知識可視化在教育中的應(yīng)用與展望

張慧琳

（東華大學媒體1802，上海 200050）

引言

“為什么老師講了很多遍，學生還是搞不懂？”“為什么學生花了許多時間，可依舊學不好？”無論是在家里還是在學校，幾乎每天我們都可以看到在“教”與“學”中痛苦掙扎的人。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和“互聯(lián)網(wǎng)+”概念的不斷深化，“互聯(lián)網(wǎng)+教育”稱為熱門話題，人們在不斷探索 “怎樣才能幫助教師更有效地教”“如何才能幫助學生更高效地學”地過程中，知識可視化這一個新興研究領(lǐng)域應(yīng)運而生，基于科學計算、數(shù)據(jù)、信息可視化基礎(chǔ)上發(fā)展起來，促進群體知識的傳播和創(chuàng)新，人們對于它未來的發(fā)展充滿了期待。

一、知識可視化的概念、特點和意義

（一）知識可視化的概念

趙慧臣認為，知識可視化是能夠用來構(gòu)建、傳達和表示復雜知識的圖形手段，通過視覺表征的形式幫助人們重構(gòu)、記憶和運用知識，促進知識的傳播與創(chuàng)新。這種視覺表征與其他視覺表征過程的最大區(qū)別在于，知識可視化的視覺表征形式的認知特點[2]。

知識可視化的定義揭示知識可視化的實質(zhì)在于利用表征手段將內(nèi)隱的和隱性的個體知識轉(zhuǎn)化成能夠直接作用于人的感官的( 能夠觸摸到、看得到、聽到或操作的) 外顯知識，并因形象生動而利于知識信息在人與人之間的傳播和接受。[3]

（二）知識可視化的特點

1.形象性：我國著名學者錢學森在《系統(tǒng)科學、思維科學與人體科學》一文中談到，“形象思維與抽象思維都是科學研究中不可缺少的思維手段，我們以前對抽象思維研究較多，而對形象思維則缺少認識”。他還明確指出，形象思維學應(yīng)是思維科學中三大基礎(chǔ)科學之一，必須給以足夠的重視。可見，形象性是知識可視化的首要特征。[10]

2.自主性：信息技術(shù)的發(fā)展使教學越來越依賴網(wǎng)絡(luò)，課堂教學正悄悄地“以教為中心”轉(zhuǎn)向“以學為中心”，其目的是跨越虛擬世界和實體世界的鴻溝，使電腦與人腦實現(xiàn)虛實融合，拓展和延伸人腦的知識容量，獲取自己想要的東西。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，教師不再是知識的傳授者，而是教學的組織者和協(xié)調(diào)者。這不但拓寬了學生的視野，提高了教學的效率，擴充了教材的意義，而且鍛煉了學生自主學習的能力。[10]

3.陶冶性：可視化作為重要的信息載體，呈現(xiàn)形式豐富多樣，它不僅對文字敘述進行補充和說明，而且是一種認知的“藝術(shù)”，具有審美性。此外，在課堂教學中運用可視化技術(shù)來展開交流和討論，其目的不止于促進兩個或兩個以上人之間的知識傳遞和創(chuàng)造，還有利于激發(fā)人的情感。在可視化的課堂對話中，學生的思維處于開放、自由和興奮狀態(tài)，往往會表現(xiàn)出積極、主動、活躍的行為，在表達自己的認知感受時不由自主地會帶有情感因素。可見，將知識可視化的審美性和情感性結(jié)合起來，就具有陶冶性情的功效和魅力。[10]

4.創(chuàng)造性：重視對學生視覺思維能力的培養(yǎng)和訓練，并科學地運用視覺思維及其意象的創(chuàng)新功能，這是教育工作者的責任，也是當前課程教學變革的重點。另一方面，通過可視化的手段可以放大知識建構(gòu)的細節(jié)，提高知識傳遞的效率，開拓知識的研究領(lǐng)域，計算機程序的開發(fā)和應(yīng)用為知識的再組織和再建構(gòu)提供了廣闊的舞臺，直觀的圖形知識使學生能在短時間內(nèi)抓住知識的關(guān)鍵點和獲取圖形文本的整體意圖，從而推動思維快速地運轉(zhuǎn)，可以說知識可視化為學生潛在創(chuàng)造力提供了某種可能。[10]

（三）知識可視化的意義

1.視覺是接受信息的重要通道

戴菲兒幻想秦川會一心一意地守著她，直到她死去。為此她加倍取悅秦川補償秦川，她認為即使她是一條狗，秦川也會被感動。直到秦川帶回一個叫做艾莉的妖里妖氣的女孩，戴菲兒才相信，之前秦川對她的愛和依戀，全都是假象。玩偶只是玩偶，玩偶只配為男人的器官活著。

大量的實驗證明, 人類在接受的信息中, 通過視覺獲得的占 83%, 聽覺占11%,嗅覺占3.5%, 觸覺占1.5%, 味覺占 1%, 這說明視覺是人們接受信息的主要通道。當代生活或文化中方方面面都要求某種程度的視覺性和視覺效果，無處不在的視覺化掃蕩了一切領(lǐng)域和傳統(tǒng)規(guī)則, 把可視性凸現(xiàn)了出來。這種難以抗拒的視覺化趨勢, 在相當程度上表明 :我們用以表征、理解和解釋世界的方式越來越呈現(xiàn)出圖像化的特征, 視覺經(jīng)驗具有越來越重要的作用。利用可視化技術(shù)可以將抽象的事物或過程變成利于被人們接受和認知的圖形圖像, 大大有利于知識的理解和傳播。[5]

2.降低認知負荷，提高知識傳遞效率

任何一種新技術(shù)的發(fā)明和運用 (感覺的延伸 )都改變著我們思想和行為的方式,即我們感知世界的方式。同樣的內(nèi)容, 不同的呈現(xiàn)方式, 會帶來完全不同的效果 。比如教學, 同樣內(nèi)容不同老師授課, 同一老師同樣內(nèi)容以不同方式授課, 所取得的效果肯定是不同的;口耳相傳的教學方式與在現(xiàn)代教育思想和教育理論指導下、且有多媒體支持的教學方式肯定也是不同的。由此可見, 外在呈現(xiàn)方式是如何重要的影響著知識內(nèi)在內(nèi)容的認知, 理解和傳播, 甚至決定著內(nèi)在內(nèi)容的生存質(zhì)量與發(fā)展方向。[4]

二、知識可視化工具及設(shè)計方法

（一）知識可視化工具

1.知識地圖

知識地圖又叫作認知地圖、概念地圖認知地圖，最早由英國情報學家布魯克斯提出，他表明：“知識地圖是按照知識的邏輯結(jié)構(gòu)找出人們思維相互影響的鏈接點，把鏈接點像地圖一樣標示出來，展示知識的有機結(jié)構(gòu)圖”。現(xiàn)在很多企業(yè)或者組織中應(yīng)用知識地圖來搜索導航和培育評估，提高工作運行效率。 在智慧教育中，知識地圖可以當作一種知識管理工具，具有導航的功能，用來組織微課，描述各個知識點之間的關(guān)系，以可視化的方式呈現(xiàn)知識結(jié)構(gòu)。

知識地圖在智慧教育的要求下作為智能化的知識導航和管理工具可以以可視化的方式清晰地展現(xiàn)各個知識點之間的聯(lián)系，統(tǒng)籌安排學習資源，并具備智能推薦、個性化等多重特征，應(yīng)該大力推廣和應(yīng)用。[1]

2.詞云

詞云也叫文字云， 是一種簡單的知識可視化方式，是圖示和文字的結(jié)合，這個概念由美國西北大學新聞學副教授里奇·戈登提出， 他認為詞云就是對網(wǎng)絡(luò)文本中出現(xiàn)頻率較高的“關(guān)鍵詞”予以視覺上的突出，形成“關(guān)鍵詞云層”或“關(guān)鍵詞渲染”，從而過濾掉大量的文本信息，使瀏覽者對文本的主要內(nèi)容一目了然。

在教育教學中，媒體資源的形式多種多樣：音頻、視 頻、圖片，但是最不可缺少的還是文字文本。 詞云可以將文字知識以圖形化的方式呈現(xiàn)出來，以豐富的圖形或者圖像來解釋以文本為載體的知識內(nèi)容，尤其是一些無法用動態(tài)圖像等其他形式表示的科學性學術(shù)性文章，以不同的顏色標注不同的詞，不同的大小代表文本中詞語出現(xiàn)的頻率高低，單詞出現(xiàn)的頻率越高越能代表其重要程度，讓學習者快速抓住文章主旨。[1]

3.3D技術(shù)

在學習環(huán)境發(fā)生巨大變化， 學習方式發(fā)生徹底革新，學習資源如此豐富的智慧教育背景下，基于二維的平面圖像已經(jīng)不能滿足學生對于知識的表現(xiàn)形式的需求，他們需要更震撼精細的視覺感受，讓他們更親密地接觸領(lǐng)悟知識，讓知識不僅僅是“可視”還要“可感”“可 觸”“可聽”，這是一種“沉浸式”的知識可視化形式，可以促進學生對知識的創(chuàng)新和遷移。 基于三維空間的 3D技術(shù)及 3D 數(shù)字化教學資源能完整展現(xiàn)三維空間上的概念，將知識內(nèi)容立體化，讓學習者猶如身臨其境，對于激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，鞏固學生記憶，提高學生效率都大有裨益。

這種知識可視化形式為學習者提供了立體、直觀的學習內(nèi)容和教育場景，無論是VR 還是AR 技術(shù)，都是在為學習者打造多維的學習環(huán)境，基于三維立體空間將知識具體化、生動化、可視化。[1]

4.思維導圖

思維導圖是提高學習者發(fā)散思維的有效途徑。它最初是由 Toni Barzun創(chuàng)造的，是一種記筆記的方法。這種工具應(yīng)用于生活的各個方面，尤其在教育中，一線教師非常重視這種工具的使用并培養(yǎng)學習者的運用意識，學習者通過這種方式，不僅可以使自己的思路變得清晰，進而加深對知識的理解和記憶，而且會逐漸形成這樣的發(fā)散思維，對以后解決生活的各種問題都有很大的益處[4]。

5.概念圖

概念圖是由著名的教育心理學家、美國康奈爾大學教授約瑟夫?D?諾瓦克基于奧蘇泊爾的同化理論提出的一種增進理解的教學技術(shù)。具體是通過表示概念與概念之間關(guān)系的圖示來組織和結(jié)構(gòu)化知識，從而幫助學習者學習。在諾瓦克提出的概念圖中，包括“概念、命題、層級結(jié)構(gòu)和交叉連接”這四個核心要素。

因為一個單獨的概念無法告訴我們?nèi)魏涡畔ⅲ窃谝饬x學習的過程中，可以通過概念圖中反映出的“概念和命題”的層級關(guān)系來判斷學習者的認知結(jié)構(gòu)，而且在概念圖中展示出的“交叉連接”可以引發(fā)新的創(chuàng)新性見解。運用概念圖進行教學，它不僅可以用來培養(yǎng)學生邏輯性思維和學習技能，還可以幫助學習者了解單個思維是如何組合成為思維整體的。[7]

6.Metafora平臺

Metafora可視化學習平臺的設(shè)計理念是利用可視化圖示方式，通過帶有小組規(guī)則和語義的圖形表征協(xié)作過程中的一般規(guī)律，為協(xié)作學習場景提供過程性的工具支持，促使學生在科學課或數(shù)學課中進行協(xié)作探究式的學習，其中主要包括“計劃工具(Planning Tool)”和LASAD工具。

它與以往的可視化工具不同，它的特色在于這些可視化圖標可以用來表征問題解決過程中涉及環(huán)節(jié)和步驟的語義，使得問題解決的具體環(huán)節(jié)和步驟能夠顯性化。通過這種對小組問題解決過程進行模擬，不僅可以促使小組成員了解問題解決的進展，為指導后續(xù)問題解決的計劃提供顯性支持；還可以讓小組成員形成類似的問題解決過程的思考模式和規(guī)則，有利于在其他問題情境中順利找到問題解決的思路和方法，從而提高學習效率和創(chuàng)造性。[7]

（二）知識可視化教學設(shè)計方法

知識可視化技術(shù)的發(fā)展，離不開現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，同時也為信息技術(shù)的應(yīng)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(chǔ)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(shù)在知識可視化和知識傳播過程中的寶貴應(yīng)用。[6]

在可視化教學應(yīng)用中，我們設(shè)計高度互動的教學方法。我們嘗試在課堂中廣泛應(yīng)用現(xiàn)實生活中的可視化素材，靈活應(yīng)用知識可視化軟件，努力通過詳盡的圖形框架,將學生學習過程可視化。我們也一直面向眾多的專業(yè)教師，訓練他們的可視化教學能力。

一般情況下，在設(shè)計可視化教學方法時，我們應(yīng) 該關(guān)注以下問題:1 )在學科教學中，學生已經(jīng)知道了哪些知識?我們?nèi)绾螌⑺麄円延械闹R可視化?2)在學生現(xiàn)有知識水平上，他們還需要學習什么?我們?nèi)绾螌⑦@些知識可視化，以滿足他們的需求?3)在具體的可視化方法中，我們?nèi)绾尾拍苡行У貍?播和構(gòu)建知識?怎樣傳播是什么(know-what)的知 識，呈現(xiàn)怎么樣( know-how)的知識?怎樣通過視覺故事，講述為什么( know -why)的知識? 4)學生如何 借助可視化手段,開展專業(yè)學習? 5)我們?nèi)绾我越换シ绞綔y試和評估學習進度，并以可視化形式為他們提供學習反饋?[8]

可視化教學設(shè)計有以下三個主要特征：其一，可視化教學設(shè)計就是通過畫圖找邏輯關(guān)系，更多地體現(xiàn)了直覺分析的方法；其二，可視化教學設(shè)計可以簡化設(shè)計結(jié)果表述的方式； 其三，可視化教學設(shè)計是一種深層次加工處理教學信息的過程，是對簡單文字描述的提煉和概括，更有利于指導教學方案的執(zhí)行。[9]

針對大學生課堂知識獲取過程中大腦對信息解碼能力的有限性，可以通過調(diào)節(jié)設(shè)計負荷降低可視化教學中的認知負荷。為了避免“冗余效應(yīng)”，可以通過顏色、紋理和透明度編碼降低外在認知負荷，減少無關(guān)信息的凸現(xiàn)程度、避免界面呈現(xiàn)的冗余性。圖形編碼可以通過工作記憶中的視覺表象加工獲取比文字加工更快的速度。形狀編碼通過調(diào)節(jié)知識的覺察程度、分辨力和可理解性降低認知負荷。多媒體人機界面中，視覺復雜性通過影響大學生的認知復雜度，可以作為評價內(nèi)在認知負荷的一個指標。因此，布局、方向和位置作為調(diào)節(jié)外在認知負荷的編碼因素，影響識別績效。借助于可視化結(jié)構(gòu)的指導，可以有效建立“心智模型和圖式”，應(yīng)促進材料和學習者之間的交互和關(guān)系。[13]

三、結(jié)語

人們從未停止過對“如何教”“如何學”的探索，知識可視化是人們在探索道路上邁出的一大步。從相關(guān)概念的誕生到現(xiàn)在，人們在日常教學中實踐著知識可視化的方法并且不斷創(chuàng)新改進。人們掌握了許多實現(xiàn)知識可視化的技術(shù)手段，同時也提出了很多新的構(gòu)想豐富其內(nèi)涵。知識可視化涵蓋的范圍十分廣泛，相信隨著科技的進步與革新，知識可視化會在教育教學活動中的重要性會進一步提升，迎來更大的發(fā)展，同時也會不斷進步，適應(yīng)社會發(fā)展需要，讓人們更愉快更輕松地掌握知識。