利用电子双板的知识可视化教学研究

张昭理+李志飞+刘海+刘三女牙

【摘 要】

知识可视化在教育传播领域正发挥愈来愈重要的作用，如何利用知识可视化进行有效教学是一个值得研究的方向。以往的可视化教学都是针对特定的学科或知识点，不能有效地进行拓展。在此背景下，本研究提出将可视化知识分类的观点，将其分为概念性知识、过程性知识和应用性知识三种类型，并使用不同工具对知识进行可视化，然后结合知识进行文字解释或说明，最后通过电子双板双屏显示，通过文字意义与视觉表征结合的方式促进学生的学习。在此基础上，本研究构建了一种知识可视化的教学模型，从准备、设计、教学和评价四个阶段为教师进行可视化教学提供参考。

【关键词】 知识可视化；电子双板；教学研究；智慧教育

【中图分类号】 G434 【文献标识码】 A 【文章编号】 1009-458x（2017）03-0016-06

一、引言

在2015年11月召开的第二次全国教育信息化电视电话工作会议上，刘延东副总理就确定了今后五年要提升教师的教学能力和教育质量的目标。华中师范大学杨宗凯校长在中国教育信息化发展过程中也提出培养数字化教师的观点，即教师的ICT技术、学科知识和教学方法三种能力要融合（杨宗凯， 2016）。可以说，提高教师的教学能力将是中国教育信息化过程中重要的一环。

近年来，通过计算机实现的可视化教学被广泛应用于我国学科教学。王志军等提出思维可视化课堂的概念在小学语文教学中取得了很好的效果（王志军，等， 2015）。叶新东等利用思维导图的方式增强了高校大学生对中文古文的内容记忆能力（叶新东， 等， 2013）。张湘将图式交互式可视化运用到英语阅读教学中，提高了英语阅读课堂的交互有效性和学生思辨能力（张湘， 2014）。由此推断，知识可视化教学对提高教师教学能力具有同样帮助作用。

但是，目前可视化教学都是针对特定学科的某一知识点，没有形成通用的模式。本研究提出将可视化知识分类的观点，即根据知识不同类型运用不同的可视化技术，并结合电子双板双屏教学的优势，构建一个知识可视化教学模型，为教师的可视化教学提供参考与帮助。

二、知识可视化与分类

（一）知识可视化

随着人类社会的发展，新的知识也在急速增长，如何提高学习效率将变得非常重要。知识可视化作为一个新兴的教学研究方向，它的发展过程，如图1所示，是在科学计算可视化、数据可视化和信息可视化的基础上发展而来的，对于提高学习效果具有帮助作用。

对于知识可视化，国内外学者做了许多深入的研究。在2004年7月，Martin J.Eppler和Remo A.Burkhard共同提出了知识可视化的概念（Eppler & Burkhard， 2007）。赵国庆在此基础上提出了自己的观点，认为知识可视化是一门研究如何通过视觉表征提高两个或两个以上人之间复杂知识迁移和创新的学科（赵国庆， 2009）。张剑平等认为知识可视化是通过合理的可视化技术让隐性知识变得清晰明确，可以促进新知识的产生，提高学生的学习、理解和协作（张剑平， 等， 2010）。

从已有研究中可以总结出知识可视化的两个重要作用，如图2所示。一方面，知识可视化促进了知识传递。通过可视化的技术把知识转化为可视的表现形式，降低了知识的认知难度，帮助人们提高认知能力并理解知识之间的联系。另一方面，知识可视化有助于思维的启发。从可视化技术到知识可视化教学，并不是简单的技术应用和可视化领域的拓展，更重要的是教学思维的转变和解决问题方式的转变（李芒， 等， 2013）。

（二）可视化知识分类

国内外许多关于知识可视化的研究表明，不同的知識类型需要运用不同的可视化方式（Kühl et al.， 2011； Patwardhan & Murthy， 2015； 蔡慧英， 等， 2013）。随着信息技术的发展，知识可视化技术也在不断向前发展。从原来简单的通过手绘就能实现的线条、图表和地图，到如今必须借助计算机才能完成的动画、仿真和交互式可视化，可视化程度在不断提高，能够可视化的知识也在不断丰富。然而，并没有一种可视化技术能够适用于所有类型的知识。只有根据知识类型的特点，选择合适的可视化方式，才能取得最好的学习效果。

关于知识的分类情况，按不同的分类方式可以得到不同的结果（卢炳惠， 等， 2001）。按学科来划分，知识可以分为语文、数学、物理和化学知识等；根据获得知识的方式，可以分为直接知识和间接知识；依据知识的认识层次，可以分为感性知识和理性知识。但是，以上这些分类方式并不是在可视化认知基础上划分的，不利于知识可视化教学的设计与实施。

在以上知识分类的基础上，结合知识可视化的视觉传播过程（国玉霞， 等， 2016），本研究将可视化知识划分为概念性知识（what）、过程性知识（how）和应用性知识（do）三类，如表1所示。概念性知识是关于具体事实“是什么”的知识，如“北京是中国首都”；过程性知识是关于事物原理“怎么做”的知识，如“绿色植物光合作用过程”；应用性知识是关于相关理论“具体实现”的知识，如“闭合电路导体切割磁感线产生电流”。根据这样分类后的知识的特点，可以选用不同的可视化工具，如概念图、思维导图、认知地图、语义网络、思维地图和知识地图等（李士平， 等， 2016）。当然，随着技术的发展，已经出现了一些动画、仿真和交互式可视化的教学工具，并取得了很好的学习效果（Lin & Atkinson， 2011； Lindgren et al.， 2016； Pinter et al.， 2010； Türkay， 2016）。概念图和认知地图适用于理解词语、概念，尤其是理顺概念与概念之间的相互关系，可用于概念性知识的可视化；思维导图和思维地图使用文字、图片和图形等组合，呈现概念之间的层次关系，使学生能够从整体和全局的角度思考问题（张海森， 2011），适用于过程性知识的可视化；动画、仿真和交互式可视化等不仅能很好地解决抽象知识的呈现问题，而且有利于培养学生主动学习、探究的能力，增强学生的创新思维（张豪锋， 等， 2010），有助于应用性知识的可视化。

三、知识可视化教学模型

在教学设计模型领域，最著名的当属ADDIE模型，即“分析（Analysis）—设计（Design）—开发（Develop）—实施（Implement）—评价（Evaluate）”，如图3所示。此教学模型对教学所要达到的行为目标、任务、受众、环境等进行一系列的分析，但所有环节由教师一人完成，缺少师生互动，没有体现学生的主体地位。

在ADDIE模型的基础上，本研究构建了知识可视化教学模型，试图让学生充分参与到教学过程中，让学生从传统的知识接受者转变为课堂的主动参与者和创造者，进而提高学生掌握并挖掘知识背后思维规律的能力。这个模型分为准备阶段、设计阶段、教学阶段和评价阶段四个部分，如图4所示。

（一）准备阶段

在准备阶段，教师主要负责教学计划的制定，根据学生特点设计参与程度和参与方式；教学资源的准备，准备好需要的可视化工具和教学材料等软硬件资源；教师间的交流，和其他教师讨论学习中的重点和难点。学生则需要课前预习，对要学习的知识有个初步了解；熟悉可视化工具，学习工具的使用和特点；进行学生间的交流，讨论学习的方法，集思广益。

（二）设计阶段

经过准备阶段的交流，教师和学生对教学内容形成了自己的看法，在设计阶段将这些看法整合。在这个阶段，教师和学生需要共同确定知识类型，并利用可视化工具将这些知识可视化表达出来，再添加相应的文字说明，最后通过双屏显示出来。

（三）教学阶段

教学阶段是进一步体现学生主体地位的阶段。一方面教师要引导学生参与到课堂教学中来，积极提出教学中存在的问题和不足；另一方面要组织学生参与交互式可视化的操作。在这个教学过程中，师生充分互动交流，学生不再是被动的知识接受者。

（四）评价阶段

评价是对整个教学过程的效果进行评判的重要一环。评价阶段包括：教师自评，对整个教学过程中存在的问题进行分析和总结；学生评价，对学生进行问卷调查，从参与度、挑战度、注意度和享受度四个方面进行统计评价；成绩分析，对学生的期中或期末的成绩进行统计分析。最终结果反馈给教师和学生，有利于师生共同改善教学内容和方法。

四、知识可视化与电子双板结合

多项研究表明，文字结合可视化的教学方式可以产生更好的学习效果（Anglin & Vaez， 2004）。由华中师范大学国家数字化学习工程技术研究中心开发的电子双板教学平台，同时以视觉形式和语言形式呈现信息，学习者通过“双重编码”加工信息，增强了对知识的理解与记忆（杨宗凯， 等， 2013），并对一些课堂教学效果的提高取得明显的效果（张屹， 等， 2014）。电子双板教学如图5所示。

教师对知识可视化的过程相当于一个备课过程，由此可以清晰地了解课程内容和知识关联并发现教学之中的重点和难点（汪春霞， 2011）。在教学过程中，教师在讲授知识的同时，要注意引导学生思考，鼓励学生发散思维，学习使用同样的方式将所学知识进行归纳总结，要从原来的知识灌输者、讲授者转变成学生学习活动的引导者。学生看左屏可视化图像能够对知识形成更形象、更有逻辑的认识，看右屏文字信息可以对知识进行更加具体、完整的学习。

（一）概念性知识可视化

概念图（Concept Map）是由美国诺瓦克（J.D. Novak）博士根据奥苏贝尔（David P. Ausubel）的有意义学习理论提出的，运用节点、连线等手段来表示概念与概念之间的组织关系（Novak and Gowin， 1984）。概念图可以帮助学习者较容易发现复杂知识之间的关系（赵国庆， 2012），可以广泛地用于对概念性知识的学习与组织。

在对概念性知识可视化过程中可以运用一些标记技术，例如改变字体大小和颜色、使用箭头下划线等。通过对相关知识的标记，学生会进行选择性注意，将注意力集中在重要信息上并在大脑中产生深刻印象，有助于对重点和难点知识的学习与记忆（张维忠， 等， 2010）。

比如中国的行政区划，就属于概念性的知识，教师可以通过手绘或者通过一些可视化软件制作相关概念图，然后通过电子双板进行展示，其教学如图6所示。左屏显示的是中国行政区划的概念图，右屏显示的是文字版的具体学习内容。可以将中国的行政区划分为四个部分，分别为省、直辖市、自治区和特别行政区，然后具体列出各个区划名称，其中北京属于直辖市并是中国的首都。这样，中国的行政区划即通过電子双板直观、完整地展现在学生面前。

（二）过程性知识可视化

过程性知识是描述事物动态发生变化过程，反映基本事实、概念、原理和规律等的知识。这类知识的过程细节比较复杂，学生无法直接感知与学习，同时教师单纯用语言文字难以准确表达，所以导致学生认识、理解和掌握相关知识有障碍。

对于这类知识可以通过建模来展示。建模也是知识可视化的一种表征形式，可以对现实世界中客观存在的事物建立简化、清晰的模型，且该模型可以被操作和测试，实现对真实存在的对象关系的描述（Sturmberg et al.， 2013）。此时，需要运用系统的观点，运用一些基本可视化元素（对象、流程、变量和连接等），对过程性知识抽象化表征，最终实现对这类知识的可视化。

光合作用是中学生物教学中非常重要的一个知识点，它是植物一系列复杂代谢活动的总和，属于教师教学过程中的重点和难点。对光合作用的过程进行可视化是一种很好的教学尝试，但是其教学效果还需进一步研究。本研究通过使用Visio 2016软件对光合作用的过程进行了可视化绘制，如图7所示，由此可以清楚地知道光合作用分为光反应和暗反应两个阶段，每个阶段的条件、物质转换、能量转换等则可以通过右屏展示给学生。

（三）应用性知识可视化

应用性知识的学习是一个探究的过程，强调学生在教师的引导下自主解决实际问题的能力（孔晶 et al.， 2014）。交互式可视化的学习方式正好可以满足学生自主探究学习的要求，并具有自主性、过程性和实践性等特点。通过交互式可视化可以帮助学生获得更深、更清晰的理解（Lengler & Eppler， 2007）。在学习情感方面，交互式可视化可以提高学生的学习兴趣、学习动机和参与教学过程的积极性（Barak et al.， 2011）。

交互式電子白板作为一种新型的教学工具和手段，在传统黑板、幕布的基础上增加了人机交互的功能，在发达国家的中小学得到了广泛的应用（石映辉， 等， 2012）。基于交互式电子白板的电磁感应模拟实验，如图8所示，是华中师范大学国家数字化学习工程技术研究中心研发的starC云端一体化学习平台上的一个物理学科工具。利用这个学科工具可以控制电磁感应的磁场方向、导体切割方向、导体移动速度，修改后的变化可以动态地显示在上方的切割磁场和电流表上。学生可以在左屏模拟操作实验，右屏阅读实验方法和计算公式。采用这种交互式可视化的学习方法，学生对电磁感应的学习会获得更好的学习效果。

五、结论与展望

当前知识可视化教学研究主要聚焦于特定的知识内容，不利于可视化教学的发展。本研究提出了将可视化知识分类的观点，对不同类型的可视化知识采用不同的可视化方式，结合电子双屏显示，构建了一种知识可视化教学模型，希望能够为教师进行可视化教学提供参考。随着信息技术和计算机技术的发展，知识可视化的方式也会不断创新。随着虚拟现实技术的普及，VR教育让我们走进“真实的课堂”，未来将是技术与教育深度融合的时代。

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收稿日期：2016-10-25

定稿日期：2016-12-22

作者簡介：张昭理，博士，教授，博士生导师；李志飞，本科，硕士研究生；刘海，博士，讲师，硕士生导师；刘三女牙，博士，教授，博士生导师。华中师范大学国家数字化学习工程技术研究中心（430079）。

责任编辑 刘 莉