基于知識可視化的教育認知工具模型構建研究

趙 煜

（南京郵電大學教育科學與技術學院，江蘇南京 210023）

0 引言

隨著信息技術的發展與教育現代化的推動，多樣化的學習技術工具被應用于教育技術和學習設計等教育領域?！督逃畔⒒臧l展規劃（2011—2020 年）》明確提出要“推進信息技術與教學融合，培養學生信息化環境下的學習能力”的發展任務［1］。近年來，在“互聯網+教育”的背景下，互聯網相關技術與教育不斷深度融合，信息技術在教育中的應用日益頻繁。然而研究表明，目前信息技術與教育的融合價值大多體現于儲存和傳播信息的容器，即在奉行以教師為中心的師生對話結構中，將運行于平板電腦、數字化協作軟件或者在線概念地圖等學習工具上的電子教材等同于紙質教材的數字化，把學習工具作為演示內容的輔助型教具應用于教學。

雖有先進的教育技術用于加固傳統教育模式，但如此龐雜抽象的知識體量被不加以分割地一股腦扔向學生，學習僅僅被視為教師外部知識的輸出對象，工具與人各行其是，學習者在繁重的低級思維活動中苦苦掙扎，難以從隱喻的自然表象中直觀感知事物本質以建構主體認知圖式。未來課堂教學建設應該打破上述局面，即信息技術應用應體現以學習者為中心的建構主義設計理念，知識的外在呈現方式應該附和學習者的內在認知結構。針對上述問題，本文提出基于知識可視化的教育認知工具，利用圖解的手段構建和傳遞知識的方法或技術。

1 相關研究

1.1 知識可視化研究

知識爆炸性增長形成巨大的知識網絡，并不斷呈現出類型多樣化、規模擴大化、更新加速化、信息間關系復雜化的碎片化特點［2］。知識時代的到來使人類逐漸認識到知識在其生存發展環境中的重要性與復雜性，但是知識數量近乎無限性的增長與人類壽命有限性長度之間存在矛盾，學習者與自身對知識的獲取似乎陷入了“魚與熊掌”難以兼得的兩難境地。然而，人可以通過探索學習規律盡量提高認知效率。發現學習理論認為，知識的獲取是學習者主動形成內部認知結構的過程，學習者可以通過對外界事物進行獲得、轉化以及評價3 個過程建立層次性認知結構以實現知識獲取。其間知識的獲取是指在調節過程中以主體“被迫”改變已有結構以適應新的刺激物，亦或是利用同化作用將新刺激物以主體“主動”的方式整合到已有圖式或認知結構中［3］。

受控于認知結構是一個較為抽象的隱性心理學概念，而心理學研究表明大部分學習者屬于視覺接收者，因而認知過程中基于主觀能動性，將復雜抽象知識以視覺化、形象化的方式表征便顯得尤為重要。早期可視化表征是以符號表示信息載體，符號學習理論的代表人物托爾曼（Tol?man）［4］通過動物實驗表明，迷津行為中的動物會根據顏色、聲音、氣味乃至通道轉角位量等“符號”特點建立“認知地圖”，以達到目的；皮亞杰（Piaget）在認知發展階段的論述中也提到表象思維向直觀思維的過渡中“符號化”所起的重要作用，它使兒童種種的感覺運動圖式內化為表象，并且促使兒童學會了語言。由此可見可視化即以顏色、形狀、節點大小、箭頭指示以及下劃線等方式將外界事物通過符號系統轉化為一種認知結構的過程。在對知識可視化與認知結構的關聯研究中，布魯納（Bruner）認為掌握事物的結構就是理解它與其他事物之間的有意義聯系，學習者主動形成認知結構，按意義關系編織組成的有序知識體，散落分散的知識點被有意識地加工成認知組塊，由此學習者對知識的整體把握可促成有意義學習的發生［5］。隨著信息技術的發展，從簡單手繪的線條、圖表和地圖，到如今借助計算機應用的仿真模擬動畫和交互式可視化技術，知識可視化技術也在不斷發展中［6］。Chen 等［7］認為可視化技術發展障礙來自于特定知識的匱乏，因此多用戶之間領域知識的共享就顯得尤為重要?？梢暬碚摰奶岢稣逧p?pler 等［8］提出，知識可視化領域的研究關鍵是視覺表征應用，研究目的是為了促進群體知識的創造和傳播。

由此可見，知識可視化的實質是一種用于群體成員之間進行交互、協商而使顯性知識與隱性知識相互作用和相互轉化的圖解過程，是群體思維和結構認知的聚合。但是，知識可視化在群體知識的解釋、構建和發展中，并未有效解決如何通過可視化方式更好地表征先驗認知以進行群體知識建構的問題，知識可視化對于教師以及學生來說僅被視為一種新型媒介或者知識呈現方式，需要以此為切入進行新的研究。

1.2 教育認知工具的概念界定與發展

認知工具這一概念已在眾多學術領域中應用并具有多種含義，其中針對學習和發展的認知工具理論甚至可以追溯到維果斯基的蘇聯心理學。最早使用該術語的是Ed?ward［9］，其在1972 年成立的認知研究基金會中便將其視為一種“思維策略工具”并展開研究，但并未給出明確的定義。隨后認知工具的概念與認知發展理論、分布式認知以及社會建構主義等相聯系并共同作用于認知能力的發展。因而，眾多學者從不同的視角對認知工具的概念范圍加以界定。綜合各有側重的定義，Derry［10］給出了有關認知工具概念的兩種提法，即“心理裝置”與“計算裝置”。我國在后續研究中也基本沿用，即一種是有形的認知工具，視為技術設備；另一種是無形的認知工具，即智力方法［11］。認知工具的概念起源于認知心理學，由此作為一個抽象而非具體的概念而存在。任何工具如果使用得當都可以成為認知工具，判斷一個工具是否成為認知工具的唯一標準是看這個工具是否能幫助學習者完成認知操作、促進學習者進行思考［12］。

有效的信息化教學應從封閉的主體二元對立關系走向互動對話的交互主體性教學［13］，這種交互主體性教學走向轉變意味著教師主導權利的過渡轉移。早在20 世紀初，Jonassen［14］便提出認知工具作為深入大腦認知圖式層面的人類大腦延伸，與人腦合作完成認知任務可以促進知識主動的同化與順應。相關研究表明以信息技術為代表的認知工具用于教學，可以實現學習主動權轉移至學習者［15］。其中，潘慶玉［16］及黃小蓮等［17］將認知工具視為工具無形層面上以發生認識論為基礎的助推兒童學習想象力發展的認知策略，以促進知識更好的生成和發揮學習者自我建構知識表征的能力；臺灣學者張基成等［18］以虛擬工具作為認知工具的微世界學習環境，融合問題引導與情境學習相結合益智游戲活動促使學習者建構自己的知識體系；Norton等［19］圍繞“為外星人Zerkonian 制定旅游行程計劃”這一課題，通過小組學習方式，綜合運用超媒體工具、數據庫、電子幻燈片、流程圖以及電子視頻系統等多種認知工具組建學習共同體，以幫助學習者建構認知結構。

由此可見，認知工具的作用在于引用可構建多人共享情境的技術工具以促進學習者之間的交互行為，即學習者借助知識技術工具的共享互通技術，通過“知識共享”“觀點沖突”“協商知識”以及“達成共識”等交互行為，實現學習者之間自主構建知識的聯動，構建“學習者群體—技術工具應用—課堂主體”三位一體的課堂技術學習環境。

1.3 可視化認知工具的相關應用研究

隨著信息化教育的發展，現代教學技術智能化發展使技術工具得以參與“認知”［20］，基于知識可視化的認知工具也不例外。與傳統的輔助與支持工具相比，基于知識可視化的教育認知工具作為一種思維技術兼有知識可視化與認知工具兩方面的特性：一是知識可視化融合了布魯納“支架式教學”理念，以圖解的手段構建和傳遞知識，為可視化的視覺表征提供支持工具，借以達到傳統工具參與情況下難以形成的認知同化及調節作用，有助于幫助學習者簡化學習任務并形成清晰的邏輯結構［21］；二是教育認知工具由學習者主體而不是教師或者技術控制，通過對可視化認知工具進行合理設計與外部有形的工具相適應的教學方法論，可激活學習者認知與調節的元認知策略［22］。

當前在可視化認知工具的研究中，一方面，研究者們基于可視化理論對工具中的知識可視化模型進行構建研究，其中Burkhard［23］基于知識管理及信息傳播的角度，將知識可視化過程分為信息發送者、知識可視化工具和信息接收者3 部分，并構建了相互交互式操作的知識可視化模型；Jarke［24］則在對知識生成的不同理解上加入技術/時間參數，突出用戶先驗知識以及認知發展能力在模型中的重要作用；Chen 等［7］立足于信息數據處理的基礎上提出了知識可視化的4 個發展過程，并將多用戶間領域知識的共享加入模型中，構建立了較為完整的基于仿真認知加工的知識可視化模型。另一方面，研究者們嘗試在現代教學環境下進行可視化認知工具的具體應用，其中李婷［25］將認知工具作為高校數學教學整合路徑，提出利用信息技術構建可視化的額數學學習場景，創設教學情境以優化知識呈現方式；李志河等［26］從具身認知理論的角度出發，提出可以將認知工具、技術資源等為主的資源支持環境要素，以構建理想的具身認知學習環境，從而作用于學習者的有意義學習；崔文勝［21］在具體的解剖學及組織胚胎學中提出運用可視化認知工具促進學生構建認知結構和減少認知負荷的可能性，趙國慶［27］將概念圖與思維導圖作為語義組織工具引入課堂，通過兩者適用范圍、基本框架、呈現時機與策略問題以及效果問題等方面進行了應用區分，為概念圖和思維導圖作為可視化認知工具走進課堂打下基礎；張昭理等［6］則在對知識類型進行分類的基礎上結合電子雙板的教學優勢以不同的視覺表征技術作為改善學習者認知結構的工具等等。

綜上所述，大多數知識可視化研究作為一種新型媒介或者知識呈現方式，其沒有很好地解決如何在群體知識中通過可視化技術進行知識建構的問題。可視化認知工具是知識可視化理論與教育認知工具相結合的產物，在教育教學中，可視化認知工具利用其內在的語義網絡工具、動態建模工具以及信息闡釋工具等以實現具象認知的方式將學習者內在知識結構加以可視化呈現，從而起到科學構建認知結構、促進隱形知識的顯性化以及降低學習者的認知符合的效用［21］。但是無論是知識可視化模型構建研究還是可視化認知工具的具體應用探討，研究者們均傾向于對知識可視化技術展開探究應用，即人們熱衷于從簡單的線條手繪圖表到借助計算機模擬仿真動畫的技術應用。然而學習者才是技術應用的關鍵與核心，結合可視化理論研究技術的可視化操作也必須作用于群體人物角色中的認知結構才能真正發揮效力。本文提出從群體環境中知識與學習者認知結構的關聯層面入手，結合認知工具的優勢，構建與學習者認知關聯的可視化認知工具模型，并提出基于該模型實施的可視化認知工具實施機制。

2 可視化認知工具的模型構建

基于知識可視化的認知工具是一種以學習者自主知識建構為基礎的思維表征技術，本文以Jarke［24］提出的知識可視化基本模型為基礎，將其模型中的“用戶環境—數據環境—可視化環境”三要素基本框架進一步具化為“人物角色建?！R特征處理—可視化展示”3 個數據關系模型（見圖1）。

Fig.1 Visual cognitive tool model圖1 可視化認知工具模型

2.1 人物角色建模

知識可視化的實質是群體成員間的交互、協商而產生的群體思維與結構認知的聚合，認知存在于“個體+群體”的交流、共享各要素中，由此需要針對這種模型交互中基本的人物關系單元進行界定，本文從知識生成與關聯認知兩方面對人物角色進行建模研究。

2.1.1 知識生成中的角色

知識建構主義認為設定的角色無法促使學習者進行自我管理及自主認知，并提出學習者在群體環境中的自我角色設定。由此應用于知識建構的SNA 通過分析網絡交互密度、中心度、平均距離等參數將群體中的角色分為核心參與者與邊緣參與者兩類人物角色，并將角色以圖式的方式進行可視化建構以分析人物并建構認知的相互影響［28］。本文基于上述網絡參數分析的基礎上進一步將角色具化為領導者及從屬者兩類，并依據中間中心度參數將群體中的人物角色進行劃分，即在核心與邊緣參與者中引入在結構洞中起到橋梁溝通作用的人，并將其定義為中間人［29］。但是在知識生成中的角色并不適合全部學習群體，對于任務水平復雜、自身水平較低且處于低密度交互的學習群體組織，教師也應提供切實的腳手架支持，即以固定小組界限的方式在任務分工過程中對上述三者角色進行人為劃分。

2.1.2 認知關聯中的角色

認知學習是一個動態過程，在這個過程中經驗知識中孤立的元素通過網絡節點動態連續地聯結在一起，以此發展新的認知。由此用戶的當前認知不僅與任務難易度或者交互度有關，同時也與學習者以往的先驗知識水平及學習認知風格有關。Yang 等［30］在利用知識圖譜展示MOOC課程關系時，便把先驗知識作為重要的考慮因素之一。本文通過對學習者信息深入采集的基礎上進行人物角色劃分，即從學習風格及認知水平兩個方面對學習者人物角色特征進行進一步的提取，提取過程為將人物過去的認知信息作為已知信息，結合當前學習者認知狀態通過測量系統量表對學習風格中的學習者活動序列以及媒體類型。將認知關聯中的角色劃分為高中低三關聯角色，并經過一段時間的學習，從知識等級、難度及相關聯結程度挖掘學習者對相關知識的掌握，以進行實時更新和預測人物角色模型。

2.2 特征提取與處理

在對人物角色建模后，模型需要對知識進行分類型處理以作為后續不同可視化展示的依據。本文從知識特征的關聯與類型特征兩個方面進行展開論述，其中關聯特征涉及同質及異質類知識，其分別對應皮亞杰發生認識論中的“同化”及“順應”過程，同質知識代表認知結構量上的橫向擴大，異質知識代表認知結構質上的縱向延展。知識類型特征則依據領域特定知識的角度將知識分為陳述、程序以及策略性知識，其中陳述性知識為對事實、定義以及原理的描述；程序性知識是對如何完成活動任務的認知；策略性知識則是對上述知識進行組織、加工以及再認知的過程。由此針對上述知識關聯與類型特征進行兩方面的編碼，并依據自適應處理模塊從知識類型及知識關聯度方面對知識進行再處理，處理過程為通過后臺人員及根據學習者特征提取的信息對知識等級、難度及相關聯結程度進行符合學習者需要的個性化推薦。

2.3 知識可視化展示

聯通主義理論認為學習即連接的建立和網絡形成的過程，學習不僅是獲得知識，更重要的是主動選擇聯通并創建個人學習網絡，而網絡的形成與建立必然依賴認知結構的建構，由此針對學習者認知結構建構進行可視化展示便必不可少?；谥R可視化的展示吸引了眾多研究者注意，其中張昭理等［6］提出根據知識不同類型，即知識分類方式，運用不同的可視化技術，如運用概念圖、知識建模以及交互可視化技術分別對概念性知識、過程性知識以及應用性知識進行可視化展示；趙國慶等［31］也對思維可視化工具應用教學的指導原則作出了詳細分析，并列舉了八大思維圖示法、思維導圖以及概念地圖等三大可視化工具核心差異和應用著力點等，為教學應用的具體實施提供了理論指導。但是上述研究僅基于知識自身類型，其并沒有在此基礎上審視學習者，即人的因素對可視化方式的影響。分布式認知理論觀點認知同樣存在于“個體+群體”的交流、共享以及人工制品的要素中，因此本文在上述知識特征以及分類的基礎上，加入學習者在線行為數據分析過程，即以機器操作中的底層交互、日志數據以及后續傳感數據儀器等進一步挖掘學習者行為序列過程，以進一步補充知識可視化方式。

3 實現機制

可視化認知工具作為信息技術與課程整合的一種新型方式，其作用在于從信息加工方面對思維過程加以模仿以減少認知負荷，并幫助學習者進行信息處理從而構建自己的認知格局。目前，隨著信息技術的發展，對認知工具的研究已從初始概念探索階段發展到基于認知工具的實證個案應用研究階段。由于認知工具是起源于認知心理學的抽象概念，本文基于Jonassen 對認知工具的功能分類，搭建認知工具平臺并對課程學習進行整合設計，并對在此工具學習中群體控制交互行為進行分析研究，以探求該過程中學習者認知發展狀況。

3.1 建構主義學習環境

認知工具強調借助外部設備與工具進行知識構建以形成認知，但是工具與設備的發揮與實施卻并非唾手可得，認知工具依托建構主義與分布式認知理論為基礎，其中建構主義學習理論尤其強調建構主義學習環境（CLEs）的重要性。由此，本文結合Perkins 的信息庫、符號簿、建構工具箱、任務情境和管理者五要素學習環境對認知工具實施的建構主義學習環境進行教學設計［32］?；诮嬛髁x學習環境模型，認知工具整合了普通多媒體教學的優點，具備強大的交互功能，另外它還可以基于信息化網絡、可視化信息工具及語義圖示工具等幫助學習者構建語義信息網，以有助于學習者對問題的深層表征，并且這對于降低技術應用帶來的認知負荷意義重大［33］。但是上述建構主義學習環境更多傾向于環境要素的構建，對統一的工具平臺為課堂中學習者的認知發展提供何種“認知技術”支持尚且沒有具體論述。本文以交互式共享白板為基礎，綜合Jonassen 的認知工具分類與課程應用需要，從功能分類的角度對外部資源庫、資源獲取工具、信息闡釋工具、語義組織工具、協作交流工具、知識建構工具以及自我測評與反饋工具的認知工具進行設計（見圖2）。

Fig.2 Tool platform design based on cognitive tool application圖2 基于認知工具應用的工具平臺設計

3.2 教學模式設計

為了更好促進學習者自主掌握相關知識的能力并提高其交互行為的發生，課程學習任務采用課前聚合離散知識、課中知識結構化重組及課后知識分享深化的方式開展小組合作學習。交互式共享白板的核心價值在于構建促進學習者交互行為的知識共享平臺，結合本文研究目的，從技術應用層面而言，該平臺主要包括資源獲取、信息闡釋、語義組織、協作交流、知識建構以及自我測評與反饋的認知工具平臺應用。本文從微觀層面綜合Harasim 六階段合作學習模型以及陳文莉教授的“三益模型”為指導原則，對學習者在課程討論環節中的合作過程模型進行設計（見圖3），以探究學習者認知發展過程。

Fig.3 Cooperative process model圖3 合作過程模型

4 結語

針對當前信息技術在與教育融合中存在表層化現象，以及在信息技術應用中普遍奉行以教師為中心的傳統師生對話結構問題，本文結合可視化認知工具在對學習者思維加工過程與自主認知發展方面的優勢，構建了群體控制學習中促進學習者信息處理和知識建構的建構主義學習環境及教學模式，從而為后續群體認知行為與基于該模式的教學實踐分析研究奠定基礎。

同時，本文也存在如下局限：首先本文中的教學活動適用于線上完成，因此線下數據的收集存在一定程度缺失，同時要求給予較強程度的支架式教學和學習者擁有較強的自控學習能力；其次本文沒有對大樣本進行大范圍研究，由此選取樣本進行數據收集和分析具有很強的個案特征，影響普適規律的得出。后續研究將針對認知工具組與非認知工具組、高效組與低效組等進行對比實驗研究，以更加清晰地得出認知工具應用于課堂教學對學習者認知發展的影響，并進一步擴大樣本容量以提高效度從而開展綜合研究。