張昭理+李志飛+劉海+劉三女牙

【摘 要】

知識(shí)可視化在教育傳播領(lǐng)域正發(fā)揮愈來(lái)愈重要的作用，如何利用知識(shí)可視化進(jìn)行有效教學(xué)是一個(gè)值得研究的方向。以往的可視化教學(xué)都是針對(duì)特定的學(xué)科或知識(shí)點(diǎn)，不能有效地進(jìn)行拓展。在此背景下，本研究提出將可視化知識(shí)分類(lèi)的觀點(diǎn)，將其分為概念性知識(shí)、過(guò)程性知識(shí)和應(yīng)用性知識(shí)三種類(lèi)型，并使用不同工具對(duì)知識(shí)進(jìn)行可視化，然后結(jié)合知識(shí)進(jìn)行文字解釋或說(shuō)明，最后通過(guò)電子雙板雙屏顯示，通過(guò)文字意義與視覺(jué)表征結(jié)合的方式促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)。在此基礎(chǔ)上，本研究構(gòu)建了一種知識(shí)可視化的教學(xué)模型，從準(zhǔn)備、設(shè)計(jì)、教學(xué)和評(píng)價(jià)四個(gè)階段為教師進(jìn)行可視化教學(xué)提供參考。

【關(guān)鍵詞】 知識(shí)可視化；電子雙板；教學(xué)研究；智慧教育

【中圖分類(lèi)號(hào)】 G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 1009-458x（2017）03-0016-06

一、引言

在2015年11月召開(kāi)的第二次全國(guó)教育信息化電視電話工作會(huì)議上，劉延?xùn)|副總理就確定了今后五年要提升教師的教學(xué)能力和教育質(zhì)量的目標(biāo)。華中師范大學(xué)楊宗凱校長(zhǎng)在中國(guó)教育信息化發(fā)展過(guò)程中也提出培養(yǎng)數(shù)字化教師的觀點(diǎn)，即教師的ICT技術(shù)、學(xué)科知識(shí)和教學(xué)方法三種能力要融合（楊宗凱， 2016）?？梢哉f(shuō)，提高教師的教學(xué)能力將是中國(guó)教育信息化過(guò)程中重要的一環(huán)。

近年來(lái)，通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的可視化教學(xué)被廣泛應(yīng)用于我國(guó)學(xué)科教學(xué)。王志軍等提出思維可視化課堂的概念在小學(xué)語(yǔ)文教學(xué)中取得了很好的效果（王志軍，等， 2015）。葉新東等利用思維導(dǎo)圖的方式增強(qiáng)了高校大學(xué)生對(duì)中文古文的內(nèi)容記憶能力（葉新東， 等， 2013）。張湘將圖式交互式可視化運(yùn)用到英語(yǔ)閱讀教學(xué)中，提高了英語(yǔ)閱讀課堂的交互有效性和學(xué)生思辨能力（張湘， 2014）。由此推斷，知識(shí)可視化教學(xué)對(duì)提高教師教學(xué)能力具有同樣幫助作用。

但是，目前可視化教學(xué)都是針對(duì)特定學(xué)科的某一知識(shí)點(diǎn)，沒(méi)有形成通用的模式。本研究提出將可視化知識(shí)分類(lèi)的觀點(diǎn)，即根據(jù)知識(shí)不同類(lèi)型運(yùn)用不同的可視化技術(shù)，并結(jié)合電子雙板雙屏教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建一個(gè)知識(shí)可視化教學(xué)模型，為教師的可視化教學(xué)提供參考與幫助。

二、知識(shí)可視化與分類(lèi)

（一）知識(shí)可視化

隨著人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展，新的知識(shí)也在急速增長(zhǎng)，如何提高學(xué)習(xí)效率將變得非常重要。知識(shí)可視化作為一個(gè)新興的教學(xué)研究方向，它的發(fā)展過(guò)程，如圖1所示，是在科學(xué)計(jì)算可視化、數(shù)據(jù)可視化和信息可視化的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，對(duì)于提高學(xué)習(xí)效果具有幫助作用。

對(duì)于知識(shí)可視化，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了許多深入的研究。在2004年7月，Martin J.Eppler和Remo A.Burkhard共同提出了知識(shí)可視化的概念（Eppler & Burkhard， 2007）。趙國(guó)慶在此基礎(chǔ)上提出了自己的觀點(diǎn)，認(rèn)為知識(shí)可視化是一門(mén)研究如何通過(guò)視覺(jué)表征提高兩個(gè)或兩個(gè)以上人之間復(fù)雜知識(shí)遷移和創(chuàng)新的學(xué)科（趙國(guó)慶， 2009）。張劍平等認(rèn)為知識(shí)可視化是通過(guò)合理的可視化技術(shù)讓隱性知識(shí)變得清晰明確，可以促進(jìn)新知識(shí)的產(chǎn)生，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)、理解和協(xié)作（張劍平， 等， 2010）。

從已有研究中可以總結(jié)出知識(shí)可視化的兩個(gè)重要作用，如圖2所示。一方面，知識(shí)可視化促進(jìn)了知識(shí)傳遞。通過(guò)可視化的技術(shù)把知識(shí)轉(zhuǎn)化為可視的表現(xiàn)形式，降低了知識(shí)的認(rèn)知難度，幫助人們提高認(rèn)知能力并理解知識(shí)之間的聯(lián)系。另一方面，知識(shí)可視化有助于思維的啟發(fā)。從可視化技術(shù)到知識(shí)可視化教學(xué)，并不是簡(jiǎn)單的技術(shù)應(yīng)用和可視化領(lǐng)域的拓展，更重要的是教學(xué)思維的轉(zhuǎn)變和解決問(wèn)題方式的轉(zhuǎn)變（李芒， 等， 2013）。

（二）可視化知識(shí)分類(lèi)

國(guó)內(nèi)外許多關(guān)于知識(shí)可視化的研究表明，不同的知識(shí)類(lèi)型需要運(yùn)用不同的可視化方式（Kühl et al.， 2011； Patwardhan & Murthy， 2015； 蔡慧英， 等， 2013）。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，知識(shí)可視化技術(shù)也在不斷向前發(fā)展。從原來(lái)簡(jiǎn)單的通過(guò)手繪就能實(shí)現(xiàn)的線條、圖表和地圖，到如今必須借助計(jì)算機(jī)才能完成的動(dòng)畫(huà)、仿真和交互式可視化，可視化程度在不斷提高，能夠可視化的知識(shí)也在不斷豐富。然而，并沒(méi)有一種可視化技術(shù)能夠適用于所有類(lèi)型的知識(shí)。只有根據(jù)知識(shí)類(lèi)型的特點(diǎn)，選擇合適的可視化方式，才能取得最好的學(xué)習(xí)效果。

關(guān)于知識(shí)的分類(lèi)情況，按不同的分類(lèi)方式可以得到不同的結(jié)果（盧炳惠， 等， 2001）。按學(xué)科來(lái)劃分，知識(shí)可以分為語(yǔ)文、數(shù)學(xué)、物理和化學(xué)知識(shí)等；根據(jù)獲得知識(shí)的方式，可以分為直接知識(shí)和間接知識(shí)；依據(jù)知識(shí)的認(rèn)識(shí)層次，可以分為感性知識(shí)和理性知識(shí)。但是，以上這些分類(lèi)方式并不是在可視化認(rèn)知基礎(chǔ)上劃分的，不利于知識(shí)可視化教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)施。

在以上知識(shí)分類(lèi)的基礎(chǔ)上，結(jié)合知識(shí)可視化的視覺(jué)傳播過(guò)程（國(guó)玉霞， 等， 2016），本研究將可視化知識(shí)劃分為概念性知識(shí)（what）、過(guò)程性知識(shí)（how）和應(yīng)用性知識(shí)（do）三類(lèi)，如表1所示。概念性知識(shí)是關(guān)于具體事實(shí)“是什么”的知識(shí)，如“北京是中國(guó)首都”；過(guò)程性知識(shí)是關(guān)于事物原理“怎么做”的知識(shí)，如“綠色植物光合作用過(guò)程”；應(yīng)用性知識(shí)是關(guān)于相關(guān)理論“具體實(shí)現(xiàn)”的知識(shí)，如“閉合電路導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生電流”。根據(jù)這樣分類(lèi)后的知識(shí)的特點(diǎn)，可以選用不同的可視化工具，如概念圖、思維導(dǎo)圖、認(rèn)知地圖、語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)、思維地圖和知識(shí)地圖等（李士平， 等， 2016）。當(dāng)然，隨著技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了一些動(dòng)畫(huà)、仿真和交互式可視化的教學(xué)工具，并取得了很好的學(xué)習(xí)效果（Lin & Atkinson， 2011； Lindgren et al.， 2016； Pinter et al.， 2010； Türkay， 2016）。概念圖和認(rèn)知地圖適用于理解詞語(yǔ)、概念，尤其是理順概念與概念之間的相互關(guān)系，可用于概念性知識(shí)的可視化；思維導(dǎo)圖和思維地圖使用文字、圖片和圖形等組合，呈現(xiàn)概念之間的層次關(guān)系，使學(xué)生能夠從整體和全局的角度思考問(wèn)題（張海森， 2011），適用于過(guò)程性知識(shí)的可視化；動(dòng)畫(huà)、仿真和交互式可視化等不僅能很好地解決抽象知識(shí)的呈現(xiàn)問(wèn)題，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、探究的能力，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新思維（張豪鋒， 等， 2010），有助于應(yīng)用性知識(shí)的可視化。

三、知識(shí)可視化教學(xué)模型

在教學(xué)設(shè)計(jì)模型領(lǐng)域，最著名的當(dāng)屬ADDIE模型，即“分析（Analysis）—設(shè)計(jì)（Design）—開(kāi)發(fā)（Develop）—實(shí)施（Implement）—評(píng)價(jià)（Evaluate）”，如圖3所示。此教學(xué)模型對(duì)教學(xué)所要達(dá)到的行為目標(biāo)、任務(wù)、受眾、環(huán)境等進(jìn)行一系列的分析，但所有環(huán)節(jié)由教師一人完成，缺少師生互動(dòng)，沒(méi)有體現(xiàn)學(xué)生的主體地位。

在ADDIE模型的基礎(chǔ)上，本研究構(gòu)建了知識(shí)可視化教學(xué)模型，試圖讓學(xué)生充分參與到教學(xué)過(guò)程中，讓學(xué)生從傳統(tǒng)的知識(shí)接受者轉(zhuǎn)變?yōu)檎n堂的主動(dòng)參與者和創(chuàng)造者，進(jìn)而提高學(xué)生掌握并挖掘知識(shí)背后思維規(guī)律的能力。這個(gè)模型分為準(zhǔn)備階段、設(shè)計(jì)階段、教學(xué)階段和評(píng)價(jià)階段四個(gè)部分，如圖4所示。

（一）準(zhǔn)備階段

在準(zhǔn)備階段，教師主要負(fù)責(zé)教學(xué)計(jì)劃的制定，根據(jù)學(xué)生特點(diǎn)設(shè)計(jì)參與程度和參與方式；教學(xué)資源的準(zhǔn)備，準(zhǔn)備好需要的可視化工具和教學(xué)材料等軟硬件資源；教師間的交流，和其他教師討論學(xué)習(xí)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。學(xué)生則需要課前預(yù)習(xí)，對(duì)要學(xué)習(xí)的知識(shí)有個(gè)初步了解；熟悉可視化工具，學(xué)習(xí)工具的使用和特點(diǎn)；進(jìn)行學(xué)生間的交流，討論學(xué)習(xí)的方法，集思廣益。

（二）設(shè)計(jì)階段

經(jīng)過(guò)準(zhǔn)備階段的交流，教師和學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容形成了自己的看法，在設(shè)計(jì)階段將這些看法整合。在這個(gè)階段，教師和學(xué)生需要共同確定知識(shí)類(lèi)型，并利用可視化工具將這些知識(shí)可視化表達(dá)出來(lái)，再添加相應(yīng)的文字說(shuō)明，最后通過(guò)雙屏顯示出來(lái)。

（三）教學(xué)階段

教學(xué)階段是進(jìn)一步體現(xiàn)學(xué)生主體地位的階段。一方面教師要引導(dǎo)學(xué)生參與到課堂教學(xué)中來(lái)，積極提出教學(xué)中存在的問(wèn)題和不足；另一方面要組織學(xué)生參與交互式可視化的操作。在這個(gè)教學(xué)過(guò)程中，師生充分互動(dòng)交流，學(xué)生不再是被動(dòng)的知識(shí)接受者。

（四）評(píng)價(jià)階段

評(píng)價(jià)是對(duì)整個(gè)教學(xué)過(guò)程的效果進(jìn)行評(píng)判的重要一環(huán)。評(píng)價(jià)階段包括：教師自評(píng)，對(duì)整個(gè)教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析和總結(jié)；學(xué)生評(píng)價(jià)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，從參與度、挑戰(zhàn)度、注意度和享受度四個(gè)方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)；成績(jī)分析，對(duì)學(xué)生的期中或期末的成績(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。最終結(jié)果反饋給教師和學(xué)生，有利于師生共同改善教學(xué)內(nèi)容和方法。

四、知識(shí)可視化與電子雙板結(jié)合

多項(xiàng)研究表明，文字結(jié)合可視化的教學(xué)方式可以產(chǎn)生更好的學(xué)習(xí)效果（Anglin & Vaez， 2004）。由華中師范大學(xué)國(guó)家數(shù)字化學(xué)習(xí)工程技術(shù)研究中心開(kāi)發(fā)的電子雙板教學(xué)平臺(tái)，同時(shí)以視覺(jué)形式和語(yǔ)言形式呈現(xiàn)信息，學(xué)習(xí)者通過(guò)“雙重編碼”加工信息，增強(qiáng)了對(duì)知識(shí)的理解與記憶（楊宗凱， 等， 2013），并對(duì)一些課堂教學(xué)效果的提高取得明顯的效果（張屹， 等， 2014）。電子雙板教學(xué)如圖5所示。

教師對(duì)知識(shí)可視化的過(guò)程相當(dāng)于一個(gè)備課過(guò)程，由此可以清晰地了解課程內(nèi)容和知識(shí)關(guān)聯(lián)并發(fā)現(xiàn)教學(xué)之中的重點(diǎn)和難點(diǎn)（汪春霞， 2011）。在教學(xué)過(guò)程中，教師在講授知識(shí)的同時(shí)，要注意引導(dǎo)學(xué)生思考，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)散思維，學(xué)習(xí)使用同樣的方式將所學(xué)知識(shí)進(jìn)行歸納總結(jié)，要從原來(lái)的知識(shí)灌輸者、講授者轉(zhuǎn)變成學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)的引導(dǎo)者。學(xué)生看左屏可視化圖像能夠?qū)χR(shí)形成更形象、更有邏輯的認(rèn)識(shí)，看右屏文字信息可以對(duì)知識(shí)進(jìn)行更加具體、完整的學(xué)習(xí)。

（一）概念性知識(shí)可視化

概念圖（Concept Map）是由美國(guó)諾瓦克（J.D. Novak）博士根據(jù)奧蘇貝爾（David P. Ausubel）的有意義學(xué)習(xí)理論提出的，運(yùn)用節(jié)點(diǎn)、連線等手段來(lái)表示概念與概念之間的組織關(guān)系（Novak and Gowin， 1984）。概念圖可以幫助學(xué)習(xí)者較容易發(fā)現(xiàn)復(fù)雜知識(shí)之間的關(guān)系（趙國(guó)慶， 2012），可以廣泛地用于對(duì)概念性知識(shí)的學(xué)習(xí)與組織。

在對(duì)概念性知識(shí)可視化過(guò)程中可以運(yùn)用一些標(biāo)記技術(shù)，例如改變字體大小和顏色、使用箭頭下劃線等。通過(guò)對(duì)相關(guān)知識(shí)的標(biāo)記，學(xué)生會(huì)進(jìn)行選擇性注意，將注意力集中在重要信息上并在大腦中產(chǎn)生深刻印象，有助于對(duì)重點(diǎn)和難點(diǎn)知識(shí)的學(xué)習(xí)與記憶（張維忠， 等， 2010）。

比如中國(guó)的行政區(qū)劃，就屬于概念性的知識(shí)，教師可以通過(guò)手繪或者通過(guò)一些可視化軟件制作相關(guān)概念圖，然后通過(guò)電子雙板進(jìn)行展示，其教學(xué)如圖6所示。左屏顯示的是中國(guó)行政區(qū)劃的概念圖，右屏顯示的是文字版的具體學(xué)習(xí)內(nèi)容?？梢詫⒅袊?guó)的行政區(qū)劃分為四個(gè)部分，分別為省、直轄市、自治區(qū)和特別行政區(qū)，然后具體列出各個(gè)區(qū)劃名稱，其中北京屬于直轄市并是中國(guó)的首都。這樣，中國(guó)的行政區(qū)劃即通過(guò)電子雙板直觀、完整地展現(xiàn)在學(xué)生面前。

（二）過(guò)程性知識(shí)可視化

過(guò)程性知識(shí)是描述事物動(dòng)態(tài)發(fā)生變化過(guò)程，反映基本事實(shí)、概念、原理和規(guī)律等的知識(shí)。這類(lèi)知識(shí)的過(guò)程細(xì)節(jié)比較復(fù)雜，學(xué)生無(wú)法直接感知與學(xué)習(xí)，同時(shí)教師單純用語(yǔ)言文字難以準(zhǔn)確表達(dá)，所以導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)識(shí)、理解和掌握相關(guān)知識(shí)有障礙。

對(duì)于這類(lèi)知識(shí)可以通過(guò)建模來(lái)展示。建模也是知識(shí)可視化的一種表征形式，可以對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中客觀存在的事物建立簡(jiǎn)化、清晰的模型，且該模型可以被操作和測(cè)試，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)存在的對(duì)象關(guān)系的描述（Sturmberg et al.， 2013）。此時(shí)，需要運(yùn)用系統(tǒng)的觀點(diǎn)，運(yùn)用一些基本可視化元素（對(duì)象、流程、變量和連接等），對(duì)過(guò)程性知識(shí)抽象化表征，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)這類(lèi)知識(shí)的可視化。

光合作用是中學(xué)生物教學(xué)中非常重要的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，它是植物一系列復(fù)雜代謝活動(dòng)的總和，屬于教師教學(xué)過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。對(duì)光合作用的過(guò)程進(jìn)行可視化是一種很好的教學(xué)嘗試，但是其教學(xué)效果還需進(jìn)一步研究。本研究通過(guò)使用Visio 2016軟件對(duì)光合作用的過(guò)程進(jìn)行了可視化繪制，如圖7所示，由此可以清楚地知道光合作用分為光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩個(gè)階段，每個(gè)階段的條件、物質(zhì)轉(zhuǎn)換、能量轉(zhuǎn)換等則可以通過(guò)右屏展示給學(xué)生。

（三）應(yīng)用性知識(shí)可視化

應(yīng)用性知識(shí)的學(xué)習(xí)是一個(gè)探究的過(guò)程，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在教師的引導(dǎo)下自主解決實(shí)際問(wèn)題的能力（孔晶 et al.， 2014）。交互式可視化的學(xué)習(xí)方式正好可以滿足學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)的要求，并具有自主性、過(guò)程性和實(shí)踐性等特點(diǎn)。通過(guò)交互式可視化可以幫助學(xué)生獲得更深、更清晰的理解（Lengler & Eppler， 2007）。在學(xué)習(xí)情感方面，交互式可視化可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和參與教學(xué)過(guò)程的積極性（Barak et al.， 2011）。

交互式電子白板作為一種新型的教學(xué)工具和手段，在傳統(tǒng)黑板、幕布的基礎(chǔ)上增加了人機(jī)交互的功能，在發(fā)達(dá)國(guó)家的中小學(xué)得到了廣泛的應(yīng)用（石映輝， 等， 2012）?；诮换ナ诫娮影装宓碾姶鸥袘?yīng)模擬實(shí)驗(yàn)，如圖8所示，是華中師范大學(xué)國(guó)家數(shù)字化學(xué)習(xí)工程技術(shù)研究中心研發(fā)的starC云端一體化學(xué)習(xí)平臺(tái)上的一個(gè)物理學(xué)科工具。利用這個(gè)學(xué)科工具可以控制電磁感應(yīng)的磁場(chǎng)方向、導(dǎo)體切割方向、導(dǎo)體移動(dòng)速度，修改后的變化可以動(dòng)態(tài)地顯示在上方的切割磁場(chǎng)和電流表上。學(xué)生可以在左屏模擬操作實(shí)驗(yàn)，右屏閱讀實(shí)驗(yàn)方法和計(jì)算公式。采用這種交互式可視化的學(xué)習(xí)方法，學(xué)生對(duì)電磁感應(yīng)的學(xué)習(xí)會(huì)獲得更好的學(xué)習(xí)效果。

五、結(jié)論與展望

當(dāng)前知識(shí)可視化教學(xué)研究主要聚焦于特定的知識(shí)內(nèi)容，不利于可視化教學(xué)的發(fā)展。本研究提出了將可視化知識(shí)分類(lèi)的觀點(diǎn)，對(duì)不同類(lèi)型的可視化知識(shí)采用不同的可視化方式，結(jié)合電子雙屏顯示，構(gòu)建了一種知識(shí)可視化教學(xué)模型，希望能夠?yàn)榻處熯M(jìn)行可視化教學(xué)提供參考。隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，知識(shí)可視化的方式也會(huì)不斷創(chuàng)新。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的普及，VR教育讓我們走進(jìn)“真實(shí)的課堂”，未來(lái)將是技術(shù)與教育深度融合的時(shí)代。

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收稿日期：2016-10-25

定稿日期：2016-12-22

作者簡(jiǎn)介：張昭理，博士，教授，博士生導(dǎo)師；李志飛，本科，碩士研究生；劉海，博士，講師，碩士生導(dǎo)師；劉三女牙，博士，教授，博士生導(dǎo)師。華中師范大學(xué)國(guó)家數(shù)字化學(xué)習(xí)工程技術(shù)研究中心（430079）。

責(zé)任編輯 劉 莉