教学策略与新技术的可视化呈现

2023-11-03 理论教育版权反馈

【摘要】：关于知识可视化工具的分类问题，国内外研究者从不同的视角给出了不同的分类标准。本文探讨的是新技术支撑下知识可视化分类。概念图是使用节点代表概念，连线表示概念间关系，由包含一个概念的节点及连接组成。概念图已在实际教学中被广泛应用于复杂知识网络的呈现和发散性思维的训练。但是它的可视化功能弱，常常用于知识可视化前期的数据预处理，然后输出到Pajek、Netdraw和SPSS等软件中进一步可视化。

关于知识可视化工具的分类问题，国内外研究者从不同的视角给出了不同的分类标准。比如视图形状、可视化软件工具、教学功能、意义学习支撑维度等等。本文探讨的是新技术支撑下知识可视化分类。因此，我们尝试从静态的视图形状和动态可视化实现两个角度来探讨这个问题。

（一）从视图形状角度看知识可视化工具的分类

皮尔斯（Pierce J.Howard）在专著中总结了48种图表形式，包括概念地图、维恩图、归纳塔、组织图、时间线、流程图、棱锥图、射线图、目标图、循环图、比较矩阵等。

下面我们重点介绍部分常用的视图工具：

1.比较矩阵

比较矩阵其实就是我们常见的表格，它是最为常见的可视化形式之一。比较矩阵便于呈现知识的关键特征，从而加以分析和比较。在矩阵中，多个知识点（概念、要素或实例）以类聚的方式被罗列出来，很容易表现它们的相似性与差异性。在实际教学中，比较矩阵还可以转化为更为直观的形式，如曲线图、柱状图、饼图等。比较矩阵的实现很容易，在常用的Office办公软件，如Word、Power Point中都可以实现。当然最专业的要属其中的Excel电子表格工具，它不仅具有强大的制表功能，而且能很方便地把表格转换成曲线图、柱状图等其他形式。

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图5-5　高中生肥胖、低体重干预项目体育成绩对比表

2.流程图

流程图可以清晰地呈现复杂问题解决的步骤、条件以及因果关系。在实际教学中，流程图运用最多的恐怕就是在计算机语言的教学中。在用计算机语言编写程序时，大段的程序段落让人看起来很费劲，有时还难以理解。用流程图来呈现，程序的编写思路和过程就能被很清晰地展示出来。其实在很多其他学科的教学中，流程图同样也是帮助我们理清问题解决思路的有效工具。例如图5-8，在教学设计中我们常常会用到这样的流程图来帮助我们呈现教学过程与实现目标。

3.概念图

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图5-6　流程图范例

概念图是康乃尔大学的诺瓦克（J.D.Novak）根据奥苏贝尔（David P.Ausubel）的有意义学习理论提出的一种教学技术。根据诺瓦克博士的定义，概念图是用来组织和表征知识的工具。它通常将某一主题的有关概念置于圆圈或方框之中，然后用连线将相关的概念和命题连接，连线上标明两个概念之间的意义关系。概念图是使用节点代表概念，连线表示概念间关系，由包含一个概念的节点及连接组成。连接被贴上标签并用箭头符号指示方向，被贴上标签的连接解释节点之间的关系，箭头描绘关系的方向，“概念—连接词—概念”这样一个三元组形成了一个命题。另外，概念图是具有层次结构的，最高级的概念处在顶端。人们可以用适合的关联词来说明不同层次的概念之间的关系，并确定不同分支之间的横向联系。概念图这种知识可视化方法最大的优点在于将知识的体系结构（概念及其概念之间的关系）一目了然地表达出来，还突出表现了知识体系的层次结构。

其实，概念图很像一张有很多节点的“网”，可以很方便地表征出知识点（概念、要素或实例）之间的关系，更重要的是在“织网”的过程中可以引发新的思考，出现新的节点，从而使这张“网”越来越复杂，这非常符合人们的发散思维方式。概念图已在实际教学中被广泛应用于复杂知识网络的呈现和发散性思维的训练。下图是细胞知识的概念图。

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图5-7　细胞相关知识概念图

4.思维导图

思维导图又叫心智导图，是表达发散性思维的有效图形思维工具。它简单却又很有效，是一种实用性的思维工具。思维导图运用图文并重的技巧，把各级主题的关系用相互隶属与相关的层级图表现出来，把主题关键词与图像、颜色等建立起记忆链接。思维导图充分运用左右脑的机能，利用记忆、阅读、思维的规律，协助人们在科学与艺术、逻辑与想象之间平衡发展，从而开启人类大脑的无限潜能。思维导图因此具有人类思维的强大功能。

思维导图是一种将思维形象化的方法。我们知道放射性思考是人类大脑的自然思考方式，每一种进入大脑的资料，不论是感觉、记忆或是想法——包括文字、数字、符码、香气、食物、线条、颜色、意象、节奏、音符等，都可以成为一个思考中心，并由此中心向外发散出成千上万的关节点，每一个关节点代表与中心主题的一个连结，而每一个连结又可以成为另一个中心主题，再向外发散出成千上万的关节点，呈现出放射性立体结构，而这些关节的连结可以视为人的记忆，就如同大脑中的神经元一样互相连接，也就是个人数据库。

例如图5-8，是算法综合与实例的知识网。(www.chuimin.cn)

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图5-8　算法与实例章节的思维导图

5.知识图谱

知识图谱的绘制^[4]工具可分为两大类：一类是通用软件，如SPSS，知识图谱研究常常用到其中的多维尺度分析、因子分析和聚类分析；Ucinet和Pajek为目前最流行的社会网络分析软件，常用来分析与展示知识间的关系，其中Ucinet集成了包括Netdraw在内的多个可视化软件；此外还有词频分析软件Wordsmith Tools和GIS相关软件。另一类是专门软件，专门用于知识图谱绘制的软件，也有许多类型，有些是针对某些特定领域，有些是个人未公开的。Bibexcel是由瑞典科学计量学家Persson开发的专门文献计量分析免费软件。其分析功能强大，可从众多数据库中读取数据，提取多种知识单元及关系数据，并通过不同方法简化和规范化数据。但是它的可视化功能弱，常常用于知识可视化前期的数据预处理，然后输出到Pajek、Netdraw和SPSS等软件中进一步可视化。

如图5-9的知识图谱例子所示，中国是一个实体，北京是一个实体，中国—首都—北京是一个（实体—关系—实体）的三元组样例，北京是一个实体，人口是一种属性，2069.3万是属性值。北京—人口—2069.3万构成一个（实体—属性—属性值）的三元组样例。

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图5-9　知识图谱范例

（二）从动态可视化角度看知识可视化工具的分类

新技术带给知识可视化最大的“革命”莫过于给原先静态的图形于动态的变化，使知识的链接从一个平面发展到立体的空间，从一成不变发展到即时更新。这里，我们介绍两种常用的可视化动态画面形式。

1.虚拟动态画面

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，它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，提高学习效率都大有裨益。

如图5-10是查看上海陆家嘴金融区的三维图样例。

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图5-10　上海陆家嘴金融区的三维图样例

2.真实动态画面——视频录制

视频录制是教师常用的一种知识呈现的手段，目前常用的视频录制工具有传统的摄像机和各类新型的录课笔。录课笔是专门用来边讲课边录课的笔，录课笔结合了特有的二维定位及追踪技术，使用超声波和红外线的接收及发射感应技术，来处理讯号及定位，并与计算机、个人数码处理装置结合，用专业的笔，普通的笔芯，在普通的纸上就可以撷取数码笔移动所产生的相对位置，手写的内容即时呈现在屏幕画面上针对笔的这一特定的技术，各类笔的开发商会提供与笔相对应的专门录制软件，用这样一支智慧笔边写画，边讲授，边录制课程。

如图5-11是使用录课笔录制动态视频的截屏：

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图5-11　录课笔录制动态视频的截屏

教学策略与新技术的可视化呈现

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