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關鍵詞：數(shù)字化學習；教學設計；多媒體學習；在線學習；學習科學

本文簡短回顧的目的是提供作者個人有關過去30年在線學習研究的研究進展，重點關注對學習科學（人如何學習）、教學科學（如何幫助人學習）和評估科學（如何確定人學到了什么）所起到的推動作用。本綜述將把在線學習研究看成是學習科學應用于教育的一個實例（Mayer，2011），它屬于應用認知心理學的大范疇。

（二）什么是在線學習？

在線學習（online learning，亦稱為電子學習、數(shù)字學習或基于計算機的學習，e-learning，digitallearning or computer-based learning），可以定義為在支持學習的數(shù)字化設備上所提供的教學（Clark&Mayer，2016）。這一定義包括什么是在線學習、如何在線學習和為什么要在線學習三個部分：（1）關于什么是在線學習，其內(nèi)容包括口頭或印刷的文字和/或圖示，如插圖、圖表、照片、動畫或視頻；（2）關于如何在線學習，其媒體是基于計算機的設備，如臺式計算機、筆記本電腦、平板電腦、智能手機或虛擬現(xiàn)實；（3）關于為什么要進行在線學習，其教學目標是使學習者的知識發(fā)生特定的變化。

在線學習已經(jīng)獲得了越來越多的關注，因為教學越來越多地從傳統(tǒng)的媒體——如書籍和面對面講授——轉(zhuǎn)移到基于計算機的媒體——如解說動畫、教學視頻、涉及印刷文本和插圖的超文本，以及教育游戲和模擬（Clark&Mayer，2016；Mayer，2017）。在線環(huán)境允許采用許多創(chuàng)新的方法來支持學習，但是我們需要的是基于研究的原理來更好地利用這些新的可能性。我們面臨的挑戰(zhàn)是，教學技術的進步已經(jīng)超過了教學科學的進步，后者能夠確定技術如何得以最佳使用。簡而言之，僅僅因為技術可以完成某些事情并不意味著它非得要這樣去做。

值得說明的是，教學媒體——即便是基于計算機的媒體——本身并不會帶來學習，反而是教學方法才會引發(fā)學習（Clark，2001）。某些教學技術有可能提供那些在傳統(tǒng)媒體上無法落地或難以實現(xiàn)的教學方法。例如，基于計算機的媒體使涉及交互性或動態(tài)圖形的教學方法成為可能，這是傳統(tǒng)的基于書本的媒體無法輕易做到的。在教學技術的歷史上，充斥著教育中尖端技術興衰的例子，包括20世紀20年代的電影，30年代的廣播，50年代的電視，以及60年代的程序化教學（Cuban，1986；Saettler，1990）。從這段早期的歷史中，我們吸取的教訓是需要采取一種以學習者為中心的方法，即詢問如何使用技術以支持人學習，而不是問我們?nèi)绾巫屓巳ミm應最新的前沿技術。

是的，今天我們面臨著一系列在線學習技術，這些技術可以提供令人驚嘆的圖示（虛擬現(xiàn)實）、交互學習（智能教學系統(tǒng)）和地理位置（GPS）。在線學習技術的教育潛力會像過去的教育技術一樣消失，還是我們能夠進行適當?shù)目茖W研究來指導在線學習的有效使用？本文總結了過去30年來如何幫助人在豐富的技術環(huán)境中學習方面所取得的進展，并為未來的研究提出一些富有成效的途徑。特別是，我提供了一個基于研究的理論發(fā)展簡史。這些理論包括人如何借助媒體學習（學習科學），如何幫助人通過借助學習（教學科學），以及如何確定人從媒體中學到了什么（評估科學）。

學習科學是關于人如何學習的科學研究（Mayer，2011）。如表1第一列所示，在20世紀經(jīng)歷了三個學習隱喻（Mayer，1992，2001a，2011）。

首先，20世紀上半葉是行為主義隱喻——學習作為反應強化，在這一隱喻中，學習包括加強和削弱對獎懲反應的關聯(lián)。行為主義的學習理論主要是基于這樣的研究，即實驗室動物在非自然的和極端饑餓的情況下學會作出簡單的反應，例如小白鼠跑迷宮獲取食物。

第二，20世紀50年代和60年代迎來了信息加工革命，提出了一種認知主義隱喻：學習包括向記憶中添加信息，這就是獲取信息。認知主義的學習理論主要是建立在人在非自然的情況下學習記憶任意材料等研究之上的，例如記憶單詞表。

第三，再下一階段涉及建構主義隱喻，即學習作為知識建構，學習者在工作記憶中積極地建立起一種心理表征。盡管建構主義在20世紀70年代和80年代發(fā)展勢頭不錯，但其根源可以追溯到巴特利特（Bartlett，1932）關于散文閱讀文本理解，皮亞杰（Piaget，1971）關于認知發(fā)展，韋特海默（Wertheimer，1959）和其他格式塔心理學家關于意義學習的圖式建構研究和理論。建構主義對信息加工的觀點重新作出了解釋（Mayer，2014a）。（1）信息不再被視為一種可以從外部世界傳遞到人類頭腦的客觀商品，人類學習的內(nèi)容變成了由學習者親自建構的知識。（2）思維活動不再是像在計算機程序或數(shù)學運算中那樣被視為可以應用于信息的一組嚴格的算法或計算集，而是一種建構活動。這涉及學習過程中的主動加工，目的在于意義的形成，包括關注相關材料，在心理上將其組織成一個連貫的結構，并與從長期記憶中激活的相關原有知識進行整合。建構主義的學習理論主要是建立在人進入到實驗室和現(xiàn)場環(huán)境中學習更現(xiàn)實的材料之上的，例如從科學或數(shù)學課程中學習。

如你所見，從把學習看作是強化反應到獲取信息再到知識構建的過程，與研究對象從實驗室動物到人，從人工材料和環(huán)境到現(xiàn)實材料和環(huán)境的轉(zhuǎn)變是平行的。因此，研究教育問題的實際需求促進了學習理論的進步。盡管這三種關于學習如何運作的觀點都影響了當今的學習領域，但建構主義的觀點被認為是與學習最為相關的。

（二）學習概念的最新進展

在過去的幾十年中，建構主義將學習作為一種生成活動的觀點一直在不斷發(fā)展。從20世紀70年代開始，威特洛克（Mayer&Wittrock，1996，2006；Wittrock，1974；Wittrock，1978；Wittrock，1989；Wittrock，1992）展示了建構主義學習觀如何推進教育理論和實踐?，F(xiàn)代的建構主義學習觀反映在威特洛克（1974，p.89）的論點中，即學習取決于學習者已經(jīng)知道的東西與將要學習的東西之間的同化：“理解的學習……是在刺激和儲存的信息之間產(chǎn)生……聯(lián)系的過程?！碧貏e是，威特洛克的生成性學習概念強調(diào)了學習者在學習過程中的主動認知加工的作用：“在編碼過程中，當學習者使用自己對事件和經(jīng)驗的記憶來構建文本的意義時，閱讀理解就變得容易?！保―octorow，Wittrock&Marks，1978，p.109）在接下來的幾年里，威特洛克（1992，p.532）更加關注生成學習過程：“有選擇地關注事件……并在概念之間、經(jīng)驗之間或原有學習與新信息之間產(chǎn)生關系?！?/p>

與在線學習教學設計相關的學習理論的另一個進展是認知負荷理論，它出現(xiàn)于20世紀90年代，并不斷發(fā)展（Paas&Sweller，2014；Sweller，1999，2005；Sweller，Ayres&Kalyuga，2011）。認知負荷理論的一個中心原理是學習者工作記憶的認知能力是有限的。學習者在學習過程中所經(jīng)歷的總認知負荷包括了對認知能力提出的三個要求：外部認知負荷是指與學習目標無關的、由材料呈現(xiàn)方式所引起的認知加工；內(nèi)部認知負荷是指實現(xiàn)學習目標所需的認知加工，學習目標取決于學習者的材料固有的復雜性；生成認知負荷指的是學習者的努力所造成的認知加工，包括圖式構建和自動化（Sweller，1999，2005）。這些研究總結了促進早期研究的教學設計的一個重要目標：“教學的目的應該是減少由不適當?shù)慕虒W程序造成的外部認知負荷”（Sweller，2005，p.27-28）。盡管最近的調(diào)整增加了進化的味道（Paas&Sweller，2014）以及內(nèi)在負荷和生成負荷的結合，但認知負荷理論的中心主題仍然是如何幫助人在加工能力有限的認知系統(tǒng)中開展學習。

我對學習理論如何應用于在線學習的思考，受到了威特洛克關于生成學習的見解以及斯維勒關于學習過程中工作記憶能力限制的見解的影響。我（Mayer，2001b）從用來指導多媒體學習認知理論發(fā)展的三個基本認知原理開始：（1）雙重通道（dual channels）——人有不同的渠道來處理聽覺/語言和視覺/圖示信息；（2）容量有限（limited capacity）——人在任何時間只能處理每個通道中有限數(shù)量的材料；（3）主動加工（active processing）——意義學習是指人在學習過程中進行適當?shù)恼J知加工，包括選擇相關材料，將其組織成一致連貫的結構，并將其與從長期記憶中激活的相關知識相結合。在此基礎上，我（Mayer，2001b）提出了如圖1（見下頁）所示的流程圖，由四個模塊組成，分別代表材料存放的位置（多媒體展示、感覺記憶、工作記憶和長時記憶），兩個通道（頂部一行是語詞通道，底部一行是圖片通道）；三種用于認知過程的箭頭（選擇詞語和選擇圖像將材料從感覺記憶帶入工作記憶；組織語詞和組織圖像創(chuàng)造了有組織的言語和圖示表征；整合包括將言語和圖示表征相互聯(lián)系起來以及將相關的原有知識從長時記憶中激活）。

這一基本模型是在過去30年中從20世紀90年代的研究成果發(fā)展而來的，當時的模型沒有感覺記憶，只有三個箭頭（選擇、組織和整合）而不是五個箭頭組成（Mayer&Sims，1994），或者缺乏感覺記憶和長期記憶（Mayer，Steinhoff，Bower&Mars，1995）。它最早出現(xiàn)在梅耶、海瑟和隆恩（Mayer，Heiser&Lonn，2001）的論文中，此后在其他多篇論文中進一步得到闡述（Mayer，2001b，2005，2009，2014b；Mayer&Moreno，2003）。在過去的30年里，其名稱從“意義學習模型”（Mayer，1989）變成了“雙編碼模型”（Mayer&Anderson，1991，1992）或“雙加工模型”（Mayer&Moreno，1998；1999；Mayer，Moreno，Boire&Vagge，1999），后來又變成了“生成理論”（Mayer，1997；Mayer，et al.，1995；Plass，Chun，Mayer&Leutner，1998），但最新的術語“多媒體學習的認知理論”最早是由梅耶、海瑟和隆恩（Mayer，Heiser&Lonn，2001a）提出的，并在后續(xù)多篇論文中進一步闡述（Mayer，2001b，2005，2009，2014b；Mayer&Moreno，2003）。盡管基本模型在過去20年中一直保持不變，但重點已經(jīng)從記憶存儲（即四個方框）和通道（即雙重通道）遷移到了認知過程（即五個箭頭）。

對學習過程中認知過程的關注強調(diào)了在學習過程中需要更好地衡量認知過程的需求。盡管大多數(shù)在線學習研究使用認知負荷的主觀測量方法（Brunken，Seufert&Paas，2010；Paas，Tuovinen，Tabbers&Van Gerven，2003；Paas，Van Merrinboer&Adam，1994），但其缺點包括需要在學習后而不是在學習期間進行測量，還包括依賴學習者對其認知過程進行準確評估（DeLeeuw&Mayer，2008）。在線學習認知理論中一些正在進行的方法論發(fā)展涉及在學習過程中使用認知加工的客觀測量，包括眼動跟蹤測量（Johnson&Mayer，2012；Ponce&Mayer，2014；Wang，Li，Mayer&Liu，2018）以及腦電圖（EEG）和功能性磁共振成像（fMRI）（Mayer，2017）。隨著在學習過程中測量認知加工的客觀技術的不斷發(fā)展，有望澄清認知學習理論的各個方面，特別是解釋圖1中的箭頭。

在線學習認知理論的一些擴展包括整合情感（Mayer&Moreno，2007；Plass&Kaplan，2016）、動機（Huang&Mayer，2016；Mayer，2014c）和元認知（Azevedo，2014；Azevedo&Aleven，2013；Fiorella&Mayer，2015）。關于情感，莫雷諾和梅耶（Moreno&Mayer，2007）提出了媒體學習的認知——情感模型，普拉斯和卡普蘭（Plass&Kaplan，2016）展示了數(shù)字材料的情感設計如何影響學習。關于動機，研究人員已經(jīng)展示了提高學生自我效能的信念可以促進多媒體課的學習（Huang&Mayer，2016；Mayer，2014c）。關于元認知，研究人員展示了學生對學習過程和學習策略的意識和控制，可以影響其在多媒體環(huán)境中的學習（Azevedo，2014；Azevedo&Aleven，2013；Fiorella&Mayer，2015）。這樣的發(fā)展有望拓寬認知學習理論。

區(qū)分死記硬背的教學方法和有意義的教學方法，在心理學和教育上已有很長的歷史，如20世紀上半葉的格式塔心理學家所證明的那樣（Katona，1940；Wertheimer，1959）。有意義的教學方法在遷移測試和保持測試中有優(yōu)異表現(xiàn)；死記硬背的教學方法只是在保持測試中表現(xiàn)出色，因此，遷移測試對于區(qū)分死記硬背和有意義的教學方法產(chǎn)生的學習結果最為有用（Mayer，2011）。

諸如訓練和練習之類的方法以及某些直接教學形式被認為是采用了死記硬背教學方法；而指導性練習和某些直接教學形式被認為是有意義的教學形式。死記硬背的教學方法不需要學習者在接受材料時予以理解（也就是說，不去建立一致連貫的心理模型）。有意義的教學方法，則要求學習者參與旨在理解材料的認知過程（即試圖建立學習材料的一致連貫的心理模型）。

在過去的30年里，學者們對機械學習和意義學習的概念發(fā)生了重要的變化。最初，隨著建構主義革命的開始，人們關注的焦點是學習過程中的行為活動，其中意義學習與學習過程中的動手活動相關聯(lián)，例如發(fā)現(xiàn)學習方法（Kirschner，Suveler&Clark，2006；Mayer，2004）。然而，過去30年的在線學習研究表明，諸如在線演示等被動媒體可以導致學習者在教學過程中認知上積極的主動學習。因此，學習的焦點已經(jīng)遷移到認知活動上，在學習過程中，有意義的教學與引導認知過程相聯(lián)系，即使此時所選用的媒體相對被動，也沒有關系。一個重要的進步是認識到有意義的教學方法，其關鍵不一定在于學習者在學習過程中的行為活動，而在于學習者在學習過程中的認知加工。這導致人們對在線課程的注意力從單純的動手活動轉(zhuǎn)移到是否指導學習過程中的積極認知加工（Skuballa，Dammert&Renkl，2018）。

根據(jù)相關的認知學習理論，如認知負荷理論（Paas&Sweller，2014；Sweller et al.，2011）和多媒體學習認知理論（Mayer，2009，2014b），表2列出了在線學習的三個教學設計目標。認知負荷理論使用了外部認知負荷、內(nèi)部認知負荷和生成認知負荷來描述學習過程中的三種認知負荷（Sweller，1999；Sweller，et al.，2011），多媒體學習的認知理論使用平行術語強調(diào)學習過程中的認知加工——冗余加工、必要加工和生成加工（Mayer，2001b，2005，2009，2014b）。

冗余加工是不能滿足教學目的的認知加工，因此教學設計的基本目標是減少冗余加工。從1980年開始，有關在線學習環(huán)境的教學設計的許多初步研究都集中在減少冗余加工技術上。理由是如果學習者將寶貴的認知能力用于冗余加工，那么將無法再有精力從事有意義的學習所需的認知加工，即必要加工和生成加工。

表3總結了旨在減少冗余處理并適用于在線學習的五種教學方法的研究：前后一致原理（coherenceprinciple）、提示結構原理（signaling/cueingprinciple）、刪除冗余原理（redundancy principle）、空間鄰近原理（spatialcontiguity principle）和時間鄰近原理（temporal contiguityprinciple）。該表根據(jù)已發(fā)布的比較實驗簡要介紹了每個原理和效應量中值大小，其中，從具有該特征的在線課程的小組，學習后得到遷移或理解分數(shù)，與接受不具有該特征的相同在線課程的小組進行了比較?？梢钥闯觯瑢p少冗余加工的技術進行了30年的研究已經(jīng)產(chǎn)生了可觀的研究基礎，并產(chǎn)生了與在線學習相關的幾種基于研究的設計原則（Ayres&Sweller，2014；Kalyuga&Sweller，2014；Mayer&Fiorella，2014；Van Gog，2014）。

例如，介紹人體血液循環(huán)系統(tǒng)如何工作的在線課程可以通過刪除無關事實（前后一致原理）、使用黑色墨水線條圖而不是照片上真實的心肺圖示（前后一致原理）來改進，當敘述提到血液循環(huán)系統(tǒng)時，插圖的一部分變紅（提示結構原理），用更多的聲音強調(diào)講解中的關鍵術語（提示結構原理），而不是在屏幕上添加重復講解者所說內(nèi)容的字幕（刪除冗余原理），在屏幕上顯示的圖形的相應部分旁邊打印名稱（空間鄰近原理），在敘述描述動作或?qū)ο蟮耐瑫r顯示圖形中的動作或?qū)ο螅〞r間鄰近原理）。

即使大部分或全部冗余加工予以消除后，當課程材料過于復雜時，學習者的認知系統(tǒng)也可能變得超載。因此，下一個主要進展是包括研究突出重點的必要加工技術——認知加工需要在心理上表征相關材料。表4總結了2000年以來關于突出重點的切塊呈現(xiàn)、預先準備和雙重通道原理的三種教學方法的研究?？梢钥闯?，對重點突出處理的技術進行了20年的研究已經(jīng)形成了一個堅實的研究基礎，該基礎支持與在線學習相關的幾種基于研究的設計原則（Low&Suller，2014；Mayer&Pilegard，2014）。

例如，一個描述人體血液循環(huán)系統(tǒng)如何工作的動畫可以通過將課程分成有意義的部分來改進，每個部分以一個“繼續(xù)”鍵結束，允許學習者進入下一個部分（切塊呈現(xiàn)原理），在動畫開始之前提供循環(huán)系統(tǒng)中每個部分的名稱和定義（預先準備原理），并將單詞以口頭形式呈現(xiàn)為講解，而不是以印刷形式呈現(xiàn)為屏幕文本（雙重通道原理）。

教學設計研究的最新目標是構建以理解材料為目的的生成加工認知過程的教學方法。這一方法自2000年以來一直備受關注，它側(cè)重于激發(fā)學習者努力理解材料的教學特點。如表5所示，這些原理包括“個性特征原理”（personalization principle）、“形象在屏原理”（embodimentprinciple）和“原音呈現(xiàn)原理”（voiceprinciple）。總的來說，過去的20年已經(jīng)進行了足夠的實驗，并產(chǎn)生了一些基于社交線索的初步設計原理，未來的幾年里會更值得期待（Mayer，2014d）。

例如，描述人體血液循環(huán)系統(tǒng)如何工作的敘述動畫可以通過使用包含“你”和“我”的會話語言而不是正式語氣（個性特征原理）來改進，由使用類似人的手勢和面部表情的屏幕角色呈現(xiàn)的課程（形象在屏原理），以及以吸引人的真實人聲而不是機器合成的聲音呈現(xiàn)的講解（原音呈現(xiàn)原理）。

可見，研究人員最初關注于減少冗余加工，然后增加了重點突出加工，最近則強調(diào)促進生成加工。例如，2001年對基于數(shù)據(jù)的在線教學設計原則的綜述包含五種減少冗余方法中的四種，但三種重點突出的方法只涉及一種，沒有促進生成處理的方法（Mayer，2001b）。之后的研究包含了除一種促進生成加工的方法之外的所有方法（Mayer，2005，2009），最近的研究包含了所有方法（Mayer，2014b）。在接下來的幾年里，我希望看到一些附加的原則，包括幫助學生克服焦慮、培養(yǎng)富有成效的信念、管理學習策略和感受積極情感的技能。

在過去的30年里，基于在線教學方法的研究顯示出強勁的增長。到2001年，已經(jīng)有足夠的研究來進行綜合分析，包括基于30個實驗比較的前三個表中列出的5個原則（Mayer，2001b）。到2009年，已有足夠多的研究用于綜合分析，包括基于72項實驗比較的前三個表中列出的10項原則（Mayer，2009）。到2014年，所有11項原則都納入了基于219項實驗比較的綜合分析（Mayer，2014d；Mayer&Fiorella，2014；Mayer&Pilegard，2014）。近幾年來，在線教學設計的研究步伐不斷加快，包括促進虛擬現(xiàn)實學習的新興教學設計研究（Parong&Mayer，2018）。

在過去30年的教學研究中，另一個重要的進步是考慮每一個教學設計原理的邊界條件，特別是在過去的10年中（Mayer，2009，2014d；Mayer&Fio-rella，2014；Mayer&Pilegard，2014）。最常見的邊界條件涉及學習者的原有知識水平，上述表格列出的原理有時最適合具有低（而非高）原有知識的學習者（Kalyuga，2014）。闡明每一原則的邊界條件是今后研究的一項重要而持續(xù)的任務，包括為誰、為哪種學習目標和材料、為哪種媒體場所等。

關于學習科學，當前在線學習的認知理論將受益于情感、動機和元認知的更強結合，以及對如何在學習過程中使用客觀的認知加工方法的更好理解；同時也將受益于更好地理解如何在學習過程中使用認知過程的客觀測量。

關于教學科學，我們需要在復制現(xiàn)有教學設計原理的基礎上，發(fā)展其邊界條件，創(chuàng)造新的原理（包括為新的場景，如游戲、模擬、虛擬現(xiàn)實和便攜式媒體等學習方式）并繼續(xù)發(fā)展研究。

關于評估科學，我們需要改進在線學習過程和結果評估，并將其作為在線學習體驗的一部分，從而使教學適應個體學習者的需要。