動態思維導圖引導的知識資源共建共享模型

韓營　趙蔚　姜強　孟凡媛

摘要：當今，海量數字化學習資源的分布異構及其關系的薄弱容易造成學習者認知超載與學習迷航，資源利用效率低。從用戶參與的角度，以Wisemapping為開發工具，通過構建以“動態思維導圖共建共享”、“資源向動態思維導圖的映射機制”以及“資源共建”三大模塊組成知識資源共建共享模型，實現了以動態思維導圖作為索引的資源共建與資源共享。通過實驗調查發現，該模型是一種有效的資源組織方式，可以很好地解決學習資源建關聯薄弱、分布異構的問題，最終減輕學習者認知負載，促進學習者認知發展。

關鍵詞：知識資源；動態思維導圖；共建共享；認知發展

中圖分類號：434 文獻標識碼：A 文章編號：1009-5195（2017）01-0105-08 doi10.3969/j.issn.1009-5195.2017.01.013

一、引言

互聯網和信息通信技術高速發展，使得學習環境也變得高度社會化、個性化和開放化。《教育信息化“十三五”規劃》強調通過創新“網絡學習空間人人通”，實現教育資源的共建共享（教育部，2016）。然而，數字化環境下學習資源在為學習者提供多元學習機會的同時，學習資源的千篇一律、分布異構及其關系薄弱也造成學習者在開放學習環境下的學習迷航與認知超載，無法快速準確地定位需要的資源，更不能高效地利用資源（姜強等，2015）。知識可視化為教育研究提供了新的視角，腦科學理論強調從圖片中學習和記憶，而不是通過書面和口頭語言，雙重編碼理論強調視覺形式和語言形式結合的重要性，因此知識可視化工具對促進學習者的思考，尤其是認知發展方面具有極其重要的價值。知識可視化技術和方法能夠為資源的組織方式和存儲形式給予新的啟示。思維導圖是可視化技術的一種，本文從用戶參與角度構建動態思維導圖引導的知識資源共建共享模型，并完成系統開發與驗證。

二、研究現狀

在國外，2002年，慕尼黑理工大學Fischer等學者基于問題情景驗證了將可視化工具作為結構支持對協作知識建構的影響，發現可視化工具不但能夠提高學習者的協作努力成就，而且能夠更成功地整合學習者的前驅知識到協作解決方案中（Fischer et al.，2002）。2006年，圣加侖大學Sigmar-Olaf Tergan等學者針對目前教育與工作情境中出現的認知負載等問題，采用數字化概念圖為橋梁技術整合知識與信息，驗證了可視化技術在處理復雜問題與非良構問題上的重要作用（Tergan et al.，2006）。2009年，達姆施塔特工業大學Godehardt針對知識工作者“資源饑餓”問題，提出了情景性可視化支持自主學習模型。該模型利用可視化支持整合信息以情景化的方式處理任務，有效地提高了知識密集型工作的效率，促進了知識的遷移（Godehardt，2009）。在美國，Coffey等學者開發了幫助教師與學習者進行主題聯結和學習資源管理的學習環境管理工具（Learning Environment Organizer，簡稱LEO），該工具可以為教師和學生提供信息和知識管理的可視化工具，以概念地圖為接口促進資源的設計與傳播，對于提升學習者與教師對知識結構的深入理解具有很大幫助（Coffey et al.，2003）。在英國，紐卡斯爾大學創建了幫助教師與學習者理解當前知識及與其他相關知識間關系的動態學習地圖工具（Dynamic Learning Maps，簡稱DLM），該工具以課程的知識體系為脈絡，以知識地圖方式聚合課程資源，直觀的呈現方式可以讓教師和學習者更好地掌握課程資源間復雜、抽象的關系（李士平等，2013）。

在國內，北京師范大學余勝泉教授提出適合泛在學習的資源建設方式——“學習元”。“學習元”采用語義網和本體技術組織學習資源，用戶可以通過添加或者擴展本體模型中知識的屬性和關系來形成一個與主題相關的、高度內聚的知識網絡，最終形成一個相互關聯且具有豐富邏輯層次的整體（余勝泉等，2009）。 “學習元”在一定程度上解決了教育資源的分布異構的問題。華中師范大學黃濤等學者對數字化學習中教學資源的知識化組織和可視化導航與檢索問題進行了研究，構建了知識地圖與資源導航模型，并設計與實現了基于知識地圖的資源導航與檢索系統，克服了資源檢索在當前信息爆炸時代面臨的混亂現狀（黃濤等，2015）。香港大學王敏紅等人研發的“JAVA E-Teacher”平臺，實現了從課程中提取知識節點，以可視化的方式作為資源建設的索引，以期達到整合學習資源的目的。同時，他還通過在可視化學習環境中將知識建構與問題解決做有效連接，改善了問題解決經驗容易遺忘和不能有效遷移的問題（Wang et al.，2011）。針對移動學習環境中學習資源過于零散、學習者很難建立系統的知識結構等問題，北京郵電大學李亞男等學者，借助可視化技術實現了“輕課堂”移動學習環境的設計與開發，該系統的應用充分體現了知識可視化對知識建構的積極意義（李亞男等，2013）。

從現有研究成果看，目前國內外共享可視化系統在設計空間環境時大多采用分布式協同可視化；在發展思維共享方法上，大多采用共享情景認知方式；在平臺使用上，主要包括移動端、PC端；在系統為學習者提供的支持上，主要包括社會支持、任務支持、認知支持；在應用策略上主要包括共享可視化、共享協調、共享多元展示、共享映射展示和共享邊界對象；在實現技術上，主要包括JAVA、XML、AJAX、HTML、Django、MySQL、GEO-Tool等；在應用領域上，主要包括協作問題解決環境、虛擬現實環境、多玩家在線游戲和多用戶支持的應用程序等領域。

可見，借助可視化技術的支持，國內外研究者在資源建設研究方面取得了巨大的進展，但仍然存在著一些亟待解決的問題。學習支持系統中強調教師主導的資源管理與重組，而學習者共建實現的知識聚合還沒有得到系統開發與利用。同時，目前將知識可視化應用到資源建設中大多采用概念圖與知識地圖兩種可視化視覺表征形式。概念圖的最大優點是知識體系及層次結構的表達清晰明確，但是也存在一些缺陷，比如不能滿足非學術群體，不適合學習任務情境，不能實現快速記筆記等。知識地圖雖然在本質上就是一種知識索引工具，但它對知識節點的要求很高，強調學科知識本體的構建，這種對結構化專家知識提供導航的方法，不適合以學習者為中心的資源建設。

鑒于此，本文從用戶參與共建共享的角度，依據建構主義學習理論所強調的學習是學習者在社會的參與中，通過學習共同體的合作互動去內化有關知識與技能、獲得相關情感的過程，以及聯通主義學習理論所強調的學習是一個連續的、知識網絡形成的過程，在此基礎上構建動態思維導圖引導的知識資源共建共享模型，并完成系統開發與驗證。該研究以學習者共建方式實現資源聚合，無論在動態思維導圖的拓展上，還是在知識資源的共建上，都淡化了資源聚合的技術手段，強調資源聚合的方式，將學習者作為資源聚合的主體，充分發揮學習者的集體智慧。同時依據圖式理論，強調在知識表征和貯存方式上圍繞某一主題進行組織，加強學習者對知識意義的理解，動態思維導圖與知識資源都是基于學習者共建，依靠學習者的理解能力與思維模式實現資源聚合，并對資源進行選擇與評價，拓展了資源聚合與分享的研究框架。

三、基于動態思維導圖的知識資源共建共享 模型建構

1.解讀動態思維導圖

動態思維導圖是指可以實現對知識的無限擴展與動態網絡視覺呈現，能夠清晰地顯現思維或知識間的多類別和多關聯網狀關系。它突破了以前只能對知識進行靜態展示的限制，可以提高學習者的思維活躍性和促進發散思維能力，以及促進學習效率和創造性地解決學習過程中的問題。總之，動態思維導圖的特征可以總結為如下幾點：

在功能上，動態思維導圖更能體現培養學習者的創新思維和想象力，更加適合基于問題解決的學習環境。在充分體現學習者中心的基礎上創建一個基于問題解決的環境，以動態思維導圖的拓展和資源的建設為任務，實現資源的共享和利用。

在手段上，動態思維導圖對知識節點的表征更加靈活多樣。在學習者的認知上能做到視覺直觀、簡單易用，降低學習者的認知負荷，減小學習者對學習的抗拒。

在目的上，動態思維導圖本身就是學習者思維的外化表現，按照學習者的認知思維來實現知識的表征和存儲，人與人之間的知識傳遞其實就是思維火花的碰撞，學習者及其幫助者在學習過程中互相溝通，共享學習資源，相互影響、相互促進，最終實現任務完成與問題解決。

2.動態思維導圖引導的知識資源共建共享模型建構

鑒于動態思維導圖的特征及其應用價值，適合構建以學習者為中心的知識資源共建共享系統，其模型如圖1所示。該模型適用于高校學生學習共同體協作學習過程，學習者應具有較強的獨立學習能力與團隊合作能力，同時具有便利的網絡條件。由圖1可見，該模型主要包括動態思維導圖共建共享模塊、資源向動態思維導圖節點的映射機制模塊、資源共建模塊三部分，彼此相互聯系、相互依賴，共同支持資源的共建共享過程。

（1）動態思維導圖共建共享模塊

創建圖譜進行知識表示。學習者創建圖譜，將自身的知識結構以知識節點與知識關聯的形式表示出來，促進人們對知識的理解，以此作為資源建設的導航，是知識轉化為新知識前提。

編輯圖譜進行知識重組。學習者將創建好的圖譜分享給其他學習者，共同完成知識節點和知識關聯在結構上的調整，以形成一個比較完善的圖譜，是知識轉化為新知識的必要活動。

檢索圖譜進行知識定位。當創建的圖譜和其他學習者分享的圖譜越來越多，那么找到我們需要的圖譜就會很困難，加入圖譜的檢索功能，可以很方便地幫助我們定位我們需要的圖譜。

共享圖譜進行知識共享。共享圖譜在模型中發揮著重要作用，已有知識變成新的知識必須經過圖譜的共享，它既是圖譜共建的前提，也是知識資源共建和共享的橋梁。圖譜共享有兩種形式：一是內部共享，即學習者將自己創建好的圖譜分享給系統內的其他成員，以實現圖譜的共建。內部共享有共享后只可查看不能編輯和共享后可編輯兩種限定形式。二是外部共享，即將圖譜以鏈接的形式公開到社會化軟件中，比如微博、微信、QQ等，以實現圖譜更大范圍的共享。

資源共享從技術角度來講是一種分布式知識資源管理機制。要解決資源的利用率和資源庫的可持續發展問題，關鍵在于共享，即讓每一個學習者為提供優秀的知識資源付出努力。只有推動知識共享才能使更多人掌握知識、升華智慧，進而實現創新，因此要使知識轉化為最佳的生產力，必須通過便捷的途徑實現知識共享。本文的資源共享采用“先分享后共享”的內部共享形式，如圖2所示，學習者1將自己的圖譜分享給學習者2以實現二者對圖譜以及圖譜中節點所鏈接資源的共享，即資源共享靠圖譜的分享實現。

（2）資源共建模塊

創建資源進行知識存儲。學習者可以針對圖譜中的每一個知識節點上傳資源，實現對知識資源的存儲。

編輯資源進行知識編輯。創建好的資源可再編輯，對資源進行修改與優化，使其利于傳播和交流。

檢索資源進行知識檢索。當創建的資源越來越多時，尋找資源就會很困難，加入資源的檢索功能，可以很方便地幫助我們檢索資源。

評價資源進行知識監控。對資源提供評價功能，評價方式分為定量和定性評價兩種。定量評價是指為每一個資源設置一個滿分為5分的評價量表，分數越高表示資源質量越好。定性評價相當于論壇，每一個學習者都可以根據自己的理解來對資源進行話語評價。定量和定性評價相結合，采用系統自動和監督者手動的方式實現資源的優勝劣汰。

推薦資源進行知識推送。在資源評價的基礎上實現優質資源的推薦。當n名學習者對學習資源做出評分時，先求出資源的平均得分，當平均得分大于4分時，系統會將資源推薦給學習者。

（3）資源向動態思維導圖節點的映射機制模塊

知識資源向動態思維導圖節點的映射機制設計需要抽象出三個關鍵詞：知識節點、資源實體、映射關系。知識節點是指學習者根據自己對資源的抽象理解而提取出來的關鍵詞，是思維導圖的重要組成部分。資源實體是指學習者根據自身需求在互聯網中搜集到的學習資源，其形式可以是圖片、文本、視頻等。知識資源向思維導圖節點映射機制設計的關鍵是映射關系的選擇，本文中采用一對多的聯系。即每一個知識節點都可以鏈接到多條知識資源上，這一節點是對這些資源的有效描述。節點與資源之間通過超鏈接的形式進行鏈接。一對多的映射關系能很好地實現以節點為中心的知識聚類。其結構示意圖如圖3所示。

3.動態思維導圖引導的知識資源共建共享保障機制

可視化呈現機制。可視化呈現是促使學習者參與本系統的首要保障。系統中用可視化的方法展示知識點之間的邏輯關系，把學習資源鏈接到知識點，以實現資源共建共享的可視化導航。這樣一方面可以促進學習者的認知發展，另一方面可以發揮學習者的發散思維，激發學習者的學習興趣。

使用幫助文件。選擇文本和圖像相結合的形式，向學習者介紹本系統的使用方法，一方面可以加快學習者對本系統的認識，另一方面可以讓學習者專注于學習過程而不是系統本身。

學習者參與激勵機制。有效的激勵是保障系統發展和學習者參與的動力。通過內在激勵和外在激勵、精神激勵和物質激勵等，可以促使學習者之間、學習者與學習資源之間的交互活動更加高效。本研究通過對資源進行質量評價，以實現資源優勝劣汰和優質資源的推送。當學習者發現自己的資源受到其他學習者喜愛時，會產生一種成就感，通過這種刺激，可以引發學習者的需要或興趣，進而激發其行為動機。此外，由于本研究基于小范圍學習共同體展開，因此采用實物獎勵機制，為上傳資源較多且質量優秀的學習者提供獎品。

管理者參與機制。在學習過程中，引入管理者的監督、引導、鼓勵，以對學習者進行指導，對圖譜進行批注，對資源進行評價等。此外，管理者采用任務驅動的方式組織共建資源，有助于提高學習動機。

四、系統架構、對象模型與實現

1.系統架構

比較不同的思維導圖創作工具，本文選用 Wisemapping可視化思維解決方案作為知識資源共建共享的導航工具。理由如下：第一，Wisemapping是一款支持多人異步協作的可視化工具；第二，它界面友好操作簡單，基于瀏覽器與服務器模式設計，使用者無需安裝，只需要瀏覽器就可以進行操作，方便快捷；第三，它基于Java 與Mysql技術實現，具有跨平臺等優點；最后，它免費開源的特性非常適合二次開發。Wisemapping系統架構由瀏覽器端、服務器端、數據庫端三部分構成（Paulo Gustavo Veiga，2014），如圖4所示。二次開發是在對該系統的架構進行深入了解的基礎上，集成資源共建模塊，實現思維導圖引導的知識資源共建共享系統的各項功能。

其中，瀏覽器端實現知識資源的可視化設計與呈現。服務器端實現知識資源的共建與共享。數據庫端實現思維導圖與知識資源的存儲。在瀏覽器端，Wisemapping借助JavaScript瀏覽器引擎、思維導圖API實現知識可視化，在此基礎上，開發了資源共建模塊用戶界面，主要實現資源上傳界面、資源列表界面、資源評價界面等。在服務器端，Wisemapping使用MVC控制器進行業務邏輯的運算，在對框架結構進行充分分析的基礎上，主要實現資源添加、評論和推薦等功能。在數據庫端，Wisemapping關系模型中僅具有“用戶”關系與“知識節點”關系，在此基礎上，主要實現“知識資源”關系與“資源評價”關系，并對建立關聯關系的數據表間的數據參照引用做出約束。瀏覽器端與服務器端采用REST協議通過DWR遠程客戶端與DWR服務器進行數據通信，服務器端與數據庫端采用JDBC進行連接。

2.對象模型

對象模型是對數據庫中關系模型的抽象，它規定了對象的方法和屬性等。本系統涉及四個重要對象模型：用戶（User）對象模型、知識節點（Mapnode）對象模型、知識資源（Resources）對象模型、資源評論（Remark）對象模型。用戶模型用于存儲用戶注冊信息，并設置用戶權限等；知識節點模型用于存儲知識節點信息，并記錄知識節點的創建人和最后編輯人等；知識資源模型用于存儲知識資源信息，并記錄知識資源的創建人和所屬節點等；資源評價模型用于存儲資源評價信息，記錄所評價的資源與評價人。每個用戶可以創建多個知識節點，添加多個知識資源與評價，因此用戶模型與其他三個模型是一對多的關系。知識節點與知識資源是一對多的關系，即一個知識節點可以包含多個知識資源。知識資源與資源評價也是一對多的關系，即一個知識資源可以包含多個資源評價。各模型所包含的主要屬性如下：

用戶模型的主要屬性有：合作者標識（Collaborator_id）、用戶名（Username）、密碼（Password）、激活日期（Activation_date）、權限類別（Authentication_type）等。

知識節點模型的主要屬性有：節點標識（Node_id）、知識點名稱（Title）、知識點描述（Description）、相關資源（Related_knowledge）、創建日期（Creation_date）、創建人（Creator_id）、編輯日期（Edit_date）、最后編輯人（Last_editor_id）等。

知識資源模型的主要屬性有：資源標識（Resource_id）、資源名稱（Title）、資源內容（Description）、上傳附件（Appendix）、所屬節點（Node_id）、創建日期（Creation_date）、創建人（Creator_id）、資源分數（Remark_score）等。

資源評價模型的主要屬性有：評價標識（Remark_id）、評價的資源（Resource_id）、評價人（Remark_user_id）、評價內容（Remark_content）、評價分數（Remark_score）、評價時間（Remark_time）等。

3.系統實現

Wisemapping工具為創建圖譜、編輯圖譜、檢索圖譜、共享圖譜提供了技術支持，該工具集成了多功能的圖譜編輯器，不僅具有文本錄入功能，還具有字體設置、格式設置、超鏈接支持等各種輔助功能。圖譜編輯以思維導圖為核心，采用無向箭頭連接概念節點，每一個節點都可以被自由拖動，學習者可以根據自己的認知結構添加、修改、刪除概念結點或者改變概念節點之間的連接，同時還提供了分享、導出圖譜、圖譜修改記錄與還原等功能。

然而Wisemapping工具所提供的功能并不能完全符合動態思維導圖引導的知識資源共建共享系統的設計要求。第一，在為圖譜節點添加超鏈接時，不能有效連接到資源列表，而是由用戶自己定義URL；第二，缺少對資源共建功能的支持。因此筆者對添加超鏈接功能進行修改，使系統可以自動為每一個知識節點添加超鏈接，以實現其向資源的映射。

另外，向Wisemapping工具中加入資源共建功能，選擇 Ckeditor與Ckfinder（java）整合實現富媒體內容編輯并支持文件的上傳和下載，并開發資源列表界面（見圖5），其中資源的查找采用搜索引擎關鍵詞檢索的方式。同時還對上傳的資源提供評價功能，實現資源的優勝劣汰與推薦，界面效果如圖6所示。

五、效果評價

為了檢驗動態思維導圖引導的知識資源共建共享系統的有效性與可行性，本研究以東北師范大學計算機科學與信息技術學院2013 級教育技術學專業15名研究生為實驗對象進行為期3周的實驗。在“知識可視化的研究現狀如何”作為圖譜的根節點的基礎上，經過3周的學習，在教師的指導與監督下，學習者在初始圖譜的基礎上經過84次修改，共創建25個節點，每個學習者都至少創建了一個知識節點。知識圖譜由初始的三個基礎知識點生長為最大深度為四層的知識圖譜。

知識圖譜基本涵蓋了知識可視化領域研究的各個方面，而且還添加了與知識可視化相關概念的節點，對知識資源進行了補充。基于該圖譜，學習者共上傳資源152條（圖7、圖8分別為針對節點7和節點22上傳的資源），平均每人貢獻10條資源。

圖7 節點7資源列表界面

圖8 節點22資源列表界面

針對上傳的學習資源，從后臺數據庫中進行統計，共有評論287條，平均每人發表評論19條。根據評論得分共有推薦資源24條。在圖譜結構和資源輻射面維度，本研究邀請三位教育技術學領域專家，對圖譜結構的合理性和資源輻射面的廣度進行了評價。專家們對最終整合的圖譜和資源進行分析后認為，知識結構與目前可視化研究的現狀基本符合，但在國外的現狀分類上不夠充分，資源的輻射面較廣、時效性較強。因此可以認為：基于集體智慧利用可視化圖譜導航資源建設是合理有效的。

為了驗證動態思維導圖引導的知識資源共建共享系統的感知易用性和感知有用性，分析學習者在平臺中學習的滿意度以及平臺是否給學習者的學習帶來幫助，本文從“系統使用說明”、“系統的操作方式”、“圖譜導航資源建設方式”、“問題解決”、“獲取資源時間”、“提高學習動機”、“資源滿意度”7個方面設置了調查問卷，讓參與實驗的15名學習者填寫，結果回收15份有效問卷，調查結果如圖9所示。

圖9 滿意度調查結果

由圖9可知，對于本系統的使用，在“資源滿意度”和“系統的操作方式”兩個維度上學習者的滿意度得分最高，分別達到了93.3%與86.7%，說明本系統具有很好的感知易用性和感知有用性。在“系統使用說明書”、“圖譜導航資源建設方式”、“問題解決”、“獲取資源時間”四個維度上學習者的滿意度都達到了80%，說明系統使用說明書對于學習者熟悉平臺使用有著很大幫助。另外，本系統的操作方式與圖譜導航資源建設的方式做到了簡單、方便、直觀，對于解決學習者的問題非常有幫助，大大縮短了獲取相關資源的時間。值得注意的是，在“提高學習動機”方面質疑最多，滿意度僅達到66.7%。訪談發現其主要原因是問題的設置并非學習者研究興趣點所在。同時，也有個別學習者對系統的使用提出了意見，例如資源共建模塊的界面友好性不高，學習者協作生成的知識網絡結構比較松散等。但經過教師的干預與指導后，并沒有給學習者造成認識負荷。

六、結論

針對目前學習支持系統在知識資源存儲與表述方面存在的不足，結合知識可視化的研究熱點，以及目前資源建設中存在的一些問題，本研究建構了一種動態思維導圖引導的知識資源共建共享模型。模型由“動態思維導圖共建共享”、“資源向動態思維導圖節點的映射機制”、“資源共建”三大模塊構成，以動態思維導圖的形式作為資源建設的索引并實現資源共享。基于該模型，在對Wisemapping系統作二次開發基礎上，成功開發了資源共建模塊。通過實證分析和問卷調查可以看出，將可視化技術應用到資源的共建共享中，成為一種有效的資源組織方式，可以很好地解決學習資源間關聯性薄弱、分布異構的問題。該系統在發揮群體智慧、調動學習者的主動意識與協作意識、促進學習者對知識的主動建構方面作用顯著，可以幫助學習者更高效、精確地建設和共享知識。總之，動態思維導圖作為資源建設的索引，具有靈活的知識節點表征功能，能夠外化學習者思維，培養學習者的創新思維和想象力。下一步研究將繼續完善Wisemapping系統，一方面探究一種最合適的自主聚合方法實現快捷高效地聚合開放學習資源，并采用相關機制保障其良好、可持續性運行，實現學習者對知識資源主動建構，促進學習者自主學習；另一方面探究以“學習資源為研究視角”的資源組織與呈現方式，通過建立資源與資源、資源與人、人與人之間的關聯關系，根據學習者需求及個性特征提供開放學習資源的適應性呈現，降低認知負載，實現開放學習資源有效利用。

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收稿日期 2016-11-25 責任編輯 何苗