知识可视化的视觉表征研究综述

知识可视化的视觉表征研究综述

“知识的外在表达是如此重要地影响和决定知识内容的内在传播，也是决定内部内容生存质量和发展的方向。”在漫长的文明史中,人们已经尝试将知识转化成图像,以促进知识传播创新。我国古代教科书中蕴含着用图像表达知识的思想,如明朝的《蒙养图说》、清朝的《字课图说》等。“知识可视化”术语出现的时间并不长,但在教育学、情报学、知识管理等领域中利用图形图像来帮助表达、交流、传播和学习知识的实践在不断发展。“知识可视化将成为教育技术达成教学效果优化的利器之一,也是教育技术的重要的研究领域。”一、制作工具越来越多,表现形式更多样在信息技术条件下,知识可视化有了新的突破:制作工具越来越多,制作方法更为简易,表现形式更为多样。知识可视化在教育中也逐步应用起来,并且范围更加广泛,效果也更受期待。(一)知识可视化的意义“可视化”英文为“Visualization”,来源于“Visual”,意为“视觉的”、“形象的”。“事实上,将任何抽象的事务、过程变成图形图像的表示都可以称为可视化。”可视化作为一个专门研究领域是与可视化技术的发展紧密联系的。一方面,可视化技术使视觉对象大到宏观的宇宙天体,小到微观的微生物都能得以显现;另一方面,可视化技术的“动态化”、“仿真化”、“虚拟化”不仅让不可视的事物可视化,而且让静态的可视变为动态的可视。“任何一种新技术的发明和运用(感觉的延伸)都改变着我们思想和行为的方式,即我们感知世界的方式。”亚里士多德曾说:“告诉我的我会忘记,给我看的我会记住,让我参与的我会理解。”在知识爆炸的信息社会,利用可视化技术可以将抽象的知识转变成为易于被人们接受认知的图形图像,有助于促进知识传播和理解。“知识可视化是在科学计算可视化、数据可视化和信息可视化基础上发展起来的新兴研究领域,它应用视觉表征手段,促进群体知识的创造和传递。”一般来讲,知识可视化指可以用来构建、传达和表示复杂知识的图形图像手段,除了传达事实信息之外,知识可视化的目标还在于传输人类的知识,并帮助他人正确地重构、记忆和应用知识。知识可视化有助于知识的传播。EpplerM·J和BurkardR·A(2004)认为知识可视化的优势表现为社会、情感和认知三大优势。在社会方面,它有助于协调知识生产者间的传播;在情感方面,它能够促使受者主动地解释和探究图形的意义和兴趣,有助于提高知识创新和迁移的意识和兴趣;在认知方面,它可以促进记忆并培养新知识的应用,可视化的过程引导概念和观点的深入理解和正确评价,能呈现先前知识的联系,引导顿悟。(二)知识可视化教学对于学生来说,知识可视化作为学习工具,改变认知方式,促进有意义学习。从信息技术的视角来看,知识可视化作为视图化工具,还是认知工具。它既符合认知工具的九项标准(计算机化、现成的应用软件、经济实惠、可用于表示知识、可用于不同领域、可支持批判性思维、学习可以迁移、简单而功能强大的知识表征形式和易学易用),又符合学习工具的中介和认知的两个特性。对于教师,知识可视化作为教育理念,促进教师进行反思,辅助教学设计。清华大学同方教育技术研究院副院长兰宏生提出关注可视化教学,让知识可视化成为重要的教学理念。可视化教学将被感知、被认知、被想象、被推理的事物及其发展变化的形式和过程,用仿真化、模拟化、形象化、现实化的方式,在教学过程中尽量表现出来。目前,概念图、思维导图等知识可视化工具和方法被广泛应用于英语、政治、化学等不同学科的教育教学中。二、视觉表征与视觉表征知识可视化以图形设计、认知科学等为基础,与视觉表征有着密切关联。“在教育技术领域,知识可视化指知识可视化视觉表征形式,与此相对应的是承载知识的图解手段。”(一)知识可视化是知识传播与创新的关键从知识可视化的概念定义看,视觉表征是知识可视化的重要研究对象。知识可视化概念的定义主要有:①“知识可视化是研究如何应用视觉表征改进两个或两个以上人之间复杂知识创造与传递的学科。”②“知识可视化领域研究的是视觉表征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。”③EpplerM·J和BurkardR·A认为:“知识可视化是应用视觉表征手段,促进群体知识的传播和创新,研究视觉表征在提高群体之间知识传播和创新的作用”。从知识可视化的外在形式看,视觉表征是知识可视化构成的关键因素。如概念图是基于有意义学习理论提出的图形化知识表征;知识语义图以图形的方式揭示概念及概念之间的关系,形成层次结构;因果图是以个体建构理论为基础而提出的图形化知识表征技术。通过概念定义与外在形式的分析,可以看出,知识可视化是通过视觉表征形式促进知识的传播与创新。无论是知识可视化设计还是应用,视觉表征都是这个过程中的关键部分。因此,知识可视化的价值实现有赖于它的视觉表征形式。(二)视觉表征是知识传递的工具中文意思为:知识可视化领域研究的是视觉表征在改善两个或两个以上的人之间的知识创造与传递中的应用,知识可视化指所有可以用来建构和传递复杂见解的图解手段。第一句话说明知识可视化以视觉表征为研究内容,第二句话做了补充,指出知识可视化视觉表征形式是各种图解手段。知识可视化的研究对象是视觉表征手段的应用,即采用什么样的图解手段来促进知识创造和知识传递。“并不明确指出只包括图解表征,而是包括各种能够促进知识创造与传递的各种视觉表征手段,如知识动画等。”一方面,知识可视化视觉表征是改善知识传递的手段。知识传递在个人之间、个人和群体之间、群体和群体之间等多个层面上发生,知识可视化通过视觉表征使得知识创造与传递的效率大大提高;另外,视觉表征也不是什么灵丹妙药,并不能取代其他知识创造和传递的手段,而应该和其他手段结合使用。另一方面,知识可视化视觉表征为潜在的知识创造提供了可能。例如,小组可以通过使用启发式草图或者图形隐喻创造新的知识。与文本不同,视觉表征可以快速地、整体地进行修改,从而推动了思路快速、整体地改善。(三)知识可视化视觉表征从“视觉表征”一词的英文词组“visualrepresentation”来看,“visual”一词作为名词的意思为“apicture,map,pieceoffilm,etc.usedtomakeanarticleoratalkeasiertounderstandormoreinteresting”,作为形容词的意思是“oforconnectedwithseeingorsight”。作为形容词,从“视觉表征”为“通过眼睛感受到的”,而作为名词的解释只是具体的视觉表征形式。EpplerM·J和BurkardR·A将知识可视化视觉表征概括为6种类型:①启发式草图(HeuristicSketches),在小组间产生新的见解;②概念图表(ConceptualDiagrams),结构化信息并展示其关系;③视觉隐喻(VisualMetaphors),映射抽象数据使其易于理解;④知识动画(KnowledgeAnimations),动态的、交互的可视化技术;⑤知识地图(KnowledgeMaps),结构化专家知识并提供导航;⑥科学图表(ScientificCharts),可视化知识域。Jonassen等人描述了各种各样的可视化方法,认为知识可视化视觉表征主要有:概念图(ConceptMap)、思维导图(MindMap)、认知地图(CognitiveMap)、语义网络(SemanticNetwork)、思维地图(ThinkingMap)等。皮尔斯(PierceJ·Howard)在所著《知识作者的可视化具——批判性思考的助手》一书中总结了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。邱婷、钟志贤等专注于知识可视化的视觉表征形式,将其分为知识地图、示意图、图画、连续性图表、离散性图表、矩阵图、流程图、组织者和树形图九类,并分别描述了每种形式的来源和特征。总体而言,对于视觉表征形式的分类没有明确的标准,不同分类之间存在交叉和重叠。这个问题的产生体现了现有研究对视觉表征的本质和特征没有明确界定,导致它的内涵和外延处在不完全确定的状态中。不过一般认为,概念图、思维导图、认知地图、语义网络和思维地图等属于常用的知识可视化视觉表征。(四)视觉图像的解读在知识可视化的环境中,人们的视觉经验与阅读行为在发生转向:由基于印刷文本的阅读逐渐转变为基于视觉图像的解读。由此引发阅读对象、阅读方式、阅读性质以及阅读心理和功能价值等多方面的重大嬗变,人们传统认知经验与知识新形态之间的鸿沟难以一下子消解。于是,对于知识可视化视觉表征的设计应用,存在不少错误的设计观点和不恰当的应用方法。1.多加练习,多与人交流由于大多数学习者长期以来习惯于用语言文字表达和线性的思维,刚开始使用知识可视化视觉表征工具时会觉得困难、耗时。有人提出,解决这一问题除了要掌握它的基本原则和使用技巧外,最重要的是多加练习,多与人交流,“熟能生巧”。这个观点认为知识可视化的新工具应用需要多次练习,但事实上仅仅依靠练习次数是不够的,还需要理论上认识知识可视化视觉表征的特征和价值,以便更好应用工具。2.工具与知识的分离目前视觉表征设计的实践中,为图形而图形或为可视化而可视化的形式主义并不鲜见,脱离目的而纯粹考虑工具的运用,很容易滑入“买犊还珠”式的窠臼。有人提出,在具体的知识可视化过程中,必须避免唯工具论或工具先行的定势。这个观点认为视觉表征设计应该避免“唯工具”,然而并未阐释具体如何避免。3.“视觉表征”“循环尝试”并存说在教学过程中,当知识用文字符号表达太抽象、模糊时,可以考虑把知识可视化。有人提出,用一种视觉表征方式表征,若不懂,再换一种表征方式,直到学生理解为止。这个观点认为视觉表征设计应用要“循环尝试”符合需要,但尝试的次数过多也浪费时间精力,影响教学质量和学习效果。因此,还需要说明尝试判断的依据和和改善的思路。三、“视觉表征轴”的构成因素芝加哥大学教授米歇尔认为,“一个表征体系为一个四边形,中间通过两条斜线作为轴线连接起来,一条斜线连接能指和所指,另外一条斜线则把表征的生产者和观看者连接起来。连接能指和所指之间的轴线叫做表征轴,而连接表征生产者和观看者之间的轴线叫做交流轴。”从构成因素看,米歇尔提出表征由生产者、观看者、能指、所指等要素所构成;从因素的关系看,已经注意到表征中生产者与观看者、能指与所指等关系。那么,知识可视化视觉表征则由制作者、学习者、视觉表征形式和知识内容等因素构成,因素之间的关系则有视觉表征符号之间所形成的结构关系;由视觉表征和知识内容所形成的指代关系;视觉表征与接受者所形成的认知关系和视觉表征与制作者所形成的表达关系。知识可视化视觉表征的研究重点考察视觉表征形成中的因素及其关系。可以先从两个因素的关系着手,再考虑多个因素之间的关系。(一)视觉表征形式的技术设计原则符号学家索绪尔认为,决定一个符号的意义的,不是符号与对象之间的必然联系,而是符号与符号之间的相对关系。那么,知识可视化视觉表征符号之间的结构关系就成为创造和传递知识内容时必须考虑的问题。GregoryBrianJudelman(2004)认为编制知识可视化的视觉表征要熟悉它们的设计要素,并遵循一定的设计原则;提出视觉表征的设计要素为:节点、连接、图形、文本、空白空间和其它的图形。这些设计原则为图像设计中一般要求,缺乏与知识的深层联系,没有体现视觉表征传播交流的本质以及作为知识制品的属性。RalphLengler和MartinEppler(2005)整合了形式多样的视觉表征,依据各类视觉表征的相关性和不同点对技术进行“编号”、“上架”,形成“可视化周期表”,形象直观地揭示了不同形式视觉表征的联系和区别。不足之处是,可视化周期表较多从不同形式视觉表征的联系区别入手,没有考虑到不同表征视觉认知的差异。邱婷(2006)提出,知识可视化将抽象概念运用非模仿性的线条图形再现;认为线条图形所能反映的只能是从事例中抽取出来的结构形态;分析线条图形中视觉因素的结构排列,提出图形的基本结构有线性、循环、网状和交互等。何美萍(2008)认为,视觉化表征在本质上是图像符号,主要是运用图元素对被表征的对象进行相对形象的描绘;提出视觉表征形式在外在结构上与被表征对象的结构具有一定程度的相似性或相关性;或者它们与被表征对象的外在结构有相似性,或者内在结构与被表征对象的结构具有逻辑关系。对于视觉表征符号之间结构关系的研究,先前多关注对图像形式的一般要求(如图像简洁、清晰等),逐步关注视觉表征符号结构与知识内容的关系(如结构相似性),注意到视觉表征的结构形式与指代对象的关系,然而尚未从视觉形式角度分析阐释视觉表征的要素及其关系。(二)知识的类型属性对视觉表征的影响运用视觉表征将知识可视化时,必须考虑知识的类型属性。不同角度对知识分类对视觉表征有着不同的结果。在目前知识可视化领域中,知识主要有以下分类方式。1.视觉表征促进创新群体知识和个人知识。EpplerM·J和BurkardR·A认为知识可视化应用视觉表征手段,促进群体知识的传播和创新,研究视觉表征起着提高群体之间知识传播和创新的作用。赵国庆认为,知识可视化的实质是将人们的个体知识以图解的手段表示出来,形成能够直接作用于人的感官的知识的外在表现形式,从而促进知识的传播和创新。2.述性知识的内涵陈述性知识和程序性知识。认知心理学家安德森(1983)将知识分为陈述性知识和程序性知识。陈述性知识是关于“是什么”的知识,包括各种事实、概念、原则和理论等。程序性知识是关于“如何做”的知识,包括如何从事并完成各种活动的技能。肖文(2009)在硕士毕业论文中,依据知识的内容特征,将知识划分为陈述性知识和程序性知识,并分别探讨了不同知识表达中视觉表征设计的方法。3.知识可视化方法隐性知识和显性知识。显性知识指能够用数据、公式、公理、文字等符号表达,且易于存储、交流和共享的知识。隐性知识指高度个性化和难以格式化的知识。知识可视化不仅是传递事实性知识,还传递思维、经验、态度、价值观、期望、意见及预测等“隐性知识”,并通过可视化帮助他人正确地重构、回忆和应用这些知识。赵国庆认为,知识可视化是知识“制品”到显性的物理知识制品的转化图,也即把内隐的和隐性的个体知识转化成能够直接作用于人的感官的外显知识。王朝云认为,知识可视化不但要将隐性知识外显化,还要将外显知识生动化,只有这样,才能更好地促进知识在群体间的传播和创新。4.经济管理的内容:认识知识事实知识、原理知识、技能知识和人际知识。赵国庆提出,知识可视化的知识分类可以依据联合国经合组织(OECD)在《以知识为基础的经济》的报告,从知识经济应用的角度将知识分为四种:知道是什么的事实知识(Know-what);知道为什么的原理知识(Knowwhy);知道怎样做的技能知识(Know-how)和知道谁有知识的人际知识(Know-who)。5.知识可视化工具提高设计英语知识、政治知识、数学知识等。对于知识分类,知识可视化中还有结合应用学科的需要,分为英语知识、数学知识、语文知识等学科知识,并根据学科知识的特点,探讨知识可视化工具怎样使用,视觉表征如何设计。目前,概念图、思维导图等知识可视化工具和方法被广泛应用于英语、政治、化学等不同学科的教育教学中。6.知识与知识。“知识”分为7个学科描述知识、程序知识、经验知识和个体知识。周宁提出,“在一个知识可视化框架中,对一个有效的知识传递,要注意以下三点:知识的类型、接受者的类型和可视化的类型。”在这个框架中,区别了五种知识类型:描述知识(Know-what)、程序知识(Know-how)、经验知识(Know-why)、定位知识(Know-where)和个体知识(Know-who)。概括而言,以“知识”为研究对象的学科领域主要有两个方面:一是哲学、心理学等,主要探讨知识的来源、性质、分类及获得过程;二是信息科学,主要探讨的是知识的数字化提取、分析以及管理的技术。在视觉表征与知识内容的指代关系研究中,已经从认知心理学、知识的符号表达、知识主体的特征、知识的学科属性和知识的经济应用等角度对知识进行分类,更多是发挥视觉表征的功能表达知识的内容,即视觉表征能够表达什么知识,而没有根据信息科学中知识的属性,探讨视觉表征如何表达知识。(三)视觉表征与学习者认知知识可视化之所以区别于其他表征过程在于视觉表征形式的认知特点。视觉表征在于促进知识的人际传播,视觉表征的效果怎样,不能仅在视觉表征本身讨论,而应该从学习者认知中考虑设计应用。EpplerM·J和BurkardR·A(2004)将知识可视化的理论基础定义为视觉传播与视觉认知,但论述的内容只是简要介绍了视觉传播和视觉认知的基本概念。更多从理论假设层面强调视觉传播功能,说明为什么构建视觉表征;未从视觉认知的角度分析视觉表征的认知过程,尚未从方法论上阐释如何形成视觉表征。RalphLengler和MartinJ·Eppler(2005)整合了形式多样的视觉表征,形成“可视化方法的元素周期表”,揭示了不同形式视觉表征的联系和区别,不足之处是,没有体现学习者要素及其关系。赵国庆(2005)认为知识可视化的实质是将人们的个体知识以图解的手段表示出来,形成能够直接作用于人的感官的知识的外在表现形式,体现了视觉表征与学习者感官认知的关系。邱婷(2006)提出,根据知识可视化的内涵以及学习工具特点,以知识类型、认知过程、图形性质为三个维度,以知识可视化形式应用为重心,为知识可视化支持学习者有效学习创设条件。周宁(2007)认为,为了寻求知识传递的适当的可视化方法,了解接受者的认知背景和知识结构是非常必要的;提出了知识可视化要根据不同对象,如个人、团队和组织。王朝云(2007)认为,知识可视化要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,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;对于青少年学生,还可以引入图表分析和过程图示透析等方法,让学生能够从推理过程理解和应用知识。吕永峰(2008)根据“基于认知心理学的人类分层传播模式”中形象思维的信息流,初步提出人类分层视觉传播加工的过程,体现了学习者阅读感知视觉表征、获取其中信息的过程。从学习者与视觉表征的认知关系看,先前没有考虑学习者因素,后来逐渐关注到学习者的知识结构对解读视觉表征的影响。目前已经关注学习者“观看”行为与视觉表征意义生成的关系,然而尚未从视觉观看角度探讨视觉表征如何被认知的。毕竟,在视觉表征的视觉认知过程中不能离开人的观看要素和接受心理,只从视觉表征符号本身的分析是不充分的。(四)概念图和思维导图在物理教学中的应用在国内,“知识可视化”这一提法最早见于《知识可视化的理论与方法》(赵国庆,2005)一文。国内学者对于知识可视化视觉表征制作的研究大多停留在技术工具介绍和应用上。其中以概念地图、思维导图等最受关注,主要介绍菜单设置、图形模板,编辑功能和操作流程等。期刊论文方面,钟志贤、陈春生《作为学习工具的概念地图》,顾小清、郑颖《概念地图:原理及作用》,齐伟《思维导图在物理教学中的应用探讨》等论文,结合实例介绍了概念图和思维导图的特点和教学应用等。在学位论文方面,韩冽在《基于概念构图的网络协作学习环境研究与设计》中构建了基于概念构图的网络协作学习环境,金叶在《可视化知识管理建模语言的研究与设计》中把可视化手段引入知识建模过程,构建了一种“知识建模语言”,用图形化的语法和语义来描绘知识地图;陈春生在《概念地图支持的教学研究》中从教学设计角度构建了概念图支持的教学模式,并开发出概念图评价量规。在制作者与视觉表征表达关系的研究中,技术工具先行,注重对具体工具、技术的使用;缺少视觉表征的制作者因素,未考虑到不同文化背景和知识结构的制作者对视觉表征形成的影响;以技术工具的使用方法和过程替代了制作者设计应用的创造性思路,对制作者创造性选择过程的关注不够。(五)知识可视化方法对于知识可视化视觉表征中多个因素关系的研究,目前主要以知识可视化“形成框架”或者“步骤”为关键词进行的。EpplerM·J和BurkardR·A(2004)建立了知识可视化的三个步骤框架:①可视化什么类型的知识(what);②为什么要对这些知识进行可视化(why);③如何对这些知识进行可视化(how)。具体说来,就是确定知识类型、判断可视化的目的、选择可视化的形式。邱婷(2006)提出知识可视化的实现步骤:①确定主题;②明确目标;③构思框架;④选择形式;⑤绘制图形;⑥评价图形。这个实现步骤本质是个流程图,说明了创作视觉表征的一般步骤。然而,从形式看,与一般的图像创作步骤相似;从内容上看,缺乏知识与视觉表征的内在关联;从关系上看,只有图像与知识的关系,缺乏与作用对象和制作者等的关系。张会平(2007)认为基于知识可视化的隐性知识转换包括3个步骤:①将隐性知识以可视化的形式表示出来;②对其创造性、详实性、可行性进行评价;③根据评价结果形成结构化的显性知识。王朝云(2007)认为知识可视化的实现过程:①区分知识类型;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;③确定知识可视化的数据结构和形式,并通过工具实现可视化;④在知识传播过程中反馈信息并不断改进,以更好地被知识接受者理解和创新。张会平(2008)年提出基于可视化技术的知识转化框架,包括知识源、知识活动、知识转化及可视化技术四个部分,并将基于可视化技术的知识转化分为可视化知识提取、可视化知识融合及可视化知识吸收三个部分。分析上述知识可视化视觉表征形成框架的研究,可以发现以下特点:四、知识可视化视觉表征的结构与核心点分析目前已经从知识、技术、图像等角度探讨知识可视化视觉表征。但对知识可视化视觉表征研究是见物不见人,对观看者和制作者等因素分析不足;有因素的示意,剖析因素之间深层次关系不足,偏离了知识可视化视觉表征的本质。知识可视化视觉表征研究不仅仅考察知识可视化视觉表征“是什么”,而且考察知识可视化视觉表征“如何是”,不仅考察知识可视化的视觉表征自身的结构关系,而且要探究视觉表征如何被赋予知识、产生传递作用。在理论层面,需要协调知识可视化视觉表征中知识内容、视觉形式、观看者、制作者等原本相对孤立的研究领域,分析视觉表征的本质特征,澄清视觉表征应用问题的根源。在实践层面,对于知识可视化视觉表征的设计应用,还存在不少错误的设计观点和应用方法。因此,下一步研究要能够为视觉表征设计应用提供理论参考,可以为视觉表征资源开发提供思路借鉴。(一)视觉表征中的因素按照语言学家索绪尔的观点,语言并非孤立的单位,而是一种系统和结构。“语言是形状,而不是实质。”所有的语言都是一种关系网络,语言符号借助于相互之间的关系而起作用。在语言的考察中,只有将一因素与另外的因素联系起来才有意义。知识可视化视觉表征并非孤立的单位,而是系统和结构。因此,可以先将视觉表征与知识内容、学习环境等其他影响条件分离,解剖构成视觉表征语言系统的单位及其组合规则,探讨视觉表征表层与深层的结构关系,进而把握视觉表征符号组成的本质特征,为视觉表征与其他因素关系的研究奠定基础。(二)问题的提出:“谁是视觉表征的知识?语言是人类在实践过程中所创造的,用来表达知识的符号系统。研究语言问题的主要关注点,至少应当包括两个基本方面:一方面是回答“给定的符号系列所表达的知识是什么”(说的是什么?),另一方面是回答“怎样用符号系列来表达给定的知识”(怎么说?)。目前从知识角度更多侧重于发挥视觉表征的功能,利用视觉表征去传播多种多样的知识,而缺乏根据信息传播属性,探讨视觉表征内容的构建方法。因此要考察知识可视化视觉表征与知识内容的关系,根据信息科学中知识分类探讨视觉表征内容的建构方法。(三)视觉认知的过程性考察“知识可视化不仅是为了表征知识,更是为了将个人知识、群体知识、组织知识转化成能够直接作用于人的视觉感官的一种外在形式。”知识可视化