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多媒體學習的認知機制

【作者簡介】劉儒德，趙妍，柴松針，徐娟，北京師范大學心理學院，北京　100875     劉儒德（1966—），男，湖北省監(jiān)利縣人，北京師范大學心理學院教授。  [中圖分類號]G40　[文獻標識碼]A　[文章編號]1002-0209（2007）05-0022-06     隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，多媒體教育內(nèi)容和多媒體教育系統(tǒng)日益普及。然而，對于多媒體的教學功效存在著長久的爭鳴，一方面是支持多媒體的人持樂觀態(tài)度，認為多媒體學習既能減少學習時間也能增強學習效果，尤其可以支持學習者理解復雜的知識領域；另一方面，持相反觀點的人一直對教育中運用多媒體抱懷疑態(tài)度，認為多媒體學習是無足輕重的甚至有消極的影響[1]。相關文獻的一些相互矛盾的結(jié)論也說明，多媒體學習受到許多內(nèi)外因素（如媒體呈現(xiàn)形式、媒體之間的關系、學習者的先前知識、學習者的認知風格等）的相互影響。這些長久的爭議與復雜的影響驅(qū)動人們對一個更為深層問題——多媒體學習的認知過程機制的不斷探索和相互爭鳴，例如，多媒體是如何影響學習過程的？學習者是如何整合和利用多種媒體形式的信息的？學習者的多種感覺通道的信息是如何被加工并整合的？等等。總體看來，對多媒體學習的認知機制的研究可以分為兩個層面，一個層面是對多媒體信息加工過程的直接探討；另一個層面是一般的認知機制理論，但有助于人們深刻解釋多媒體信息加工過程，甚至作為一般的理論基礎，能夠啟發(fā)、指導人們對多媒體信息加工機制的深入探索。     一、專門的認知機制理論     （一）雙重編碼理論     佩維爾（Paivio）的雙重編碼理論認為，人有兩個在功能和結(jié)構(gòu)上均不相同、獨立但又相互聯(lián)系的加工、儲存信息的認知系統(tǒng)——言語系統(tǒng)和表象系統(tǒng)[2]（P53）。言語系統(tǒng)用于加工言語信息，產(chǎn)生言語反應；表象系統(tǒng)用于加工非言語的、物體或事件的信息，形成事物的心理表象。在結(jié)構(gòu)上的差異主要表現(xiàn)在信息儲存的表征單元和組織方式上，言語系統(tǒng)儲存信息的單元是言語符號，非言語系統(tǒng)儲存信息的單元是圖像映像。在組織方式上，非言語信息以同步的方式進行組織，它允許一個心理表象的許多成分同時加工，而言語信息以連續(xù)的形式進行組織，只能進行序列加工，并且每次只能加工有限的信息。     言語與表象系統(tǒng)的加工分為三個水平（見圖1）[3]：（1）表征水平。指當言語與非言語表征被激活時所產(chǎn)生的加工，它包括低水平的材料驅(qū)動的知覺再認和識別，這在很大程度上受事物本身的特征影響。（2）聯(lián)合加工。指在言語系統(tǒng)內(nèi)部語言單位之間或者圖像系統(tǒng)內(nèi)部圖像單位之間所發(fā)生的加工，如闡述或定義一個語言需要通過與其他語言的聯(lián)系，如一個抽象的詞“知識”，由于與相關的詞如“經(jīng)驗”“概念”“記憶”“事實”等相聯(lián)系而得到了理解。情境是聯(lián)合加工的一個重要變量，當我們試圖從詞的背景中理解這個詞的意義時，或者由相關的詞引起想象并被整合成一個想象情境時，就是在進行聯(lián)合水平加工。（3）相關加工。指一個系統(tǒng)的表征被另一個系統(tǒng)的表征所激活，從而在言語系統(tǒng)與非言語系統(tǒng)之間構(gòu)造了一條潛在的通道。相關加工允許表象表征激活不同的詞語表征，反之亦然。在一定條件下，兩個系統(tǒng)也能以互補的形式共同加工信息，如聽到“書”這個詞，就可能引起一個書的心理表象，看到書也能夠激活“書”這個概念。兩個認知系統(tǒng)是相互聯(lián)系的，兩種信息可以相互轉(zhuǎn)換。雙重編碼理論認為，當學習者用言語和表象兩種認知系統(tǒng)表征相同的材料時，如果言語信息和圖畫信息在時間和空間上一致，則在編碼的過程中就會形成言語表征和視覺表征的連接，從而提高學習效果，并且能夠增加學習者提取信息的路徑。          （二）多媒體學習模型     如果同時呈現(xiàn)兩種表征方式，這兩種方式是怎樣相互作用的？學習者從文本和圖中得到的信息是怎樣整合的？梅耶（Mayer）吸取了雙重編碼理論的觀點，提出了多媒體學習模型（見圖2）[4]（P59）。

 從模式中可以看出，多媒體學習包括三個過程：選擇、組織和整合。首先，學習者需要注意經(jīng)過眼、耳進入信息加工系統(tǒng)的視覺和言語信息中的有關內(nèi)容（即選擇過程）。從呈現(xiàn)的言語信息中，學習者選擇重要的詞語進行言語表征（即選擇文本），其結(jié)果是建構(gòu)命題表征或文本庫。從呈現(xiàn)的視覺信息中，學習者選擇重要的圖像進行視覺表征（即選擇圖畫），其結(jié)果是建構(gòu)表象表征或圖像庫。當學習者選擇了視覺和言語材料之后，就會把進入工作記憶中的信息組織成一個連貫的整體（即組織過程）。學習者對文本庫進行重新組織（即組織文本），形成關于文中所描述情境的言語心理模型，這一過程發(fā)生在言語短時記憶中。學習者對圖像庫進行重新組織（即組織圖像），形成關于圖像中所描述情境的視覺心理模型。最后，學習者需要在兩類模型之間建立聯(lián)系，并將所組織的信息與記憶中已有的、熟悉的知識結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來（即整合過程）。為使整合過程得以發(fā)生，視覺信息必須保持在視覺短時記憶中，同時，相應的言語信息需要保持在言語短時記憶中。然而，短時記憶的容量是有限的，因此視覺與言語信息的整合將受到記憶負荷的限制。需要指出的是，對信息的選擇、組織和整合并非總是以線性的順序發(fā)生，有時也會反復進行。
    梅耶關于雙重編碼的主要假設就是言語信息和圖畫信息在不同的認知系統(tǒng)中進行加工。學習者選擇相關詞語建構(gòu)成命題表征，組織成言語心理模型；選擇重要圖像形成圖像表征，兩種加工建構(gòu)了兩種平行的心理模式，最后彼此進行一對一的映射聯(lián)系。如果言語信息和圖畫信息同時出現(xiàn)在工作記憶中，也就是兩個模型同時在工作記憶中，就會發(fā)生整合加工。
    （三）新雙重編碼理論
    有人（Schnotz和Bannert）對梅耶的多媒體學習模型中文本和圖畫的平行加工提出了質(zhì)疑。他們認為，文本和圖畫屬于不同的符號系統(tǒng)，用的是不同的表征原則，言語（或命題）表征是描述性的，而圖畫（或?qū)υ挘┍碚魇侵庇^性的。言語表征和圖畫表征之間不可能有映射過程，不可能進行簡單的結(jié)構(gòu)整合，因為直觀性表征不包含事物之間的關系。他們在雙重編碼理論的基礎上，提出了理解文字和圖畫的整合模型——新雙重編碼理論（見圖3）[5]。
    
    這個模型包括描述性表征和直觀性表征兩部分。描述性表征包括外部的文本表征、文本淺層（表面結(jié)構(gòu)）的心理表征和語義內(nèi)容的命題表征，這些表征之間的相互作用是以符號為基礎的。直觀性表征包括外部的圖畫表征、圖畫的視覺認知和所描繪物體的心理模型，這些表征之間的相互作用是以類比結(jié)構(gòu)映射加工為基礎的。兩種表征形式可以通過模型建構(gòu)和模型檢驗相互轉(zhuǎn)換和補充。
    該模型和傳統(tǒng)的雙通道模型的區(qū)別在于，它是以不同的符號系統(tǒng)和表征原則為基礎的。具體表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）言語和圖畫加工的交互作用不是基于文本的淺層表征和視覺知覺水平發(fā)生的，而是基于命題表征和心理模型水平的，也就是在文本和圖畫的語義加工之后。（2）在舊雙重編碼理論中，言語和圖畫表征被看做是結(jié)構(gòu)的整合，而在新理論中被看做是心理模型建構(gòu)的一個連續(xù)過程。描述性表征和直覺性表征是不能相互整合的，但可以相互“交流”。這兩種表征系統(tǒng)是兩種相互作用、相互補充的認知“通道”，而不是整合的記憶結(jié)構(gòu)。
    新雙重編碼理論解決了描述性與直觀性表征是如何關聯(lián)的問題，但是這只是理論上的，需要大量經(jīng)驗性驗證。該理論雖然可以解釋很多現(xiàn)象，但是它依然有不足之處，首先，它沒有考慮到學習者的特點，例如學習者的先前經(jīng)驗問題。因為同一個物體有不同的表征形式，如果當前的表征適合于特定的任務或者與學習者原本的表征相適應時，就能促進學習者的學習，反之，將影響學習者特別是先前經(jīng)驗豐富的學習者的學習，因為他們的先前知識往往使得他們對該事件有了適合自己的心理表征，而外在添加的圖畫可能不適合其本身的表征，從而妨礙其學習。另外，對于低視覺空間能力的學生而言，圖畫加工的困難到底在什么地方？在復雜的整合任務中，兩個不同的認知系統(tǒng)如何共同工作？這些問題都有待解決。
    二、一般的認知機制理論
    多媒體學習的認知理論模型需要以一般性的認知假設為基礎。例如，梅耶的多媒體學習模型是建立在雙通道假設、工作記憶有限容量假設與生成性學習假設的基礎上的。這些一般性的認知機制假設有助于支持多媒體學習的認知理論模型，對多媒體學習的認知過程的探索具有很強的指導作用。
    （一）工作記憶模型
    巴德利等人（Baddeley和Hitch）在1974年提出了工作記憶模型，并于1986年進行了修正[6]（P48—79）。該模型認為工作記憶由三個系統(tǒng)組成：中樞執(zhí)行器（central executive）、語音環(huán)（phonological loop）和視覺空間畫板（visuo-spatial sketch pad）。其中，中樞執(zhí)行器是一個注意控制系統(tǒng)，負責執(zhí)行加工過程，主要包括對相關信息的注意和無關信息的抑制等。而語音環(huán)和視覺空間畫板則被看做是兩個子工作記憶系統(tǒng)，分別對應言語工作記憶）和空間工作記憶。隨著人們對工作記憶的深入研究，巴德利等人的工作記憶三成分模型逐漸表現(xiàn)出不足來。例如，它難以合理解釋學習者對散文段落進行回憶時表現(xiàn)出的組塊現(xiàn)象。巴德利在原有模型的基礎上增加了第四種成分——情節(jié)緩沖器（episodic buffer），這種緩沖器可以保存完整的事件或情境，是使用不同編碼并在亞系統(tǒng)之間提供有限容量的緩沖器，這樣，工作記憶三成分模型被修訂成了工作記憶四成分模型（見圖4）[7]。
    
    根據(jù)工作記憶模型，如果多媒體呈現(xiàn)的信息涉及多種通道，那么學習者就可以充分利用視聽兩種工作記憶，這樣實際上是變相地擴展了工作記憶的容量，因此有利于信息的記憶和保持，而且，情節(jié)緩沖器可以少量儲存圖像信息與言語信息，有利于加強兩種表征之間的聯(lián)系和整合。
    （二）分布式認知理論
    分布式認知理論將內(nèi)部過程和外部過程看作一個認知系統(tǒng)的整體，認為外部的環(huán)境不僅是一種信息的來源或者輸出地，也應該是思維的一部分。它強調(diào)認知活動應該在人的思維內(nèi)部、外部認知產(chǎn)品、他人以及時間和空間上進行分配[8]。
    根據(jù)認知分配理論，多媒體的外在圖畫不僅能提供信息，還能作為一個外部認知引導、限制和促進認知行為。當人們用符號表征推導一個問題時，他們不需要在心理內(nèi)部運行所有的思維過程，相反，他們通過操作圖畫找出解決方法。實際上圖畫給學習者提供了外部表征，學習者可以將任務分配到環(huán)境中，這樣環(huán)境就承擔了學習者部分的工作記憶，因此減輕了工作記憶的負擔，促進信息的保持。
    （三）認知負荷理論
    認知負荷理論從資源分配的角度考察學習和問題解決。認知負荷是學習者在完成特定學習任務時所需的認知資源總量。工作記憶能夠同時加工的信息容量是有限的，若同時加工幾種信息，則存在資源分配的問題，而分配遵循“此多彼少，總量不變”的原則。若在問題解決或?qū)W習過程中所需要的資源總量超過了個體所能提供的資源總量，則會造成認知負荷超載，影響學習或問題解決的效率。
    斯威勒爾（Sweller）基于認知負荷的不同來源，將認知負荷區(qū)分為內(nèi)在認知負荷、外在認知負荷和生成認知負荷[9]。內(nèi)在認知負荷是知識本身所帶來的認知負荷，由學習材料中包含的概念或元素的數(shù)量、概念或元素之間的相互關系以及學習者的經(jīng)驗水平（圖式數(shù)量）決定。外在認知負荷指因外在的信息呈現(xiàn)和教學處理而導致學習者耗費在與教學目標無關的操作（如信息搜索）上的認知負荷，這種認知負荷對學習起著干擾作用。生成認知負荷用于圖式獲得和規(guī)則自動化，對學習起著促進作用。認知負荷的這三種成分之間是一種相加的關系，所加之和不能超過工作記憶資源總量。固有認知負荷提供一種基礎負荷，是不可消減的，但可以通過自動化的圖式減少其總量，使更多的認知資源用于建構(gòu)新的圖式，增加有關認知負荷。
    根據(jù)認知負荷理論，多媒體學習就是試圖通過言語表征和圖像表征互補，減少學習者的外在認知負荷，使學習者盡快從淺層語義表征與視覺影像達到命題表征與心理模型，增加生成負荷空間，促進深層理解。
    （四）生成學習理論
    多媒體學習的過程也是生成學習的過程。生成學習理論認為，當學習者將進入聽覺和視覺的信息組織成視覺和聽覺的心理模型，并對這兩種表征進行整合時，真正的學習才得以發(fā)生[10]。因此，當學習者利用先前知識建立言語模型和圖像模型的聯(lián)系，并在先前知識的基礎上調(diào)整這些聯(lián)系時，學習者對知識的理解便得到加深和提高。
    三、存在的問題與發(fā)展趨勢
    （一）學習理論取向問題
    多媒體學習的認知機制模型必然涉及學習理論取向問題。上述各種專門的多媒體學習的認知機制理論多數(shù)（生成學習理論和分布式認知理論除外）是以認知主義的“知識接受”的知識觀和學習觀為基礎的，將知識假定為一件能夠進入人腦的物品，學習被看做是向?qū)W習者的記憶增加知識的過程，教學被看做是向?qū)W習者發(fā)布知識的過程。因此，在這些模型中，學習總是發(fā)端于外界刺激對人體感官的作用。但這一觀點已經(jīng)被建構(gòu)主義學習觀所取代。學習被看做是學習者在先前知識經(jīng)驗的基礎上主動注意、選擇、解釋外在信息的過程。因此，多媒體學習的認知機制必須考慮這一積極的建構(gòu)過程。根據(jù)分布式認知理論，人的學習并不局限于人的大腦內(nèi)部而發(fā)生，大腦與外在環(huán)境構(gòu)成一個分析單位，頭腦中的內(nèi)部表征與頭腦外的外部表征處于同一個系統(tǒng)之中。內(nèi)部與外部的多重表征（如言語表征與圖像表征）之間如何相互交流，如何測量并減少這種交流所需要的認知負荷，是多媒體學習的認知機制研究所需要考慮的問題之一。
    （二）大腦認知神經(jīng)科學的證據(jù)支持問題
    多媒體學習的認知機制模型需要大腦認知神經(jīng)科學的證據(jù)來支持。無論是專門的認知機制模型還是一般性的認知機制假設不僅有賴于認知實驗的證明，還有賴于大腦認知神經(jīng)科學的證據(jù)支持。例如，根據(jù)功能磁共振成像（fMRI）技術(shù)的研究，工作記憶的確可以劃分為聽覺工作記憶和視覺工作記憶兩個子工作記憶系統(tǒng)，其中聽覺工作記憶主要由大腦左半球參與，視覺工作記憶主要由大腦右半球參與，兩種記憶條件下所參與的腦區(qū)沒有重疊[11]，但是，是否存在    從模式中可以看出，多媒體學習包括三個過程：選擇、組織和整合。首先，學習者需要注意經(jīng)過眼、耳進入信息加工系統(tǒng)的視覺和言語信息中的有關內(nèi)容（即選擇過程）。從呈現(xiàn)的言語信息中，學習者選擇重要的詞語進行言語表征（即選擇文本），其結(jié)果是建構(gòu)命題表征或文本庫。從呈現(xiàn)的視覺信息中，學習者選擇重要的圖像進行視覺表征（即選擇圖畫），其結(jié)果是建構(gòu)表象表征或圖像庫。當學習者選擇了視覺和言語材料之后，就會把進入工作記憶中的信息組織成一個連貫的整體（即組織過程）。學習者對文本庫進行重新組織（即組織文本），形成關于文中所描述情境的言語心理模型，這一過程發(fā)生在言語短時記憶中。學習者對圖像庫進行重新組織（即組織圖像），形成關于圖像中所描述情境的視覺心理模型。最后，學習者需要在兩類模型之間建立聯(lián)系，并將所組織的信息與記憶中已有的、熟悉的知識結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來（即整合過程）。為使整合過程得以發(fā)生，視覺信息必須保持在視覺短時記憶中，同時，相應的言語信息需要保持在言語短時記憶中。然而，短時記憶的容量是有限的，因此視覺與言語信息的整合將受到記憶負荷的限制。需要指出的是，對信息的選擇、組織和整合并非總是以線性的順序發(fā)生，有時也會反復進行。
    梅耶關于雙重編碼的主要假設就是言語信息和圖畫信息在不同的認知系統(tǒng)中進行加工。學習者選擇相關詞語建構(gòu)成命題表征，組織成言語心理模型；選擇重要圖像形成圖像表征，兩種加工建構(gòu)了兩種平行的心理模式，最后彼此進行一對一的映射聯(lián)系。如果言語信息和圖畫信息同時出現(xiàn)在工作記憶中，也就是兩個模型同時在工作記憶中，就會發(fā)生整合加工。
    （三）新雙重編碼理論
    有人（Schnotz和Bannert）對梅耶的多媒體學習模型中文本和圖畫的平行加工提出了質(zhì)疑。他們認為，文本和圖畫屬于不同的符號系統(tǒng)，用的是不同的表征原則，言語（或命題）表征是描述性的，而圖畫（或?qū)υ挘┍碚魇侵庇^性的。言語表征和圖畫表征之間不可能有映射過程，不可能進行簡單的結(jié)構(gòu)整合，因為直觀性表征不包含事物之間的關系。他們在雙重編碼理論的基礎上，提出了理解文字和圖畫的整合模型——新雙重編碼理論（見圖3）[5]。
    
    這個模型包括描述性表征和直觀性表征兩部分。描述性表征包括外部的文本表征、文本淺層（表面結(jié)構(gòu)）的心理表征和語義內(nèi)容的命題表征，這些表征之間的相互作用是以符號為基礎的。直觀性表征包括外部的圖畫表征、圖畫的視覺認知和所描繪物體的心理模型，這些表征之間的相互作用是以類比結(jié)構(gòu)映射加工為基礎的。兩種表征形式可以通過模型建構(gòu)和模型檢驗相互轉(zhuǎn)換和補充。
    該模型和傳統(tǒng)的雙通道模型的區(qū)別在于，它是以不同的符號系統(tǒng)和表征原則為基礎的。具體表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）言語和圖畫加工的交互作用不是基于文本的淺層表征和視覺知覺水平發(fā)生的，而是基于命題表征和心理模型水平的，也就是在文本和圖畫的語義加工之后。（2）在舊雙重編碼理論中，言語和圖畫表征被看做是結(jié)構(gòu)的整合，而在新理論中被看做是心理模型建構(gòu)的一個連續(xù)過程。描述性表征和直覺性表征是不能相互整合的，但可以相互“交流”。這兩種表征系統(tǒng)是兩種相互作用、相互補充的認知“通道”，而不是整合的記憶結(jié)構(gòu)。
    新雙重編碼理論解決了描述性與直觀性表征是如何關聯(lián)的問題，但是這只是理論上的，需要大量經(jīng)驗性驗證。該理論雖然可以解釋很多現(xiàn)象，但是它依然有不足之處，首先，它沒有考慮到學習者的特點，例如學習者的先前經(jīng)驗問題。因為同一個物體有不同的表征形式，如果當前的表征適合于特定的任務或者與學習者原本的表征相適應時，就能促進學習者的學習，反之，將影響學習者特別是先前經(jīng)驗豐富的學習者的學習，因為他們的先前知識往往使得他們對該事件有了適合自己的心理表征，而外在添加的圖畫可能不適合其本身的表征，從而妨礙其學習。另外，對于低視覺空間能力的學生而言，圖畫加工的困難到底在什么地方？在復雜的整合任務中，兩個不同的認知系統(tǒng)如何共同工作？這些問題都有待解決。

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