摘要：为检验工作记忆容量对软件操作技能教学视频自主学习效果和认知负荷的影响，文章采用3-back工作范式测验工作记忆容量，从114名大学生被试中筛选出工作记忆容量最高的24名被试和工作记忆容量最低的20名被试作为研究对象，要求他们观看一段关于制作PowerPoint幻灯片的教学视频，随后测量被试的自主学习效果和认知负荷。研究结果表明：较高的工作记忆容量对被试学习软件操作技能教学视频的自主学习效果和内、外在认知负荷均会产生积极影响，但对相关认知负荷的影响不明显。此研究结论丰富了工作记忆容量对教学视频自主学习效果影响的研究成果、验证了认知负荷理论的相关观点，可为教学视频或在线学习平台的开发、教学视频的学习提供理论参考。
关键词：教学视频;软件操作技能;工作记忆容量;自主学习
一问题的提出
1软件操作技能教学视频
随着网络技术、多媒体技术的发展和在线学习平台的应用推广，基于语词和画面表征共同呈现教学内容的多媒体学习正日益普及[1]。与传统学习资料相比，教学视频具有信息量大、音视频元素时空关系丰富等特点[2]。不同于其它类教学视频，软件操作技能教学视频在教学内容和画面构成上具有独特性：①该类教学视频的学习内容是某种计算机软件的操作技能，同时兼顾陈述性知识和程序性知识、认知技能和动作技能的基本特征。由于软件技能的学习过程比较复杂，学习者必须合理利用工作记忆对该类教学视频中的信息进行充分加工。②该类教学视频通常采用抓屏技术将电脑屏幕的二维平面完整录制下来，不仅细节繁多，而且主体与背景不易区分;同时，软件操作技能具有明显的序列性，每一步操作都会引起软件界面的变化、进而决定下一步操作行为——这两个方面会使得视频中的时空关系更加紧密，学习者必须依靠讲解者的鼠标操作行为和软件界面的动态变化等视觉线索来获取关键信息。
软件操作技能教学视频的独特性，可能会使该类教学视频的学习活动产生更多的认知负荷，从而影响学习者的学习效果。而学习者的工作记忆容量是有限的，并且学习者的工作记忆容量存在个体差异。那么，工作记忆容量究竟会对软件操作技能教学视频的自主学习效果与认知负荷产生怎样的影响?厘清这一问题，对于改善该类教学视频的画面设计、完善在线学习支持系统具有重要的借鉴意义。
2工作记忆容量
工作记忆是在执行认知任务的过程中用于临时存储和加工信息的记忆系统[3]。根据加工信息的类型，工作记忆被分为词语工作记忆、空间工作记忆和客体工作记忆，分别指向词语、空间位置和客观图形等信息类型[4]。无论是哪一种工作记忆，其容量都是有限的。如果临时存储和加工的信息超过了工作记忆的总容量，就会造成认知超载，进而影响学习效果[5]。
关于认知超载，认知负荷理论(CognitiveLoadTheory，CLT)给出了详细的理论依据[6]。CLT认为，工作记忆在存储和加工信息时必然要消耗一定的认知资源，这种认知资源的消耗即为“认知负荷”。根据消耗的认知资源的来源，认知负荷被分为三类：内在认知负荷、外在认知负荷和相关认知负荷，三者相加便是总认知负荷。内在认知负荷主要与学习材料难度和学习者先验知识有关，外在认知负荷与学习材料的组织和呈现方式有关，相关认知负荷则与认知加工的深度有关。CLT认为，在内在认知负荷一定的情况下，外在认知负荷越低，相关认知负荷越高，学习效果就越好。可见，工作记忆容量主要通过各种认知负荷的分配来影响学习效果。
基于上述分析，本研究主要探讨以下两个问题：①工作记忆容量对软件操作技能教学视频的自主学习效果是否有显著影响?②工作记忆容量对学习软件操作技能教学视频过程中的认知负荷是否有显著影响?
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二方法与过程
1预备实验
(1)实验目的
预备实验旨在为正式实验筛选出符合工作记忆容量分组的被试。已有研究表明，基于n-back范式的再认任务能够有效测量出被试的工作记忆容量[7][8][9]。所谓n-back范式，是给被试呈现一系列的字母、数字、图形或空间位置等刺激材料后，由被试判断每个呈现的刺激材料是否与前面刚呈现的第n个刺激材料匹配;被试判断的正确率越高，表明其工作记忆容量越大。该范式还可以通过调整n的大小来控制被试的认知负荷，许军[10]的研究证明：当n=3时(即3-back范式)，再认任务能够有效地区分工作记忆容量的差异。基于此，本研究将采用3-back范式进行工作记忆容量的测量。
(2)研究对象
本研究从S大学随机选出114名师范类大学生参与了本实验，被试平均年龄为21.46岁(SD=2.032)。所有被试均为右利手，视力正常或矫正视力正常，无色弱色盲。
(3)材料和程序
本研究基于3-back范式的工作记忆容量测量的实验材料和程序设计参考了龚德英[11]的研究，具体包括两个测量任务：语词工作记忆容量测量和客体工作记忆容量测量——前者呈现的再认材料是一系列文字，如重、周、新、真等，共计14个;后者呈现的再认材料是一系列几何图形，如心形、梯形、椭圆、直角三角形等，共计14个。本研究采用E-Prime程序控制测量材料的呈现次序和持续时间，每个刺激材料的持续时间为500毫秒，被试需尽快判断该刺激材料和此前倒数第3个刺激材料是否相同，之后E-Prime程序将自动记录被试的按键和反应时。
预备实验在一台采用E-Prime编程控制的多媒体计算机上进行。实验开始前，主试宣读指导语，提醒被试看刺激材料时尽量准确、快速地做出反应。被试完全理解指导语后进入练习阶段，熟悉判断规则和键盘使用。在练习过程中，被试每判断一个刺激材料，屏幕上均有正确与否的反馈，练习完毕后屏幕上还会呈现被试的练习总成绩。被试认为自己已熟练掌握判断规则后，可按“空格键”进入正式测试。正式测试中的刺激材料与练习阶段完全相同(即语词、图形刺激材料各呈现20次)，但刺激材料的累计呈现次数、呈现次序与练习阶段有所不同。整个预备实验持续大约15分钟。
(4)测量与分组
工作记忆容量取被试在语词和图形再认任务中正确率的平均值。被试基于3-back范式的工作记忆容量测量结果如表1所示，可以看出：114名被试的平均正确率为0.63(SD=0.095)，最大值为0.875，最小值为0.408。本研究对被试判断的正确率从高到低进行排序后，将排在前27%的被试认定为高工作记忆容量组(下文简称“高容量组”)、排在后27%的被试认定为低工作记忆容量组(下文简称“低容量组”)，得到高、低容量组各30名被试。其中，高容量组的平均正确率为0.74(SD=0.046)、低容量组的平均正确率为0.51(SD=0.042)。
2正式实验
(1)被试筛选
本实验采用单因素实验设计。自变量为工作记忆容量，包括2个处理水平：高工作记忆容量和低工作记忆容量。根据预备实验，两组被试各有30人。但由于后来有部分被试流失，实际参与正式实验的被试为44人(含高容量组24人、低容量组20人)。高、低容量组的平均正确率分别为0.74(SD=0.046)、0.51(SD=0.041)，独立样本t检验结果为：t(42)=16.338，P<0.001，表明两组被试的平均正确率确实存在显著差异。
(2)视频材料
视频材料讲授的内容是关于PowerPoint2010版的触发器功能，以及如何使用触发器控制PowerPoint中视频的播放、暂停和停止。视频采用CamtasiaStudio8软件进行录制，时长为234秒，分辨率为1080×720，帧速率为25fps。
(3)测量内容
①自主学习效果测验，包括保持测验和迁移测验。其中，保持测验主要测量被试对教学视频中演示的操作步骤的记忆程度，即：被试利用系统提供的素材，模仿教学视频中的操作步骤，实现通过触发器控制PowerPoint中视频的播放、暂停和停止功能;而迁移测验主要测量被试利用所学的技能在新情景中解决问题的能力水平，即被试将习得的使用触发器控制视频播放、暂停和停止的方法，迁移到使用触发器去控制其它材料的呈现。在本实验中，迁移测验要求被试参照新提供的样例，使用PowerPoint的触发器功能，将一段古诗的朗诵录音与该古诗的文本材料对应起来;当单击某一句古诗时，激活该句诗的朗诵录音。整个测验共包括10个步骤，被试每完成1个步骤，计1分;被试只有逐步完成所有操作，才能得到与系统样例效果相近的作品。保持测验和迁移测验的成绩均由2名研究者根据评分标准进行独立评分后，再取平均值。
②认知负荷测验，包括对内在认知负荷、外在认知负荷和相关认知负荷的测量。其中，对内在认知负荷与相关认知负荷的测量采用Paas等[12]编制的认知自评量表，即：要求被试完成视频学习任务后，根据自己的感受从1～9中选择一个合适的数字，分别对视频学习过程中的任务难度和心理努力进行评价——1表示非常容易和最少努力，5表示中等难度和中等努力，9表示非常困难和非常努力。外在认知负荷的测量则借鉴了Brünken等[13]的双重任务测量法，即：在教学视频呈现的过程中，屏幕下方会随机出现一个红色字母“A”，要求被试一看到该字母就进行按键操作(按“空格键”)，按键完成后字母方消失，共随机呈现10次;同时，采用E-prime编程记录从字母出现到被试按键的时间间隔，即每次按键的反应时。由于按键任务是在学习过程中同时进行的，而学习过程是需首先完成的初级任务，故按键任务亦被称为二级任务。根据DeLeeuw等[14]的研究结果，二级任务反应时对测量外在认知负荷比较有效，反应时越长，外在认知负荷越大。据此，外在认知负荷将根据程序记录的被试二级任务反应时进行统计。
(4)实验流程
正式实验采用的多媒体计算机与预备实验相同(佩戴耳机)。实验开始前，主试宣读指导语，提醒被试认真观看视频材料，当看到红色字母“A”时立刻按下空格键，程序自动记录被试的反应时。视频连续播放两遍，期间不允许被试记笔记。视频播放完毕，被试立即完成认知自评量表;随后在计算机上完成保持测验，最后完成迁移测验——测验期间，不允许被试再次观看教学视频。整个正式实验持续大约50分钟。
三结果与分析
1自主学习效果、认知负荷的相关性分析
通过对自主学习效果与认知负荷进行Pearson极差相关分析，本研究得到自主学习效果与认知负荷的相关矩阵(如表2所示)，结果显示：①保持测验与迁移测验达到中等以上显著正相关(r=0.464，P<0.01)，说明两者具有较高的内在一致性。②相关认知负荷与外在认知负荷达到中等以上显著负相关(r=-0.406，P<0.01)，说明两者存在此消彼长的关系，这与CLT的基本观点一致;同时也进一步说明，本实验采用认知自评量表测量相关认知负荷、采用二级任务反应时测量外在认知负荷具有一定的可行性。③内在认知负荷、外在认知负荷与保持测验、迁移测验均达到显著负相关，而相关认知负荷与保持测验、迁移测验呈正相关(未达到显著水平)。而根据CLT可知，通过控制内在认知负荷、减少外在认知负荷、增加相关认知负荷，有助于提高学习绩效[15]。显然，本实验结果与CLT的基本观点一致。综上所述，本实验所用的自主学习效果和认知负荷的测量工具具有一定的可靠性。
2工作记忆容量对自主学习效果和认知负荷的影响
高、低容量组自主学习效果和认知负荷的描述性统计结果如表3所示，而工作记忆容量对被试自主学习效果和认知负荷的单因素ANOVA分析结果如表4所示。
在自主学习效果方面，表3显示高容量组的保持测验、迁移测验成绩均高于低容量组。而表4的ANOVA分析结果表明：工作记忆容量对保持测验和迁移测验的主效应显著，说明工作记忆容量的大小会对被试自主学习软件操作技能教学视频的自主学习效果产生积极影响;根据卢谢峰等[16]关于偏η2效应量大小的基本观点：当偏η2值接近0.04时，效应量偏小;当偏η2值接近0.24时，效应量适中;当偏η2值接近0.64时，效应量较大，可知工作记忆容量对自主学习效果的影响处于中等偏小的水平。
在认知负荷方面，表3显示高容量组的内在认知负荷和外在认知负荷均低于低容量组。而表4的ANOVA分析结果表明：工作记忆容量对内、外在认知负荷的主效应显著，说明工作记忆容量的大小会对被试自主学习软件操作技能教学视频的内、外在认知负荷产生积极影响，且这种影响处于中等偏小的水平。此外，表3显示高容量组的相关认知负荷高于低容量组，而表4的ANOVA分析结果表明：工作记忆容量对相关认知负荷的主效应未达到显著水平，说明工作记忆容量的大小对被试自主学习软件操作技能教学视频的相关认知负荷影响不明显。
综上所述，本研究得出结论：较高的工作记忆容量对被试自主学习软件操作技能教学视频的学习效果和内、外在认知负荷均会产生积极影响，但对相关认知负荷的影响不明显。
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