基于概念图的可视化教学整合研究*——以地理概念为例

向芳玉，郝建江，顾文玲，黄冬明

（宁波大学 教师教育学院，浙江 宁波315211）

一、引言

近年来，基于计算机的可视化教学在教育教学领域中受到广泛关注与应用。大量研究表明，可视化技术不仅能促进知识的传递，训练学生的思维，而且能提高教师教学能力[1]，如王志军等构建的思维可视化课堂在小学语文阅读教学中取得了很好的效果[2]。在学科整合方面，是否可以考虑扩散到地理学科？其中，地理概念是用来表征同类地理事物、现象、演变进程的本质特征与联系的抽象概括，它不仅是理解地理学、认知地理环境的重要途径，更是学生地理素养的核心组成部分[3]，因此，地理概念教学研究一直受到广大教育工作者的关注。

目前，就地理概念教学而言，基于可视化技术的地理概念教学研究较少。其中，江静华[4]以概念图、思维导图、象形图为例列举了图式思维教学策略在地理教学中的具体运用；李露[5]聚焦于概念可视化，对教学中常见的可视化工具做了比较，针对地理课堂教学现状，提出使用不同知识可视化工具表征、学习地理概念。已有的研究表明，可视化技术更多地作为一种传授知识的工具或承载知识的载体出现在地理概念教学中，既没有解决当前地理概念教学中存在的问题（如忽视学生的地理“前概念”，忽视学生的认知能力差异，忽视学生的学习过程等[6]），也没有做到深度融入地理概念教学中，激发学生的学习兴趣，培养学生地理思维，体现学生的主体地位。本研究拟借鉴其他学科已有的可视化教学研究成果，针对地理概念复杂抽象、层次叠加等特性，运用 IHMC CmapTools工具，进行地理概念的可视化教学探索。

二、概念图促进地理概念教学的优势分析

概念图是诺瓦克博士等基于有意义学习理论提出的一种利用节点表示概念、连线表示关系，用于组织和表征知识的教学技术[7]。概念图除了用概念这一元素表达知识外，还可以利用图像化和动态化的多媒体素材、文档、网页等元素表达知识[8]。本研究中用的IHMC CmapTools软件不仅支持用户制作概念图，还能支持概念图的发布、共享、协作等操作。概念图在地理概念教学中具有以下优势：

1.支持地理概念可视化

“一图胜千言”，将知识或信息进行图式化更容易被记忆和识别，这一点已被论证。一方面，双重编码理论指出将知识同时以视觉形式和抽象语言形式呈现能降低认知负荷，有利于知识的记忆和识别[7]。另一方面，脑科学研究中也提到人的左脑加工文字内涵，右脑加工图形内涵，若两者同时进行能有效提高信息加工效率[9]。然而中学阶段，地理概念众多且复杂抽象、层次叠加，使得学生在学习时难以理解、识记。利用CmapTools将地理概念以及概念间的关系用图式化表征，能更简单、直观地呈现知识的结构性和层次性。形象的概念图能降低认知负荷，帮助理解语言或文字，习得知识，发展认知。

2.支持思维过程可视化

思维是不可见的，概念图支持以图式化的形式清晰地呈现出思维发生过程。将思维可视化能促进知识的高效理解、记忆和应用[10]。根据建构主义的学习观，学习是基于一定社会文化背景，学习者借助教师、同学或者其他人的帮助，积极主动地进行意义建构，发展自己的认知结构，获取知识。在学习方法上强调用探索发现的方法去建构知识的意义。因此，在进行概念学习时，绘制概念图有助于学习者发展认知结构，培养创新思维。此外，教育心理学家约瑟夫·D·诺瓦克教授在学生学习科学概念时，分别采用音频材料、常规的学校教学方法和概念图教学进行实证对比研究，结论得出，前两种方法学习科学概念的效果并不理想，而应用概念图组织科学课的学习不仅能促进科学课的学习，还能达到“学会有意义的学习”[11]。概念图不仅能揭示知识本身的结构特点，呈现结构清晰的知识脉络，还能呈现学生思维发生的过程，教师能根据反馈，顺着学生的思维引导学习或及时调整教学，完成学习目标。

3.支持交互可视化

概念图作为师生交互、生生交互的平台，为交互提供了载体，支持交互可视化，有利于师生之间的交流与协作。传统教学中，教师根据已有经验和学生成绩分析学情，师生间缺乏互动与交流。若利用概念图检测学习前概念，教师能很好地了解学生的态度、知识、观点以及思维方式。而且在课堂上，利用概念图作为师生教学的共同载体，既能发挥教师主导作用，设计教学思路，理清课堂脉络，又能体现学生主体性，开展头脑风暴，培养创新性思维。课后，作为评价学生学习效果的工具，概念图的完整性、广泛性、系统性、层级性等特征可以反映学生的认知结构及其对知识的理解与掌握、迁移应用以及知识创新等方面情况，教师根据概念图反馈的情况给出相应的评价和建议。另外，概念图能促进学生之间的合作交流与知识共享。在分组教学中，概念图能支持学生围绕主题进行有效讨论，将思路具体化、明确化，是一种能促进合作学习的有效方式。在绘制和完善概念图的过程中，能修正和完善自己对概念的理解，讨论交流中，训练思维，发展认知。此外，学生之间还能将自己制作的概念图分享到网络，支持学生间在线讨论交流。

4.支持知识体系可视化生长

无论对学习个体，还是对学习共同体而言，概念图支持其知识系统的可视化生长。新建构主义学习理论认为，网络是一个虚拟的知识银行，个人博客作为银行账户，学习者可采用“零存整取”的学习策略，通过对同一主题博文反复、迭代式的修改，可获取知识，实现化零为整、知识创新的目标[12]。同理，IHMC CmapTools平台亦可以作为一个虚拟的知识银行，个人账号为银行账户，采用“零存整取”的学习策略，既能将零散的显性知识系统化，又能将隐性知识显性演化。例如，学习个体学习完新课后完善拓展自己的概念图，将新知识点进行同化或顺应，梳理成新的知识系统，这种动态的操作可以一直伴随学习的延续，实现知识系统的可视化生长。此外，知识建构理论认为知识存在于团队中，需要通过社会协作的方式来创造与分享知识，实现个人和群体的知识增长与创新。已有研究表明，虚拟学习社区有利于学习者协作性的知识建构，实现知识的共享、收敛、凝聚和创生[13]。IHMC CmapTools平台作为虚拟学习社区，提供在线的数字化学习环境，支持个体学习与团队学习，在知识共享的基础之上，实现学习共同体的知识可视化生长。

三、基于概念图的地理概念可视化教学设计

1.基本思路

概念图支持下的可视化教学，就是要使学生、教师、交互活动、思维训练、知识传递及生长和概念图六者处于一个动态平衡、结构稳定的关系中，使得教学能突破时间和空间的限制。如图1所示，在概念图的支持下，在双重编码理论、知识建构理论、建构主义学习理论和新建构主义学习理论的理论基础上，采用个体自主学习、团体合作学习、协作学习等学习手段，实现知识传递，提高思维水平，促进个体和团体认知结构的共同发展，实现思维创新和知识生长。具体而言有以下三点：①概念图在整个可视化教学过程中的多角色性。提供环境，为整个可视化教学提供线上、线下的教学环境；作为学习工具，学生绘制、修改、拓展，不断完善概念图，教师通过概念图诊断学生的已有经验，借助概念图开展协作学习、传递知识、训练思维，评价学生的学习效果；体现教学成果，无论是学生个体自主完成的概念图，还是学生团队合作完成的概念图，以及师生协作完成的概念图，都体现了教学成果。②教学过程突破时空限制。将学生的学习和师生的交互拓展到了课前、课中、课后三个阶段，涉及到线上、线下两端活动，打破传统意义的教学模式。③教学强调四条主线（知识可视化、思维可视化、交互可视化、生长可视化），可视化既是目的，又是手段，还是表现。基于双重编码理论将知识可视化能降低认知负荷，促进知识获取；基于建构主义学习理论将思维可视化有利于提高思维水平，进行有意义学习；基于零存整取式学习策略，能促使个体知识体系不断拓展；基于知识建构理论强调的“共享共生”原则，利用团队协作学习活动，实现学习共同体的共同成长。

图1 概念图支持下的可视化教学框架体系

2.模式框架

从认识论的角度出发，人们对客观世界及其规律的认识是从具体到抽象再到具体，需要经历两次飞跃。地理概念的教学也遵循这一规律，东北师范大学的王向东也曾指出地理概念教学应把握四条基本原则，即从“微观→宏观”、从“孤立→联系”、从“抽象→具体”、从“书本→生活”[3]。概念图支持下的地理概念可视化教学很好地遵守上述原则，将概念、命题扩展为知识体系，从“孤立”走向“联系”，从“微观”成长为“宏观”；联系生活实际，从“书本”回归到“生活”；将知识进行图式化表征，使得知识从“抽象”变为“具体”；此外还将整个认知过程可视化。具体而言，概念图支持下的地理概念可视化教学模式主要包括课前（前概念诊断阶段）、课中（新概念习得阶段）、课后（概念图拓展阶段）三块内容，概念图既是学生获取知识的工具，又是反馈与调节教学的手段。

（1）课前设计

课前是前概念诊断阶段，一般操作模式如图2。教学中，学生会对学习的新概念有些零碎、模糊甚至错误的认识，将对新概念的学习存在很大影响。在传统教学中，虽然教师可以通过课前测试以及前期教学经验预测学生的困惑点，但是对于学生的思维过程仍然不能呈现。采用概念图作为前概念诊断工具能很好地解决上述问题。此外概念图在这个阶段还担任新知预习的工具，学生通过自主学习和合作学习完成对新知识的预习任务。

前概念诊断阶段具体包括三个教学环节：①合作制图。教师依据教学内容提出学习任务和目标，还可以准备一些非教科书上的资源提供给学生。学生先进行个人自主学习，再结合小组合作学习，分工绘制概念图。概念图作为学生合作学习进行概念表征的认知工具。②分析比较。教师分析学生制作的概念图，诊断学生的前概念，设计教学。学生间可以比较不同小组的概念图，找出相同点和不同点，着重思考不同点。概念图在这个环节实现了师生间、生生间交互可视化。③课前准备。教师做上课前的最后准备，可以与其他教师进行交流，梳理上一个环节发现的问题，提出拟解决方案。学生间就前面的不同点进行交流讨论，还可以通过收集资料去解决自己的困惑。概念图作为展示工具，学生相互浏览各小组绘制的概念图。

（2）课中设计

课中是新概念习得阶段，一般操作模式见图3。概念的习得过程就是学生感知概念表象，对表象进行分析比较，抽象概括出概念模型，对模型深入理解，运用概念去解决问题的认知过程[13]。在传统教学中，通常利用多媒体技术将地理概念课堂进行一定程度的可视化表征，这种方式主要突出了教学内容的可视化，忽视学生思维的发展。概念图支持下的可视化课堂，不但能进行知识表征，实现教学内容可视化，而且能训练思维，实现教学过程可视化，此外还为课堂交互提供载体，实现交互可视化。

图2 课前——前概念诊断阶段的一般操作模式

图3 课中——新概念习得阶段的一般操作模式

新概念习得阶段包括四个环节：①概念引入。教师利用多媒体或教具呈现学习材料，创设情境，抛出问题，激活学生思维。学生体验学习材料，感知概念表象，结合课前预习，初步建构概念模型。概念图作为思维工具，根据教师抛出的问题，刺激学生认识，引发思考。②概念建立。教师应将知识放在教学重点上，继续引导学生探索新知。学生将已有的线索对比分析，归纳概括，不断完善概念图。概念图作为交互平台，支持师生协作交流，共同建构概念模型。③概念理解。教师设计活动，将上一环节形成的概念图和学生之前的概念图作对比，并在活动结束时总结大家的薄弱点和困惑点，突破难点。学生可以展示讲解自己组的概念图，相互评价，深入理解。概念图在这个环节主要作为展示工具，呈现各组的概念图进行比较，深化学生认知。④概念运用。教师联系生活，创造问题情境，设计合作学习活动。学生展开合作探究，讨论解决问题方案，然后班级展示各个小组成果，最后相互评价，教师总结。概念图作为思维工具，利于学生进行头脑风暴，集思广益地呈现问题的解决方案，实现知识创新。

（3）课后设计

课后是概念图拓展阶段，一般操作模式见图4。这个阶段概念图主要的功能是实现学生个体和学习共同体的知识拓展，以及作为教师评价学习效果的参考依据、进行教学反思的有效手段。传统课后知识拓展体现在课后作业上，学生很少结合新旧知识做知识体系的梳理。概念图支持下的地理概念可视化教学，结合传统教学中课外作业补充拓展学生知识这一点，还有助于学生将新旧知识快速而高质量地整合，体现知识生长可视化。例如，学生学习每节课的内容很容易归类到一个教学单元，然后这个单元再连接上一个教学单元，这样很容易建构学科知识体系。此外，概念图支持跨越时间和空间的协作与交互学习，支持知识的共建共享。

概念图拓展阶段主要包括三个环节：①任务驱动。该环节主要内容是教师布置难度较高的课外作业，并且可以给出一些学习资源供学生学习使用。学生将自主学习与团队合作学习相结合，完成相应任务。这里概念图作为认知工具，可以将教师留作课外学习而获得的新知识补充到前面的概念图中。②概念拓展。根据前面的概念引入、建立、理解、运用、创新等操作，这个新概念已经被习得。这个环节的主要内容是教师根据学生上一环节完善的概念图提出一些反馈意见，同时根据各小组前后几次呈现的概念图做教学反思，总结此次教学过程中存在的问题。学生则是结合新旧知识拓展概念图，并且可以分享发布到概念图平台，供其他组成员查看，作为集体的共同知识财产存储于概念图平台。③概念评价。利用概念图作为师生互评、生生互评的评价工具，教师对学生的学习效果可以进行形成性评价、诊断性评价，学生对自己的学习效果可以进行自我评价，学生之间也可进行互相评价。

图4 课后——概念图拓展阶段的一般操作模式

四、基于概念图的地理概念可视化教学应用

本研究为探究基于概念图的可视化教学模式的应用效果，选取浙江省宁波市镇海区的某中学高一年级的两个班级为实验对象，通过调查可知这两个班学生的整体素质很接近。两个班级由同一名地理教师教学，教学内容和课时数均相同。研究者随堂听课，观察和记录学生的学习状况和课堂表现，并通过访谈了解学生的学习兴趣和学习态度，结合学生绘制的概念图谱、课外作业、成绩考核等方式来掌握学生的认知能力和思维水平。

实验时间持续了一个多月，实验内容为《地理（必修一）》的第一章节“行星地球”。实验前的相关准备包括：实验班每位学生注册IHMC CmapTools账号，学会如何制作概念图；对实验班成员分组，每组选一名组长；建立设置所需的云文件夹“行星地球”和每个小组使用的子文件夹，对每个子文件设置组长为管理员，并且将该文件夹放到公共服务器上。实验中，则按照上述的一般操作流程操作，对于实验班，协助地理教师在每一节课前准备相关的资源提供给学生，要求学生绘制概念图式作为课前预习。以第一节“宇宙中的地球”为例，学生绘制的概念图如图5，通过分析发现，学生通过预习能清楚天体系统的层级结构，并且能找到地球在宇宙中的位置，但是学生对概念的理解程度不深，横向比较欠缺。此外，学生将“天体”解读为天上的星星，前概念错误。

图5 学生课前绘制的概念图

因此，教师在课上将突出概念间横向关系比较，引导并加深学生对概念的学习深度。在课上伴随学习和讨论，学生对这节课的理解加深，完善了概念图式，见图6。由图6可知学生对这节课的理解更深入，能够从更专业的角度分析地理问题，已经能够梳理出本章节的核心概念，而且对概念的解读也更加全面。图7是学生对“天体”这一概念的解读，可以看出学生对概念的理解已经不局限于文字定义，而是能从地理的角度（5W）对概念进行分析，更全面、深入地理解地理概念。关于最下方独立出来的概念框，里面的内容是对这个概念的迁移应用。这表明学生利用图式获取知识的同时，其地理思维也得到了发展，迁移应用能力也得到提升。当然，这个迁移的内容也是学生课后对概念图的拓展。学生可以在每个概念下加入概念的考点和易错点。

图6 学生课上完善的概念图

图7 “天体”的概念图

关于实验结果，学生学习的积极主动性提高，能力得到提升，思维得到发展。通过访谈和观察学生课堂表现可以发现，实验班学生的学习兴趣和学习态度有显著变化。实验班学生普遍反映，运用概念图式学习，自己动手动脑的机会更多，会有意识地将生活中的地理纳入自己整理的知识体系，也会将自己平时作业的易错题加入概念图式中，发现更多学习的乐趣。通过成绩测验，实验班的成绩明显优于对照班，尤其是在非选择题型中，实验班人均得分比对照班高3.56分，可以发现在基于概念图的可视化教学模式下，实验班学生对地理概念的理解更加深入，并且在绘制分析概念图式时培养了综合与发散思维的能力，能从多角度解释地理现象，提高了分析和解决问题的能力。但是，实验中也存在一定限制，由于课时有限，且需要跟上整体教学进度，在讨论交流时只能在一定程度上给学生自由发挥的空间，没有实现思维更高级的发展。实践证明，基于概念图的可视化教学模式能创造一个互动活泼的教学环境，提高学生的学习积极性，促进学生对地理概念的学习，建构系统的知识体系，培养了综合与发散思维的能力，学会多角度的思考，提升分析和解决问题的能力。

基于概念图的可视化教学模式能有效解决当前地理概念教学中存在的问题，对于教育组织者而言，可利用线上线下多维互动，检测诊断学生的“前概念”，根据学生认知差异组织个性化教学，在小组协作的基础上培养学生的合作交流能力，训练其综合和发散思维的能力，提升分析解决问题的能力。对于学习者来说，基于概念图的可视化教学可以实现以学生为中心的学习体系，能激发学习兴趣，提高学习的积极主动性，培养学生自主学习和合作学习的能力，并且能参与知识建设，以地理概念为基础，建构自己的知识体系。当然，如何建设和更有效地管理概念图在线平台，如何在教学中做到更合适的引导、点评，让学生的思维能力在有限的自由空间内充分发挥，需要教育工作者不断努力。