知識可視化教學法在地理信息科學專業課程中的應用

摘要：知識可視化教學是利用可視化工具將知識進行視覺表征，通過視覺感官更好地激發學生的學習興趣，促進知識有效傳播，進而激發學生的探究欲望，培養創新思維，全面提高課堂教學質量。地理信息科學服務于國土空間規劃、生態環境監測與保護、防災減災與應急事件、農業發展與農情監測等重點領域，將知識可視化教學方法引入地理信息科學教學課堂體系中，運用可視化工具方法對教學內容進行分析處理，打造“以學為本”的創新性教學實施方案，促進理論知識過硬、實踐能力較強的應用型人才培養。

關鍵詞：地理信息科學；知識可視化；知識可視化教學；教學

中圖分類號：G642

2023年，教育部會同國家發展改革委等部委印發的《普通高等教育學科專業設置調整優化改革方案》指出：以服務經濟社會高質量發展為導向，建好建強國家戰略和區域發展急需的學科專業；加強教育系統與行業部門聯動，實現學科專業與產業鏈、創新鏈、人才鏈相互匹配、相互促進；要面向新農業、新生態，服務支撐生態系統治理、新型城鎮化、鄉村建設等戰略需求［1］。地理信息科學是涉及多專業的交叉學科，在地理學、測繪學、計算機科學等學科基礎上，不斷應用智慧遙感、現代制圖、大數據等新技術，廣泛服務于基礎科學研究、生態文明建設、智慧城市、資源開發利用、實時環境監測、防災減災、國防現代化建設等領域［2］。

知識可視化教學法是一種現代化的教學方法，能夠促進知識的吸收、經驗知識的有效傳遞、知識的拓展延伸及創新。將知識可視化教學法引入地理信息科學課程，在一定程度上強化了“以學為本”的思想，且打破了以講授為主的教學方法，從而豐富了學生的認知途徑，降低了學生的認知負荷，最終提高了學生的學習興趣。同時，知識可視化教學法借助視覺表征將知識更快速有效地傳遞給學生，有利于學生將所學知識內化吸收，并推動知識在學生之間的傳遞及創新。筆者認為，將知識可視化教學法應用到地理信息科學專業課程中，能夠促進教學達成理論知識傳授、實踐能力培養及正確價值觀塑造的三維教學目標。

一、知識可視化教學法簡述

“可視化”（Visualization），中文譯為“視覺化、形象化和清楚地呈現”等，是一種將復雜信息轉換壓縮為人類能夠快速認識并加深對信息理解的手段。知識可視化是由馬丁·愛普和雷莫·布克哈德于2004年首次提出并進行了定義：利用計算機等工具，運用視覺表現手法，將數據、信息和知識轉化為視覺器官能夠直觀看到的圖、表、音頻等表示形式，幫助人類快速理解并促進兩個或兩個以上人之間的復雜知識傳遞和創造。可視化強調了數據、信息和知識被整理后的視覺特征表達，而知識可視化更注重知識、信息等經過可視化表達以后內容的傳播和創新，且能夠幫助人們對知識內容進行重構、理解及應用。隨著計算機技術的發展，知識可視化作為一種將抽象知識轉換為圖形圖像的方法和技術也隨之不斷成熟。

國內知識可視化教學法的研究起先關注于可視化教學工具的開發應用，之后逐步擴展到數學、物理等大學理科課程教學中。多項研究表明，教學過程中將教學內容與視覺表征進行整合，教學效果要優于單一的視覺或文本內容呈現［3］。筆者認為，借助知識可視化教學法，能夠幫助學生增強對知識的認知能力、理解知識點之間的聯系，從而建立知識結構并可以從中發現新的關聯、新的知識。

知識可視化教學法并不是可視化方法技術在教學領域的簡單擴展，更重要的是一種教學思維方式的轉變［4］。基于知識可視化的教學過程是以雙重編碼、知識管理、圖式理論、腦科學研究等理論為依據，將復雜的教學素材及知識內容按照一定的邏輯進行整合分析，并將教學過程以平面或三維立體圖等視覺形式表示出來。知識可視化教學法實現了文字表達、圖形設計、師生交流、學生之間傳遞等多個教學過程并行的整合，如概念圖、思維導圖等可視化教學過程，將文字知識形象化、層次化、視覺化，提高了信息傳達的感染力，并增強了教師與學生之間及學生與學生之間信息交流的效率。這樣豐富多樣的教學過程，使得學生積極參與到課堂學習中，提升了學習效果，更有利于學習問題的解決。

二、知識可視化教學法在地理信息科學專業課程中應用的要求

地理信息科學作為一門交叉學科、前沿學科，涉及地理學、測繪學、遙感科學、計算機科學等，內涵龐大豐富。在這種背景下，地理信息科學專業人才的培養既要達到多層次、立體化的專業人才培養目標，又要適應經濟社會和國家快速發展和需求。即堅持“學生中心、產出導向、持續改進”的教育理念［5］，立足于教育為社會主義現代化建設服務的教育方針，以培養“懂專業、熟業務、能創新、肯奉獻”的地理信息科學專業的多功能型人才。基于人才培養目標，將知識可視化教學法應用于地理信息科學專業課程，就需滿足以下要求。

（1）教師素養的提升：教師需要具備一定的地理信息科學專業知識，同時掌握可視化工具的使用技巧。教師應接受相關培訓，以熟練運用各種可視化工具和技術，如：思維導圖、地圖制作工具、虛擬現實（VR）等，只有教師具備這些能力，才能有效地將專業知識轉化為可視化教學資源，提高教學效果。

（2）教學目標的確定：知識可視化教學法促進外顯知識生動化、內隱知識外顯化、構建知識結構、創新知識傳遞等。首先明確教學目標，分析在地理信息科學課程中需要通過可視化工具實現的具體教學目標，比如是為了幫助學生理解復雜專業概念、梳理知識結構、熟練數據分析、提升空間思維，還是為了培養專業實踐實操能力。

（3）教學內容的選擇與設計：地理信息科學專業課程涉及復雜的地理過程及演變、多學科理論知識交叉滲透、地學前沿科學研究、技術性和實踐性操作等。在選擇可視化教學內容時，教師應充分考慮地理信息科學專業課程的特點，挑選出適合用可視化方法呈現的知識點。在設計可視化教學資源時，教師應關注內容的邏輯性和系統性，確保學生能夠通過可視化資源更好地理解知識體系。

（4）可視化工具的選擇：根據教學內容和學習目標選擇合適的可視化工具和軟件，應支持多種可視化形式，以適應不同的教學需求。盡量選擇界面友好、操作簡便的工具，尤其是對于初次接觸可視化工具的學生，工具過于復雜可能會影響使用效果。工具應能提供高質量的可視化效果，幫助學生更好地理解和吸收信息。

（5）教學方法的創新：知識可視化教學法要求教師在教學過程中采用互動式、探究式等教學方法，鼓勵學生參與可視化資源的制作與討論，通過實踐活動如制作地圖、分析空間數據等，既能提高學生的學習興趣，增強學生的實操能力和理解深度，也有助于培養學生的創新思維和團隊協作能力。

（6）教學評價的改革：知識可視化教學法強調過程評價，教師應關注學生在可視化教學過程中的表現，如分析問題、解決問題的能力，以及團隊協作和溝通能力。同時，教師還應結合學生的可視化作品，評價其對地理信息科學知識的理解和應用程度。

綜上所述，知識可視化教學法在地理信息科學專業課程中的應用需要綜合考慮多方面因素，只有當這些要求得到滿足時，知識可視化教學法才能在地理信息科學專業課程中發揮出應有的作用，以實現最佳的學習效果，提高教學質量。

三、知識可視化教學法在地理信息科學專業課程中應用的路徑

（一）以學習為主，知識可視化，強化課程理論教學

知識可視化教學法有助于提高地理信息科學專業教育的教學質量。地理信息科學是一門綜合性學科，涉及地圖學、遙感、計算機科學、環境科學等多個領域，整體專業課程繁雜，理論知識儲備量較大，對學生的認知、理解及記憶能力要求較高。有效的教學需要教師將知識進行處理和轉換，幫助學生正確理解和高效吸收知識。通過知識可視化教學法將知識點以圖像、圖表等形式展示，可以將復雜的地理信息數據、概念和原理以圖像、圖表、動畫等形式展示，使得抽象的知識點具象化、直觀化，如在講解地球構造、地形地貌等抽象概念時，可以制作相關的動畫或視頻，以便學生更加直觀地理解，幫助學生降低認知負荷，從而提高學生的理解和記憶能力，促進知識內化［6］。知識可視化教學法有助于學生更好地理解和記憶地理信息科學的基本概念和原理。

研究表明，視覺記憶是以整合的方式存儲特征。視覺表征形式能夠實現和幫助記憶的信息激活和提取。借助可視化工具進行教學，學生在進行學習記憶時，只需要完成學習內容相關知識的存儲和長時記憶中關聯知識的提取，從而降低學習記憶在知識內容加工方面的負擔。同時，知識化教學法幫助學生在舊知識基礎上建立新知識，使學生更直觀地認識到各知識點之間的聯系，形成知識結構，從而加深對專業知識的理解和記憶。由此可見，在教學中應用知識可視化教學法，能夠幫助學生減輕學習記憶的負荷，改善學生的學習記憶，提高學習效率。

基于可視化教學法的課堂主要圍繞學生開展教學活動，教師由主導者轉變為學生學習的合作者，不斷強化學生對專業知識的理解以及自我探索能力，學生由被動學習轉為主動學習，學習效果更好。除此以外，知識可視化教學法能夠在將龐雜的專業知識有效教授給學生的同時，也將思維、經驗、價值觀等“隱性知識”傳授給學生。

（二）以學生為本，過程可視化，增強教學互動與討論

知識可視化教學法有助于促進地理信息科學專業課程互動與討論。互聯網技術以及多媒體設備的普及為教育教學提供了前所未有的便利。智慧教學環境構建的高度智能化、互動性和個性化教學場所，提供了一個能夠支持教師和學生的教與學活動的環境。在智能教學環境內實施知識可視化教學法，可以創造一個互動性更強、反饋更高效的學習氛圍。地理信息科學專業課程中涉及多個地理現象過程及發生機制，應用知識可視化教學法通過多種互動工具進行展示，如使用虛擬現實（VR）、增強現實（AR）等技術來模擬地理現象和過程，提供更加沉浸式的學習體驗。學生可以通過觸摸屏或VR/AR設備直接與可視化內容互動，仿佛身臨其境于地理環境中，增強學生與知識的互動性，從而更深入地理解和掌握知識。

知識可視化教學法鼓勵教師創新教學內容和方法。教師可以利用在線協作平臺、多媒體制作軟件等，創作新的可視化教學資源，同時，學生可以在云端共享和協作創建可視化資源。鼓勵學生參與可視化資源的制作與討論，如：通過實踐活動如制作地圖、分析空間數據等，激發學生的參與度和興趣，促進教師與學生、學生與學生之間的互動和討論，促進知識傳播和團隊合作。教學過程可視化可以增強課堂教學互動與討論，提高學生的參與度和思考能力，不僅提高了教學質量和學習效果，還為學生的個性化學習和全面發展提供了新的可能性。

（三）以學科為基，深化可視化，促進專業素養培養

知識可視化教學法有助于提高地理信息科學專業實踐操作能力。在地理信息系統操作、遙感技術應用、地圖編制等實踐教學中施行知識可視化教學法，通過可視化工具和軟件展示數據處理、地圖制作、空間分析等環節，可以將實踐操作步驟以流程圖、示意圖等形式展示，使操作過程更加清晰、易懂。學生可以在掌握理論知識的基礎上，通過實踐操作，將知識內化為實際技能。

地理信息科學專業課程注重學生實踐能力的培養，多參與項目業務才能更深入地理解專業知識，不斷提高實踐能力，通過知識可視化教學法，使用工具進行項目式學習和研究，培養學生的綜合分析能力和創新能力，同時掌握學生的學習進度和參與度。教師可以更直觀地了解學生的學習情況和進展，及時調整教學策略。

通過知識可視化教學法，還有助于培養學生的空間思維和空間認知能力。運用知識可視化工具能夠很好地將地理信息科學學科中的碎片化知識做系統處理，從空間區域尺度、時間序列尺度、宏觀到微觀尺度等多維度、多尺度、多層次，通過概念圖、流程圖、思維導圖、結構圖等方式加以可視化呈現，有助于學生培養構建空間結構化思維。

綜上所述，知識可視化教學法能夠在地理信息科學專業課程中發揮重要作用，不僅能夠幫助學生更好地理解和掌握復雜的地理信息科學概念，還能夠激發學生的學習興趣，提高教學效果。同時，這也有助于培養學生的創新思維和實踐能力，培養滿足國家和社會需求的地理信息科學專業人才。

結語

地理信息科學是支撐國家重大戰略發展的綜合性學科，從學科發展、社會服務、產業發展等各個角度都迫切需要地理信息科學專業培養出高質量的專業性、科研型、應用型人才。知識可視化教學法在促進地理信息科學專業人才的專業能力培養方面具有重要意義，將知識可視化教學融入地理信息科學課程體系的教學中，能夠提高學生的學習興趣，進而實現對學科知識的獲取、轉化、內化、應用。通過將知識可視化教學法融入地理信息科學專業課堂中，促進培養出理論知識扎實、實踐能力突出的專業型、科研型、應用型多維度人才。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部.教育部等五部門關于印發《普通高等教育學科專業設置調整優化改革方案》的通知［OL］.

［2］傅伯杰，冷疏影，宋長青.新時期地理學的特征與任務［J］.地理科學，2015，35（8）：939945.

［3］楊季冬.概念圖和思維導圖在化學教學中的比較及運用［J］.現代中小學教育，2015，02（31）：7982.

［4］李祎帆，葉湘虹.知識可視化教學研究綜述［J］.西部學刊，2022，3：138141.

［5］張玉紅，張冬有，臧淑英.專業認證背景下的地理信息科學專業建設的改革與探索［J］.黑龍江高教研究，2020（9）：151157.

［6］李晶，郁舒蘭，劉瑋.降低課堂認知負荷的知識可視化研究［J］.電化教育研究，2017，03（38）：2428+40.

基金項目：新疆維吾爾自治區人才發展基金“天池英才”引進計劃青年博士項目資助；新疆維吾爾自治區自然科學基金資助項目（2023D01B51）

*通訊作者：劉婕（1992—），女，漢族，河南駐馬店人，博士，研究方向：地圖學與地理信息系統。

作者簡介：毋兆鵬（1976—），男，漢族，陜西西安人，博士，教授，研究方向：旅游管理信息系統；趙楓（1973—），女，漢族，河南長葛人，碩士，高級實驗師，研究方向：綠洲可持續發展。