STEM教学中多媒体动画教学代理的设计因素

STEM教学中多媒体动画教学代理的设计因素

焦彩珍

西北师范大学 教育学院，甘肃 兰州 730070

摘要： 本文在对STEM类知识多媒体学习中的动画教学代理相关研究进行梳理的基础上，总结了STEM教学中多媒体动画教学代理的几条设计因素：学科内容、动画教学代理的视觉形象和声音、动画教学代理的手势以及学习者的先验知识水平。只要符合设计原则，动画教学代理可以促进学习者对STEM类知识的学习。

关键词：STEM；动画教学代理

一、STEM学习中的动画教学代理

自上世纪90年代起，随着计算机以及网络技术的发展，我国的教育正在经历着由移动互联网主导的深刻变革，传统的教育方式逐渐被取代。近年来随着在线教育的崛起，尤其是疫情期间的“停课不停学”，让我们看到了如MOOC等创新在线学习方式的前景。在线学习爆发式的增长归功于多媒体学习理论和方法的发展，多媒体技术在教学中越来越普及，带来了新的学习方式和学习环境。学习者从含有文本和讲解的课本、含有动画和解说的基于计算机的课程、含有图片和讲解的幻灯片中进行学习，这都属于多媒体学习(Mayer, 2009)，但在多媒体学习环境中，经常缺乏人与人之间的交互，所以近年来多媒体学习材料设计者将动画教学代理引入多媒体学习环境中来弥补这种不足。

动画教学代理是指在计算机屏幕上或多媒体学习动画材料中呈现的人物形象，主要是指在多媒体教学动画中设置拟人的虚拟人物，常以卡通人物为主，随着技术的发展，教学代理从以前的静态人物向动态、3D过渡。动画教学代理主要有两方面的作用：一是能够在学习中给予学习者引导、反馈、合作等，这属于内部功能；还有就是以一种高度拟人化的形象出现，借助表情、动作、手势等传达视觉信息，帮助构建多媒体学习环境，这是其外部属性(李文静, 2016)。动画教学代理可以在学习过程中给学习者提供支持和帮助，从而起到教学指导的作用(Wang, Li, Mayer, & Liu, 2018)。

STEM是科学、技术、工程、数学的简称，旨在培养拥有革新精神和创新能力的人才，加强学生的科学素养、技术素养、工程素养和数学素养，传统的教学方式不能很好地构建STEM要求的教学场景，基于多媒体教学如动画、虚拟现实等技术，使得STEM要求实现的教学方式及愿景成为可能。但是在多媒体学习材料设计过程中加入动画教学代理需要投入大量的人力和物力，为了促进学习者的学习，探讨其设计因素是十分必要的。

二、STEM类知识学习中多媒体动画教学代理的相关研究

在STEM类知识学习中多媒体动画教学代理的相关理论中，关于在多媒体学习中投入大量的工作所设计的动画教学代理是否能更好地促进学习，支持动画教学代理促进学习的理论主要有社会代理理论、社会存在感理论、具身认知理论，不支持动画教学代理的理论主要有多媒体学习认知理论、认知负荷理论和干扰理论。综合以上的理论来看，对动画教学代理是否能促进学习效果有一定的争议，但是从实证研究来看，动画代理对学习效果还是有一定的促进作用的。

在一项元分析研究中发现，教学代理能显著地提高保持测验成绩（g=0.19），迁移测验成绩（g=0.39）和其他测验成绩（g=0.31），元分析的结果支持动画教学代理可以有效地提高学习者的学习效果(Wang, Li, Xie, & Liu, 2017)。在一项添加了动画教学代理的多媒体学习课程中，学习内容是STEM类的课程，研究设置了有教学代理组和无教学代理组，通过眼动实验结果表明，有代理的学习组兴趣更高，注视次数更多，平均眼跳潜伏期更短，平均注视更短，加入教学代理没有减少学习者对学习内容的注意，结果支持社会代理理论，反驳了干扰理论(李文静, 2016)。

在另一项研究中(Wang et al., 2018)，学习内容也是STEM类的课程，研究通过设置有教学代理组和无教学代理组分别进行学习，结果发现有教学代理组相对于无教学代理组，学习者在保持和迁移测验成绩上结果更好，该研究中的眼动数据也表明学习者的各项眼动指标有代理组优于无代理组。在有教学代理的组中，学习者视觉注视多媒体学习材料的时间长于视觉注视教学代理的时间，这说明在有教学代理的组中，学习者只是用了很少的时间去看教学代理，教学代理并不是一个支配学生注意力的诱人的细节来干扰学习者的学习，学习者更多地是将教学代理视为老师或者是教学指导者，从而对学习内容有了更多的认知加工，这支持了社会代理理论，而反驳了干扰理论。

综合以上结果可以认为，在多媒体学习环境中加入教学代理可以提高学习者的学习效果，研究结果更多地支持社会代理理论，在有教学代理的多媒体学习材料中，学习者会使用深层次的认知加工策略理解教学代理所讲的内容，更好地将新信息和长时记忆中的信息实现整合，从而达到学习的目的。

三、STEM类知识学习中多媒体动画教学代理的设计因素

根据多媒体学习认知理论，多媒体学习材料设计要满足要求才能有效地促进学习者的学习效果，这些要求包括连贯、信号、冗余、空间连续、时间连续、分段、预训练、模拟、个性化、语音和图像等(Mayer, 2009)。从以往的多媒体学习研究来看，并不是说只要是多媒体学习，就比传统学习的效果要好；在涉及动画教学代理的学习中，也并不是说只要有动画教学代理，就比没有动画教学代理的要好。因为假如动画教学代理设计不能满足多媒体学习材料设计的要求，如不能有效地指导学习或者与学习者交互，如诱惑性的细节过于吸引学习者的注意，或者如指导内容和学习内容冗余，那么这样的动画教学代理就是对多媒体学习效果的一种阻碍，之所以有许多理论支持动画教学代理会阻碍学习，原因正是如此。

实证研究发现，动画教学代理的拟人化、声音、手势，学习者的先验知识水平是影响动画教学代理的重要因素。实证研究的结果不总是支持动画教学代理可以更好地促进学习效果，而是认为动画教学代理有时会影响学习效果，这是因为受到了某些调节变量的制约，针对动画教学代理的设计，这些调节变量主要包括学科内容、动画教学代理的视觉形象和声音、动画教学代理的手势以及学习者的先验知识水平。

1.学科内容

动画教学代理实证研究中学习内容主要是选取STEM类别的内容，比如生物、物理、数学等领域，人文领域的学习内容研究较少，可能的原因是因为人文领域需要学习者更多的经验或者是长时记忆，而多媒体学习实验设计的时长一般都较短，多只针对某个知识点，这不足以使得学习者的工作记忆和其长时记忆整合，这也说明了先验知识的重要性。根据现有的研究来看，STEM学习内容通过含有动画教学代理的多媒体学习会产生比较好的学习效果。

2.动画教学代理的视觉形象和声音

在以往的研究中，动画教学代理的类型主要是人物代理和动物代理，人物代理又分为真人代理和拟人代理，有研究发现拟人化的人物代理优于真人代理，主要的原因是基于班杜拉的学习理论(Bandura, 1977)，人们更喜欢模仿和学习那些与自己相似的人的行为，当教学代理的视觉形象与人越相似时，学习者更喜欢倾听和接受教学代理的指导，会更好地学习，这跟社会代理理论相一致。

当动画教学代理以语音的方式呈现文本信息，以声音的形式进行讲解时，信息通过学习者的视听双通道进行加工，所以动画教学代理讲解通过语音的方式最好，因为要是动画代理通过文本的方式呈现指导信息，首先不够拟人化，不能和学习者产生交流，再者教学代理产生的信息会和学习材料内容产生冗余，这会占用学习者有限的认知资源，阻碍学习者对核心学习材料内容的理解和加工。语音的方式又可以分为机器合成语音和真人录制语音，根据Mayer提出的多媒体学习设计原则(Mayer, 2009)，与机器的声音相比较而言，多媒体学习信息用人类的声音录制时，学习效果会更好，因为这更容易让学习者把教学代理当作社会伙伴，在Mayer的研究中也证实，当代理的声音为人类的声音时，学习者的学习成绩优于当代理的声音为机器合成的声音(Mayer & DaPra, 2012)，所以，当代理的声音为人工录制的声音时，学习者会有更好的学习效果。

3. 动画教学代理的手势

在传统的课堂教学中，教师在与学生面对面进行交流、讲解重要的课程内容时，通常会使用手势来吸引学生的注意力，根据社会代理理论，动画教学代理作为在多媒体学习中的“教师”，加入手势这种社会线索，可以有效地提高学习效果。根据具身理论，带有手势的高具身性的动画教学代理可以使学习者花更多的时间注意学习材料的核心内容，而且这种手势指向了动画教学代理正在讲述的文本或者图片，这促进了学习者对学习内容更为有效的认知加工。在一项研究中，研究者设置了四个实验组：有教学代理有手势组、有教学代理无手势组、无教学代理有手势组、无教学代理无手势组，通过学习相关材料，来验证动画教学代理和手势对学习的作用。研究结果表明，有教学代理有手势组学习者的学习效果好于其他组，并且有手势的组保持和迁移测验成绩显著高于没有手势组的学习者，这支持了社会代理理论和具身认知理论(Wang et al., 2018)。所以，在动画教学代理中加入手势，可以显著地提高学习者的学习效果。

4. 学习者的先验知识水平

在多媒体学习领域，学习者的先验知识水平是影响多媒体学习效果的重要因素，先验知识水平指的是学习者具有某个特定领域知识和经验的程度(Kalyuga & Renkl, 2010)。根据多媒体学习认知理论，学习者首先选择信息，之后通过工作记忆中视听双通道对信息进行加工，最后，信息要经过与长时记忆中存储和提取的信息进行整合，才能完成学习。所以，假如学习者先验知识水平较低，那么学习者在长时记忆中没有建立相关图式，这会导致学习者在学习过程中新的信息难以与长时记忆建立联系，容易造成认知负荷的过载，并可能使学习者感知学习内容枯燥无趣甚至厌烦。但是如果学习者先验知识水平过高，就会出现经验逆转效应，即是一些对低知识经验个体有效的教学设计方法对高先验知识水平的学习者不起作用，甚至阻碍其学习。可能的原因主要是高先验知识水平的学习者已经有了认知的自动化和图式，不需要代理就可以使新信息和长时记忆建立联系，教学代理的加入反倒会打乱高先验知识水平学习者的自动化加工和认知图式，阻碍其学习。一项研究结果表明，在低先验知识水平的学习者中，有教学代理的学习成绩显著优于没有代理的学习者的学习成绩，但是在高先验知识水平的学习者中，有无教学代理，差异并不显著，这支持了经验逆转效应(李文静, 2016)，学习者的先验知识水平是多媒体学习中动画教学代理影响学习效果的调节变量和边界条件。

四、总结与展望

多媒体学习中的动画教学代理能否有效地促进学习者的学习效果，近年来有一定的争议，因为有些研究结果表明加入动画教学代理的学习材料显著提高了学习者的学习效果，而有些研究表明动画教学代理并不能促进学习者的学习。根据已有研究，首先，动画教学代理可能对人文类知识的学习效果不太显著，但是对STEM类知识的学习效果较为显著；其次，动画教学代理设计中，拟人化的、使用录制的人声的、加入指向性手势的动画教学代理对学习效果的促进作用更为明显；最后，学习者的先验知识水平是影响动画教学代理有效性的重要因素。这些因素在动画教学代理的研究和教学实践中都是十分重要的。

综上所述，社会代理理论、社会存在感理论和具身认知理论都支持动画教学代理能够激活学习者的社会反应，从而促进学习者的认知加工。所以，在多媒体学习材料中加入符合要求的动画教学代理，可以有效地促进学习者的学习效果。在未来多媒体教学中，针对STEM类的知识，在条件允许的前提下，只要符合相关设计原则，设置动画教学代理来促进学习是一条比较有效的途径。

参考文献：

[1]Bandura, A. (1977). Self-efficacy: Toward a Unifying Theory of Behavioral Change. Psychological Review, 84(2), 191-215. doi:10.1016/0146-6402(78)90002-4.

[2]Kalyuga, S., & Renkl, A. (2010). Expertise reversal effect and its instructional implications: introduction to the special issue. Instructional Science, 38(3), 209-215.

[3]Mayer, R. E. (2009). Multimedia learning / 2nd ed. New York: Cambridge University Press.

[4] Mayer, R. E., & DaPra, C. S. (2012). An embodiment effect in computer-based learning with animated pedagogical agents. J Exp Psychol Appl, 18(3), 239-252. doi:10.1037/a0028616.

[5]Wang, F., Li, W., Mayer, R. E., & Liu, H. (2018). Animated pedagogical agents as aids in multimedia learning: Effects on eye-fixations during learning and learning outcomes. Journal of Educational Psychology, 110(2), 250-268. doi:10.1037/edu0000221.

[6]Wang, F., Li, W., Xie, H., & Liu, H. (2017). Is pedagogical agent in multimedia learning good for learning? A meta-analysis. Advances in Psychological Science, 25(1). doi:10.3724/sp.J.1042.2017.00012.

[7]李文静, 童钰, 王福兴,康素杰,刘华山,杨 超. (2016). 动画教学代理对多媒体学习的影响: 学习者经验与偏好的调节作用. 心理发展与教育, Vol． 32，No． 4，453-462.

[基金项目] 西北师范大学教育学院教师教育职前职后一体化研究项目：“基于学习共同体理论的教学实习模式研究”（项目编号：YTH09）

[作者简介] 焦彩珍（1968——），女，甘肃秦安人，教育学博士，西北师范大学副教授，主要从事课程与教学论、数学教育研究