以語義圖示實現可視化知識表征與建模的研究綜述

[摘 要] 在讀圖時代，數字化學習要求注重知識的可視特征，并要求克服淺閱讀的缺陷以激發思維的發展；電子課本中知識的可視化呈現和相應的語義圖示工具，可幫助學習者達到更理想的閱讀理解和思維訓練的效果，從而達到深層閱讀的目的。文章對“語義圖示”和“知識表征與建模”相關的研究成果、方法作以梳理與分析，其中包括圖示、圖式與語義及其相互關系、知識表征、知識建模與模型、建模語言、圖示技術與語言等內容。在此基礎上，對本研究框架進行了簡要介紹，最后對以深層閱讀和思維發展為目標的語義圖示進行了后續研究展望。

[關鍵詞] 語義圖示； 知識可視化； 知識表征； 知識建模； 電子課本

[中圖分類號] G434 [文獻標志碼] A

[作者簡介] 顧小清（1969—），女，江蘇蘇州人。教授，博士，主要從事教育培訓系統設計與開發、數字化學習環境及用戶行為、信息化教育資源設計及應用等方面的研究。E-mail：xqgu@ses.ecnu.edu.cn。

一、研究背景

經歷了幾千年的文化發展之后，我們重新進入了一個讀圖時代。這是一個數字化閱讀的時代，是一個所謂真正的讀圖時代。有作者宣稱，“圖像社會或視覺文化時代的來臨，已經成為當今一種主導性的、全面覆蓋性的文化景觀”[1]。這一文化景觀的出現，固然有生活節奏加快等多種原因，但更為重要的，乃是技術的發展特別是數據技術的突飛猛進所帶來的可視化的力量。俗話說，一圖勝千言。可視化的力量，有時是一種視覺的震撼，有時是一種美的欣賞。但是，對于教育而言，則更多的是更為高效的信息傳達。

在教育領域，教育信息化的諸多努力，很大程度上也表現為將教育內容和過程可視化。隨著知識的爆炸式增長和對知識創新需求的增加，對可視化知識表征的需求也隨之增長；另一方面，知識的外在呈現方式深刻地影響著學習者對知識的認知、理解，也影響著知識本身的傳播、生存和發展。在新讀圖時代，知識可視化研究因具有了新的意義而受到關注。

在這個“讀圖時代”，“淺閱讀”、“碎片化閱讀”以快速、及時、便利等優點為大眾所習慣。但是，如張耀指出的，這種淺閱讀只是“看圖”，它不需要調動讀者的智慧，真正的“讀圖”需要讀者在圖中挖掘更深層的意味。[2]此外，無組織、碎片化的信息難以匯集、過濾、回饋、歸納、創新，也難以形成深度的、批判性的、理性化的、系統的知識體系，難以激發思維發展。

然而，有意義的圖示表達和結構化的知識體系是當前數字化閱讀中所缺少的，人們僅能夠獲取簡單、零散的信息，卻無法達到深層閱讀和深度思維訓練。這一問題，也開始在本研究團隊開發電子課本的研究實踐過程中開始浮現。電子課本是一種伴隨著數字閱讀的普及而出現的新的數字學習資源，具有連接數字閱讀與數字學習的功能[3][4]。在電子課本的設計中，如何使可視化知識表征起到突破淺層“讀圖”的作用，成為本研究團隊新的研究焦點，而“語義圖示”成為課題組試圖用來進行可視化知識加工和知識建構的工具。作為一種思維建模工具，語義圖示能幫助在知識碎片間建立語義關聯，能幫助基于語義規則構建知識體系，從而實現有意義的“讀圖”學習。如與對數據的研究一樣，成功的可視化技術可以讓用戶更易洞察知識，提高知識學習與利用的效率和效果。[5]本文對以語義圖示實現可視化知識表征與建模的相關研究進行綜述，對課題組的研究思路作一介紹。

二、相關概念

本研究涉及以下幾個相關概念：

知識表征與建模。是指將知識及其結構予以呈現的手段，前者強調將知識結構中的知識對象及其屬性、關系加以表達；后者則強調為知識的思維結構建立模型，以元素、關系、操作及規則所構成的模型幫助學生超越思維局限，將新知識吸收到已有知識結構中。

可視化。是指將知識/信息以形象化的表征方式予以呈現，以便人類更容易調動視覺潛能和腦功能對其進行識別和處理。最基本的層面是信息可視化，它將非空間的數據和信息轉換為可視化表達，使得抽象的信息變得更易于被用戶觀察和理解；知識（經過認知加工的信息）的可視化則是運用視覺表征進行知識傳播、建構、創新及復雜知識表示的圖解手段。

語義圖示。是承載知識/信息的新一代圖示媒介，指將抽象的知識/信息（如概念、原理、關系等）通過帶有語義規則的圖形、圖像、動畫等可視化元素予以表征。語義圖示能夠將承載知識的信息進行基于規則的結構化組織和可視化表征，這能夠便于人們對知識形成整體而又形象的認識和理解，因而有利于促進知識的獲取、內化、轉化、交流、應用、傳播和創新。

與可視化和語義圖示密切相關的概念是圖式。心理學認為，人的知識是以圖式形式儲存于記憶中的，很多圖式連接在一起構成巨大的網絡化的立體的圖式框架。圖式作為皮亞杰認知發展理論中的核心概念，是指“動作的結構或組織，這些動作在同樣的動作或環境中由于重復而引起的遷移或概括”[6]，之后被記錄為“個體對世界知覺、理解的方式”，“主體的行為模式和認知結構”[7]。德國心理學家康德認為，圖式是連接概念和感知對象的紐帶。人工智能學家Bartlett把圖式定義為人們過去的經歷在大腦中的動態組織，并將其應用到記憶和知識結構的研究中[8]。Anderson等人則把其作為認知心理學的組成部分進行了更為深入的研究，認為圖式是信息在長時記憶中的儲存方式之一，是圍繞一個主題所組成的大型信息結構。[9]簡單而言，多學科領域對圖式的理解傾向是：圖式是一種認知或知識結構，是人腦中記憶的信息、知識、經驗等的結構與組織（網絡）。

圖示。在可視化研究領域是指利用可視化技術對信息、知識進行可視化的表征。Anderson認為，“圖示是對信息進行圖片化和具體的表征”[10]；Lowe將圖示定義為“對所表征的事物進行具體的圖形化展示”[11]；Hall認為，“圖示在某種程度上就是簡單的圖像、漫畫，用來傳達重要的意義，這些簡單的圖像往往是基于一套規則形成的”[12]。在認知活動中，圖示方式是更容易調動人類視覺潛能和腦功能的信息呈現方式。

圖式與圖示分別涉及內部表征和外部表征兩個方面，兩者分別反應、外顯了人的心智圖式。可以這樣理解，圖式更多的是一種內部認知狀態，而圖示則是一種外在表征行為或結果。在實際應用中，兩者可以是一種“映射”關系。

另外，這里雖然把“語義圖示”作為一個整體使用，但語義與圖示之間的關系直接影響到可視化的思路與做法。在亞里士多德、奧格登（C. K. Ogden） 和理查茲（R. A. Richards）及其他一些學者的認知與語義研究中，語義是指語言中語詞的意義，是客觀事物在人腦中的反映，在認知上涉及概念、關系、結構和規則等元素。[13][14][15]語義與圖示之間是一種形義關系。圖示作為認知過程或結果的外部表征屬外在之形，語義圖示則是用帶有含義的形式進行圖式表達。可以這樣比擬，同樣的認知或知識意義，可以用圖示、數學、語言（如漢語、英語）等符號形式表達。本研究的概念界定中，“帶有語義規則”意味著建立、使用一套類似數學、（一種）語言的形式規則——有明確解釋規范——以表達更多更廣的含義；語義圖示將作為一種工具在認知、學習等領域中使用。因此，如何建立以及建立怎樣的語義圖示規則或“圖示語言”成為重要問題。

三、相關研究

本研究關注數字閱讀時代所涌現的新問題，即如何突破淺層的“讀圖”，試圖通過“語義圖示”進行可視化知識加工和知識建構。相關研究包括以下幾個方面。

（一）知識的可視化表征

這一方面，涉及知識的類型及其相應的表征方式。

知識可視化是以圖示的方式對抽象的內部結構予以處理，這種結構既可以是知識結構也可以是較低級的信息關聯。這一方面的研究涉及兩個過程：（1）知識模型的建立；（2）模型外化的實現。對可視化領域的知識進行界定是可視化知識表征與建模的基本問題。典型的知識分類有：（1）基于主體分為群體知識和個人知識；（2）基于認知心理學可分為陳述性知識和程序性知識；（3）基于符號表達可分為隱性知識和顯性知識；（4）基于知識經濟應用的角度，可分為事實知識、原理知識、技能知識和人際知識；（5）2001修訂過的Bloom教育目標分類，將知識從具體和抽象的角度分為事實性知識、概念性知識、程序性知識和元認知知識，該分類廣泛應用于教育領域。知識可視化或學習都歸結于人腦認知，從認知與教育的角度理解可視領域的知識將是適當的選擇。

對知識表征的現有研究，更多地集中在視覺表征所能表達的知識內容上，而沒有根據知識的屬性探討視覺表征如何表達知識，[16]即缺少可視化表征知識的科學方法。另外對知識可視化表征框架的研究也并不一致。從Eppler到后期的研究中，對知識可視化的目的的定位偏向于傳播與創新[17][18][19]，在其影響下形成的可視化框架主要有兩種：一種是關注知識類型、可視化目的和可視化形式；[20]另一種是表征形式分析、表征內容建構、觀察者解讀和制作者設計。[21]Burkard后續又對知識可視化框架做過修訂：關注功能類型、知識類型、接受者類型和可視化形式。[22]

國外多種學科的文獻中，與知識可視化問題較為相關的來自語言學、計算機科學和心理學等領域。

在語言學中，用多符號組合方式滿足科學知識的交流與表征，強調多符號在共同與特定情境中產生意義。Liu等在其科學知識的意義及其符號語義建設的研究中，提出了制造意義的過程（使符號語義倍增）主要是交互符號隱喻——符號在不同情境下的使用導致其在語法和語義連接上產生語義重繪。[23]而科學交流中必然會有科學知識的表征。

在計算機與信息科學領域，可視化方面主要通過“元數據”和“本體”來表示信息和知識，研究主要集中于（數據、信息）語義與圖示之間的關系，產生的結果主要是語法和工具。在解決從數據中獲取信息意義的問題時引入了元數據。Buffa等在Web語義研究中，形成概念體系的形式化標記，認為Web應用中應當有三個語義標記維度：語義、實用和社會。[24]這與“本體”或“本體論”研究異曲同工。本體是指一種“形式化的、對于共享概念體系的明確而詳細的說明”[25]；Brewster在使用本體的知識描述研究中，更是將本體研究置于知識呈現的長期研究中予以討論。[26]

在科學領域，則有基于離散對象的和連續區域的知識表征與建模。Skupin在（地理）科學知識可視化研究中寫到：“科學的結構與演變的可視描述已經被認為是關鍵策略，用以處理龐大而復雜的且不斷增長的不同學科間科學交流記錄”，“地理信息科學中，空間被概念化為二元性的離散對象或連續區域”。[27]研究中證明了科學知識被概念化為離散對象或連續對象的兩種選擇，會導致兩種不同的可視化呈現。研究認為：離散性的對象本體已經開始主導知識建模，連續性的區域本體是知識可視化中離散方式的補充。其中的知識可視化一般過程有可操作性和一定的可模仿性。不同學科領域的知識可用不同的可視化思路，而對于交叉域，可能需要一個共同的框架。

另外，在認知心理學理論研究中，知識表征以概念、命題為基礎，以結構、網絡為關聯形式。在認知主義中，人腦是以命題網絡或圖式來表征陳述性知識，而以產生或產生式系統來表征程序性知識。聯結主義認為，知識大部分是以結構的形式建構的，其常見的心智結構主要有概念、命題和圖式等，它們一般用來組織知識、創建相關知識的意義結構，并存儲于聯結權重之中。[28]

（二）知識建模、模擬與模型

這一方面，涉及知識模擬、知識模型和知識建模。

動態和靜態的模型與模擬是知識可視化中需要考慮的重要部分。知識可視化的內容中既包括靜態的陳述，也包含動態的（包括時間特性）的變化和過程。在具體學科、領域的知識可視化中，模型往往不可少，過程與原理等模擬也常是必需的。根據面向對象的思想，動態要素的模型化，對于獲得對象相互關聯方式的具體洞察很重要；在一定的抽象水平下，相似的洞察可以從（基于“消息樹”和“場景圖”的）靜態模型中得到。[29]

模擬被證明在教學中是非常有用的。通過屏幕上的模型和可視的結果，學生增強了對潛在過程的理解，并且在相似情境下會發生什么的直覺判斷也得到發展。[30]比起做真實的實驗，模擬方法既便宜又快速。有報告表明：各領域的科學家都需要處理各種“過程”，而模擬是一個強大的學科交叉性工具，它用來理解“過程”，受到普遍認可。

知識建模在語義層面的研究主要集中于過程語義、時間序列語義、知識處理語言開發和領域知識建模方法研究等。Escrig于2009年在過程語義的研究中，主要使用形式語言對并行系統中眾多的過程性問題進行過程語義建模，落腳于方程語義。[31]Boˇzi′在針對時間序列的模擬和建模研究中，圍繞“如何建模并模擬（包括語義和元數據的）時間序列數據，及如何基于數據作決策[32]”展開，這一問題與Skupin的知識域可視化研究中過程語義的多樣性問題在本質上是一樣的——相同的形式或數據會體現過程、時間方面的多義性，過程本質上與時間序列一致。[33]兩個研究都涉及帶有時間或過程維度的程序性知識。

研究者對體現時間屬性的、過程特征的語義研究表明：知識可視化研究中需要關注知識產生、表征、應用的時間屬性和體現時間（過程）特征的知識；有動態性質的程序性知識的建模中當充分考慮程序性知識的時間維度，重視其動態過程；而元數據標簽、語義網絡等可用于程序性知識語義處理，如Larrea Castro在基于語義的可視化研究中考慮更多內容的語義，如數據語義、所有可視過程中各階段的語義，以及影響可視化的外部元素的語義，主要方法是用元數據描述語義、形成規則。[34]

（三）建模語言

要完成知識建模則很有必要了解建模語言，適當的建模語言有利于知識建模的正確性和可用性。目前，建模語言中以UML最受關注，其他還有虛擬現實建模語言VRML和可視化過程建模語言VPML等。

UML、VRML和VPML都是形式語言。形式語言（Formal Language）是按一定邏輯關系及嚴格規定的符號來表達某種事物，以及進行信息交流的一種語言。如在計算機程序設計中使用的語言、工程技術中的符號、圖形語言等均屬于形式語言。[35]形式語言是用成套的定義、規則等描述客觀世界，表達主觀想法。它包括語義和語法，體現為概念體系、關鍵詞、語法等，是在抽象層次上定義的。

UML是面向對象的技術領域內占主導地位的標準建模語言，已成為國際軟件界廣泛承認的標準，應用領域廣泛。作為通用建模語言，它具有創建系統的靜態結構和動態行為等多種結構模型的能力，具有可擴展性和通用性，適合于多種結構和多變結構的建模。[36]同時，它也是一種標準的圖形化建模語言。可視化過程建模語言（VPML）是一種支持過程定義的圖形化語言。它用可視化的過程圖及其相應的正文規格說明，分別描述過程的結構和該過程中諸元素的屬性，具有很高的可視化和形式化程度，適用于過程模型建造和過程模型模擬。[37]虛擬現實建模語言（VRML）的任務是在互聯網上實現虛擬的三維環境，并且能讓瀏覽者與虛擬環境進行交互。[38]

（四）圖示技術與圖示語言

這一方面，涉及可視化知識表征與建模過程中“用什么原理、思路進行圖示工作”和“用怎樣的圖示符號（體系）和規則等表達什么含義”兩個問題。圖示技術主要有重圖示表達（組件—規則）、重語義行為（行為—規則）、 重視覺線索（線索—連接）和從邏輯抽象到圖示表達等。圖示語言主要是形式語言，UML最受關注。

圖示技術在研究中主要表現在圖表組件—數據結構、圖示語法、視覺線索等研究點上。“圖示”在程序設計環境中作為一種視覺化輸入工具，被轉化為語義描述，它始于收集的基本圖表組件，結束于表示圖表語義的數據結構。描述包括基本圖示組件間的空間關系規格——依據它們的位置、大小等數字參數獲得，以及屬性方法——用以描述具體圖示語法和產生語義描述的規則。[39]這種方法的逆序過程就是實現圖示的一種。Baresi用“圖示語法（Graph Grammars）”描述選定行為，并且驗證了兩種圖表語法，可以詳細描述抽象語法陳述的變形，以及離散、并行系統的相應改變。[40]Stolpnik研究了語義圖示中的視覺線索，將其作為揭示語義信息和輔助語義圖表導航與探索的一種方法。[41]語義圖表需要更強健的工具，能結合統計與拓撲分析，盡可能提供與正確信息背景的連接。視覺線索由圖表和圖表數據元素的詳細（特定）問題定義。該研究中定義了三種視覺線索，即拓撲學的、統計學的和語境的，并展示它們如何在面向多種任務的交互式圖表視覺系統中有效使用。這對如何獲得對數據的理解和洞察很有幫助，對語義圖示過程的研究也很有幫助。Skupin用實例展示了從地理空間到數據庫的過程，中間的“概念模型—邏輯模型—實體模型”間的轉換也是對知識表征與建模可視化很有啟示的一種方法。[42]

圖示語言可看作是圖示技術的具體、規范化定義與應用。可視化經過多年的發展，各式各樣的圖符在不同的領域里不斷地被發掘、利用。遺憾的是，可能出于其視覺與理解方面的特殊性或知識的多樣性與復雜性，能系統而完整地表示知識語義的圖示語言的幾乎沒有，大多都是有限群體中、領域范圍內，或針對特定內容的圖解約定。各行業應用中主要圖示有：（1）統計圖（Charts）：餅圖、條形圖、直方圖、拆線圖、散點圖等；（2）圖表：表格、矩陣；（3）結構圖：樹形圖、網狀圖、流程圖；（4）時間軸；（5）維恩圖解；（6）存在圖（Existential Graphs）；（7）概念圖。這些圖，都有相對確定的語義，但在實際應用中卻有著不確定性——同樣的圖可表示多種不同的關系，對細節的處理也各有不同。要明確而清晰地可視化表達知識關系或輔助學習，尚需專門設計與開發。如David Hyerle博士開發的以幫助學習的語言，提供了帶有明確含義的八種圖，包括括弧圖、橋接圖、起泡圖、圓圈圖、雙起泡圖、流程圖、復流程圖、樹形圖。[43]

（五）討論與分析

以語義圖示實現的知識可視化，既需要顧及不同學科的需求，又需要吸取各領域的知識或語義表征的做法。多種符號的關系及應用或圖示符號在不同具體情境下的使用，所引起的語義連接的變化值得注意，這表明語義不僅與符號有關，還離不開具體情境。在認知上語義處理則離不開概念、結構等要素。可視化在科學與技術上的形式體系化與對象關系性的處理，則類似于我們所認為的：知識可視化表征主要涉及語義處理方式、符號及其使用方式和知識結構與關系三個方面，概念、概念屬性、概念結構與概念關系是知識語義的重要要素；圖形、圖像、表格等靜態畫面和視頻、動畫等動態畫面，及它們的組合是知識可視化的媒體手段；反映知識結構（關系、性質等）的圖示規則、基本圖示模板[44]等是實現知識可視化的主要技術和工具。如此可以完成“用什么圖符（符號），怎樣利用圖示結構，表征與建模什么知識和意義”的工作。

為達到深層閱讀，一方面，學習者在閱讀中需要將知識進行結構上的解構與重構和語義上的分析與綜合，因為由結構關系組織起來的知識在語義上將更加清晰，知識的模型化將大大有利于學習者對知識的認知理解。另一方面，知識建模與其說是針對知識的建模，不如說是面向知識的問題解決過程和結果，它是以知識為目的的建模過程和建模應用，本質上是知識關系認知、體系化和創造的過程。知識是人們對世界的認識成果，認識是針對事物、現象、問題、需求的觀察、解決或驗證等得來的；知識建模的一般過程，就是先抽取知識的概念模型，再依據建模需求進行分析設計，并取得知識建模結果，或是解決問題的方案。學習者進行電子閱讀，就是一個獲得新知、理解其意、構建關系，或聯想情境、列舉實例，或連接實踐應用的過程。而語義圖示工具的支持可幫助學習者提高知識理解及其關系和過程梳理，為所學知識建立靜態或動態模型，為所解決的問題建立模型或方案。

知識的模擬和模型可看作建模的過程或結果。無論哪種建模方式，建模的過程，就是對事物、系統、問題等的靜態特性、結構和動態原理、規律等進行抽象分析和具體的形式呈現，使其具有一般性、模擬性和可測試性，以更清晰地了解事物內在的性質、結構、關系，把握事物動態過程中的原理、規律。其中的知識模擬就是用虛擬或指代的場景、事物、過程對知識的關系與系統過程進行模擬，以期學習者深入、準確理解。模擬是促進知識（語義）被理解的手段。

而以知識關系體系化及知識創造為目標的可視化實現需要有適當的語言工具。不同形式語言有著自己的思想指導、基礎方法，其原理、過程與方法對可視化知識建模的研究有著重要的參考性。UML圖示思想與圖示定義對知識可視化研究具有參考價值。如其中不同類別的視圖和不同樣式的圖形，可用來表征知識的不同要素（如結構、層次、過程等）。知識建模對靜態關系與結構、動態過程與變化的把握與運用是重要的，在實際應用中，對于解決問題有重要的知識應用與知識再生價值。一方面，對于知識中重要的一部分：動態過程和變化的知識，VPML值得關注；另一方面，由于學習遷移、知識與情境密切相關，情境在學習中就顯得較為重要，而VRML支持對知識情境或場景的可視化。

本質上，建模語言和工具都是一種抽象、概括和設計的結果，是面向實際應用和問題解決的設計結果。知識作為實際應用對象，其建模主要有兩方面的內容：一是對其語義的表征和對其產生與應用過程的建模，目標是知識及知識關系的認知理解；二是對知識關系與應用的建模，目標是知識利用與生產。相比于知識的表征，知識建模更具有復雜性、系統性，它直接面向實際應用和問題解決，而這也意味著知識的生產。應對知識表征與建模，需要對不同建模語言和工具博采巧用。

可視化知識就是利用可視化元素從語義層面上對知識作視覺呈現，充分利用圖符、符號、圖示結構，定義語義、形成語法，以表達靜態、動態事物及其關系與過程的結果。其中會包括能準確、全面地反映語義的情景圖示、對象圖示、結構（關系）圖示和過程圖示等多部分內容。而選擇適當的圖示思路、符號與規則等是必經之路。UML、VRML和VPML則是完成可視化知識和語義圖示工具設計的很好的參考。

四、研究框架及其設計

本研究關注電子課本中的知識可視化，試圖利用“語義圖示”突破淺層閱讀，進行可視化知識加工和知識建構，研究語義圖示技術是否能提高學習者認知能力與（閱讀）學習效果，并以“知識表征通則”、“基于語義圖示的知識可視化”和“以語義圖示工具促進學習”為具體目標。研究假設，基于語義圖示的知識可視化表征可以促進學生的深層閱讀；語義圖示工具有利于促進學生知識體系的建構和知識創造。其研究框架概要如圖1所示。

其中理論研究中的“知識語義圖示方案”是研究的重點，所產生的語義圖示技術將是整個研究的基石。本研究將知識可視化的關注焦點置于語義。對語義和語義工具的關注有望為知識可視化研究取得突破，如確定適當的框架要素、明確統一的圖示方法等。

在所有的個體、群體的學習活動、交流行為之中，人腦對知識或信息的意義的認知及其語義關系的構建是基礎。無論知識可視化的目的是認知建構還是傳遞互動，不管知識類型怎樣劃分、接受者有何不同，語義在大腦中的理解、反映是核心。創新、傳遞、協作、回憶等功能都離不開彼此在語義層面的理解與溝通。語義工具的建立，即語義圖示，會隨著應用情境和目的不同而發揮不同的功能。如對個體而言是認知理解與思維反應，對群體來講則是知識共享與交流溝通。

圖示方案的考慮是從知識語義出發。知識語義至少包括兩部分：一是知識的指代對象，二是邏輯形式和結構關系。可用語詞、可視圖符表示知識對象，而用規則與結構化組織表示形式與關系。學習者對知識的理解也重在這兩個要素。知識可視化應當充分考慮自然世界和現實社會的真實狀態，學習者的認知對象就是人、自然和社會，能否理解相關知識要看語義可視化程度和結構與關系的清晰程度。

認知還可通過對知識的進一步圖解得到。知識結構和知識關系中包含思維結構和認知過程。知識內部結構和知識外在關系也是由認知過程得來。即語義層面上的知識圖解與認知是合一的。知識可視化就是利用可視化元素表征知識的指代對象與關系。可通過對知識可視化目的和語義、圖示、圖式概念等的研究，形成知識語義圖示思路。

圖示方案從語義的兩個基本方面入手，充分考慮知識可視化的主要知識類型，從可視化目的和語義圖示內在需要確定表征維度。在此基礎上還要考慮到語義圖示的確定性和有效性以及個性需求，置入可視化等級和可視化風格。從要素上來說，它涉及知識、圖示符號與使用者三個方面。

五、總結與展望

讀圖時代要求數字化學習資源要注重知識的可視特征，以驅動人們的視覺認知與圖形圖像理解，從而提高學習效果。按照修訂后的布盧姆教育目標分類學中知識和認知過程兩個維度，可視化呈現知識的電子課本支持學習的主要使命就在于：促進知識理解與掌握、促進知識建模與應用。以語義圖示實現的知識呈現與圖示工具，有望幫助學習者解決這兩個問題，使學習者在讀圖時代能更好地完成知識建構和思維訓練，領悟知識的實際意義與價值，達到真正需要的深層閱讀。

知識可視化表征主要涉及語義處理方式、符號及其使用方式和知識結構與關系三個方面，以完成“用什么圖符（符號），怎樣利用圖示結構，表征與建模什么知識和意義”的工作。知識建模本質上是知識關系認知、體系化和創造過程。對于學習者來講，電子閱讀中，它就是一個認識新知、理解其意、構建關系，或聯想情境、列舉實例，或連接實踐應用的過程，此過程中可激發創造的認知。知識建模與知識表征在邏輯、結構的可視化方面有同一性，突出地表現在空間結構、過程變化和時間序列的表達上。知識可視化表征與建模的設計與實現過程，需要繼承與創新。

在圖示技術的設計與應用中，需要考慮知識論、傳播學、認知心理學等多學科研究成果。尤其是，在視覺認知理解中的多（同類或異類）符號表征與語義生成的關系問題上，交互符號隱喻的意義生成機制很重要。它往往在于符號編目和符號通信之間的某種關聯，這種關聯在符號理解的擴散性或收斂性中產生，而生成的導向與刺激因素也體現為內部和外部兩種。在具體的閱讀（內容）情境下，“情境場”越強，內外部的牽引作用越一致，認知理解效果就越好。而對于全新的電子閱讀，關鍵就在于：圖示內容內部是否有足夠緊密的聯系，圖示與語義理解之間的溝通是否有理想的擴散與收斂發生。

從可視化學習效果的研究來看，不乏可視化促進理解、視覺認知能充分調動腦功能等之肯定的、積極的證據。Hubber et al.的科學課堂觀察揭示出：成功的學習者是那些能以不同的形式呈現科學概念的人，并且會把這些方式轉化成其他方式。[45]Davies在研究創造性類推的可視化再現時發現：可視知識對于遷移任務是足夠的，這與早期的類推遷移理論形成對比。[46]也就是說，通過“視覺認知”的“可視學習”可以完成學習中的遷移要求，電子閱讀中的可視學習可以達成學習需求。但同時，也有些許否定的發現。[47]所以，可視化方式在學習中的應用有待進一步研究，其結果需要拭目以待，而可視化閱讀對視覺認知效果就是一次重要的“再研究”。

隨著大數據時代的到來，人們對數據、信息的利用需求的提高，以及圖像文化的興起，可視化研究將越來越深入。在教育領域中，知識可視化的價值與意義也將越來越大。尤其是移動網絡與信息技術引起的教育、學習格局的變化，使得從各方面去滿足學習者的需求以促進學習效果成為重要的問題。知識可視化就是與認知、思考緊密相連的一種嘗試。試想，如果學習者能“看到”知識的全貌，從不同的形態“看到”相同知識的應用，“看到”自己對知識的操作，甚至“看到”思考的動態過程，那將是學習技術中的重大進步。在未來的發展中，可視化讀物、可視化思考以及理想中的三維可視軟件等都是值得期待的。