空间邻近性对大学生多媒体学习认知处理的影响：来自功能性近红外光谱学的证据

《Frontiers in Psychology》：Spatial proximity effects on cognitive processing of multimedia learning among college students: evidence from functional near-infrared spectroscopy

本研究采用fNIRS技术，探讨多媒体学习中空间邻近效应的神经机制。通过比较36名大学生在物理、地理和英语学习任务中空间邻近与分离条件下的脑激活模式及认知负荷，发现邻近条件显著提升准确性（p<0.05）和缩短反应时间（p<0.05），伴随中颞叶、前额叶皮层及顶叶等区域激活增强（β值显著）。尤其物理学科中，顶叶激活差异最显著（p<0.01），证实空间邻近通过优化信息整合与工作记忆资源分配，促进高交互性学科的学习效果。

　　在当代教育研究中，多媒体学习作为一种整合文本与图像信息的教学方式，已被广泛应用于各类学科的教学实践中。其核心在于如何通过合理的图文布局，促进学习者的知识建构与信息整合能力，从而提升学习效果。其中，空间邻近效应（spatial proximity effect）作为多媒体学习中的一个重要原则，指的是图文信息在空间上的接近程度能够显著影响学习者对知识的理解与记忆。该效应的理论基础可以追溯到Mayer的多媒体学习认知理论（Cognitive Theory of Multimedia Learning, CTML），该理论认为，学习者在学习过程中，需要将视觉和语言信息进行整合，以形成连贯的、具有意义的内部表征。这种整合过程受到学习材料的呈现方式、学习者的认知负荷以及任务的复杂性等因素的影响。因此，如何在教学设计中优化图文的呈现方式，成为一个值得深入探讨的问题。

本研究旨在从神经科学的角度出发，探讨空间邻近效应在多媒体学习中的作用机制，并进一步分析不同学科对这一效应的影响。为了实现这一目标，研究采用功能性近红外光谱成像（functional near-infrared spectroscopic imaging, fNIRS）技术，对36名大学生在不同图文格式（邻近与分离）下的学习任务中进行脑活动监测与分析。通过这一技术，研究者能够非侵入性地记录大脑皮层的血氧变化，从而间接反映学习过程中神经活动的变化。与传统的行为实验相比，fNIRS不仅能够捕捉学习者的行为表现，如反应时间、准确率和知识保持度，还能揭示学习过程中涉及的神经机制，例如特定脑区的激活模式。

研究结果表明，空间邻近条件下的学习者在多个脑区表现出显著的激活增强，包括中颞回、额极和背外侧前额叶皮层。这些区域在学习过程中通常与信息整合、语义处理和工作记忆功能密切相关。此外，空间邻近条件下的学习者在准确性、反应时间等行为指标上也优于空间分离条件下的学习者。这一发现支持了空间邻近效应在学习效率提升方面的积极作用。值得注意的是，研究还发现不同学科对空间邻近效应的影响存在差异。在物理学习中，空间邻近条件下的学习者表现出显著的中颞回激活，而英语和地理学习中则未观察到类似的显著激活差异。这表明，空间邻近效应可能在高度互动的学科中表现得更为显著，而低互动性学科则可能对空间邻近效应的依赖性较低。

从认知理论的角度来看，空间邻近效应之所以能够促进学习，主要归因于它能够减少学习者在信息整合过程中所面临的额外认知负担。当图文信息在空间上靠近时，学习者不需要花费大量精力去搜索和匹配分散的信息源，从而降低了视觉搜索和信息整合所需的认知资源。相反，当图文信息在空间上分离时，学习者需要在不同信息源之间频繁切换注意力，这不仅增加了认知负荷，还可能干扰信息的整合过程。这种现象与Mayer提出的“认知负荷理论”相呼应，即学习过程中涉及的内在负荷（材料复杂度）、外在负荷（教学设计不当）和生成负荷（知识结构的构建）相互作用，而外在负荷在很大程度上受到教学设计的影响。

然而，尽管空间邻近效应在行为层面得到了广泛验证，其背后的神经机制却尚未完全明确。一些研究通过眼动追踪和脑电图（EEG）等技术，观察到学习者在空间邻近条件下的注意力分配和信息处理效率有所提升。但这些研究多依赖于主观测量方法，缺乏对神经活动变化的直接证据。本研究通过fNIRS技术，首次从神经层面揭示了空间邻近效应的具体影响。结果显示，空间邻近条件下，学习者在中颞回、额极和背外侧前额叶皮层的激活水平显著高于空间分离条件，这表明这些脑区在信息整合过程中发挥着重要作用。同时，研究还发现，不同学科对空间邻近效应的影响存在差异，尤其是在高度互动性学科（如物理）中，空间邻近效应的神经机制更为显著。

进一步分析发现，空间邻近效应在不同学科中的表现与学习材料的交互性密切相关。高度交互性材料，如物理学习中的电磁继电器原理，往往需要学习者将图文信息进行深度整合，因此在空间邻近条件下，学习者的语义处理能力得到增强，从而提高了学习效果。相比之下，低交互性材料（如英语和地理）则更依赖于记忆和重复，因此空间邻近效应对其影响较为有限。这一发现为教学设计提供了重要的启示，即在设计多媒体学习材料时，应根据学习材料的交互性程度，灵活调整图文的呈现方式，以优化学习效率并减少不必要的认知负担。

此外，研究还探讨了空间邻近效应在不同学习任务中的表现。例如，在英语学习中，图文材料通常涉及语言理解与视觉信息的结合，如阅读理解任务中，图文信息的接近有助于学习者更高效地构建语言与图像之间的联系。而在地理学习中，图文材料多用于解释自然现象和空间关系，如热力环流的形成机制，空间邻近效应同样能够促进学习者对这些复杂概念的理解。然而，在物理学习中，由于其高度的交互性和抽象性，空间邻近效应的作用更为明显，特别是在涉及实验与理论结合的内容时，图文信息的接近有助于学习者更快地建立知识结构，并提高对知识的迁移能力。

研究还指出，空间邻近效应的神经机制可能涉及多个脑区的协同工作。例如，中颞回在语义处理和信息整合中起着关键作用，而背外侧前额叶皮层则与工作记忆和信息整合密切相关。当图文信息在空间上接近时，这些脑区的激活水平显著提高，表明学习者在处理信息时能够更高效地利用这些认知资源。而在空间分离条件下，虽然学习者仍然能够完成学习任务，但其在信息整合过程中需要更多的认知努力，导致脑区激活范围更广，但整体效率较低。

从实际应用的角度来看，空间邻近效应的发现为多媒体教学设计提供了重要的理论依据。研究建议，教学设计应充分考虑学习材料的特性与学习者的认知需求，合理安排图文信息的呈现方式。例如，在设计高度互动性的教学内容时，应优先采用空间邻近的图文布局，以促进学习者的深度学习与知识迁移。而在处理低互动性内容时，可以适当放宽空间邻近的要求，以减少对学习者的认知负担。此外，研究还指出，教学设计应注重对学习者工作记忆容量的考虑，优化图文信息的呈现方式，以减少外在认知负荷并提高学习效率。

然而，本研究也存在一定的局限性。首先，由于fNIRS技术的分辨率和检测深度有限，研究只能观察到与任务相关的表层脑区的激活变化，而无法深入分析更深层脑区的活动。因此，未来研究可以结合多种脑成像技术（如EEG、fMRI和眼动追踪）进行多模态分析，以更全面地揭示空间邻近效应的神经机制。其次，研究样本主要由大学生构成，其知识基础相对一致，缺乏对不同年龄层、不同学习背景和不同学习风格的代表性。未来研究应扩大样本范围，纳入更多不同群体的学习者，以评估空间邻近效应在更广泛学习环境中的适用性。此外，研究仅通过单一的主观量表测量认知负荷，未能区分不同类型的认知负荷（如内在负荷、外在负荷和生成负荷），这可能影响研究结果的敏感性和准确性。因此，未来研究应采用更精细的测量工具，对认知负荷的不同类型进行区分，并结合空间邻近效应进行更深入的分析。

综上所述，空间邻近效应在多媒体学习中具有重要的应用价值，其作用机制涉及多个脑区的协同激活，特别是在高度互动性的学科中表现更为显著。研究结果不仅拓展了认知神经科学对空间邻近效应的理解，也为多媒体教学设计提供了科学依据。未来的研究应进一步探索空间邻近效应的神经基础，并结合多种技术手段，推动其在不同学习环境中的应用与推广。通过不断优化教学设计，教育工作者可以更有效地利用空间邻近效应，提升学习者的认知效率与学习成果，从而实现更高质量的教育目标。