知识可视化的理论及其在教育教学中的应用

1、知识可视化的理论及其在教育教学中的应用The Theoretical of Knowledge Visualization and Its Application in TeachingLU Rui1, WU Yu-qin2(1.Wuhan University, Computer College, Wuhan 430072, China; 2. Ningde Teachers College, Ningde 443100, China): This paper focus on the development of knowledge visualization and analysis t

2、he theoretical basis about it. The target and method in the how tovisualization to be concerned. We use the concept map in the teaching to help studentsunderstand the knowledge, and give teacher a reference to help the spread and innovation of knowledge.1 知识可视化的概念 人们在认识事物的过程中大脑主要用于处理和分析视觉图 像。与文本比较，大

3、脑处理图像比处理文本具有更大的优势。基 于人们认知过程中对图像等相关信息的敏感性，在 20 世纪八十 年代，美国国家自然科学基金会 ( National Science Foundation, 简称NSF首先提出了科学计算可视化(Visualization in Scie ntificComputi ng)的概念，其目的是将日益增多的海量科学计算数据通过可视化的方法表现出来， 以便于被人们利用和 理解。数据可视化( Data Visualization )将可视化对象由科学数据进一步拓展到工程数据和测量数据的可视化， 现代的数据可视化技术指的是应用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换为图形或

4、图像在屏幕上显示出来， 并进行交互处理的理论、方法 和技术。信息可视化( Information Visualization)主要考虑对非空间数据的可视化。随着社会信息化的发展和网络技术的不 断推进，信息源越来越庞大，人们迫切需要在海量信息中去发现 信息之间的关联和发展趋势。 Card et al. 将信息可视化定义为： “使用计算机支持的、交互式的视觉表示法，对抽象数据进行表 示，以增强认知。”Eppler,M.J.&Burkand,R.A.(2004) 认为：知识可视化 (Knowledge Visualization)是在科学计算可视化、数据可视化、信息可视化基础上发展起来的新兴研究领域

5、， 应用视觉描述， 促进群体知识的传播和创新。 一般来讲，知识可视化研究领域研 究的是视觉描述在提高两个或两个以上人之间的知识传播和创 新中的作用。这样一来，知识可视化指的是所有可以用来建构和 传达复杂知识的图解手段。 除了传达事实信息之外，知识可视化 的目标在于传输见解( insights )、经验( experiences )、态 度( attitudes )、价值观( Values )、期望( expectations )、 观点(Perspectives )、意见(Opinions )和预测(Predictions ) 等，并以这种方式帮助他人正确的重构、记忆和应用这些知识。知识可视化

6、的形式复杂多样，有概念图表、交互的视觉隐喻、 知识地图、思维导图等。根据他们的内容，接受者捕捉的不只是 描述的事实或者数据，还有里面本身包含的理解、规律和关系。 根据他们的形式， 知识可视化依赖间接的交流来激发接受者对浏 览图片的认识，刺激他们对图片的完整理解。2 知识可视化的理论基础与实质 知识可视化基于人们认知过程中对图像的敏感性而提出， 其 主要目的是促进人与人之间的知识传播。 而对于知识可视化的理 论基础，北京师范大学知识工程研究所的赵国庆老师等在国内最 早提出了以双重编码理论为知识可视化的理论基础 1 。双重编 码理论的一个重要原则是： 同时以视觉形式和语言形式呈现信息 能够增强记忆

7、和识别。 该理论认为， 语言系统直接处理语言的输 入和输出（以书写和演讲的形式），同时充当非语言对象、事件 和行为的符号功能， 任何表征理论都必须符合这一二重性。 该理 论假设两个认知子系统，一个专门用于表征和处理非语言对象 （如表象），另一个则专门用于处理语言对象。同时还假定有两 个不同类型的表征单元： imagens 和 logogens ， imagens 用于表 征心里图像， logogens 用于表征语言实体。 logogens 是以关联 层次的形式组成的，而 imgeans 是以部分 - 整体关系组织的。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 言的直接激活

8、； 2） 调用性的，通过非语言系统及或语言系统或 反过来通过语言系统及或非语言系统； 3） 联合加工，在语言系 统内部或非语言系统内部的表征的激活。 一个任务可能需要三种 加工中的一种和全部。 从双重编码的理论可以看出， 知识可视化降知识以图解的方式表示出来， 为基于语言的理解提供了良好的 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。而在最近的研究过程中， 徐州师范大学的王朝云老师等提出 了“经验之塔”是知识可视化理论基础的认识 2 。该理论将学 习经验抽象为做的经验( doing )、观察的经验( observing )、 抽象的经验( symbolizing )和学习

9、经验的视觉隐喻( visual metaphor of learning experience)，其中做的经验在人的学习和认知过程中处于最基础的地位， 而学习经验的视觉隐喻由于 其固有的抽象性处于金字塔的塔尖。“金字塔理论”专注于从可视化的角度理解和解释知识以 及将知识图示化和图表化这一过程的思维和动机， 强调了将知识 可视化的过程作为人们认知过程中金字塔的形成的过程。 而赵国 庆老师等主要从认知科学的角度从更广义的角度提出了对知识 可视化的理解， 不仅强调了知识可视化过程中可视化知识的生成 过程，更强调了这些生成的知识与人交互过程中同人们的认知过 程的协调和相互作用，体现了人 - 人交互的认

10、知本质。知识可视 化的本质是将内隐知识或隐形知识外显化，将外显知识生动化。 而无论是知识的外显或知识的生动表示， 均是为了更好的促进人 们对知识的认识， 这一认知过程不仅不仅包含了我们将抽象的知 识可视化的过程， 更重要的是要考虑如何将知识可视化， 以及可 视化为何种形式和内容以便于更好的让人们理解和学习， 最终促 进知识的传播。对于知识可视化的构造者而言，需要依据认知心理学、 人工智能等相关领域的知识确定对知识的表征， 并基于知识的表 征去联系计算机图形学考虑如何将知识表征用计算机和网络技 术加以表示， 形成能够被更多人接受的知识载体。 而对于知识获 取者而言， 需要对表征知识的载体形式能够

11、有一些了解， 并能够 在此基础上加工， 形成自己的知识并能够创造新的知识。 由于不 同人的认知水平和认知过程的不同， 以及知识可视化传播过程中 人们对知识的理解和创新的方向不同， 在知识的传播过程中必将 更好的发挥知识可视化的优势， 不断将知识变的外显化， 更容易 被人们理解。3 知识可视化的研究框架 为了更好的促进知识的有效传播和创新， 我们应该从如下几 个角度考虑知识可视化的实现过程： 1) 区分知识类型，从知识 管理文献的角度将知识区分为描述知识、程序知识、经验知识、 定位知识、 个体知识中的一种， 并依据知识的具体内容将知识区 分为图表表示、图像表示、视频表示、多媒体表示等不同的表示

12、方式； 2) 确定知识接受者的水平和目的，并选取合适的可视化 知识载体形式。 例如针对小学生对各类知识的认识， 我们主要考 虑以多媒体和图像等容易被儿童认识和接受的手段实现对相关 知识的可视化； 对于青少年学生， 我们除了利用图像和多媒体手 段外，我们也可以引入图表分析和分析过程图示透析等方法让学 生能够从推理过程等方面更好的理解和应用所学知识； 而对于成 年人，我们除了要考虑它们的只是水平和知识范围之外， 同样要 考虑知识的趣味性和易懂性去考虑知识的组织和可视化的实现； 3) 结合计算机知识和人工智能知识确定知识可视化的数据结构 和形式， 并通过机器实现可视化； 4)在知识传播过程中反馈信息

13、 并不断改进， 以更好地被知识接受者理解和创新。 知识可视化的 内容依据不同的知识受众群体而在传播过程中有很大的差异， 需 要我们在知识可视化过程中关注知识的过程中更多的考虑其中 的人一人交互，更好的促进知识的传播。4 知识可视化与信息技术发展 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。 同时， 知识可视化的过程本身也为信息技术这一类 知识

14、的传播提供了更加有效的手段， 只有充分利用信息可视化的 基础，充分利用知识本身的特点和条件， 积极推进电化教育等教 育技术手段的革新，不断开拓视野，提高知识传播效率，才能更 为有效的促进知识与信息技术的融合， 提高知识可视化的利用效 率，拓宽知识可视化的利用范围。5 知识可视化的在教育教学中应用 知识可视化在现在的应用中主要有概念图、知识导图等方式，以便于只是受众能够通过对概念的理解建立自己的认知思路 和过程， 并通过概念图的分析理解概念的结构层次和关系。 下面 以概念图在授课中的应用简要分析其在教育教学中的应用： 1) 学生预习相关内容并找出相关的概念， 根据自己的理解描述概念 之间的联系； 2) 讲授课程内容，并结合相关内容特别提示课程 内容中的相关概念； 3) 学生根据上课所讲授内容以及自己对课 程内容的理解，构建相关内容的概念图； 4) 让学生之间互相交 流他们对所学内容的理解和认识； 5) 以一个或几个有代表性的学 生所画概念图为基础， 教师讲解对概念的理解， 并鼓励学生表述 自己的理解， 拓展学生的发散思维； 6) 不断在复习等阶段应用上 述方法去体会和理解课程中的概念， 建立对整个课程