1. 引言
有意义学习是学习方式之一，是一种深度的、建构的以及能够迁移应用的学习[1]。处于学业关键期的高中生，每日面临繁重的学习压力，如果他们采取被动、机械式的学习方式，把学习内容当成孤立、不相关的机械记忆，忽视了对知识的深层加工，就无法实现对知识的有效建构和迁移应用，进而无法有效地解决问题[2]。因此探讨影响高中生有意义学习的因素至关重要。
不同学者从不同视角对有意义学习进行了界定，奥苏贝尔从学习内容角度将学习分为有意义学习和机械学习；罗杰斯从人本主义视角将学习分为有意义学习和无意义学习；乔纳森规定了有意义学习的5种属性：主动性、意图性、建构性、真实性和合作性[1]。Mayer从认知层面指出有意义学习包括选择、组织和整合三个认知加工过程。通过梳理现有文献我们获悉：当前有关有意义学习的研究多基于奥苏贝尔、罗杰斯和乔纳森的理论，国内仅有4篇文献围绕Mayer的理论对有意义学习展开探索。因此，本研究拟在Mayer的理论指导下进行研究，即学习者可以通过选择新信息、组织信息结构、整合新旧知识的过程来促进有意义学习，其表现形式是良好的记忆和良好的迁移能力[3]。
多媒体的学习形式可以有效促进有意义学习的发生。随着时代的发展，数字化、信息化已经成为人类生产生活的主导方式，多媒体学习逐渐成为数字化学习环境的基本学习形态[4]。多媒体学习(multimedia learning)是指个体通过文字、图片、动画等多种媒体类型的材料进行学习，是教育研究的主要焦点之一。与言语式学习(verbal learning)不同，多媒体学习主要通过言语模式和视觉模式相结合的方式传递信息。以学习为中心的研究表明，与只有语词的学习条件相比，处于语词和画面同时呈现条件下的被试学习效果更好[5] [6] [7]。此类研究的理论观点为：多媒体教学(multimedia instruction)是根据人类大脑的工作方式来设计，即人类存在两种加工系统——一种是加工言语材料的系统，一种是加工视觉材料的系统。据此，Mayer提出了双通道假设，即人们对视觉表征和听觉表征拥有独立的信息加工通道。另外，研究者采用脑成像技术发现，学习者在进行多媒体学习的过程中，双侧颞叶处理视觉通道所获取的信息，前额叶处理听觉通道所获取的信息，前额叶和颞叶在对信息的处理过程中存在功能性连接，即协同处理信息[8]。多媒体设计的目的在于利用多媒体技术促进人类认知，但是有研究提出听觉或视觉通道呈现太多需要加工的信息时，就会引起认知负荷超载而阻碍学习者有效学习[9]。
认知负荷理论(cognitive load theory, CLT)是由Sweller提出的，该理论认为，认知负荷是指人在信息加工过程中能够加工的信息总量，主要包括工作记忆对信息进行存储和加工的总量[10]。Mayer在认知负荷和双重编码理论的基础上提出多媒体学习认知理论(cognitive theory of multimedia learning, CTML) [11]。多媒体学习包括选择、组织和整合三个过程，不同类型的电子媒介通过视觉和听觉两个通道进入工作记忆进而产生言语表征和图像表征，随后通过学习者主动学习将工作记忆中的心理表征与长时记忆中的已有知识相联系。这一过程中，当学习者单位时间内接收到的信息超过工作记忆容量时就会产生认知负荷。因此，Mayer指出只有将认知负荷控制在工作记忆中，有意义的学习才能发生[12]。由此可知，多媒体学习是知识建构的过程(multimedia learning as knowledge construction)。根据多媒体学习认知理论，人类不是信息存储的容器，而是意义的建构者，且多媒体学习是一种获得意义的活动[13]。
那么，多媒体学习背景下认知负荷是如何对有意义学习产生影响的？Moreno在Mayer的多媒体学习认知理论的基础上提出多媒体学习的认知–情绪理论[14] (Cognitive-affective theory of learning with meadia, CATLM)，该理论强调了在多媒体学习中认知和情绪因素的重要性。在实际的多媒体学习中，教师根据课程标准编制的教科书进行统一教授，学习材料的难易程度大致相同，但教师对多媒体教学的设计却不尽相同。根据认知负荷理论，较高认知负荷的学习材料会占用学习者更多的认知资源，影响学习过程及效果。实证研究证据表明低认知负荷比高认知负荷更有利于前瞻记忆的成功执行[15]，即在低认知负荷条件下所需认知资源较少，学习者能够将选择的新信息进行组织形成一定的言语和图像模式，并同先前知识进行整合。其中，认知负荷程度起到了关键的作用。
情绪与学习的关系一直是研究者关注的热点问题，Um等提出了积极情绪促进者假设和情绪阻碍者假设：情绪促进者假设认为，学习者在学习过程中体验积极情绪会提高学习效果；情绪阻碍者则认为，情绪可能会增加外部认知负荷从而阻碍学习，例如Eysenck等根据加工效能理论提出，担忧降低工作记忆中的认知资源[16]，同时可能也降低参与任务的积极性以及完成任务的动机[17]。蒋文君等人利用眼动追踪技术发现，在积极情绪状态下学习者会表现出较好的学习效果和对多媒体学习的相关内容信息的长时间注视[18]。在此基础上龚少英等人探讨了在多媒体学习环境中不同方式诱发的积极情绪对学习的影响，结果发现外部情绪设计持续时间短，难以对最终学习效果产生影响，只有当拟人化和彩色相结合时才能诱发学习者的积极情绪，促进学习迁移[19]。另外，由于学业压力大，高中生容易产生消极情绪，从而导致高中生厌学退学的现象频发[20]。因此，在学习过程中诱发高中生的积极情绪，促进其认知加工过程，不仅有利于其学习结果，也有利于其身心健康。
本研究将考察在不同情绪设计下认知负荷对高中生有意义学习的影响，同时探究情绪设计在认知负荷对有意义学习影响中的调节作用。根据认知负荷理论，如果学习材料的认知负荷程度较高，就会占用学习者更多的认知资源，增加其内部认知负荷，从而影响学习者对学习材料的整合[21]。同时Um提出在多媒体学习中，情绪设计是一个重要的考虑因素[22]。据此，本研究假设：1) 在不同认知负荷条件下，情绪设计对有意义学习的影响不同，在认知负荷低的情况下，积极情绪设计组成绩优于中性情绪设计组。在认知负荷高的情况下，不同情绪设计下的被试无显著差异。2) 在情绪设计组，积极情绪设计和中性情绪设计对有意义学习存在显著差异，积极情绪设计更有利于有意义学习。在保持测验和迁移测验中能获得更优成绩。
2. 研究方法
2.1. 被试
选取16名高一学生，其中8名男生，8名女生，平均年龄15岁(SD = 0.46)，且视力正常无色盲色弱。将被试随机分为四组，每组2名男生、2名女生。分别为高负荷–积极情绪设计组，高负荷–中性情绪设计组，低负荷–积极情绪设计组，低负荷–中性情绪设计组。本研究经过学校伦理委员会批准。
2.2. 实验材料
学习材料：选自Mayer在《多媒体学习》中的“闪电的形成过程与原理”作为实验材料。同时根据Mayer的多媒体学习原则制作ppt，每组ppt由6~7页组成，共四组，见图1。
(a)
(b)
(c)
(d)
Figure 1. Example of learning materials
图1. 学习材料示例
2.3. 量表
实验材料包括先验知识问卷，四组学习材料的演示文稿，认知负荷量表，再认测试和迁移测试。
2.3.1. 先验知识问卷
先验知识问卷参考龚少英的研究问卷，包含性别、年龄、四道自我评价题、五道单选题和一道主观题。四道自我评价题采用0~4评分，满分14分；单选题一题一分，满分5分；主观题10个计分点，答对一点计一分。
2.3.2. 学习材料
学习材料选自Mayer在《多媒体学习》中采用的“闪电的形成过程与原理”作为文本材料。参考龚少英的学习材料设计将情绪设计因素分为积极情绪设计和中性情绪设计，积极情绪设计即对学习材料中的自然物尽量按照原有色彩进行设计，对太阳、云朵、电荷等进行拟人化处理；中性情绪设计是对学习材料中的自然物按照黑白灰进行设计，并不做拟人化处理。同时参考Mayer的多媒体学习原则将认知负荷程度分为高负荷和低负荷两组，高负荷组采用图文不一致、文字冗余、大段文字堆砌等设计来增加学习材料的认知负荷程度；低负荷组采用一致性原则、分段原则和信号原则来降低学习材料的认知负荷程度。因此，在此基础上设计了四组ppt，每组ppt由6~7页组成。学习材料示例见图1。
2.3.3. 认知负荷问卷
认知负荷问卷采用Pass编制的认知负荷自评量表，包括两个题目，分别测量心理努力和主观维度，采用1~9评分，分值越高表示认知负荷越大或者是学习者越努力。该量表内部一致性信度系数为α = 0.74。
2.3.4. 再认测试和迁移测试
再认测试和迁移测试参照上官晨雨的研究问卷，再认测试考察被试对于学习材料的记忆情况，包括9道选择题，每题计1分共9分；迁移测试用来测量学习者将所学知识迁移到新问题的能力，包括三个开放性题目，每道题目最多十分，范围0~30分。
为了确保实验材料符合认知负荷程度的要求，在正式实验之前进行了预实验。预实验选取了高一年级两个班(每班选取42人)，一班学习高负荷–积极情绪组的学习材料，另一班学习低负荷–积极情绪的学习材料。要求被试学习多媒体材料5分钟，然后进行认知负荷自评量表的评定。评定结果为：被试在高负荷–积极情绪组的主观难度和心理努力上的得分显著高于低负荷–积极情绪组，主观维度(M高负荷–积极情绪 = 6.45，M低负荷–积极情绪 = 4.05，t (82) = 9.416，p < 0.001，d = 2.05)；心理努力(M高负荷–积极情绪 = 6.50，M低负荷–积极情绪 = 4.83，t (82) = −4.518，p < 0.001，d = −0.987)说明两则材料在认知负荷程度上有显著差异。
2.4. 实验设计
实验采用2*2的被试间设计，自变量1为认知负荷强度，分为高认知负荷和低认知负荷；自变量2为情绪设计，分为积极情绪设计和中性情绪设计；因变量为再认测试、迁移测试。
2.5. 实验程序
2.5.1. 预实验
采用积极高负荷和积极低负荷的ppt，对高一年级两个班进行实验，剔除极值后采用独立样本t检验得出高认知负荷和低认知负荷组存在显著差异。正式实验一周前选取高一年级一个班发放先验知识问卷，选取中间段的学生避免先验知识的影响。
2.5.2. 实验阶段
实验分为三个阶段：1) 被试填写人口学信息(姓名、性别)。2) 学习阶段，学习前向被试呈现指导语，使被试了解实验流程。四组被试分别在电子设备上学习，学习者自主控制学习进度，学习时间共10分钟。3) 被试学习结束后进行再认测试、迁移测试。
3. 结果
3.1. 四组被试在再认测试和迁移测试上的方差分析
各组被试在再认测试、迁移测试上的平均值和标准差见表1。以再认成绩和迁移成绩作为因变量，进行2 (认知负荷强度：高负荷、低负荷) × 2 (情绪设计：积极情绪、中性情绪)的两因素被试间方差分析。结果发现情绪设计和认知负荷强度在迁移测试(F (3, 12) = 0.108, p > 0.05, ηp2 = 0.009)上的交互作用不显著；而情绪设计和认知负荷强度对再认测试的交互作用显著(F (3, 12) = 6.368, p < 0.05, ηp2 = 0.347)，见图2。进一步简单效应分析发现，在认知负荷低的情况下，情绪设计的简单效应显著，(F (3, 12) = 15.158, p < 0.01, ηp2 = 0.558)；在认知负荷高的情况下，情绪设计的简单效应不显著(F (3, 12) = 0.105, p > 0.05, ηp2 = 0.009)。
Table 1. Mean and standard deviation of four groups of participants in recognition test, transfer test, psychological effort, and subjective dimension
表1. 四组被试在再认测试、迁移测试、心理努力和主观维度的均值和标准差
组别 |
再认测试 |
迁移测试 |
心理努力 |
主观维度 |
M |
SD |
M |
SD |
M |
SD |
M |
SD |
高负荷 |
积极 |
5.00 |
1.414 |
3.00 |
6.000 |
5.50 |
1.291 |
6.50 |
1.000 |
中性 |
4.75 |
0.957 |
2.50 |
5.000 |
6.75 |
0.957 |
6.50 |
0.577 |
低负荷 |
积极 |
8.25 |
0.957 |
4.50 |
4.203 |
6.75 |
1.258 |
5.50 |
1.291 |
中性 |
5.25 |
.957 |
2.50 |
2.082 |
5.00 |
0.000 |
6.25 |
0.957 |
Figure 2. The interactive effect of cognitive load intensity and emotional design on recognition scores
图2. 认知负荷强度和情绪设计在再认成绩上的交互作用
同时，进一步对认知负荷强度和情绪设计的主效应进行分析发现，在再认测试上，认知负荷强度在迁移测试(F (3, 12) = 0.108, P > 0.05, ηp2 = 0.009)上的主效应不显著，而在再认测试上的主效应显著(F (3, 12) = 11.842, p < 0.01, ηp2 = 0.497)，认知负荷低组的再认成绩好于认知负荷高组(M低负荷 = 6.75，M高负荷 = 4.875)；情绪设计在迁移测试(F (3, 12) = 0.301, P > 0.05, ηp2 = 0.024)上的主效应不显著，而在再认测试上的主效应显著(F (3, 12) = 8.895, p < 0.05, ηp2 = 0.426)，积极情绪设计组的再认成绩好于中性情绪设计组(M积极情绪 = 6.625，M中性情绪 = 5)。
3.2. 不同情绪设计在高中生有意义学习差异上的比较
在不同的情绪设计条件下进行差异分析发现，在积极情绪设计和中性情绪设计组，在再认测试(t (14) = 2.030，p > 0.05, d = 1.018)、迁移测试(t (14) = 0.588，p > 0.05, d = 0.293)上都不存在显著差异，结果如表2。
Table 2. Analysis of results of participants with different emotional designs
表2. 不同情绪设计对被试的成绩分析
|
积极情绪(n = 8) |
中性情绪(n = 8) |
t |
d |
M |
SD |
M |
SD |
再认测试 |
6.63 |
2.066 |
5.00 |
0.926 |
2.030 |
1.018 |
迁移测试 |
3.75 |
4.826 |
2.50 |
3.546 |
0.588 |
0.293 |
4. 讨论
4.1. 认知负荷程度对高中生有意义学习的影响
本研究探究了认知负荷程度和情绪设计对高中生有意义学习的影响，结果发现，认知负荷程度和情绪设计在再认测试的成绩上交互作用显著，但是在迁移测试的成绩上不存在显著差异；在低认知负荷组，积极情绪设计和中性情绪设计两组高中生的再认成绩要好于高认知负荷组；在高认知负荷组，积极情绪设计和中性情绪设计两组高中生的再认成绩不存在显著差异。这一结果表明认知负荷的程度影响了高中生对学习材料的记忆，但是对学习迁移没有显著影响，部分验证了假设1。但是，这并不符合Mayer对有意义学习的操作定义，他提出只有当再认测验和迁移测验都好时才属于“有意义学习”，学习者才能获得整合的知识表征。而当再认测试好，迁移测试差时属于“机械学习”，学习者获得的是惰性知识；当再认测试和迁移测试都差时属于“无效学习”，学习者没有获得知识。据此推出本次研究中的学习者属于机械学习，学习者掌握的是“惰性知识”，这种知识能被记住但是无法运用到新情境中。
Mayer提出促进有意义学习的最佳方法是主动学习(active learning)，主动学习包括两种类型，分别是认知积极性和行为积极性，而多媒体呈现的目的主要是为了启动学习者的认知活动。造成本研究中高中生在再认成绩上存在显著差异，而在迁移成绩上没有显著差异的原因可能有以下两个：一是高认知负荷组的学习材料对学习者造成了过大的认知负荷。多媒体学习的脑成像研究表明，随着认知负荷的提升，学习者的脑部激活程度降低即表现为工作记忆容量溢出，大脑来不及处理短时间内获取的大量信息，从而导致学习者的学习效果差[8]。本研究的结果显示高中生在积极情绪设计和中性情绪设计的条件下对高认知负荷组学习材料的主观评定难度分别是6.50和6.50，显著高于相应条件下低认知负荷组的主观评定难度(积极情绪5.50，中性情绪6.25)。因此当学习材料的认知负荷程度高时，工作记忆只能进行识记功能，由于缺少认知资源从而无法进一步进行理解和迁移运用的功能。
其次，本研究中的高中生在学习过程中缺少生成性学习活动。根据生成学习理论，学习是在工作记忆中主动构建认知结构的过程。生成性学习活动是学习者在学习中从事的活动，目的是促进深层次的学习。此时生成性活动对学习者来说是充当脚手架的作用，为选择、组织和整合的认知过程作准备。已有研究表明将解释、总结等生成性活动运用到多媒体学习中比被动指导更有利于学习者的学习[23]，通过听、说、读、写等行为活动促进学习者的有意义学习。在本研究中高中生是被动的信息接收者，只局限在自主控制学习进度这一行为上，没有进行合适的生成性学习活动，因此无法对知识形成连贯的心理结构从而促进有意义学习。
4.2. 情绪设计对高中生有意义学习的影响
在不同的情绪设计条件下进行差异分析发现，在积极情绪设计和中性情绪设计组都不存在显著差异，没有验证假设2。这一发现与以往研究不一致。以往研究发现积极情绪设计能够诱发学习者的积极情绪，提高了保持成绩和迁移成绩，促进了多媒体学习效果[24] [25]。
造成本研究中情绪设计在再认测试和迁移测试上都不存在显著差异，但是在再认测试上的主效应显著的可能原因有以下两点：一是学习材料缺少多通道输入。根据Mayer的认知负荷模型，多媒体学习过程是通过学习材料的呈现进入学习者的感官记忆，人们对视觉表征和听觉表征拥有单独的信息加工通道，学习者可以通过转换表征方式即跨通道表征的方式来加工不同通道的信息[26]。已有脑成像研究证明多通道的信息获取可以激活额颞叶中更多的通道，使大脑拥有更大的工作记忆容量，从而降低认知负荷，获得更好的学习效果[8]。本研究中学习材料的情绪设计只集中在视觉情绪设计，缺少听觉情绪设计的通道，因此难以有效诱发学习者的积极情绪，并进而促进有意义学习。
二是学习材料的情绪诱发水平较低。根据多媒体学习理论，情绪设计作为多媒体教学的重要手段，可以有效诱发学习者的情绪，并可能对其学习结果和主观感受产生影响[27]。且高中生的情绪体验具有两极性，情绪波动大，对外界刺激反应迅速敏感，同时高中生学习任务繁重，不良学业情绪突出，已有研究发现高中生的消极学业情绪显著多于初中生，同时积极学业情绪显著少于初中生[28]。因此对于高中阶段的多媒体教学设计应提高情绪诱发水平，将外部情绪诱发和内部情绪诱发相结合从而促进高中生的有意义学习。而本研究只局限在内部情绪诱发的颜色和拟人化两因素上做出设计，忽略了外部情绪设计的诱发，从而导致学习材料的情绪诱发水平较低。已有研究发现在多媒体学习背景下相比于中性情绪，积极情绪诱发在积极情绪、再认成绩、迁移成绩、心理努力和学习满意度上表现出更高的效应值，但诱发的情绪对多媒体学习的效果在一定程度上受诱导方式、外诱材料类型、呈现步调、学习材料时长的影响[29]。
5. 结论
本研究以高中生为被试，探究了不同认知负荷条件下，情绪设计对有意义学习的影响，得到以下结论：
1) 在低认知负荷组，积极情绪设计的再认成绩显著高于中性情绪设计，在高认知负荷组不存在显著差异；认知负荷程度和情绪设计对迁移成绩无显著差异。
2) 情绪设计对再认成绩和迁移成绩都没有显著差异。
6. 启示
本研究发现在学习材料低认知负荷程度和积极情绪设计的情况下能促进学习者对学习内容的记忆，这一发现对多媒体教学有重要启示。在多媒体和网络学习的教学中，教师进行教学设计应降低学习材料的外在认知负荷，加入多通道的情绪设计，拓展多媒体情绪设计的方式。同时在多媒体教学过程中教师可以给予学习者主动参与学习的机会，通过行为积极性带动认知积极性，从而促进学习者有意义学习。