知識可視化的理論與應(yīng)用

【摘要】介紹了知識可視化的由來、原因、目的及方法，在分析知識可視化原有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上對知識可視化的本質(zhì)及理論基礎(chǔ)提出了自己的不同看法，并介紹了知識可視化在教學(xué)中的實際應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】 知識可視化，本質(zhì)，理論基礎(chǔ)，應(yīng)用

【中圖分類號】G420【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A【論文編號】1009—8097（2007）06—0018—04

一、什么是知識可視化

“可視化”一詞，即Visualization，來源于英文的Visual，原意是“視覺的，形象的”。事實上，將任何抽象的

事務(wù)、過程變成圖形圖像的表示都可以稱為可視化。比如計算機(jī)領(lǐng)域典型的可視化例子便是操作系統(tǒng)由“DOS”轉(zhuǎn)變?yōu)椤癢indows”，這一轉(zhuǎn)變可稱得上是計算機(jī)史上的一次偉大革命，它使原來只有少數(shù)專家才能操作的甚至帶有些許神秘色彩的計算機(jī)迅速飛入尋常百姓家。事實上，在日常生活中也存在著大量利用可視化技術(shù)促進(jìn)思維的應(yīng)用實例。例如，我國古老的算盤就是一種典型的可視化思維工具，通過將計算過程可視化，使運(yùn)算速度達(dá)到了普通人腦心算無法直接達(dá)到的思維速度。又如，我們在教幼兒進(jìn)行加減法時，通常會提醒他們運(yùn)用手指、實物等可視化實體來進(jìn)行思考，從而幫助解決了無法解決的心算題目。

最初的“可視化”是指科學(xué)計算可視化(即Visualization in Scientific Computing，簡稱ViSC)，其基本含義是運(yùn)用計算機(jī)圖形學(xué)或者一般圖形學(xué)的原理和方法，將科學(xué)與工程計算等產(chǎn)生的大規(guī)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形、圖像，以直觀的形式表示出來。

知識可視化源于科學(xué)計算可視化卻又不同于科學(xué)計算可視化。科學(xué)計算可視化的處理對象主要是數(shù)據(jù)，知識可視化的處理對象則是人類的知識，而數(shù)據(jù)和知識顯然是不同的。數(shù)據(jù)是人們用各種工具和手段觀察外部世界所得到的原始材料，它本身沒有任何意義，它只是描述發(fā)生了什么事情，它可能與人們手上的任務(wù)有關(guān)，也可能與人們手上的任務(wù)無關(guān)。人們對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出其中和手上的任務(wù)有關(guān)的部分，形成信息。信息再經(jīng)過學(xué)習(xí)過程與價值認(rèn)知，形成知識，而知識與人相關(guān)。

本文所討論的知識可視化是指Eppler， M.J. Burkard， R.A.2004年所給出的定義：知識可視化是應(yīng)用視覺表征手段，促進(jìn)群體知識的傳播和創(chuàng)新，研究視覺表征在提高群體之間知識傳播和創(chuàng)新的作用，目標(biāo)在于傳輸見解（insights）、經(jīng)驗(experiences)、態(tài)度(attitudes)、價值觀(values)、期望(expectations)、觀點(perspectives)、意見(opinions)、預(yù)測(predictions)等，并幫助他人正確的重構(gòu)、記憶和應(yīng)用這些知識。

二、 為什么要知識可視化

（一）視覺是人類接受信息的重要通道

實驗心理學(xué)家赤瑞特拉（Treicher）通過大量的實驗證明，人類在接受的信息中，通過視覺獲得的占83％，聽覺占11％，嗅覺占3.5％，觸覺占1.5％，味覺占1％，這說明視覺是人們接受信息的主要通道。常言道：“百聞不如一見”、“一圖勝千言”，要表達(dá)的就是這個意思。當(dāng)代生活或文化中方方面面都要求某種程度的視覺性和視覺效果，從廣告形象到影視節(jié)目，從印刷圖片到三維效果圖……無處不在的視覺化掃蕩了一切領(lǐng)域和傳統(tǒng)規(guī)則，把可視性凸現(xiàn)了出來。這種難以抗拒的視覺化趨勢，在相當(dāng)程度上表明：我們用以表征、理解和解釋世界的方式越來越呈現(xiàn)出圖像化的特征，視覺經(jīng)驗具有越來越重要的作用。如果我們失去了視覺上對世界的體驗和把握，這個世界的形象在我們的認(rèn)知世界里將會完全改寫。利用可視化技術(shù)可以將抽象的事物或過程變成利于被人們接受和認(rèn)知的圖形圖像，大大有利于知識的理解和傳播。

（二）知識的外在呈現(xiàn)方式對內(nèi)在內(nèi)容的認(rèn)知，理解，運(yùn)用和傳播有著極其重要的影響

任何一種新技術(shù)的發(fā)明和運(yùn)用（感覺的延伸）都改變著我們思想和行為的方式，即我們感知世界的方式。[1]每一種新的信息呈現(xiàn)方式發(fā)出的信息都代表著或是規(guī)模、或是速度、或是類型的變化，所有這些信息的形式變化都會介入到人類的生活中，每一種新的信息呈現(xiàn)方式的出現(xiàn)，無論它呈現(xiàn)的信息內(nèi)容是什么，都會給人類的認(rèn)知帶來巨大的影響，并引起某種質(zhì)的變革。舉例來說，阿拉伯?dāng)?shù)字“0，1，2，3，4，5，6，7，8，9”與漢語數(shù)字“零，一，二，三，四，五，六，七，八，九”從本質(zhì)上來說其實表達(dá)的是相同的內(nèi)容，但正是有了阿拉伯?dāng)?shù)字“0，1，2，3……的出現(xiàn)，十進(jìn)制運(yùn)算才如虎添翼，數(shù)學(xué)才得以有今天的發(fā)展。如果全人類都用“零，一，二，三……”或“I，II，III……”來進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，恐怕數(shù)學(xué)發(fā)展史會完全改觀。同樣的內(nèi)容，不同的呈現(xiàn)方式，會帶來完全不同的效果。其實，在日常生活中，這樣的例子也很常見，比如教學(xué)，同樣內(nèi)容不同老師授課，同一老師同樣內(nèi)容以不同方式授課，所取得的效果肯定是不同的；口耳相傳的教學(xué)方式與在現(xiàn)代教育思想和教育理論指導(dǎo)下、且有多媒體支持的教學(xué)方式肯定也是不同的。由此可見，知識的外在呈現(xiàn)方式是如何重要地影響著知識內(nèi)在內(nèi)容的認(rèn)知，理解和傳播，甚至決定著內(nèi)在內(nèi)容的生存質(zhì)量與發(fā)展方向。

三、知識可視化的理論基礎(chǔ)和實質(zhì)

（一）知識可視化的理論基礎(chǔ)

在趙國慶等先生所寫的文章《知識可視化的理論與方法》中，曾提出知識可視化的理論基礎(chǔ)是雙重編碼理論。但知識可視化的理論基礎(chǔ)究竟是否是雙重編碼理論卻是有待斟酌的。雙重編碼理論的基本觀點是：人類認(rèn)知是非常獨(dú)特的，它在同時處理語言和非語言對象時非常特別，同時以視覺形式和語言形式表示信息能夠大幅度地增強(qiáng)記憶和識別，其效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于單獨(dú)用視覺形式或語言形式來表示。由此，趙國慶等先生認(rèn)為“雙重編碼理論為知識可視化提供了很好的理論基礎(chǔ)” [2]。而根據(jù)知識可視化的定義可以看出，知識可視化只是應(yīng)用視覺表征手段來進(jìn)一步表現(xiàn)知識，以期達(dá)到知識的表現(xiàn)力增強(qiáng)，可傳播性提高的目的。究竟是否應(yīng)用了知識可視化的手段來表征知識，或表征的效果怎樣，都只是在視覺維度上討論，并沒有涉及到聽覺；無論是否應(yīng)用了知識可視化的表征手段，也都并不排斥同時輔以聽覺手段來增強(qiáng)記憶和理解效果。因此，把雙重編碼理論歸結(jié)為知識可視化的理論基礎(chǔ)顯然是欠妥的。

筆者認(rèn)為，要探求其理論基礎(chǔ)的話，與其說是雙重編碼理論，倒不如說是戴爾經(jīng)驗之塔來得更貼切些。

1946年戴爾（E. Dale）發(fā)表了《經(jīng)驗之塔（The “Cone of Experience”）一文。戴爾根據(jù)學(xué)習(xí)經(jīng)驗的抽象程度將其分為三大類，即做的經(jīng)驗（Doing）、觀察的經(jīng)驗（Observing）、抽象的經(jīng)驗（Symbolizing）。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，教學(xué)媒體的種類及其功能也生了很大變化，因此有學(xué)者對戴爾經(jīng)驗之塔做了些許改動，在 “塔”中適當(dāng)?shù)奈恢迷黾恿恕疤摂M現(xiàn)實”和“計算機(jī)動畫”。改動后的經(jīng)驗之塔如圖1所示：

戴爾本人也聲稱他的經(jīng)驗之塔只是一個學(xué)習(xí)經(jīng)驗的視覺隱喻(a visual metaphor of learning experiences)，而不是一個完美無缺的機(jī)械圖示（It is not a mechanically flawless diagram.）。

既然如此，我們可以把目光聚焦到經(jīng)驗之塔所要表述的本質(zhì)內(nèi)涵上來。

戴爾有關(guān)抽象－具體、直接－間接經(jīng)驗關(guān)系的界定是比較準(zhǔn)確的，他認(rèn)為具體經(jīng)驗是發(fā)展抽象理解的基礎(chǔ)，但是人們不可能任何事情都親歷親為。因此“一個受過良好教育的人的頭腦不僅有豐富的概念，還要以個人豐富的經(jīng)驗為基礎(chǔ)”。亞立士多德說過：“告訴我的我會忘記，給我看的我會記住，讓我參與的我會理解。”這在一定程度上也表明不同抽象程度的經(jīng)驗促進(jìn)個人學(xué)習(xí)的效果是不同的。然而受個人和現(xiàn)實條件的制約，注定我們的學(xué)習(xí)只能以間接經(jīng)驗的學(xué)習(xí)為主，如果什么事情都親力躬行，那一個人的一生當(dāng)中是

學(xué)不到多少東西，人類文明的發(fā)展也無從談起。因此，我們應(yīng)當(dāng)利用各種方法獲取盡量多的間接經(jīng)驗，從而較快構(gòu)建具體的經(jīng)驗，形成信息時代抽象知識具體化的新思維。總之以最少的時間，取得最多的抽象經(jīng)驗和具體經(jīng)驗。知識可視化技術(shù)正好滿足了這一要求。知識可視化應(yīng)用視覺表征手段，把知識以圖解的手段表示出來，將內(nèi)隱知識外顯化，將外顯知識生動化，有效地達(dá)到了抽象知識具體化的目的，是幫助我們實現(xiàn)這一理想的有力工具。

（二）知識可視化的實質(zhì)——將內(nèi)隱知識或隱性知識外顯化，將外顯知識生動化

關(guān)于知識可視化的實質(zhì)，趙國慶等先生在《知識可視化的理論與方法》中認(rèn)為是認(rèn)知知識“制品”到顯性的物理知識制品的轉(zhuǎn)化[2]，也即把內(nèi)隱的和隱性的個體知識轉(zhuǎn)化成能夠直接作用于人的感官的（能夠觸摸到、看到、聽到或操作的）外顯知識。以上觀點無疑是正確的，但還應(yīng)該加上一點：“將外顯知識生動化”。同樣是顯性知識，其可理解和可傳播的程度可能依然有巨大差別，比如我們平常所看的書本，其實已經(jīng)是顯性的物理知識制品，但有時依然顯得難以理解或可理解性差，而我們?nèi)绻脠D表，概念圖或動畫等適合更直觀的呈現(xiàn)方式表達(dá)出來，其效果可能會好很多。因此，知識可視化不但要將隱性知識外顯化，還要將外顯知識生動化，只有這樣，才能更好地促進(jìn)知識在群體間的傳播和創(chuàng)新。

四、 哪些類型的知識適合可視化

到現(xiàn)在為止，還沒有任何一種知識分類法，可以清楚明了地區(qū)別出哪些類型的知識適合可視化，哪些類型的知識不適合可視化，以及適合可視化的知識應(yīng)該用什么樣的方法和途徑進(jìn)行可視化。

本人的觀點是：可以從學(xué)習(xí)者和學(xué)習(xí)內(nèi)容兩個維度來考察是否需要對知識進(jìn)行可視化，再結(jié)合成本維度考慮是否值得可視化。

既然學(xué)習(xí)知識，就離不開學(xué)習(xí)者，而不同的學(xué)習(xí)者因為年齡不同，認(rèn)知風(fēng)格不同，其對知識的理解方式和把握方式是完全不同的。對于幼兒而言，在其未形成對世界的“符號表征”之前，他們腦海里留存的全是一幅幅生動活潑的畫面，其頭腦里根本沒有“符號” 的概念。對于這樣的幼兒，則無論什么類型的知識都是需要“可視化”的。對于成人而言，其空間想象力、動態(tài)想象力、復(fù)雜承受度等也是因人而異，從而決定了對于有些人來說需要“可視化”的知識而對于另外的人則不是必需的。因此，我們只能根據(jù)學(xué)習(xí)者，學(xué)習(xí)內(nèi)容的不同做出不同的判斷和決定。

那么對于不同的學(xué)習(xí)者和學(xué)習(xí)內(nèi)容，將知識“可視化”到什么程度合適呢？一方面，“可視化”技術(shù)使抽象知識具體化，降低了我們理解知識的難度，另一方面，因為要對知識進(jìn)行加工，它必然要增加知識表示的成本。我們要做的，就是在“利益”和“成本”之間尋找一個平衡點。

五、知識可視化的方法和應(yīng)用舉例

（一）知識可視化的常用方法

知識可視化方法有很多，比如我們平常為幫助理解而畫的草圖，算法的流程圖，工程科學(xué)中的幾何線條表示法（地理學(xué)中的等壓線）、色彩表示法（地圖涂色）、多媒體表示法（用動畫表示程序的執(zhí)行流程）等，這些方法只要用得合適，都是知識可視化的好方法。下面重點介紹兩種比較常用和效果較好的辦法。

1、概念圖(Concept Map)

概念圖是康乃爾大學(xué)的諾瓦克（J.D. Novak）博士根據(jù)奧蘇貝爾(David P. Ausubel)的有意義學(xué)習(xí)理論提出的一種用來組織和表征知識的工具，也被稱為概念構(gòu)圖或概念地圖，前者注重概念圖制作的具體過程，后者注重概念圖制作的最后結(jié)果，但現(xiàn)在一般把概念構(gòu)圖和概念地圖統(tǒng)稱為概念圖而不加于嚴(yán)格的區(qū)別。它通常將某一主題的有關(guān)概念置于圓圈或方框之中，然后用連線將相關(guān)的概念和命題連接起來，連線上標(biāo)明兩個概念之間的意義關(guān)系。“概念-連接詞-概念”這樣一個三元組形成了一個命題。另外，概念圖具有層次結(jié)構(gòu)，最高級的概念處在頂端。人們可以用適合的關(guān)聯(lián)詞來說明不同層次的概念之間的關(guān)系，并確定不同分支之間的橫向聯(lián)系。概念圖作為一種知識表示的策略，其最大的優(yōu)點在于對知識的體系結(jié)構(gòu)一目了然的表達(dá)出來，并突出表現(xiàn)了知識體系的層次結(jié)構(gòu)，它能有效地改變學(xué)生的認(rèn)知方式，大面積提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績，切實地提高教師的教學(xué)效果。

2、思維導(dǎo)圖（Mind Map）

思維導(dǎo)圖最初是20世紀(jì)60年代英國人托尼#8226;巴贊（Tony Buzan）創(chuàng)造的一種筆記方法。它的初始目的只是為了改進(jìn)傳統(tǒng)的草擬筆記埋沒關(guān)鍵詞、不易記憶、浪費(fèi)時間和不能有效的刺激大腦等缺點，但它的實際作用和威力卻遠(yuǎn)不至于此。繪制思維導(dǎo)圖的具體做法是：在一張紙上把所有的信息組織在一個樹狀的結(jié)構(gòu)圖上，每一分支上都寫上不同概念的關(guān)鍵詞或短句，把每一概念分類并且有層次地分布在圖上，而這圖上又充滿著色彩、圖像，而這正是模擬了大腦自身開展工作的方式。依據(jù)全腦概念的原理，這樣做能夠同時刺激左腦和右腦，全面調(diào)動左腦的邏輯、順序、條例、文字、數(shù)字以及右腦的圖像、想象、顏色、空間、整體思維，使大腦潛能得到最充分的開發(fā)，讓人在思考、記憶、分析時充分發(fā)掘潛能，激發(fā)靈感與想象。思維導(dǎo)圖自誕生以來，被廣泛地應(yīng)用于學(xué)習(xí)、工作、生活的各個方面，它成功地幫助全世界2 .5億人改變了生活，被譽(yù)為21世紀(jì)全球性的思維工具。

（二） 知識可視化在教學(xué)中的應(yīng)用舉例

在地理科學(xué)中，氣壓的變化、地質(zhì)的分布等現(xiàn)象，學(xué)生是無法直接觀察到的，我們可以把其用圖形表示出來，給學(xué)生以直觀印象。在物理學(xué)中，沖擊波、渦流、電磁場等，這些在常態(tài)下都沒有辦法用眼睛來看到，而用可視化技術(shù)則可以模擬出來，給人在感觀上獲得直觀生動的形象從而加深理解。在化學(xué)教學(xué)中，分子的結(jié)構(gòu)，化學(xué)反應(yīng)等問題也是較難觀察的，我們同樣可以利用可視化技術(shù)進(jìn)行演示。在計算機(jī)科學(xué)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中，因該課程主要討論抽象數(shù)據(jù)間的關(guān)系和算法的定義、表示和實現(xiàn)，用靜態(tài)的文本往往難以有效地展示算法的抽象性和動態(tài)性，而如果利用可視化技術(shù)進(jìn)行動態(tài)演示，則可以有效改善這一狀況。

綜上所述，無論對于難以理解的靜態(tài)概念，還是無法直接觀察到的自然或?qū)嶒灛F(xiàn)象，抑或單獨(dú)靠人腦想象有困難的動態(tài)過程，我們都可以利用適當(dāng)?shù)目梢暬椒ò阉鼈儽硎境鰜恚怪菀捉邮芎屠斫狻＿@一過程有效地實現(xiàn)了抽象知識具體化、生動化，非常有利于教學(xué)效果的提高。

六、結(jié)語

知識可視化是應(yīng)用視覺表征手段，促進(jìn)群體知識的傳播和創(chuàng)新。它為不能直接作用于人的感官的隱性知識創(chuàng)造有效條件，使其以圖解的手段表示出來，形成可以直接作用于人的感官的顯性知識。在現(xiàn)代社會，知識量劇增，知識更新速度快也在以前所未有的速度的加快，人類迫切需要一種可以幫助其快速理解知識，掌握知識和傳播知識的手段和方法，知識可視化恰好滿足了這種需求，有著極其廣闊的應(yīng)用前景。

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參考文獻(xiàn)

[1] 馬歇爾#8226;麥克盧漢．《理解媒介——論人的延伸》[M] ．何道寬譯．北京：商務(wù)印書館， 2001．第33頁

[2] 趙國慶等．知識可視化的理論與方法[EB/OL] ． 中國期刊網(wǎng)．2006年8月

Theories and Practice of Knowledge Visualization

Wang Chaoyun1， Liu Yulong2

1.School of Information and Media， Xuzhou Normal University， Xuzhou， 221009

2. School of Computer technology and Science， Xuzhou Normal University，Xuzhou， 221009

Abstract: The paper introduced origin， reasons， aims and methods of knowledge visualization and proposed different perspectives on essence and theoretical foundation of knowledge visualization after analysis of previous literature of knowledge visualization and presented practical application of knowledge visualization in instruction.

Keywords:Knowledge Visualization， Essence， Theoretical Foundation， Application