知識可視化及其在初中化學教學中應用的研究

錢 程 馬宏佳

（1南京師范大學教師教育學院 江蘇 南京 210097；2泰州市姜堰區第四中學 江蘇 泰州 225500）

知識可視化及其在初中化學教學中應用的研究

錢 程1，2馬宏佳1*

（1南京師范大學教師教育學院 江蘇 南京 210097；2泰州市姜堰區第四中學 江蘇 泰州 225500）

知識可視化指應用視覺表征手段促進群體知識的傳播和創新。知識可視化的主要途徑是視覺表征，主要理論基礎是雙重編碼理論。在初中化學教學中使用基于知識可視化的教學策略能集中學生的注意力，幫助學生理解、記憶和運用知識。知識可視化的教學應用具有普適性，在初中化學教學中的應用研究有待深化。

知識可視化；初中化學；教學策略

當今世界，人們處于被視覺信息包圍的時空中?，F代視覺環境不斷改變著人們的認知模式，原先由文字承載的人們的感知和經驗正在越來越多地被用圖像、圖形、圖表、視頻、動畫等可視化的方式表達和傳播。2006年，美國學者米歇爾（Mitchell，W．J．T）說：人類歷史中正在發生一個重要轉向——圖像的轉向（W．J．T米歇爾，2006）。［1］在這樣的背景下，誕生了知識可視化研究，并迅速對教學產生了影響。

一、知識可視化的定義和理論基礎

1．知識可視化的定義

知識可視化的定義最早出現于2004年。瑞士盧加諾大學的馬丁·愛普（Eppler，M．J．）和雷莫·布克哈德（Burkard，R．A．）在他們共同編寫的《知識可視化：一個新的學科及其應用領域》中首次定義知識可視化的概念，他們認為：“一般來說，知識可視化領域研究的是視覺表征在改善兩個或兩個以上人之間知識創造和傳遞中的應用。這樣一來，知識可視化是指所有可以用來建構和傳遞復雜見解的圖解手段 （Eppler＆Burkhard，2004）”。［2］他們將“視覺表征”概括為6種類型：啟發式草圖，在小組間產生新的見解；概念圖，結構化信息并展示其關系；視覺隱喻，映射抽象數據使其易于理解；知識動畫，動態的、交互的可視化技術；知識地圖，結構化專家知識并提供導航；科學圖標，可視化知識域（Eppler＆Burkhard，2004）。［3］任悅（2007）認為“視覺表征”，是指“將抽象化、概念化的東西以視覺化的方式再現和表述?！保?］常用的視覺表征形式有：圖像、圖形、圖表、視頻、動畫等。

2009年，趙國慶在對馬丁·愛普等2004定義進行深入分析后，給出了知識可視化定義的新表述：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。［5］強調了知識可視化是一門學科和研究領域、知識可視化主要應用于復雜知識創造與傳遞，認為簡單知識僅僅依靠語言文字就能傳達，沒有借助知識可視化技術的必要。

2013年，馬丁·愛普在接受趙慧臣和王淑艷專訪時，對知識可視化做出了更簡潔明確的說明：知識可視化指應用視覺表征手段，促進群體知識的創造和傳播（趙慧臣，王淑艷，2014）。［6］

從教學應用的角度看，知識可視化的實質是將抽象的知識、概念及過程以圖解的手段表示出來，形成能夠直接作用于人的感官的視覺表征，從而促進學習的發生、知識的傳播和創新。

2．知識可視化的理論基礎

知識可視化的理論基礎之一是雙重編碼理論。雙重編碼理論的一個重要原則是：同時以視覺形式和語言形式呈現信息能夠增加記憶和識別。該理論于1986年由佩維奧（Paivio，A．）提出，該理論設想有兩個認知子系統，一個專門用于表征和處理非語言對象如表象，另一個則專門用于處理語言對象。佩維奧指出：人類的認知是獨特的，它在同時處理語言和非語言對象時非常特別。語言系統直接處理語言的輸入和輸出，同時充當非語言對象、事件和行為的符號功能，任何的表征理論都必須符合這一二重性（趙國慶，黃榮懷，陸志堅，2005）［7］。

佩維奧做過的一個試驗發現，如果給被試以很快的速度呈現一系列的圖畫或字詞，那么被試回憶出來的圖畫的數目遠多于字詞的數目，這個試驗說明，表象的信息加工具有一定的優勢。也就是說，大腦對于形象材料的記憶效果和記憶速度要好于語義記憶的效果和速度。佩維奧還假定有兩個不同類型的表征單元：imagens和logogens，imagens用于表征心理圖像，logogens用于表征語言實體。imagens是以關聯和層次的形式組織的，而logogens是以部分整體關系組織的。雙重編碼理論定義了三種類型的加工：⑴表征性的，語言和非語言表征的直接激活；⑵調用性的，通過非語言系統激活語言系統或反過來通過語言系統激活非語言系統；⑶聯合加工，在語言系統內部或非語言系統內部的表征的激活。一個任務可能需要三種加工中的一種或全部。從雙重編碼理論可以看出，知識可視化將知識以圖解的方式表示出來，為基于語言的理解提供了很好的輔助和補充，大大降低了語言通道的認知負荷，加速了思維的發生（趙國慶，黃榮懷，陸志堅，2005）?！保?］

馬丁·愛普還指出：視覺空間推理、適應性結構化等也是知識可視化研究的理論支持（趙慧臣，王淑艷，2014）。［9］

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領域，其理論基礎的研究還不是很充分，有待進一步深化和完善。知識可視化的主要研究對象是視覺表征、知識傳播與創新，涉及人際間知識的傳遞和建構，因此，已有的學習理論、傳播理論、腦科學理論等在探討知識可視化理論基礎時也可資借鑒。

二、知識可視化在教學中的應用

1．知識可視化教學應用的普適性

知識可視化領域研究的是視覺表征在改善群體間知識創造和傳遞中的應用。知識可視化的目標在于傳播知識，并幫助他人正確地重構、記憶和應用知識，由此可見，知識可視化的教學應用具有普適性，并不只限于特殊的學科或領域。

知識可視化幾乎可以應用在所有學科的教學中，王淑芬（2014）認為：傳統課堂中師生對世界感知和經驗的積累以文字為主的時代一去不返，而以視覺圖像為主導的信息時代勢不可擋，單通道的文化傳播正在被多通道的信息交互所替代。知識可視化將促進課堂教學范式由傳統向現代轉變，并體現在教學內容視覺化呈現、教學方式視覺化表達、教學情境視覺化創設和解決問題視覺化建構等方面。［19］

2014年馬丁·愛普談到知識可視化在教學中的應用時說：“知識可視化的優勢可體現在社會、情感和認知三方面。在社會方面，它有助于推動知識在生產者和學習者之間的傳播；在情感方面，它有助于從文化情感層面促進知識創新和遷移；在認知方面，它有助于促進學習者記憶、應用新知識。對教學而言，借助可視化手段的幫助，教師和學生可更輕松、更快捷地傳播、共享知識（趙慧臣，王淑艷，2014）?！保?1］

Gianquinto和Rodd則認為，可視化是“認知和情感”。Gianquinto指出，視覺體驗和想象可以生發性情，形成可視化的意念并構成知識。Rodd指出，性情并不局限于認知的本質，它包含情感的因素（或情感和知覺的關系）。因此，性情是受情感影響的，它基于圖形的可視化（王淑芬，2014）。［12］

這樣看來，知識可視化的教學應用的普適性就十分明顯了，在運用知識可視化進行知識傳播時，可以借助視覺表征作為語言文本的補充，深化對語言文本的認識；可以綜合運用多種視覺表征形式，促進知識的創新、傳播和共享，還可以從文化和情感層面促進知識的傳播和創新。

2．知識可視化在初中化學教學中的應用

（1）已有研究

知識可視化思想在初中化學教學中的應用由來已久，但作為特定的研究領域則剛剛起步。介于此，筆者以知識可視化的核心概念“視覺表征”和“初中化學”為題名或關鍵詞，在萬方數據庫進行精確匹配搜索，剔除其中不是涉及初中化學教學的論文，所得數據列表如下：

視覺表征 期刊論文篇數 學位論文篇數思維導圖 17 7概念圖 8 4動畫 3 0圖像 2 0圖表 2 0

對所得論文進行梳理，可以發現：

思維導圖的研究相對最多。思維導圖在初中化學教學中的應用主要是從教師的角度和學生的角度論證了思維導圖既是一種好的教學策略又是一種有效的學習工具。教師在教學過程中的使用主要是：設計導學案，提高預習效率；整合知識，簡化板書；建構知識網絡，提高復習效率；用于化學探究，培養自主、合作學習能力等。但張麗（2012）在其碩士論文中提到，思維導圖“對不同層次學生影響不同，對不同化學知識內容的教學影響效果不同。”［13］孫婷（2014）也提到思維導圖教學策略“要與其他策略相結合?！保?4］

概念圖在初中化學教學中的應用主要在于概念教學和化學知識的復習。不是所有的內容都適合使用概念圖，概念圖只適合用于概念較為集中的知識領域。

動畫在初中化學教學中的應用主要是兩大方面：揭示物質的微觀結構、反應的微觀實質，幫助學生想象和理解微觀世界；演示可能發生意外的錯誤操作，幫助學生強化正確的操作。

圖像在初中化學教學中的應用主要在于創設情境、發散思維和學生實驗前的實驗裝置圖教學。

圖表在初中化學教學中的應用在于濃縮課本知識，便于學生對比、辨析和記憶。

這些研究表明，化學教學中的視覺表征主要有思維導圖、概念圖、動畫、圖像、圖表等形式，許多教師會在化學教學中采用圖像、圖形、圖表、視頻、動畫等輔助教學，基于化學以實驗為基礎的學科特點，實驗、實物模型等也在化學教學中得到廣泛應用。其中，對思維導圖和概念圖的研究相對比較深入，但通常缺乏從知識可視化角度對以上教學策略的深入剖析和認識。知識可視化在化學教學中的應用還有待進一步深入研究。

（2）筆者的嘗試

在對知識可視化的定義、理論基礎和應用現狀有了初步了解后，筆者開展了知識可視化在初中化學教學中應用的教學實踐。

開學第一節課，筆者對所教班級進行了“大腦半球優勢”和“學習感覺偏好”的問卷調查，并將數據用excel進行處理，得出對應的餅圖和柱形圖。發現學生中大腦雙側平衡和右半球優勢的占絕大多數，視覺偏好和觸覺偏好的學生人數也是最多的。針對這樣的學生現狀，筆者在教學過程中嘗試對于不同的教學內容采取不同的可視化的教學策略。

剛開學時，講的知識較少，課后沒有作業，筆者將思維導圖介紹給學生，說明用途、教給畫法。課堂上或討論、或實驗，課后學生用思維導圖整理筆記并上交，教師利用課間逐個點評，為學生熟練使用思維導圖復習打下基礎。筆者曾在課堂上嘗試手繪思維導圖作為板書，學生熱情不高，訪談中學生說：還是課后畫好，課堂上要畫要寫，還要換不同顏色的筆，比較麻煩，而且在筆記本上畫容易受原本格子的限制，不利于畫面的布局。因而在使用了一節課后停止。之后的教學中主要用于單元復習。每一章講完后，在周五的課上討論決定本章思維導圖的框架，學生利用周末完成，周一的課上簡單點評，并評出最佳的3～4幅作品給予獎勵，然后隨堂檢測復習效果。這樣的處理，學生反映良好，說：復習課再也不那么枯燥了；自己也知道化學該怎么去復習了；復習的時候也不那么容易分心了，竟然能連續三個小時集中精力完成思維導圖，覺得很不可思議；內容集中到一張紙上，查找和記憶都方便多了。但也有學生一直不習慣使用，他們認為自己沒有畫畫的天賦，畫得不好看，而且至少要換三種顏色的筆來寫很煩，還有個別學生認為再畫一遍跟重抄筆記沒有區別，因而不愿意使用。

概念圖的使用主要是在第三章 “物質構成的奧秘”和第六章“溶解現象”中，這兩章概念比較集中，概念圖能很好地向學生展示概念的來龍去脈和概念之間的關系。新授課時使用是在學生概念形成后，用小概念圖幫助學生將概念納入已有的知識體系，復習時再引導學生將小概念圖組合成大概念圖，建立自己的知識體系。教學過程中，筆者發現，相對于自己畫概念圖，學生更喜歡填空，他們認為，自己畫的不如老師利用軟件設計的美觀，填空的概念圖使用很方便。

動畫、圖片、漫畫、實物模型在微觀知識的講授中也取得了不俗的效果：動畫可以揭示電子的得失和化學反應的實質；原子結構示意圖幫助學生理解“元素的化學性質與最外層電子數有關”；漫畫可以幫助學生理解氯化鈉的形成，學生還可以利用自己想象的漫畫記憶元素化合價；實物模型可以幫助學生理解O2和CO2結構的不同，從而知道雖然都有“O2”，但是意義大不相同。

化學實驗，尤其是對比實驗在“身邊的物質”的教學過程中功不可沒，通過實驗的對比，學生很容易得出正確的結論。如用石蕊浸泡的紙花進行二氧化碳的性質實驗，引導學生得出“不是二氧化碳，而是二氧化碳與水反應生成的碳酸使石蕊變紅”的結論，比教師費力地去強調效果好得多。

教學實踐中，筆者發現表格在初中化學教學中大有用武之地：①對比數據，利于概念的形成。如講授元素的定義時，可用表格列舉三種氫原子和兩種碳原子的質子數、中子數，根據數據學生容易得出“元素是質子數相同的一類原子”的結論，便于概念的理解。②縱橫對比，辨析概念。如元素和原子，通過列表能清楚地向學生展現這兩個概念的區別和聯系。③濃縮要點，簡化筆記。如講授“常見的堿”的內容時，對于氫氧化鈉、氫氧化鈣的研究都是從俗稱、物理性質、化學性質等幾個角度去進行的，教學中筆者對課本上的表格進行了改進、豐富，將相關的知識全部濃縮于一張表格中，便于學生比較和記憶。④復習時歸納相近知識，便于發現規律。如二氧化碳、氧氣、氫氣的實驗室制法有相似之處，也有一定要區分的特別之處，可將其歸納在一張表格中，便于學生發現其中發生裝置和收集裝置選擇的規律，而不是去死記硬背。

三、對基于知識可視化的教學策略的思考

腦科學的研究表明：人類種族的成功可以部分歸因于腦對新鮮刺激的持續不斷的興趣和好奇，當新鮮刺激出現時，人的腎上腺素分泌增加，會暫停所有不必要的活動，將注意力高度集中，以便及時采取行動；反之，相同的或可預期的刺激反復出現，腦對環境刺激的興趣就會降低，隨即轉向其他新穎刺激，這就是常說的注意力分散。

2011版的《義務教育化學課程標準》中規定：義務教育階段的化學課程的基本理念是“以提高學生的科學素養為主旨”，要求學生在知識與技能、過程與方法、情感態度價值觀三方面得到發展。

筆者認為，知識可視化的提出，順應了信息時代的發展對知識傳播和創造方式改變的需求。視覺表征概念的深入理解和精細化分析為豐富初中化學教學策略的內涵和教學范式的研究提供了新的視角和途徑?？梢詮囊韵聨追矫骈_展深入研究：（1）根據知識的不同類別，研究相應的視覺表征。（2）根據不同的教學環節，研究相應的視覺表征。（3）根據不同的學生情況，研究相應的視覺表征。同時，在以上研究中需要精心設計教學實驗，盡可能多的獲得質性的或量化的證據，用證據來得出結論。

［1］（美）米歇爾著．陳永國，等譯．圖像理論［M］．北京：北京大學出版社，2006：2

［2］Eppler，M．J．＆Burkard，R．A．Knowledge Visualization．Towards a New Discipline and its Fields of Application，ICA Working Paper＃2／2004［R］．University of Lugano，Lugano，2004

［3］任悅．數字時代視覺表征的變化［J］．國際新聞界，2007，（2）

［4］趙國慶．知識可視化2004定義的分析與修訂［J］．電化教育研究，2009，（3）

［5］趙慧臣，王淑艷．知識可視化應用于學科教學的新觀點——訪瑞士知識可視化研究開拓者馬丁·愛普教授［J］．開放教育研究，2014，20（2）

［6］趙國慶，黃榮懷，陸志堅．知識可視化的理論與方法［J］．開放教育研究，2005，（1）

［7］王淑芬．網絡技術下知識可視化的課堂教學范式重構［J］．課程·教材·教法，2014，（7）

［8］張麗．思維導圖在初中化學教學中運用的實踐研究［D］．上海：上海師范大學，2012

［9］孫婷．思維導圖在初中化學教學中的應用研究［D］．開封：河南大學，2014

1008-0546（2015）07-0002-04

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10.3969／j．issn．1008－0546．2015．07．001

*通訊聯系人 ：馬宏佳，E－mail：mahongjia＠njnu．edu．cn