知识可视化在计算机教学中的应用

姜世华陈新红梁鹏

(1．哈尔滨师范大学，黑龙江哈尔滨150025;2．牡丹江医学院，黑龙江牡丹江157011)

知识可视化在计算机教学中的应用

姜世华1陈新红2梁鹏1

(1．哈尔滨师范大学，黑龙江哈尔滨150025;2．牡丹江医学院，黑龙江牡丹江157011)

在现代教学活动中，知识可视化的运用得到越来越多的重视。在分析知识可视化相关概念的基础上，结合日常教学活动中的实例，提出知识可视化应用于计算机教学中的具体策略。

知识可视化;计算机教学;可视化应用

知识可视化不但可以更好地传递和呈现教学信息，还可以帮助学生把教学信息通过重构转换为自己;不但可以传递显性知识，还能传递隐性知识;不但可以创建知识，还可以帮助学生进一步协作。因此，研究知识可视化在教学活动中的运用策略，可以发掘出其在教学领域的潜力，改进现有教学方法的不足，并为后续教学应用提供可靠参考。

一、知识可视化简述

(一)知识可视化的定义

知识可视化是一个新兴的研究领域，它是在科学计算可视化以及数据可视化和信息可视化的基础上发展起来的。广泛所认可的知识可视化的定义为:“在两个或两个以上的人之间，利用视觉的表达手法，来提高知识信息传递、创造的作用。”所以，也可以说知识可视化是一种可以把复杂见解进行图像化后，再进行知识的传输和构建的方法，其所研究的是怎样利用视觉表征，来改进各个对象间复杂知识的传递和创造。

(二)知识可视化与信息可视化的差异

信息可视化的目的是在以数字形式呈现的抽象数据中找出新观点，或者单纯地帮助用户更便利地访问所存储的数据。信息可视化利用图像显示多维非空间数据，并且利用直观、形象的图像来引导用户的检索过程，使得用户更深入地理解数据的含义，并且检索速度也有所提高。信息可视化在现阶段的研究重点是:要选择或者设计何种显示方式使用户更深入地了解多维数据及其相互关系。其所涉及更多的是人机交互技术或者心理学等。而知识可视化的研究目标是如何提高人和人之间知识的传输和构造的速度，它为人们提供更为丰富多样的方法来表达其所掌握的知识内容。通常来说，在知识管理应用领域中，利用知识可视化可以解决三个与知识相关的、比较突出的问题。首先是如何利用传递来解决知识不对称的问题;其次，知识可视化对于新知识的创造有着巨大的潜力，可以促使知识变革;最后，可以有效应对知识的过载。知识可视化不仅要传递事实信息，其目标还在于传递经验、价值观、情感态度、见解观点、意见、期望以及预测等内容，并利用这种方法，帮助用户正确地掌握、重构和利用知识。

(三)知识可视化运行环境比较

知识可视化在本地环境中运行时，有较高的工具集成化程度，不仅兼容性较好，而且功能也相对全面，可以提供各种丰富的模板、图标等资源，支持多种文件类型，应用的领域和范围都比较广泛，所以可以方便地创作出适用于各种场合的知识可视化类型。不过本地运行时，由于多数为单机运行，因此无法很好地支持协同作业以及文件共享。与本地运行相比，知识可视化的在线平台具备在线协作和文件共享功能。除了这些功能，线上平台站点还有多种诸如即时通讯、在线演示等线上交互功能，提供了多种多样的在线交流渠道，使得在线协作更加方便。不过，在线平台也存在一些不足之处，如它所提供的资源相对匮乏，通常只支持XML、HTML或者图片等文件格式，并且除线上交互功能外，其他的功能十分有限，所以线上平台可视化工具的适用领域和范围相对于本地运行的工具来说比较小。

二、两种典型的知识可视化工具

(一)概念图

1．概念图的应用。学生可以利用概念图工具，从新概念出发，逐步和已掌握的概念建立联系，从而帮助其实现提取和激活学习记忆信息，把当前学习记忆内容向长期记忆进行转移。概念图中所显示出的各种箭头、连接词以及连接线等，都指引出需要学生所注意的焦点和方向，增加了抑制干扰、维持注意力等控制性的注意过程，从而提高学生的学习记忆效果。概念图把一个概念通过分层可视化来层层分解，第一层为中心概念，第二层则表示中心概念的研究内容、对象、形态等三类次级概念，第三层就用于解释第二层的各次级概念。例如，在讲解《C语言程序设计》中多分支选择结构的语法时，选择用图形化的引导方式可以方便、快捷地使学生掌握其语法规则，要讲解的语法格式如下:

将上述语法规则用图化化法表述出来，如图1所示。

于是，常规教学中要40分钟才能讲解清楚的内容，利用概念图后只需20分钟就可以完成，而且条理清晰，学生经过实训技能的考核，其结果可以表明，利用这种方法的教学效果非常明显。

图1 多分支if－else语句图形化表示法

2．概念图的制作。到目前为止有很多软件都可以制作概念图，有专业的也有通用的。通用的构图软件对于概念图的类型没有限制，它只是提供简单的形状和线条，如visio。而专业的概念图制作软件则是专门针对概念图的制作而开发设计的，比如最常用到的Inspiration。但是需要注意的是，制作概念图并不一定非要利用软件才能完成，如果软件使用不当，或者为了“概念图”而“概念图”则有可能弄巧成拙，如概念图所表达的概念只是课堂上的次要知识，教师只需手绘草图即可完成，所以没有必要使用专业的绘图软件。

(二)思维导图

1．思维导图的应用。思维导图能把复杂的知识用关键词的形式表现出来，各知识之间的结构按照不同的层级和颜色进行图示化，不仅可以消耗学习记忆的资源，还可以发散大脑思维，以便更广、更深地发掘长时记忆中的信息，并构建更多的长时记忆和学习记忆的储存和提取线索。比如在讲解组网技术知识时，可以使用结构思维导图，帮助学生清晰、方便地扩展建构出相关的组网技术知识结构图，使学生系统地掌握思维导图中所呈现出的各个知识。再如，在讲解Web挖掘技术时，将Web挖掘概念分为三个组块，分别为概念简介、Web内容挖掘实现技术以及Web使用记录挖掘实现技术，利用思维导图再将每个组块内包含的具体内容的可视化显示出来，而有些内容可以从长时记忆中提取，这样就增加了学习记忆的总的容纳量。

2．思维导图的制作。制作思维导图的软件也比较多，常用到的是Mind Manager，它具有友好直观的用户界面，以及强大的功能，可以帮助用户在组织思维、项目进程以及资源时，有序、有效地进行。不过在使用软件绘制思维导图的过程中要注意几点:首先，思维导图能突出概念的重点，其次能发挥联想，最后思维导图要有一定的条理性，增强感知力和美感。

三、知识可视化在计算机教学中的应用策略

(一)利用知识可视化改善学习记忆

学生的学习过程中，其认知活动的核心就是学习记忆，可以说记忆是推理、解决问题、掌握知识的最重要成分。学生学习记忆能力决定学习效果，如果利用知识可视化对相关知识做出处理，可以改善学生的学习记忆能力，进一步提高学习的效果。

1．将知识利用视觉隐喻组块化。视觉隐喻是采用视觉表达的方法，由掌握主体迁移到要理解的新元素，从而提供一个从掌握主体到新元素的途径。通过视觉隐喻，能借助当前的视觉形式与未知新元素之间某个类似的意义和特征，经过转化形态来实现信息的视觉传达。视觉隐喻中未要求其表象符合常规逻辑，其主要目的是正确理解新元素。视觉隐喻能让学生学习记忆中要理解的知识信息和长时记忆的知识信息迅速发生关联，这种方法减轻了学习记忆在加工新知识信息时的负担，提高了处理新信息的效率。而且视觉隐喻还表现出了各组块的相互关系，加工难度有所降低，避免了占用更多的学习记忆资源。例如在讲解数据库时，教师可以围绕数据库的概念、数据库的性质、各种不同观点的定义，利用视觉隐喻的方法分成不同的组块，学生在这种可视化视觉隐喻的引导下，与已掌握的Web数据管理知识发生关联，从而更好地理解和认识数据库的概念，并将这种隐性的关联知识显性化。

2．将知识利用树形图组块化。树形图主要以可视化的方法对知识信息进行分类或者分组。树形图顶部是需要被分类的知识信息的名称，分支则是下级的分类类别，并逐级类推。在《数据结构》中讲解“树的概念”可以以本校的组织结构为例，分层次、分颜色用树形结构表示法表示，如图2所示。校名为“树根”结点，各个学院为“孩子”结点，各个系为“叶子”结点。在这个结构图中，还可以向学生讲解何为祖先结点、双亲结点、兄弟结点、树的层次、树的度、子树等知识点。正是因为将抽象的知识用图形化表示出来，减轻了学生学习记忆的储存负担，提高了记忆效率，扩充记忆容量。

图2 树形结构图表示法

(二)知识可视化可以促进知识的传递

在计算机教学过程中，教学效果也受到知识传递的影响，如果知识无法顺利传递，则学生也会产生接受知识的困难，直接影响到学习效果。知识可视化的运用，可以促使知识的高效传递，提高教学的效果。本文就根据日常的教学经验，总结出四种利用知识可视化传递知识的方法。

1．正式通道。教师在课堂展开教学活动是将知识信息向学生进行传递的过程。知识可视化帮助教师呈现出大量的抽象知识，相应的学生也可以迅速地获得大量知识信息。仍以上文中提及的Web挖掘为例，思维导图的方法呈现了Web挖掘知识体系，它在短时间内呈现出了Web挖掘知识体系的显性知识。不过在传递隐性知识时，这种方法的效果就相对较差，但现阶段计算机知识信息多数是用这种方法进行传递的。

2．非正式通道。教师与学生交流的渠道也可以是非正式的。在非正式的交流渠道中，教师也可以向学生传递知识。比如校内的个人博客或者BBS等，或者直接讨论交谈。通常这种方法不受固定模式的限制，师生的交流也更加放松和自由。在这种状态下对教师传递和表现隐性知识更为有利。如果是师生面对面交流，教师可以借助手绘的方法呈现知识信息。例如，上述讲解数据库的概念时，教师就可以利用草图来呈现数据库的性质和定义，通过视觉隐喻的方法来传递数据库的相关知识;如果是借助网络进行非实时的交流，教师则可以把知识内容发表在个人博客或者BBS中，为学生访问提供便利;如果借助网络实行实时交流，则可以借助于知识可视化线上平台实现。

图3 戴尔的经验之塔

3．个人通道。个人通道是对特定的学生所进行的个别指导，这种方法对于传递隐性知识非常有效。我国传承已久的师徒制可以说就是采用这种模式来传递隐性和显性的知识。由于个人通道所针对的是个别的学生，教师可以结合学生的实际知识结构和理解能力，来选择思维导图、视觉隐喻图、知识地图或者启发性草图等多种知识可视化的工具来完成知识信息的传递。利用这种方法不仅可以有效地传递各种显性知识，而且可以将更多隐性知识进行显性化，不仅传递知识，还培养能力。比如，某学生对于数据挖掘的概念理解比较困难，对此，教师就可以借助于Web挖掘的概念来帮助学生建立对新概念的理解。在教师针对学生个体讲解的过程中，学生不仅可以掌握数据挖掘的概念这类显性知识，还可以从教师的授课中学会教师分析问题、解决问题的表达策略和思考方法等隐性识。美国视听教育家戴尔的“经验之塔”就很好地表现了教师帮助学生理解、认识经验等抽象层次的关系。他将各种经验根据其抽象程度，分为三大类(抽象、观察和做的经验)、十个层次，如图3所示。这就是应用了视觉隐喻的方法。

(三)知识可视化可以辅助知识重构

在讨论上述知识可视化与信息可视化的区别时可以看出，教学活动中，无论是教师所传授的知识还是教材所呈现的知识，也无论采用哪种方式来呈现知识，学生所接收的都仅是知识信息的载体，而由载体转向学生自身的知识结构，还需要学生结合自身的认知能力通过大脑来完成重构。知识可视化可以帮助学生建立起各种知识线索，找出各知识信息间的关联，顺利地完成知识重构。知识可视化辅助知识重构的具体策略主要有以下几种:

1．采用协同完成知识可视化。采用协同合作的方法来完成知识可视化，不仅可以表达知识图形，还可以使得师生之间、生生之间沟通思维，不仅能提高学生重构知识的生成效率，还培养了学生团队协作意识和合作能力。比如小组对某个算法的研讨，将各类相关条件以及小组各成员的观点进行集中，经过小组讨论，不妥的观点进行修改，无效的想法予以排除，最终形成小组整体的观点。

2．鼓励学生运用知识可视化。学生在学习过程中，可以根据自身的知识结构、爱好习惯等来选择自己适用的知识可视化工具，运用可视化的方法来呈现自己的疑惑及想法，把教师所传递过来的知识进行可视化转换。这种方法不但可以增强学生的记忆，集中学习注意力，还可以辅助学生在可视化转换的过程中进行知识的重构。此外，运用知识可视化重新组织知识信息，可以促使各知识信息之间的联系形象化、直观化，使各知识线索更加有条理性。知识可视化式的课堂笔记，与传统的线性条目笔记不可同日而语，这种方法所记录的笔记适用于学生自身的认知习惯，并且图文并茂，可以有效地完成从知识信息载体到个人知识的建构，这种方法所获取的知识，才是属于学生自身的真正的知识。

3．利用知识可视化与隐性知识产生关联。学生把知识和概念可视化的过程，就是学生对知识、概念进行重构和加工的过程，学生利用这种方法对知识进行深入而全面的认识，再结合自身长时记忆的知识，构建为新的知识。这个过程不仅可以直接得到显性知识，还可以从概念图、思维导图、树形图等可视化工具中，发现各知识要素间所存在的隐性联系，与长时记忆的知识进行关联，将原本隐藏的新旧知识可视化，对新知识的组织和产生更为有利。

四、结语

知识可视化的应用，对于教学方法的改进、教学组织的设计、教学效率的提高、教学效果的改善，以及学生学习方法的改进和学习效率的提高都有着非常有益的作用。人们的交流、知识表达等都越来越突显出知识可视化的重要性，相信在逐步深入的相关理论研究以及技术支持迅速发展的过程中，知识可视化也会越来越成熟。

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Visualizing Knowledge in Computer Teaching

Jiang Shihua1，Chen Xinhong2，Liang Peng1
(1．Harbin Normal University，Harbin Heilongjiang 150025; 2．Mu danjiang Medical University，Mudanjang Heilongjiang 157011)

In the modern teaching activities，the use of knowledge visualization gets more and more attention．In this paper the writer analyzes knowledge visualization related on the basis of the concept of daily in teaching activities，combines with examples，and points out that the knowledge visualization applied to computer teaching in the specific strategies．

knowledge visualization，computer teaching，isualization application

G642.0

A

1672-3805(2012)02-0077-05

2011－10－20

2009年黑龙江省人文社会科学研究项目(编号:11542083);2009年哈尔滨师范大学人文社会科学科研培育基金项目(编号:SXP2009－12)

姜世华(1976－)，女，哈尔滨人，哈尔滨师范大学传媒学院副研究馆员，硕士;研究方向:信息管理与信息学教学