信息熵理論在多媒體課件圖形設計中的應用*

呂永峰

信陽師范學院傳媒學院 河南信陽 464000

信息熵理論在多媒體課件圖形設計中的應用*

呂永峰

信陽師范學院傳媒學院 河南信陽 464000

基于信息論中的信息熵理論，借助認知心理學中的人類分層傳播模型，探討多媒體課件制作中的圖形設計問題，以期為一線制作多媒體課件的教師提供指導。

信息熵理論；人類分層傳播模型；多媒體課件；圖形設計

Author’s address School of Communications, Xinyang Normal University, Xinyang, Henan, China 464000

1 信息熵理論與多媒體課件圖形設計的理論分析

“熵”是德國物理學家克勞修斯在1850年創造的一個術語，他用它來表示任何一種能量在空間中分布的均勻程度。能量分布得越均勻，熵就越大。如果對于所考慮的那個系統來說，能量完全均勻地分布，那么，這個系統的熵就達到最大值[1]。1948年，香農（Shannon）第一次將這一概念引入信息論中，從此，熵這一概念被廣泛用于信息的度量，在自然科學和社會眾多領域中得到廣泛應用，并成為一些新學科的理論基礎，由狹義熵發展為廣義熵。從物理熵理論引伸到信息學、社會學等領域，稱之為信息熵。信息熵并不是負熵，它描述的是信源的不確定性而不是其不確定性的減少。信息熵大表示信源的不確定程度較大，同樣是一種無序性。香農的信息概念是人們對事物了解的不確定性的減少或消除，這一定義關注的是通信中的信息問題，所以香農信息是一種與信道相關的“信息”。信源、信道、信宿成了認識過程的不可分割的部分，主客體是不可分的。換言之，信息是認識主體所感受的或所表達的事物運動的狀態和運動狀態變化的方式，是人們在外部世界和控制外部世界的過程中，同外部世界進行交換的內容。

信息度量：若一個事件產生的概率是P，則它的信息量I=-log2P。

對于n個事件構成的概率系統，每一事件產生的平均信息量為：H為信息熵，信息熵的大小用于表示概率系統的不確定程度。式中，Pi為信息系統中狀態i出現的概率。信息熵可用于對信息系統中信息量大小進行計算。

而多媒體課件是一種教學軟件，它是一種圖形、文字、表格、視頻、音頻等信息的集合，能有效地促使學習者思考問題，實現有效的學習。多媒體課件活動的實質是信息處理、變換和傳播的過程。多媒體課件是形式，是教育教學信息的載體；教育教學信息（包括圖形信息）是內容，是多媒體課件的本質。從信息的角度分析，多媒體課件活動就是信息熵的變化過程。其中最為重要的活動之一就是多媒體課件的圖形設計，主要涉及信息流、信息熵、信息負熵的處理。

2 人類分層傳播模式對多媒體課件圖形設計的啟示

多媒體課件受眾在使用課件過程中起著至關重要的作用。最初的多媒體課件只是機械地呈現課本中的知識，目的是向受眾“灌輸”知識信息。而實際上，受眾在多媒體課件的使用和評價中的地位是主動的：受眾有選擇地接受課件信息，進行負熵的輸入，使受眾子系統中的熵減少。

借助“基于認知心理學的人類分層傳播模式”（圖1）[3]，受眾對多媒體課件圖形信息的處理模型是：視覺→感覺登記（視像記憶）→視知覺→短時記憶（視覺代碼）/長時記憶（表象代碼）→視覺表象→表象編碼。

具體步驟：

第一步，人腦對直接作用于視覺器官的多媒體圖形的個別屬性進行反應，其所得的信息是主要滯留在視覺器官上的未經整合的各種具體的信息；

第二步，個體解釋輸入的視覺刺激信息（這里主要指圖形信息），從而產生視知覺模式和客觀事物意義，是淺層次的意義建構，其規則有多樣性、模糊性之特點；

第三步，視像記憶；

第四步，視覺表象及表象編碼，即人腦對個體看到的圖形信息進行編碼，其中有轉喻、類推、替代、濃縮等形式，以此形成陳述性知識（如知識、概念、命題、腳本、圖式、表象等）和程序性知識（產生式規則）等，而這些知識或經驗又常常存儲于記憶庫中以備個體調用；

第五步，發展到思維層面，運用于問題解決當中。

綜上所述，受眾在多媒體課件的使用及評價中的地位是主動的，而且是具有決定性的。

由此可以明顯地看出：多媒體課件的圖形設計主要作用于人類分層視覺傳播的感覺和知覺層。感覺和知覺層面的視覺加工是底層的感性加工，只有保證這兩個基礎層的加工不出偏差，才能保證整個視覺信息加工過程不出“數據讀取錯誤”這樣的問題，才能促成認知個體由感性認識到理性認識的飛躍。這是對多媒體圖形知覺設計的宏觀要求。

3 信息熵理論在多媒體課件圖形設計方面的應用

從信息熵理論的角度來看，受眾系統的信息處理過程是受眾從接觸課件以后的全部過程，這個過程與受眾的知識背景和社會背景有密切的關系。

3.1 受眾對課件圖形的接受程度和受眾對圖形的關聯性有關

圖1 基于認知心理學的人類分層傳播模式

3.2 受眾對多媒體課件中圖形的注意程度不同

在對N個圖形若等概率傳播，信息熵最大為Hmax，實際情況下是非等概率傳播，則熵為H，且H＜Hmax。定義相對信息熵為h=H/Hmax[2]。基于相對信息熵，稱r=1-h為冗余度。冗余度表示由于各種圖形出現的概率不同而使信息熵減少的程度，還表示圖形在傳播信息時，不必要的冗長部分的比例。信息傳遞過程中的冗余度使得信息傳遞的效率變低，信息知覺卷入程度低，情感方面誘發否定效果。

所以在多媒體課件的圖形設計中，要注意對“歧義圖形”的適當處理。這里的“歧義圖形”指讓學生產生視錯覺的圖形和容易產生視覺掩蔽的圖形等。具體要求為：1）對于視錯覺圖形，為了防止教學活動中視錯覺現象產生而影響教學效果，這里要求在多媒體課件編制過程中對不確定的圖形作簡要說明，保證信息的準確傳遞；2）對于容易產生視覺掩蔽的圖形，這里要求在圖形刺激物的形態和出現的時間上做機動控制，避免給學生傳遞含糊不清甚至錯誤的信息。

需要說明的是，并不是所有的視錯覺現象都要加以糾正或說明，對于特殊的教學內容也可借視錯覺等圖形知覺現象創造特殊的視覺效果。

3.3 多媒體課件中的圖形要引起受眾的關注，并傳播到一定廣度

多媒體課件的圖形設計是信息的處理和變換，是復雜的思維意識及信息的高級活動，它是負熵的輸入。如果圖形設計是一個孤立子系統，設計思想是這個子系統的能量，圖形的有效解讀是信息熵。熵的變化決定著多媒體課件中圖形有效解讀的變化和發展。如果因循守舊，不接納外界的新信息，那么在經過一段時間的設計后，其熵的增加達到最大值，新的知識減少。即圖形中的信息量遞減，信息的不確定性減少的量逐漸減少，結果是多媒體課件間的圖形設計趨于雷同化和模式化。

根據香農公式C=Wlog2(1+S/N)[5]，圖形信息的送達率C與發送廣度W成正比，與信噪比S/N成正比。在目前課件泛濫、知識爆炸的背景下，圖形信息噪聲量極大。受眾在接收圖形信息時，需要有利于他們進行信息處理的客觀條件。如果受到外界的干擾、刺激，或者接觸時間受到限制，則不利于這一心理過程；如果有可能多次重復接觸同一個圖形信息，則此心理過程會更加有效。

圖形信息引起受眾的關注的有效途徑是提高信噪比S/N，而提高S/N，可以提高該圖形本身的信息量，或者抑制其他無關圖形的信息量。由此可以得出下面的影響因素。

1）圖形與背景設計。圖形與背景的設計應當分明，使學生對教學主體一目了然，迅速激發學生的學習興趣和動機，并在有效的時間內把握被感知圖形的特征，以增強教學效果。要求：

①背景一般用來表現教學環境、襯托與主體圖形的相互關系，所以要避免與教學內容無關的圖形出現在多媒體課件的界面上；

②背景的顏色不宜過分鮮艷，以免喧賓奪主，將學習者的注意力分散；

③可用明暗對比來突出主體，例如通過加強主體部分的亮度和色飽和度來突出主體對象。

2）圖形的組合設計。這里要求按照圖形組合的科學法則（如格式塔的組織律或其他視覺傳達設計法則）對多媒體課件中的圖形進行合理的安置。

①整體規律：對學生沒有經驗的新事物，應在畫面上整體呈現；而對學生已經熟悉的事物，在畫面上呈現事物的部分主要特征會有更好的圖形知覺效果。當圖形設計未能遵循這一規律時，學生會將一種事物的整體知覺分為幾個不同的部分，或將幾種事物的不同部分組合成另一種事物整體，從而影響課件的教學效果。

②對比規律：設計人員在進行圖形設計時，最好能采用大小對比、新舊對比、明暗對比、色彩對比、虛實對比、主體對象與背景的對比等手法突出學習對象不同部分的特征。例如，要說明一個物體的大小，最好在它旁邊放置一件學生比較熟悉的物體作為參照。

4 結語

對于一套優秀的多媒體課件，圖形設計至關重要?；谛畔⒄撝械男畔㈧乩碚?，借助認知心理學中的人類分層傳播模型，發現在進行多媒體課件設計時，不僅要充分考慮課件中的被選圖形與背景的區分，還要充分考慮圖形與受眾文化背景、知識水平等因素。以學生為本，設計出高水平的多媒體課件，使學生在學習過程中保持一個良好的心理和視覺狀態，減少學習以外因素的干擾，只有這樣，才能真正發揮多媒體教學的長處，最終達到提高教學質量的目的。

[1]什么是信息熵[DB/OL].http://www.360doc.com/showGroupWeb.aspx?Category ID=1&ArticleID=540537&Group ID= 555.

[2]傅德榮,章慧敏.教育信息處理[M].北京:北京師范大學出版社,2004.

[3]莫永華,寇冬泉.基于認知心理學的人類分層傳播模式[J].電化教育研究,2005(11):38-41,46.

[4]于馨燕.信息熵理論在廣告活動中的應用研究[J].企業經濟,2007(3):77-79.

[5]關于香農公式[DB/OL].http://zhidao.baidu.com/question/12379753.html.

On Appl ication of Ent ropy Theory in Picture-designing of Mul timedia Courseware//

Lv Yongfeng

Based on the Ent ropy Theory and Humankind’s Hierarchical Communication Mode, the author discusses on the picture-designing problems of mul timedia courseware, in order to cause readers’discussion to promote the level for the production of mul timedia courseware.

ent ropy theory; humankind’s hierarchical communication model; mul timedia courseware; picture-designing

G436

B

1671-489X(2012)18-0100-03

10.3969 /j.issn.1671-489X.2012.18.100

*本文受信陽師范學院青年骨干教師資助計劃資助；信陽師范學院2010年度青年基金項目“‘三網融合’視閾下的分層視覺傳播及視覺素養培養研究”（項目批號：2010006）研究成果。

作者：呂永峰，講師，研究生學歷，信陽師范學院傳媒學院媒體技術教研室主任，研究方向為視覺傳播理論與影視制作技術。