思維可視化的教學研究

徐苑苑

編者按：“未來課堂”項目是華東師范大學“985工程”《教師教育創新基地和優勢學科平臺建設》子項目“教師實踐創新的主陣地”研究內容之一。該項目由華東師范大學張際平教授領銜，帶領強大的研究團隊，并與多家科技企業緊密合作，經過兩年左右時間的研究，在課堂的理論研究、物理空間的設計、新技術新媒體的運用、多種互動形式的實現、學生座位的形態組合、教學平臺的設計開發、新型教學模式的創建及教學實踐的探索等方面均取得了很大成果，引起了社會各類教學機構和部門的極大關注。本文為專欄系列文章的第十篇。

如上期《思維可視化研究之目的與技術支撐》一文所述，對教學而言，“思維可視化”是指將原本不可見的思維路徑、方式、規律運用圖示或圖示組合的方式呈現出來，以期實現增強記憶及加深理解的效果。其本質也就是隱性思維顯性化的過程。為了進行思維可視化的教學研究，必須對可視化本身的類型、進展，以及可視化教學研究方面進行考量。

● 可視化的類型

從基本原理上講，可視化（Visualization）是利用計算機圖形學和圖像處理技術，將數據轉換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術。“可視化”一詞來源于英文的visualization，原意是“可使看得見的，清楚地呈現”，也可譯為形象化、成就展現等。事實上，將任何抽象的事物、過程變成圖形圖像等形象化的表示都可以稱為可視化。[1]從另一個角度說，可視化是一個過程——它將數據、信息和知識轉化為一種形象化的視覺表達形式。充分利用了人們對可視模式快速識別的自然能力，以形象化的姿態接受大眾的解讀。[2]“可視化”作為專業術語最早出現在1987年2月，當時美國國家自然科學基金會（National Science Foundation，簡稱NSF）召開的一個專題研討會，給出了科學計算可視化的定義、覆蓋的領域以及近期、長期發展的方向。這標志著科學計算可視化作為一個學科在國際范圍內已經成熟。[3]作為一個新的學科，目前可視化研究的類型主要是以下三個方面。

1.數據可視化

數據可視化（Data Visualization）是關于數據之視覺表現形式的研究；其中，這種數據的視覺表現形式被定義為一種以某種概要形式抽提出來的信息，包括相應信息單位的各種屬性和變量。數據可視化技術的基本思想是將數據庫中每一個數據項作為單個圖元元素表示，大量的數據集構成數據圖像，同時將數據的各個屬性值以多維數據的形式表示，可以從不同的維度觀察數據，從而對數據進行更深入的觀察和分析。數據可視化主要旨在借助于圖形化手段，清晰有效地傳達與溝通信息。

2.信息可視化

信息可視化（Information visualization）是一個跨學科領域，旨在研究大規模非數值型信息資源的視覺呈現，信息可視化側重于抽象數據集，在科學技術研究領域，信息可視化這條術語則一般適用于大規模非數字型信息資源的可視化表達。信息可視化致力于創建那些以直觀方式傳達抽象信息的手段和方法。利用人類對視覺對象的快速辨別能力，使人們在這種新型高效的視覺化界面的幫助下，快速識別出數據背后事物之間的關系及其發展趨勢。信息可視化的英文術語“Information Visualization”是由斯圖爾特·卡德、約克·麥金利和喬治·羅伯遜于1989年創造出來的。斯圖爾特·卡德1999年的報告將其定義為：“借助于計算機支持的，交互性的視覺表示法來表現抽象數據和增強認知”。[4]

3.知識可視化

知識可視化是可視化在教育應用領域研究的一個新分支，是在科學計算可視化 （Scientific Computing Visualization）、數據可視化（Data Visualization）和信息可視化（Information visualization）基礎上發展起來的。[5]2004年，Eppler&Burkard將知識可視化定義為：“知識可視化是運用視覺表達手段來研究在兩個以上人之間知識創造的提高和傳播的作用，知識可視化也可被認為所有用來構成和傳輸復雜意識的圖解手段。”[6]一般來講，知識可視化領域研究的是視覺表征在提高兩個或兩個以上人之間的知識傳播和創新中的作用。這樣一來，知識可視化指的是所有可以用來建構和傳達復雜知識的圖解手段。除了傳達事實信息之外，知識可視化的目標在于傳輸見解、經驗、態度、價值觀、期望、觀點、意見和預測等，并以這種方式幫助他人正確地重構、記憶和應用這些知識。

● 可視化研究的進展

可視化的研究是伴隨著科學技術的發展，經歷了數據─信息─知識可視化的研究歷程。但是，隨著基于計算機的工業設計的興起和腦科學的發展，可視化研究開始向思維研究的領域發展。可視化圖形圖像以及背后的數據來源和創造歷程更是讓人們為之詫異不止。它涉足制圖學、圖形繪制設計、計算機視覺、數據采集、統計學、圖解技術、數型結合以及動畫、立體渲染、用戶交互等。相關領域有影像學、視知覺、空間分析、科學建模等。隨著可視化技術的應用和發展，可視化研究也從計算機科學領域向與其他學科的交叉領域滲透，包括心理學、教育學、神經科學、管理學等學科。

從可視化研究方面講，在計算機出現之前，可視化主要通過手工繪制。最具代表性的例子是英國麻醉學家、流行病學家JohnSnow繪制的關于1854年倫敦霍亂流行情況分析圖，他用地理坐標方格圖標繪了霍亂爆發后，死亡病例的位置以及每個病例使用水泵的情況，發現了水泵是這次霍亂爆發的來源，從而成功地驗證了他的理論/假設：受污染的水是導致霍亂爆發的原因。[7]然而，直到計算機發明以后，可視化才真正成為人們分析數據，獲取有用信息的手段。[8]數據可視化的概念起源于1960年的計算機圖形學，人們使用計算機創建圖形圖表，可視化提取出來的數據，將數據的各種屬性和變量呈現出來。隨著計算機硬件的發展，人們創建更復雜規模更大的數字模型，發展了數據采集設備和數據保存設備。同理，也需要更高級的計算機圖形學技術及方法來創建這些規模龐大的數據集。對于真正的可視化研究主要從關注科學計算和數據的可視化研究開始，1987年，由布魯斯·麥考梅克（Bruce H. McCormick）、托馬斯·德房蒂（Thomas A. DeFanti）和瑪克辛·布朗（Maxine D. Brown）所編寫的美國國家科學基金會報告《Visualization in Scientific Computing》，拉開了科學可視化研究的序幕。[9]

幾十年來，可視化一直是研究的熱點，眾多的大學、跨國公司以及著名的實驗室均投入了大量的人力、物力開展對可視化的研究。隨著數據可視化平臺的拓展，應用領域的增加，表現形式的不斷變化，以及增加了諸如實時動態效果、用戶交互使用等，數據可視化像所有新興概念一樣邊界不斷擴大。數據可視化在發展過程中，經歷了科學可視化“利用計算機圖形學來創建視覺圖像，幫助人們理解科學技術概念或結果的那些錯綜復雜而又往往規模龐大的數字表現形式”。例如，利用經驗數據，科學可視化在天體物理學（模擬宇宙爆炸等）、地理學（模擬溫室效應）、氣象學（龍卷風或大氣平流）模擬人類肉眼無法觀察或記錄的自然現象；利用醫學數據（核磁共振或CT）研究和診斷人體；在建筑領域、城市規劃領域或高端工業產品的研發過程中發揮重大作用。又如，在汽車的研發過程中，需要輸入大量結構和材料數據，模擬汽車在受到撞擊時如何變形。在城市道路規劃的設計過程中，需要模擬交通流量。雖然科學可視化的表現形式對于普通人比較陌生，像粒子系統、散點圖、熱力圖等圖表不接受專業訓練很難看懂。但實際上科學可視化的成果已經滲透到我們生活的每個角落。數據的可視化在計算機科學的圖形學領域成為研究重點，如浙江大學CAD國家實驗室所關注的三維建模和虛擬現實。以微軟為代表的應用軟件開發商，開發了大量對數據進行可視化的軟件如GRAPH圖表等，應用于各個領域。隨著可視化技術的發展，可視化工具包即具有可視化功能的軟件包越來越豐富，它采用菜單驅動，支持有限的數據類型和可視化算法，用戶通過程序調用實現數據的可視化，但不需要編程，可視化形態也從2D向3D發展。典型的可視化工具包有Ensight，MayaVi，ParaView，pV3，PV-WAVE，Vis5D等。[10]

90年代初，信息可視化進入人們的視野。用于解決對異質性數據中“抽象”部分的分析。幫助人們理解和觀察抽象概念，放大了人類的認知能力。也就是信息可視化開始關注普通用戶的知識表達和知識傳遞，使可視化技術向非專業用戶和其他學科領域延伸。例如，商業及管理圖形決策系統、圖形化數據顯示、演示圖形系統、可視化信息系統、C3I（指揮、控制、通信和信息系統），金融的圖形系統及商業和科學圖表與圖形。在電子教室的認知研究結果的基礎上發展的開發視覺思維能力和創新能力的兒童和成人教育與學習的可視化工具與技巧。各種信息圖形軟件中的視覺呈現研究發展，在屏幕布局、窗口、圖標、字體設計和動畫，改善彩色圖形顯示和圖形用戶界面（GUI）的開發工具及可見語言編程工具的改進。視覺藝術和設計的計算機圖形應用程序，涉及平面設計、工業設計、廣告及室內設計，包括設計原則、色彩、比例及地方與視覺元素方向的有關標準等研究。

知識可視化是在科學計算可視化、數據可視化、信息可視化基礎上發展起來的新興研究方向，它應用視覺表征手段促進群體知識的傳播和創新。其定義可概述為：“知識可視化是研究如何應用視覺表征改進兩個或兩個以上人之間復雜知識創造與傳遞的學科。”而美國的斯馬爾蒂諾（Smaldino）在《教學技術與媒體》一書中揭示了圖片、插圖和文字從具體到抽象地表現了不同種類符號的真實程度，可視化內容以圖片呈現已經成為體現可視化優勢的重要手段。[11]如何把知識以圖形圖像的方式可視化呈現已經成為可視化應用領域研究的熱點。由于很多學者通常將知識體系分為四個等級：數據、信息、知識和智慧。Gene、Durval和Anthony認為理解（Understanding）支撐著數據到信息和知識的轉換，理解并不是一個獨立的層次。[12]趙國慶等曾從可視化對象、可視化目的、可視化方式和交互類型四個方面對數據可視化等信息可視化與知識可視化進行了比較。[13]針對智慧（思維）可視化的方法、技術的相關研究也頗多，主要集中在用何種結構的圖形圖像顯示知識更符合人們的思維方式，如啟發式草圖（Heuristic Sketches）、視覺隱喻（Visual Metaphors）、因果圖、想法魚池（Idea Quarium）、思維導圖（Mind Map）、思維地圖（Thinking Maps）等就是相關的嘗試。受化學中元素周期表的使用、外觀和邏輯的啟發，Ralph和Martin在2005年整合了形式多樣的視覺表征，依據各類視覺表征的相關性和不同點對技術進行編號、上架，從管理學的角度形成“可視化周期表方法”，[14]形象直觀地揭示了不同形式的視覺表征在管理學相關領域知識的聯系和區別。這些可視化方法是一種系統的、有一定規則的、外部的、持久的用來傳達某種信息的圖形圖像表征，他們有益于人們獲得知識、闡述觀點或交流經驗。可視化元素周期表方法提供了管理學應用領域知識可視化具可操作性的策略。

● 思維可視化的教學研究

數據、信息、知識的表現形式可以是美麗、優雅、生動、形象或描述性的。有多種傳統的數據、信息、知識表現形式在不同的項目及可能的場合被頻繁地使用，如表格、餅圖、柱狀圖等。但為了更有效地向人們傳達知識信息，有時你需要的絕不僅僅是一張餅圖或直方圖。還應該有更好的、深刻的、富于創造性及趣味性的方法來表達可視化數據、信息或知識。這是創造性設計美學和嚴謹的工程科學的卓越產物。用極美麗或形象的形式呈現可能非常沉悶繁冗的數據，其表現和創作過程完全可以稱之為藝術，而教學從另一個角度說也是一種藝術，這也正是人們所期待的。這些需求和期待也正蘊含著思維可視化將成為更為豐富的教學研究對象。就目前而言，思維可視化在教學方面的研究可以歸結如下。

1.教學對象的研究

在思維可視化的課堂教學中，學生被海量的視覺和圖形信息轟炸，直接影響著學習者的思維變化。大量包含功能強大的圖像和符號的電子媒體出現在學習和生活中，學習者需要什么樣的技能和素養才能滿足思維可視化學習的需求。我們的教育系統是否能夠幫助學生不僅理解圖形和圖像，而且還使用圖形和圖像進行有效溝通，開展正確思維。[15]這也常被人們稱之為視覺素養能力的培養。作為可視化教學的教師應該具備更全方位的視覺素養能力，這也是重要的研究。

2.教學環境的研究

為了滿足思維可視化教學過程的需要，可視化的教學環境如何去構建，已經成為教育技術領域的研究熱點之一，如諾丁漢大學的視覺學習實驗室、北卡羅萊納州立大學的SCALE─UP教室、華東師范大學的未來課堂以及眾多的智慧教室的提出都具備多屏顯示的特征，為可視化教學的實施提供嘗試。可視化教學環境的研究牽扯到多個學科領域，包括技術層面和教學層面。

3.教學策略的研究

早前的可視化策略，主要集中在通過對文本鏈接的可視化效果，來增加對文字作品或文學作品的理解。[16]但是，新的思維可視化教學過程描述的是一個完整的把可視化融入教學的各個環節，包括教學內容的細節，能激發學習者學習興趣的節點。在教學的每個階段都可以使用可視化手段和可視化內容，所以會使可視化教學策略的研究內容更為豐富。技術工具的使用策略，可視化內容的設計策略，可視化教學活動設計策略等都需要研究。具體包括多學科方法和技術為基礎的教學，思維導圖、圖形組織者、閱讀障礙等。

4.教學評價的研究

杰森·理查德森，直言不諱地批評標準化測試，因為目前的評估措施主要是針對學習者對事實記憶的評價，而不是學生的技能或能力。新的可視化教學可能因為媒體技術和學習理念的變化發生改變，那么如果我們的評價方式沒有改變，這些教學上的改變將無法進行，應該說可視化教學的評價是促進可視化教學發展的關鍵，必須得到研究者們的關注。

● 小結

從早期媒體的發展到新媒體技術的出現，可視化一直伴隨著教學的發展，人們不需要再去質疑可視化所能帶來的好處，而需要做的是如何緊跟可視化教學發展的基本脈絡。按照新媒體技術發展的新趨勢，融合新的學習理論研究成果，去探索如何提供更好的教學環境和教學設計使思維可視化的巨大作用能夠充分地發揮出來。技術環境提供了可視化教學應用的可能，但真正的可視化教學應用還需要除硬件環境以外的教師和學生的改變，我們教育研究者所要做的是拓展研究的思路，如何提供更好的教學環境和教學設計使可視化的巨大作用能夠發揮出來。隨著技術的發展，信息技術和智能識別技術可以記錄各種交互信息，分析技術如視頻行為分析、社會網絡分析法給可視化教學活動的量化評價提供了便利的方法和理念。未來科技或許將為我們的課堂帶來巨大的變革，而教學研究思路的轉變就是迎接課堂變革的重要部分，其中思維可視化將會成為教學理念改變的一個重要途徑。

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