浙江师范大学教育技术系,研究方向为计算机辅助教育;黄丽英、彭超云、林晓芬,浙江师范大学教育技术系硕士研究生,研究方向为计算机辅助教育。
　　
　　An Eye-tracking Experiment Research on Three-part-separated Screen Web Course
　　Zhang Jiahua1,Zhang Jianping2,1,Huang Liying1, Peng Chaoyun1 & Lin Xiaofen1
　　(1. School of Teacher Education, Zhejiang Normal University, Zhejiang Jinhua 321004;
　　2. Institute of Educational Technology, Zhejiang University, Zhejiang Hangzhou 310028)
　　
　　【Abstract】 "Three-part-separated Screen" has become a popular presentation form of web course. Based-on Multimedia Learning Theory and Cognitive Load Theory, this paper implements a contrast experiment research on different presentation forms of teachers’ image in a web course to study the effectiveness of these forms. By using eye-tracking technology, it explores the differences on learners" information processing, cognitive load and learning outcomes among different groups from cognitive psychology. It tries to find some patterns of web-based learning and provide a reference to design web courses effectively.
　　【Keywords】 Web course; Three-part-separated screen; Eye-tracking experiment; Cognitive load; Learning effect
　　
　　本文责编:胡智标