知識可視化的理論及其在教育教學中的應用

摘要：本文從知識可視化的發(fā)展和理論基礎的角度分析了知識可視化的研究框架，重點考慮了可視化過程中的分析對象和分析方法。并通過將概念圖引入課堂教學之中，開拓學生的思維能力，促進學生對知識的整體把握，更好的實現(xiàn)知識的傳播和創(chuàng)新。

關鍵詞：知識可視化；信息可視化；理論基礎；教育教學

中圖分類號：G642文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)32-1169-02

The Theoretical of Knowledge Visualization and Its Application in Teaching

LU Rui1， WU Yu-qin2

(1.Wuhan University， Computer College， Wuhan 430072， China; 2. Ningde Teachers College， Ningde 443100， China)

Abstract: This paper focus on the development of knowledge visualization and analysis the theoretical basis about it. The target and method in the how tovisualization to be concerned. We use the concept map in the teaching to help studentsunderstand the knowledge， and give teacher a reference to help the spread and innovation of knowledge.

Key words: Knowledge Visualization; Information Visualization; Theoretical basis; Teaching

1 知識可視化的概念

人們在認識事物的過程中大腦主要用于處理和分析視覺圖像。與文本比較，大腦處理圖像比處理文本具有更大的優(yōu)勢。基于人們認知過程中對圖像等相關信息的敏感性，在20世紀八十年代，美國國家自然科學基金會（National Science Foundation，簡稱NSF）首先提出了科學計算可視化（Visualization inScientific Computing）的概念，其目的是將日益增多的海量科學計算數(shù)據(jù)通過可視化的方法表現(xiàn)出來，以便于被人們利用和理解。數(shù)據(jù)可視化（Data Visualization）將可視化對象由科學數(shù)據(jù)進一步拓展到工程數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)的可視化，現(xiàn)代的數(shù)據(jù)可視化技術指的是應用計算機圖形學和圖像處理技術，將數(shù)據(jù)轉換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術。信息可視化（Information Visualization）主要考慮對非空間數(shù)據(jù)的可視化。隨著社會信息化的發(fā)展和網(wǎng)絡技術的不斷推進，信息源越來越龐大，人們迫切需要在海量信息中去發(fā)現(xiàn)信息之間的關聯(lián)和發(fā)展趨勢。Card et al.將信息可視化定義為：“使用計算機支持的、交互式的視覺表示法，對抽象數(shù)據(jù)進行表示，以增強認知。”

Eppler，M.J.Burkand，R.A.(2004)認為：知識可視化（Knowledge Visualization）是在科學計算可視化、數(shù)據(jù)可視化、信息可視化基礎上發(fā)展起來的新興研究領域，應用視覺描述，促進群體知識的傳播和創(chuàng)新。一般來講，知識可視化研究領域研究的是視覺描述在提高兩個或兩個以上人之間的知識傳播和創(chuàng)新中的作用。這樣一來，知識可視化指的是所有可以用來建構和傳達復雜知識的圖解手段。除了傳達事實信息之外，知識可視化的目標在于傳輸見解（insights）、經(jīng)驗（experiences）、態(tài)度（attitudes）、價值觀（Values）、期望（expectations）、觀點（Perspectives）、意見（Opinions）和預測（Predictions）等，并以這種方式幫助他人正確的重構、記憶和應用這些知識。

知識可視化的形式復雜多樣，有概念圖表、交互的視覺隱喻、知識地圖、思維導圖等。根據(jù)他們的內容，接受者捕捉的不只是描述的事實或者數(shù)據(jù)，還有里面本身包含的理解、規(guī)律和關系。根據(jù)他們的形式，知識可視化依賴間接的交流來激發(fā)接受者對瀏覽圖片的認識，刺激他們對圖片的完整理解。

2 知識可視化的理論基礎與實質

知識可視化基于人們認知過程中對圖像的敏感性而提出，其主要目的是促進人與人之間的知識傳播。而對于知識可視化的理論基礎，北京師范大學知識工程研究所的趙國慶老師等在國內最早提出了以雙重編碼理論為知識可視化的理論基礎[1]。雙重編碼理論的一個重要原則是：同時以視覺形式和語言形式呈現(xiàn)信息能夠增強記憶和識別。該理論認為，語言系統(tǒng)直接處理語言的輸入和輸出（以書寫和演講的形式），同時充當非語言對象、事件和行為的符號功能，任何表征理論都必須符合這一二重性。該理論假設兩個認知子系統(tǒng)，一個專門用于表征和處理非語言對象（如表象），另一個則專門用于處理語言對象。同時還假定有兩個不同類型的表征單元：imagens和logogens，imagens用于表征心里圖像，logogens用于表征語言實體。logogens是以關聯(lián)層次的形式組成的，而imgeans是以部分-整體關系組織的。雙重編碼理論定義了三種類型的加工：1) 表征性的，語言和非語言的直接激活；2) 調用性的，通過非語言系統(tǒng)及或語言系統(tǒng)或反過來通過語言系統(tǒng)及或非語言系統(tǒng)；3) 聯(lián)合加工，在語言系統(tǒng)內部或非語言系統(tǒng)內部的表征的激活。一個任務可能需要三種加工中的一種和全部。從雙重編碼的理論可以看出，知識可視化降知識以圖解的方式表示出來，為基于語言的理解提供了良好的輔助和補充，大大降低了語言通道的認知負荷，加速了思維的發(fā)生。而在最近的研究過程中，徐州師范大學的王朝云老師等提出了“經(jīng)驗之塔”是知識可視化理論基礎的認識[2]。該理論將學習經(jīng)驗抽象為做的經(jīng)驗（doing）、觀察的經(jīng)驗（observing）、抽象的經(jīng)驗（symbolizing）和學習經(jīng)驗的視覺隱喻（visual metaphor of learning experience），其中做的經(jīng)驗在人的學習和認知過程中處于最基礎的地位，而學習經(jīng)驗的視覺隱喻由于其固有的抽象性處于金字塔的塔尖。

“金字塔理論”專注于從可視化的角度理解和解釋知識以及將知識圖示化和圖表化這一過程的思維和動機，強調了將知識可視化的過程作為人們認知過程中金字塔的形成的過程。而趙國慶老師等主要從認知科學的角度從更廣義的角度提出了對知識可視化的理解，不僅強調了知識可視化過程中可視化知識的生成過程，更強調了這些生成的知識與人交互過程中同人們的認知過程的協(xié)調和相互作用，體現(xiàn)了人-人交互的認知本質。知識可視化的本質是將內隱知識或隱形知識外顯化，將外顯知識生動化。而無論是知識的外顯或知識的生動表示，均是為了更好的促進人們對知識的認識，這一認知過程不僅不僅包含了我們將抽象的知識可視化的過程，更重要的是要考慮如何將知識可視化，以及可視化為何種形式和內容以便于更好的讓人們理解和學習，最終促進知識的傳播。

對于知識可視化的構造者而言，需要依據(jù)認知心理學、人工智能等相關領域的知識確定對知識的表征，并基于知識的表征去聯(lián)系計算機圖形學考慮如何將知識表征用計算機和網(wǎng)絡技術加以表示，形成能夠被更多人接受的知識載體。而對于知識獲取者而言，需要對表征知識的載體形式能夠有一些了解，并能夠在此基礎上加工，形成自己的知識并能夠創(chuàng)造新的知識。由于不同人的認知水平和認知過程的不同，以及知識可視化傳播過程中人們對知識的理解和創(chuàng)新的方向不同，在知識的傳播過程中必將更好的發(fā)揮知識可視化的優(yōu)勢，不斷將知識變的外顯化，更容易被人們理解。

3 知識可視化的研究框架

為了更好的促進知識的有效傳播和創(chuàng)新，我們應該從如下幾個角度考慮知識可視化的實現(xiàn)過程：1) 區(qū)分知識類型，從知識管理文獻的角度將知識區(qū)分為描述知識、程序知識、經(jīng)驗知識、定位知識、個體知識中的一種，并依據(jù)知識的具體內容將知識區(qū)分為圖表表示、圖像表示、視頻表示、多媒體表示等不同的表示方式；2) 確定知識接受者的水平和目的，并選取合適的可視化知識載體形式。例如針對小學生對各類知識的認識，我們主要考慮以多媒體和圖像等容易被兒童認識和接受的手段實現(xiàn)對相關知識的可視化；對于青少年學生，我們除了利用圖像和多媒體手段外，我們也可以引入圖表分析和分析過程圖示透析等方法讓學生能夠從推理過程等方面更好的理解和應用所學知識；而對于成年人，我們除了要考慮它們的只是水平和知識范圍之外，同樣要考慮知識的趣味性和易懂性去考慮知識的組織和可視化的實現(xiàn)；3) 結合計算機知識和人工智能知識確定知識可視化的數(shù)據(jù)結構和形式，并通過機器實現(xiàn)可視化；4)在知識傳播過程中反饋信息并不斷改進，以更好地被知識接受者理解和創(chuàng)新。知識可視化的內容依據(jù)不同的知識受眾群體而在傳播過程中有很大的差異，需要我們在知識可視化過程中關注知識的過程中更多的考慮其中的人—人交互，更好的促進知識的傳播。

4 知識可視化與信息技術發(fā)展

知識可視化技術的發(fā)展，離不開現(xiàn)代信息技術的飛速發(fā)展，同時也為信息技術的應用和推廣提供了更為廣闊的空間。通過人工智能手段去促進和推動知識特征的提取和知識再現(xiàn)，以及在此基礎上利用數(shù)據(jù)挖掘等多種手段促進知識傳播過程中的有效性和高效性的實現(xiàn)，都是信息技術在知識可視化和知識傳播過程中的寶貴應用。同時，知識可視化的過程本身也為信息技術這一類知識的傳播提供了更加有效的手段，只有充分利用信息可視化的基礎，充分利用知識本身的特點和條件，積極推進電化教育等教育技術手段的革新，不斷開拓視野，提高知識傳播效率，才能更為有效的促進知識與信息技術的融合，提高知識可視化的利用效率，拓寬知識可視化的利用范圍。

5 知識可視化的在教育教學中應用

知識可視化在現(xiàn)在的應用中主要有概念圖、知識導圖等方式，以便于只是受眾能夠通過對概念的理解建立自己的認知思路和過程，并通過概念圖的分析理解概念的結構層次和關系。下面以概念圖在授課中的應用簡要分析其在教育教學中的應用：1) 學生預習相關內容并找出相關的概念，根據(jù)自己的理解描述概念之間的聯(lián)系；2) 講授課程內容，并結合相關內容特別提示課程內容中的相關概念；3) 學生根據(jù)上課所講授內容以及自己對課程內容的理解，構建相關內容的概念圖；4) 讓學生之間互相交流他們對所學內容的理解和認識；5)以一個或幾個有代表性的學生所畫概念圖為基礎，教師講解對概念的理解，并鼓勵學生表述自己的理解，拓展學生的發(fā)散思維；6)不斷在復習等階段應用上述方法去體會和理解課程中的概念，建立對整個課程的理解和認識，把握課程的整體框架。教師在應用概念圖引導學生掌握知識框架的過程中，不斷總結和分析學生概念圖的特點，并結合學生認知特點不斷改進方法，引導學生更好的理解和掌握課程知識。

6 總結

知識可視化應用視覺表征手段，促進知識的傳播和創(chuàng)新。其理論基礎是人們在知識認知過程中對圖形圖像的敏感性。我們在知識可視化的過程中不僅要關注知識本身的內容以及知識表現(xiàn)形式，同樣要考慮知識受眾群體的差異而提供有效的知識傳播手段和方法，促進知識的傳播和創(chuàng)新。

參考文獻：

[1] 趙國慶，黃榮懷. 知識可視化理論與方法[J]. 開放教育研究，2005(1):23-27.

[2] 王朝云，王玉龍. 知識可視化理論與應用[J]. 現(xiàn)代教育技術，2007(6):18-22.