e—Leaming視域中知識可視化模型比較研究

王楠　劉燕

摘要：隨著知識可視化工具應用日漸普及，學術界對于知識可視化的研究逐步深入，相關研究者提出了較為系統化的知識可視化模型。該研究基于e-Learning視域，對現有的典型知識可視化模型進行比較分析，旨在挖掘分析知識可視化的過程和方法。通過分析發現已有知識可視化模型在其構成要素和核心過程上基本一致，但在理論基礎、差異性要素以及交互定位等三個方面存在一定差異。對知識可視化的交互進行深入研究，以及根據知識類型的差異采用針對性的知識可視化方法，這兩點將成為后續相關研究的關注重點。本研究對于完善知識可視化基礎理論，指導知識可視化實踐有著重要意義。

關鍵詞：e-Learning；知識可視化；知識可視化模型；比較研究

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

一、前言

在信息技術飛速發展的時代，促進群體知識傳播和創新的形式不斷涌現。在某種意義上，人類知識的傳播一直就在尋找高效的可視化方法和途徑，從以我國甲骨文為代表的象形文字的出現，再到印刷術的發明和傳播，工業革命催生普及的圖文并茂教科書，直至今日的e-Learning學習環境，各類知識圖譜的應用，基于大數據的學習行為可視化，以及虛擬現實和增強現實在教育領域的探索等等，都是知識可視化實踐領域卓有成效的探索。因此，可以說知識可視化作為探究知識傳播和創造的途徑和手段，正在逐步推動人類學習方式的演變。但是，從理論層面系統深入的認識可視化，尤其是知識可視化，挖掘知識可視化的規律和模式，還處于初級階段。

二、知識可視化研究現狀

（一）知識可視化的涵義

知識可視化是建立在科學計算可視化、數據可視化、信息可視化基礎上的研究領域。在Eppler.M-J和Burkard看來，知識可視化根本目的是促進群體知識的傳播和創新，實現這一目的的方法是視覺表征，即通過多種形式的圖解，形成更易于感知的個體知識表現，從而實現促進群體知識的傳播和創新這一根本目的。從這一被廣泛認可的定義可以看出，知識可視化的實質是一種用以解釋、建構和傳遞復雜知識的圖解過程。

（二）知識可視化模型研究現狀

當前知識可視化領域的研究，研究文章數量呈逐年增加的發展趨勢。目前知識可視化領域的研究，主要圍繞著其圖解手段、基礎理論和實踐應用三方面。隨著近年關于知識圖譜、思維導圖等技術等實踐應用日益增加，作為上述實踐基礎理論的知識可視化研究則愈顯重要。然而，現有文獻中對于知識可視化模型的深入研究相對欠缺。可見，知識可視化研究正處于完善基礎理論、構建理論體系這一階段，隨著如增強現實、電子白板等可視化學習環境實踐探索的逐步深入，對于知識可視化理論研究的需求日益迫切，亟待通過分析知識可視化系統模型，揭示知識可視化本質并發現規律，這對于知識可視化領域的實踐發展有著非常重要的意義。

通過文獻檢索，發現目前主要有三個知識可視化模型在該領域中受到普遍關注和認可，分別是R.A.Burkhard；在2004年提出的知識可視化模型，Jarke J.van Wijk在2006年提出的知識可視化基本模型，以及Min Chen等人在2009年提出的仿真認知加工知識可視化模型。本研究著重對這三個模型，從各個模型的一致性和差異性兩個角度進行分析。

三、典型知識可視化模型

（一）知識可視化模型

R.A.Burkhard在其2004年的研究中闡述了信息可視化和知識可視化的差異，并從知識管理和信息傳播視角提出了兩者的協同效應，構建了知識可視化模型。Burkhard的知識可視化模型重點描述了設計者如何通過專業實踐和先前研究，利用有效的可視化技術來創建可視化的知識形態。知識可視化模型如圖1所示。

Burkhard認為知識可視化的過程是建立從數據到圖像的映射過程，通過圖像集合形成了一個更為有效的認知過程。Burkhard的知識可視化模型將知識可視化過程區分為三個部分：信息發送者、知識可視化工具和信息接受者，三者間形成了緊密關聯的交互結構。模型中包含了兩個基本的可視化學習過程，分別是人際之間和個人內省的可視化學習過程。Burkhard提出，知識可視化由發送者推送作為起始，視覺表征轉化過程中又可分為三個過程：第一，發送者要獲取接受者的充分注意；第二，發送者需描述所傳遞知識的背景信息及概述，選擇知識呈現形態；第三，發送者把用“動態會話”（Dynamic Dialog）的形式來展現知識細節，讓接受者借助視覺表征完成知識建構。在Burkhard看來，知識可視化能夠引起更深層次的知識，接受者變得活躍，這也構成了模型中“反饋一修改”過程，是探索新知識內容的關鍵。只有當接受者了解是誰、傳遞內容及背景、及切身相關性時，接受者才會進行知識探索。需要注意的是，Burkhard強調在知識可視化過程中，接受者可以通過對數據進行交互式操作得到可視化結果，能夠更有效地進行知識建構。

（二）知識可視化基本模型

知識可視化的基本模型，是由荷蘭埃因霍芬理工大學Jarke J.van Wijk學者提出。Wiik的核心觀點是：知識可視化是多角度的，包括創新、藝術和科學等。基于此，Wijk提出了通用的可視化模型?；诖?，Wijk建立了知識可視化基本模型，如圖2所示。

在這一知識可視化基本模型中，Wijk突出了用戶根據自己的現有知識和認知能力，通過交互對知識可視化技術形成的圖像進行改進；同時，用戶通過可視化成果提升認知能力。模型中的技術/時間這一參數表示交互對技術的影響，知識/時間參數表示著用戶認知能力的速度。交互在知識可視化中的重要性，在于用戶可以通過不斷的交互實現更多知識的獲取。

（三）仿真認知加工知識可視化模型

仿真認知加工知識可視化模型，是由英國斯旺西大學的Min Chen和美國普渡大學的David Ebert等人在2009年提出。這一模型對知識可視化中的數據、信息、知識等要素分析較為深入，最重要的貢獻在于其提出了知識可視化的四個發展過程，即基本可視化、信息輔助可視化、知識輔助可視化、知識輔助的可視化仿真認知，如圖3所示。

基于Min Chen等人的觀點，知識可視化應注重從數據中發現有價值的知識，其核心過程在于將數據集合轉化為圖像集合，實現促進高效認知。隨著數據量增加，已有互動的可視化不能滿足需求，這就需要利用信息技術提高知識可視化的效率。同時，由于用戶應用可視化技術的障礙主要來源于特定知識的匱乏，因此知識可視化需要在多個用戶之間實現領域知識的分享，以減小用戶應用復雜可視化技術的負擔?；诖耍琈in Chen等人對知識可視化模型在如下方面進行了完善，形成了仿真認知加工知識可視化模型，如圖4所示。

1.信息輔助可視化：將數據轉化為有用的信息以實現可視化，幫助用戶減少可視化過程的時間成本；

2.知識輔助可視化：其包括針對特定應用和復雜可視化技術的領域知識，旨在彌補用戶特定領域知識的缺乏；

3.可視化的基礎設施：關于可視化過程的數據需要通過基礎設施進行搜集、整理、分析。這一模型特別強調，其可視化基礎設施是通用的，能夠支持多個應用領域。

四、知識可視化模型比較

通過分析比較上述三個典型知識可視化模型，可見各個模型所構建的知識可視化過程較為一致，都是強調通過可視化將原始數據信息轉換成為易于理解的知識形態，并關注了用于對于所傳遞知識形態的反饋。

（一）典型知識可視化模型的一致性

1.基本要素的一致性

三個典型的知識可視化模型，其所提出的知識可視化構成要素基本相同，都包含有數據、可視化技術、知識整合、交互過程等四個要素。

數據：數據是知識可視化的基礎。

可視化技術：可視化技術是針對數據進行圖解的方法和手段，其所支持的可視化過程是知識可視化的核心。

知識整合：知識整合是知識可視化的目標。

交互：交互是知識可視化不可或缺的環節，通過交互實現對可視化成果的不斷改進，以閉環實現知識迭代。

2.核心過程的一致性

要素的一致性促成了知識可視化核心過程的一致性。基于知識可視化的四個基本要素，其所形成的可視化過程中，可視化環節無疑是這一過程中最重要的部分，其關聯了數據信息、可視化技術、知識整合和交互等四個基本要素。

（二）典型知識可視化模型的差異性

1.基礎理論

廣義上講，知識可視化模型基礎理論都與建構主義學習理論有這不可分割的關系，但是通過分析我們可以發現模型間的基礎理論仍存在差異，主要體現模型是建構在單一理論基礎之上還是多學科理論基礎之上。Burkhard知識可視化模型建立于建構主義學習理論基礎上，其更適用于教學中知識可視化的應用，便于開展教學設計；Wijk提出的知識可視化基本模型，因其旨在探索多學科領域的知識可視化規律，不局限于特定基礎理論；仿真認知加工知識可視化模型，其所提出的知識輔助和信息支持設施架構，帶有明顯的信息科學特征。

2.關注點的差異性

（1）Burkhard的知識可視化模型強調可視化過程中心理建構。在模型中尤其突出了發送者心理模式和接受者心理模式這兩個基本部分，并在其外在可視化表示過程細化的三個階段中，特別提出了引起注意這一階段。因此，該模型將知識可視化過程視作一個心理建構過程，是從發送者提供信息和知識，利用可視化工具和技術進行可視化，最終實現在接受者的知識建構。對于可視化過程中心理建構的關注，即體現在接受者原有認知水平會影響其對可視化成果的接受程度，同時也體現在可視化的根本目的在于幫助接受者形成特定領域的認知。

（2）Wijk提出的知識可視化基本模型，在明確了圖像是知識可視化的成果同時，同樣強調了用戶認知能力對可視化成果的影響。同時，這一模型進一步明確了知識可視化的構成要素包括數據信息、可視化技術、可視化成果、用戶重構后的知識、用戶與可視化技術的交互等；其中，有兩點值得關注，一是對于用戶重構后知識的明確，這就形成了基于知識可視化的用戶知識增長，第二點就是這一模型提出了知識可視化過程中以時間為代表的成本，并將相關要素與時間結合起來，這也有助于認識用戶知識漸進式增長的規律。

（3）仿真認知加工的知識可視化模型，更側重于建立基于信息技術的、具有整體觀的知識可視化，因此相比較前兩個模型來說具有相當的完整性。模型突出了基于信息技術搭建的基本可視化模型框架，通過知識輔助可視化對信息源進行基于特定領域知識的設定，利用信息輔助可視化展示典型輸入信息，以及可視化過程的屬性、結果的屬性、用戶認知行為的特點；在此基礎上，實現了用戶利用獲取信息及相應參數來降低可視化后的認知難度，進而實現節約可視化成本的目的。

3.交互在知識可視化過程中的定位

不同知識可視化模型中對于交互的定位存在顯著差異，或定位于原始信息的修訂，或定位于可視化技術的完善。在Burkhard知識可視化模型中，交互目的是針對知識可視化過程中產生的問題，將其反饋到發送者由其進行修改。Wijk所提出的知識可視化基本模型中，提出了通過交互對知識可視化技術形成的圖像進行不斷改進，沒有考慮對數據修改。仿真認知加工知識可視化模型中，用戶感知能力情況通過交互反饋給系統以調整相應參數，因此這一模型中交互的實質上形成可視化技術反饋的關鍵。

通過對上述典型知識可視化模型的比較分析可以發現，對于學習者知識學習，可視化過程中所采用的具體可視化技術非常重要，能夠直接影響知識可視化的應用成效。深入分析可以發現，現有知識可視化的典型模型，對于知識可視化的交互類型都缺乏深入研究，也就是說要對何種類型的知識進行怎樣可視化的操作，以及其能夠實現何種程度的學習目標，現有研究沒有明確給出解答。澳大利亞教育心理學家彼格斯提出了針對學習質量的SOLO評價體系，本研究的后續研究中，將這一分類應用于知識可視化研究中，嘗試針對不同類型的知識采用差異化的知識可視化方法和技術，以期提升知識可視化的成效。

五、結論與展望

隨著知識圖譜等知識可視化應用的日益深入，知識可視化已經成為解決信息過載的重要方法。如何在e-Leaming環境下將知識可視化與學科領域、跨學科領域的教學實踐密切結合，迫切需要對知識可視化模型形成共識，在此基礎上進一步探索知識可視化的規律并不斷提升其成效。現階段，知識可視化在社會網絡學習中的人際關系形成、資源建構以及學習過程可視化方面經取得了一些卓有成效的研究成果。隨著對于大數據、學習分析等領域研究的突破，知識可視化將發揮更大的功效。

同時，需要強調的是，在知識可視化模型中，交互起著非常重要的作用，是知識可視化不可或缺的一環。學習者通過交互的可視化過程獲取知識，又通過反饋不斷提升優化可視化的成效。知識可視化過程中的交互設計，應密切吻合其所涉及的知識類型。在后續研究中，可以借鑒Robert Spence提出的信息可視化交互分類體系，將交互分為連續式交互、漸進式交互、被動式交互和混合式交互等四類。如何構建學習目標、知識類型、可視化技術和交互方式等多要素的一致性，充分發揮知識可視化的積極作用，正是目前知識可視化應用的瓶頸之一，這也是本研究后續重點。