史海媚 张佳佳 薛亮

摘要：借助眼动追踪技术探讨色彩对多媒体学习的影响，以学习效果（记忆成绩、迁移成绩），认知负荷（感知任务难度、心理努力）、内部学习动机以及眼动数据为评估指标。结果发现经过积极色彩设计的多媒体学习材料能有效唤醒学习者的积极情绪，促进了学习者的思维加工，加深了学生对知识内容的理解程度，但在认知负荷的降低与学习动机的提高上，色彩的设计并没有起到显著作用。

关键词：色彩设计；多媒体学习；眼动追踪技术

1问题的提出

多媒体学习是指学习者在电子学习和基于计算机的学习环境中参与文本、叙事、动画和图形信息的处理的认知过程^[1]。随着科学技术的不断发展，多媒体学习已成为正式和非正式场合中的主流学习手段，多媒体技术的投入更是大大丰富了教学和学习资源的形式。尤其在教育领域，将文本、声音、动画、视频等元素集于一体的多媒体学习材料，为实际教学创造了更加生动的视觉画面及真实的学习环境。

正因为多媒体技术给学习材料的设计带来很大的操作空间，导致教师对多媒体材料产生了许多误解。其中，在色彩的选择和搭配上，由于教师缺乏色彩美学和色彩心理学的相关知识，使得多媒体材料的内容虽然出色，但由于视觉设计不科学，明视度（即人眼能够看清视标所需的距离）和判读性差，在使用中容易造成学生心情压抑、注意力不集中、易形成视觉疲劳等问题，直接影响了教学效果。因此，为了实现教学效果的最优化，制作出界面布局合理、色彩搭配和谐的高水平多媒体学习材料，无疑是多媒体教学中值得关注的方面。

色彩是指除了黑白两种颜色之外的各种颜色，通常将波长相对较长的色彩系列称为暖色，如红色、黄色等；波长相对较短的则归类为冷色，如蓝色、紫色等。人类的视觉环境是一个色彩的世界，色彩作为多媒体设计元素的基础，其固有的视觉识别性与视觉吸引力具有鲜明的传情达意的优势，能赋予文字与文字、文字与背景之间丰富的构造变化，从而迅速地吸引学习者的学习注意力，增加其阅读兴趣。色彩心理学已有的研究指出，色彩的基调与人的情绪及心理有着微妙的联系，大部分的研究结果认为暖色与人的积极情绪有很大的相关性，此外，从感受情绪、感知速度、视觉刺激强度上，暖色系也略胜一筹^[2]。

在多媒体学习中，学习注意对学习效果有着重要影响。学习注意决定着学习者能否对学习进行更深层次的思考与信息加工，有意义学习能否真正发生。由于化学学习是以观察和实验为基础的认知过程，当脱离实验环境来面对抽象繁杂的化学概念或化学现象时，无论是教还是学，都不可避免地产生枯燥乏味的情绪，从而达不到预期想要的学习效果。化学多媒体学习材料的学习画面是学生经常面对并会直接引起其学习注意的交互对象，色彩作为信息化学习资源界面的重要元素之一，其对学习效果的影响机制值得研究。

进一步分析多媒体学习界面关于色彩设计的相关文献发现，色彩对学习过程的影响及优化主要是基于问卷调查法、访谈法等主观测量手段，并以学习者的情绪变化、学习效果、学习动机、认知负荷等作为评估指标，探讨色彩对多媒体学习认知过程中所产生的影响，由于主观评定量表的局限性，研究者们开始借助能够客观测量生理指标的眼动追踪技术应用于多媒体的色彩设计。但目前的研究中，关于色彩对多媒体学习影响的眼动研究还处于起步阶段。

基于以上分析，本研究将采用问卷调查法与眼动追踪技术，并结合口语报告，揭示学习者进行多媒体学习时的思维过程，研究的问题主要是：对多媒体学习界面进行积极的色彩设计是否能对学习者的情绪、学习效果、学习动机等相关认知过程产生影响？

2材料与方法

2.1实验设计

实验采用单因素被试间设计，学习材料的色彩设计方式为组间变量，分为色彩设计组（明亮色彩页面）和对照组（黑白页面）。因变量为积极情绪测量分数（前测情绪分数，后测情绪分数），学习效果（回忆成绩，迁移成绩），认知负荷（任务感知难度，心理努力程度），眼动指标（总注视时间，注视点个数，热点图，轨迹图）。控制变量为先验知识。

2.2实验对象

选定60名大学生参加本次实验，其中男生24人，女生36人，所有被试被随机分到两个实验组中：色彩设计组30人，实验对照组30人。本实验中所有被试双眼矫正视力或裸眼视力均在1.0以上，无散光等视力问题现象，具备可以顺利进行眼动实验的基本条件。

2.3实验设備

采用Tobii Pro Nano眼动仪和Tobii Pro Lab 1.152.3002的软件来收集相关眼动数据，眼动仪的准确度≤0.3°，精确度≤0.1°，采样率≥60Hz，显示器大小为15.6寸，分辨率为1920×1080，采用红外遥测式设计，无需固定被试头部即可准确采集数据。

2.4多媒体学习材料

学习材料为大学结构化学相关内容，选自陕西某高校结构化学精品在线课程教学材料，共4张幻灯片，以图片形式呈现，其中包含的知识类型以陈述性知识为主。学习材料的设计和呈现遵循 Mayer提出的多媒体学习认知原则^[1]。

2.5测量工具

（1）背景知识问卷：参考结构化学任课教师的意见，用5个问题主观评定学习者对结构化学知识的熟悉程度，例如“我非常熟悉量子力学基础知识”，“我能准确掌握分子的基本结构以及相关的轨道原理”等问题。采用5级评分（1=非常不符合，5=非常符合）。

（2）积极情感量表：采用张卫东^[3]等人修订的中文版PANAS量表中有关积极情绪的题项（如感兴趣的、精神活力高的等），量表内部一致性α系数为0.82。被试根据自身当前的实际感受，对十个有关积极情绪的形容词进行评价。采用5点评分（1分=非常轻微或完全没有，5分=非常强烈）。

（3）学习动机量表：选取 Isen 和 Reeve ^[4]编制的包含八个项目的自评量表，如“它使我充满了好奇心”，“它很有趣味性”等问题。采用7级评分，（1=非常不符合，7=非常符合），量表内部一致性α系数为0.88，可信度高。

（4）认知负荷量表：采用Paas所编制的认知负荷自评量表^[5]，要求被试在学习任务结束后根据自身实际感受对刚才学习任务的难度和所付出的心理努力进行评价。量表采用9点评分（1分=非常简单，9分=非常困难），内部一致性α系数为0.74，具有良好的信效度。

（5）测验题目：回忆测验是为了考察学习者对学习材料的掌握情况，根据学习内容编制3道单选题和1道简答题，每个问题的答案均在多媒体学习材料中出现过。迁移测试是为了考察学习者能否灵活运用所学到的知识来解决新的且相似的题，设置2道结构化学简答题作为迁移测试卷。测验成绩评分由三位经过严格培训的研究生担任，评分者一致性系数均在0.85以上。

2.6实验步骤

（1）前测阶段：被试填写关于结构化学的背景知识问卷，为了消除先验知识对学习效果产生的影响，选择低知识经验者（分数≤12分）进入正式实验，实验开始前填写积极情感量表。

（2）眼动实验：被试被随机分配到各组实验条件下。在完成眼动仪眼球校准后，学习者自主学习多媒体中的学习材料，被试自主决定学习时间，在保证自己已充分学习材料内容后即可单击鼠标，则会呈现下一张学习材料。眼动仪完整记录下学生学习时的眼动数据。

（3）后测阶段：眼动实验结束后，被试填写第二次的积极情感量表，完成迁移测试题，填写内部学习动机量表。

（4）访谈：被试完成实验后，询问被试在整个学习过程的思维过程。

2.7数据处理

采用眼动仪自带的 Statistics 功能将所有眼动数据以 Excel 形式输出，最后使用SPSS17.0软件进行处理分析。

3实验结果

3.1学习效果与其他测量指标结果

对实验所获得的认知负荷等变量数据进行分析，结果见表1。

从表1中的结果可以看出，在经历不同色彩环境的多媒体学习后，学习者的回忆成绩与后测积极情绪分数存在显著性差异。本研究的控制变量（学习者的先验知识）在不同的实验组中没有明显的差异，说明所有学生的背景知识水平基本相同，故在后续的分析中不再考虑先验知识水平对学生认知过程的影响。

3.2眼动数据分析

（1） 注视指标

选取总注视时间、注视点个数、作为眼动指标进行分析。总注视时间也被称为是指对某个区域内容的注视时间的总和，注视点个数是指一定时间内注视点在某个区域内的总个数。总注视时间越长，注视点个数越多，说明该区域包含复杂的信息，信息加工越困难，认知负荷越大。眼动仪所获取到的眼动数据的平均值、标准差及方差分析结果如表2所示。

从表中数据可看出，两组被试在总注视时间与注视点个数上并无显著性差异，所花费的时间投入相差无几，说明在信息加工的整个过程中，学习者付出了同样的认知努力。为了进一步探究色彩的视觉设计是否会引起学习过程中注意力分配的差异，需要借助眼动热点图与轨迹图进行对比。

（2）热点图

与总注视时间呼应，在眼动实验中常以热点图来展示被试在某区域的视觉停留时间，在注视时间无显著差异的情况下，可质性分析信息加工情况。热点图是以特殊高亮的形式显示被试的视觉注意力分布情况，其中包含主要包含三种颜色：红色表示被试最为感兴趣的区域，该区域注视点最多、注视时间最长，学习者的信息加工程度最深，黄色次之，绿色最少，两个实验组的热点图如图1所示。

可以看出，不同视觉条件下，学习者对多媒体学习界面的关注程度相当，主要集中于关键内容部分，说明在多媒体的学习中，学习者都进行了一定的加工，从而进行问题的解决。值得注意的是，二者的注意力分布却各有不同：色彩设计组主要关注在学习界面的后半部分，该区域集中度很高；而实验对照组的学习注意则主要分布在学习画面的各个部分，加工区域分散，且在多媒体材料的前半部分花费的时间相对较多。热点图的实验结果直观表明了即使在总注视时间没有显著性差异的情况下，不同的视觉感知也会引起学习注意的不同。经过对比分析可以推断出，由于色彩对学习材料的不同内容进行了划分，在检索信息時，学生有意识地关注到被色彩标注的内容部分并投入更大的注意分配；而实验对照组中并未加入色彩刺激及区域划分，因此在信息的搜索过程中学生无法把握重点，降低了信息加工的准确度，在后续的问题解决中易受无关信息的干扰。

（3）眼动轨迹图

眼动轨迹是学习者在学习过程中被眼动仪记录下来的物理扫描路径，轨迹图主要能体现被试在整个学习过程中的心理和思维方式有何差异，通过轨迹图我们可以了解被试在学习过程中进行认知加工的顺序、轨迹以及注视的时长，可从质性角度进一步探究两组参与者的学习差异。两个不同实验条件中学习者轨迹图如图2所示。

从轨迹路径分析，两组学习者均采用自上而下、自左向右的阅读顺序，表示在首次信息加工过程中，色彩的不同并未引起阅读模式的差异。进一步分析，色彩设计组的轨迹重叠部分多于对照组，并主要在关键信息区域来回注视，而实验对照组的被试对于学习材料的前半部分即概念阐述区则有着比较频繁的搜索次数，对于材料的细节部分则投入较少的关注，这与色彩布局有很大的关系。在加工策略上还可以看出，由于色彩将内容划分了不同的区域，色彩组倾向于在同一内容区域中集中处理信息，将知识点细化处理，有助于识记；对照组则在学习材料中的标题、概念、解释部分进行整体加工，即在不同的区域来回观看，侧面反映出该组学生在认知过程无法自主确定学习重点，说明在多媒体视觉层面的色彩设计中要同时兼顾其能凸显重点信息的作用，适当地进行区域划分。

4综合分析与讨论

4.1色彩对学习者情绪的影响

有关情绪研究所取得的成果让研究者们充分认识到，学习者在多媒体学习过程中会体验到各种不同的情绪，情绪对人类的认知过程有重大影响，这种影响包括知觉、注意力、学习、记忆、推理和问题解决等方面，学习者的情感还有助于编码和帮助有效地检索信息，这些因素对学习成就的影响是至关重要的^[6]。

心理学研究表明：在认知感官中，视觉获得的信息量最大，而颜色是最容易引起大脑反应的一种感官刺激，色彩作为视觉第一语言，更能第一时间吸引观看者的视线、引起相应的情感反应，且从色彩与情感的联想上考虑，彩色主要是诱发或者保持学习者的积极情绪^[7]。例如龚少英等人^[8]在视觉层面以颜色和拟人化进行积极情绪的设计，探究二者是如何影响学习者的情绪与学习结果，研究发现：彩色能够诱发积极情绪， 拟人化不能单独诱发积极情绪， 但和彩色结合可以诱发积极情绪。Um等人^[9]使用暖色调及婴儿笑脸对学习材料进行多媒体视觉元素设计，考察了学习材料情感设计对被试情绪的影响，结果发现对比使用灰色矩形设计的材料，进行色彩设计的学习材料更能诱发学习者的积极情绪。对广告设计的研究表明，较高浓度和较明亮的颜色能引发用户兴奋和放松的感觉，这些感觉反过来又会影响个体对材料的正面评价^[10]。

这与本研究的结果一致，可以认为对多媒体学习画面进行色彩设计，能在一定程度上促进积极情绪的激发，从而提高学习效率。结合访谈结果，色彩设计组中有75%的学生指出，虽然呈现的学习材料中存在部分较难理解的内容，但使用色彩进行背景布局并同时对内容进行分区处理，在吸引注意力的同时，还能凸显学习重点，学习目标明确，能保持积极乐观的心态完成学习任务；而在黑白页面的学习中，83%的学生表示：在学习过程中容易产生视觉疲劳，又考虑到结构化学的知识点本身难度较大，不加入任何的指引性标注则很难抓住学习重点，尤其在学习化学概念这一类的纯文本材料时，在学习过程中信心逐渐减弱，甚至出现回避学习的现象，学习体验不佳。

4.2色彩设计对多媒体学习效果的影响

有研究指出，将新知识转化为内在的认识，对一些化学陈述性知识或学习环境进行艺术化加工是促进知识巩固的重要策略之一^[11]。本实验中对多媒体学习画面中的背景与字体进行色彩设计与对不同的知识内容通过色彩进行了区域划分则是艺术加工的一种方式，说明色彩设计有助于增强短时记忆。在先前的研究中，Chai^[12]借助脑电分析技术研究发现，彩色多媒体学习材料对学习者的记忆与学习有着积极的影响；Plass等人^[13]在对学习材料进行设计时，相比于中性色，暖色设计对回忆成绩产生促进作用，对迁移作用不显著；Uｍ等人^[9]通过添加暖而明亮的色调等积极视觉元素，来进行多媒体学习环境的视觉情感设计，结果发现，视觉的积极设计能够提高学习者的情緒体验，同时提高记忆学习效果，但是对于迁移成绩没有显著影响，这与本研究结果一致。

在色彩表征与学习注意的相关研究中指出，色彩作为一种显性刺激能有效帮助学习者形成初期的“视觉意象”，即通过色彩的吸引学生对内容有了浅层的领会，并在此基础上进行阶段性的“注意加工”，从而在其大脑中形成知识的形象性信息并存储于短时记忆中，在这个过程中色彩充当一种记忆线索，能与特定的知识内容存在对应关系^[14][15]，如红色代表概念的陈述部分，引导学生注意到学习材料中的重要内容与关键区域，增强了学生在多媒体学习过程中的信息记忆能力，从而实现对知识信息的精准领会（认识事物并有所体会）。在之后的访谈中，当被问及色彩是否在知识加工中起作用时，色彩组给予了肯定，指出在回忆信息时色彩的布局有助于上下文的识记；对照组则有更大的意愿希望设计者能加入某些视觉特征来区分内容的主次要因素，提高信息提取的效率。

就迁移能力来说，由于考察的知识内容广泛，与学习者自身的学习积累有关，仅仅通过短时间的学习，自然不会大大提高其本身的知识迁移水平，故在迁移成绩上，色彩的设计无法使两组学习者存在较大的差异。

4.3 多媒体学习画面的色彩设计对认知负荷与学习动机的影响

实验表明，在多媒体学习界面进行色彩设计并没有对学习过程中的认知负荷与学习动机产生影响。而部分研究指出，在媒体视觉层面进行色彩设计能影响学习者的认知负荷，但却未得到一致的结论，例如Ahmet^[16]在探讨设计不同的情感元素在多媒体学习材料中是否会对学习者的积极情绪、心理努力投入等产生影响时发现彩色设计组的学习者相对来说投入了较高的心理努力，但不会影响任务难度的主观感知；乐亦扬^[17]则认为色彩能降低学习者的任务难度感知。对于学习动机，Pekrun等人^[18]认为，学习过程中的不同情绪体验会影响学习者的学习动机，积极的学业情绪更能促进积极的学习行为，进而影响其学习投入水平。相关研究指出这与学习材料的特点、学习时长、学习者特征、主观量表的选择有着密切的关系^[15]，这也说明在未来的工作中仍有很大的研究空间。

综合来看，多媒体中的色彩布局具有一定的导向与提示作用，能在视觉上吸引学生的学习注意并诱发个体的积极情绪，基于色彩与心理功能的联结作用，例如明亮饱和的色调往往给人带来温暖的情感体验，从而激发学习热情，促进学生深层次的思维加工。色彩作为多媒体视觉线索的一种，使学习者迅速将注意力集中在相关信息上，提高其查找重要信息的效率，进而加深学生对内容的理解程度。由此可见，在多媒体教学中，设计者应有意识地结合学科学习特点在视觉上对不同层次的知识内容进行区分，利用色彩信号的认知功效帮助学生从“选择性注意”到“分配性注意”，即从最初的自动加工发展成精细加工，促进有效学习的发生，提高信息加工效率，实现教学效果的最大化。

5研究结论与启示

经过实验对照，本研究得出如下结论：由于色彩具有象征性，多媒体学习画面中的色彩对学生心理的影响从视觉开始，再通过知觉、情感渗入到学生的思想中，最终会反映在他们的行为上^[19]。对多媒体学习画面进行积极的色彩设计能唤醒学习者的积极情绪，提高学生短时对学习材料的掌握能力（回忆测试成绩），在学习动机、感知任务难度、心理努力投入上，相对来说，色彩设计组在整体上具有较为可观的表现，说明对多媒体学习界面中进行积极的色彩设计有助于改善学习困境。

由于本研究是在高校实验室中进行，且研究对象为思维发展水平较高的大学生，无法还原真实的多媒体学习环境，研究存在一定的局限性，色彩对学习机制的影响研究还有待继续深入。对于一线教师来说，由于色彩存在心理反应和联想，因此在设计多媒体教学材料时，要以学生为主体，综合考虑学生的性格、认知水平与心理对色彩的接受程度，正确选择色彩基调、合理进行色彩设计将有利于保持学习者认知过程中情绪的稳定，从而提升教学效果。

参考文献：[1] Mayer and Richard， The Cambridge Handbook of Multimedia Learning： Cognitive Theory of     Multimedia Learning. 2014（18）： 433-448.

[13] Plass J L， Heidig S， Hayward E O ， et al. Emotional design in multimedia learning： Effects of shape and color on affect and learning[J]. Learning & Instruction， 2014， 29：128-140.