多媒体学习中线索原则是否存在经验逆转效应？-来自两项元分析的证据 *

赵婷婷 杨晓梦 张 洋 王燕青 谢和平 王福兴

(1 华中师范大学心理学院，武汉 430079) (2 南京师范大学心理学院，南京 210000)

1 引言

线索原则（signaling/cuing principle）指出，个体在学习加入线索的学习材料时，学习效果更好（van Gog, 2014）。在学习材料中加入线索，能够吸引学习者的注意，促进学习者对学习材料的选择、组织和整合加工（de Koning & Jarodzka, 2017；van Gog, 2014）。但也有研究者指出，教学设计的有效性可能会受到学习者知识经验的影响，提出经验逆转效应（expertise reversal effect）：即对低先备知识者有效的教学设计可能对高先备知识者没有促进作用甚至会阻碍学习（Kalyuga, 2007；Kalyuga, Ayres, Chandler, & Sweller, 2003）。那么，在多媒体学习环境下，线索这种教学设计是否也存在经验逆转效应？如果存在，其背后的原因是什么？这些问题值得探究。为此，本研究通过两个元分析分别综合以往线索对高、低先备知识者影响的研究，检验多媒体学习环境下线索原则是否存在经验逆转效应，以及能否从认知负荷理论视角解释线索原则的经验逆转效应。

1.1 经验逆转效应

认知负荷理论是经验逆转效应产生原因的一种理论解释（Kalyuga, 2007； Sweller, 2005）。该理论认为，长时记忆中储存着大量图式，这些图式将概念和问题解决程序分类表征。在执行任务时，相关图式被激活以指导当前任务的加工。此外，该理论认为人的认知资源是有限的，认知负荷分为三类：内在认知负荷（intrinsic cognitive load）、外在认知负荷（extraneous cognitive load）（阻碍学习的认知负荷，受学习材料设计影响）、相关认知负荷（germane cognitive load）（Sweller, 2005）。学习者执行学习任务时的总认知负荷是内、外两种认知负荷之和（Sweller, 2010； Sweller, Ayres, &Kalyuga, 2011a）。如果学习过程中的总认知负荷超出认知资源总量，则会发生认知超负荷并对学习产生不利影响（Paas, Tuovinen, Tabbers, & van Gerven, 2003）。

对于经验逆转现象产生的原因，认知负荷理论给予了解释。对于低先备知识者，其长时记忆中缺乏任务相关图式，在执行任务时缺乏来自图式的内部指导。而为其提供外在教学支持则弥补了内部图式的缺失，从而避免学习者采用认知无效的尝试错误策略，降低学习过程中的认知负荷并促进学习（Kalyuga et al., 2003）。

而高先备知识者已经获得相关知识图式，此时教学设计者提供的教学支持可能与来自内部图式的指导重合，外部教学支持反而成了冗余信息。加工冗余教学支持占据了高先备知识者额外的认知资源（Kalyuga et al., 2003）。在这种情况下，一方面，高先备知识者会体验到更高的外在认知负荷，但总认知负荷可能尚未超出工作记忆资源总量，从而不会对学习造成阻碍。另一方面，如果加工冗余教学支持所消耗的外在认知负荷较高，导致认知超负荷，那么额外教学支持反而会降低其学习效果（Paas et al., 2003）。外部教学支持能够促进低先备知识者的学习而对高先备知识者没有促进作用甚至阻碍学习，分别反映了部分的和完全的经验逆转（Kalyuga & Renkl, 2010）（见图1）。

图 1 基于认知负荷理论的经验逆转效应

1.2 线索原则与经验逆转效应

对于低先备知识者，线索会为其学习带来积极影响。由于缺乏来自长时记忆中相关图式的内部指导，低先备知识者对信息的选择性注意更多的是一个自下而上的过程，受学习材料在视觉上的突出程度影响更大（Lowe, 1999）。但在实际学习中，视觉上较为突出的信息不一定和学习主题相关（Schnotz & Lowe, 2008）。在这种情况下，低先备知识者的注意很容易被在视觉上突出的无关元素吸引，导致认知资源被用于加工与学习目标无关的信息，从而导致相关信息没有得到深入加工，不利于学习。而线索是教学设计者加入的视觉凸显，能够更迅速地将低先备知识者的注意吸引到相关学习内容上（de Koning & Jarodzka, 2017；van Gog, 2014），降低了视觉搜索带来的认知负荷，避免了认知超负荷现象的发生并促进学习。

而对于高先备知识者，线索可能会阻碍学习。在学习过程中，高先备知识者在长时记忆相关图式的指导下能够注意到任务相关信息（Canham &Hegarty, 2010； Jarodzka, Scheiter, Gerjets, & van Gog,2010）。线索是教学设计者加入的外部引导，高先备知识者需要识别线索的意义（Richter, Scheiter, &Eitel, 2016）。这些额外加工过程占据了部分认知资源，相比于没有线索的教学条件，高先备知识者加工有线索的学习素材会消耗更多的认知资源。因此加入线索可能不会对高先备知识者产生促进作用，甚至会阻碍学习。

1.3 研究目的及假设

尽管根据理论推断，线索原则可能存在经验逆转，但目前缺少多媒体学习中线索原则是否存在经验逆转的客观证据，以及线索如何影响高、低先备知识者学习过程中的认知负荷。为此，本研究通过两个元分析来解决上述问题。分别综合了以往线索对高、低先备知识者认知负荷及学习结果影响的研究。如果线索对低先备知识者学习效果的元分析结果是积极的，而对高先备知识者学习效果的元分析结果不显著或是消极的，则可以认为线索原则存在经验逆转。此外，通过分别对线索如何影响高、低经验学习者的认知负荷进行考察，以检验线索原则经验逆转的认知负荷理论解释是否正确。

根据以上论述，本研究提出假设1：线索原则存在经验逆转效应；假设2：线索能够降低低先备知识者的认知负荷，但会增加高先备知识者的认知负荷。

2 研究方法

2.1 文献检索与纳入标准

使用关键词“cue”、“signals”与“multimedia learning”组合在谷歌学术、PsycINFO、ERIC、ProQuest 博硕士论文全文数据库等对相关英文文献进行搜索并参照相关文章的参考文献列表进行搜索。使用关键词“线索”、“信号”与“多媒体学习”组合在百度学术、CNKI 中国学术期刊网络出版总库等数据库中对相关中文文献进行检索，同时参照相关研究的参考文献列表对文献进行搜索。文献检索时间截至2019 年10 月。

元分析的纳入标准如下：（1）研究是线索对多媒体学习影响的研究，即学习材料既包含文本或讲解又包含画面信息（Mayer, 2014）；（2）研究应明确表明被试经验水平或提供先前知识测验得分；（3）研究是实证研究，需设置线索组和控制组；（4）研究应报告能计算效应量的统计数据。

2.2 文献编码

对纳入文献按照以下标准进行编码：（1）文献基本信息（作者、时间、样本量）。（2）被试经验水平。对明确表明被试经验的研究，按照所提供信息进行编码。如未提供明确信息，则参照先前研究（Schneider, Beege, Nebel, & Rey, 2018），按被试先前知识测验得分相对于总分的百分比对被试进行划分，先前知识测验得分在总分50%以下或以上，分别编码为低或高先备知识者。（3）学习成绩，若测验考察被试对内容的识记则将其编码为保持，若考察对内容的理解则将其编码为迁移。（4）主观认知负荷，不同的研究会采用多种指标测量认知负荷，最通常使用的是感知难度和主观评定心理努力（Sweller, Ayres, & Kalyuga,2011b）。研究者认为这两种指标均是对总认知负荷的测量（Paas et al., 2003； Sweller et al., 2011b）。考虑到元分析效应量独立性的基本假设，即单个研究不能生成多个主观认知负荷效应量（Hedges,Tipton, & Johnson, 2010），本研究选择感知难度作为主观认知负荷指标，在研究未提供感知难度的情况下采用主观评定心理努力作为认知负荷指标。

2.3 效应量

本研究采用效应量参数的无偏估计Hedge’sg作为效应量指标（Hedges & Olkin, 1985）。当线索条件下的保持、迁移测验及主观认知负荷低于控制组时，效应量方向为负。

2.4 模型选取及发表偏差检验

鉴于元分析纳入的文献在使用的线索类型、学习材料等方面存在差异（Hedges & Vevea, 1998），选取随机效应模型计算合成效应量，置信区间设置为95%。此外，通过事后异质性检验Q检验进一步考察随机效应模型的选取是否合理（Lipsey &Wilson, 2001）。发表偏差是指统计检验结果显著的研究更容易发表进而更容易被纳入元分析，导致元分析可能会过高估计研究的真实效应（Borenstein,Hedges, Higgins, & Rothstein, 2009）。本研究采用常用的Egger 线性回归检验元分析是否存在发表偏差（Egger, Smith, Schneider, & Minder, 1997）。

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

3 结果

3.1 纳入的研究

线索对低先备知识者效应的元分析共纳入来自40 篇文献的44 项实验，其中生成基于研究水平的保持、迁移、认知负荷效应量分别为36、38、25 个。总样本量n=3699，其中线索条件下的样本量为n=1983。

线索对高先备知识者效应的元分析共纳入16 篇文献的19 项实验，分别生成16、17 及12 个保持、迁移及认知负荷效应量。总样本量n=1269，其中线索条件下的样本量n=664。

3.2 线索对高、低先备知识者保持成绩的影响

对于低先备知识者的元分析结果发现线索对保持成绩有小到中等的效应，Hedge’sg=0.32，95%CI[0.17, 0.47]，p＜0.001，表明线索能促进低先备知识者知识的保持。

对于高先备知识者，结果表明线索对其保持成绩没有影响，Hedge’sg=-0.06，95%CI[-0.53,0.41]，p=0.793。

3.3 线索对高、低先备知识者迁移成绩的影响

对于低先备知识者，线索对其迁移测验成绩有小到中等的效应量，Hedge’sg=0.37，95%CI[0.22, 0.52]，p＜0.001，表明线索能够促进低先备知识者知识的迁移。

但对于高先备知识者，线索对其迁移成绩没有影响，Hedge’sg=0.15，95%CI[-0.10, 0.40]，p=0.231。

结合线索对高、低先备知识者保持、迁移成绩的元分析结果，线索能促进低先备知识者的保持和迁移，但对高先备知识者没有影响，支持了假设1，即线索原则存在经验逆转且属于部分经验逆转效应。

3.4 主观评定认知负荷

结果发现线索对低先备知识者的认知负荷有显著效应，Hedge’sg=-0.17，95%CI[-0.31, -0.04]，p=0.012，加入线索能够降低其认知负荷。

而对于高先备知识者，元分析结果表明线索对其主观认知负荷无影响，Hedge’sg=0.05，95%CI[-0.23, 0.32]，p=0.734。

线索对高、低先备知识者认知负荷效应的两个元分析结果部分支持了假设2：验证了在学习材料中加入线索能够降低低先备知识者的认知负荷，但未验证加入线索会增加高先备知识者认知负荷的假设（见表1和表2）。

表 1 线索对低先备知识者的元分析

表 2 线索对高先备知识者的元分析

3.5 异质性检验

对两个元分析的3 种结果变量分别进行异质性检验（见表1和表2），结果发现Q检验均显著，表明效应量之间显著异质，因此本研究采用随机效应模型比较合理。

3.6 发表偏差检验

采用Egger 线性回归对两项元分析进行发表偏差检验，结果表明Egger 线性回归检验均不显著，可认为元分析不存在较大发表偏差（见表1和表2）。

4 讨论

本研究通过分别综合多媒体学习领域中线索对高、低先备知识者影响的研究，结合元分析结果以检验线索原则是否存在经验逆转效应，并验证认知负荷理论能否解释线索原则的经验逆转现象。

关于线索原则是否存在经验逆转效应，元分析结果表明在保持和迁移成绩上，线索对低先备知识者均有促进作用；而线索对高先备知识者的保持和迁移成绩没有影响。学习成绩的元分析结果均支持了假设1，即线索原则存在经验逆转效应且属于部分经验逆转。该结果与Richter 等人（2016）的研究结果一致。但在Schneider 等人（2018）有关线索效应的元分析中，并未发现学习者知识经验对线索的调节作用，这和本研究的结果不一致。可能的原因是本研究的元分析纳入文献均属于多媒体学习环境下的研究，而Schneider 等人的研究纳入了大量线索对纯文本学习影响的文献。因此，所关注学习环境的差异可能是研究结果不一致的原因。在多媒体学习领域，直接探究先前知识水平与线索有效性之间关系的实证研究数量有限，在本研究检索到的文献中，其中有3 项研究发现线索原则存在部分经验逆转（Arslan-Ari, 2018；Johnson, Ozogul, & Reisslein, 2015； Johnson, Ozogul,Moreno, & Reisslein, 2013）；1 项研究没有发现线索原则的经验逆转（Wang, Zhao, Mayer, & Wang,2020）。总体来看，这和本研究的线索原则存在部分经验逆转的结论相一致。

关于认知负荷理论能否解释线索原则的经验逆转效应，主观认知负荷的元分析结果部分支持了认知负荷理论：即加入线索的确降低了低先备知识者的主观认知负荷；但和预期不符的是，加入线索并没有引发高先备知识者更高的认知负荷。这可能是因为高先备知识者并没有耗费较多认知资源对加入的线索进行深入加工。元认知策略领域的研究表明，学习者在学习过程中会对当前信息与自身学习目标的相关性进行评估，如果特定信息被评价为与学习目标无关，自我管理学习能力较高的学习者会避开这些无关内容寻找更合适的内容进行加工（Azevedo, 2014）。对于高先备知识者，线索对他们进一步学习的发生没有促进作用，高先备知识者会对这些线索的价值进行评估并将其评价为低学习相关信息。因此，高先备知识者可能并不会进一步加工这些线索信息，进而没有引发更高认知负荷并损害其学习效果。先前研究也发现，当提供错误的图文匹配线索时，眼动数据表明学习者仅会在学习初期对这些错误的线索进行加工，而随后的学习过程中，学习者在意识到这些线索不能为学习带来帮助后便不再注意这些线索，因此不匹配的线索并未影响学习表现（Scheiter & Eitel, 2015）。

5 结论与展望

通过结合线索对高、低先备知识者学习结果和认知负荷效应的元分析，本研究发现线索原则在多媒体学习情境下存在部分经验逆转，且部分支持了经验逆转效应的认知负荷理论解释。

在学习领域，经验逆转效应的实证研究通常采用知识经验测验得分中位数二分的方式来划分高、低经验学习者，也即“高经验学习者”并非真正意义上的专家，而是知识水平相对较高的学习者（Rey & Buchwald, 2011）。参照以往研究将先前知识测验得分在总分50%以上或以下的被试分别划分为高、低经验者的模式（Richter et al.,2016； Schneider et al., 2018），本研究也采用了类似的分类方式。考虑到每项研究所使用的先前知识测验难度不同，这样的划分方式可能不够精确。另外，50%的标准可能降低了高、低经验者的差异，未来研究应考虑差异更大的划分方式，如：选取经验是前、后27%的被试。

此外，本研究采用感知难度或主观评定心理努力作为学习者学习过程中总认知负荷的测量指标，尽管这一做法和部分认知负荷领域的研究相一致（Kalyuga, Chandler, & Sweller, 2001； Paas & van Merriënboer, 1994），但也有研究发现，感知难度和心理努力是对不同类型认知负荷的测量。如，Deleeuw 和Mayer（2008）发现主观评定心理努力对内在认知负荷的变化更敏感；Cierniak，Scheiter和Gerjets（2009）通过让学习者评价学习内容难度及学习材料难度来分别测量学习者学习过程中的内在及外在认知负荷。因此，认知负荷评估方法上的争议需要后续研究结合经验逆转进行深入探讨。

未来研究也可以考虑采用这种元分析方式检验其他教学设计原则是否存在经验逆转效应。