基于“视觉局限补偿”机理的微视频设计模型

伊亮亮　董玉琦　钱薇旭

摘要：该文运用二阶诊断测试法对8年级学生在“光现象”单元学习之前的认知起点进行了测查。在借助具身认知理论对学习内容与学习者的认知状况进行综合分析后发现：由于学习者的视觉感知在明暗分辨能力、空间分辨能力和时间分辨能力等方面存在局限，学习者可能通过视觉获得不准确或不全面的信息，并以这些信息为依据形成对“光现象”内容的偏差认知。为了从源头上修正学习者的偏差认知，该文提出了以借助技术对视觉局限进行补偿为核心，以改善学习、促进学习者偏差认知的转变为目的，以综合运用生理补偿和心理补偿为手段的微视频学习资源设计模型，开发了“光现象”系列微视频学习资源，并通过等组准实验研究对模型及微视频学习资源的效果进行了检验。教学实验结果显示，运用微视频学习资源进行教学的实验组在促进学习者偏差认知转变方面显著优于对照组。

关键词：CTCL；具身认知；中学物理；视觉局限；微视频；光现象

近年来逐步兴起的学习技术研究范式简称CTCL主张在文化视域下，将学习者、学习内容和技术相统合，逐步形成以深入学科、关注学习者和技术改善学习等为特点的研究取向，为教育技术领域的研究提供了新的思路。面对“如何通过技术来改善学习”这一教育技术研究所关注的重要问题，CTCL研究范式认为“技术的运用应与学习者状况以及学习内容相适应以期有效改善学习”。也就是说，有效运用技术的前提是深入学科、关注学习者，必须根据学习者与学习内容的具体情况，选择适合的技术以及技术的用法，才能有效改善学习。

本研究运用CTCL研究范式，以微视频学习资源开发作为切入点，以初中物理课程中“光现象”单元的学习为例，根据具身认知理论和对学习者认知起点的分析，提出了以借助技术对视觉局限进行补偿为核心，以改善学习、促进学习者偏差认知的转变为目的，以生理补偿和心理补偿相结合为手段的微视频学习资源设计模型。为验证该模型的可行性与有效性，研究还运用该模型设计、制作了“光现象”系列微视频学习资源，并通过教学实验对其效果进行了检验。

一、具身认知理论与人的视觉局限

具身认知（Embodied Cognition）是近年来认知心理研究的新取向。传统的认知主义倾向于认为认知与人自身的知觉运动经验是相分离的，而具身认知理论则认为认知活动不仅离不开生物的大脑，而且与人类身体及其所处的环境密切相关。然而，人的生理机能并不完美。以人的视觉为例，人类所感知的信息中大约有80%是通过视觉获得的，但人的视觉在光谱分辨能力、明暗分辨能力、空间分辨能力和时间分辨能力等方面存在局限。例如人的视觉只能感知特定频段的电磁波、在强光环境下看不清弱光的变化、分辨不清远处影像的细节、只能分辨静止或运动速度较慢的目标等。

具身认知理论认为“心智之所以从根本上是具身的，并非仅仅因为心智的所有过程必须以神经活动为基础，而是因为我们的知觉和运动系统在概念形成和理性推理中扮演了一种基础性的角色”。视觉作为人体最重要的感觉之一，也会影响人的认知，而视觉的局限则有可能干扰科学知识的建构，对认知的过程和结果造成影响。

二、视觉局限影响学习者的认知起点

为了了解视觉局限会对学习者产生哪些具体的影响，我们以初中物理“光现象”单元的学习为例，对学习者与“光现象”有关的认知起点进行了测查。

（一）学习者认知起点的测查

本研究所关注的认知起点主要指学习者在学习物理课程前对相关概念、现象的认知，也就是通常意义上的前概念。前概念中的“概念”并不是严格意义上的狭义的概念，而是更接近于观念，是头脑中对某一对象（事物、现象、过程等）的观点、看法。与初中生光学学习相关的前概念测查在国际上有比较成熟的研究可供借鉴，但对于这些前概念的本土化研究并不多见。因此，本研究一方面对国内外与光学内容相关的前概念研究进行了综述，对常见的前概念、尤其是与科学观念相悖的前概念进行了梳理，并将其作为认知起点的主要内容；另一方面，选取本土样本，运用二阶诊断测试对学生进行相关前概念的测查，对综述的结果进行验证和补充，以保证认知起点的可靠性。

（二）视觉局限对认知起点的具体影响

通过综述、测查与分析，我们发现视觉局限对学习者的部分认知起点确实有影响。在对“光现象”的理解上，学习者把通过有局限的視觉所获取的信息作为对“光现象”进行解读的依据。这些信息未必能完整、真实地反映客观世界，但却能支持相关前概念，促使学习者形成难以转变的偏差认知。如下表所示，对“光现象”内容的理解产生较为明显影响的是视觉在明暗分辨能力、空间分辨能力和时间分辨能力方面存在的局限。

例如，学生认为“有的物体能够反射光，有的物体不能反射光”，他们的判断依据主要分为两类：一类是根据物体的视觉效果进行判断，例如“明亮”“影子嘘像）”“反照皈光）”等，能明显观察到上述现象的物体就被认为是能反射光的，现象不明显的、不易被观察到的物体就会被认为不能反射光；另一类是将一些能反射光的物体的特性提取出来作为判断依据的。不论是哪种判断依据，都和人的视觉感知有关，但人的视觉在明暗分辨能力方面是有局限的，当周围环境比较明亮时，那些较弱的反射现象就不容易被人察觉，一些物体因此就被认为不能反射光。

在判断一个物体是不是光源时，也有类似的情况。例如，有些学生认为“星星都是光源”，因为他们看起来都差不多，都很明亮，这是由于人的视觉在空间分辨能力方面的局限，当物体距离较远时，仅凭视觉我们无法分辨这些星体中哪些是自身发光的，哪些是反射其他星体发出的光，在缺乏足够信息的情况下，也容易产生有偏差的认知。再如，有些学生认为“光的传播不需要时间”“可以瞬间到达”，但他们还认为光有速度，而且速度极快。即便是小学生，在已知速度和路程的情况下也可以计算出光的传播是需要花费时间的，但为什么这些中学生会认为“光的传播不需要时间”呢？一种可能的解释是，在生活中，学习者听说过“光速”一词，或许也知道真空中光速的数值，但由于人的视觉在时间分辨能力方面存在局限，不能直接通过肉眼观察到正在高速、稳定运动着的光，所以感觉不到光是运动的。在这种情况下，学习者为了调和科学知识与感性认识之间的冲突，便产生了上述有偏差的认知。

三、CVL微视频学习资源设计模型的理论建构

（一）视觉局限补偿（Compensation for Visual Limitations）的机理

通过前述研究，我们发现有局限的视觉可能会为“光现象”学习内容的理解提供不准确或不完整的信息，促使学习者形成与科学观念相左的偏差认知。如何消除视觉局限对学习者的负面影响呢？我们不妨先来打个比方，有局限的视觉就像是“近视眼”，它让我们看不清视力表上字母“E”的开口方向。为了消除“近视眼”的影响，最简便的方法就是带上一副针对“近视”量身打造的“眼镜”，补偿“近视”对信息获取造成的负面影响。同理，要消除有局限的视觉对学习者所造成的负面影响，也需要一副“眼镜”对视觉局限进行补偿。

由于视觉局限存在于学习者的生理层面，所以视觉局限补偿也理应针对生理层面来进行。例如，在观察月球对太阳光的反射时，可以借助长焦摄影等视觉增强技术来进行拍摄，对视觉在空间分辨能力上的局限进行补偿，使学习者获得更为全面和准确的信息。但学习者多年来一直是以有局限的视觉作为信息的来源，他们已经获得的那些不可靠的视觉信息容易促使学习者形成有偏差的认知，而这些有偏差的认知又会被用来解读新获得的视觉信息，进一步形成新的偏差认知。因此，单纯从生理层面对视觉局限进行补偿是不够的，还需要对心理层面进行补偿，修正学习者的偏差认知。我们可以将这种视觉局限补偿的机理概括为“从生理到心理，从感知到认知”。

（二）CVL微视频学习资源设计模型的构成

为实现视觉局限补偿，开发能切实有效地修正学习者偏差认知的微视频学习资源，本文运用“从生理到心理，从感知到认知”的视觉局限补偿机理，提出了以借助技术进行视觉局限补偿为核心的微视频学习资源设计模型（简称CVL微视频学习资源设计模型）。如图1所示，模型由三个层次和六种功能组成。三个层次由外向内依次是技术层、生理层和心理层。这是因为，技术为生理上的视觉局限补偿提供直接的技术支持；而心理上的视觉局限补偿也需要技术的支持，但由于视觉局限对心理层的影响源于生理层，技术只能通过生理层的中介作用为心理层提供间接的技术支持，所以在模型中技术层在最外层、生理层在中间、心理层在内层。六种功能分别是在生理层上对视觉的空间分辨能力进行补偿的功能、对时间分辨能力进行补偿的功能和对明暗分辨能力进行补偿的功能，以及在心理层面唤醒学习者视觉经验的功能、获取新的视觉经验的功能和修正偏差认知的功能。

（三）对CVL微视频学习资源设计模型中六种功能的解析

模型中的六种功能是指需要借助技术实现的六种有助于视觉局限补偿的功能。其中三种生理层面的功能属于直接补偿，另外三种心理层面的功能属于间接补偿。

在生理层面，借助各种技术，以视频的形式提供“技术增强后”的视觉信息。例如，采用变焦技术，借助长焦或微距，使学习者能够获得距离较远的物体或是微小物体的细节，实现空间分辨能力的补偿；采用控制环境光线、展示局部细节、数字滤镜增强等方式，让学习者能够感知到平时不易察觉的光影变化，实现明暗分辨能力的补偿；采用超高速摄影和延时摄影技术，帮助学习者了解光现象的发生过程，实现时间分辨能力的补偿。

在心理層面，需要对与学习内容相关的视觉经验进行一系列的操作，使学习者意识到视觉局限的存在及其危害，获得对光现象的正确认识，修正学习者的偏差认知。为实现这些目标，需要微视频学习资源具备以下三种功能：

其一，唤醒学习者的视觉经验，让学习者意识到自身视觉是存在局限的，促使他们对从视觉获得的信息进行重新评估。大多数情况下，学习者通过视觉获取的信息都能为学习者的各种活动提供积极的支持，因此，在学习者头脑中“眼见为实”的观念仍然占主导地位。在学习者的实际生活中，由视觉局限造成的偏差认知同样存在，只是这些偏差认知并没有给学习者的生活带来多大困扰。为了让学习者意识到视觉局限的存在，可以帮助学习者唤醒记忆中已经存在的、由视觉局限造成的偏差认知，使其意识到“眼见未必为实”。

其二，获取丰富、客观的视觉信息，形成符合客观实际的视觉认知。由于视觉局限的存在，学习者所获取的关于客观世界的信息往往是不全面的，例如，不能获得足够的细节来判断金星是不是自身发光；不能捕捉光的运动过程来判断光的运动到底需不需要花费时间。微视频学习资源需要借助前述的各种技术，为学习者提供更为丰富的、蕴含事物细节的信息，为他们进行分析、判断提供足够的依据。

其三，修正偏差认知，形成科学认知。学习者头脑中存在很多有偏差的认知，这些认知相互支撑形成网状的结构，因此针对个别偏差逐一进行修正的方式既不经济也未必有效。应当寻找这些偏差认知中的上位观念，重新评估其可靠性，并通过“技术增强后的视觉”获取丰富、客观的视觉信息以修正这类上位的认知，再根据认知网络的结构，逐级修正有偏差的认知。

需要说明的是，在运用该模型设计微视频学习资源时，往往需要综合运用生理补偿与心理补偿，使其相互配合以达到补偿视觉局限、修正偏差认知的目的，最终促进学习者的学习。

四、CVL微视频学习资源设计模型的实践检验

为了检验CVL微视频学习资源设计模型的可行性和有效性，本研究运用该模型，针对“光现象”单元的学习内容开发了一组微视频学习资源，并运用这组学习资源在C市某普通初级中学的两个平行班中进行了等组前、后测准实验研究。

为保证实验组和对照组基本满足同质性的要求，实验选取的A、B班均为中等水平的平行班，两个班级前测结果无显著性差异；所有学生均未在课内或课外辅导班学习过“光现象”部分的相关内容；物理课由同一位教师任教。我们将A班作为实验组，运用微视频学习资源进行教学；B班作为对照组，运用常规教学资源进行教学。教学实验结果显示，运用微视频学习资源的实验组在促进学习者概念转变的效果上显著优于使用常规教学的对照组。下面将以针对明暗分辨能力和时间分辨能力进行补偿的部分微视频学习资源的设计机理与教学效果的实践检验为例，说明如何运用该模型来设计有效的微视频学习资源。

（一）“反射的普遍性”微视频学习资源的设计解析与教学效果的实践检验

部分学习者认为“有的物体能够反射光，有的物体不能反射光”。物体反射光线的能力与物体表面的形状、粗糙程度、颜色等诸多因素相关，与镜子、水面等物体表面对光的反射能力相比，大部分物体反射光的能力都比较弱，而人眼在明暗分辨能力方面又存在局限，因此在日常较为明亮的环境中不易觉察到由于物体对光的反射而产生的微弱的明暗变化，从而形成有偏差的认知。

针对这一偏差认知，研究设计了一条名为“反射的普遍性”的微视频学习资源。在微视频学习资源的设计中，我们通过选用高亮度光源、降低背景环境亮度、缩短反射距离、调节视频图像的对比度等技术手段使学习者更容易观察到反射现象，弥补视觉在生理方面的局限。而在心理层面，则以学习者熟悉的经验作为起点，通过观察光线经表面光滑的物体反射后在背景墙上形成明亮的“光斑”这一现象，唤醒学习者关于有些物体能够反射光线的经验。接着利用相同的场景，依次将表面光滑的物体换成不同颜色的布料、不同种类的纸板、人的皮肤、动物毛皮、黑色的皮革等不同材质、颜色的物体，让光线照射这些物体的表面，仍然通过观察背景墙上的反射“光斑”来证明这类物体也能反射光，从而帮助学习者获得“生活中常见的物体都能反射光”这一视觉经验，修正自身有偏差的认知。

如右图2、图3所示，在对“衣服、水泥地面、墙壁、小狗”这些物体能否反射光的测查中，前测数据显示，不论是实验组还是对照组，认为这些物体能够反射光的学生比例均较低；而后测数据显示，实验组与对照组中认为这些物体能够反射光的学生比例均有所增长，实验组的增长量明显高于对照组。也就是说，实验组中有更多的学习者修正了原有的有偏差的认知，形成了科学的认知。

（二）“我看到了光的运动”微视频学习资源的设计解析与教学效果的实践检验

有部分学习者认为“光的传播不需要花费时间”，这是由于光的运动速度极快，人的视觉在时间分辨能力方面存在局限，无法捕捉到光的运动过程，所以形成有偏差的认知。针对这一偏差认知，研究设计了一条名为“我看到了光的运动”的微视频学习资源。在微视频学习资源的设计中，我们借助由MIT媒体实验室Camera Culture小组所开发的超高速摄影技术展示光的运动过程，以弥补视觉在生理方面的局限。在心理层面，则先通过让学习者“犯错误”的方式——即错误地判断稳定流动水流的运动状态，使其意识到视觉局限可能会让人做出错误的判断；接着将水流与光束进行类比，提出检验光是否运动的实验方案与技术；最后，运用前述的超高速摄影技术，展示光的真实运动情况，修正学习者的偏差认知。

如下页图4所示，在对“光的运动是否需要花费时间”这一观念进行测查的试题中，前测数据显示，实验组和对照组均有约50%的学习者认为光的运动需要花费时间，而后测数据显示，实验组中认为“光的传播需要花费时间”的比例上升至68.8%，对照组不但没有提升还略有下降，在转变学生这一偏差认知方面，实验组比对照组效果好。

五、研究结论

教学实验的研究结果显示，根据CVL微视频学习资源设计模型所开发的初中物理“光现象”微视频学习资源能够有效修正学习者的偏差认知，提升学业水平，这说明CVL微视频学习资源设计模型具有引导资源开发者设计优质学习资源的潜质。通过对CVL微视频學习资源设计模型的建构与应用历程的反思，我们可以将这个过程中的主要研究思想概括为以下四点：

（一）“偏差认知的形成与自身经验有关”的研究论断

模型的建构始于对学习者与初中物理“光现象”内容相关的认知起点的测查，测查结果显示在学习者的前概念中存在一些与科学事实不符的偏差认知。这些偏差认知的成因比较复杂，一些学者曾尝试从不同的角度建构理论来解释偏差认知的成因，但都没有获得学界的广泛认同，但有一点是比较明确的，那就是这些偏差认知跟学习者的经验有关，学习者的经验常为偏差认知提供支持。

（二）“视觉局限可能促使偏差认知的生成”的理论假设

本研究引入学习科学中的具身认知理论，对这些偏差认知的成因进行分析。根据“人的生理因素会影响人的心理”这一理念，我们认为使学习者产生偏差认知的生理因素很可能是学习者存在局限的视觉感知能力。视觉是学习者获取信息的重要渠道，但有局限的视觉可能使学习者获得不准确的信息，而这些不准确的信息又会形成不准确的经验，最终形成有偏差的认知。这一理论假设也能在一定程度上解释“有些偏差认知难以转变”“概念转变的效果难以持久”等现象。以经典的波斯纳的概念转变策略为例，其核心是使学习者怀疑偏差认知的可靠性、相信科学认知的合理性，从而实现偏差认知的转变，但由于视觉局限的存在，学习者几乎每天都会从视觉渠道获得支持偏差认知的视觉经验，这种日积月累的强化是科学认知和经典概念转变策略所不具备的，因此概念转变难以实现，其效果也难以长期保持。

（三）“从生理到心理，从感知到认知”的设计机理

本研究的学习资源设计模型提出了一条“从生理到心理，从感知到认知”的偏差认知转变路径，一方面通过技术弥补学习者在视觉上的局限，使学习者意识到“眼见未必为实”，阻断偏差认知的强化途径；另一方面，通过“技术增强后的视觉”提供丰富、客观的视觉经验，并对原有的视觉经验重新进行科学的解读，化“敌”为“友”，使其转变为支持科学观念的经验，最终使偏差认知得以修正，科学认知得以保持。

（四）“技术改善学习”的适切机遇

这一路径的提出得益于具身认知理论的观点，而这一路径的实现则得益于技术的发展，尤其是各类感觉增强技术的发展。例如，本研究使用了一段通过超高速摄影技术所拍摄的、用以展示光运动情况的视频素材设计了一条微视频学习资源，并通过这条微视频学习资源使学习者意识到光是运动的、光的运动需要花费时间，只是由于光的运动速度极快，我们的视觉捕捉不到而已。在超高速摄影技术出现之前，我们只能通过精密的物理仪器和复杂的实验设计证明光是运动的，但这种方式与简洁、直观的超高速摄影技术相比显然要逊色不少，而这类与学习文化、学习者需求以及具体学习内容都适切的、能够使学习者更容易理解和接受科学事实的新技术或许正是我们在技术的海洋中苦苦追寻的“能够改变教育的技术”，而本研究刚好处在这类技术不断涌现的时代，赶上了这一机遇。