Principled animation design improves comprehension of complex dynamics
Abstract
Learners can have difficulty in decomposing conventionally designed animations to obtain raw material suitable for building high quality mental models. A composition approach to designing animations based on the Animation Processing Model was developed as a principled alternative to prevailing approaches. Outcomes from studying novel and conventional animation designs (independent variable) were compared with respect to mental model quality, knowledge of local kinematics, and capacity to transfer (dependent variables). Study of a compositional animation that presented material in a contiguous fashion resulted in higher quality mental models of a piano mechanism than non-contiguous or control (conventional) versions but no significant differences regarding local kinematics or transfer. Eye fixation data indicated that the compositional animation led to superior mental models because it particularly fostered relational processing. Implications for future research and the design of educational animations are discussed.
Keywords
Animation design; Complexity; Animation processing model; Mental model acquisition; Composition approach
1. Introduction
Animations have become a ubiquitous feature of technology-based learning materials (Houml;ffler amp; Leutner, 2007). However it has also become clear that animation can be a two-edged educational sword (Lowe, 2014) - the undoubted benefits of animations must be weighed against the processing costs they may impose on learners (Lowe amp; Schnotz, 2008). The research reported here investigated a novel design approach for reducing such processing costs in order to better capitalize on animationrsquo;s benefits.
Conventionally-designed animations that present complex subject matter to learners who are novices with respect to the depicted domain have proven to be particularly problematic. The difficulties learners experience with such depictions have been attributed to the very particular way in which they present their subject matter and the psychological consequences of those presentational characteristics. Prime amongst these characteristics is the dynamic nature of animations. While animations undoubtedly have a major advantage over static graphics in their direct, explicit presentation of spatiotemporal information, their dynamics can also have negative effects on learnersrsquo; extraction of crucial task-relevant information (Lowe, 2003). This is because when learners are faced with animations that portray complex, unfamiliar dynamic subject matter, many and varied simultaneously presented aspects of the animation compete for the learnerrsquo;s limited attentional resources (Lowe, 1999 ; Schnotz and Lowe, 2008). Unfortunately, the information learners extract tends to be what is perceptually salient rather than what is task relevant. Further, the information presented in an animation is intrinsically transitory so the time available for the learner to process it is very limited. This situation can be exacerbated when animations present rapidly changing subject matter at a realistic speed. In the next section, we summarize ways in which researchers have attempted to ameliorate these processing challenges.
1.1. Efforts to improve educational effectiveness
Researchers have investigated numerous interventions intended to increase animationrsquo;s effectiveness as a tool for learning (Ploetzner amp; Lowe, 2012). They include giving the learner control over the animationrsquo;s display regime (Boucheix, 2008; Lowe, 2004; Lowe, 2008 ; Scheiter, 2014), modifying the animationrsquo;s presentation speed (Boucheix et al., 2015; Fischer et al., 2008 ; Meyer et al., 2009), subdividing the animationrsquo;s time course into smaller segments (Spanjers et al., 2011 ; Wong et al., 2012), cueing the animationrsquo;s high relevance information (De Koning et al., 2007; Lowe and Boucheix, 2011 ; Boucheix et al., 2013), providing strategy training to learners regarding more effective animation processing (Kombartzky et al., 2010 ; Ploetzner and Schlag, 2013), accompanying the animation with ancillary learning activities (De Koning et al., 2010 ; Mason et al., 2013) and displaying multiple animation segments simultaneously (Ploetzner and Lowe, 2014 ; Rebetez and Beacute;trancourt, 2009). However, achieving major improvements in the quality of the mental models that learners develop from animations has proven to be particularly elusive (Boucheix amp; Lowe, 2010).
Although many innovative interventions have been pursued by researchers thus far, there is one key aspect that has not yet been addressed: the fundamental design assumptions upon which the animations are based in the first place. We suggest that some major problems learners currently have in processing animations could be reduced by a fundamental re-thinking of animation design. The research reported here investigated the potential of an alternative approach to designing educational animations. Rather than being primarily concerned with animations as external representations of the target subject matter (as is the case with conventionally designed animations), the main focus of this alternative is on helping learners to compose better internal representations (i.e., mental models) ( Lowe, in press). Because of its concern with the psychological processes involved in composing these mental models, we have termed this design alternative the composition approach. In the study reported here, conventional and novel types of animation design (independent variable) were compared with respect to their outcomes for mental model quality, knowledge of local kinematics, and capacity to transfer (dependent variables).
1.2. Theoretical foundations for compositional animation design
The origins of the composition
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原则性动画设计提高对复杂动态的理解
摘要
学习者可以很难分解常规设计的动画，以获得合适的原料，建立高品质的心理模型。动画的处理模型的基础上设计动画的组成方法的开发作为一个原则性的替代流行的方法。从研究新的和传统的动画设计（独立变量）的结果进行了比较，心理模型的质量，当地的运动学知识和能力转移（因变量）。研究的组成动画，材料在一个连续的方式导致更高质量的心理模型的钢琴机构比非连续或控制（常规）版本，但没有显着差异，当地的运动学或转移。眼固定数据表明，构图动画导致优越的心理模型，因为它特别促进关系处理。未来的研究和教育动画设计的影响进行了讨论。
关键词
动画设计；复杂性；动画加工模型；心理模型获取；构图方法
1，介绍
动画已经成为技术学习资料的一个普遍特征（Houml;ffler和刘特纳，2007）。然而它也变得清晰，动画可以一二边教育剑（Lowe，2014）-动画的好处勿庸置疑的必须与他们对学习者的加工成本的权衡（Lowe amp; schnotz，2008）。研究报告在这里调查了一种新的设计方法，以减少这种处理成本，以更好地利用动画的好处。
传统设计的动画，呈现复杂的主题，学习者是新手的描绘域已被证明是特别有问题的。困难学生经验的描写已被归因于他们目前的题材，这些表象特征的心理后果非常特别的方式。这些特性之间的素数是动画的动态性质。虽然动画无疑有一个主要的优势，在静态图形的直接，明确的时空信息，他们的动态也可以产生负面影响学习者的关键任务相关信息的提取（罗威，2003）。这是因为当学习者面对的是动画，描绘复杂的、陌生的动态主题，同时提出了多种多样的动画方面争夺学生有限的注意力资源（Lowe，1999；schnotz和睿狮，2008）。不幸的是，信息学习者提取往往是什么是感性的显着，而不是什么是相关的任务。此外，在动画中呈现的信息本质上是短暂的，所以学习者处理的时间是非常有限的。这种情况可以加剧当动画呈现快速变化的题材在现实的速度。在下一节中，我们总结的方法，研究人员试图改善这些处理的挑战。
1.1，努力提高教育效果
研究人员调查了许多干预措施旨在增加动画的有效性作为学习的工具（ploetzner amp; Lowe，2012）。他们包括了动画的显示机制的学习者控制（boucheix，2008；洛，洛，2004；2008；沙伊特，2014），修改动画的呈现速度（boucheix et al.，2015；菲舍尔等人，2008；Meyer et al.，2009），将动画的时间课程分成小段（spanjers et al.，2011；Wong等人，2012），提示动画的相关信息（de Koning et al.，2007；睿狮，2011；boucheix，boucheix et al.，2013），以更有效的动画处理学习者提供策略训练（Kombartzky等人，2010；Ploetzner，2013），与施拉格，辅助学习活动伴随着动画（de Koning et al.，2010；梅森et al.，2013）和D在多个动画同时段（Ploetzner和睿狮，2014；Rebetez和Beacute;trancourt，2009）。然而，实现重大改善的心理模型的质量，学习者从动画已被证明是难以捉摸的（2010 boucheix amp; Lowe，）。
虽然许多创新的干预措施一直追求的研究人员到目前为止，有一个关键方面，尚未得到解决：基本的设计假设的动画是基于在首位。我们认为，一些主要的问题，目前学习者在动画加工可以减少一个基本的重新思考的动画设计。研究报告在这里调查的潜力，另一种方法来设计教育动画。而不是主要关注动画作为目标主题的外在表现（与常规设计的动画的情况下），这种替代的主要重点是帮助学生构建更好的内部表征（即心智模式）（睿狮出版社）。由于其关注与心理过程中所涉及的这些心理模型的组成，我们称之为这个设计替代的组成方法。在这里报告的研究中，传统的和新类型的动画设计（独立变量）进行了比较，他们的成果，心理模型的质量，当地的运动学知识和能力转移（因变量）。
1.2，构图动画设计的理论基础
在动画加工模型的组合方法的起源在于（APM）（Lowe amp; boucheix，2008）。这个理论框架描述的知觉和认知过程，被认为是发生时，一个人从事学习从传统设计的复杂的解释动画。我们将这些传统动画的综合表示因为他们描绘目标方面的题材较为全面和可靠的方式，从而在“物理真实性原则”，这是众所周知的损害尤其是域新手学习（范：euml;凡麦里恩博尔和凯斯特，2014）。他们包括所有的参照系统的有关单位和描绘出一个现实行为方式（Lowe amp; boucheix动力学，2012）。APM可以用来识别潜在的学习困难的来源，在处理复杂的综合动画，并建议改善这种困难的方法。
如图1所示，动画处理模型有五个主要阶段。总体而言，这个学习者的处理可以分为两大类型的活动：分解（APM的第1阶段）和组成（APM阶段2 - 5）。一个区别是使（我）之间的解析处理，学习者必须首先分解信息动画的连续通量为离散事件的单位（单位及其相关行为）提供的心理模型建筑原材料，及（ii）合成处理的原料组成和累计迭代高阶的知识结构，包括一个目标主题的心理模型。
以往的研究表明，一个复杂的动画分解可以是特别有问题的学生缺乏特定领域的背景知识（Lowe amp; schnotz，2014）。而不是提出适当分解描述为构建高质量的心理模型所需的主题相关的活动的单位，学习者倾向于在他们的视觉特征提取的基础信息子集（schnotz amp; Lowe，2008）。净的结果是，这种不适当的提取的原料可以严重损害的质量的心理模型，他们最终能够建立从研究动画。
构图方法的目的是更好地匹配的基本设计复杂的动画学习者的方式处理动态可视化的意图。它的目的是消除一个实质性的障碍，以收购高品质的心理模型，通过消除学习者的必要性分解综合动画。而不是必须进行第1阶段处理自己，学习者逐步“喂”的总集所需的信息，通过一系列小的，离散的部分，在某种意义上可以被认为是一个“理想”分解的结果。在APM方面，这基本上允许学习者绕过易出错的第1阶段的处理活动，并直接进入第2阶段和随后的处理涉及到高阶结构的动态微块的组合物。如后所述，实际执行的组成方法是特别关注促进有效的关系处理，因为它的重要性，形成分层组织的知识结构，高品质的心理模型的特点。
虽然组合方法起源于APM和特定的复杂动画的学习，这是符合更广泛的方法，旨在简化复杂的学习和复杂的任务表现比较一般（德容和lazonder，2014；范：euml;凡麦里恩博尔和克氏针，2013）。在这一领域的研究重点是如何指导和任务最好是序列（例如，范：euml;凡麦里恩博尔和Kester，2014；范：euml;凡麦里恩博尔et al.，2003）。各种备选方案是可能的-例如，整个部分与部分整体测序。特别是目前调查的排序原则，这表明“hellip;最好是序列学习任务或复杂的信息，从简单到复杂的比现在的他们的全部复杂性在一次”（Van Merrieuml;凡麦里恩博尔和凯斯特，2014，p.116）。应当指出的是，在许多情况下，这一原则的应用意味着，材料将需要以某种方式细分，以便件可测序。
基于简单的典型方法复杂序列是打破材料或表现为简单的部分，然后分别培训逐步结合为一体（Van Merrieuml;凡麦里恩博尔et al.，2003）。教学序列已被用于一系列的方法包括有关信息前培训（Mayer和pilegard，2014；Mayer et al.，2002），元素交互性（凯斯特等人，2004a；Kester等人，2004），和动态的可视化（khacharem et al.，2012；spanjers等人，2011）。各种研究表明，这种测序技术的积极影响（例如，克拉克et al.，2005；limniou和怀特海，2010；Mayer和莫雷诺，2003；Mayer et al.，2002；穆塞莱姆，2010；Pollock等，2002）。
然而，测序方法的适用性可以高度特异性。排序可能需要实施非常不同的方式，如学习目标，显示的类型，所涉及的主题和学习者的先验知识水平的考虑。例如，某些类型的序列出现不适合复杂的学习需要协调的部分，和知识的整合，决定和/或程序（内勒和布里格斯，1963；范：euml;凡麦里恩博尔，1997）。在复杂的综合动画的情况下，它是明确的，标的物的表现作为一个整体是非常有问题的学生（Lowe amp; boucheix，2012）。这表明，部分整体测序参与的组合物的方法可能是更有效的比整个部分测序。白和Frederiksen的工作（1990）也与组合方法的共振。对于这些作者，测序的复杂的学习任务，应根据心理模型的发展，应参与的水平复杂度增加。在组成的方法，它假定累积的增量处理假定APM的路线，建立一个高质量的心智模式，将有助于帮助学习者形成日益复杂的知识结构。
1.3，复杂动画的细分与排序
在动画中描绘的主题结构是一个重要的考虑因素时，考虑如何最好细分和测序。在复杂动画中描述的主题的一个特点是，它通常涉及相当大的同时性。图2显示了在本次调查中使用的复杂机械装置的机制-一个传统的直立钢琴。传统设计的综合动画描绘了复杂的操作，这种机制具有相当的保真度。整个动画的整个时间过程中，描绘呈现给学习者不仅全套的机制的各种物理组成部分，但也密切模仿的各种动作，这些组件在钢琴的操作执行（即，行为现实主义）。这些动作同时发生或在快速级联整个机制的完整的操作周期的持续时间，并发生在广泛分布的显示区域的位置。
APM识别这些同时或近同时运动的分布式实体作为一个挑战学习者，因为竞争的视觉注意力，他们产生由于人类信息处理系统的局限性。
对现有的综合动画的一个可能的方法是将时间分成小块，一种方法称为分割（spanjers，Van Gog，范张巧文，2010）。由此产生的片段就可以玩一次（通过适当的停顿分隔）和在原不分节的动画的顺序序列中的对应。这种分割方法可能是最成功的动画描绘的主题，其中个别事件发生在一个简单的线性时间序列（即，很少或根本没有同时）。在这种情况下，仔细切片的动画成有意义的分部结果的“独立”的子集的主题，对学习者的处理（例如，Wong等人，2012）的要求较少的地方。然而，分割可以是有问题的，当动画中包含的主题包含广泛的同时性，特别是如果同时发生的事件是交错的。这是因为切片的动画，努力分离出一个连贯的事件可能会破坏其他共同发生的事件的连贯性。根据APM，这将是适得其反的学习者的尝试，建立一个高品质的心理模型，因为这样的建筑活动本质上是构成连贯的层次知识结构。
构图的方法使用的一种形式的细分，似乎更适合动画，其中有多个共同发生的事件（即，大量同时性）。在这种情况下，更多的“法医”的方法是必要的，以尽量减少类型的附带损害连贯性描述。细分的时间间隔，而不是切片动画，细分是基于分离完整的单个事件单元的主题的时空结构进行了详细的分析。一种钢琴机构这样一个事件单元分析的例子在附录A给出的细分方法是有点类似于用于验尸的地方是保留在同一空间发生的多个个体身体的子结构有限的一致性至关重要。因为身体不是一个简单的线性结构，把它作为一个整体（而不是孤立的组件子结构）将危及死亡的原因的正确理解。
1.4，实施作文教学法
值得注意的是，一组动画设计首先详细内容具体分析，系统地梳理出所有主题的相关活动的单位，以其自然的时间安排，并揭示信息的同时。这种分析可以用在具体学科知识和APM为考虑其他关键问题的基础上，如涉及的因果链，事件之间的关系和功能单位，学习者可能遇到的面对的是一个综合的动画演示的题材潜在的处理问题。由于组成方法的意图是为了更好地对齐动画设计与加工活动确定的APM，实施的一个重要方面是如何建立一个心智模型所需的总信息子集，并提出给学习者。本次调查的主要焦点是与自下而上的动画加工阶段相关的问题。一个主要目标是减轻学习者的负担分解的综合体现的主题，确定在第1阶段的APM，提供他们最佳的“准备分解”的材料。然而，我们的目的是提供这样的材料的方式，促进学习者的后期成分加工，其中下属的信息成分逐步和分层积累到更具包容性的知识结构。
上面所描述的分析确定了构成心理模型内部构成所需的基本原料的主体的单个事件单元。然而，它没有指定如何将这些信息应提交给学习者，以方便其提取和处理的学习者。的APM考虑建议三个方面可能是特别重要的信息包呈现给学习者的大小（即事件单位交付一次数），这些信息包的性质（即，他们的倾向是相互关联的），和该序列中的信息包了。对于目前的调查，我们的组成动画呈现学习者只有两个事件单位一次。我们长期这些对关系集表明，它们的组成事件单元密切相关的功能关系，涉及他们的直接互动。在本次调查中使用的关系集的例子，如图3所示。
我们使用的关系集组成的事件单元的一部分，我们的理由是，它考虑到工作记忆的限制，因此有助于避免可能出现的问题，如过度认知负荷。然而，一对也是最小的分组，需要提供学习者的本地化和功能相关的事件单元集。这意味着，我们的外部呈现的关系集近似的内部表示的动态微块被确定为主要演员在学习者的第2阶段APM处理。这些关系集也与常见的事件单位，以允许他们准备好的联动。因此，它们应该非常适合于进一步的迭代和累积处理，如发生在随后的APM处理阶段。最后考虑的问题是如何交付关系集应测序。记住，我们的目的是促进关系集到上级时空结构的组成，我们根据他们的排序在两个主要的首要的因果链负责钢琴机制的运行（即关键锤和关键阻尼器的因果链）。
1.5，连续与非连续表示
动画设计的组成方法，不仅考虑到信息量的学习者在同一时间，但也选择的信息子集，以促进关系推理的潜力。在
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