智慧教育环境下的知识可视化设计与应用研究

蒋宁 李美凤

摘 要：“互联网+”时代的智慧教育需要教学方式方法的革新，教育信息化对教育改革发展的支撑引领作用日益凸显。本研究在知识可视化的含义及特征基础上，结合智慧教育的时代背景，对四种知识可视化设计手段及工具进行研究和应用实践，为推动教育信息化发展，为智慧教育的学习环境和资源建设，为给学习者提供优质的学习支持服务做出些许贡献。

关键词：智慧教育；知识可视化；知识地图；语义图示；词云；3D技术

中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2018）05-0066-06

一、引言

在“智慧教育”的背景下，呼吁创新教育教学方法的呐喊声不断涌出，习近平主席在致首届国际教育信息化大会的贺信中提到：“积极推动信息技术与教育融合”，指明教育要寻求以信息技术为支撑的教育新理念与新模式，而“智慧教育”就是教育信息化的创新路径，是当前信息时代的教育新形态，教育形态的革新也意味着教育方式和学习方式的创新。世界上许多国家已经把智慧教育作为未来教育发展的重大战略。怎样“智慧”教育，怎样“智慧”学习是教育信息化工作者、教师和学生都要面临的一个重要问题。

本研究是在智慧教育视角下对知识可视化方法进行研究，查阅国内外教育信息化推进过程中所采用的知识可视化应用范例来分析“知识可视化”在“智慧教育”中起到的重要作用，以期为教育信息化的发展、创新型人才的培养、教学方式和学习方法的完善提供新的思路。

二、智慧教育概述

1.什么是智慧教育

在祝智庭的《智慧教育新发展：从翻转课堂到智慧课堂及智慧学习空间》中，他对智慧教育的定义是：智慧教育的真谛就是构建技术融合的学习环境，让教师能够施展高效的教学方法，让学习者能够获得适宜的个性化学习服务和美好的发展体验，使其由不能变为可能，由小能变为大能，从而培养具有良好的价值取向、较强的行动能力、较好的思维品质、较深的创造潜能的人才[1]。在杨现民的《信息时代智慧教育的内涵与特征》中，智慧教育被定义为“依托物联网、云计算、无线通信等新一代信息技术所打造的物联化、智能化、感知化、泛在化的教育信息生态系统，是数字教育的高级发展阶段，是当代教育信息化发展的新境界和教育现代化所追求的重要目标”[2]。无论是哪种定义，人们都可以清晰地看出智慧教育的首要条件就是技术与教育的和谐融合，借此来促进人在信息社会的个性发展、全面发展、创新发展和终身发展。

2.智慧教育的主要特征

（1）智能化。在“互联网+”的大背景下，各种新兴技术和工具应运而生，物联网、大数据、移动智能终端等现代信息技术实现了智慧教育中智能化的“教”与“学”模式。

（2）泛在化。智慧教育的泛在化特点基于网络的泛在化，智慧教育的发展的前提条件是网络的尽可能的全面覆盖，泛在的网络可以实现人与人、人与物、物与物的交流，从而达到“万物互联”的境界。

（3）融合化。智慧教育中，无论是技术与学科的融合还是技术与技术的融合都在加快。比如利用大数据对学生学习成果进行准确评价和教育管理，利用云平台实现师生、生生交流。融合化的特点等等都让智慧教育终能形成一个和谐的无缝连接的教育信息化生态系统，各种功能相依相生，为学生的学习提供有力的稳定的保障。

（4）个性化。智慧教育利用多种学习工具、学习资源、学习活动打造丰富多彩的学习环境，学习过程中产生的大数据为每个学习者分析出自己的特性，快速精确生成适合个人的学习任务并推送针对性的学习资料和资源，为学生的个性化选择提供了条件。

（5）开放协同。近年来，随着MOOC和可汗学院等在线学习课堂的实行，全球的优质资源实现了开放共享，突破了教育资源的地域限制，也进一步缩小了地区间的教育质量差别，促进全球性的“智慧教育”发展，为全世界学习者的泛在学习提供了便利[2]。

三、知识可视化概述

知识可视化是在科学计算可视化、信息可视化、数据可视化的基础上发展的新兴研究领域，2004年Martin J.Eppler和Remo A.Burkhard首次对知识可视化进行了定义[3]，国内将这个定义翻译为：“知识可视化领域研究的是视觉表征在改善两个或两个以上的人之间的知识创造与传递中的应用，指所有可以用来建构和传递复杂见解的图解手段”。国内北京师范大学的赵国庆博士在2009年基于此基础上对知识可视化进行表述：“知识可视化是研究如何应用视觉表征改进两个或两个以上人之间复杂知识创造与传递的学科”[4]。为什么知识可视化会在群体知识的传播中起着很重要的作用并在教育教学中逐步应用起来呢，赵国庆提出了以双重编码理论为知识可视化的理论基础的观点。“双重编码理论定义了三种类型的加工：①表征性的，语言和非语言表征的直接激活；②调用性的，通过非语言系统激活语言系统或反过来通过语言系统激活非语言系统；③联合加工，在语言系统内部或非语言系統内部的表征的激活。一个任务可能需要三种加工中的一种或全部[5]。从双重编码理论可以看出，知识可视化将知识以图解的方式表示出来，为基于语言的理解提供了很好的辅助和补充，大大降低了语言通道的认知负荷，加速了思维的发生。”

徐州师范大学的王朝云在《知识可视化的理论与应用》一文中，对知识可视化的理论基础提出了不同意见，认为知识可视化的理论基础不是双重编码理论，而是戴尔经验之塔，戴尔根据学习经验的抽象程度将其分为三大类，即做的经验、观察的经验、抽象的经验，做的经验最为基础，是直接经验。不同抽象程度的经验促进个人学习的效果是不同的，学习者的大部分知识都是由间接经验而来，所以利用最少的时间吸收最多的间接经验内化为自己的具体经验是有尤为重要的，王朝云认为知识可视化技术正好满足了这一要求，“知识可视化应用视觉表征手段，把知识以图解的手段表示出来，将内隐知识外显化，将外显知识生动化，有效地达到了抽象知识具体化的目的，是帮助我们实现这一理想的有力工具。”[6]

赵国庆主要从认知科学角度来解释知识可视化，表明了人的认知结构在接受知识时的编译过程，王朝云则更侧重从间接经验的表现和转换方面来强调知识可视化对于知识传递的重大影响。

总的来说，知识可视化的本质就是将隐性知识转换为显性知识，将内显知识外显化，把复杂知识结构化，将抽象知识具体化、生动化，将其应用在教育教学过程中，让学生的思维更加活跃，记忆知识也更加牢固。知识可视化是在智慧教育环境下必需的一种新型学习方式，值得深入研究并加以应用和创新。

四、智慧教育下的知识可视化设计

现有的知识可视化手段和工具可分为三大类，第一大类是图表文字，包括概念图、思维图、思维导图、思维导图等等。第二大类是图形图像，主要包括图片图画，电子教材和动画、视频、微课、几何画板。第三大类是情境再现，3D、VR、AR和虚拟实验平台等等[7]。本文基于教育信息化的时代背景，智慧教育的特点和要求着重研究四种新型知识可视化工具。

1.知识地图

知识地图又叫做认知地图、概念地图认知地图，最早由英国情报学家布鲁克斯提出，他表明：“知识地图是按照知识的逻辑结构找出人们思维相互影响的链接点，把链接点像地图一样标示出来，展示知识的有机结构图”[8]。现在很多企业或者组织中应用知识地图来搜索导航和培育评估，提高工作运行效率。在智慧教育中，知识地图可以当作一种知识管理工具，具有导航的功能，用来组织微课，描述各个知识点之间的关系，以可视化的方式呈现知识结构。知识地图的表现形式多种多样，比如树形图、网状图等等，本研究查阅了众多资料，浏览了国内一些著名的学习网站与平台，发现有知识地图或者导航的少之又少，目前，知识地图的应用还是停留在理论方面。

作为学习网站的先锋者，美国可汗学院率先构建了数学学科的知识地图[9]，如图1所示。

可汗学院的知识地图是按照从易到难的程度从上往下排列的，左侧是加减法的相关知识列表，这个知识地图可以按比例缩放和上下移动。知识点之间的连线表示了知识点之间的依托和递进关系，比如说“1-digit addition”一位数加法最简单，所以处在地图的最上方，它的下面是“2-digit addition”，两位数加法，再往下走，在知识地图中“2 and 3-digit substraction”两位数和三位数之间的减法与“2-digit addition”两位数加法难度相当，所以处于并列位置，再接下来便是加减法文字题和借位加减法等等。通过查看地图学习者可以了解课程的难易，结合自身知识掌握情况选择优先学习什么。

可汗学院的知识地图是利用谷歌地图API制作的，所以可以像谷歌地图一样缩放和变换位置来上下左右移动。为了方便学习者，制作者除了对谷歌地图API进行更改以外还加入了外部功能，比如，对学习者最后学习的位置做标记等等，更利于学习者追踪自己的学习路径，清晰掌握整个课程框架，也有利于老师对学生的学生进度和情况进行跟踪。

在知识地图应用于教学方面，我国的在线教育公司“伟东云教育”于2016年8月份，发布了知识地图产品“寻知图1.0版本”[10]，见图2。

“寻知图”一共有三个客户端，学生端、家长端和教师端。在学生端，“寻知图”以各个学科知识图谱为核心，提供知识导航图和课程目录，学生在每个知识点上完成看视频、做练习、拓展学习等学习活动，在进阶学习过程中，不允许跳过。在家长端，家长可以通过“寻知图”查看孩子的学习进度、学习成果和现阶段学科能力报告，方便其快速获取孩子的学习情况，促进家校共育。在教师端，教师可以通过“寻知图”对班级整体针对某个知识点的掌握情况一目了然，包括习题的完成情况，视频观看情况，学习时间统计等等，帮助老师进行学情分析，为教学安排和改进优化教学方案提供依据。

知识地图在智慧教育的要求下作为智能化的知识导航和管理工具可以以可视化的方式清晰地展现各个知识点之间的联系，统筹安排学习资源，并具备智能推荐、个性化等多重特征，应该大力推广和应用。

2.语义图示工具模型

语义图示工具模型是通过对带有语义规则的图形、图像、动画等可视化元素的操作，进行知识的建模，可视化地建立系统的学习者模型，通过语义的知识动态模拟直观清晰地把握概念之间的关系[11]。语义图示利用带有语义的图形图像将抽象的知识可视化，使学习者快速把握知识点或概念之间的逻辑关系，有助于提高学习者对于知识系统的整体理解力，促进深度学习、有意义学习，提高学习效率。常用的语义图示制作工具有Insight Maker[12]，它是一款实用的基于浏览器的免费的在线工具，用于可视化建模和模拟工具，可以对知识表征进行模拟并建立动态的联系，见图3。

如图4[13]所示是针对某一区域内狼和驼鹿种群之间的相互作用进行建模，并且使用以真实数据为基础的变化曲线[13]模拟狼和驼鹿数量的变化，便于分析随着时间变化其种群数量变化之间的关系，见图5。

语义图示工具模型借助信息技术手段，促使學习者将碎片化知识整合，建立完整的知识框架，突破知识表征的单一性，促进知识的获取、交流、转化以及内化，将知识和思维可视化，促使学习者由“浅层学习”向“深度学习”快速转变。

3.词云

词云也叫文字云，是一种简单的知识可视化方式，是图示和文字的结合，这个概念由美国西北大学新闻学副教授里奇·戈登提出，他认为词云就是对网络文本中出现频率较高的“关键词”予以视觉上的突出，形成“关键词云层”或“关键词渲染”，从而过滤掉大量的文本信息，使浏览者对文本的主要内容一目了然，见图6。

在教育教学中，媒体资源的形式多种多样：音频、视频、图片，但是最不可缺少的还是文字文本。词云可以将文字知识以图形化的方式呈现出来，以丰富的图形或者图像来解释以文本为载体的知识内容，尤其是一些无法用动态图像等其他形式表示的科学性学术性文章，以不同的颜色标注不同的词，不同的大小代表文本中词语出现的频率高低，单词出现的频率越高越能代表其重要程度，让学习者快速抓住文章主旨。

词云在英语学习中应用的最多，在杜华和孙艳超的《文字云图在英语阅读教学中的应用研究》中指出英语阅读文本是以线性的序列从字母排成单词、句子和文章的，所以记忆的时候按照顺序来记忆会容易的多，而与语言文本的组织不同，图像的信息加工不受序列的限制，它可以同时展现整体的信息。大脑对于形象材料的记忆要比记忆纯文本好很多。所以使用词云来将文本进行图像表征，可以提高学习者的理解和记忆速度[14]。词云利用词的颜色、大小、位置等的不同，让学习者脑海里勾勒出文章的基本结构和主旨大意，也便于对学生思维进行培养，让他们勤于动脑，自己构建知识框架，同时还激发了阅读兴趣，提高了学习效率。

网上有许多可以在线生成词云的图片的网站和工具，例如，Tagxedo、HTML5 Word Cloud、WordLe、Word Cloud Generator等等。

总体来说，到目前为止，教育领域对词云的应用范围很狭窄，但是本文认为，词云不仅可以在英语学习中发挥作用，在其他学科例如语文地理政治等，其与文字文本相比也有着巨大的优势，包括词云还可以进行学习者的历史数据的统计分析结果显示，可以对学生的学习情况做出个性化评估，词云的功能还有待开发和优化，期待它会在智慧教育中发挥更大的作用。

4.3D技术

在学习环境发生巨大变化，学习方式发生彻底革新，学习资源如此丰富的智慧教育背景下，基于二维的平面图像已经不能满足学生对于知识的表现形式的需求，他们需要更震撼精细的视觉感受，让他们更亲密地接触领悟知识，让知识不仅仅是“可视”还要“可感”“可触”“可听”，这是一种“沉浸式”的知识可视化形式，可以促进学生对知识的创新和迁移[15]。基于三维空间的3D技术及3D数字化教学资源能完整展现三维空间上的概念，将知识内容立体化，让学习者犹如身临其境，对于激发学生的学习兴趣，培养学生的创新思维，巩固学生记忆，提高学生效率都大有裨益。

（1）VR与AR

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）和增强现实（Augmented Reality，简称AR，又称混合现实），两者都是利用电脑技术生成的可交互的三维立体环境，不同的是VR全都以虚拟环境来模拟现实，而AR则在现实的基础上增添了3D建模、模拟世界等额外的东西，简单来说，VR全都是假的，虚拟的，只是你的感知感受会非常真实，而AR则是现实与虚拟的结合。

目前VR广泛应用于游戏中，用以打造鲜活逼真的游戏场景和交互模式，而其在教学中也起到了很重要的作用。当前许多高校都在积极研究虚拟现实技术及其应用，并相继建起了虚拟现实与系统仿真的研究室，如北京航天航空大学在分布式飞行模拟方面的应用，浙江大学在建筑方面进行虛拟规划等等。通过逼真的学习环境，立体的知识内容，体感交互等技术，让学生进入“沉浸式”学习，亲身经历亲身感受去获得直接经验，大大提高了学习者对于知识的吸收能力。例如医学院的学生能通过VR进入人体内部来全面了解器官的运作并模拟真实医疗状况。学习者在利用虚拟现实技术学习时需要佩戴VR眼镜和手柄[16]，借此进入虚拟环境并在其中进行实践操作。如图7所示。

与VR相比，AR技术更具有普遍性，因为VR的全虚拟性带来了价格上和配置上的高门槛，而AR技术要求比VR低一些，成本小一些，它可以通过某种装置来观看，在智慧教育背景下，无论是智能手机还是平板电脑都能满足AR技术实现的要求，使内容呈现[17]，如图8所示。

现在以智能手机、电脑或者平台电脑为载体的AR研究越来越多，例如AR图书，传统绘本结合APP，使得书中的内容以三维立体效果全息投影在眼前，可实现虚拟信息（例如：三维虚拟模型、动画和视频等）与真实环境的“无缝”融合，增强用户对现实世界的感知能力。

（2）虚拟实验平台

虚拟实验室软件是指在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境，是利用技术与学科知识高度融合的一种知识可视化手段和工具。实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目。

以北京乐步教育科技有限公司主持开发的NOBOOK虚拟实验室[18]为例，仿真物理实验室、仿真化学实验室[19]和仿真生物实验室是其主要项目，如图9。

虚拟实验平台可以按照实验教学的要求提供非常逼真的实验环境，没有时间、地点、空间的限制，而且安全可靠，现实生活中存在危险的实验可以在虚拟实验平台上进行操作。

以上虚拟现实和可视化技术的结合就是当前智慧教育中的最新发展，这种知识可视化形式为学习者提供了立体、直观的学习内容和教育场景，无论是VR还是AR技术，都是在为学习者打造多维的学习环境，基于三维立体空间将知识具体化、生动化、可视化，然而这种教学方式和学习方式的发展受到3D资源的制作难度大、制作人才少、技术设备造价高等问题限制，但相信随着技术的发展，这些困难会被一一克服。

五、智慧教育下的知识可视化应用

本研究不仅对基于智慧教育背景下的知识可视化进行了论述，并且进行了应用。以词云的制作和NOBOOK虚拟实验平台的操作为例。

1.词云的应用

本研究利用Word Cloud Generator进行词云的在线制作，以英国首相丘吉尔在二战时期的著名演讲《We will fight in the end.》为例，在文本框中输入演讲全文，即生成词云，见图10。

出现频率高的单词体积越大，不同的单词被标注成不同的颜色，在图中，很容易看出“fight”“defend”“power”“surrender”等词出现的频率较高，使例文的核心内容形象化，方便学习者更容易抓住长篇幅文章的中心思想，理解文意。同时词云的应用也锻炼着学习者的综合分析和判断推理能力，根据词云中词汇排列的不同位置、大小、颜色准确把握内容。

2.NOBOOK在线虚拟实验平台的应用

本研究利用NOBOOK虚拟实验平台进行在线化学虚拟实验，如图11所示。

页面右边是可选的实验器材，全部都是对真实的化学实验器材进行仿真模拟，所有元件都可以进行移动、删除等操作。本研究选取化学“铝和盐酸的反应”的实验器材进行实验。

按步骤操作后，操作结果出现，试管试剂内不断有气泡冒出，并且温度计显示温度升高，如图12所示。

虚拟实验平台以其逼真的立体环境和器材让学习者身临其境，并且解决了现实实验会存在的安全、成本、资源等问题，带来了新鲜的学习感受，从空间和时间的自由性上推动了智慧教育背景下的个性化教学发展。

六、结束语

教育与技术的结合是未来教育教学的趋势，其产物可以改变教学者的教学模式和方法，优化学习者的认知能力，促进学习者的学习能力，智慧教育的目标不再是培养知识型人才，而是创新型人才，而要到达这一目的，教学手段的革新必不可少。智慧教育下的知识可视化教学手段和工具将有效地提高教学的可视化、个性化、和交互性，进而提升学生的综合素质，随着社会的进步，科技的发展，更多富有新意的、多元的、“智慧”的知识可视化方法会被应用于教育教学当中。

参考文献：

[1]祝智庭.智慧教育新发展：从翻转课堂到智慧课堂及智慧学习空间[J].开放教育研究，2016，22（1）：18-26.

[2]杨现民.信息时代智慧教育的内涵与特征[J].中国电化教育，2014（1）：29-34.

[3] EPPLER M J，BNRKARD R A. Knowledge Visualization： To-wards a New Discipline and its Fields of Application，ICA Working Paper #2/2004[R].University of lugano.InSchwartz，D.G（Ed.） Encyclopedia of Knowledge Management.Idea Group，2004.

[4]赵国庆.知识可视化2004定义的分析与修改[J].电化教育研究，2009（3）：15-18.

[5]赵国庆.知识可视化的理论与方法[J].开放教育研究，2005，11（1）：23-27.

[6]王朝云，劉玉龙.知识可视化的理论与应用[J].现代教育技术，2007，17（6）：17-19.

[7]徐进.高中历史“可视化”教学研究[D].河南：河南大学，2014.

[8]崔春阳，戴心来，单畅.基于知识地图的高中微课资源网站导航设计[J].中国教育信息化，2016（7）：42-44.

[9]可汗学院.可汗学院官网[EB/OL].https：//www.khanacademy.org/exercisedashboard#，2017-05-01.

[10]伟东云教育.伟东云知识地图[EB/OL].http：//www.xunzhitu.com/knowledgePointsMap/visKMapView，2017-05-01.

[11]顾小清，冯园园，胡思畅.超越碎片化学习：语义图示与深度学习[J].中国电化教育，2015（3）：39-47.

[12]Insightmaker官网[EB/OL].https：//insightmaker.com/new，2017-05-01.

[13]Insightmaker官网[EB/OL].https：//insightmaker.com/insight/2068/Isle-Royale-Predator-Prey-Interactions，2017-05-01.

[14]杜华，孙艳超.文字云图在英语阅读教学中的应用研究[J].中国电化教育，2012（8）：115-119.

[15]王洪梅，王运武，吴健.3D数字化教学资源、未来课堂与智慧学习三元关系的新探讨[J].远程教育杂志，2017（2）：29-35.

[16]搜狐教育.虚拟现实技术正在走向教育领域[EB/OL].http：//www.sohu.com/a/104748163_440647，2017-05-01.

[17]站长之家.AR玩具，让我梦回童年[EB/OL].http：//www.chinaz.com/news/2016/0726/557277.shtml，2017-05-01.

[18]北京乐步教育科技有限公司.NOBOOK官网[EB/OL].http：//www.nobook.com.cn/，2017-05-01.

[19]北京乐步教育科技有限公司.NOBOOK在线化学虚拟实验平台[EB/OL].http：//huaxue.nobook.com.cn/，2017-05-01.

（编辑：王晓明）