樣例復雜度與學習形式對不同數量樣例學習的影響

楊翠蓉,黃玲玉,袁 歡,周成軍

(1.江蘇師范大學 智慧教育學院,江蘇 徐州 211166;2.蘇州大學 教育學院,江蘇 蘇州 215123;3.蘇州科技大學 教育學院,江蘇 蘇州 215009)

樣例是呈現問題情境與問題解決步驟,以供學習者學習模仿的學習資源。[1]早期研究表明,與基于問題解決的學習相比,完整樣例的學習效果更好。[2]隨后,研究者在此基礎上設計了更多類型樣例,如錯誤樣例、不同解釋類型的樣例等。盡管樣例學習的促進作用被證實,但樣例皆有其適用邊界性。例如:完整樣例提供全部問題解決步驟,較為簡單,更適用于低學業水平學生;有提示性問題的樣例需進行自我解釋,較為復雜,更適合高學業水平學生。合作學習倡導小組成員合作交流以促進知識與技能學習,如果復雜樣例采用異質小組的合作學習形式,那么需要多少樣例才能促進不同學業水平學生的學習?基于此,本研究擬根據復雜樣例學習與有效合作學習展開樣例合作學習研究。

一、研究綜述

任務復雜性與認知負荷相關,影響學習效果。[3]完整樣例相對于問題解決更簡單。凡·高格(Van Gog)等發現,樣例呈現在問題解決前與呈現在問題解決后相比,學習認知負荷較低,同時學習效果較高,這是因為提供全部解題步驟的完整樣例既減輕學生認知負荷又提供完整認知圖式。[4]帕斯(Paas)、斯威勒(Sweller)和凡·高格等研究者同樣發現完整樣例比問題更能減輕學生認知負荷。[5-7]此外,還有研究比較不同復雜度的樣例個體學習效果。張奇等研究無括號、小括號與中括號運算等不同難度規則的樣例對個體學習的影響,結果發現,規則容易的樣例只需經過1～2個樣例的學習,而規則難的樣例需經過3～4個樣例的學習,即規則難的樣例需要花費更多時間、學習更多的樣例才能取得滿意的學習效果。[8]一般而言,學習的樣例數量越多,所花時間越長,認知負荷越高。知識難度與學生水平相關,對低水平學生而言可能是難知識,對高水平學生而言則不是。因此,需要根據樣例所涉知識數量操縱樣例復雜性,并且張奇等選取的是若干相關樣例,個體同時學習這些樣例會產生練習效應,有必要選取相互獨立且不同數量知識的樣例,探討合作學習是否會減少復雜樣例學習數量,降低認知負荷,促進樣例學習效果。

研究者根據認知負荷分析有效學習形式,認為復雜任務增加了個體學習的認知負荷,而合作學習將復雜任務所需的認知負荷分布給合作小組每個成員,使成員將更多工作記憶資源用于建構高質量的認知圖式,促進復雜任務完成;簡單任務沒有超出個體認知負荷,這時合作學習簡單任務反而會由于交流代價產生額外認知負荷,無助于簡單任務執行?？傊?任務復雜性、學習形式均影響認知負荷,從而影響學習效果,表現為復雜任務適用于合作學習,簡單任務適用于個體學習。[9]格斯欽納(Kirschner)等將問題解決作為復雜任務,將樣例學習作為簡單任務,研究發現:當個體學習時,樣例認知負荷顯著低于問題解決,其學習結果高于基于問題解決的學習;當合作學習時,基于問題解決學習的認知負荷顯著低于樣例,學習結果高于樣例;此外,樣例個體學習結果高于合作學習。[10]

為驗證樣例合作學習的有效性,研究者選取物理電磁學知識設計樣例,比較引發解釋的樣例個體學習與合作學習結果,研究發現:樣例合作組成員會運用更多先驗知識進行更多解釋,樣例個體組成員則更多復述樣例步驟,使得樣例合作學習結果正確率比個體學習更高,其錯誤率與解釋數量呈負相關。[11-12]樣例合作學習效果的高低還取決于樣例復雜度。董成文等將規則數量作為樣例復雜度的區分標準,設計簡單樣例(包含1道規則)與復雜樣例(包含2道規則),結果發現:簡單樣例的個體學習在近遷移結果上顯著高于復雜樣例的個體學習,復雜樣例的合作學習在近遷移結果上顯著高于簡單樣例的合作學習。[13]

有研究者選取PPT設計的樣例比較不同解釋類型的樣例學習,結果發現:自我解釋的樣例學習組(樣例個體學習)與合作解釋的樣例學習組(樣例合作學習)的學習效果無顯著差異,但均顯著高于無解釋樣例組。[14]瑞特諾瓦(Retnowati)等選取代數方程為知識點,以樣例步驟多少區分復雜與簡單樣例,發現無論是復雜樣例還是簡單樣例,樣例個體學習效果都顯著高于合作學習,而樣例個體學習與合作學習的認知負荷無顯著差異。[15]楊宗凱等將錯誤樣例看作復雜樣例,正確樣例看作簡單樣例,研究發現:雖然樣例合作學習效果顯著好于個體學習,但復雜樣例與簡單樣例合作學習在認知負荷與學習結果上無顯著差異。[16]此處研究分歧應緣于復雜樣例的操作性定義不同:對于大學生而言,PPT設計樣例并不是復雜樣例;步驟多的樣例未必涉及的知識就多,超出任務所需認知負荷未必成為復雜樣例;錯誤樣例比正確樣例更難學習,但對于高水平學生而言,超出他們的認知負荷未必是復雜樣例。[14-16]

基于已有復雜樣例學習研究的不足,本研究將從樣例所涉知識數量操縱樣例復雜性,視所涉知識多的樣例為復雜樣例,所涉知識少的樣例為簡單樣例,不同復雜度的樣例學習所需的樣例數量不同。樣例是一種常見的課堂學習資源,又受課堂教學時間的限制,因此有必要探討最佳復雜樣例學習所需的樣例數量,為課堂教學的樣例運用提供依據。此外,異質能力組的合作學習效果優于同質能力組。[17]已有樣例學習研究多采用同質合作小組,那么異質能力組的復雜樣例合作學習對高低學業水平學生學習效果如何?綜上所述,本研究擬展開兩個實驗,采用異質能力組,通過操作樣例所涉知識數量,就學習樣例的多少分別探討樣例復雜度與學習形式對樣例學習效果的影響。

二、實驗研究分析

(一)實驗1:學習1個樣例時,樣例復雜度與學習形式對樣例學習效果的影響

1.實驗目的

考察學生學習1個樣例時,不同復雜度的樣例個體學習與合作學習在學習認知負荷與學習進步程度上是否存在差異。研究假設:(1)學習簡單樣例時,樣例個體學習認知負荷顯著低于合作學習,學習進步程度顯著高于合作學習;學習復雜樣例時,樣例合作學習認知負荷顯著低于個體學習,學習進步程度顯著高于個體學習。(2)學習簡單樣例時,低學業水平學生的學習進步程度顯著高于高學業水平學生;學習復雜樣例時,高學業水平學生的學習進步程度顯著高于低學業水平學生。

2.被試

由于實驗材料選取知識點分別來自實驗心理學與心理統計學課程,因此本研究選取蘇州某高校心理學專業三年級學生73人作為被試。根據其相應學科成績,剔除成績處于中位數的學生,最終選取高學業水平學生27人與低學業水平學生26人,共計53人。在正式實驗前兩周對其進行前測并發現:在信號檢測論前測上,高水平學生的前測結果顯著高于低水平學生(M高=8.62,SD高=2.94,M低=2.33,SD低=1.21,t=10.1,p<0.001,Cohen’sd=2.80);在方差分析前測上,高水平學生的前測結果顯著高于低水平學生(M高=7.54,SD高=3.63,M低=1.78,SD低=1.55,t=7.45,p<0.001,Cohen’sd=2.06)。將高低水平學生進行兩兩配對,隨機分配到合作學習組與個體學習組,兩組前測成績無顯著差異(M合作=9.62,SD合作=4.75,M個體=10.41,SD個體=7.31,p=0.528)。

3.實驗設計

本研究采用2(樣例難度)×2(學習形式)混合實驗設計。前者為被試內變量,分為簡單與復雜兩種樣例水平,其中簡單樣例所涉知識少,復雜樣例所涉知識多;后者為被試間變量,分為合作和個體學習兩種水平。因變量為認知負荷和學習進步程度,其中認知負荷采用認知負荷主觀量表進行測量[18],學習進步程度以前后測成績差值為指標。

4.實驗材料

為避免練習效應,在咨詢基礎心理學專家后,從實驗心理學中選取信號檢測論知識點,從心理統計中選取方差分析知識點,根據任務分析方法對其進行知識數量分析。方差分析所涉知識數量為12個,可視為復雜樣例;信號檢測論所涉知識數量為7個,可視為簡單樣例。

(1)樣例材料

樣例包括1個簡單樣例(信號檢測論)與1個復雜樣例(方差分析)。根據實驗目的,每個樣例由問題情境、樣例步驟與4個提示性問題構成,提示性問題置于樣例最后。樣例提示性問題旨在引發樣例個體與合作學習組的解釋,以避免解釋有無對樣例學習效果的影響。由于樣例涉及知識為規則,因此提示性問題是對相應步驟所蘊含的規則及其適用條件的提示。例如:簡單樣例(信號檢測論)的提示問題之一“說明P擊中的計算公式”,旨在讓被試理解擊中率公式的各組成成分及其之間的關系;復雜樣例(方差分析)的提示問題之一“單因素方差分析的適用條件是什么”,旨在讓被試對其適用條件進行解釋。

(2)前后測材料

前人研究認為樣例學習不僅要掌握問題解決步驟,還要掌握問題解決所依據的知識。因此,本實驗的前測與后測不僅包括應用題(1題),以測量樣例所涉知識的應用程度,還包括名詞解釋(3題)、簡答題(1題),以測量對所涉知識的理解程度,總分各40分。

簡單樣例(信號檢測論)前后測的名詞解釋題評分標準是:每題2個知識點,每答對1個得1分,公式正確得2分,名詞解釋3題共計12分。簡答題評分標準是:擊中率圖正確得2分,錯誤得0分;虛報率圖正確得2分,錯誤得0分;擊中率與反應傾向性關系解釋正確得2分,錯誤得0分;虛報率與反應傾向性關系解釋正確得2分,錯誤得0分,共計8分。應用題評價標準是:擊中率、虛報率、漏報率、正確拒斥率計算正確各得2分,將它們分別轉為z值,轉換正確各得1分,辨別力指數與反應傾向計算正確各得4分,共計20分。

復雜樣例(方差分析)前后測名詞解釋題的評分標準是:每題2分,提到所有知識點得2分,提到部分知識點得1分,知識點錯誤得0分。簡答題評分標準是:每個步驟正確得1分,統計量正確得1分,共計12分。應用題評分標準是:單因素方差分析適用條件分析正確得3分,假設提出正確得2分,每個統計量計算正確得2分,統計決策正確得3分,方差分析表正確得2分,共計22分。

請不參與研究的兩位心理學研究者根據評分標準對前后測成績進行評定,得到一致系數為0.805,由此選擇其中一位研究者的成績評定結果進行數據分析。

5.實驗程序

根據前測成績將個體配對并隨機分配到個體組或合作組,實驗前分別進行出聲思維訓練和合作學習訓練,直至掌握。

6.結果分析

(1)樣例難度與學習形式對認知負荷及學習進步程度的影響

不同難度樣例的個體學習與合作學習的認知負荷和學習進步程度結果如表1所示。以認知負荷為因變量,以樣例難度和學習形式為自變量,進行重復測量方差分析。結果發現:樣例難度主效應顯著,F(1,51)=13.75,p=0.001,ηp2=0.21,簡單樣例的認知負荷(M=13.11,SD=2.30)顯著高于復雜樣例(M=12.06,SD=1.49);學習形式無顯著主效應,F(1,51)=0.52,p=0.473;樣例難度與學習形式無交互作用,F(1,51)=2.3,p=0.136。

表1 不同難度樣例的個體學習與合作學習的認知負荷和學習進步程度

將后測減前測的差值作為學習進步程度的指標,以其為因變量,以樣例難度和學習形式為自變量,進行重復測量方差分析。結果發現:學習形式主效應顯著,F(1,51)=5.12,p=0.028,ηp2=0.09,合作學習條件下的樣例學習進步程度(M=31.81,SD=9.63)顯著高于個體獨立學習條件(M=24.67,SD=13.01);樣例難度無顯著主效應,F(1,51)=1.87,p=0.178;樣例難度與學習形式無交互作用,F(1,51)=1.12,p=0.294。

(2)不同難度的樣例條件下,學業水平與學習形式對樣例學習進步程度的影響

由于每個個體對學習材料“信號檢測論”和“方差分析”掌握程度不一致,因此在難度不同的樣例條件下,分別分析學生學業水平和學習形式對學習進步程度的影響(見表2)。

表2 不同學業水平學生的樣例個體學習與合作學習的學習進步程度

簡單樣例條件下,將知識后測減前測的差值作為學習進步程度的指標,以此為因變量,以學業水平和學習形式為自變量,進行重復測量方差分析。結果表明:學習形式主效應顯著,F(1,49)=4.86,p=0.032,ηp2=0.090,合作條件下的樣例學習進步程度(M=15.73,SD=6.89)顯著高于個體學習條件(M=10.96,SD=8.29);學業水平無顯著主效應,F(1,49)=0.09,p=0.761;學業水平與學習形式無交互作用,F(1,49)=0.39,p=0.538。

復雜樣例條件下,將知識后測減前測的差值作為學習進步程度的指標,以此為因變量,以學業水平和學習形式為自變量,進行重復測量方差分析。結果表明:學業水平主效應顯著,F(1,49)=5.03,p=0.029,ηp2=0.093,學業水平較低的學生學習進步程度(M=16.74,SD=7.42)顯著高于學業水平較高的學生(M=12.92,SD=4.76);學習形式無顯著主效應,F(1,49)=2.03,p=0.161;學業水平與學習形式無交互作用,F(1,49)=0.01,p=0.923。

納入標準：所有患者均知曉本次研究，且已經簽訂知情同意書，并經我院醫學倫理委員會批準，患者年齡在18歲以上。

實驗1表明,學習單個樣例時,無論樣例復雜度如何,樣例合作學習效果均好于個體學習,且學業水平低的學生從樣例學習中受益更多。

(二)實驗2:學習3個樣例時,學習形式與樣例難度對學習效果的影響

1.實驗目的

實驗目的與實驗1相似,不同之處在于樣例數量由1個變為3個。實驗2考察學生學習多個樣例時,不同難度的樣例個體學習與合作學習在學習認知負荷與學習進步程度上是否存在差異。研究假設:(1)學習簡單樣例時,樣例個體學習認知負荷顯著低于合作學習,學習進步程度顯著高于合作學習;學習復雜樣例時,樣例合作學習認知負荷顯著低于個體學習,學習進步程度顯著高于個體學習;(2)學習簡單樣例時,低學業水平學生學習進步程度顯著高于高學業水平學生;學習復雜樣例時,高學業水平學生學習進步程度顯著高于低學業水平學生。

2.被試

另招募蘇州某高校心理學專業四年級學生79人,按照實驗1的方法有意抽取高水平學業學生32人與低水平學業學生30人,共計62人。結果發現:信號檢測論前測存在學生類型差異,高水平學生的前測結果顯著高于低水平學生(M高=10.33,SD高=4.21,M低=2.69,SD低=1.62,t=9.32,p<0.001,Cohen’sd= 2.06);方差分析前測存在學生類型差異,高水平學生的前測結果顯著高于低水平學生(M高=8.93,SD高=3.17,M低=2.27,SD低=1.39,t=5.91,p<0.001,Cohen’sd=2.72)。將高低水平學生進行配對,隨機分配到合作學習組與個體學習組,兩組前測結果無顯著差異(t=1.75,p=0.124)。

3.實驗材料、實驗設計、實驗程序

除樣例學習材料外,其余實驗材料與實驗1相同。其中,信號檢測論樣例(簡單樣例)與方差分析樣例(復雜樣例)各3個,每個樣例的深層特征相同,表面特征不同。

實驗設計、實驗程序均同實驗1,只是3個樣例的學習時間為45分鐘。

4.結果分析

(1)樣例難度與學習形式對樣例學習認知負荷及學習進步程度的影響

以認知負荷為因變量,以樣例所涉難度和學習形式為自變量,進行重復測量方差分析。結果發現:難度主效應不顯著,F(1,60)=2.459,p=0.122;學習形式主效應顯著,F(1,60)=4.32,p=0.042,ηp2=0.07,合作學習組的學生認知負荷(M=12.36,SD=2.04)顯著高于個體學習組(M=11.30,SD=1.96);樣例難度與學習形式交互作用顯著,F(1,60)=62.07,p<0.001,ηp2=0.51。簡單效應分析發現:進行個體學習時,簡單樣例學習認知負荷顯著低于復雜樣例;進行合作學習時,簡單樣例學習認知負荷顯著高于復雜樣例(見圖1、圖2及表3)。

圖1 樣例難度與學習方式對認知負荷的影響

圖2 樣例難度與學習方式對學習進步程度的影響

表3 不同知識數量的樣例個體學習與合作學習的認知負荷和學習進步程度

將后測減前測的差值作為學習進步程度的指標,以其為因變量,以樣例難度和學習形式為自變量,進行重復測量方差分析。結果發現:學習形式無顯著主效應,F(1,60)=1.57,p=0.215;樣例難度無顯著主效應,F(1,60)=1.94,p=0.169;樣例難度與學習形式交互作用顯著,F(1,60)=21.53,p<0.001,ηp2=0.26。在個體學習組,簡單樣例學習進步程度(M=18.67,SD=6.60)大于復雜樣例(M=15.27,SD=8.09);在合作學習組,簡單樣例學習進步程度(M=22.47,SD=9.00)同樣大于復雜樣例(M=16.16,SD=9.62)。

(2)不同知識數量的樣例條件下,學業水平與學習形式對樣例學習進步程度的影響

由于個體對學習材料“信號檢測論”和“方差分析”的掌握程度存在不一致的情況,因此在所涉不同知識數量的樣例條件下,分別分析學生的學業水平和學習形式對學習效果的影響(見表4)。

表4 不同學業水平學生、不同難度的樣例個體學習與合作學習進步程度

簡單樣例條件下,將學習后測減前測的差值作為學習進步程度,以其為因變量,以學業水平和學習形式為自變量,進行重復測量方差分析。結果表明:學業水平主效應顯著,F(1,58)=5.16,p=0.027,ηp2=0.08;學業水平低的個體樣例學習進步程度(M=19.75,SD=7.99)顯著高于學業水平高的個體(M=14.83,SD=8.04);學習形式無顯著主效應,F(1,58)=1.17,p=0.28;學業水平與學習形式無交互作用,F(1,58)=2.85,p=0.10。

復雜樣例條件下,將學習后測減前測的差值作為學習進步程度,以其為因變量,以學業水平和學習形式為自變量,進行重復測量方差分析。結果表明:學業水平主效應顯著,F(1,58)=4.87,p=0.031,ηp2=0.08;學業水平低的學生學習進步程度(M=21.30,SD=9.45)顯著高于學業水平高的學生(M=16.81,SD=8.64);學習形式主效應顯著,F(1,58)=12.49,p=0.001,ηp2=0.18,合作學習條件下學習進步程度(M=22.47,SD=9.00)顯著高于個體學習條件(M=15.27,SD=8.09);學業水平與學習形式無交互作用,F(1,58)=1.57,p=0.215。

實驗2表明:學習多個簡單樣例時,合作學習認知負荷顯著大于個體學習;學習多個復雜樣例時,合作學習認知負荷顯著小于個體學習。從學習進步程度來看,合作學習條件下簡單樣例學習效果顯著好于個體學習形式,個體學習條件下簡單樣例學習效果同樣顯著好于個體學習形式。將學生的學業水平考慮在內,兩種樣例的學習進步程度皆是學業水平低的學生的樣例學習效果較好。

三、討 論

學習效果應是最少心理投入獲得最大學習進步,因此本研究圍繞認知負荷與學習進步程度,就上述兩個實驗分析討論不同樣例數量下不同復雜度樣例的合作學習效果,以及不同學業水平學生的復雜樣例合作學習效果。

本研究將知識少的樣例作為簡單樣例,將知識多的樣例作為復雜樣例。綜合實驗1與實驗2的研究結果可以發現,學習少量樣例時,無論樣例復雜與否,合作學習進步程度均好于個體學習,而兩者的認知負荷無顯著差異。本研究與楊宗凱等的研究結果相同[16],原因在于這兩個研究都需要學習者對簡單樣例與復雜樣例進行解釋,從而增加樣例復雜度,而合作學習能減輕個體認知負荷,成員間的合作解釋又促進學習者深度理解樣例。另外,實驗1只需合作學習1個樣例,不需要重復學習表層結構不同但深層結構相同的樣例,這對于簡單樣例學習不會產生過多的不必要的交流討論行為,不會產生額外的認知負荷。樣例合作學習效果好于個體學習,究其原因,應不僅僅是認知負荷減少,還可能是解釋機制促進了合作學習效果。學習多個樣例時,復雜樣例比簡單樣例合作學習的認知負荷更少,學習進步程度更高;簡單樣例比復雜樣例個體學習的認知負荷更少,學習進步程度更高。這與董成文等的研究結果一致,也驗證了格斯欽納等的觀點:對于簡單樣例合作學習而言,多次合作學習深層結構一致的樣例會增加額外認知負荷;對于復雜樣例,即使是合作學習,也需要更多數量的樣例才能讓學習者充分掌握,合作學習過程中的交流討論不僅能促進學習者對樣例的深度理解,而且能減少他們的認知負荷,使學習效果好于簡單樣例。

本研究結果不同于瑞特諾瓦等的研究結果。瑞特諾瓦等發現,無論樣例復雜還是簡單,個體學習都要好于合作學習。樣例學習效果的判斷方法主要是,在控制樣例學習前的相關知識經驗下比較樣例學習測試結果,或根據學習進步程度探討樣例學習效果。瑞特諾瓦等在真實教學情境中進行研究,實驗前沒有對合作能力進行培訓,選取的是已存在的合作學習組,沒有比較合作學習組與個體學習組成員先驗知識,因此樣例個體學習好于合作學習的研究結果值得進一步論證。為回答瑞特諾瓦等提出的“更復雜的樣例是否更宜運用樣例合作學習”這一問題,本研究操縱樣例所涉知識數量,設計不同知識數量的樣例,綜合實驗1與實驗2關于知識數量對樣例合作與個體學習效果的比較發現,無論知識難易,少量引發解釋的樣例均適于合作學習,尤其是當學習知識多的復雜樣例時,樣例合作學習的認知負荷顯著低于樣例個體學習,學習進步程度顯著高于樣例個體學習。需要指出的是,本研究是在不同樣例數量下進行樣例合作與個體學習的比較,未來有必要操縱樣例數量,探討樣例數量與知識難度對樣例合作學習的影響。

同時,實驗1與實驗2皆發現,低學業水平學生的樣例學習進步程度顯著高于高學業水平學生。這是因為,本研究采用的是異質小組,學業水平低的學生在個體學習中觀察樣例步驟,在合作學習中接受高水平學生的解釋,使他們的學習進步程度更高;學業水平高的學生由于具有足夠的知識經驗,從樣例個體學習中獲益較少,他們在合作學習中更多的是向他人提供解釋,而不是接受他人的解釋,其學習進步程度相對較少?？偠灾?本研究驗證了卡柳加(Kalyuga)樣例學習的“專長反轉效應”:相對于高學業水平學生,低學業水平學生從樣例學習中受益更多。[19]

綜上所述,本研究認為:對于簡單樣例,只需少量樣例合作學習就能實現較好的學習效果,對于復雜樣例,則需要更多樣例的合作學習;樣例學習有助于低學業水平學生。