姜世華陳新紅梁鵬

(1．哈爾濱師范大學(xué)，黑龍江哈爾濱150025;2．牡丹江醫(yī)學(xué)院，黑龍江牡丹江157011)

知識可視化在計(jì)算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

姜世華1陳新紅2梁鵬1

(1．哈爾濱師范大學(xué)，黑龍江哈爾濱150025;2．牡丹江醫(yī)學(xué)院，黑龍江牡丹江157011)

在現(xiàn)代教學(xué)活動中，知識可視化的運(yùn)用得到越來越多的重視。在分析知識可視化相關(guān)概念的基礎(chǔ)上，結(jié)合日常教學(xué)活動中的實(shí)例，提出知識可視化應(yīng)用于計(jì)算機(jī)教學(xué)中的具體策略。

知識可視化;計(jì)算機(jī)教學(xué);可視化應(yīng)用

知識可視化不但可以更好地傳遞和呈現(xiàn)教學(xué)信息，還可以幫助學(xué)生把教學(xué)信息通過重構(gòu)轉(zhuǎn)換為自己;不但可以傳遞顯性知識，還能傳遞隱性知識;不但可以創(chuàng)建知識，還可以幫助學(xué)生進(jìn)一步協(xié)作。因此，研究知識可視化在教學(xué)活動中的運(yùn)用策略，可以發(fā)掘出其在教學(xué)領(lǐng)域的潛力，改進(jìn)現(xiàn)有教學(xué)方法的不足，并為后續(xù)教學(xué)應(yīng)用提供可靠參考。

一、知識可視化簡述

(一)知識可視化的定義

知識可視化是一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，它是在科學(xué)計(jì)算可視化以及數(shù)據(jù)可視化和信息可視化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。廣泛所認(rèn)可的知識可視化的定義為:“在兩個(gè)或兩個(gè)以上的人之間，利用視覺的表達(dá)手法，來提高知識信息傳遞、創(chuàng)造的作用。”所以，也可以說知識可視化是一種可以把復(fù)雜見解進(jìn)行圖像化后，再進(jìn)行知識的傳輸和構(gòu)建的方法，其所研究的是怎樣利用視覺表征，來改進(jìn)各個(gè)對象間復(fù)雜知識的傳遞和創(chuàng)造。

(二)知識可視化與信息可視化的差異

信息可視化的目的是在以數(shù)字形式呈現(xiàn)的抽象數(shù)據(jù)中找出新觀點(diǎn)，或者單純地幫助用戶更便利地訪問所存儲的數(shù)據(jù)。信息可視化利用圖像顯示多維非空間數(shù)據(jù)，并且利用直觀、形象的圖像來引導(dǎo)用戶的檢索過程，使得用戶更深入地理解數(shù)據(jù)的含義，并且檢索速度也有所提高。信息可視化在現(xiàn)階段的研究重點(diǎn)是:要選擇或者設(shè)計(jì)何種顯示方式使用戶更深入地了解多維數(shù)據(jù)及其相互關(guān)系。其所涉及更多的是人機(jī)交互技術(shù)或者心理學(xué)等。而知識可視化的研究目標(biāo)是如何提高人和人之間知識的傳輸和構(gòu)造的速度，它為人們提供更為豐富多樣的方法來表達(dá)其所掌握的知識內(nèi)容。通常來說，在知識管理應(yīng)用領(lǐng)域中，利用知識可視化可以解決三個(gè)與知識相關(guān)的、比較突出的問題。首先是如何利用傳遞來解決知識不對稱的問題;其次，知識可視化對于新知識的創(chuàng)造有著巨大的潛力，可以促使知識變革;最后，可以有效應(yīng)對知識的過載。知識可視化不僅要傳遞事實(shí)信息，其目標(biāo)還在于傳遞經(jīng)驗(yàn)、價(jià)值觀、情感態(tài)度、見解觀點(diǎn)、意見、期望以及預(yù)測等內(nèi)容，并利用這種方法，幫助用戶正確地掌握、重構(gòu)和利用知識。

(三)知識可視化運(yùn)行環(huán)境比較

知識可視化在本地環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，有較高的工具集成化程度，不僅兼容性較好，而且功能也相對全面，可以提供各種豐富的模板、圖標(biāo)等資源，支持多種文件類型，應(yīng)用的領(lǐng)域和范圍都比較廣泛，所以可以方便地創(chuàng)作出適用于各種場合的知識可視化類型。不過本地運(yùn)行時(shí)，由于多數(shù)為單機(jī)運(yùn)行，因此無法很好地支持協(xié)同作業(yè)以及文件共享。與本地運(yùn)行相比，知識可視化的在線平臺具備在線協(xié)作和文件共享功能。除了這些功能，線上平臺站點(diǎn)還有多種諸如即時(shí)通訊、在線演示等線上交互功能，提供了多種多樣的在線交流渠道，使得在線協(xié)作更加方便。不過，在線平臺也存在一些不足之處，如它所提供的資源相對匱乏，通常只支持XML、HTML或者圖片等文件格式，并且除線上交互功能外，其他的功能十分有限，所以線上平臺可視化工具的適用領(lǐng)域和范圍相對于本地運(yùn)行的工具來說比較小。

二、兩種典型的知識可視化工具

(一)概念圖

1．概念圖的應(yīng)用。學(xué)生可以利用概念圖工具，從新概念出發(fā)，逐步和已掌握的概念建立聯(lián)系，從而幫助其實(shí)現(xiàn)提取和激活學(xué)習(xí)記憶信息，把當(dāng)前學(xué)習(xí)記憶內(nèi)容向長期記憶進(jìn)行轉(zhuǎn)移。概念圖中所顯示出的各種箭頭、連接詞以及連接線等，都指引出需要學(xué)生所注意的焦點(diǎn)和方向，增加了抑制干擾、維持注意力等控制性的注意過程，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)記憶效果。概念圖把一個(gè)概念通過分層可視化來層層分解，第一層為中心概念，第二層則表示中心概念的研究內(nèi)容、對象、形態(tài)等三類次級概念，第三層就用于解釋第二層的各次級概念。例如，在講解《C語言程序設(shè)計(jì)》中多分支選擇結(jié)構(gòu)的語法時(shí)，選擇用圖形化的引導(dǎo)方式可以方便、快捷地使學(xué)生掌握其語法規(guī)則，要講解的語法格式如下:

將上述語法規(guī)則用圖化化法表述出來，如圖1所示。

于是，常規(guī)教學(xué)中要40分鐘才能講解清楚的內(nèi)容，利用概念圖后只需20分鐘就可以完成，而且條理清晰，學(xué)生經(jīng)過實(shí)訓(xùn)技能的考核，其結(jié)果可以表明，利用這種方法的教學(xué)效果非常明顯。

圖1 多分支if－else語句圖形化表示法

2．概念圖的制作。到目前為止有很多軟件都可以制作概念圖，有專業(yè)的也有通用的。通用的構(gòu)圖軟件對于概念圖的類型沒有限制，它只是提供簡單的形狀和線條，如visio。而專業(yè)的概念圖制作軟件則是專門針對概念圖的制作而開發(fā)設(shè)計(jì)的，比如最常用到的Inspiration。但是需要注意的是，制作概念圖并不一定非要利用軟件才能完成，如果軟件使用不當(dāng)，或者為了“概念圖”而“概念圖”則有可能弄巧成拙，如概念圖所表達(dá)的概念只是課堂上的次要知識，教師只需手繪草圖即可完成，所以沒有必要使用專業(yè)的繪圖軟件。

(二)思維導(dǎo)圖

1．思維導(dǎo)圖的應(yīng)用。思維導(dǎo)圖能把復(fù)雜的知識用關(guān)鍵詞的形式表現(xiàn)出來，各知識之間的結(jié)構(gòu)按照不同的層級和顏色進(jìn)行圖示化，不僅可以消耗學(xué)習(xí)記憶的資源，還可以發(fā)散大腦思維，以便更廣、更深地發(fā)掘長時(shí)記憶中的信息，并構(gòu)建更多的長時(shí)記憶和學(xué)習(xí)記憶的儲存和提取線索。比如在講解組網(wǎng)技術(shù)知識時(shí)，可以使用結(jié)構(gòu)思維導(dǎo)圖，幫助學(xué)生清晰、方便地?cái)U(kuò)展建構(gòu)出相關(guān)的組網(wǎng)技術(shù)知識結(jié)構(gòu)圖，使學(xué)生系統(tǒng)地掌握思維導(dǎo)圖中所呈現(xiàn)出的各個(gè)知識。再如，在講解Web挖掘技術(shù)時(shí)，將Web挖掘概念分為三個(gè)組塊，分別為概念簡介、Web內(nèi)容挖掘?qū)崿F(xiàn)技術(shù)以及Web使用記錄挖掘?qū)崿F(xiàn)技術(shù)，利用思維導(dǎo)圖再將每個(gè)組塊內(nèi)包含的具體內(nèi)容的可視化顯示出來，而有些內(nèi)容可以從長時(shí)記憶中提取，這樣就增加了學(xué)習(xí)記憶的總的容納量。

2．思維導(dǎo)圖的制作。制作思維導(dǎo)圖的軟件也比較多，常用到的是Mind Manager，它具有友好直觀的用戶界面，以及強(qiáng)大的功能，可以幫助用戶在組織思維、項(xiàng)目進(jìn)程以及資源時(shí)，有序、有效地進(jìn)行。不過在使用軟件繪制思維導(dǎo)圖的過程中要注意幾點(diǎn):首先，思維導(dǎo)圖能突出概念的重點(diǎn)，其次能發(fā)揮聯(lián)想，最后思維導(dǎo)圖要有一定的條理性，增強(qiáng)感知力和美感。

三、知識可視化在計(jì)算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用策略

(一)利用知識可視化改善學(xué)習(xí)記憶

學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中，其認(rèn)知活動的核心就是學(xué)習(xí)記憶，可以說記憶是推理、解決問題、掌握知識的最重要成分。學(xué)生學(xué)習(xí)記憶能力決定學(xué)習(xí)效果，如果利用知識可視化對相關(guān)知識做出處理，可以改善學(xué)生的學(xué)習(xí)記憶能力，進(jìn)一步提高學(xué)習(xí)的效果。

1．將知識利用視覺隱喻組塊化。視覺隱喻是采用視覺表達(dá)的方法，由掌握主體遷移到要理解的新元素，從而提供一個(gè)從掌握主體到新元素的途徑。通過視覺隱喻，能借助當(dāng)前的視覺形式與未知新元素之間某個(gè)類似的意義和特征，經(jīng)過轉(zhuǎn)化形態(tài)來實(shí)現(xiàn)信息的視覺傳達(dá)。視覺隱喻中未要求其表象符合常規(guī)邏輯，其主要目的是正確理解新元素。視覺隱喻能讓學(xué)生學(xué)習(xí)記憶中要理解的知識信息和長時(shí)記憶的知識信息迅速發(fā)生關(guān)聯(lián)，這種方法減輕了學(xué)習(xí)記憶在加工新知識信息時(shí)的負(fù)擔(dān)，提高了處理新信息的效率。而且視覺隱喻還表現(xiàn)出了各組塊的相互關(guān)系，加工難度有所降低，避免了占用更多的學(xué)習(xí)記憶資源。例如在講解數(shù)據(jù)庫時(shí)，教師可以圍繞數(shù)據(jù)庫的概念、數(shù)據(jù)庫的性質(zhì)、各種不同觀點(diǎn)的定義，利用視覺隱喻的方法分成不同的組塊，學(xué)生在這種可視化視覺隱喻的引導(dǎo)下，與已掌握的Web數(shù)據(jù)管理知識發(fā)生關(guān)聯(lián)，從而更好地理解和認(rèn)識數(shù)據(jù)庫的概念，并將這種隱性的關(guān)聯(lián)知識顯性化。

2．將知識利用樹形圖組塊化。樹形圖主要以可視化的方法對知識信息進(jìn)行分類或者分組。樹形圖頂部是需要被分類的知識信息的名稱，分支則是下級的分類類別，并逐級類推。在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》中講解“樹的概念”可以以本校的組織結(jié)構(gòu)為例，分層次、分顏色用樹形結(jié)構(gòu)表示法表示，如圖2所示。校名為“樹根”結(jié)點(diǎn)，各個(gè)學(xué)院為“孩子”結(jié)點(diǎn)，各個(gè)系為“葉子”結(jié)點(diǎn)。在這個(gè)結(jié)構(gòu)圖中，還可以向?qū)W生講解何為祖先結(jié)點(diǎn)、雙親結(jié)點(diǎn)、兄弟結(jié)點(diǎn)、樹的層次、樹的度、子樹等知識點(diǎn)。正是因?yàn)閷⒊橄蟮闹R用圖形化表示出來，減輕了學(xué)生學(xué)習(xí)記憶的儲存負(fù)擔(dān)，提高了記憶效率，擴(kuò)充記憶容量。

圖2 樹形結(jié)構(gòu)圖表示法

(二)知識可視化可以促進(jìn)知識的傳遞

在計(jì)算機(jī)教學(xué)過程中，教學(xué)效果也受到知識傳遞的影響，如果知識無法順利傳遞，則學(xué)生也會產(chǎn)生接受知識的困難，直接影響到學(xué)習(xí)效果。知識可視化的運(yùn)用，可以促使知識的高效傳遞，提高教學(xué)的效果。本文就根據(jù)日常的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出四種利用知識可視化傳遞知識的方法。

1．正式通道。教師在課堂展開教學(xué)活動是將知識信息向?qū)W生進(jìn)行傳遞的過程。知識可視化幫助教師呈現(xiàn)出大量的抽象知識，相應(yīng)的學(xué)生也可以迅速地獲得大量知識信息。仍以上文中提及的Web挖掘?yàn)槔季S導(dǎo)圖的方法呈現(xiàn)了Web挖掘知識體系，它在短時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)出了Web挖掘知識體系的顯性知識。不過在傳遞隱性知識時(shí)，這種方法的效果就相對較差，但現(xiàn)階段計(jì)算機(jī)知識信息多數(shù)是用這種方法進(jìn)行傳遞的。

2．非正式通道。教師與學(xué)生交流的渠道也可以是非正式的。在非正式的交流渠道中，教師也可以向?qū)W生傳遞知識。比如校內(nèi)的個(gè)人博客或者BBS等，或者直接討論交談。通常這種方法不受固定模式的限制，師生的交流也更加放松和自由。在這種狀態(tài)下對教師傳遞和表現(xiàn)隱性知識更為有利。如果是師生面對面交流，教師可以借助手繪的方法呈現(xiàn)知識信息。例如，上述講解數(shù)據(jù)庫的概念時(shí)，教師就可以利用草圖來呈現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的性質(zhì)和定義，通過視覺隱喻的方法來傳遞數(shù)據(jù)庫的相關(guān)知識;如果是借助網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行非實(shí)時(shí)的交流，教師則可以把知識內(nèi)容發(fā)表在個(gè)人博客或者BBS中，為學(xué)生訪問提供便利;如果借助網(wǎng)絡(luò)實(shí)行實(shí)時(shí)交流，則可以借助于知識可視化線上平臺實(shí)現(xiàn)。

圖3 戴爾的經(jīng)驗(yàn)之塔

3．個(gè)人通道。個(gè)人通道是對特定的學(xué)生所進(jìn)行的個(gè)別指導(dǎo)，這種方法對于傳遞隱性知識非常有效。我國傳承已久的師徒制可以說就是采用這種模式來傳遞隱性和顯性的知識。由于個(gè)人通道所針對的是個(gè)別的學(xué)生，教師可以結(jié)合學(xué)生的實(shí)際知識結(jié)構(gòu)和理解能力，來選擇思維導(dǎo)圖、視覺隱喻圖、知識地圖或者啟發(fā)性草圖等多種知識可視化的工具來完成知識信息的傳遞。利用這種方法不僅可以有效地傳遞各種顯性知識，而且可以將更多隱性知識進(jìn)行顯性化，不僅傳遞知識，還培養(yǎng)能力。比如，某學(xué)生對于數(shù)據(jù)挖掘的概念理解比較困難，對此，教師就可以借助于Web挖掘的概念來幫助學(xué)生建立對新概念的理解。在教師針對學(xué)生個(gè)體講解的過程中，學(xué)生不僅可以掌握數(shù)據(jù)挖掘的概念這類顯性知識，還可以從教師的授課中學(xué)會教師分析問題、解決問題的表達(dá)策略和思考方法等隱性識。美國視聽教育家戴爾的“經(jīng)驗(yàn)之塔”就很好地表現(xiàn)了教師幫助學(xué)生理解、認(rèn)識經(jīng)驗(yàn)等抽象層次的關(guān)系。他將各種經(jīng)驗(yàn)根據(jù)其抽象程度，分為三大類(抽象、觀察和做的經(jīng)驗(yàn))、十個(gè)層次，如圖3所示。這就是應(yīng)用了視覺隱喻的方法。

(三)知識可視化可以輔助知識重構(gòu)

在討論上述知識可視化與信息可視化的區(qū)別時(shí)可以看出，教學(xué)活動中，無論是教師所傳授的知識還是教材所呈現(xiàn)的知識，也無論采用哪種方式來呈現(xiàn)知識，學(xué)生所接收的都僅是知識信息的載體，而由載體轉(zhuǎn)向?qū)W生自身的知識結(jié)構(gòu)，還需要學(xué)生結(jié)合自身的認(rèn)知能力通過大腦來完成重構(gòu)。知識可視化可以幫助學(xué)生建立起各種知識線索，找出各知識信息間的關(guān)聯(lián)，順利地完成知識重構(gòu)。知識可視化輔助知識重構(gòu)的具體策略主要有以下幾種:

1．采用協(xié)同完成知識可視化。采用協(xié)同合作的方法來完成知識可視化，不僅可以表達(dá)知識圖形，還可以使得師生之間、生生之間溝通思維，不僅能提高學(xué)生重構(gòu)知識的生成效率，還培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識和合作能力。比如小組對某個(gè)算法的研討，將各類相關(guān)條件以及小組各成員的觀點(diǎn)進(jìn)行集中，經(jīng)過小組討論，不妥的觀點(diǎn)進(jìn)行修改，無效的想法予以排除，最終形成小組整體的觀點(diǎn)。

2．鼓勵學(xué)生運(yùn)用知識可視化。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，可以根據(jù)自身的知識結(jié)構(gòu)、愛好習(xí)慣等來選擇自己適用的知識可視化工具，運(yùn)用可視化的方法來呈現(xiàn)自己的疑惑及想法，把教師所傳遞過來的知識進(jìn)行可視化轉(zhuǎn)換。這種方法不但可以增強(qiáng)學(xué)生的記憶，集中學(xué)習(xí)注意力，還可以輔助學(xué)生在可視化轉(zhuǎn)換的過程中進(jìn)行知識的重構(gòu)。此外，運(yùn)用知識可視化重新組織知識信息，可以促使各知識信息之間的聯(lián)系形象化、直觀化，使各知識線索更加有條理性。知識可視化式的課堂筆記，與傳統(tǒng)的線性條目筆記不可同日而語，這種方法所記錄的筆記適用于學(xué)生自身的認(rèn)知習(xí)慣，并且圖文并茂，可以有效地完成從知識信息載體到個(gè)人知識的建構(gòu)，這種方法所獲取的知識，才是屬于學(xué)生自身的真正的知識。

3．利用知識可視化與隱性知識產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。學(xué)生把知識和概念可視化的過程，就是學(xué)生對知識、概念進(jìn)行重構(gòu)和加工的過程，學(xué)生利用這種方法對知識進(jìn)行深入而全面的認(rèn)識，再結(jié)合自身長時(shí)記憶的知識，構(gòu)建為新的知識。這個(gè)過程不僅可以直接得到顯性知識，還可以從概念圖、思維導(dǎo)圖、樹形圖等可視化工具中，發(fā)現(xiàn)各知識要素間所存在的隱性聯(lián)系，與長時(shí)記憶的知識進(jìn)行關(guān)聯(lián)，將原本隱藏的新舊知識可視化，對新知識的組織和產(chǎn)生更為有利。

四、結(jié)語

知識可視化的應(yīng)用，對于教學(xué)方法的改進(jìn)、教學(xué)組織的設(shè)計(jì)、教學(xué)效率的提高、教學(xué)效果的改善，以及學(xué)生學(xué)習(xí)方法的改進(jìn)和學(xué)習(xí)效率的提高都有著非常有益的作用。人們的交流、知識表達(dá)等都越來越突顯出知識可視化的重要性，相信在逐步深入的相關(guān)理論研究以及技術(shù)支持迅速發(fā)展的過程中，知識可視化也會越來越成熟。

［1］姜世華．知識可視化在高校專業(yè)教育中的應(yīng)用［J］．高校論壇，2009(4):37．

［2］田素貞，趙昕．知識可視化及其在教學(xué)中的應(yīng)用［J］．情報(bào)理論與實(shí)踐，2007(2):44．

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Visualizing Knowledge in Computer Teaching

Jiang Shihua1，Chen Xinhong2，Liang Peng1
(1．Harbin Normal University，Harbin Heilongjiang 150025; 2．Mu danjiang Medical University，Mudanjang Heilongjiang 157011)

In the modern teaching activities，the use of knowledge visualization gets more and more attention．In this paper the writer analyzes knowledge visualization related on the basis of the concept of daily in teaching activities，combines with examples，and points out that the knowledge visualization applied to computer teaching in the specific strategies．

knowledge visualization，computer teaching，isualization application

G642.0

A

1672-3805(2012)02-0077-05

2011－10－20

2009年黑龍江省人文社會科學(xué)研究項(xiàng)目(編號:11542083);2009年哈爾濱師范大學(xué)人文社會科學(xué)科研培育基金項(xiàng)目(編號:SXP2009－12)

姜世華(1976－)，女，哈爾濱人，哈爾濱師范大學(xué)傳媒學(xué)院副研究館員，碩士;研究方向:信息管理與信息學(xué)教學(xué)