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摘 要：本文介绍了作者对过去30年在线学习研究的研究进展。研究如何设计在线教学是将学习科学应用于教育的一个案例。在线教学设计研究有助于发展学习科学（如认知负荷理论、多媒体学习的认知理论，以及学习的元认知、动机和情感的综合），教学科学（如有研究证据的教学设计原理不断发展）和评估科学（如多侧面的迁移测试，同时辅以保持测试和自我调查报告，学习过程中的日志文件数据，以及学习认知过程中的认知神经科学测量等）。文中反复提到的观点：学习有赖于运用教学方法，而不是单凭教学媒体就能够奏效的，在线教学设计研究应该关注数字化学习环境的特性;教学实践应建立在严谨、系统的研究基础上，包括旨在确定在线教学中有效成分的增值实验;在线学习研究应确定教学技术最有效的边界条件;在线学习研究应该起到检验和发展学习理论的作用。
关键词：数字化学习，教学设计，多媒体学习，在线学习，学习科学
中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：2096-0069（2020）02-0001-08
资料来源：Mayer RE. Thirty years of research on online learning. Appl Cognit Psychol. 2019; 33： 152-159. https：//doi.org/10.1002/acp.3482
收稿日期：2020-01-22
作者简介：理查德.梅耶，美国加州大学圣巴巴拉分校心理與脑科学学院教授，国际顶尖学习科学家;李爽（1982— ），女，辽宁兴城人，浙江大学海洋学院副教授，博士生导师，海洋学院教师发展中心副主任，研究方向为物理海洋、教育设计;盛群力（1957— ），男，上海人，浙江大学教育学院教授，博士生导师，研究方向为课程和教学论。
引言
（一） 将学习科学应用于教育
本文简短回顾的目的是提供作者个人有关过去30年在线学习研究的研究进展，重点关注对学习科学（人如何学习）、教学科学（如何帮助人学习）和评估科学（如何确定人学到了什么）所起到的推动作用。本综述将把在线学习研究看成是学习科学应用于教育的一个实例（Mayer，2011），它属于应用认知心理学的大范畴。
（二）什么是在线学习？
在线学习（online learning，亦称为电子学习、数字学习或基于计算机的学习，e-learning，digital learning or computer-based learning），可以定义为在支持学习的数字化设备上所提供的教学（Clark & Mayer，2016）。这一定义包括什么是在线学习、如何在线学习和为什么要在线学习三个部分：（1）关于什么是在线学习，其内容包括口头或印刷的文字和/或图示，如插图、图表、照片、动画或视频;（2）关于如何在线学习，其媒体是基于计算机的设备，如台式计算机、笔记本电脑、平板电脑、智能手机或虚拟现实;（3）关于为什么要进行在线学习，其教学目标是使学习者的知识发生特定的变化。
在线学习已经获得了越来越多的关注，因为教学越来越多地从传统的媒体——如书籍和面对面讲授——转移到基于计算机的媒体——如解说动画、教学视频、涉及印刷文本和插图的超文本，以及教育游戏和模拟（Clark & Mayer，2016;Mayer，2017）。在线环境允许采用许多创新的方法来支持学习，但是我们需要的是基于研究的原理来更好地利用这些新的可能性。我们面临的挑战是，教学技术的进步已经超过了教学科学的进步，后者能够确定技术如何得以最佳使用。简而言之，仅仅因为技术可以完成某些事情并不意味着它非得要这样去做。
值得说明的是，教学媒体——即便是基于计算机的媒体——本身并不会带来学习，反而是教学方法才会引发学习（Clark，2001）。某些教学技术有可能提供那些在传统媒体上无法落地或难以实现的教学方法。例如，基于计算机的媒体使涉及交互性或动态图形的教学方法成为可能，这是传统的基于书本的媒体无法轻易做到的。在教学技术的历史上，充斥着教育中尖端技术兴衰的例子，包括20世纪20年代的电影，30年代的广播，50年代的电视，以及60年代的程序化教学（Cuban，1986;Saettler，1990）。从这段早期的历史中，我们吸取的教训是需要采取一种以学习者为中心的方法，即询问如何使用技术以支持人学习，而不是问我们如何让人去适应最新的前沿技术。
是的，今天我们面临着一系列在线学习技术，这些技术可以提供令人惊叹的图示（虚拟现实）、交互学习（智能教学系统）和地理位置（GPS）。在线学习技术的教育潜力会像过去的教育技术一样消失，还是我们能够进行适当的科学研究来指导在线学习的有效使用？本文总结了过去30年来如何帮助人在丰富的技术环境中学习方面所取得的进展，并为未来的研究提出一些富有成效的途径。特别是，我提供了一个基于研究的理论发展简史。这些理论包括人如何借助媒体学习（学习科学），如何帮助人通过借助学习（教学科学），以及如何确定人从媒体中学到了什么（评估科学）。
二、学习科学
（一）学习观念的改变
学习科学是关于人如何学习的科学研究（Mayer，2011）。如表1第一列所示，在20世纪经历了三个学习隐喻（Mayer，1992，2001a，2011）。
首先，20世纪上半叶是行为主义隐喻——学习作为反应强化，在这一隐喻中，学习包括加强和削弱对奖惩反应的关联。行为主义的学习理论主要是基于这样的研究，即实验室动物在非自然的和极端饥饿的情况下学会作出简单的反应，例如小白鼠跑迷宫获取食物。
第二，20世纪50年代和60年代迎来了信息加工革命，提出了一种认知主义隐喻：学习包括向记忆中添加信息，这就是获取信息。认知主义的学习理论主要是建立在人在非自然的情况下学习记忆任意材料等研究之上的，例如记忆单词表。 第三，再下一阶段涉及建构主义隐喻，即学习作为知识建构，学习者在工作记忆中积极地建立起一种心理表征。尽管建构主义在20世纪70年代和80年代发展势头不错，但其根源可以追溯到巴特利特（Bartlett，1932）关于散文阅读文本理解，皮亚杰（Piaget，1971）关于认知发展，韦特海默（Wertheimer，1959）和其他格式塔心理學家关于意义学习的图式建构研究和理论。建构主义对信息加工的观点重新作出了解释（Mayer，2014a）。（1）信息不再被视为一种可以从外部世界传递到人类头脑的客观商品，人类学习的内容变成了由学习者亲自建构的知识。（2）思维活动不再是像在计算机程序或数学运算中那样被视为可以应用于信息的一组严格的算法或计算集，而是一种建构活动。这涉及学习过程中的主动加工，目的在于意义的形成，包括关注相关材料，在心理上将其组织成一个连贯的结构，并与从长期记忆中激活的相关原有知识进行整合。建构主义的学习理论主要是建立在人进入到实验室和现场环境中学习更现实的材料之上的，例如从科学或数学课程中学习。
如你所见，从把学习看作是强化反应到获取信息再到知识构建的过程，与研究对象从实验室动物到人，从人工材料和环境到现实材料和环境的转变是平行的。因此，研究教育问题的实际需求促进了学习理论的进步。尽管这三种关于学习如何运作的观点都影响了当今的学习领域，但建构主义的观点被认为是与学习最为相关的。
（二）学习概念的最新进展
在过去的几十年中，建构主义将学习作为一种生成活动的观点一直在不断发展。从20世纪70年代开始，威特洛克（Mayer & Wittrock，1996，2006;Wittrock，1974;Wittrock，1978;Wittrock，1989;Wittrock，1992）展示了建构主义学习观如何推进教育理论和实践。现代的建构主义学习观反映在威特洛克（1974，p.89）的论点中，即学习取决于学习者已经知道的东西与将要学习的东西之间的同化：“理解的学习……是在刺激和储存的信息之间产生……联系的过程。”特别是，威特洛克的生成性学习概念强调了学习者在学习过程中的主动认知加工的作用：“在编码过程中，当学习者使用自己对事件和经验的记忆来构建文本的意义时，阅读理解就变得容易。”（Doctorow，Wittrock & Marks，1978，p.109）在接下来的几年里，威特洛克（1992，p.532）更加关注生成学习过程：“有选择地关注事件……并在概念之间、经验之间或原有学习与新信息之间产生关系。”
与在线学习教学设计相关的学习理论的另一个进展是认知负荷理论，它出现于20世纪90年代，并不断发展（Paas & Sweller，2014;Sweller，1999，2005;Sweller，Ayres & Kalyuga，2011）。认知负荷理论的一个中心原理是学习者工作记忆的认知能力是有限的。学习者在学习过程中所经历的总认知负荷包括了对认知能力提出的三个要求：外部认知负荷是指与学习目标无关的、由材料呈现方式所引起的认知加工;内部认知负荷是指实现学习目标所需的认知加工，学习目标取决于学习者的材料固有的复杂性;生成认知负荷指的是学习者的努力所造成的认知加工，包括图式构建和自动化（Sweller，1999，2005）。这些研究总结了促进早期研究的教学设计的一个重要目标：“教学的目的应该是减少由不适当的教学程序造成的外部认知负荷”（Sweller，2005，p.27-28）。尽管最近的调整增加了进化的味道（Paas & Sweller，2014）以及内在负荷和生成负荷的结合，但认知负荷理论的中心主题仍然是如何帮助人在加工能力有限的认知系统中开展学习。
我对学习理论如何应用于在线学习的思考，受到了威特洛克关于生成学习的见解以及斯维勒关于学习过程中工作记忆能力限制的见解的影响。我（Mayer，2001b）从用来指导多媒体学习认知理论发展的三个基本认知原理开始：（1）双重通道（dual channels）——人有不同的渠道来处理听觉/语言和视觉/图示信息;（2）容量有限（limited capacity）——人在任何时间只能处理每个通道中有限数量的材料;（3）主动加工（active processing）——意义学习是指人在学习过程中进行适当的认知加工，包括选择相关材料，将其组织成一致连贯的结构，并将其与从长期记忆中激活的相关知识相结合。在此基础上，我（Mayer，2001b）提出了如图1（见下页）所示的流程图，由四个模块组成，分别代表材料存放的位置（多媒体展示、感觉记忆、工作记忆和长时记忆），两个通道（顶部一行是语词通道，底部一行是图片通道）;三种用于认知过程的箭头（选择词语和选择图像将材料从感觉记忆带入工作记忆;组织语词和组织图像创造了有组织的言语和图示表征;整合包括将言语和图示表征相互联系起来以及将相关的原有知识从长时记忆中激活）。
这一基本模型是在过去30年中从20世纪90年代的研究成果发展而来的，当时的模型没有感觉记忆，只有三个箭头（选择、组织和整合）而不是五个箭头组成（Mayer & Sims，1994），或者缺乏感觉记忆和长期记忆（Mayer，Steinhoff，Bower & Mars，1995）。它最早出现在梅耶、海瑟和隆恩（Mayer， Heiser & Lonn，2001）的论文中，此后在其他多篇论文中进一步得到阐述（Mayer，2001b，2005，2009，2014b;Mayer & Moreno，2003）。在过去的30年里，其名称从“意义学习模型”（Mayer，1989）变成了“双编码模型”（Mayer & Anderson，1991，1992）或“双加工模型”（Mayer & Moreno，1998;1999;Mayer，Moreno，Boire & Vagge，1999），后来又变成了“生成理论”（Mayer，1997;Mayer，et al.，1995;Plass，Chun，Mayer & Leutner，1998），但最新的术语“多媒体学习的认知理论”最早是由梅耶、海瑟和隆恩（Mayer，Heiser & Lonn，2001a）提出的，并在后续多篇论文中进一步阐述（Mayer，2001b，2005，2009，2014b;Mayer & Moreno，2003）。尽管基本模型在过去20年中一直保持不变，但重点已经从记忆存储（即四个方框）和通道（即双重通道）迁移到了认知过程（即五个箭头）。 对学习过程中认知过程的关注强调了在学习过程中需要更好地衡量认知过程的需求。尽管大多数在线学习研究使用认知负荷的主观测量方法（Brunken，Seufert & Paas，2010;Paas，Tuovinen，Tabbers & Van Gerven，2003;Paas，Van Merrinboer & Adam，1994），但其缺点包括需要在学习后而不是在学习期间进行测量，还包括依赖学习者对其认知过程进行准确评估（DeLeeuw & Mayer，2008）。在线学习认知理论中一些正在进行的方法论发展涉及在学习过程中使用认知加工的客观测量，包括眼动跟踪测量（Johnson & Mayer，2012;Ponce & Mayer，2014;Wang，Li，Mayer & Liu，2018）以及脑电图（EEG）和功能性磁共振成像（fMRI）（Mayer，2017）。随着在学习过程中测量认知加工的客观技术的不断发展，有望澄清认知学习理论的各个方面，特别是解释图1中的箭头。
在线学习认知理论的一些扩展包括整合情感（Mayer & Moreno，2007;Plass & Kaplan，2016）、动机（Huang & Mayer，2016;Mayer，2014c）和元认知（Azevedo，2014;Azevedo & Aleven，2013;Fiorella & Mayer，2015）。关于情感，莫雷诺和梅耶（Moreno & Mayer，2007）提出了媒体学习的认知——情感模型，普拉斯和卡普兰（Plass & Kaplan，2016）展示了数字材料的情感设计如何影响学习。关于动机，研究人员已经展示了提高学生自我效能的信念可以促进多媒体课的学习（Huang & Mayer，2016;Mayer，2014c）。关于元认知，研究人员展示了学生对学习过程和学习策略的意识和控制，可以影响其在多媒体环境中的学习（Azevedo，2014;Azevedo & Aleven，2013;Fiorella & Mayer，2015）。这样的发展有望拓宽认知学习理论。
三、教学科学
教学科学是如何帮助人学习的科学研究（Mayer，2011）。前一节所描述的三个学习隐喻暗示了不同的教学方法，如表1第三列所示（Mayer，1992，2001b，2011）。20世纪初，当反应强化隐喻占主导地位时，一种常见的教学方法是训练和练习（Cuban，1986）。例如，在背诵练习中，老师提出一个需要简短回答的问题，要求学生做出回答，然后奖励回答正确的学生（例如，说“对”）或惩罚回答错误的学生（例如，用教鞭打他或罚坐角落）。到了20世纪50年代，当信息获取隐喻方兴未艾时，主导性教学方法变成了直接教学，如通过讲授、教科书和演示文稿。自20世纪80年代知识建构隐喻兴起以来，流行的教学方法主要集中在主动学习上，如对学习任务的讨论和指导性练习。
区分死记硬背的教学方法和有意义的教学方法，在心理学和教育上已有很长的历史，如20世纪上半叶的格式塔心理学家所证明的那样（Katona，1940;Wertheimer，1959）。有意义的教学方法在迁移测试和保持测试中有优异表现;死记硬背的教学方法只是在保持测试中表现出色，因此，迁移测试对于区分死记硬背和有意义的教学方法产生的学习结果最为有用（Mayer，2011）。
诸如训练和练习之类的方法以及某些直接教学形式被认为是采用了死记硬背教学方法;而指导性练习和某些直接教学形式被认为是有意义的教学形式。死记硬背的教学方法不需要学习者在接受材料时予以理解（也就是说，不去建立一致连贯的心理模型）。有意义的教学方法，则要求学习者参与旨在理解材料的认知过程（即试图建立学习材料的一致连贯的心理模型）。
在过去的30年里，学者们对机械学习和意义学习的概念发生了重要的变化。最初，随着建构主义革命的开始，人们关注的焦点是学习过程中的行为活动，其中意义学习与学习过程中的動手活动相关联，例如发现学习方法（Kirschner，Suveler & Clark，2006;Mayer，2004）。然而，过去30年的在线学习研究表明，诸如在线演示等被动媒体可以导致学习者在教学过程中认知上积极的主动学习。因此，学习的焦点已经迁移到认知活动上，在学习过程中，有意义的教学与引导认知过程相联系，即使此时所选用的媒体相对被动，也没有关系。一个重要的进步是认识到有意义的教学方法，其关键不一定在于学习者在学习过程中的行为活动，而在于学习者在学习过程中的认知加工。这导致人们对在线课程的注意力从单纯的动手活动转移到是否指导学习过程中的积极认知加工（Skuballa，Dammert & Renkl，2018）。
根据相关的认知学习理论，如认知负荷理论（Paas & Sweller，2014;Sweller et al.，2011）和多媒体学习认知理论（Mayer，2009，2014b），表2列出了在线学习的三个教学设计目标。认知负荷理论使用了外部认知负荷、内部认知负荷和生成认知负荷来描述学习过程中的三种认知负荷（Sweller，1999;Sweller，et al.，2011），多媒体学习的认知理论使用平行术语强调学习过程中的认知加工——冗余加工、必要加工和生成加工（Mayer，2001b，2005，2009，2014b）。
冗余加工是不能满足教学目的的认知加工，因此教学设计的基本目标是减少冗余加工。 从1980年开始，有关在线学习环境的教学设计的许多初步研究都集中在减少冗余加工技术上。理由是如果学习者将宝贵的认知能力用于冗余加工，那么将无法再有精力从事有意义的学习所需的认知加工，即必要加工和生成加工。 表3总结了旨在减少冗余处理并适用于在线学习的五种教学方法的研究：前后一致原理（coherence principle）、提示结构原理（signaling/cueing principle）、删除冗余原理（redundancy principle）、空间邻近原理（spatial contiguity principle）和时间邻近原理（temporal contiguity principle）。该表根据已发布的比较实验简要介绍了每个原理和效应量中值大小，其中，从具有该特征的在线课程的小组，学习后得到迁移或理解分数，与接受不具有该特征的相同在线课程的小组进行了比较。可以看出，对减少冗余加工的技术进行了30年的研究已经产生了可观的研究基础，并产生了与在线学习相关的几种基于研究的设计原则（Ayres & Sweller，2014;Kalyuga & Sweller，2014;Mayer & Fiorella，2014;Van Gog，2014）。
例如，介绍人体血液循环系统如何工作的在线课程可以通过删除无关事实（前后一致原理）、使用黑色墨水线条图而不是照片上真实的心肺图示（前后一致原理）来改进，当叙述提到血液循环系统时，插图的一部分变红（提示结构原理），用更多的声音强调讲解中的关键术语（提示结构原理），而不是在屏幕上添加重复讲解者所说内容的字幕（删除冗余原理），在屏幕上显示的图形的相应部分旁边打印名称（空间邻近原理），在叙述描述动作或对象的同时显示图形中的动作或对象（时间邻近原理）。
即使大部分或全部冗余加工予以消除后，当课程材料过于复杂时，学习者的认知系统也可能变得超载。因此，下一个主要进展是包括研究突出重点的必要加工技术——认知加工需要在心理上表征相关材料。表4总结了2000年以来关于突出重点的切块呈现、预先准备和双重通道原理的三种教学方法的研究。可以看出，对重点突出处理的技术进行了20年的研究已经形成了一个坚实的研究基础，该基础支持与在线学习相关的几种基于研究的设计原则（Low & Suller，2014;Mayer & Pilegard，2014）。
例如，一个描述人体血液循环系统如何工作的動画可以通过将课程分成有意义的部分来改进，每个部分以一个“继续”键结束，允许学习者进入下一个部分（切块呈现原理），在动画开始之前提供循环系统中每个部分的名称和定义（预先准备原理），并将单词以口头形式呈现为讲解，而不是以印刷形式呈现为屏幕文本（双重通道原理）。
教学设计研究的最新目标是构建以理解材料为目的的生成加工认知过程的教学方法。这一方法自2000年以来一直备受关注，它侧重于激发学习者努力理解材料的教学特点。如表5所示，这些原理包括“个性特征原理”（personalization principle）、“形象在屏原理”（embodiment principle）和“原音呈现原理”（voice principle）。总的来说，过去的20年已经进行了足够的实验，并产生了一些基于社交线索的初步设计原理，未来的几年里会更值得期待（Mayer，2014d）。
例如，描述人体血液循环系统如何工作的叙述动画可以通过使用包含“你”和“我”的会话语言而不是正式语气（个性特征原理）来改进，由使用类似人的手势和面部表情的屏幕角色呈现的课程（形象在屏原理），以及以吸引人的真实人声而不是机器合成的声音呈现的讲解（原音呈现原理）。
可见，研究人员最初关注于减少冗余加工，然后增加了重点突出加工，最近则强调促进生成加工。例如，2001年对基于数据的在线教学设计原则的综述包含五种减少冗余方法中的四种，但三种重点突出的方法只涉及一种，没有促进生成处理的方法（Mayer，2001b）。之后的研究包含了除一种促进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）。在接下来的几年里，我希望看到一些附加的原则，包括帮助学生克服焦虑、培养富有成效的信念、管理学习策略和感受积极情感的技能。
在过去的30年里，基于在线教学方法的研究显示出强劲的增长。到2001年，已经有足够的研究来进行综合分析，包括基于30个实验比较的前三个表中列出的5个原则（Mayer，2001b）。到2009年，已有足够多的研究用于综合分析，包括基于72项实验比较的前三个表中列出的10项原则（Mayer，2009）。到2014年，所有11项原则都纳入了基于219项实验比较的综合分析（Mayer，2014d;Mayer & Fiorella， 2014;Mayer & Pilegard，2014）。近几年来，在线教学设计的研究步伐不断加快，包括促进虚拟现实学习的新兴教学设计研究（Parong & Mayer，2018）。
在过去30年的教学研究中，另一个重要的进步是考虑每一个教学设计原理的边界条件，特别是在过去的10年中（Mayer，2009，2014d;Mayer & Fio-rella，2014;Mayer & Pilegard，2014）。最常见的边界条件涉及学习者的原有知识水平，上述表格列出的原理有时最适合具有低（而非高）原有知识的学习者（Kalyuga，2014）。阐明每一原则的边界条件是今后研究的一项重要而持续的任务，包括为谁、为哪种学习目标和材料、为哪种媒体场所等。
四、评估科学
评估科学是有关确定学生习得的科学研究（Mayer，2011）。如表1最右边一栏所示，学习结果评估的最初重点是行为响应（基于行为强化的隐喻），然后转向记忆保持（基于信息获取的隐喻），而最近又回归到知识迁移（基于知识建构的隐喻）。布卢姆的分类法（Bloom，Engelhart，Furst，Hill & Krathwohl，1956）为己有的教育评估保持测试增加了迁移测试的转变，并且其新版本（Anderson，2001）表明迁移可以应用于不同类型的知识。未来的工作需要进一步完善基于计算机的动态评估（或表现评估），其中给学生提供具有挑战性任务，而“隐形评估”（stealth assessment）则将评估无缝集成到在线课程中，并用于适应学习者的需求（Shute & Ventura，2013）。此外，未来评估学习过程的工作还包括超越自我报告评级，包括对学习过程中的日志数据和其他行为进行分析，以及对学习过程中的脑电波及生理数据，如脑电图、功能性磁共振成像和眼动追踪（eye tracking）进行分析。 五、未來在线教学研究展望
总之，学生很可能会越来越多地接触到在线学习——无论是正式的还是非正式的。因此，在线教学的设计将是一个重要的实践和理论挑战。以上简短的历史提供了一个应用认知心理学的实例，重点是将学习科学应用到在线教学的实际问题上。作为一名教育心理学家，我认为关于在线教学设计研究在未来的发展中会有如下几个方面：
关于学习科学，当前在线学习的认知理论将受益于情感、动机和元认知的更强结合，以及对如何在学习过程中使用客观的认知加工方法的更好理解;同时也将受益于更好地理解如何在学习过程中使用认知过程的客观测量。
关于教学科学，我们需要在复制现有教学设计原理的基础上，发展其边界条件，创造新的原理（包括为新的场景，如游戏、模拟、虚拟现实和便携式媒体等学习方式）并继续发展研究。
关于评估科学，我们需要改进在线学习过程和结果评估，并将其作为在线学习体验的一部分，从而使教学适应个体学习者的需要。
总而言之，根据斯托克斯（Stokes，1997）的观点，这一研究表明，进行既有实际目标（如改进在线教学）又有理论目标（如理解学习原理）的研究是有价值的。简而言之，本综述说明了为什么应用认知心理学是并且将继续是一个令人兴奋和富有成效的研究领域。
（责任编辑 杜丹丹 王策）
Abstract： This paper has introduced the latest development of the author’s online learning study for the past 30 years.To study how to design online teaching is a case study of applying learning science to education.Research on online teaching design helps to develop learning science（e.g. cognitive load theory，cognitive theory of multi-media learning， and learning’s metacognition，motive and emotional synthesis），teaching science（e.g.the gradual development of teaching design principle of research evidence），and evaluation science（e.g.multi-sided migration test，as well as subsidiary maintaining test and self-investigation report，log file data during learning，and cognitive neuroscience measurement during the process of learning cognition）.The viewpoints put forward repeatedly in this paper are：learning depends on applying teaching method，but doesn’t work effectively with teaching multi-media，hence，the online teaching design should focus the features of digital learning environment;teaching practice should establish on the basis of rigid and systematic researches， including value-added experiment aiming to ensure the effective elements in online teaching;the study of online learning should confirm the border conditions of effectiveness of teaching design;the learning study should play a role of test and develop learning theory.
Key words： digital learning;teaching design;multi-media learning;online learning;learning science
关键词：数字化学习，教学设计，多媒体学习，在线学习，学习科学
中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：2096-0069（2020）02-0001-08
资料来源：Mayer RE. Thirty years of research on online learning. Appl Cognit Psychol. 2019; 33： 152-159. https：//doi.org/10.1002/acp.3482
收稿日期：2020-01-22
作者简介：理查德.梅耶，美国加州大学圣巴巴拉分校心理與脑科学学院教授，国际顶尖学习科学家;李爽（1982— ），女，辽宁兴城人，浙江大学海洋学院副教授，博士生导师，海洋学院教师发展中心副主任，研究方向为物理海洋、教育设计;盛群力（1957— ），男，上海人，浙江大学教育学院教授，博士生导师，研究方向为课程和教学论。
引言
（一） 将学习科学应用于教育
本文简短回顾的目的是提供作者个人有关过去30年在线学习研究的研究进展，重点关注对学习科学（人如何学习）、教学科学（如何帮助人学习）和评估科学（如何确定人学到了什么）所起到的推动作用。本综述将把在线学习研究看成是学习科学应用于教育的一个实例（Mayer，2011），它属于应用认知心理学的大范畴。
（二）什么是在线学习？
在线学习（online learning，亦称为电子学习、数字学习或基于计算机的学习，e-learning，digital learning or computer-based learning），可以定义为在支持学习的数字化设备上所提供的教学（Clark & Mayer，2016）。这一定义包括什么是在线学习、如何在线学习和为什么要在线学习三个部分：（1）关于什么是在线学习，其内容包括口头或印刷的文字和/或图示，如插图、图表、照片、动画或视频;（2）关于如何在线学习，其媒体是基于计算机的设备，如台式计算机、笔记本电脑、平板电脑、智能手机或虚拟现实;（3）关于为什么要进行在线学习，其教学目标是使学习者的知识发生特定的变化。
在线学习已经获得了越来越多的关注，因为教学越来越多地从传统的媒体——如书籍和面对面讲授——转移到基于计算机的媒体——如解说动画、教学视频、涉及印刷文本和插图的超文本，以及教育游戏和模拟（Clark & Mayer，2016;Mayer，2017）。在线环境允许采用许多创新的方法来支持学习，但是我们需要的是基于研究的原理来更好地利用这些新的可能性。我们面临的挑战是，教学技术的进步已经超过了教学科学的进步，后者能够确定技术如何得以最佳使用。简而言之，仅仅因为技术可以完成某些事情并不意味着它非得要这样去做。
值得说明的是，教学媒体——即便是基于计算机的媒体——本身并不会带来学习，反而是教学方法才会引发学习（Clark，2001）。某些教学技术有可能提供那些在传统媒体上无法落地或难以实现的教学方法。例如，基于计算机的媒体使涉及交互性或动态图形的教学方法成为可能，这是传统的基于书本的媒体无法轻易做到的。在教学技术的历史上，充斥着教育中尖端技术兴衰的例子，包括20世纪20年代的电影，30年代的广播，50年代的电视，以及60年代的程序化教学（Cuban，1986;Saettler，1990）。从这段早期的历史中，我们吸取的教训是需要采取一种以学习者为中心的方法，即询问如何使用技术以支持人学习，而不是问我们如何让人去适应最新的前沿技术。
是的，今天我们面临着一系列在线学习技术，这些技术可以提供令人惊叹的图示（虚拟现实）、交互学习（智能教学系统）和地理位置（GPS）。在线学习技术的教育潜力会像过去的教育技术一样消失，还是我们能够进行适当的科学研究来指导在线学习的有效使用？本文总结了过去30年来如何帮助人在丰富的技术环境中学习方面所取得的进展，并为未来的研究提出一些富有成效的途径。特别是，我提供了一个基于研究的理论发展简史。这些理论包括人如何借助媒体学习（学习科学），如何帮助人通过借助学习（教学科学），以及如何确定人从媒体中学到了什么（评估科学）。
二、学习科学
（一）学习观念的改变
学习科学是关于人如何学习的科学研究（Mayer，2011）。如表1第一列所示，在20世纪经历了三个学习隐喻（Mayer，1992，2001a，2011）。
首先，20世纪上半叶是行为主义隐喻——学习作为反应强化，在这一隐喻中，学习包括加强和削弱对奖惩反应的关联。行为主义的学习理论主要是基于这样的研究，即实验室动物在非自然的和极端饥饿的情况下学会作出简单的反应，例如小白鼠跑迷宫获取食物。
第二，20世纪50年代和60年代迎来了信息加工革命，提出了一种认知主义隐喻：学习包括向记忆中添加信息，这就是获取信息。认知主义的学习理论主要是建立在人在非自然的情况下学习记忆任意材料等研究之上的，例如记忆单词表。 第三，再下一阶段涉及建构主义隐喻，即学习作为知识建构，学习者在工作记忆中积极地建立起一种心理表征。尽管建构主义在20世纪70年代和80年代发展势头不错，但其根源可以追溯到巴特利特（Bartlett，1932）关于散文阅读文本理解，皮亚杰（Piaget，1971）关于认知发展，韦特海默（Wertheimer，1959）和其他格式塔心理學家关于意义学习的图式建构研究和理论。建构主义对信息加工的观点重新作出了解释（Mayer，2014a）。（1）信息不再被视为一种可以从外部世界传递到人类头脑的客观商品，人类学习的内容变成了由学习者亲自建构的知识。（2）思维活动不再是像在计算机程序或数学运算中那样被视为可以应用于信息的一组严格的算法或计算集，而是一种建构活动。这涉及学习过程中的主动加工，目的在于意义的形成，包括关注相关材料，在心理上将其组织成一个连贯的结构，并与从长期记忆中激活的相关原有知识进行整合。建构主义的学习理论主要是建立在人进入到实验室和现场环境中学习更现实的材料之上的，例如从科学或数学课程中学习。
如你所见，从把学习看作是强化反应到获取信息再到知识构建的过程，与研究对象从实验室动物到人，从人工材料和环境到现实材料和环境的转变是平行的。因此，研究教育问题的实际需求促进了学习理论的进步。尽管这三种关于学习如何运作的观点都影响了当今的学习领域，但建构主义的观点被认为是与学习最为相关的。
（二）学习概念的最新进展
在过去的几十年中，建构主义将学习作为一种生成活动的观点一直在不断发展。从20世纪70年代开始，威特洛克（Mayer & Wittrock，1996，2006;Wittrock，1974;Wittrock，1978;Wittrock，1989;Wittrock，1992）展示了建构主义学习观如何推进教育理论和实践。现代的建构主义学习观反映在威特洛克（1974，p.89）的论点中，即学习取决于学习者已经知道的东西与将要学习的东西之间的同化：“理解的学习……是在刺激和储存的信息之间产生……联系的过程。”特别是，威特洛克的生成性学习概念强调了学习者在学习过程中的主动认知加工的作用：“在编码过程中，当学习者使用自己对事件和经验的记忆来构建文本的意义时，阅读理解就变得容易。”（Doctorow，Wittrock & Marks，1978，p.109）在接下来的几年里，威特洛克（1992，p.532）更加关注生成学习过程：“有选择地关注事件……并在概念之间、经验之间或原有学习与新信息之间产生关系。”
与在线学习教学设计相关的学习理论的另一个进展是认知负荷理论，它出现于20世纪90年代，并不断发展（Paas & Sweller，2014;Sweller，1999，2005;Sweller，Ayres & Kalyuga，2011）。认知负荷理论的一个中心原理是学习者工作记忆的认知能力是有限的。学习者在学习过程中所经历的总认知负荷包括了对认知能力提出的三个要求：外部认知负荷是指与学习目标无关的、由材料呈现方式所引起的认知加工;内部认知负荷是指实现学习目标所需的认知加工，学习目标取决于学习者的材料固有的复杂性;生成认知负荷指的是学习者的努力所造成的认知加工，包括图式构建和自动化（Sweller，1999，2005）。这些研究总结了促进早期研究的教学设计的一个重要目标：“教学的目的应该是减少由不适当的教学程序造成的外部认知负荷”（Sweller，2005，p.27-28）。尽管最近的调整增加了进化的味道（Paas & Sweller，2014）以及内在负荷和生成负荷的结合，但认知负荷理论的中心主题仍然是如何帮助人在加工能力有限的认知系统中开展学习。
我对学习理论如何应用于在线学习的思考，受到了威特洛克关于生成学习的见解以及斯维勒关于学习过程中工作记忆能力限制的见解的影响。我（Mayer，2001b）从用来指导多媒体学习认知理论发展的三个基本认知原理开始：（1）双重通道（dual channels）——人有不同的渠道来处理听觉/语言和视觉/图示信息;（2）容量有限（limited capacity）——人在任何时间只能处理每个通道中有限数量的材料;（3）主动加工（active processing）——意义学习是指人在学习过程中进行适当的认知加工，包括选择相关材料，将其组织成一致连贯的结构，并将其与从长期记忆中激活的相关知识相结合。在此基础上，我（Mayer，2001b）提出了如图1（见下页）所示的流程图，由四个模块组成，分别代表材料存放的位置（多媒体展示、感觉记忆、工作记忆和长时记忆），两个通道（顶部一行是语词通道，底部一行是图片通道）;三种用于认知过程的箭头（选择词语和选择图像将材料从感觉记忆带入工作记忆;组织语词和组织图像创造了有组织的言语和图示表征;整合包括将言语和图示表征相互联系起来以及将相关的原有知识从长时记忆中激活）。
这一基本模型是在过去30年中从20世纪90年代的研究成果发展而来的，当时的模型没有感觉记忆，只有三个箭头（选择、组织和整合）而不是五个箭头组成（Mayer & Sims，1994），或者缺乏感觉记忆和长期记忆（Mayer，Steinhoff，Bower & Mars，1995）。它最早出现在梅耶、海瑟和隆恩（Mayer， Heiser & Lonn，2001）的论文中，此后在其他多篇论文中进一步得到阐述（Mayer，2001b，2005，2009，2014b;Mayer & Moreno，2003）。在过去的30年里，其名称从“意义学习模型”（Mayer，1989）变成了“双编码模型”（Mayer & Anderson，1991，1992）或“双加工模型”（Mayer & Moreno，1998;1999;Mayer，Moreno，Boire & Vagge，1999），后来又变成了“生成理论”（Mayer，1997;Mayer，et al.，1995;Plass，Chun，Mayer & Leutner，1998），但最新的术语“多媒体学习的认知理论”最早是由梅耶、海瑟和隆恩（Mayer，Heiser & Lonn，2001a）提出的，并在后续多篇论文中进一步阐述（Mayer，2001b，2005，2009，2014b;Mayer & Moreno，2003）。尽管基本模型在过去20年中一直保持不变，但重点已经从记忆存储（即四个方框）和通道（即双重通道）迁移到了认知过程（即五个箭头）。 对学习过程中认知过程的关注强调了在学习过程中需要更好地衡量认知过程的需求。尽管大多数在线学习研究使用认知负荷的主观测量方法（Brunken，Seufert & Paas，2010;Paas，Tuovinen，Tabbers & Van Gerven，2003;Paas，Van Merrinboer & Adam，1994），但其缺点包括需要在学习后而不是在学习期间进行测量，还包括依赖学习者对其认知过程进行准确评估（DeLeeuw & Mayer，2008）。在线学习认知理论中一些正在进行的方法论发展涉及在学习过程中使用认知加工的客观测量，包括眼动跟踪测量（Johnson & Mayer，2012;Ponce & Mayer，2014;Wang，Li，Mayer & Liu，2018）以及脑电图（EEG）和功能性磁共振成像（fMRI）（Mayer，2017）。随着在学习过程中测量认知加工的客观技术的不断发展，有望澄清认知学习理论的各个方面，特别是解释图1中的箭头。
在线学习认知理论的一些扩展包括整合情感（Mayer & Moreno，2007;Plass & Kaplan，2016）、动机（Huang & Mayer，2016;Mayer，2014c）和元认知（Azevedo，2014;Azevedo & Aleven，2013;Fiorella & Mayer，2015）。关于情感，莫雷诺和梅耶（Moreno & Mayer，2007）提出了媒体学习的认知——情感模型，普拉斯和卡普兰（Plass & Kaplan，2016）展示了数字材料的情感设计如何影响学习。关于动机，研究人员已经展示了提高学生自我效能的信念可以促进多媒体课的学习（Huang & Mayer，2016;Mayer，2014c）。关于元认知，研究人员展示了学生对学习过程和学习策略的意识和控制，可以影响其在多媒体环境中的学习（Azevedo，2014;Azevedo & Aleven，2013;Fiorella & Mayer，2015）。这样的发展有望拓宽认知学习理论。
三、教学科学
教学科学是如何帮助人学习的科学研究（Mayer，2011）。前一节所描述的三个学习隐喻暗示了不同的教学方法，如表1第三列所示（Mayer，1992，2001b，2011）。20世纪初，当反应强化隐喻占主导地位时，一种常见的教学方法是训练和练习（Cuban，1986）。例如，在背诵练习中，老师提出一个需要简短回答的问题，要求学生做出回答，然后奖励回答正确的学生（例如，说“对”）或惩罚回答错误的学生（例如，用教鞭打他或罚坐角落）。到了20世纪50年代，当信息获取隐喻方兴未艾时，主导性教学方法变成了直接教学，如通过讲授、教科书和演示文稿。自20世纪80年代知识建构隐喻兴起以来，流行的教学方法主要集中在主动学习上，如对学习任务的讨论和指导性练习。
区分死记硬背的教学方法和有意义的教学方法，在心理学和教育上已有很长的历史，如20世纪上半叶的格式塔心理学家所证明的那样（Katona，1940;Wertheimer，1959）。有意义的教学方法在迁移测试和保持测试中有优异表现;死记硬背的教学方法只是在保持测试中表现出色，因此，迁移测试对于区分死记硬背和有意义的教学方法产生的学习结果最为有用（Mayer，2011）。
诸如训练和练习之类的方法以及某些直接教学形式被认为是采用了死记硬背教学方法;而指导性练习和某些直接教学形式被认为是有意义的教学形式。死记硬背的教学方法不需要学习者在接受材料时予以理解（也就是说，不去建立一致连贯的心理模型）。有意义的教学方法，则要求学习者参与旨在理解材料的认知过程（即试图建立学习材料的一致连贯的心理模型）。
在过去的30年里，学者们对机械学习和意义学习的概念发生了重要的变化。最初，随着建构主义革命的开始，人们关注的焦点是学习过程中的行为活动，其中意义学习与学习过程中的動手活动相关联，例如发现学习方法（Kirschner，Suveler & Clark，2006;Mayer，2004）。然而，过去30年的在线学习研究表明，诸如在线演示等被动媒体可以导致学习者在教学过程中认知上积极的主动学习。因此，学习的焦点已经迁移到认知活动上，在学习过程中，有意义的教学与引导认知过程相联系，即使此时所选用的媒体相对被动，也没有关系。一个重要的进步是认识到有意义的教学方法，其关键不一定在于学习者在学习过程中的行为活动，而在于学习者在学习过程中的认知加工。这导致人们对在线课程的注意力从单纯的动手活动转移到是否指导学习过程中的积极认知加工（Skuballa，Dammert & Renkl，2018）。
根据相关的认知学习理论，如认知负荷理论（Paas & Sweller，2014;Sweller et al.，2011）和多媒体学习认知理论（Mayer，2009，2014b），表2列出了在线学习的三个教学设计目标。认知负荷理论使用了外部认知负荷、内部认知负荷和生成认知负荷来描述学习过程中的三种认知负荷（Sweller，1999;Sweller，et al.，2011），多媒体学习的认知理论使用平行术语强调学习过程中的认知加工——冗余加工、必要加工和生成加工（Mayer，2001b，2005，2009，2014b）。
冗余加工是不能满足教学目的的认知加工，因此教学设计的基本目标是减少冗余加工。 从1980年开始，有关在线学习环境的教学设计的许多初步研究都集中在减少冗余加工技术上。理由是如果学习者将宝贵的认知能力用于冗余加工，那么将无法再有精力从事有意义的学习所需的认知加工，即必要加工和生成加工。 表3总结了旨在减少冗余处理并适用于在线学习的五种教学方法的研究：前后一致原理（coherence principle）、提示结构原理（signaling/cueing principle）、删除冗余原理（redundancy principle）、空间邻近原理（spatial contiguity principle）和时间邻近原理（temporal contiguity principle）。该表根据已发布的比较实验简要介绍了每个原理和效应量中值大小，其中，从具有该特征的在线课程的小组，学习后得到迁移或理解分数，与接受不具有该特征的相同在线课程的小组进行了比较。可以看出，对减少冗余加工的技术进行了30年的研究已经产生了可观的研究基础，并产生了与在线学习相关的几种基于研究的设计原则（Ayres & Sweller，2014;Kalyuga & Sweller，2014;Mayer & Fiorella，2014;Van Gog，2014）。
例如，介绍人体血液循环系统如何工作的在线课程可以通过删除无关事实（前后一致原理）、使用黑色墨水线条图而不是照片上真实的心肺图示（前后一致原理）来改进，当叙述提到血液循环系统时，插图的一部分变红（提示结构原理），用更多的声音强调讲解中的关键术语（提示结构原理），而不是在屏幕上添加重复讲解者所说内容的字幕（删除冗余原理），在屏幕上显示的图形的相应部分旁边打印名称（空间邻近原理），在叙述描述动作或对象的同时显示图形中的动作或对象（时间邻近原理）。
即使大部分或全部冗余加工予以消除后，当课程材料过于复杂时，学习者的认知系统也可能变得超载。因此，下一个主要进展是包括研究突出重点的必要加工技术——认知加工需要在心理上表征相关材料。表4总结了2000年以来关于突出重点的切块呈现、预先准备和双重通道原理的三种教学方法的研究。可以看出，对重点突出处理的技术进行了20年的研究已经形成了一个坚实的研究基础，该基础支持与在线学习相关的几种基于研究的设计原则（Low & Suller，2014;Mayer & Pilegard，2014）。
例如，一个描述人体血液循环系统如何工作的動画可以通过将课程分成有意义的部分来改进，每个部分以一个“继续”键结束，允许学习者进入下一个部分（切块呈现原理），在动画开始之前提供循环系统中每个部分的名称和定义（预先准备原理），并将单词以口头形式呈现为讲解，而不是以印刷形式呈现为屏幕文本（双重通道原理）。
教学设计研究的最新目标是构建以理解材料为目的的生成加工认知过程的教学方法。这一方法自2000年以来一直备受关注，它侧重于激发学习者努力理解材料的教学特点。如表5所示，这些原理包括“个性特征原理”（personalization principle）、“形象在屏原理”（embodiment principle）和“原音呈现原理”（voice principle）。总的来说，过去的20年已经进行了足够的实验，并产生了一些基于社交线索的初步设计原理，未来的几年里会更值得期待（Mayer，2014d）。
例如，描述人体血液循环系统如何工作的叙述动画可以通过使用包含“你”和“我”的会话语言而不是正式语气（个性特征原理）来改进，由使用类似人的手势和面部表情的屏幕角色呈现的课程（形象在屏原理），以及以吸引人的真实人声而不是机器合成的声音呈现的讲解（原音呈现原理）。
可见，研究人员最初关注于减少冗余加工，然后增加了重点突出加工，最近则强调促进生成加工。例如，2001年对基于数据的在线教学设计原则的综述包含五种减少冗余方法中的四种，但三种重点突出的方法只涉及一种，没有促进生成处理的方法（Mayer，2001b）。之后的研究包含了除一种促进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）。在接下来的几年里，我希望看到一些附加的原则，包括帮助学生克服焦虑、培养富有成效的信念、管理学习策略和感受积极情感的技能。
在过去的30年里，基于在线教学方法的研究显示出强劲的增长。到2001年，已经有足够的研究来进行综合分析，包括基于30个实验比较的前三个表中列出的5个原则（Mayer，2001b）。到2009年，已有足够多的研究用于综合分析，包括基于72项实验比较的前三个表中列出的10项原则（Mayer，2009）。到2014年，所有11项原则都纳入了基于219项实验比较的综合分析（Mayer，2014d;Mayer & Fiorella， 2014;Mayer & Pilegard，2014）。近几年来，在线教学设计的研究步伐不断加快，包括促进虚拟现实学习的新兴教学设计研究（Parong & Mayer，2018）。
在过去30年的教学研究中，另一个重要的进步是考虑每一个教学设计原理的边界条件，特别是在过去的10年中（Mayer，2009，2014d;Mayer & Fio-rella，2014;Mayer & Pilegard，2014）。最常见的边界条件涉及学习者的原有知识水平，上述表格列出的原理有时最适合具有低（而非高）原有知识的学习者（Kalyuga，2014）。阐明每一原则的边界条件是今后研究的一项重要而持续的任务，包括为谁、为哪种学习目标和材料、为哪种媒体场所等。
四、评估科学
评估科学是有关确定学生习得的科学研究（Mayer，2011）。如表1最右边一栏所示，学习结果评估的最初重点是行为响应（基于行为强化的隐喻），然后转向记忆保持（基于信息获取的隐喻），而最近又回归到知识迁移（基于知识建构的隐喻）。布卢姆的分类法（Bloom，Engelhart，Furst，Hill & Krathwohl，1956）为己有的教育评估保持测试增加了迁移测试的转变，并且其新版本（Anderson，2001）表明迁移可以应用于不同类型的知识。未来的工作需要进一步完善基于计算机的动态评估（或表现评估），其中给学生提供具有挑战性任务，而“隐形评估”（stealth assessment）则将评估无缝集成到在线课程中，并用于适应学习者的需求（Shute & Ventura，2013）。此外，未来评估学习过程的工作还包括超越自我报告评级，包括对学习过程中的日志数据和其他行为进行分析，以及对学习过程中的脑电波及生理数据，如脑电图、功能性磁共振成像和眼动追踪（eye tracking）进行分析。 五、未來在线教学研究展望
总之，学生很可能会越来越多地接触到在线学习——无论是正式的还是非正式的。因此，在线教学的设计将是一个重要的实践和理论挑战。以上简短的历史提供了一个应用认知心理学的实例，重点是将学习科学应用到在线教学的实际问题上。作为一名教育心理学家，我认为关于在线教学设计研究在未来的发展中会有如下几个方面：
关于学习科学，当前在线学习的认知理论将受益于情感、动机和元认知的更强结合，以及对如何在学习过程中使用客观的认知加工方法的更好理解;同时也将受益于更好地理解如何在学习过程中使用认知过程的客观测量。
关于教学科学，我们需要在复制现有教学设计原理的基础上，发展其边界条件，创造新的原理（包括为新的场景，如游戏、模拟、虚拟现实和便携式媒体等学习方式）并继续发展研究。
关于评估科学，我们需要改进在线学习过程和结果评估，并将其作为在线学习体验的一部分，从而使教学适应个体学习者的需要。
总而言之，根据斯托克斯（Stokes，1997）的观点，这一研究表明，进行既有实际目标（如改进在线教学）又有理论目标（如理解学习原理）的研究是有价值的。简而言之，本综述说明了为什么应用认知心理学是并且将继续是一个令人兴奋和富有成效的研究领域。
（责任编辑 杜丹丹 王策）
Abstract： This paper has introduced the latest development of the author’s online learning study for the past 30 years.To study how to design online teaching is a case study of applying learning science to education.Research on online teaching design helps to develop learning science（e.g. cognitive load theory，cognitive theory of multi-media learning， and learning’s metacognition，motive and emotional synthesis），teaching science（e.g.the gradual development of teaching design principle of research evidence），and evaluation science（e.g.multi-sided migration test，as well as subsidiary maintaining test and self-investigation report，log file data during learning，and cognitive neuroscience measurement during the process of learning cognition）.The viewpoints put forward repeatedly in this paper are：learning depends on applying teaching method，but doesn’t work effectively with teaching multi-media，hence，the online teaching design should focus the features of digital learning environment;teaching practice should establish on the basis of rigid and systematic researches， including value-added experiment aiming to ensure the effective elements in online teaching;the study of online learning should confirm the border conditions of effectiveness of teaching design;the learning study should play a role of test and develop learning theory.
Key words： digital learning;teaching design;multi-media learning;online learning;learning science