知识可视化对网络学习认知负荷影响的实验研究

知识可视化对网络学习认知负荷影响的实验研究〔〕:

摘要：网络课程的日益开展为学习者提供了海量的学习资源，海量的信息可能会造成学习者认知负荷超载，而知识可视化是在科学数据可视化、信息可视化的根底之上开展而来的，并且逐渐成为人们关注的焦点。基于此，本文以认知负荷理论为支撑、将知识可视化和学习风格结合在一起，试图对学习者在网络学习中的学习效果进展实验研究，进而讨论网络教学中知识可视化的重要性。实验结果说明，在网络学习中适当运用知识可视化工具设计学习资源，并根据不同的学习风格为学习者推荐相应的学习资源，在一定程度上能进步学习者的学习效率。

关键词：知识可视化；认知负荷；学习风格

本文引用格式：丁静.知识可视化对网络学习认知负荷影响的实验研究[J].教育现代化，2022，6〔40〕：175-177.

一引言

许多研究指出，读图时代人们接收信息有视觉化趋势。知识可视化〔KnowledgeVisualization〕是研究视觉表征在改善人与人之间知识创造和传递中的应用。网络的日益开展，使得网络教育越来越普及，知识可视化是当今科学教育的热点研究领域。【1】通过网络学生可以更方便地进展学习，由于如今在校大学生的大局部时间都处于繁重的课业学习当中，迫切需要快速获取、理解、掌握、交流知识。知识可视化能减少认知负荷，解决信息过载问题，从而进步知识的学习，内化和运用效率。因此对网络学习中知识可视化和认知负荷的研究是很有必要的，以期能帮助大学生进展更加高效的学习。

本研究节选大学选修课?现代教育技术?课程中的微课的开展历程章节为实验材料。根据同一学习内容设计两个学习材料，一个是知识可视化版的实验组，一个是文字版的对照组，在网络学习中运用两个材料进展实验。讨论以下几个问题：实验组和对照组的学生，哪个的认知负荷低？在知识可视化材料中，不同学习风格的学生认知负荷如何？在文字版材料中，不同学习风格的学生认知负荷又如何？学习哪个材料的学习成绩更好？在每个材料中，具有不同学习风格的学生的学习效果如何？不同学习风格的学生更适宜哪种学习材料？

二文献综述

如何进步教学效率，使学生在有限的精力中投入最少、收获最多一直是教育领域追求的目的。大数据时代的到来，不仅使人们陷入了信息迷航，也出现了信息超载现象。在教育领域这样的状况也不可防止，大量信息的涌入，使学生在学习过程中出现信息超载，学习效率低下，而知识的可视化那么可以减轻信息超载现象。

1.知识可视化

在2022年，美国学者MatinJ.Eppler和RemoA.Burkard给出知识可视化的定义，他们认为，知识可视化是研究在两个人以上之间运用视觉表征手段进步知识创造和传递的领域，因此知识可视化也可被认为是所有能用来构成和传输复杂见解的视觉化表征手段。【2】2022年学者赵国庆对知识可视化的定义提出了修订，他认为知识可视化是研究如何应用视觉表征改良两个或更多人之间复杂知识创造与传递的一个学科。【3】

在教育教学领域运用知识可视化，应基于认知负荷理论。认知负荷决定着教学效率的上下，例如在学习同一知识点时，不同的呈现形式会产生不同的认知负荷，所以应考虑认知负荷。以下局部提供了与认知负荷相关的文献的综述。

2.认知负荷

认知负荷理论是1988年澳大利亚新南威尔士大学的心理学家Sweller提出的，该理论假设人类的认知构造由工作记忆和长时记忆组成。其中工作记忆也可称为短时记忆，它的容量有限，一次只能存储72条根本信息或信息块。长时记忆于1995年由Ericsson和Kintsch等提出。长时记忆的容量几乎是无限的。长时记忆是学习的中心，假设长时记忆中的内容没有发生变化，那么不可能发生持久意义上的学习。

衡量教学效率的最正确方式是将认知负荷和学习表现相结合。较低的认知负荷与较高的学习表现是最有效的。假设研究方法为学生提供不同的学习材料呈现方式，那么应搜集包括认知负荷和学习成绩在内的数据，进展测量分析，以多样的方法去衡量教学效率是一种可行的方案。然而，学生有不同的学习风格。以前的研究指出，承受一样学习方法的学生并不总是表现出类似的学习成绩。其中一个主要原因是学生有自己的学习偏好，所以下面局部讨论学习风格。

3.学习风格

许多学者已经证实学习风格对学习表现的影响。为了到达更好的学习效果，其他学者指出，教师不应该假设所有学生都有一样的学习方式，而是应该根据学生的不同偏好或要求准备适当的指导。本研究选取1997年Felder和Soloman根据Felder-Silverman学习风格模型设计的所罗门学学习风格问卷。现已得到越来越多研究者的认可，被CS383,MASPLANG,LSAS,TANGOW等国外著名的自适应学习系统所采纳，在大量实验数据的支持下，证明了其具有良好的适用性和信效度。【5】

三方法

1.学习材料的设计

在Sweller之后，经过许多心理学不懈的努力，认知负荷理论也逐渐得到完善。根据影响认知负荷主要因素：学习材料的复杂性、个体的先前知识经历与学习材料的组织和呈现方式的来源及性质，本研究控制其他因素并针对学习材料的呈现方式设计实验材料。

学习材料内容为大学选修课?现代教育技术?中的微课的开展历程。本研究基于知识可视化的教学设计，可视化的教学设计就是对语言、文字进展更加深化的信息加工，利用各种可视化的工具将复杂的教学过程用最简单的可视化形式表征出来。可视化的教学设计要关注教学设计过程的详细化、教学设计内容的图示化、教学设计思路的可视化、教学设计成果的共享化。

根据以上原理运用可视化工具MindManager对学习材料进展设计，设计完成后，请十多位没有学过该材料的本科生进展试学，对存在的问题进展反复修改，最后确定设计的实验材料，并且这十位同学不参加接下来的实验。可视化设计过的材料内容和未设计的文字版内容是一样的，只是表示方式不同。

2.被试

某大学面向全校学生开设选修课?现代教育技术?。某大学大一到大三共有96名学生选修?现代教育技术?课程，为使学生文理分布平衡，根据学生的专业、先前知识和学习风格类型从这96名同学中抽取40名同学作为被试。

3.测量工具

本研究采用的测量工具是学习风格问卷、认知负荷量表、先前知识问卷和课后测试题。前测包括学习风格和先前知识测验。实验前根据所学材料进展先验知识测试，以排除先前知识对实验结果的影响，先前知识问卷由两位现代教育技术的教师编制，具有一定的信效度。学习风格的测量用于区分两种相反学习风格的学生，学习风格问卷选取所罗门学习风格问卷的表象型/言语型维度，以说明这两种偏向的学生在哪种学习材料中的学习更好。

后测包括认知负荷和课后测试题。对于认知负荷的测量已形成许多主客观的测量方法,且各有利弊，【6】使用可靠、有效的认知负荷测量方式是本研究得到可靠结果中尤为重要的一步。本研究使用1994年Paas等开发的问卷，经Paas验证，该认知负荷测量问卷的信度系数为0.90。【7】课后测试题是根据所学材料编制的题目，有10道选择题，5道多项选择题和一道阐述题，总分值为100分。

4.实验程序

本实验设计两个自变量，一个是不同的学习材料〔即一个可视化材料，一个非可视化材料〕，另一个是不同学习风格的学生〔言语型和表象型〕。因变量为学习完材料后学生的认知负荷以及课后测试题的成绩。这项研究在计算机实验室中进展，学生每人一台网络畅通能正常运行的电脑。作者为整个实验的指导者。被试进入实验室前已填过先前知识和学习风格问卷，参加实验的40名同学均为低先前知识的学生，言语型和表象型各20名学生，随机分言语型和表象型各10名学生学习知识可视化材料〔实验组〕，剩下20名学生学习非知识可视化材料〔对照组〕。被试进入实验室、熟悉实验环境；指导者向被试介绍实验目的意义和流程；按分组进展学习，并完成相应的课后试卷和认知负荷测试；实验完毕。

四实验结果

这项研究调查了使用两种不同的学习方法对不同学习风格学生的认知负荷和学习成绩的影响。对实验结果利用SPSS23.0进展分析，主要结果如表1所示。

表象型学习风格的学生在学习知识可视化材料〔即实验组〕时的成绩最好〔84.9〕，认知负荷也最低〔5.5〕。言语型学习风格的学生在学习非知识可视化材料〔即对照组〕时的成绩高于表象型学习风格的学生，认知负荷也低于表象型学习风格的学生。说明不同学习风格的学生有不同的学习偏好。

实验组中表象型学习风格的学生认知负荷低于总体的认知负荷，且成绩高于总体成绩；对照组中言语型学习风格的学生认知负荷低于总体认知负荷，且成绩高于总体成绩。说明相对于不按学习风格设计学习材料，按照学习者学习风格设计的学习材料对学习者产生的认知负荷低，学习效率更高。实验组的成绩高于对照组，认知负荷低于对照组。说明知识可视化设计后的材料能进步学习者的学习效率。

五结论和讨论

以前的研究证实知识可视化的教学应用均对教学效果产生积极的影响，可以为学生带来更好的学习效果。[8]许多研究也证实，不同学习风格的学生有不同的学习行为和要求。[9]言语型风格的学生偏向于学习文字版的材料，而具有视觉型风格的学生习偏向于图片形式的学习材料。因此，在本研究中设计和讨论了不同学习风格的学生学习可视化和非可视化两种学习材料后的学习效果。

从本研究的结果得出结论，两个学习材料的设计考虑了学生的认知才能和承受才能，使学生能很好地完成实验任务。研究发现学生的学习风格在他们的认知负荷中发挥了关键作用。实验组中表像型学习风格的学生在学习可视化材料时具有最低的认知负荷，对照组中言语型学习风格的学生在学习非可视化材料时具有最低的认知负荷，表象型学习风格的学生学习可视化材料的认知负荷低于该材料的总体认知负荷，且成绩高于总体成绩，所以根据学习风格而设计学习材料学习效率更高。实验组学生的总体认知负荷低于对照组的学生，且成绩高于对照组的学生，说明知识可视化后的材料学习效率更高。因此建议不同学习风格的学生学习与之相对应形式的学习材料，以及在今后的教学中可采用知识可视化的形式，以减轻学习者的认知负荷，从而进步学习效率。

在这项研究中，样本量比拟小，学生只是在校的学生。因此，结果可能不适宜推广到年龄较小的学生。因此，将来的研究可以扩展到更广的年龄范围。此外，将来的研究可以考虑自我效能。也就是说，学生可以确定他们在现实生活中运用知识可视化进展学习的学习效果会不会更好。

参考文献

【1】代美泉.知识可视化在数控编程与操作教学中的应用探究[J].教育现代化,2022,5(06):171-172.

【2】EpplerM,BurkhardR.Knowledgevisualization:Towaxdsanewdisciplineanditsfieldsofapplications[J].WissenskommunikationinOrganisation,R.RainhardtandMaroonJ.Eppler,Eds,Springer,2022:241-254.

【3】赵国庆.知识可视化2022定义的