信息熵理论在多媒体课件图形设计中的应用*

吕永峰

信阳师范学院传媒学院 河南信阳 464000

信息熵理论在多媒体课件图形设计中的应用*

吕永峰

信阳师范学院传媒学院 河南信阳 464000

基于信息论中的信息熵理论，借助认知心理学中的人类分层传播模型，探讨多媒体课件制作中的图形设计问题，以期为一线制作多媒体课件的教师提供指导。

信息熵理论；人类分层传播模型；多媒体课件；图形设计

Author’s address School of Communications, Xinyang Normal University, Xinyang, Henan, China 464000

1 信息熵理论与多媒体课件图形设计的理论分析

“熵”是德国物理学家克劳修斯在1850年创造的一个术语，他用它来表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度。能量分布得越均匀，熵就越大。如果对于所考虑的那个系统来说，能量完全均匀地分布，那么，这个系统的熵就达到最大值[1]。1948年，香农（Shannon）第一次将这一概念引入信息论中，从此，熵这一概念被广泛用于信息的度量，在自然科学和社会众多领域中得到广泛应用，并成为一些新学科的理论基础，由狭义熵发展为广义熵。从物理熵理论引伸到信息学、社会学等领域，称之为信息熵。信息熵并不是负熵，它描述的是信源的不确定性而不是其不确定性的减少。信息熵大表示信源的不确定程度较大，同样是一种无序性。香农的信息概念是人们对事物了解的不确定性的减少或消除，这一定义关注的是通信中的信息问题，所以香农信息是一种与信道相关的“信息”。信源、信道、信宿成了认识过程的不可分割的部分，主客体是不可分的。换言之，信息是认识主体所感受的或所表达的事物运动的状态和运动状态变化的方式，是人们在外部世界和控制外部世界的过程中，同外部世界进行交换的内容。

信息度量：若一个事件产生的概率是P，则它的信息量I=-log2P。

对于n个事件构成的概率系统，每一事件产生的平均信息量为：H为信息熵，信息熵的大小用于表示概率系统的不确定程度。式中，Pi为信息系统中状态i出现的概率。信息熵可用于对信息系统中信息量大小进行计算。

而多媒体课件是一种教学软件，它是一种图形、文字、表格、视频、音频等信息的集合，能有效地促使学习者思考问题，实现有效的学习。多媒体课件活动的实质是信息处理、变换和传播的过程。多媒体课件是形式，是教育教学信息的载体；教育教学信息（包括图形信息）是内容，是多媒体课件的本质。从信息的角度分析，多媒体课件活动就是信息熵的变化过程。其中最为重要的活动之一就是多媒体课件的图形设计，主要涉及信息流、信息熵、信息负熵的处理。

2 人类分层传播模式对多媒体课件图形设计的启示

多媒体课件受众在使用课件过程中起着至关重要的作用。最初的多媒体课件只是机械地呈现课本中的知识，目的是向受众“灌输”知识信息。而实际上，受众在多媒体课件的使用和评价中的地位是主动的：受众有选择地接受课件信息，进行负熵的输入，使受众子系统中的熵减少。

借助“基于认知心理学的人类分层传播模式”（图1）[3]，受众对多媒体课件图形信息的处理模型是：视觉→感觉登记（视像记忆）→视知觉→短时记忆（视觉代码）/长时记忆（表象代码）→视觉表象→表象编码。

具体步骤：

第一步，人脑对直接作用于视觉器官的多媒体图形的个别属性进行反应，其所得的信息是主要滞留在视觉器官上的未经整合的各种具体的信息；

第二步，个体解释输入的视觉刺激信息（这里主要指图形信息），从而产生视知觉模式和客观事物意义，是浅层次的意义建构，其规则有多样性、模糊性之特点；

第三步，视像记忆；

第四步，视觉表象及表象编码，即人脑对个体看到的图形信息进行编码，其中有转喻、类推、替代、浓缩等形式，以此形成陈述性知识（如知识、概念、命题、脚本、图式、表象等）和程序性知识（产生式规则）等，而这些知识或经验又常常存储于记忆库中以备个体调用；

第五步，发展到思维层面，运用于问题解决当中。

综上所述，受众在多媒体课件的使用及评价中的地位是主动的，而且是具有决定性的。

由此可以明显地看出：多媒体课件的图形设计主要作用于人类分层视觉传播的感觉和知觉层。感觉和知觉层面的视觉加工是底层的感性加工，只有保证这两个基础层的加工不出偏差，才能保证整个视觉信息加工过程不出“数据读取错误”这样的问题，才能促成认知个体由感性认识到理性认识的飞跃。这是对多媒体图形知觉设计的宏观要求。

3 信息熵理论在多媒体课件图形设计方面的应用

从信息熵理论的角度来看，受众系统的信息处理过程是受众从接触课件以后的全部过程，这个过程与受众的知识背景和社会背景有密切的关系。

3.1 受众对课件图形的接受程度和受众对图形的关联性有关

图1 基于认知心理学的人类分层传播模式

3.2 受众对多媒体课件中图形的注意程度不同

在对N个图形若等概率传播，信息熵最大为Hmax，实际情况下是非等概率传播，则熵为H，且H＜Hmax。定义相对信息熵为h=H/Hmax[2]。基于相对信息熵，称r=1-h为冗余度。冗余度表示由于各种图形出现的概率不同而使信息熵减少的程度，还表示图形在传播信息时，不必要的冗长部分的比例。信息传递过程中的冗余度使得信息传递的效率变低，信息知觉卷入程度低，情感方面诱发否定效果。

所以在多媒体课件的图形设计中，要注意对“歧义图形”的适当处理。这里的“歧义图形”指让学生产生视错觉的图形和容易产生视觉掩蔽的图形等。具体要求为：1）对于视错觉图形，为了防止教学活动中视错觉现象产生而影响教学效果，这里要求在多媒体课件编制过程中对不确定的图形作简要说明，保证信息的准确传递；2）对于容易产生视觉掩蔽的图形，这里要求在图形刺激物的形态和出现的时间上做机动控制，避免给学生传递含糊不清甚至错误的信息。

需要说明的是，并不是所有的视错觉现象都要加以纠正或说明，对于特殊的教学内容也可借视错觉等图形知觉现象创造特殊的视觉效果。

3.3 多媒体课件中的图形要引起受众的关注，并传播到一定广度

多媒体课件的图形设计是信息的处理和变换，是复杂的思维意识及信息的高级活动，它是负熵的输入。如果图形设计是一个孤立子系统，设计思想是这个子系统的能量，图形的有效解读是信息熵。熵的变化决定着多媒体课件中图形有效解读的变化和发展。如果因循守旧，不接纳外界的新信息，那么在经过一段时间的设计后，其熵的增加达到最大值，新的知识减少。即图形中的信息量递减，信息的不确定性减少的量逐渐减少，结果是多媒体课件间的图形设计趋于雷同化和模式化。

根据香农公式C=Wlog2(1+S/N)[5]，图形信息的送达率C与发送广度W成正比，与信噪比S/N成正比。在目前课件泛滥、知识爆炸的背景下，图形信息噪声量极大。受众在接收图形信息时，需要有利于他们进行信息处理的客观条件。如果受到外界的干扰、刺激，或者接触时间受到限制，则不利于这一心理过程；如果有可能多次重复接触同一个图形信息，则此心理过程会更加有效。

图形信息引起受众的关注的有效途径是提高信噪比S/N，而提高S/N，可以提高该图形本身的信息量，或者抑制其他无关图形的信息量。由此可以得出下面的影响因素。

1）图形与背景设计。图形与背景的设计应当分明，使学生对教学主体一目了然，迅速激发学生的学习兴趣和动机，并在有效的时间内把握被感知图形的特征，以增强教学效果。要求：

①背景一般用来表现教学环境、衬托与主体图形的相互关系，所以要避免与教学内容无关的图形出现在多媒体课件的界面上；

②背景的颜色不宜过分鲜艳，以免喧宾夺主，将学习者的注意力分散；

③可用明暗对比来突出主体，例如通过加强主体部分的亮度和色饱和度来突出主体对象。

2）图形的组合设计。这里要求按照图形组合的科学法则（如格式塔的组织律或其他视觉传达设计法则）对多媒体课件中的图形进行合理的安置。

①整体规律：对学生没有经验的新事物，应在画面上整体呈现；而对学生已经熟悉的事物，在画面上呈现事物的部分主要特征会有更好的图形知觉效果。当图形设计未能遵循这一规律时，学生会将一种事物的整体知觉分为几个不同的部分，或将几种事物的不同部分组合成另一种事物整体，从而影响课件的教学效果。

②对比规律：设计人员在进行图形设计时，最好能采用大小对比、新旧对比、明暗对比、色彩对比、虚实对比、主体对象与背景的对比等手法突出学习对象不同部分的特征。例如，要说明一个物体的大小，最好在它旁边放置一件学生比较熟悉的物体作为参照。

4 结语

对于一套优秀的多媒体课件，图形设计至关重要。基于信息论中的信息熵理论，借助认知心理学中的人类分层传播模型，发现在进行多媒体课件设计时，不仅要充分考虑课件中的被选图形与背景的区分，还要充分考虑图形与受众文化背景、知识水平等因素。以学生为本，设计出高水平的多媒体课件，使学生在学习过程中保持一个良好的心理和视觉状态，减少学习以外因素的干扰，只有这样，才能真正发挥多媒体教学的长处，最终达到提高教学质量的目的。

[1]什么是信息熵[DB/OL].http://www.360doc.com/showGroupWeb.aspx?Category ID=1&ArticleID=540537&Group ID= 555.

[2]傅德荣,章慧敏.教育信息处理[M].北京:北京师范大学出版社,2004.

[3]莫永华,寇冬泉.基于认知心理学的人类分层传播模式[J].电化教育研究,2005(11):38-41,46.

[4]于馨燕.信息熵理论在广告活动中的应用研究[J].企业经济,2007(3):77-79.

[5]关于香农公式[DB/OL].http://zhidao.baidu.com/question/12379753.html.

On Appl ication of Ent ropy Theory in Picture-designing of Mul timedia Courseware//

Lv Yongfeng

Based on the Ent ropy Theory and Humankind’s Hierarchical Communication Mode, the author discusses on the picture-designing problems of mul timedia courseware, in order to cause readers’discussion to promote the level for the production of mul timedia courseware.

ent ropy theory; humankind’s hierarchical communication model; mul timedia courseware; picture-designing

G436

B

1671-489X(2012)18-0100-03

10.3969 /j.issn.1671-489X.2012.18.100

*本文受信阳师范学院青年骨干教师资助计划资助；信阳师范学院2010年度青年基金项目“‘三网融合’视阈下的分层视觉传播及视觉素养培养研究”（项目批号：2010006）研究成果。

作者：吕永峰，讲师，研究生学历，信阳师范学院传媒学院媒体技术教研室主任，研究方向为视觉传播理论与影视制作技术。