可視化教學生態化發展的知識圖譜分析

鄧烈君　王小根　王露露　范水娣

[摘要]

可視化教學是促進學習者視覺思維和認知過程的重要手段。木研究基于教育學36種CSSCI期刊及15種CSSCI擴展版期刊的所有相關文獻數據，繪制了可視化教學相關研究文獻的牛態化發展知識圖譜，并對其進行了脈絡發展的回顧以及生態現狀的梳理。研究發現，可視化教學研究成果呈指數趨勢增長，經歷了短暫的萌芽期，現處于增長初期階段；形成了以科學知識圖譜、可視化教學設計、知識可視化、數據可視化為主要內容的四個主題，主要知識結構已趨于穩定，同時伴隨有年代熱詞的加入；知識可視化方向的理論研宄與科學知識圖譜方向的綜述研究是該領域信息生命價值最高的研究類型，其他研究尚薄弱。

[關鍵詞]

可視化教學；知識可視化；科學知識圖譜；生態化發展

一、引言

可視化教學（Visual Instruction）研究如何利用圖形圖像、動畫視頻等視覺表征手段以及思維導圖、知識地圖等視覺認知輔助工具，將抽象的教學內容具體化，并經由相應的教學活動內化為學習者認知結構（葉新東，2014）。隨著可視化技術和認知科學的發展，特別是可視化為學習者帶來的“認知殘留”對思維和認知過程的影響，可視化教學已成為促進學習者視覺思維和認知過程的基礎和特殊的手段。

廣義而言，可視化教學伴隨著人類教學媒體的歷史而發展，從前視覺媒體時代的地球儀、地圖、黑板等，到視聽媒體時代的幻燈片、投影，再到網絡媒體時代的新媒體，可視化教學的環境、模式、特性和內涵都發生了變化。如果說前兩個階段的變化漫長而單一，那么第三個階段可謂是“百花齊放、日新月異”，單從學習環境來說，計算機學習、遠程學習、移動學習、混合式學習快速改變著學習者的學習方式，可視化工具的開發及應用幾乎呈爆炸式增長。有學者甚至提出了新發展階段，即多維媒體時代的可視化教學，媒體與認知、網絡與協作相輔相成。從狹義來說，“可視化”作為專業術語最早源于1987年，美國國家自然科學基金會（National Science Foundation，簡稱“NSF”）提出的“科學計算可視化”（趙國慶，等，2005）。本文所說的可視化教學是從科學計算可視化等發展起來的教學手段，是在教學中利用視覺表征方法促進群體知識的傳播和創新（Eppler&Burkard，2010）。事實上，可視化教學研究數量繁多，成果豐富，方向不一，有必要對已有研究進行梳理和分析，探究其研究熱點，理清其演化脈絡，預測其發展方向。

關于生態學（Ecology），德國生物學家Haeckel將其定義為研究生物體與其周圍環境（包括非生物環境和生物環境）相互關系的科學（劉森林，2008），它強調系統各要素間相互作用的規律和機制，其中關于系統、開放、自組織以及動態平衡的哲學意義（彭福揚，2011），不僅是建設生態環境、實現科學和可持續發展的依據，更是人們認識世界的一種思維方式，因此，現代科學發展中出現了“生態化”的趨勢，其實質是對事物整體性、系統性、動態性關系的把握（余嘉云，2006）。面對可視化教學中紛繁復雜的研究成果，以生態化發展的理念對其進行梳理，是一種系統觀、整體觀、動態平衡觀下的綜述。

科學知識圖譜是以知識域為對象、顯示科學知識的發展進程與結構關系的圖像，具有解釋與預見研究領域的理論功能（陳悅，等，2015），是一種以可視化圖譜看世界的方式。從著名哲學家卡爾·波普爾（Karl R.Popper，2005，pp.123-173）三個世界的宏觀哲學理論出發，客觀物理第一世界和人類感知第二世界需相互作用才能形成客觀知識第三世界，而科學知識圖譜，是人類感知第二世界以視覺思維方式分析客觀知識第三世界的文獻從而透視客觀物理第一世界的一種工具，如圖1所示。因此，借助科學知識圖譜分析可視化教學的學科結構及其發展脈絡是與其生態化發展相輔相成的。

二、數據來源與研究方法

中文社會科學引文索引（Chinese Social Sciences Citation Index，簡稱“CSSCI”）由南京大學中國社會科學研究評價中心開發研制，是我國檢索中文社會科學領域論文收錄和文獻被引用情況的重要工具。本研究以中國知網（China National Knowledge Internet，簡稱“CNKI”）為數據來源，選取了教育學36種CSSCI期刊及15種CSSCI擴展版期刊，以“主題=可視化”為檢索條件，時間不限，共檢索到361篇文獻，去除6篇資訊類非學術性題錄，最后得到355篇文獻題錄，檢索日期截至2016年3月15日。

借助文獻引文分析工具CiteSpaceⅢ、文獻題錄分析工具SATI、社會網絡分析工具Ucinet、Netdraw等，對355篇文獻進行了數頻統計分析、作者及其所屬機構合作網絡分析、主題關鍵詞共現網絡分析，以解釋并預見可視化教學研究在教育學領域的學科知識結構。

三、研究結果與分析

（一）生態化發展的歷史回顧

1.文獻數量分布

對355篇文獻按照時間數量進行統計，形成如圖2（1）的可視化圖表，從圖中可以看出，教育學CSSCI雜志中關于可視化的研究文獻最早開始于1996年。1996年到2003年之間年產文獻量均小于5篇，2004年至2010年年產文獻量呈現緩慢增長的態勢。2011年至文獻檢索日期，年產文獻量增長迅速，有快速增長的趨勢。總體而言，可視化研究文獻的數量目前呈指數趨勢增長，這種趨勢就如同自然環境中典型的生物種群數量增長曲線，如圖2（2），a點之前為種群的萌芽期，a-c階段為種群數量快速增長期，c點達到峰值，c-d階段為種群數量的成熟期。可見，目前教育學關于可視化的研究處于a-c階段的增長期。

結合文獻內容分析，可從文獻年產量增長特征中歸納出兩個特點：

第一，可視化作為專業術語應用于教學的年限不長。“可視化”作為教育學領域關鍵詞首次出現于1996年，蔡大用等在“高等數值分析課程改革初試”一文中提到“計算機可視化”，但未對“可視化”做任何解釋與闡述。之后的1998年，吳淑慧發表于《中國電化教育》雜志的“可視化技術概述”一文，首次對計算機“可視化”進行了方法、關鍵技術、工作過程以及建模過程的闡述。2005年，知識點網絡可視化、概念圖算法被提出，“可視化”從學習環境及資源可視化聚焦到知識結構可視化，趙國慶等詳細闡述了“知識可視化的理論與方法”，單篇文獻引用頻次達325次，為知識可視化研究提供了有效的理論基礎。2007年，彭緒梅等首次運用科學計量學中的可視化技術，通過關鍵詞共詞知識圖譜分析了國外創業型大學的研究熱點，科學知識圖譜成為教育學文獻分析的重要方法。

第二，可視化教學研究呈指數增長，目前正處于增長期。1996年至2003年“可視化”教育研究文獻數量增加不大，2004年至2010年增長緩慢，2011年至今增長開始加速。如果說20世紀末至21世紀初期，可視化教學經歷了短暫的萌芽期，那么21世紀初期至今，可視化教學進入增長期階段。隨著未來可視化技術的發展，可視化教學研究會繼續發展并成為教育學領域的研究熱點。

2.關鍵詞共現時序分布

對355篇文獻的關鍵詞及其時序進行統計分析，抽取詞頻排列前100的關鍵詞生成共現時序矩陣，導入Netdraw中，生成關鍵詞共現時序分布知識圖譜，如圖3所示。圖中黑色方塊代表時間節點，灰色圓圈代表關鍵詞節點，關鍵詞節點與時間節點間有單向箭頭連線，代表關鍵詞共現的時間，如“可視化教學”節點指向“1999年”、“2013年”和“2014年”，表示“可視化教學”作為高頻關鍵詞首次出現于1999年，后又出現于2013年和2014年。

從圖中可以歸納出兩個趨勢：

第一，可視化教學研究的關鍵詞突現概率呈正態分布。2011年之前，1999年和2002年分別突現了一個高頻關鍵詞，而后從2004年的2個突現關鍵詞迅速增加到2011年的23個，達到突現頂峰。2011年之后，突現關鍵詞逐年減少并呈現出穩定突現的趨勢。這種從大幅增加到逐漸減少的正態分布態勢與文獻年產量的發展態勢相一致，2011年可謂“可視化”教育研究中的關鍵節點。

第二，可視化教學研究的主題趨于穩定，同時伴有年代熱詞的加入。2011年之前突現的關鍵詞如“可視化教學”“知識可視化”“信息可視化”“數據可視化”“概念圖”“知識圖譜”等均在2011年之后大量被引用研究。2011年之后，隨著新視角與新技術的變遷，如“教育大數據”“學習分析”“微課”等也跨入“可視化”行列。

（二）增長期生態現狀分析

1.作者及其所屬機構合作網絡分析

對文獻的作者及其機構統計分析，由CiteSpaceⅢ生成混合網絡知識圖譜，如圖4所示。

從發文頻次上看，遼寧師范大學教育學院24篇，發文最多，其次為發文23篇的南京師范大學教育科學學院以及發文22篇的華南師范大學教育信息技術學院。另外，華東師范大學教育信息技術學系、河南大學教育科學學院、河南大學現代教育研究所、清華大學教育研究院、陜西師范大學教育學院、華中師范大學信息技術系、東北師范大學計算機科學與信息技術學院、安陽師范學院教育信息技術與傳媒學院發文均超過1 1篇。其中，河南師范大學趙慧臣發表論文21篇，成為發文最多的作者，遼寧師范大學潘黎發文19篇位居第二，河南大學蔡建東和華東師范大學顧小清均發文16篇并列第三，侯建華、趙蔚、趙國慶、蘭國帥、杜華、魏順平、黃榮懷等均發文10篇以上。可見，可視化教學研究的主要單位為師范類大學或具有教育學科優勢地位的高校，可視化教學是教育技術領域學者的研究熱點。

2.高影響力文獻分析

文獻的被引用次數是該文影響力和認可度的重要標志。對當前文獻被引用頻次進行排序，列出排名前10位的文獻，如表1所示，可以發現可視化教學高影響力論文主要是理論類和綜述研究類文獻。其中，5篇文獻是關于知識可視化的理論探索，3篇文獻是關于可視化教學環境建設，2篇文獻是關于文獻計量可視化綜述，而實證研究類文獻還未進入高影響力前列。我們知道，科學發展特別是科學知識體系的發展，總是在“事實-理論-新的事實-新的理論……”這樣的模式中不斷繼承和創新的，可視化教學的發展也正如此。結合表1可知，可視化教學在“知識可視化”方面已經獲得了諸多理論成果，但其在實踐中的應用仍處于探索階段，這也呼應了前文“可視化在教學中的應用處于增長初期”的推論。

3.研究主題分布

對文獻的關鍵詞進行統計分析，抽取詞頻排列前60的詞生成共現矩陣，導入Netdraw中，生成關鍵詞共現網絡知識圖譜，如圖5所示。通過其聚類分布情況，發現教育學對于“可視化”的研究主要集中在四個維度：科學知識圖譜、可視化教學設計、知識可視化以及數據可視化。其中，每個維度代表關鍵詞及其詞頻分別為：科學知識圖譜維度包括知識圖譜（46）、研究熱點（22）、可視化分析（20）、社會網絡分析（18）、共詞分析（12）；可視化教學設計維度包括教育技術（10）、MOOC（9）、教學設計（9）、移動學習（7）、協作學習（6）；知識可視化維度包括知識可視化（35）、概念圖（14）、視覺表征（10）、思維導圖（6）、本體（5）；數據可視化維度包括信息可視化（10）、學習分析（8）、數據可視化（5）、數據挖掘（4）、大數據（3）。

第一，科學知識圖譜在前沿與熱點研究中具有解釋與預見的理論功能。由關鍵詞共現網絡可知，科學知識圖譜維度的關鍵詞共現網絡較集中，包括1侶篇相關文獻。科學知識圖譜作為一種研究工具，主要通過可視化方法展示科學知識的發展進程與結構關系。教育技術學引入科學知識圖譜，可形象地描繪教育技術學領域知識結構與發展脈絡，是研究生教學及科學研究的重要工具。圖譜顯示，目前該領域利用科學知識圖譜研究的熱點主題包括（其中將相似關鍵詞擬為同一熱點）“MOOC”（包括“慕課”“大規模在線開放課程”等）“移動學習”（包括“m-learning”）“知識可視化”（包括“知識結構”“思維可視化”等）“高等教育”“高等教育管理”“教學設計”“遠程教育”“翻轉課堂”“協作學習”（包括“CSCL”）“創客空間”（包括“創客教育”“創業教育”等）“游戲化學習”“學習者模型”“平臺”“動畫技術”“學習評價”“電子書包”“混合學習”“教師專業發展”“終身學習”“大學文化”等。

第二，可視化教學設計重點關注學習者的認知及知識建構。計算可視化是最早應用于教育領域的相關技術，通過文獻內容分析可知，可視化教學設計側重從學習者認知方式及知識建構的角度出發，為學習者構建可視化教學環境、實施可視化教學策略和教學活動，提供可視化教學工具和資源。

可視化教學環境層面，李妍（2005）通過對美國CoVis項目的解讀，認為可為學習者建構可視化協作學習環境，包括選取開放性探究主題、構建可視化學習工具、開發協作互動學習平臺、建立遠程導師數據庫、提供可視化資源等。此后的可視化教學研究主要依從教學環境的主要要素：可視化教學策略和教學活動、可視化教學工具、可視化學習內容和教學資源、可視化教學網絡平臺等。隨后興起移動學習的浪潮，李亞男等（2013）強調了移動學習過程中的知識傳播和同伴交互作用，并提出可視化移動學習環境中的關鍵技術：知識結構可視化導航技術、可分享的可視化協作工具以及基于學習對象的學習伙伴推薦技術。之后，可視化資源導航、可視化協作工具也成為可視化教學環境中的研究重點。

可視化教學策略層面，林九如等（1999）針對機械操作中的動作技能知識提出可視化教學法，包括電化教學法、現場教學法、實驗法、模型演示法、計算機輔助教學法（Computer Aided Instruction，簡稱“CAI”），并認為將CAI課件應用于教學過程可以提高學習興趣、促進理解以及計算機操作能力。針對閱讀與寫作中的文本知識，馬蘭等（2004）根據美國當代教育心理學家威特羅克（M·C·Wittocrk）提出的生成學習模式，即動機、注意、記憶和生成，分析了生成學習模式構建文內聯系和文外聯系的特點，介紹了類比、畫圖、列標題等相關策略，并提出可視化圖形使思維過程外顯可觀，知識生成迅捷牢固，促進知識遷移。

可視化教學工具和資源層面，陳述性知識的可視化教學研究占90%以上，主要側重知識呈現、結構分析以及過程模擬，其中還原知識本源的概念圖、文字云圖、知識地圖等占60%，反映概念、命題關系的思維導圖等占23%，模擬仿真反映事物本質與過程的visualEyes等占9%，其他綜合類工具占8%，如表2所示。它們成為可視化教學中的重要支持工具和學習資源，對學生成績、認知技能以及學習情感均產生積極影響。而在資源建設中，除了視覺化資源本身外，基于資源迷航等網絡環境中獨有的問題，資源深度聚合、可視化導航以及個性化推薦迅速成為研究熱點。余勝泉等（2009）在聯通主義理論指導下，提出了基于學習元的資源組織形式，并以標簽形式實現了資源的可視化聚合。黃濤等（2015）將“知識地圖”“本體”“知識元”等引入資源的組織中，通過知識地圖實現了可視化資源導航與檢索，以及基于認知缺陷的個性化資源推薦。姜強等（2015）受認知負荷理論和資源有限理論的啟發，從不同學習風格出發，研究了視覺型、聽覺型、讀寫型和動覺型對資源類型的偏好，設計實現了基于學習風格的多媒體資源適應性推送和序列可視化。

第三，知識可視化研究的信息生命價值逐漸增高。知識可視化作為在科學計算可視化、數據可視化、信息可視化基礎上發展的新興研究領域，以其同時以視覺形式和語言形式呈現信息的理論特點，能夠更大限度地連接人腦認知模式，增強認知、記憶與理解。結合表1，統計其中5篇關于知識可視化文獻年被引率，如圖6（1）所示。發現5篇文獻被引用量正逐年增加，這種趨勢符合信息生命周期理論（索傳軍，2010）中關于“網絡信息創建后要經歷萌芽、增長、成熟、老化甚至死亡的生命過程”的描述，而且從趨勢圖看，知識可視化理論研究的信息生命價值逐漸增高，可見這種視覺認知與語詞語義的雙重優勢使“知識可視化”成為教育學研究的重要方向。

知識可視化作為認知心理學與人工智能研究的橋梁，涉及多學科理論與方法，存在多研究視角和取向。如趙國慶等（2005）傳播取向的知識可視化研究，他認為知識可視化的本質是通過視覺表征從而促進知識的傳播與創新。在之后關于“知識可視化”定義的研究中，趙國慶（2009）認為知識可視化不僅是一個研究領域，而且是一門新興學科，目的在于研究如何應用視覺表征改進兩個或兩個以上之間復雜知識創造與傳遞。顯然，這種取向強調以圖解和概念的手段表征知識，著重知識的呈現，常用的表現方式包括概念圖、思維導圖等。之后，權國龍等（2016）認為，關于視覺文化的研究屬知識可視化研究的范疇，在學習過程和學習資源的開發與建設中，視覺元素在理論上具有指導性作用，視覺符號中的實體、抽象物、符號結構和意義與知識表征中的要素一致，是知識可視化研究中一種獨特的視角，這種視覺文化視角下的知識可視化注重藝術哲學和多元審美，在課件、教學視頻、教育游戲等中都有體現。

在知識可視化理論與方法的指導下，可視化工具的開發和教育應用也在逐步探索中，伍國華等（2011）研究發現，在指導學習條件下，小組協作具有最優的教學效果，且不論是單獨學習還是小組協作學習，步驟圖比概念關系圖的效果更優。同時，相對于網絡課堂，概念圖、思維導圖等可視化工具在傳統課堂上使用的效果更好。權國龍等（2015）通過對遠程協作學習的實證研究發現，影響圖示工具使用的主要因素是任務相關性、計算機自我效能感、感知易用性和感知有用性。

第四，數據可視化依托于在線教育中的有效數據。數據可視化是在大數據的背景下，借助圖形圖像讓用戶直觀了解數據本身，分析可視化數據背后的信息價值，以“揭示趨勢、探索來源、獲取新知”。在教育領域，數據可視化主要應用于兩個層面：教育數據挖掘與學習分析。

教育數據挖掘是通過學生管理系統、在線學習平臺和課程管理平臺中關于學習者學習行為、學習成績、學習情境以及個性特征等數據，發現學習者學習效果與學習內容、學習資源和教學過程間的關系，以預測學習者學習趨勢的技術和方法。目前，關于教育數據挖掘的研究主要集中在三個方面：①呈現。以可視化直觀形式揭示現象，如通過圖形圖像展現整個學習領域的現狀。②預測。以多因素變量預測相關變量的發展，如通過學習者學習過程、個性特征、學習偏好等數據預測學習成績，并為其提供預警。⑧聚類。將海量無序對象聚類為相關性維度，如有研究者通過學習者不同風格和偏好，將學習者聚類為不同群體，以為其進行適應性資源推送；另有研究者通過資源的知識結構，將資源聚類導航，以方便學習者檢索。

學習分析以學習者為中心，通過分析學習者學習過程、學習表現的相關數據，對課程、教學和評價本身進行調整，以促進更有效的學習。學習分析與教育數據挖掘的區別在于教育數據挖掘更側重數據本身的聚類、模型的構建從而找出數據背后隱藏的有效信息，而學習分析更側重通過學習者的過程性數據分析學習績效，從而對課程內容、教學策略進行規劃整理，個性化資源推薦就是其中一個重要的研究方向。

四、研究結論與啟示

首先，從生態化歷史發展的脈絡來看，可視化教學研究呈指數發展趨勢，在短暫的萌芽期（20世紀末至21世紀初）后，可視化教學研究正處于增長初期（21世紀初至今），并在不斷演變過程中逐步形成了以科學知識圖譜、可視化教學設計、知識可視化、數據可視化為主要內容的四個橫斷面，其知識結構已趨于穩定，并同時伴隨年代熱詞的加入。

其次，從增長期的生態現狀來看，師范類大學或具有教育學科優勢地位的高校及其教師團隊成為可視化教學研究的重鎮，知識可視化方向的理論研究與科學知識圖譜方向的綜述研究是該領域信息生命價值最高的研究類型，實證研究尚待提高。

最后，可視化教學研究的四個橫斷面主線明確且交叉發展。其中，對于科學知識圖譜的研究主要集中于主題熱點的發現；知識可視化研究集中于概念圖、思維導圖等對學習成效的影響，這種成效又經常與教學策略的影響相結合，如協作學習、獨立學習等；數據可視化研究集中于數據挖掘和學習分析兩個層面；可視化教學設計研究相對分散，主要著重于移動學習、翻轉課堂、智慧校園等多維學習環境的構建。

可視化教學研究的生態化發展及脈絡分析對其今后的發展具有預見與指導意義。第一，科學知識圖譜作為文獻計量分析及可視化的重要工具，在研究學科知識演變規律、熱點發展的過程中具有解釋、預見世界的理論功能；第二，知識可視化可向多元視角發展，如傳播視域下的知識可視化注重視覺表征過程中的認知規律，重點研究對象包括概念圖、思維導圖、語義地圖等，視覺文化視域下的知識可視化注重美學要素，重點研究對象包括各種多媒體教學資源；第三，可視化資源聚類導航成為教學資源設計中知識服務的新途徑，隨著網絡學習資源從整合到聚合的發展，利用語義標簽、知識地圖、知識元等對資源進行可視化聚類在各類網絡平臺中得到應用，其與個性化資源推薦的結合使得網絡學習資源在社會網絡中更加聯通；第四，數據可視化依托大數據的背景，海量數據以及有效數據的獲得成為學習分析與數據挖掘過程中最大的障礙，因此，網絡學習過程數據的記錄系統越來越重要，數據的客觀性、準確性以及代表性是學習分析有效性的保證。