数字化学习过程的相关特征研究中国教育科学研究院.docx
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数字化学习过程的相关特征研究中国教育科学研究院
《数字化学习过程的相关特征研究--基于网页结构与视线轨迹耦合关系的考察》成果公报
来源:
全国教育科学规划领导小组办公室 发表时间:
2012-09-19 阅读次数:
17 作者:
全国教育科学规划领导小组办公室
宁波大学刘世清主持完成了全国教育科学“十一五”规划教育部重点课题《数字化学习过程的相关特征研究--基于网页结构与视线轨迹耦合关系的考察》(课题批准号:
DCA080142)。
课题组成员有:
赵一鸣、王海燕、关尔群、刘景福、徐光涛、李潇、周鹏、许如清、左建军、文月、马海红。
一、内容与方法
(一)研究内容
本项目的研究内容主要有以下四方面:
①网络信息元及其基本形态与组织模式
主要对组成网页的元素进行了研究,提出网络信息元的概念,并对网络信息元的类型进行了划分,对网络信息元组成网页界面的组织模式进行了阐述与分析。
②大学生浏览中文教育网页的相关视觉特征
本部分主要探讨了大学生浏览中文类教育网页所需要的平均时间、网页界面中的注视热区、第一注视点及浏览趋势等视觉参数与特征。
③多媒体学习过程中信息元素呈现的时间特征
多媒体学习过程中信息元素与信息元素之间的呈现时间有两种:
第一种是信息元素内的画面信息和语词信息之间的呈现时间,第二种是信息元素间的呈现时间。
而信息元素之间的时间特征主要表现为“自主控制时间”与“系统控制时间”。
④教育网页的结构特征及其设计原则
在眼动实验的基础上,重点研究了文本-动画类教育网页的结构特征与设计原则和文本-图片类教育网页的结构特征与设计原则,为教育类网页界面的结构设计提供了实验依据和参考数据。
(二)研究方法
主要通过系统分析方法研究多媒体网页的结构模式与基本特征;通过视线跟踪实验方法对各种类型的多媒体网页所对应的视线轨迹进行实验测量研究;用统计分析、归纳方法对不同类型的视线轨迹进行概括,找到学生利用多媒体网页进行学习时的视线规律,概括出视线规律对学习方式变革的影响。
本研究主要采用了研究方法:
①文献分析法
对相关文献进行查阅、分析和整理,了解国内外相关研究的现状和研究成果,为本课题的研究提供借鉴。
通过文献检索和系统分析方法,研究网络信息元组织的形式与特征;了解国内外在网页界面设计方面的相关研究。
②眼动实验法
依据现有的科学理论和实践的需要,提出设计,利用科学仪器和设备,在自然条件下,通过有目的有步骤地操纵,根据观察、记录、测定与此相伴随的现象的变化来确定条件与现象之间的因果关系,以获得各种自变量与某一个因变量的关系。
采用眼动实验法,通过视线追踪仪记录大学生浏览不同结构网页的视线轨迹。
运用视线追踪仪相关软件记录眼动实验数据,并结合数据分析软件统计分析各项眼动指标。
③归纳法
实验之后,对实验结果进行比较分析,通过分析、对比、总结大学生浏览不同结构网页的眼动规律,提出不同结构网页界面设计时内容安排的一般原则。
④定性分析法:
就是对研究对象进行“质”性方面的分析。
具体指运用归纳和演绎、分析与综合以及抽象与概括等方法,对获得的各种材料进行思维加工,从而去粗取精、去伪存真、由此及彼、由表及里,达到认识事物本质、揭示内在规律。
二、结论与对策
(一)网络信息元及其基本形态与组织模式
①信息元与网络信息元
信息元是构成信息的最小单位,它完整的表达一个信息的各方面属性,无数个信息元的组合就构成了我们平时所获得的众多消息、知识;而网络信息元是构成网页界面的基本单位,它所包含的信息具有一个中心主题,无数个网络信息元就构成了网页的基本内容。
信息元可以小到一个字、一个词,也可以大到一个段落,一篇文章。
②网络信息元的基本形态
网络信息元同我们所熟悉的信息、知识一样,具有文字、图形、动画等基本形态。
③网络信息元组织模式
根据网页界面的结构和设计要求,对网络信息元的结构和链接关系进行各种形式的组织,可以形成以下几大类的组织模式:
A纯文本信息元组织模式;B文本—图片(图形)信息元组织模式
C文本—动画信息元组织模式;D文本—音频信息元组织模式
E文本—图片加音频式信息元组织模式;F电影式信息元组织模式
(二)大学生浏览中文教育网页的相关视觉特征
①大学生浏览单张网页的平均时间
通过眼动实验来探究大学生浏览单张中文教育网页的平均时间有两方面的意义:
一是可以知道大学生浏览中文教育网页所花的平均时间,为以后制作网页,特别是使用网页进行教学提供一个关键的时间值,即浏览一张网页所需要的最少时间;二是为后续研究工作——用实验方法研究注视热区、首次注视点和浏览视线规律等提供实验设计的基本参数。
大学生在浏览不同的中文教育网页时,浏览时间平均值为11.29s。
也就是说,在这个时间内大学生可以将网页全部浏览完毕,并判断网页中是否有自己所关注的信息,进而做出继续浏览或从网页中跳转出来的选择。
②大学生浏览中文教育网页的视觉特征参数
本实验研究将网页平均划分为9个区域(见图1),可得到以下结论:
图1
A教育类网页中的第5区域为注视热区
通过对数据的分析我们可以看出,教育类网页的中的第5区域内的注视点数量值与注视时间值都比网页中其它区域中的要高,而且与其它各区相比差异十分显著。
网页中注视热区的排序为:
5—2—8—(4—6)—1—9—3—7。
根据这一研究结果,设计网页时可以根据多媒体元素的重要程度来安排它们到不同的区域,以尽可能的符合浏览者的认知规律,实现网页功能的优化。
B教育类网页中的第1区域为首次注视点最多的区域
通过对数据的分析我们可以看出,第1区域内的首次注视点数量值比其它区域中的数值要高,而且与其它各区相比差异十分显著。
也就是说大学生在开始浏览教育类网页时,网页中的第1区域最吸引浏览者的注意力。
网页中的第2、5区域与其它区域间也存在着一定的差异,这两个区域中首次注视点的个数相对较多。
所以,网页中首次注视点按次数多少的排序为:
1—2—5—(4—3)—7—8—6—9。
这一研究结论可以指导我们在进行网页设计时有效地安排知识内容的呈现顺序和起始点。
C浏览网页的视线轨迹大致为:
从左上角到右下角
通过网页浏览者的浏览视线描述图,我们可以很直观的看出,浏览者的视线起始于网页的第1区域,并有从网页的左上角向右下角滑行的趋势。
(三)多媒体学习过程中信息元素呈现的时间特征研究
多媒体学习过程中信息元素的呈现时间有两种方式:
第一种是信息元素内的画面信息和语词信息的呈现时;第二种是信息元素之间的呈现时间,主要表现为“自主控制时间”与“系统控制时间”。
①信息元素内时间差小于1S,保持与迁移的效果最好
通过实验研究发现:
A多媒体学习中,在信息呈现的组合方式上,图片信息+声音文本的组合,其保持与迁移的效果在一定范围内优于图片+视觉文本组合的效果。
这验证了“通道效应”的存在。
B图片信息与语词信息的呈现时间间隔在1S之内,学习者的迁移与保持效果最好。
呈现时间间隔超过2S,学习者的保持与迁移效果迅速下降。
学习者在学习的过程中,要把来自画面信息的表征和来自语词信息的表征建立连接,两种信息的呈现时间越接近,连接越容易建立。
②自主控制步调的学习效果优于系统控制步调
A学习者自主控制步调时,学习的保持与迁移效果均优于系统控制步调。
B“通道效应”只出现在系统控制步调的多媒体学习中,而在学习者控制步调的多媒体学习中,声音解说相对视觉文本的优势消失。
相反,图片+视觉文本的媒体组合呈现对于学习者迁移成绩的提高起着极大的作用。
C在学习时间上,学习者控制步调与系统控制步调之间有着非常显著的差异。
建议与对策
A多媒体教学材料设计与开发中,画面信息与语词信息最好能在1S的范围内达到“同时呈现”;如果是计算机控制学习步调时,信息元素的组合最好选择声画组合,这样可能更有利于学习者的理解和记忆。
如果是学习者控制学习步调时,信息元素是声画组合还是图片与视觉文本的组合没有明显区别,因为学习者可以用延长学习时间来进行弥补。
B多媒体教学材料在设计与开发时,信息呈现的控制方式做到两者兼顾.虽然实验结果显示,多媒体学习材料中信息元素间的呈现过程由学生控制步调比由计算机控制,其学习效果要好,尤其是网络类多媒体学习材料大部分是属于学生控制步调型。
但也不是说多媒体学习材料就不能设计开发成计算机控制步调型,如果设计时能充分考虑到学生的平均水平,还是可以把合适的内容、合适的过程环节设计成计算机控制步调型,使多媒体学习材料呈现过程的控制方式能根据实际需要恰当地结合,做到两者兼顾,以增强整体感,从面提高学习效果和效率。
C运用多媒体进行教学时,教师要遵循时间“同时呈现”的原则.
从实验的结果及同行的相关研究结果可以看出,信息元素的图画与声音在呈现时,遵循同时呈现原则将能在一定程度上保障学习取得较好的成果,教师在控制呈现过程的时间间隔时应该尽量接近在1S之内,不要超出这个界限,这是对教师进行多媒体教学时关于声画同步的一个具体建议。
D教师在运用多媒体教学时,要充分考虑学生接收这些信息时所需要的平均时间.多媒体教学中学习步调由学习者控制时其学习效果要比计算机控制好,但在课堂教学中这个过程往往是由教师控制的,信息元素间的时间间隔的长短在理论上要依据学习者接收这些多媒体信息所需要的平均时间来确定。
而这个平均时间又由知识内容的难易程度和学生知识水平共同决定,需要教师根据实际情况来合理地确定。
(四)文本-图片类教育网页的结构特征与设计原则
本实验的网页结构选择了上文下图型、上图下文型、左图右文型、左文右图型等四种主要形式,见图2-5。
图2上图下文型图3上文下图型
图4左图右文型图5左文右图型
①文本-图片类教育网页的结构特征
A在文本-图片类网页结构中,左图右文结构对文本而言为最优结构;对图片而言为最劣结构。
B在文本-图片类网页结构中,上图下文结构对文本而言为最劣结构;对图片而言为最优结构。
C对于文本-图片网页结构中的右图左文结构和下图上文结构,由于其被注视的时间、注视点的个数等视觉参数居中,没有明显的优势与劣势。
所以,当文本与图片所表达的知识内容同等重要时,可以考虑采用这两种结构形式。
这样,对于文本-图片网页,我们在设计它的结构时,结合文本和图片所要表达知识内容的重要程度,可以合理选择所需要的网页结构形式,以符合人类阅读多媒体的习惯与规律,发挥多媒体的最大功能。
②文本-图片类教育网页界面设计的基本原则
通过剖析文本-图片类教育网页的结构特征,我们可以得到以下五方面指导网页界面设计的原则和方法。
A网页界面以文为主的左图右文优选原则
在文本-图片类网页的四种结构中,左图右文结构对文本而言为最优结构。
因为从实验结果可以明显地看出,对文本区的注视时间、注视点个数显著多于其它三种结构方式。
所以,在设计知识内容、组织安排网页结构的过程中,如果网页界面主要是由文本和图片所组成,而且文本所承载的信息是主要内容,那么,左图右文结构就是网页在组织结构时的首选方案。
这种结构将会使文本传达的信息得到充分的关注,可以提高多媒体学习的效果。
B网页界面以图为主的左图右文避免原则
在文本-图片类网页的左图右文结构中,由于对图片的注视时间、注视点个数明显少于其它三种信息元结构形式,对图片来讲是一种最劣的结构。
所以,如果网页界面的主要信息由图片来表达时,文本与图片的结构安排不要采用左图右文结构形式。
因为采用这种结构时对图片的注视时间、注视点个数是四种结构形式中最少的,学习者不能对这种结构安排中的图片进行有效地注视,不能够充分地对图片上所承载的教学信息进行获取。
C网页界面以图为主的上图下文优选原则
文本-图片类网页的结构特征表明,上图下文结构对图片而言为最优结构。
因为在上图下文结构中,对图片的注视时间和注视点个数显著多于其它三种组织方式。
所以,这一特征就为我们指明,当在设计文本-图片类网页界面的结构时,如果图片是承载主要信息的载体,文本是辅助性的,则建议优先选择上图下文结构,以有效地传达图片中的多媒体信息。
D网页界面以文为主的上图下文避免原则
在文本-图片类网页结构中,上图下文结构对文本而言为最劣结构。
这一结构特征要求我们在进行网页界的结构设计时,要遵循这一特征的原则要求。
因为,当上图下文结构时,浏览者对文本区的注视时间、注视点个数明显少于其它三种组织方式。
所以,在进行文本和图片所组成的网页界面设计时,当文本是传递主要信息的载体时,要避免采用上图下文结构。
E网页界面的图文兼顾原则
因为在文本-图片网页结构中,如果是文本为主可优先选择左图右文结构,如果是图片为主可优先选择上图下文结构。
而在现实中,在多媒体教学或教学资源设计过程中,往往有许多时候会遇到文本和图片所传达的教学信息是同等重要的情形,这时该如何对网页界面进行组织和结构呢?
根据文本-图片类网页结构的特征参数,当是右图左文结构和下图上文结构时,这两种结构中对文本和图片的注视时间、注视点个数等视觉参数没有明显的优劣之分。
所以,当文本与图片所表达的知识内容同等重要时,可以考虑采用这两种视觉参数居中间状态的结构形式,以兼顾文本与图片所表达的信息。
(五)文本-动画类教育网页的结构特征与设计原则
本实验的网页结构选择了上文下画型、上画下文型、左画右文型、左文右画型等四种主要形式,见图6-9。
图6上文下画型图7上画下文型
图8左画右文型图9左文右画型
①文本-图片类与文本-动画类网页的实验数据比较
A对于文字区注视时间和注视点个数的比较
把文本-图片类和文本-动画类网页关于文字区的实验数据进行对比,得到表1-2。
从表1和表2的数据比较可以看出,在文本-图片类的四种结构中,对文字区的注视时间和注视点个数呈现出“一多三少”的现象,左图右文结构对文字区的注视时间和注视点个数最多,但与另三种结构相比,差别并不十分显著,且其余三种结构间几乎没有差别,它们是在一个水平上。
在文本-动画类的四种结构中,对文字区的注视时间和注视点个数也呈现出“一多三少”的现象,不过在另外三种结构之间,注视时间和注视点个数的差距明显比文本-图片类网页结构的要大。
文本-图片类网页结构对文字区的注视时间和注视点个数明显比文本-动画类网页结构的要多,差距普遍在两倍以上,差别明显。
B对于动画/图片区注视时间和注视点个数的比较
把文本-图片类和文本-动画类网页关于动画/图片区的实验数据进行对比,得到表3-4。
从表3和表4的数据比较可以看出,在文本-图片类的四种结构中,对图片区的注视时间和注视点个数呈现出“一多三少”的现象,且上图下文结构对图片区的注视时间和注视点个数最多,但与另三种结构相比,差别并不十分显著,且其余三种结构间几乎没有差别,它们是在一个水平上。
在文本-动画类的四种结构中,对动画区的注视时间和注视点个数呈现出“两多两少”的现象,表现出两极分化的趋向。
且两个层内的差距并不显著。
文本-动画类网页结构对动画区的注视时间和注视点个数明显比文本-图片类网页结构的中对图片的数据要多,但其差别没有对文字区的明显。
C讨论
从对比中我们发现两个主要现象,“现象一”是对于文字区来讲,文本-图片类网页结构的注视时间和注视点个数明显比文本-动画类网页结构的要多,且差距普遍在两倍以上,差别明显。
“现象二”是对于动画/图片区的注视时间和注视点个数来讲,文本-图片类表现为“”一多三少,而文本-动画类却是“两多两少”的两极倾向。
这种现象产生的原因是什么?
是其本身规律固然,还是由于其它不明原因所致。
经过分析研究后,我们认为其原因可能有以下三方面:
第一,可能由实验数据引发。
如果实验数据有问题可能导致“现象二”的出现,但我们对实验过程、实验方法和实验数据进行彻底检查后认为,实验设计、实验过程规范,方法恰当,实验数据相互映证,所以,实验过程及其数据导致“现象二”出现的可能性可以排除。
第二,可能由不同多媒体元素的诱目性不同而引发。
文本、图片和动画对浏览者的吸引力是不同的,相比而言,动画的诱目性比图片强,而图片的诱目性又比文本强,且动画的诱目性远远大于文本。
所以,当文本-图片结构时,因为图片的诱目性没有动画的强,在视觉参数总量一定的情况下,对文本的注视时间和注视点个数就会多于文本-动画结构。
这就是出现“现象一”的原因。
然而,同样是动画元素,为什么在文本-动画类结构中会表现出“两多两少”呢?
如果按照诱目性原则来解释,那么,在文本-动画类的四种结构中,对于动画的注视时间和注视点个数应该是一样的,而不应该是“两多两少”。
第三,可能由网页界面中的注视热区引发。
在“大学生浏览中文教育网页的相关视觉特征”(电化教育研究,2010-07)一文中,关于网页界面注视热区的研究结论,认为“教育类网页中的第5区域为注视热区,然后是第2区和第8区,9个区按注视程度由高到低排序为:
5—2—8—(4—6)—1—9—3—7”[2]。
而“现象二”中的“两多两少”正好和注视热区的结论是相吻合的,因为,由第5第2和第8三个区组成的区域A正好是上文下图或上图下文结构所占据的大部分区间,表现出“两多”是符合注视热区研究结论的。
另一方面,由第5第4和第6三个区组成的区域B与区域A相比被注视程度明显处于下风,其必然是“两少”。
综上所述,我们可以看出,“现象一”和“现象二”是文本-动画类网页结构所表现出的固有现象和规律。
②文本-动画类教育网页的结构特征
从上述研究和讨论中,我们可以得到文本-动画类教育网页具有以下四方面的结构特征:
A在文本-动画类网页结构中,对文本而言,上文下画结构是优先选择的结构形式。
因为在文本-动画类网页的四种结构中,上文下画结构中对文本区的注视时间、注视次数明显多于其它三种结构方式。
所以,在组织安排网页信息元的过程中,如果网页界面主要是由文本-动画所组成,且文本所表达的信息是比较重要的。
那么,采用上文下图结构相对较好。
这种结构在重点关注动画所承载的信息而外,还能适当照顾到文字区的辅助信息,以利于文本信息的获取,使文本信息和动画信息做到恰当的配合。
B在文本-动画类网页结构中,对动画而言,上文下画结构是最优结构。
因为在文本-动画类网页的四种结构中,上文下画结构呈现出动画区和文字区的注视时间和注视点个数都是最多的,说明这种结构能给浏览者能提供最佳的浏览效果。
同时,上文下画结构也正好处在三个注视热区所组成的最佳区域,与注视热区的研究结果相一致。
由此可见,上文下画结构是进行界面设计时的最优选方案。
C在文本-动画类网页结构中,对动画而言,上画下文结构也是可以优先选择的结构方式。
因为,实验数据显示,上画下文结构对动画区的注视时间和注视点个数显著多于另外两种结构形式,略少于上文下画结构。
并且上画下文结构也正好处在三个注视热区所组成的最佳区域,符合注视热区的原则要求。
D对于左文右画结构和左画右文结构,实验数据显示这两种结构对动画区的注视时间和注视点个数是最少的,说明这两种结构对浏览者不具备吸引力。
同时,这两种结构形式也不是注视热区所组成的最佳区域。
所以,它们不利于文本信息和动画信息的配合呈现,在进行网页界面设计时建议不采用这两种结构形式。
③文本-动画类教育网页界面设计的基本原则
文本-动画类教育网面在结构方面表现出的上述特征,将给我们在设计这类网页界面时提供科学的理论依据,为提高多媒体教学资源设计和开发的质量,促进利用多媒体材料进行教和学打下坚实的基础。
通过剖析文本-动画类教育网页的结构特征,可以得到三方面指导网页界面设计的重要原则和方法。
A网页界面的上文下画文画俱优原则
在文本-动画类网页结构中,对文本和动画而言,上文下画结构是他们视觉参数最优的结构形式。
所以,在进行网页界面结构设计时,如果网页界面主要是由文本-动画所组成,而且文本所表达的信息也是比较重要的。
那么,建议采用上文下图结构。
因为这种结构在重点关注动画信息的同时,还能适当照顾到文本的辅助信息,使文本信息和动画信息都能兼顾,做到恰当的配合。
通常情况下,会把文本安排在网页界面的上部,动画安排在中下部,这种结构方式无论对文本还是动画而言都是最优的选择。
B网页界面以画为主的上画下文可选原则
在文本-动画类网页结构中,对动画而言,相比上文下画结构,上画下文结构也是可以考虑选择的结构方式。
因为,上画下文结构对动画区的注视时间和注视点个数显著多于另外两种结构形式,仅仅略少于上文下画结构。
并且上画下文结构也正好处在注视热区所组成的最佳区域。
所以,如果网页界面中辅助性的文本内容比较多,在网页界面的上部放置文本内容时,其空间不够用的情况下,可以考虑把相对不太重要的文本内容安排在动画下面,即采用上画下文的结构形式。
C网页界面的左右文画结构避免原则
由文本-动画类网页的结构特征显示,无论是对于文本还是动画而言,左文右画结构和左画右文结构都是最劣的结构。
因为这两种结构对动画区、文本区的注视时间和注视点个数是最少的。
同时,这两种结构形式也不处于注视热区所组成的最佳区域内。
所以,如果网页界面的信息内容是由文本和动画来呈现,在进行网页界面设计时,文本和动画的结构设计不要采用左文右画或左画右文的结构形式。
三、成果与影响
本项目的研究,取得了一系列研究成果:
共公开发表相关论文6篇;获得一系列
有价值的实验数据;完善了运用眼动仪进行实验研究的方法;锻炼培养了4名青年老
师,9名硕士研究生,其中有3名研究生的毕业论文获得优秀论文。
本项目的研究成果在《教育研究》等学术期刊上发表6篇(其中1篇是2011年在浙江大学举办的教育技术国际学术会议上发表)后,产生了广泛的影响,得到同领域专家的认可。
研究的理论成果之一---教育网页的结构特征与设计原则,在浙江大学生多媒体竞赛中得到运用,具体是在多媒体界面设计和网页结构设计中得到检验与修正。
所指导的多媒体作品在竞赛中均获得优异的成绩,在省内产生了较大影响。
四、改进与完善
本项目虽然运用眼动分析仪对浏览多媒体界面时的眼动参数进行了实验研究,从研究方法上保障了研究的科学性和准确性,但在实际研究过程中还是存在一些不足,可继续进行改进和完善:
(一)增加实验研究的重复次数,以提高研究结论的可靠性。
由于受研究时间的限制,本项目的实验研究只做了2次,第1次是预备实验,第2次是正式实验。
所得研究结论尚需要经过更多次的重复验证,以提高实验研究结论的准确性。
(二)丰富实验材料的学科内容,以提高研究结论的针对性。
只局限于一般科技类、新闻类、教育类内容,没有真正涉及到学科内容。
所以,研究结果对学科型多媒体界面设计的指导还有一定的局限性,还需要做针对具体学科内容的细化研究。
(三)研究对象需要拓展——不同年龄段的学习者,其学习特征和学习心理不同。
本项目的研究对象只涉及到大学生这一主要群体,当然研究结论只对这一群体有较大的可信度,而对成人、中学生等只能有借鉴作用,不能完全适用于这些人群。
所以,对于本项目类的研究,需要扩展研究对象的范围,增强学习对象的针对性。
(四)实验材料的学习内容需要具体到学科内容——不论是多媒体学习还是传统的阅读文本的学习,都是针对不同学科内容的学习活动,不同学科内容具有不同的特性与要求,对学习者就会有不同的需求与反应。
所以,建议后续研究要把学习内容作为重要的自变量,来进行系统的深入研究,以增强对学科内容的针对性
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