意象能力维度：对多媒体学习中的科学创造力的影响

《Thinking Skills and Creativity》：Imagery Ability Dimensions: Effects on Scientific Creativity in Multimedia Learning

　　

摘要

许多形式的科学学习要求学生理解抽象概念、空间关系和动态过程。多媒体学习可以通过提供协调的言语和视觉表征来支持这些过程，但其有效性可能会因学生构建和操作心理表征的能力不同而有所差异。意象能力被定义为产生和处理心理图像的能力，可能是这种个体差异的重要来源。然而，意象能力影响多媒体学习成效和科学创造力的具体机制仍不清楚。为了弥补这一研究空白，本研究探讨了意象能力不同维度（清晰度、操作能力和想象性）对多媒体学习环境中学习表现和科学创造力的影响，以及其潜在的神经机制。研究开展了四项实验，包括三项行为实验和一项使用功能性近红外光谱（fNIRS）的神经影像实验。结果表明，虽然图示多媒体学习促进了知识保持，但其对知识迁移和科学创造力的影响更多地取决于学生的意象操作能力和想象性，而非意象清晰度。此外，fNIRS结果揭示右中颞回（MTG）和内侧前额叶皮层（MPFC）的激活介导了多媒体学习与科学创造力之间的关联。值得注意的是，只有意象想象性正向调节了从多媒体学习到右侧MPFC激活的路径。这些发现表明，心理表征的生成性构建和新型重组对于将多媒体学习获得的知识转化为原创性科学想法可能尤为重要。本研究为个性化多媒体教学设计和科学创造力培养策略的开发提供了实证依据。

引言

在科学、技术、工程和数学（STEM）教育中，多媒体学习资源被广泛用于支持学生对许多科学主题核心内容的抽象概念、空间关系和动态过程的理解。通过整合文字、图像和视觉模型，这些资源可以使复杂的科学内容更易理解并提高学习效果。然而，尽管多媒体资源在STEM教育中的使用日益增加，培养学生的科学创造力仍然是一个持续的挑战。学生可能能够在多媒体环境中理解和记住科学知识，但仍难以提出有意义的新问题并生成既具原创性又符合科学规范的创意。作为领域特定形式的创造力，科学创造力植根于科学知识和科学问题发现与解决的过程（Feist, 1999）。它涉及在STEM领域中识别问题、建立新颖联系、并生成既具原创性又有效的想法或解决方案（Simonton, 2003）。因此，明确多媒体学习是否能以及如何支持科学创造力，对于优化STEM教学设计和培养创新思维至关重要。

多媒体学习不仅涉及外部信息的接收，还包括信息的主动加工和内部心理表征的构建。根据多媒体学习的认知理论（Mayer, 2005, 2024），学生需要在有限的认知资源内组织和整合言语信息和图示信息，从而形成连贯的概念模型和心理表征。认知负荷理论（Sweller, 2011）进一步指出，这一过程受到学生信息加工能力和策略的约束，因此他们在将外部多媒体材料转化为内部心理表征的效率上可能存在差异。意象能力可能是这种个体差异的重要来源，因为它与内部视觉表征的形成和操作密切相关。

然而，意象能力如何将多媒体学习与科学创造力联系起来仍不清楚，以往研究存在三个缺口。第一，尽管以往研究表明多媒体学习可以提高知识获取和学习表现，但它是否能进一步支持学生生成新颖且有效的科学想法仍未得到充分检验。第二，意象能力与创造力之间的关系尚未完全阐明，部分原因是以往研究未能充分区分意象能力不同维度的作用。第三，在多媒体学习情境中，关于意象能力如何影响从科学知识获取到科学创造力的过渡以及其潜在神经机制的证据仍然有限。

为了弥补这些缺口，本研究探讨意象能力不同维度在多媒体学习和科学创造力中的作用。通过四项实验，我们考察了这些维度对学习表现和科学创造力的影响，并进一步使用功能性近红外光谱（fNIRS）探索其中潜在涉及的神经机制。本研究旨在阐明多媒体学习如何支持科学创造力，提供关于这一过程的神经认知证据，并根据学生的认知特征——尤其是其意象能力——为STEM多媒体教学的个性化设计提供启示。

章节摘要

科学创造力与多媒体学习

科学创造力被定义为科学知识的重建和新型概念关联的形成（Getzels & Csikszentmihalyi, 1967; Hu & Adey, 2002）。与一般创造力相比，科学创造力是领域特定的，强调学生在科学情境中识别科学问题、建立新颖联系、并生成既具原创性又符合科学规范的创意或解决方案的能力（Hu et al., 2013）。以往的

参与者与实验设计

共有126名学生完成了视觉意象生动性问卷-2（VVIQ-2；见下文），以筛选意象清晰度高低水平的参与者。这些参与者主修科学相关专业（如物理、生物、数学和计算机科学）。根据问卷得分，得分处于前27%和后27%的参与者被确定为后续实验的合格参与者。因此，21名高意象清晰度参与者（HC, M

参与者与实验设计

与实验1一致，使用心理旋转任务（见下文）筛选出19名高意象操作能力参与者（HM, 平均年龄20.52岁，SD年龄=1.97，包括13名女性）和20名低意象操作能力参与者（LM, 平均年龄20.33岁，SD年龄=2.52，包括15名女性）。HM组的意象操作能力显著高于LM组（心理旋转准确率：M=0.95, SD=0.05），t(37)=11.67, p<

参与者与实验设计

与实验1类似，参与者通过创造性意象任务（见下文）进行筛选，最终选出21名高意象想象性参与者（HI, 平均年龄19.85岁，SD年龄=2.31，包括14名女性）和21名低意象想象性参与者（LI, 平均年龄20.36岁，SD年龄=2.41，包括16名女性）。HI组的意象想象性显著高于LI组（创造性意象任务得分：M=4.26, SD=0.53），LI组[M=2.48,

参与者与实验设计

共有93名本科生参与本实验，包括22名男性和71名女性（平均年龄20.11岁，SD=2.39）。所有参与者均签署了知情同意书。本研究经通讯作者所在大学的机构伦理委员会批准，并按照《赫尔辛基宣言》中规定的伦理原则进行。

程序

学习阶段的实验程序与实验1相同。在科学

总体讨论

通过一系列四项实验，本研究考察了意象能力不同维度（清晰度、操作能力和想象性）对多媒体学习环境中科学创造性表现的影响。结果表明，虽然图示多媒体学习促进了知识保持，但其对促进知识迁移和科学创造性思维生成的作用更多地取决于学生的意象操作能力和

结论

本研究考察了意象能力不同维度如何塑造多媒体学习对学习效果以及科学创造性表现的影响。研究发现，图示多媒体材料提供了有用的表征资源，但其对知识迁移和原创想法生成的优势更强烈地依赖于意象操作能力和意象想象性，而非意象清晰度。意象想象性还调节了

伦理批准声明

本研究按照《赫尔辛基宣言》进行，并经陕西师范大学伦理委员会批准。所有参与者均提供了知情同意。

资助声明

本研究得到了中国国家自然科学基金[编号：32171065, 62477030]、中央高校基本科研业务费专项资金（青年基金）[编号：JUSRP202501080]、中国教育人文社科研究项目[编号：23XJC880007]、中国教育部人文社科规划项目[编号：25XJA880006]、中国博士后科学基金[编号：2024MD763964]、哲学和

数据可用性声明

本研究分析的数据集未公开可用，但可根据合理请求向通讯作者索取。

未引用参考文献

Friedlander, Lenton and Fine, 2024, Gilhooly, Georgiou and Devery, 2013, Marks, 1973, Stumpf, 1995

CRediT作者贡献声明

李新怡：撰写——原稿，正式分析，数据整理，概念化。

白惠芝：撰写——原稿，可视化，验证，概念化。

王雪巍：可视化，概念化。

李雅丹：软件，方法论。

胡卫平：方法论，资助获取。

利益冲突声明

作者声明本研究的开展不存在任何可能被解释为利益冲突的商业或财务关系。

李新怡|白惠芝|王雪巍|李雅丹|胡卫平

江南大学人文学院，江苏无锡，214122，中国