知識(shí)可視化在計(jì)算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用策略研究

謝海燕,周潔文

（茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 茂名 525000）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，人類進(jìn)入了一個(gè)嶄新的信息時(shí)代。為了提升青少年的人文素質(zhì)和知識(shí)水平，近年來國家出臺(tái)了關(guān)于深化教育教學(xué)改革的系列文件，對(duì)當(dāng)代教育提出了更高更新的要求。傳統(tǒng)的以教師為中心、教條化、單一化、靜態(tài)化的教學(xué)模式和教學(xué)方法已經(jīng)很難滿足當(dāng)今信息時(shí)代的教學(xué)需求，教育中的教與學(xué)關(guān)系隨之發(fā)生重大變革。如何才能更好地利用信息技術(shù)提高課堂教學(xué)的有效性呢？為此，知識(shí)可視化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。它將傳統(tǒng)的以教師為中心的教學(xué)模式演變?yōu)橐詫W(xué)生為中心的新型教學(xué)模式，學(xué)生可以自主選擇學(xué)習(xí)時(shí)間、學(xué)習(xí)地點(diǎn)、學(xué)習(xí)進(jìn)度，打破了傳統(tǒng)教學(xué)受時(shí)空限制的局面，為新時(shí)期的教育事業(yè)作出了巨大的貢獻(xiàn)。可視化一詞最早出現(xiàn)于1987年2月美國國家自然科學(xué)基金會(huì)的專題研討會(huì)，該詞的出現(xiàn)標(biāo)志著可視化技術(shù)將在國際范圍內(nèi)展開推廣應(yīng)用。

一、可視化技術(shù)簡介

可視化（Visualization）是把一些不可見的、抽象的、難以用語言表達(dá)的事物轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷膱D形或者圖像，它是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)以及圖像處理技術(shù)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或者圖像的形式顯示出來，并且進(jìn)行交互式處理的方法、理論和技術(shù)。它涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖形圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域，是一項(xiàng)用于研究數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)處理以及決策分析等系列問題的綜合技術(shù)。可視化技術(shù)最早運(yùn)用于計(jì)算機(jī)科學(xué)中，時(shí)至今日，可視化技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、航天航空、地質(zhì)勘探以及教育等多個(gè)重大領(lǐng)域。

依據(jù)所處理數(shù)據(jù)的抽象層次的不同，可視化技術(shù)通常被劃分為四種類型，即科學(xué)計(jì)算可視化、數(shù)據(jù)可視化、信息可視化和知識(shí)可視化。可視化技術(shù)為現(xiàn)代教學(xué)活動(dòng)提供了一種從抽象到具體的處理知識(shí)方法。

二、知識(shí)可視化技術(shù)在教學(xué)中具體應(yīng)用

1.知識(shí)可視化的定義

知識(shí)可視化是研究如何應(yīng)用視覺表征手段促進(jìn)群體知識(shí)的傳播和創(chuàng)新的學(xué)科，它是在科學(xué)計(jì)算可視化、數(shù)據(jù)可視化、信息可視化基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興研究方向。2004年7月，M.J.Eppler和R.A.Burkhard從知識(shí)管理的角度和傳播學(xué)的角度提出了第一個(gè)知識(shí)可視化框架模型。該框架模型如圖1所示。

圖1 R.A.Burkhard知識(shí)可視化模型

知識(shí)可視化主要用來建構(gòu)和傳達(dá)復(fù)雜知識(shí)的圖解方式，把抽象化的知識(shí)轉(zhuǎn)化為形象化的知識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)概念的理解力，系統(tǒng)、整體地對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行理解和記憶，從而達(dá)到鍛煉學(xué)生的多元思維、提高教學(xué)實(shí)效的效果。可視化知識(shí)轉(zhuǎn)化過程如圖2所示。

圖2 可視化知識(shí)轉(zhuǎn)化圖

2.知識(shí)可視化工具選擇

在教學(xué)過程中，由于教學(xué)活動(dòng)和知識(shí)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，視覺表征的屬性、結(jié)構(gòu)和形式等方面須進(jìn)行一定程度的改造。為此，可視化教學(xué)視覺表征的建構(gòu)過程中應(yīng)多關(guān)注學(xué)生的思維和學(xué)習(xí)方式的改變，重視視覺表征知識(shí)內(nèi)容的方法策略，即對(duì)可視化工具的合理選擇以及利用可視化工具正確地設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)活動(dòng)。可視化工具是輔助教學(xué)設(shè)計(jì)的工具，在知識(shí)的可視化表示中起到重要的作用。它可以更加直觀地呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)活動(dòng)，為學(xué)生提供推理、操作和交互的表征，增強(qiáng)學(xué)生的理解力和信息素養(yǎng)，提高教學(xué)實(shí)效。

知識(shí)可視化工具大致包括概念圖、思維導(dǎo)圖、思維地圖、認(rèn)知地圖、語義網(wǎng)絡(luò)、啟發(fā)式草圖、知識(shí)動(dòng)畫、知識(shí)地圖、視覺隱喻、虛擬現(xiàn)實(shí)、三維仿真、維恩圖、流程圖、矩陣圖、樹形圖、組織圖、魚骨圖以及各種圖表等。下面重點(diǎn)介紹幾種廣泛使用的工具。

（1）思維導(dǎo)圖

思維導(dǎo)圖又稱為心智圖，運(yùn)用繪圖與文字并存的方式將各級(jí)主題的關(guān)系用圖像、顏色等建立記憶鏈接呈現(xiàn)出來，每一種進(jìn)入大腦的資料都是一個(gè)思考中心，并由該中心向外發(fā)散出眾多與中心主題連結(jié)的關(guān)節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)又可以成為另一個(gè)中心主題，繼而不斷地向外發(fā)散出其他關(guān)節(jié)點(diǎn)，整體呈現(xiàn)出放射性立體結(jié)構(gòu)，協(xié)助人們?cè)谶壿嬇c想象、科學(xué)與藝術(shù)間平衡發(fā)展。該圖具有人類思維的強(qiáng)大功能，注重思維過程的記錄與修改，是用來表達(dá)發(fā)射性思維的工具，在教學(xué)過程中可用于記憶知識(shí)、思考問題以及課堂記錄。

（2）概念圖

概念圖通過使用節(jié)點(diǎn)來表示概念，用箭頭或線條來表示概念之間的層次邏輯關(guān)系，注重知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系，通過不斷地向已有的知識(shí)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)添加新的知識(shí)點(diǎn)達(dá)到完成相應(yīng)概念的學(xué)習(xí)。它能夠幫助教師全面梳理知識(shí)，幫助學(xué)生了解知識(shí)架構(gòu)從而把握一個(gè)概念體系，在教學(xué)過程中可以用于介紹復(fù)雜概念和教學(xué)設(shè)計(jì)。

（3）圖表

圖表是利用表格和圖形直觀地、集中地進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化展示，展示大量的統(tǒng)計(jì)信息以及事物之間的關(guān)系，具有清晰、簡潔明了等特點(diǎn)，視覺渲染效果強(qiáng)烈，能夠?yàn)閷W(xué)生帶來愉悅的視覺感受，是一種非常好的將數(shù)據(jù)可視化的手段。在教學(xué)過程中可以用于顯示數(shù)據(jù)、對(duì)比數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，例如分析作業(yè)答題情況以及分析考試成績情況等。

（4）知識(shí)動(dòng)畫

知識(shí)動(dòng)畫是集繪畫、漫畫、電影、數(shù)字媒體、攝影、音樂、文學(xué)等眾多藝術(shù)門類于一身的藝術(shù)表現(xiàn)形式，給人造成一種流暢的視覺變化效果，具有形象直觀，表現(xiàn)力豐富，融視、聽、動(dòng)覺為一體等特點(diǎn)，是一種動(dòng)態(tài)的、交互式的可視化技術(shù)。知識(shí)動(dòng)畫有極強(qiáng)的感官刺激性，引導(dǎo)學(xué)生的情感得以充分的體驗(yàn)，不僅可以激活學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且可以幫助學(xué)生更好地理解知識(shí)，深受老師和學(xué)生的喜愛，在教學(xué)過程中可以用于描述復(fù)雜的工作過程。

3.知識(shí)可視化交互平臺(tái)創(chuàng)建

交互是指用戶通過自身的動(dòng)作在用戶界面上完成的一系列操作，交互系統(tǒng)在接收到這些操作信號(hào)后對(duì)之進(jìn)行反饋的一個(gè)過程。交互性是可視化技術(shù)的重要特性之一，在知識(shí)可視化中起著重要作用。知識(shí)可視化與知識(shí)類型、交互場景以及交互類型有著密切的關(guān)系。從目前研究情況來看，知識(shí)類型大致可分為直覺知識(shí)、理論知識(shí)、描述知識(shí)、程序知識(shí)（隱性知識(shí)）、經(jīng)驗(yàn)知識(shí)等；交互場景包括文本、圖片、音頻、視頻、動(dòng)畫以及Web交互；交互類型可分為被動(dòng)式、漸進(jìn)式、連續(xù)式以及混合式幾種類型。在既定的學(xué)習(xí)目標(biāo)下，應(yīng)該根據(jù)知識(shí)類型來選擇與之匹配的交互場景、交互類型，這樣才能形成更加完善的交互技術(shù)架構(gòu)。例如，直覺知識(shí)、理論知識(shí)和描述知識(shí)比較適合以被動(dòng)式交互來顯示，學(xué)習(xí)場景可以是一個(gè)靜態(tài)的頁面；經(jīng)驗(yàn)知識(shí)比較復(fù)雜難以用文字描述，適合以混合式交互來顯示，學(xué)習(xí)場景可以是一個(gè)教學(xué)操作視頻；程序知識(shí)具有較強(qiáng)的邏輯性，適合以漸進(jìn)式交互來顯示，學(xué)習(xí)場景可以是一個(gè)連續(xù)的動(dòng)畫。

構(gòu)建交互式平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)知識(shí)可視化的關(guān)鍵技術(shù)之一，在構(gòu)建基于互連網(wǎng)絡(luò)的交互平臺(tái)的過程中，主要涉及的關(guān)鍵技術(shù)有網(wǎng)頁設(shè)計(jì)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、動(dòng)態(tài)腳本技術(shù)、圖形圖像處理技術(shù)、視頻制作技術(shù)、電子課件制作技術(shù)、瀏覽器技術(shù)等。基于互連網(wǎng)絡(luò)的交互平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。該平臺(tái)的主要用途有：（1）為學(xué)生提供友好的資源使用界面；（2）為學(xué)生和教師提供網(wǎng)絡(luò)溝通環(huán)境；（3）為教師提供管理知識(shí)資源界面。

圖3 知識(shí)可視化交互平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)

4.利用知識(shí)可視化進(jìn)行課程設(shè)計(jì)

《服務(wù)器操作系統(tǒng)》是我院計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的專業(yè)核心課程，是為了滿足各企事業(yè)單位對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理與維護(hù)人才的需求而開設(shè)的一門課程，具有較強(qiáng)的理論性與實(shí)踐性。該課程是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的核心，其教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握常見網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的安裝及配置方法以及具備處理簡單網(wǎng)絡(luò)故障的能力。在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，教師基本上是按照教材編寫的順序進(jìn)行教學(xué)，這樣的教學(xué)方法很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也容易造成學(xué)習(xí)過程與工作過程的脫節(jié)。為了解決上述問題，筆者將可視化教學(xué)的理念應(yīng)用于該課程的教學(xué)設(shè)計(jì)中。具體作法是：首先，依據(jù)“基礎(chǔ)到專業(yè)、簡單到復(fù)雜”的原則，將該門課程的所有內(nèi)容通過一個(gè)循環(huán)圖示整理歸納出五個(gè)教學(xué)情境，其內(nèi)容及先后邏輯關(guān)系如圖4所示。通過這個(gè)邏輯關(guān)系圖，學(xué)生可以迅速明白該門課程所涉及的大概內(nèi)容，由此對(duì)該門課程產(chǎn)生總體的印象和期待。其次，為了加深學(xué)生對(duì)將要學(xué)習(xí)的內(nèi)容的了解，從實(shí)際工作任務(wù)的角度對(duì)知識(shí)內(nèi)容通過概念圖的方式進(jìn)行了劃分，知識(shí)結(jié)構(gòu)劃分如圖5所示。通過這個(gè)知識(shí)結(jié)構(gòu)概念圖，可以更加系統(tǒng)地加深學(xué)生對(duì)該課程的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容的了解。最后，為了幫助學(xué)生在課堂外自行研究學(xué)習(xí)，筆者將該門課程的課程標(biāo)準(zhǔn)、教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)課件、實(shí)驗(yàn)任務(wù)、習(xí)題庫等資料制作成數(shù)字化資源，教學(xué)過程中的操作演示錄制成可視化的教學(xué)錄像，每個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作流程及方法制作成可視化的流程圖并發(fā)布到校園網(wǎng)上，為學(xué)生創(chuàng)建了一個(gè)可視化的學(xué)習(xí)平臺(tái)，學(xué)生可以隨時(shí)隨地地瀏覽到課堂教學(xué)資源，從而提高課堂教學(xué)實(shí)效。

圖4 教學(xué)情境邏輯關(guān)系圖

圖5 《服務(wù)器操作系統(tǒng)》知識(shí)結(jié)構(gòu)劃分

三、知識(shí)可視化應(yīng)用效果分析

通過在本校進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐試驗(yàn)及問卷調(diào)查，知識(shí)可視化在教學(xué)過程中的應(yīng)用主要取得了以下效果：

（1）提升了學(xué)生的教學(xué)信息素養(yǎng)和學(xué)習(xí)效能，鍛煉了學(xué)生的多元思維和自我解決問題的能力；

（2）增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的理解力，激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣；

（3）改進(jìn)了傳統(tǒng)單一的課堂教學(xué)方法和手段，課堂教學(xué)實(shí)效得到明顯提高；

（4）打破了傳統(tǒng)教學(xué)活動(dòng)受到時(shí)間和空間的制約，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的教學(xué)；

（5）教學(xué)資源得到了優(yōu)化整合，極大地提高了教學(xué)資源的利用率；

（6）提升了教師在信息時(shí)代下制作和利用教學(xué)資源的水平。

在信息技術(shù)日益發(fā)展的今天，可視化技術(shù)在教學(xué)活動(dòng)中的應(yīng)用已逐漸得到眾多國內(nèi)外教育學(xué)者的關(guān)注。可視化教學(xué)方法克服了傳統(tǒng)教學(xué)模式的單一性、靜態(tài)性，通過利用概念圖、思維導(dǎo)圖、動(dòng)畫演示、人機(jī)交互、虛擬現(xiàn)實(shí)等多種可視化工具，把教學(xué)活動(dòng)中抽象、難以理解的知識(shí)轉(zhuǎn)換成形象、直觀的知識(shí)呈現(xiàn)在學(xué)生面前，達(dá)到知識(shí)可視化的目的和效果。本文從理論方面論證了通過知識(shí)類型選擇合適的可視化工具進(jìn)行可視化教學(xué)的可行性，分析了比較常用的可視化教學(xué)工具的特征，為教學(xué)活動(dòng)中如何選取適合的可視化工具提供了指導(dǎo)，同時(shí)，完善了可視化教學(xué)的體系結(jié)構(gòu)，為可視化教學(xué)的進(jìn)一步研究提供了一定的理論基礎(chǔ)。我們相信，科技的發(fā)展必然帶來交互技術(shù)的進(jìn)步，這將會(huì)對(duì)可視化教學(xué)研究產(chǎn)生更加有利的影響。

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