摘要：计算机动画可以显示动态的变化，表达抽象的概念，因此医学教育中越来越多地应用计算机动画，然而，动画的优越性会因学习者个体差异如知识储备和空间认知能力的不同而不同，动画并非一直有效。本文介绍了相关的研究成果，描述了动画在医学教育中的应用。根据认知负荷理论为动画的设计和使用提供了原则，为未来研究提供了方案。
关键词：医学教育；计算机动画；静态图像；认知负荷
中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1672-0059(2010)03-0094-03
一、引论
计算机辅助教学指教育者结合多媒体元素如声音、视频、静态图像和动画来巩固课程教学。动画可以描述抽象的现象。相比静态图像可以明确地表述动态的信息。医学教育者越来越多地使用动画作为教学手段，诸多已发表的研究成果和各电子图书馆、数据库中的动画教学资料就是很好的证明。然而，计算机动画制作既费时又昂贵。并且不可能在任何情况下都有效，因此，使用动画的医学教育者必须了解什么时候使用动画和如何有效地使用动画。本文对医学教育领域以及—些非医学教育领域有关动画应用的研究做了全面的文献回顾，重在阐明动画在医学教育中的潜在应用价值，以一系列研究证据为依托阐述其设计和应用原则。并为未来的研究提供方向。
二、定义和重要理论
动画是一系列设计出来的图像，每个图像都好像前一图像的延续。与描述真实物体运动的视频画面相比较，动画是由模拟仿真运动画面组成——展示了人工创造的物体的运动。动画可以显示时空的改变，促进对复杂概念的理解。动画可以根据各种维度分类。包括：可视化过程的本质、学习者互动的程度、抽象的水平和维度。对动画进行分类是必需的，因为对一种动画的分析研究不可能应用到其他种类的动画中去。
认知和学习的理论对理解教学动画中的设计原则非常重要。它指出人类学习(构建知识)是通过在工作记忆中感知和处理信息，然后在长时记忆中组织和储存信息，当需要时，储存的信息可以被唤回到短时记忆中去。
认知负荷理论提出工作记忆一次只能容纳有限的信息，当超过这一限量时，就导致认知超载，达不到预期的学习效果。相反，长时记忆信息存储容量没有明显的限制。认知负荷理论将认知负荷分为三种：内在认知负荷、外在认知负荷和相关认知负荷。内在认知负荷表明信息的容量和复杂性，外在认知负荷指任何不利于有效学习的无关或冗余信息，相关认知负荷有助于学习或建立认知线索。从认知理论的角度来看，学习的目标就是最小化外在认知负荷和最大化相关认知负荷，激活工作记忆来促进学习。
建立在此概念上的多媒体学习认知理论认为。人们通过两种不同但互相依赖的途径接收和处理新信息，一种为语言词汇，另一种为视觉图像。同时提供图像和文字信息比只提供一种信息更利于学生学习。因此，当信息通过图像和文字输入时，学习效果得到了最大化。梅耶通过实践检验和修改了这一理论，提出了一系列以事实为基础的多媒体教学设计原则。
三、动画在医学教育中的应用
为了检索医学教育中关于动画应用的文献，利用医学主题词和关键词“计算机辅助教学”、“医学教育”以及专业术语词根“动画”、“外部视觉”和“动态视觉”搜索了美国医学文献数据库(MEDLINE)、心理学数据库(PsychINFO)和荷兰医学文献数据库(EMBASE)，查阅了所有与医学相关的动画应用的原始研究资料。
在医学教育中，计算机动画大多应用于组织胚胎学、细胞和分子生物学、人体解剖学、皮肤病学和生理学等课程教学；在临床教学中主要应用于体格检查、外科技术、麻醉和心肺复苏等；在流行病学和生物统计学领域，动画用来促进理解抽象的概念和复杂的数学应用。
虽然医学教育者积极地将动画作为他们教学活动的一部分。但是几乎没有研究能证实动画在医学教学中的有效性。在仅有的三项比较研究中。一项研究发现使用数据图表和动画的两个对照学习小组之间没有明显差异。另—研究发现两维动画比多媒体动画更有效果，然而第三项研究发现在网络课程中过多使用动画会干扰学习。而且，由于对研究设计重视不够，许多研究都未将动画应用的效果单独考虑，并且没有设立对照组进行比较研究，所以结果缺乏说服力。
这些有限的研究表明，第一，研究证据比较薄弱；第二，对动画的直觉不可能总是正确的；第三。一些研究已出现不一致的结果。所以有必要进一步研究来解释这些矛盾的结果，并提供更充分的证据。
四、动画设计使用的理想和现实
幸运的是，非医学教育研究者多年前就开始研究这些问题了。为此，我们研究了非医学教育领域关于计算机动画的文献资料。
(一)动画优于静态图像，但动画并不总是首选的，在某些情况下可能妨碍学习
直觉上可能认为动画比静态图像更加有效，尤其当学习动态的现象的时候。早期非医学教育研究发现使用动画教学具有明显的优势，然而，由于动画可以传递静态图片所不能传达的额外信息，动画优于静态图像的研究受到了质疑。在随后的研究中，以计算机为基础的动画和静态图像相比，没有持续地展示其优越性。最近的一项meta分析详细地探讨了这个问题，认为虽然动画总的来说优于静态图片，但是在不同研究之间存在大量的不均衡性。同时还发现学习效果根据活动种类、真实水平和内容不同而不同，这种不同解释了在某些环境下，增加外在认知负荷或减少相关认知负荷都会阻碍学习。
1 增加外在认知负荷
在认知负荷理论概念框架下。专家注意到和静态图像相比动画并不能持续减少初学者的认知负荷。例如。大学生在学习机械、天文学或者气象学时，动画和静态图表并没有区别，实际上，一些亚研究发现静态图片反而具有优越性。
增加外在认知负荷有两种解释：第一。学习者没有能力对一系列包含在动画中的信息进行恰当的处理，特别是对于初学的复杂内容，或者当动画多个地方要求同时注意时。甚至当学习者习得知识时。不能将知识融合到动画已有的信息中去，或不能将知识融合到已有的心理认知结构中去。但是静态图片由于允许学习者回顾信息，可以不断加强对信息的认知。第二，动画和学习者内在认知之间的不一致性导致了学习者的外在认知负荷。例如，为了模仿真实的物理现象。教育者经常设计动画来描述持续的运动。然而，证据表明人类感知运动是由一系列不相关联的步骤组成，而不是一种持续的功能，这种差异可能增加外在认知负荷。
研究反射神经系统的神经科学提供了另一种解释。这项研究提出人类的大脑随时准备模仿观察到的运动，尤其当这些运动是以目的为导向的，意思就是说当动画用来描述那些学习者将要模仿的任务(比如：打结)时更加有效，但是当动画用来描述非人类的行为(比如：一台机器如何工作)时效果会更差。最近一项实验支持了此种假设，证明动画在学习运动技能上比学习认知更有效。
2 内在认知负荷的效果
教育者和学习者都希望学习更有效率、更轻松。这个目标值得称赞，但是太过强调的话，教育可能会变成消极的同化作用(过分地降低内在认知负荷)，而不是真正的学习，真正的学习需要学习者积极地介入。这可能解释了一些研究结果，认为没有学习者参与的动画和利用静态图像学习的效果是一样的。在这些例子中，努力理解和整合静态图像代表了内在认知负荷，因为它增加了认知，促进了更深入的理解。
经验表明当学习者控制动画时内在认知负荷得到增加。一项研究表明将动画和课本融合起来的学生表现优于那些使用现成动画的学生，另外还发现，相比不能控制动画的中小学生而言。那些能控制动画返回播放的学生往往取得高分。然而。一项心理学研究发现学习者控制动画降低了学习效果，表明学习者控制学习所表现的效果还未知。虽然我们没有类似经验，但是教育者可以通过有效的心理认知策略，促进认知和动画之间的相互作用。
(二)所有的学习者能从动画中受益，但益处随学习者的特性而变化
研究表明学习者特性和教学设计之间相互作用，学习者的两种特性——已有知识储备和空间认知能力——影响学习效果。
1 已有知识储备
理论和经验都表明学习者的知识储备或专业化水平将不同程度地影响应用动画的学习效果。首先。一些研究指出知识储备少的学生可更多地从动画中受益，因为动画更加清楚地描述了运动。有更多专业知识的学习者可以从图表中推断运动，因此动画成为冗余的信息，干扰学习。支持这个结论的证据是间接的，而且是针对理论学习而不是特殊学习。第二，有研究表明，为了准确地从动画中抽象出信息。学习者必须拥有相关的心理认知技能和专业知识。将动画信息融入到长时记忆之前。学习者必须首先识别动画的主要特点，但初学者在选择和翻译信息上存在困难。当学习不熟悉的材料时，他们不能抽象出正确或充分的信息。相反，有经验的学习者由于具有了坚实的知识结构和心理认知策略，可以从动画中抽象出正确的信息。这些在特殊情况下的矛盾结果或许可以作为后续研究的主体和方向。
2 空间认知能力
研究表明，多媒体设计的有效性根据学习者的空间认知能力而变化。空间认知能力(不要和经常使用的视觉学习模式相混淆)一般定义为产生、维持和操纵心理视觉图画的能力。在没有动画和多视觉动画的对比研究中发现，较好的空间认知能力可以提高学习效果。这个结果对多维模型来说更是如此，表明空间能力很差的学习者学习多维动画时存在困难，空间认知能力好的学习者却可能受益。相反，在机械领域学习中，Hegarty等研究发现空间认知能力并不影响学习。这些争议有必要进一步研究。
五、以证据为基础的计算机动面设计原则
多媒体设计的原则可以应用到动画设计中去。将动画分成小的单元，信息在屏幕中显示时间越久(即所谓的“追踪”)。越能降低外在认知负荷。可以更多地使用“关键”信息来促进学习，当然有些研究持反对意见。
让学习者控制节奏，让他们更多地与动画互动，可以提高学习效率和记忆力。然而，学习者控制动画可能会干扰学习，也许会使初学者错过重要内容或增加认知负荷。而且，至少三项研究表明使用认真挑选出的“关键信息”可能比学习者控制动画更加重要。专家建议学习者控制动画不应只是“视频控制”，而应是学习者使用认知能力(内在认知)去处理动画。教育者必须考虑整个学习背景，包括计划有效的非动画教学活动，将动画整合到其他教学中去，确保学习者知道如何使用计算机动画。通过要求学习者融合课文和图表或者描述动画中接下来将发生什么或者已发生什么，来加强这样的互动。
六、未来研究方向
本文只是对医学教育中的计算机动画教学的相关研究作—个文献回顾，还需要更深入地了解其他领域如气象学、物理、机械学和数学等学科的动画教学。有学者指出教育者必须认识到不同的学习目标需要不同的动画。医学教育不同于其他学科，本身也有不同的内容、学习目标和学习者，因此，虽然有许多研究和设计原则可以适用于医学教育，但应注意不能照搬现成的研究结果。
事实上。目前所有关于医学教育动画的研究都集中于描述和评价动画的创新应用，而缺乏利用控制组或对照组进行比较研究，或使用试验样本研究。此外，对何时使用动画和如何有效地使用动画上的理解也非常有限。澄清这些问题要求不同领域动画应用之间和不同学习组之间的比较研究，除了在实验室环境下的实验研究，还需在自然状态下研究动画应用。加强动画对医学学习驱动力和自我效能的研究，深入理解何时应用和如何有效地使用动画。