闪电暴雷的形成过程

考虑下面的情境。作为学生研究项目的一部分，你希望搞清楚闪电暴雷是怎么形成的。你在百科全书上查阅闪电一词，看到下面的解释：

闪电可以被定义为由于云层和地面之间电荷差异导致的电的释放现象。

当地球表面温暖的时候，靠近地面潮湿的空气会变热并且迅速上升，产生了一股上升气流。当这股上升气流变冷时，水蒸气凝固成水滴形成云。云的顶部超过了结冰面。在这个高度，气温大大低于冰点，以致云的顶部形成了微小的冰晶。

最后，水滴和冰晶越来越大以至于不能悬浮在上升的气流中。当雨滴和冰晶从云层掉下来时，它们从云层牵引一部分空气，产生向下的气流。云层中上升和下降的气流可能导致冰雹的形成。当下降的气流撞到地面时，它们向四周扩散，产生阵阵凉风，就像人们在下雨前体验到的那种感觉。

在云层内，移动的空气导致了电荷的产生，虽然科学家们还没有完全搞清楚电荷产生的原因。大部分人认为电荷是由于云层中较轻的，上升的水滴和微小的冰晶撞击雹子和其他较重的，下降的微粒形成的。带负电的粒子降到了云层的底部，而大部分带正电的粒子升到了顶部。

从云层到地面的巨大闪电的首次形成始于梯级先导闪电（a stepped leader）。许多科学家认为闪电是由云层内正负电荷交界处的火花激发的。梯级先导闪电逐步向下移动，每次前行约50码，持续大约百万分之一秒。在每次前行之间暂停大约五千万分之一秒。当梯级先导闪电接近地面时，向上的带正电先导闪电从树和建筑等物体向上行进直至碰到负电荷。从地面最高物体向上移动的先导闪电常常是第一个与梯级先导闪电相遇从而完成地面和云层之间的行程。两种先导闪电一般在距地面165英尺的地方相遇。带负电的粒子然后就会沿着向上先导闪电所走的路径从云层跑到地面。先导闪电不是很亮，常常有很多路径。

当梯级先导闪电接近地面时会吸引相反的电荷，使地面大量的正电荷沿着同样的路径向上跑。这种向上的电流是回返闪电，它大约在70微秒后就到达了云层。回返闪电产生的亮光就是人们在闪电中所注意到的，但电流移动得如此快以至于人们不能觉察到它向上的运动。闪电常常包括几百万伏的电压。沿闪电通道的空气快速地被加热到相当高的温度。这样的强热造成了空气爆炸性的膨胀，产生了我们称作雷的声波。

即使你仔细阅读了这些文字，但如果你像我和同事所研究的大多数学习者一样，你也许不会理解这段文章。在我们的研究中，尽管在学生阅读完这篇有500英文单词的文章后立即进行测验，但他们保持测验和迁移测验的成绩仍然很差。当我们要求学生写出闪电暴雷的形成过程时（即保持测验），他们一般能回忆出不到一半的内容。当我们要求学生回答那些需要利用所呈现的内容来解决的新问题时，比如如何减轻闪电暴雷的强度（即迁移测验），他们大部分不能想出有效的解决方法。显而易见，传统的崇尚时间的呈现教学信息的方法——以打印文字的形式呈现解释的方法——似乎不能很好地发挥作用。

这些结果促使我们寻求使学生更容易理解学习材料的不同方法。考虑到我们的研究发现言语呈现形式是有局限的，这会促使我们去寻求视觉呈现形式的可能性。当我们在言语表征中增加视觉表征时，我们可以帮助学生更好地理解材料吗？什么是将视觉表征和言语表征结合起来提高学习的最好方式呢？正是这些问题激发了本书的写作。

我们特别检验了两种多媒体学习环境——以书本为基础的环境和以计算机为基础的环境。在基于书本的环境中，我们讨论如何将打印的文本和插图最佳地结合在一起。例如，图表2.1提供了一节基于书本的关于闪电形成的多媒体课——我所称作的带注解的插图（annotated illustrations）。这节课由一系列插图组成，每幅插图都描绘了闪电形成的一个关键步骤，同时附有对应的文本片断（或注解）说明。这五幅插图都是简单的线条画，只包含基本的要素和事件，例如正负粒子，向上和向下的气流，暖空气和冷空气。文本的说明也主要指出闪电形成的基本要素和事件，插图中所用的50个英文单词是从有500个英文单词的文章中逐个选出的。重要的是插图和文本是相互对应的，因此对应的文本部分和插图在书页中的位置是相邻的。我们把五幅带注解的插图分别排放在你刚刚读过的有500个英文单词的文章中对应的段落旁边。这就是一节多媒体课，因为它既包括语词（即打印的文本），又包括画面（即插图）。

图表2.1　基于书本环境中闪电一课的带注解的插图

（资料来源：Mayer, Bove, Bryman, Mars & Tapangco, 1996，图1．版权为美国心理学会所有。经同意使用。）

图表2提供的带注解的插图是根据莱文（Levin）和迈耶（1993）对课文中插图的研究分析所提出的若干一般性设计原则而设计的：

集中性——关键的观点（即闪电形成的步骤）在插图和文本中都要突出。

简明性——尽量减少文本中无关的叙述（例如有关人被闪电击中的故事），尽量减少插图中无关的视觉特征（例如不必要的细节和颜色）。

对应性——对应的插图和文本部分在页面呈现的位置相互接近。

具体性——文本和插图的呈现方式要能使它们清晰易见。

一致性——呈现的材料有一个清晰的结构（例如一个因果链）。

可理解性——文本和插图以熟悉的方式来呈现并且允许学习者应用过去相关的经验。

可编码性——文本中使用的关键术语和插图中的关键特征应是一致的且采用容易记住的方式。

简言之，图表2.1提供的带注解的插图是组织良好多媒体信息的一个例子。

同样的方法可以用于在计算机为基础的环境中制作一节多媒体课。图表2.2提供的是从基于计算机的关于闪电形成的一节多媒体课中挑选出来的若干画面，这节多媒体课可称作带解说的动画（narrated animation）。这节课由140秒的动画组成，描绘了闪电形成的关键步骤，同时还伴有对应的300个英文单词的男声解说，描述了闪电形成的每个关键步骤。动画是由插图中使用的线条画改编的，解说是文本的简化版。动画使用的只是由一些基本的要素和事件组成的简单的线条画，而解说也只关注基本的要素和事件。重要的是语词和画面是相互对应的，因而动画中的某一动作发生时，同时也伴有一个对动作的言语描述。这样的话，图表2.2中总结的带解说的动画就是组织良好多媒体信息的一个例子。这也是一节多媒体课，因为它同时包括语词（即解说）和画面（即动画）。

图表2.2　基于计算机环境中闪电一课的带解说的动画的画面

（资料来源：Mayer & Moreno, 1998，图1。版权归美国心理学会所有。经同意使用。）

我们如何评价诸如图表2.1和2.2所述的多媒体呈现中的学习效果呢？学习的传统测量方法有保持和迁移两种。保持（retention）指能够记住所呈现的内容。例如，图表2.3最上面的部分就是针对闪电一课的保持测验，我们可以要求学习者写出闪电暴雷的形成过程。在我们的研究中，保持测验要求学生在六分钟内写出他们的答案。根据我们提供的呈现材料，闪电形成的一些关键步骤如下：

1．空气上升；

2．水凝结；

3．水滴和冰晶下降；

4．形成下行的风；

5．负电荷降到云层底部；

6．先导闪电相遇；

7．负电荷向下冲；

8．正电荷向上冲。

我称之为解释性概念单元（explanative idea units），因为它们是解释中的主要步骤。为了计算学习者的保持测验得分，我可以检查学习者写出的内容——即学习者的回忆记录（recall protocol），然后查看八个主要步骤中他们写出了几个。在这个过程中，我关注的是学习者答案的含义而不是精确的用词。因此，假如学习者写出“带负电的部分移动到云层底部”，学习者就算答对第五个步骤，尽管用词并不是很精确。为确保得分的客观性，回忆的记录分别由两个打分员给出分数，他们两人都不知道学习者接受的是哪种教学信息。一般说来，意见不一致的情况较少，而所有的不一致部分都通过协商来解决。因此，每个学习者的保持成绩都表示为一个百分比，即回忆出的概念单元数量除以总的概念单元数量（即8个）。

尽管保持测验很重要，但我最感兴趣的是迁移测验。我不仅希望学生能够记住所呈现的内容而且也希望他们能够使用学到的知识去解决新情境下的问题。因此，我们不能仅仅停留在测量记住了多少内容；事实上，我的研究主要关注的是通过迁移测验测出学生对内容的理解程度。

图表2.3中下面的部分列出闪电一课的一些迁移问题。第一个问题是重新设计的问题，要求学习者修改系统以实现某些功能；第二个问题是故障查找问题，要求学习者诊断系统有时不运作的可能原因；第三个问题是一个预测性问题，要求学习者叙述系统中某个特殊要素或事件的作用；第四个问题是一个概念性问题，要求学习者揭示一个基本原理（例如相反的电荷互相吸引）。每次在一张纸上给学生呈现一个问题，允许他在两分半钟内写出尽可能多的可以接受的答案。两分半钟后，答题纸被收回，再分发下一张空白答题纸。为计算每个学习者的迁移得分，我们要先算出学习者对所有迁移问题写出了多少个可接受的答案。为帮助记分，我们建了一个备选答案库，列出了每个问题可接受的答案。例如，对第一个如何降低闪电暴雷强度的问题，可接受的答案包括从地球表面移走正电粒子或在靠近云层的地方放置正电粒子；对第二个关于天空中有云层却没有闪电原因的问题的可接受的答案包括云层的顶部可能没有超出结冰面或没有冰晶形成；对第三个关于温度作用问题可接受的答案包括地球的表面是温热的和即将来临的空气是凉爽的，或云层的顶部超出了结冰面和云层的底部低于结冰面；对第四个关于闪电形成原因问题可接受的答案包括云层内电荷的不同和云层内空气温度的不同。建立在常识性知识基础上的答案，如使用避雷针或不要站在树下面，就不能记入可接受的答案。对一个特别的回答不管学生的写作风格和术语使用如何，只要学生的答案表达出意思，他们就可得分。例如，对第四个问题，尽管正确答案是“负电粒子和正电粒子分离”，但他们只要写出“云层中－和＋电荷的分离”就可得分。和保持测验一样，迁移测验的答案也是由两个不知道学习者接受哪种课的评估者打分。意见不一致的情况是很少的，而且可通过协商来解决。总的来说，四个问题有12个可以接受的答案，所以每个学习者的迁移成绩可以表示为一个百分比——写出的可以接受的答案数量除以总的可能的答案数量（即12个）。

图表2.3　闪电一课中保持测验和迁移测验中的问题