知识可视化在教育中的应用与展望

张慧琳

（东华大学媒体1802，上海 200050）

引言

“为什么老师讲了很多遍，学生还是搞不懂？”“为什么学生花了许多时间，可依旧学不好？”无论是在家里还是在学校，几乎每天我们都可以看到在“教”与“学”中痛苦挣扎的人。随着互联网技术的发展和“互联网+”概念的不断深化，“互联网+教育”称为热门话题，人们在不断探索 “怎样才能帮助教师更有效地教”“如何才能帮助学生更高效地学”地过程中，知识可视化这一个新兴研究领域应运而生，基于科学计算、数据、信息可视化基础上发展起来，促进群体知识的传播和创新，人们对于它未来的发展充满了期待。

一、知识可视化的概念、特点和意义

（一）知识可视化的概念

赵慧臣认为，知识可视化是能够用来构建、传达和表示复杂知识的图形手段，通过视觉表征的形式帮助人们重构、记忆和运用知识，促进知识的传播与创新。这种视觉表征与其他视觉表征过程的最大区别在于，知识可视化的视觉表征形式的认知特点[2]。

知识可视化的定义揭示知识可视化的实质在于利用表征手段将内隐的和隐性的个体知识转化成能够直接作用于人的感官的( 能够触摸到、看得到、听到或操作的) 外显知识，并因形象生动而利于知识信息在人与人之间的传播和接受。[3]

（二）知识可视化的特点

1.形象性：我国著名学者钱学森在《系统科学、思维科学与人体科学》一文中谈到，“形象思维与抽象思维都是科学研究中不可缺少的思维手段，我们以前对抽象思维研究较多，而对形象思维则缺少认识”。他还明确指出，形象思维学应是思维科学中三大基础科学之一，必须给以足够的重视。可见，形象性是知识可视化的首要特征。[10]

2.自主性：信息技术的发展使教学越来越依赖网络，课堂教学正悄悄地“以教为中心”转向“以学为中心”，其目的是跨越虚拟世界和实体世界的鸿沟，使电脑与人脑实现虚实融合，拓展和延伸人脑的知识容量，获取自己想要的东西。网络环境下，教师不再是知识的传授者，而是教学的组织者和协调者。这不但拓宽了学生的视野，提高了教学的效率，扩充了教材的意义，而且锻炼了学生自主学习的能力。[10]

3.陶冶性：可视化作为重要的信息载体，呈现形式丰富多样，它不仅对文字叙述进行补充和说明，而且是一种认知的“艺术”，具有审美性。此外，在课堂教学中运用可视化技术来展开交流和讨论，其目的不止于促进两个或两个以上人之间的知识传递和创造，还有利于激发人的情感。在可视化的课堂对话中，学生的思维处于开放、自由和兴奋状态，往往会表现出积极、主动、活跃的行为，在表达自己的认知感受时不由自主地会带有情感因素。可见，将知识可视化的审美性和情感性结合起来，就具有陶冶性情的功效和魅力。[10]

4.创造性：重视对学生视觉思维能力的培养和训练，并科学地运用视觉思维及其意象的创新功能，这是教育工作者的责任，也是当前课程教学变革的重点。另一方面，通过可视化的手段可以放大知识建构的细节，提高知识传递的效率，开拓知识的研究领域，计算机程序的开发和应用为知识的再组织和再建构提供了广阔的舞台，直观的图形知识使学生能在短时间内抓住知识的关键点和获取图形文本的整体意图，从而推动思维快速地运转，可以说知识可视化为学生潜在创造力提供了某种可能。[10]

（三）知识可视化的意义

1.视觉是接受信息的重要通道

戴菲儿幻想秦川会一心一意地守着她，直到她死去。为此她加倍取悦秦川补偿秦川，她认为即使她是一条狗，秦川也会被感动。直到秦川带回一个叫做艾莉的妖里妖气的女孩，戴菲儿才相信，之前秦川对她的爱和依恋，全都是假象。玩偶只是玩偶，玩偶只配为男人的器官活着。

大量的实验证明, 人类在接受的信息中, 通过视觉获得的占 83%, 听觉占11%,嗅觉占3.5%, 触觉占1.5%, 味觉占 1%, 这说明视觉是人们接受信息的主要通道。当代生活或文化中方方面面都要求某种程度的视觉性和视觉效果，无处不在的视觉化扫荡了一切领域和传统规则, 把可视性凸现了出来。这种难以抗拒的视觉化趋势, 在相当程度上表明 :我们用以表征、理解和解释世界的方式越来越呈现出图像化的特征, 视觉经验具有越来越重要的作用。利用可视化技术可以将抽象的事物或过程变成利于被人们接受和认知的图形图像, 大大有利于知识的理解和传播。[5]

2.降低认知负荷，提高知识传递效率

任何一种新技术的发明和运用 (感觉的延伸 )都改变着我们思想和行为的方式,即我们感知世界的方式。同样的内容, 不同的呈现方式, 会带来完全不同的效果 。比如教学, 同样内容不同老师授课, 同一老师同样内容以不同方式授课, 所取得的效果肯定是不同的;口耳相传的教学方式与在现代教育思想和教育理论指导下、且有多媒体支持的教学方式肯定也是不同的。由此可见, 外在呈现方式是如何重要的影响着知识内在内容的认知, 理解和传播, 甚至决定着内在内容的生存质量与发展方向。[4]

二、知识可视化工具及设计方法

（一）知识可视化工具

1.知识地图

知识地图又叫作认知地图、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”。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。[1]

2.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。

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。[1]

3.3D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。 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。

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。[1]

4.思维导图

思维导图是提高学习者发散思维的有效途径。它最初是由 Toni Barzun创造的，是一种记笔记的方法。这种工具应用于生活的各个方面，尤其在教育中，一线教师非常重视这种工具的使用并培养学习者的运用意识，学习者通过这种方式，不仅可以使自己的思路变得清晰，进而加深对知识的理解和记忆，而且会逐渐形成这样的发散思维，对以后解决生活的各种问题都有很大的益处[4]。

5.概念图

概念图是由著名的教育心理学家、美国康奈尔大学教授约瑟夫•D•诺瓦克基于奥苏泊尔的同化理论提出的一种增进理解的教学技术。具体是通过表示概念与概念之间关系的图示来组织和结构化知识，从而帮助学习者学习。在诺瓦克提出的概念图中，包括“概念、命题、层级结构和交叉连接”这四个核心要素。

因为一个单独的概念无法告诉我们任何信息，但是在意义学习的过程中，可以通过概念图中反映出的“概念和命题”的层级关系来判断学习者的认知结构，而且在概念图中展示出的“交叉连接”可以引发新的创新性见解。运用概念图进行教学，它不仅可以用来培养学生逻辑性思维和学习技能，还可以帮助学习者了解单个思维是如何组合成为思维整体的。[7]

6.Metafora平台

Metafora可视化学习平台的设计理念是利用可视化图示方式，通过带有小组规则和语义的图形表征协作过程中的一般规律，为协作学习场景提供过程性的工具支持，促使学生在科学课或数学课中进行协作探究式的学习，其中主要包括“计划工具(Planning Tool)”和LASAD工具。

它与以往的可视化工具不同，它的特色在于这些可视化图标可以用来表征问题解决过程中涉及环节和步骤的语义，使得问题解决的具体环节和步骤能够显性化。通过这种对小组问题解决过程进行模拟，不仅可以促使小组成员了解问题解决的进展，为指导后续问题解决的计划提供显性支持；还可以让小组成员形成类似的问题解决过程的思考模式和规则，有利于在其他问题情境中顺利找到问题解决的思路和方法，从而提高学习效率和创造性。[7]

（二）知识可视化教学设计方法

知识可视化技术的发展，离不开现代信息技术的飞速发展，同时也为信息技术的应用和推广提供了更为广阔的空间。通过人工智能手段去促进和推动知识特征的提取和知识再现，以及在此基础上利用数据挖掘等多种手段促进知识传播过程中的有效性和高效性的实现，都是信息技术在知识可视化和知识传播过程中的宝贵应用。[6]

在可视化教学应用中，我们设计高度互动的教学方法。我们尝试在课堂中广泛应用现实生活中的可视化素材，灵活应用知识可视化软件，努力通过详尽的图形框架,将学生学习过程可视化。我们也一直面向众多的专业教师，训练他们的可视化教学能力。

一般情况下，在设计可视化教学方法时，我们应 该关注以下问题:1 )在学科教学中，学生已经知道了哪些知识?我们如何将他们已有的知识可视化?2)在学生现有知识水平上，他们还需要学习什么?我们如何将这些知识可视化，以满足他们的需求?3)在具体的可视化方法中，我们如何才能有效地传 播和构建知识?怎样传播是什么(know-what)的知 识，呈现怎么样( know-how)的知识?怎样通过视觉故事，讲述为什么( know -why)的知识? 4)学生如何 借助可视化手段,开展专业学习? 5)我们如何以交互方式测试和评估学习进度，并以可视化形式为他们提供学习反馈?[8]

可视化教学设计有以下三个主要特征：其一，可视化教学设计就是通过画图找逻辑关系，更多地体现了直觉分析的方法；其二，可视化教学设计可以简化设计结果表述的方式； 其三，可视化教学设计是一种深层次加工处理教学信息的过程，是对简单文字描述的提炼和概括，更有利于指导教学方案的执行。[9]

针对大学生课堂知识获取过程中大脑对信息解码能力的有限性，可以通过调节设计负荷降低可视化教学中的认知负荷。为了避免“冗余效应”，可以通过颜色、纹理和透明度编码降低外在认知负荷，减少无关信息的凸现程度、避免界面呈现的冗余性。图形编码可以通过工作记忆中的视觉表象加工获取比文字加工更快的速度。形状编码通过调节知识的觉察程度、分辨力和可理解性降低认知负荷。多媒体人机界面中，视觉复杂性通过影响大学生的认知复杂度，可以作为评价内在认知负荷的一个指标。因此，布局、方向和位置作为调节外在认知负荷的编码因素，影响识别绩效。借助于可视化结构的指导，可以有效建立“心智模型和图式”，应促进材料和学习者之间的交互和关系。[13]

三、结语

人们从未停止过对“如何教”“如何学”的探索，知识可视化是人们在探索道路上迈出的一大步。从相关概念的诞生到现在，人们在日常教学中实践着知识可视化的方法并且不断创新改进。人们掌握了许多实现知识可视化的技术手段，同时也提出了很多新的构想丰富其内涵。知识可视化涵盖的范围十分广泛，相信随着科技的进步与革新，知识可视化会在教育教学活动中的重要性会进一步提升，迎来更大的发展，同时也会不断进步，适应社会发展需要，让人们更愉快更轻松地掌握知识。