利用電子雙板的知識可視化教學研究

張昭理+李志飛+劉海+劉三女牙

【摘 要】

知識可視化在教育傳播領域正發揮愈來愈重要的作用，如何利用知識可視化進行有效教學是一個值得研究的方向。以往的可視化教學都是針對特定的學科或知識點，不能有效地進行拓展。在此背景下，本研究提出將可視化知識分類的觀點，將其分為概念性知識、過程性知識和應用性知識三種類型，并使用不同工具對知識進行可視化，然后結合知識進行文字解釋或說明，最后通過電子雙板雙屏顯示，通過文字意義與視覺表征結合的方式促進學生的學習。在此基礎上，本研究構建了一種知識可視化的教學模型，從準備、設計、教學和評價四個階段為教師進行可視化教學提供參考。

【關鍵詞】 知識可視化；電子雙板；教學研究；智慧教育

【中圖分類號】 G434 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 1009-458x（2017）03-0016-06

一、引言

在2015年11月召開的第二次全國教育信息化電視電話工作會議上，劉延東副總理就確定了今后五年要提升教師的教學能力和教育質量的目標。華中師范大學楊宗凱校長在中國教育信息化發展過程中也提出培養數字化教師的觀點，即教師的ICT技術、學科知識和教學方法三種能力要融合（楊宗凱， 2016）。可以說，提高教師的教學能力將是中國教育信息化過程中重要的一環。

近年來，通過計算機實現的可視化教學被廣泛應用于我國學科教學。王志軍等提出思維可視化課堂的概念在小學語文教學中取得了很好的效果（王志軍，等， 2015）。葉新東等利用思維導圖的方式增強了高校大學生對中文古文的內容記憶能力（葉新東， 等， 2013）。張湘將圖式交互式可視化運用到英語閱讀教學中，提高了英語閱讀課堂的交互有效性和學生思辨能力（張湘， 2014）。由此推斷，知識可視化教學對提高教師教學能力具有同樣幫助作用。

但是，目前可視化教學都是針對特定學科的某一知識點，沒有形成通用的模式。本研究提出將可視化知識分類的觀點，即根據知識不同類型運用不同的可視化技術，并結合電子雙板雙屏教學的優勢，構建一個知識可視化教學模型，為教師的可視化教學提供參考與幫助。

二、知識可視化與分類

（一）知識可視化

隨著人類社會的發展，新的知識也在急速增長，如何提高學習效率將變得非常重要。知識可視化作為一個新興的教學研究方向，它的發展過程，如圖1所示，是在科學計算可視化、數據可視化和信息可視化的基礎上發展而來的，對于提高學習效果具有幫助作用。

對于知識可視化，國內外學者做了許多深入的研究。在2004年7月，Martin J.Eppler和Remo A.Burkhard共同提出了知識可視化的概念（Eppler & Burkhard， 2007）。趙國慶在此基礎上提出了自己的觀點，認為知識可視化是一門研究如何通過視覺表征提高兩個或兩個以上人之間復雜知識遷移和創新的學科（趙國慶， 2009）。張劍平等認為知識可視化是通過合理的可視化技術讓隱性知識變得清晰明確，可以促進新知識的產生，提高學生的學習、理解和協作（張劍平， 等， 2010）。

從已有研究中可以總結出知識可視化的兩個重要作用，如圖2所示。一方面，知識可視化促進了知識傳遞。通過可視化的技術把知識轉化為可視的表現形式，降低了知識的認知難度，幫助人們提高認知能力并理解知識之間的聯系。另一方面，知識可視化有助于思維的啟發。從可視化技術到知識可視化教學，并不是簡單的技術應用和可視化領域的拓展，更重要的是教學思維的轉變和解決問題方式的轉變（李芒， 等， 2013）。

（二）可視化知識分類

國內外許多關于知識可視化的研究表明，不同的知識類型需要運用不同的可視化方式（Kühl et al.， 2011； Patwardhan & Murthy， 2015； 蔡慧英， 等， 2013）。隨著信息技術的發展，知識可視化技術也在不斷向前發展。從原來簡單的通過手繪就能實現的線條、圖表和地圖，到如今必須借助計算機才能完成的動畫、仿真和交互式可視化，可視化程度在不斷提高，能夠可視化的知識也在不斷豐富。然而，并沒有一種可視化技術能夠適用于所有類型的知識。只有根據知識類型的特點，選擇合適的可視化方式，才能取得最好的學習效果。

關于知識的分類情況，按不同的分類方式可以得到不同的結果（盧炳惠， 等， 2001）。按學科來劃分，知識可以分為語文、數學、物理和化學知識等；根據獲得知識的方式，可以分為直接知識和間接知識；依據知識的認識層次，可以分為感性知識和理性知識。但是，以上這些分類方式并不是在可視化認知基礎上劃分的，不利于知識可視化教學的設計與實施。

在以上知識分類的基礎上，結合知識可視化的視覺傳播過程（國玉霞， 等， 2016），本研究將可視化知識劃分為概念性知識（what）、過程性知識（how）和應用性知識（do）三類，如表1所示。概念性知識是關于具體事實“是什么”的知識，如“北京是中國首都”；過程性知識是關于事物原理“怎么做”的知識，如“綠色植物光合作用過程”；應用性知識是關于相關理論“具體實現”的知識，如“閉合電路導體切割磁感線產生電流”。根據這樣分類后的知識的特點，可以選用不同的可視化工具，如概念圖、思維導圖、認知地圖、語義網絡、思維地圖和知識地圖等（李士平， 等， 2016）。當然，隨著技術的發展，已經出現了一些動畫、仿真和交互式可視化的教學工具，并取得了很好的學習效果（Lin & Atkinson， 2011； Lindgren et al.， 2016； Pinter et al.， 2010； Türkay， 2016）。概念圖和認知地圖適用于理解詞語、概念，尤其是理順概念與概念之間的相互關系，可用于概念性知識的可視化；思維導圖和思維地圖使用文字、圖片和圖形等組合，呈現概念之間的層次關系，使學生能夠從整體和全局的角度思考問題（張海森， 2011），適用于過程性知識的可視化；動畫、仿真和交互式可視化等不僅能很好地解決抽象知識的呈現問題，而且有利于培養學生主動學習、探究的能力，增強學生的創新思維（張豪鋒， 等， 2010），有助于應用性知識的可視化。

三、知識可視化教學模型

在教學設計模型領域，最著名的當屬ADDIE模型，即“分析（Analysis）—設計（Design）—開發（Develop）—實施（Implement）—評價（Evaluate）”，如圖3所示。此教學模型對教學所要達到的行為目標、任務、受眾、環境等進行一系列的分析，但所有環節由教師一人完成，缺少師生互動，沒有體現學生的主體地位。

在ADDIE模型的基礎上，本研究構建了知識可視化教學模型，試圖讓學生充分參與到教學過程中，讓學生從傳統的知識接受者轉變為課堂的主動參與者和創造者，進而提高學生掌握并挖掘知識背后思維規律的能力。這個模型分為準備階段、設計階段、教學階段和評價階段四個部分，如圖4所示。

（一）準備階段

在準備階段，教師主要負責教學計劃的制定，根據學生特點設計參與程度和參與方式；教學資源的準備，準備好需要的可視化工具和教學材料等軟硬件資源；教師間的交流，和其他教師討論學習中的重點和難點。學生則需要課前預習，對要學習的知識有個初步了解；熟悉可視化工具，學習工具的使用和特點；進行學生間的交流，討論學習的方法，集思廣益。

（二）設計階段

經過準備階段的交流，教師和學生對教學內容形成了自己的看法，在設計階段將這些看法整合。在這個階段，教師和學生需要共同確定知識類型，并利用可視化工具將這些知識可視化表達出來，再添加相應的文字說明，最后通過雙屏顯示出來。

（三）教學階段

教學階段是進一步體現學生主體地位的階段。一方面教師要引導學生參與到課堂教學中來，積極提出教學中存在的問題和不足；另一方面要組織學生參與交互式可視化的操作。在這個教學過程中，師生充分互動交流，學生不再是被動的知識接受者。

（四）評價階段

評價是對整個教學過程的效果進行評判的重要一環。評價階段包括：教師自評，對整個教學過程中存在的問題進行分析和總結；學生評價，對學生進行問卷調查，從參與度、挑戰度、注意度和享受度四個方面進行統計評價；成績分析，對學生的期中或期末的成績進行統計分析。最終結果反饋給教師和學生，有利于師生共同改善教學內容和方法。

四、知識可視化與電子雙板結合

多項研究表明，文字結合可視化的教學方式可以產生更好的學習效果（Anglin & Vaez， 2004）。由華中師范大學國家數字化學習工程技術研究中心開發的電子雙板教學平臺，同時以視覺形式和語言形式呈現信息，學習者通過“雙重編碼”加工信息，增強了對知識的理解與記憶（楊宗凱， 等， 2013），并對一些課堂教學效果的提高取得明顯的效果（張屹， 等， 2014）。電子雙板教學如圖5所示。

教師對知識可視化的過程相當于一個備課過程，由此可以清晰地了解課程內容和知識關聯并發現教學之中的重點和難點（汪春霞， 2011）。在教學過程中，教師在講授知識的同時，要注意引導學生思考，鼓勵學生發散思維，學習使用同樣的方式將所學知識進行歸納總結，要從原來的知識灌輸者、講授者轉變成學生學習活動的引導者。學生看左屏可視化圖像能夠對知識形成更形象、更有邏輯的認識，看右屏文字信息可以對知識進行更加具體、完整的學習。

（一）概念性知識可視化

概念圖（Concept Map）是由美國諾瓦克（J.D. Novak）博士根據奧蘇貝爾（David P. Ausubel）的有意義學習理論提出的，運用節點、連線等手段來表示概念與概念之間的組織關系（Novak and Gowin， 1984）。概念圖可以幫助學習者較容易發現復雜知識之間的關系（趙國慶， 2012），可以廣泛地用于對概念性知識的學習與組織。

在對概念性知識可視化過程中可以運用一些標記技術，例如改變字體大小和顏色、使用箭頭下劃線等。通過對相關知識的標記，學生會進行選擇性注意，將注意力集中在重要信息上并在大腦中產生深刻印象，有助于對重點和難點知識的學習與記憶（張維忠， 等， 2010）。

比如中國的行政區劃，就屬于概念性的知識，教師可以通過手繪或者通過一些可視化軟件制作相關概念圖，然后通過電子雙板進行展示，其教學如圖6所示。左屏顯示的是中國行政區劃的概念圖，右屏顯示的是文字版的具體學習內容。可以將中國的行政區劃分為四個部分，分別為省、直轄市、自治區和特別行政區，然后具體列出各個區劃名稱，其中北京屬于直轄市并是中國的首都。這樣，中國的行政區劃即通過電子雙板直觀、完整地展現在學生面前。

（二）過程性知識可視化

過程性知識是描述事物動態發生變化過程，反映基本事實、概念、原理和規律等的知識。這類知識的過程細節比較復雜，學生無法直接感知與學習，同時教師單純用語言文字難以準確表達，所以導致學生認識、理解和掌握相關知識有障礙。

對于這類知識可以通過建模來展示。建模也是知識可視化的一種表征形式，可以對現實世界中客觀存在的事物建立簡化、清晰的模型，且該模型可以被操作和測試，實現對真實存在的對象關系的描述（Sturmberg et al.， 2013）。此時，需要運用系統的觀點，運用一些基本可視化元素（對象、流程、變量和連接等），對過程性知識抽象化表征，最終實現對這類知識的可視化。

光合作用是中學生物教學中非常重要的一個知識點，它是植物一系列復雜代謝活動的總和，屬于教師教學過程中的重點和難點。對光合作用的過程進行可視化是一種很好的教學嘗試，但是其教學效果還需進一步研究。本研究通過使用Visio 2016軟件對光合作用的過程進行了可視化繪制，如圖7所示，由此可以清楚地知道光合作用分為光反應和暗反應兩個階段，每個階段的條件、物質轉換、能量轉換等則可以通過右屏展示給學生。

（三）應用性知識可視化

應用性知識的學習是一個探究的過程，強調學生在教師的引導下自主解決實際問題的能力（孔晶 et al.， 2014）。交互式可視化的學習方式正好可以滿足學生自主探究學習的要求，并具有自主性、過程性和實踐性等特點。通過交互式可視化可以幫助學生獲得更深、更清晰的理解（Lengler & Eppler， 2007）。在學習情感方面，交互式可視化可以提高學生的學習興趣、學習動機和參與教學過程的積極性（Barak et al.， 2011）。

交互式電子白板作為一種新型的教學工具和手段，在傳統黑板、幕布的基礎上增加了人機交互的功能，在發達國家的中小學得到了廣泛的應用（石映輝， 等， 2012）。基于交互式電子白板的電磁感應模擬實驗，如圖8所示，是華中師范大學國家數字化學習工程技術研究中心研發的starC云端一體化學習平臺上的一個物理學科工具。利用這個學科工具可以控制電磁感應的磁場方向、導體切割方向、導體移動速度，修改后的變化可以動態地顯示在上方的切割磁場和電流表上。學生可以在左屏模擬操作實驗，右屏閱讀實驗方法和計算公式。采用這種交互式可視化的學習方法，學生對電磁感應的學習會獲得更好的學習效果。

五、結論與展望

當前知識可視化教學研究主要聚焦于特定的知識內容，不利于可視化教學的發展。本研究提出了將可視化知識分類的觀點，對不同類型的可視化知識采用不同的可視化方式，結合電子雙屏顯示，構建了一種知識可視化教學模型，希望能夠為教師進行可視化教學提供參考。隨著信息技術和計算機技術的發展，知識可視化的方式也會不斷創新。隨著虛擬現實技術的普及，VR教育讓我們走進“真實的課堂”，未來將是技術與教育深度融合的時代。

[參考文獻]

蔡慧英，陳婧雅，顧小清. 2013. 支持可視化學習過程的學習技術研究[J]. 中國電化教育（12）：27-33.

國玉霞，顏士剛. 2016. 論視覺傳播視野下的知識可視化過程[J]. 電化教育研究（3）：20-25，33.

孔晶，趙建華，劉家亮. 2014. 交互式電子白板支持探究性學習活動過程分析[J]. 電化教育研究（12）：86-92，120.

李芒，蔡旻君，蔣科蔚，王妍莉. 2013. 可視化教學設計方法與應用[J]. 電化教育研究（3）：16-22.

李士平，趙蔚，劉紅霞，譚榮姣，趙艷. 2016. 基于知識地圖的自我導向學習設計與實證研究[J]. 電化教育研究（5）：74-81.

盧炳惠，張學斌，2001. 試論知識的類型與教學[J]. 南華大學學報：社會科學版，2（1）：73-76.

石映輝，楊宗凱，楊浩，劉三女牙. 2012. 國外交互式電子白板教育應用研究[J]. 中國電化教育（5）：99-103，121.

汪春霞，2011. 知識可視化在信息技術課程中的應用研究[J]. 中國電化教育（7）：100-104，113.

王志軍，溫小勇，施鵬華，2015. 技術支持下思維可視化課堂的構建研究——以小學語文閱讀教學為例[J]. 中國電化教育（6）：116-121.

楊宗凱，2016. 中國教育信息化十年：2011-2020[J]. 中國教育信息化（1）：3-4，28.

楊宗凱，劉三女牙. 2013. 雙軌教學的理論省思[J]. 中國電化教育（8）：24-27.

葉新東，陳衛東，許亞鋒，楊剛. 2013. 利用思維導圖方式呈現中文古文對學習內容識記的影響研究[J]. 電化教育研究（15）：90-96.

張海森. 2011. 2001-2010年中外思維導圖教育應用研究綜述[J]. 中國電化教育（8）：120-124.

張豪鋒，李瑞萍，李名. 2010. 基于交互白板構建協同可視化學習環境[J]. 中國電化教育（3）：81-83.

張維忠，唐慧榮，2010. 可視化教學內容設計的五大原則[J]. 電化教育研究（10）：99-102.

張湘. 2014. 英語閱讀教學中的圖式交互可視化研究[J]. 中國電化教育（3）：123-128.

張屹，白清玉，馬靜思，周平紅，范福蘭. 2014. 交互式電子雙板環境下的課堂交互性研究——以高校“教育技術學研究方法”課堂教學為例[J]. 電化教育研究（3）：83-87.

趙國慶，2009. 知識可視化2004定義的分析與修訂[J]. 電化教育研究（3）：15-18.

趙國慶，2012. 概念圖、思維導圖教學應用若干重要問題的探討[J]. 電化教育研究（5）：78-84.

Anglin， G.J.， Vaez， H.， 2004. Visual representations and learning： the role of static and animated graphics. Handbook of Research for Educational Communications & Technology Mahwah Nj Lawrence Erlbaum Associates.

Barak， M.， Ashkar， T.， Dori， Y.J.， 2011. Learning science via animated movies： Its effect on students thinking and motivation. Computers & Education，56（3）， 839-846.

Eppler， M.J.， Burkhard， R.A.， 2007. Visual representations in knowledge management： framework and cases. Journal of knowledge management，11（4）， 112-122.

Kühl， T.， Scheiter， K.， Gerjets， P.， Gemballa， S.， 2011. Can differences in learning strategies explain the benefits of learning from static and dynamic visualizations？ Computers & Education，56（1）， 176-187.

Lengler， R.， Eppler， M.J.， 2007. Towards a periodic table of visualization methods of management， Proceedings of the IASTED International Conference on Graphics and Visualization in Engineering， pp. 83-88.ACTA Press.

Lin， L.， Atkinson， R.K.， 2011. Using animations and visual cueing to support learning of scientific concepts and processes. Computers & Education，56（3）， 650-658.

Lindgren， R.， Tscholl， M.， Wang， S.， Johnson， E.， 2016. Enhancing learning and engagement through embodied interaction within a mixed reality simulation. Computers & Education，95， 174-187.

Novak， J.D.， & Gowin， D.B.， 1984. Learning how to learn. Cambridge University Press.

Patwardhan， M.， & Murthy， S.， 2015. When does higher degree of interaction lead to higher learning in visualizations？ Exploring the role of ‘Interactivity Enriching Features. Computers & Education82（c）， 292-305.

Pinter， R.， Radosav， D.， Maravi， S.， 2010. Interactive animation in developing e-learning contents， MIPRO， 2010 Proceedings of the 33rd International Convention， pp. 1007-1010.IEEEXplore.

Sturmberg， J.P.， Churilov， L.， Mcdonnell， G.， 2013. Modelling. Handbook of Systems & Complexity in Health，38（8）， 81-111.

Türkay， S.， 2016. The effects of whiteboard animations on retention and subjective experiences when learning advanced physics topics. Computers & Education，98（c）， 102-114.

Zhang， J.， Zhong， D.， Zhang， J.， 2010. Knowledge Visualization： An Effective Way of Improving Learning， Education Technology and Computer Science （ETCS）， 2010 Second International Workshop on， pp. 598-601.IEEE.

收稿日期：2016-10-25

定稿日期：2016-12-22

作者簡介：張昭理，博士，教授，博士生導師；李志飛，本科，碩士研究生；劉海，博士，講師，碩士生導師；劉三女牙，博士，教授，博士生導師。華中師范大學國家數字化學習工程技術研究中心（430079）。

責任編輯 劉 莉