Facilitating and inhibiting learning by the spatial contiguity of text and graphic: How does cognitive load mediate the split-attention and expertise reversal effect?

Abstract

In instructional design research, which comprises also multimedia learning, two instructional design effects have gained researchers’ attention for several years that led to two design principles: First, numerous studies showed a split-attention effect, that is, students with a spatially integrated format of graphic and corresponding text had higher learning outcomes than students with a separated format of text and graphic. These findings led to the spatial contiguity principle that recommends avoiding a format that spatially separates graphic and corresponding text and suggests a spatially integrated format of text and graphic. Second, first studies showed that learners’ prior knowledge plays an important role in how successfully students learn with integrated or separated multimedia materials. According to these findings high knowledgeable students (should) benefit equally well or even more from spatially separated than integrated multimedia formats. These findings are subsumed under the term expertise reversal effect and led to the individual difference and/or prior knowledge principle. The split-attention as well as the expertise reversal effect is explained within the frameworks of Cognitive Load Theory (CLT; Sweller, van Merrienboer, & Paas, 1998) and the Cognitive Theory of Multimedia Learning (CTML; Mayer, 2003). According to the constructs of CLT, the cognitive mechanisms assumed to underlie the effects can be described in intrinsic, extraneous, and germane cognitive load. The first aim of this dissertation was to reveal the complementary explanations of the split-attention effect and the contradictory explanations of the expertise reversal effect provided within the two frameworks. Whereas CLT researches postulate extraneous cognitive load to be the crucial factor underlying both effects, CTML researchers assume germane cognitive load to be a crucial factor. The second aim was to investigate how the three cognitive load types mediate the split-attention effect in order to test the complementary assumptions concerning the cognitive mechanism underlying the effect. In Study 1, 103 university students with low prior knowledge studied the physiological processes in the kidney either with an integrated or a separated format. Overall cognitive load was measured by secondary task performance in two thirds of the students. Intrinsic, extraneous, and germane cognitive load were measured separately by means of multiple subjective rating scales. Whereas instructional format did not influence secondary task performance, mediation analyses yielded that extraneous cognitive load mediated about 8% of the split-attention effect on knowledge about labeling and about 16% of the effect on knowledge about complex facts. Furthermore, mediation analyses yielded that germane cognitive load mediated about 9% of the effect on knowledge about labeling and about 18% of the effect on knowledge about complex facts. The third aim was to investigate how the three cognitive load types mediate the expertise reversal effect in order to test the contradictory explanations suggested by researchers. In Study 2, 60 university students served either as high-knowledge or low-knowledge learners and studied again the physiological processes of the kidney either with an integrated or separated format. Intrinsic, extraneous, and germane cognitive load were again measured separately by means of multiple subjective rating scales. In addition to the subjective rating scales students’ processing strategies were measured by means of the eye tracking methodology. Mediated moderation analyses yielded that germane cognitive load mediated about 19% of the expertise reversal effect on knowledge about labeling and about 38% on knowledge about complex facts. Moreover, the eye-tracking measures suggested that participants with separated format tended to process text and graphic in a more isolated way than participants with integrated format who switched more often between text and corresponding parts of the graphic. In conclusion, the results of both studies showed that the split-attention and especially the expertise reversal effect seem to be mediated by a certain amount of germane cognitive load. This finding is at odds with the assumptions made by most CLT researchers who focus on extraneous cognitive load exclusively. A reduction in extraneous cognitive load (the basic assumption of CLT) does not seem to be enough to make learning successful. Hence, the focus on extraneous cognitive load only is questionable in explaining learning. Despite the prevailing habit of using a single subjective rating scale to measure cognitive load future research that seeks to explain instructional design effects by referring to different cognitive load types needs to measure these load types separately. Moreover, these measures should be validated by process measures like for example viewing behavior or even neuronal correlates.

Die Forschung zu multimedialen Instruktionsdesigns beschäftigt sich seit einigen Jahren unter anderem mit dem Split-Attention und dem Expertise-Reversal Effekt: Zahlreiche Studien zeigten einen Split-Attention Effekt, der darin besteht, dass Lernende mit räumlich integriertem Format, bei dem Textinformationen und korrespondierende Bildinformationen räumlich nah beieinander präsentiert werden, bessere Lernleistungen erzielen als Lerner mit räumlich geteiltem Format. Diese Ergebnisse führten zu der Instruktionsdesignempfehlung, textuelle und graphisch korrespondierende Informationen räumlich nah beieinander zu präsentieren. Erste Studien zeigten jedoch, dass das Vorwissen von Lernenden einen Einfluss beim multimedialen Lernen mit integriertem und geteiltem Format hat. Entsprechend dieser Studien sollen Lerner mit hohem Vorwissen mit einem geteilten Format ebenso gut oder sogar besser lernen als mit integriertem Format. Diese Ergebnisse werden unter dem Expertise-Reversal Effekt subsumiert und führten zu der Empfehlung, individuelle Lernercharakteristika wie das Vorwissen bei der Gestaltung von Lernmaterial zu beachten. Der Split-Attention und der Expertise-Reversal Effekt werden innerhalb der Rahmenmodelle der Cognitive Load Theory (CLT; Sweller, van Merrienboer, & Paas, 1998) und der Cognitive Theory of Multimedia Learning (CTML; Mayer, 2003) unterschiedlich erklärt. Entsprechend des Konstrukts der kognitiven Beanspruchung (Cognitive Load) der CLT, können die Erklärungen mit den Arten Intrinsic (ICL), Extraneous (ECL) und Germane(GCL) Cognitive Load beschrieben werden. Das erste Ziel der vorliegenden Forschungsarbeit bestand darin, die unterschiedlichen Erklärungsannahmen kognitiver Beanspruchungsmechanismen, die den o.g. Effekten zugrunde liegen sollen, aus der Literatur herauszuarbeiten und in Beziehung zu den Rahmenmodellen zu setzen. Hierbei zeigte sich, dass CLT-Forscher sowohl den Split-Attention als auch den Expertise-Reversal Effekt auf den ECL zurückführen, wohingegen CTML-Forscher bei beiden Effekten die Rolle des GCL betonen. Das zweite Ziel bestand in der experimentellen Erforschung der postulierten kognitiven Mechanismen, die dem Split-Attention zugrunde liegen sollen. In Studie 1 wurden 103 Studierende mit geringem Vorwissen gebeten, die physiologischen Prozesse der Niere entweder mit einem integriertem oder einem geteiltem Text-Bild Format zu lernen. Die Gesamtbeanspruchung wurde mit der Leistung in einer Zweitaufgabe erhoben. ICL, ECL und GCL wurden mit drei subjektiven Ratingskalen separat erhoben. Das Instruktionsformat wirkte sich nicht auf die Leistung in der Zweitaufgabe aus. Multiple Mediationsanalysen zeigten jedoch, dass subjektiver ECL bis zu 16% und subjektiver GCL bis zu 18% der Varianz des Split-Attention Effekts bei komplexem Wissenserwerb aufklärten. Das dritte Ziel bestand in der experimentellen Erforschung der postulierten kognitiven Mechanismen, die dem Expertise-Reversal Effekt zugrunde liegen sollen. Hierfür wurden in Studie 2 60 Studierende (30 mit hohem Vorwissen und 30 mit geringem Vorwissen) ebenfalls gebeten, die physiologischen Prozesse der Niere entweder mit einem integriertem oder einem geteiltem Text-Bild Format zu lernen. ICL, ECL und GCL wurden wieder mit subjektiven Ratingskalen separat erhoben. Zusätzlich wurden visuelle Verarbeitungsstrategien der Lernenden mittels der Messung ihrer Blickbewegungen erhoben. Mediierte Moderationsanalysen zeigten, dass subjektiver GCL bis zu 38% der Varianz des Expertise-Reversal Effekts aufklärte. Die Blickbewegungsanalysen zeigten, dass Lernende mit geteiltem Format den Text und das Bild eher isoliert verarbeitet haben, wohingegen Lernende mit integriertem Format häufiger zwischen Text und korrespondieren Bildinformationen hin und her gewechselten sind. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass beide Studien eine bedeutende Rolle des GCL sowohl beim Split-Attention Effekt als auch insbesondere beim Expertise-Reversal Effekt aufgezeigt haben. Eine alleinige Reduktion des ECL scheint nicht ausreichend für einen erfolgreichen Wissenserwerb zu sein. Diese Ergebnisse unterstützen die Annahmen von CTML-Forschern. Des Weiteren stellen sie die Annahmen von CLT-Forschern in Frage, welche sich ausschließlich auf den ECL bei der Erklärung von Instruktionsdesigneffekten beschränken. Um Näheres über die kognitiven Mechanismen beim Split-Attention und Expertise-Reversal Effekt zu erfahren, sollte zukünftige Forschung ebenfalls eine separate Erhebung der drei Beanspruchungsarten verfolgen. Darüber hinaus wird empfohlen subjektive Beanspruchungsmaße mit objektiven Prozessmaßen wie Blickbewegungen oder neuronalen Korrelaten zu validieren, um gesicherte Aussagen über die Bedeutung subjektiver Beanspruchungsratings geben zu können.