知识可视化的理论及其在教育教学中的应用

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 Teaching

LU 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 the 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 ntific Computi 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，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；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