視覺設計思維下科學信息可視化研究

摘要：隨著讀圖時代的到來，可視化面向人群的擴展，科學信息表現出由數據、文本向圖像轉變的趨勢，合理運用視覺設計思維對科學知識進行可視化，能更好地滿足科學信息的大眾傳播需求。文章首先梳理科學可視化的發展歷程，在此基礎上界定科學信息可視化的概念。早期的科學信息可視化主要表現為對科學內容的簡單圖形說明，比如阿基米德在沙子上繪制的幾何圖形、地理學上用等深線法來表示河流的深度和河床狀況、生物醫學中通過人體解剖繪圖展示人體內部構造及運作模式等。在將傳播學與科學可視化研究相結合的理論提出后，科學信息可視化的呈現形式出現了更多的可能性。文章通過歸納法總結了目前科學信息可視化的表現形式，指出科學信息可視化主要集中在科技期刊封面設計上，而在科學信息圖表設計上存在一定的空缺。在此結論的基礎上，通過科技期刊封面的個別案例分析了其中的藝術表現手法及作用，提取出一些基于視覺設計思維與用戶體驗視角的可視化手段，包括簡化信息深度、構建類比圖形符號、引入動態圖形、加入敘事性設計等。文章旨在豐富科學信息圖表設計的表現形式與功能效應，為科學信息可視化提供具有審美價值與情感認同價值的設計方法，促進科學與藝術融合發展。

關鍵詞：科學信息可視化；大眾傳播；審美價值；設計方法

中圖分類號：G202；G206 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2023）11-0-04

圖像作為一種視覺符號，從對自然萬物的真實寫照到通過藝術處理后得到反映某種現象并具有一定意義的圖像，是構成人類認知世界與人類生活本身的基礎。同樣，與人類發展緊密相關的科學發展伴隨著不同類型的圖像語言，大到對宇宙萬物的描繪，小到對微觀粒子的模擬，圖像在科學的傳播與進步中發揮著巨大的作用。隨著科學技術的不斷成熟與跨學科結合的日益緊密，人們開始注重科學信息可視化的美觀性與傳播性。由于科學信息專業性較強，涉及大量晦澀難懂的專業術語，所以目前科學信息的可視化形式較單一，缺乏將其經過藝術設計處理后轉化為視覺語言的系統方法。

本文總結科學信息可視化的發展歷程，提出一些可行的設計方法，以視覺傳達的視角分析科學信息可視化，以期在促進科學傳播的同時，使觀者體會到其中的藝術審美價值。

1 科學信息可視化

1.1 科學信息可視化的發展與概念界定

科學信息可視化作為科學可視化的分支之一，發展歷程源于科學可視化。科學可視化的發展伴隨著科學的發展，早期科學家通過繪制各種說明圖示以便人們理解科學數據。科學可視化最初作為一門獨立學科，是在1987年McCormick（麥考密克）等人向美國國家自然科學基金會提交了“科學計算可視化研究報告”之后，目標為“利用計算機創建視覺圖像，幫助人們理解科學技術概念或結果的一些數字表示”［1］。之后的10年內，科學可視化經歷了一系列基礎的完善。2004年，Eppler（埃普勒）和Burkard（伯卡德）提出知識可視化概念，使人們注意到可視化的傳播效應，作為在科學可視化基礎上發展出的新型研究領域，旨在通過視覺表征實現知識的有效傳播［2］。廣義上的科學可視化作為一種輔助科學工作者的手段，不能對大眾傳播層面產生影響。基于此，將科學可視化與傳播學的背景結合，通過某種跨學科的手段實現其傳播價值與科普價值的研究方向被提出。這兩者的結合，使之后的學者在科學可視化中注意到接收者在信息傳播中的重要性，開始關注如何通過接收者的不同特征與價值取向針對性地傳播一定內容的科學信息。

1.2 科學信息可視化的現狀及問題

與國外相比，我國關于科學信息可視化的研究起步較晚，目前的可視化主要涉及利用計算機技術對科學數據進行可視化，利用三維軟件對醫學、生物學、地理學等學科的模型進行寫實的建模渲染可視化，以及介紹前沿科學成果的科學期刊封面設計可視化這幾類。這些可視化形式往往更注重科學信息的準確性，更適用于專業的科學工作者，在形式與易讀性上有所欠缺，不適用于科學普及與科學教育工作。

目前科學信息可視化缺少與數據、信息或概念等相關內容適配的可視化形式與對應的設計方法及理論體系。我國學者關于科學信息可視化的研究大多集中在科技期刊封面設計上，主要對比分析了國內外頂級期刊封面設計的不同表現形式，并指出了我國期刊封面設計目前存在的問題。王國燕、湯書昆等基于此現象，在傳播學背景下提出科學可視化的5W要素的轉向［3］，指出針對科學信息可視化面向人群的轉變，需要在可視化中介入基于大眾認知的便于閱讀理解的視覺信息。蔡順興分析指出，目前我國信息圖表設計存在范例模塊化、程式化現象嚴重、理性有余、感性不足、缺乏美感等問題，并針對性地提出信息圖表設計的四個維度，研究其如何在科技期刊的信息圖表設計中發揮作用［4］。但目前關于科學信息可視化這兩大表現形式的研究未能有效結合，如何從國際上具有影響力的科技期刊中總結出將原始信息經過加工轉化成便于大眾理解的視覺語言的方法，是目前研究的空白之處。

2 科學信息可視化的主要表現形式

2.1 信息圖表設計

信息圖表設計能夠以直觀的形式簡化復雜抽象的信息，目前按照形式特點主要表現為流程結構圖型、敘事插圖型、時間空間結構型，這幾種類型分別適用于科學數據的再現、專業術語與結構的說明補充等方面。說明示意圖和漫畫插圖是目前科學信息可視化中傳達科學知識的普遍手段之一，以相關主題的圖形插畫等為主要元素，輔以科學概念、文本等，最終以圖文形式呈現，具有較強的可讀性與科普功能。這類可視化將具有代表性的抽象信息轉化為相應的視覺符號，并依據傳統的閱讀習慣梳理排版布局，清晰生動地展示科學信息。

另外，有些在版面編排上進行創新的信息圖表設計，區別于傳統的平面化的信息圖表，通過2.5D的表現手法使不同的信息層級更加突出，也使畫面更有節奏感與空間感，在減輕讀者閱讀負擔的同時具有一定的趣味性與耐讀性。目前，信息可視化與設計的結合日益緊密，信息圖表設計在形式創新上越來越多樣且美觀，但具體到科學信息的圖表設計，仍存在表現形式單一、未能將內容與形式有效結合等問題。

2.2 科技期刊封面設計

科學信息可視化的另一種表現形式為各大科技期刊封面設計，最具代表性的如Cell（《細胞》）、Nature（《自然》）、Science（《科學》）等國際頂級科技期刊，作為國際上知名的科學領域學術期刊，封面的設計具有一定的前沿性與藝術性。科技期刊封面作為前沿科學成果的重要傳播媒介，主要通過藝術處理后的圖片展現研究成果，減少文字性的信息傳達方式，其表現形式多樣，體現了科學與藝術的交相融合。總結這些具有代表性的期刊封面，其視覺表現形式主要為以下幾種。

2.2.1 攝影圖像

在科技期刊封面中運用攝影圖像表達主題信息是較常用的一種方式，其中包括寫實攝影、特殊攝影等。這種表現形式通過科學發現中拍攝圖像與后期再處理圖像等手段為觀者塑造一個更具想象力的場景，并在這個場景上進行更多維的敘述與表達［5］。

2.2.2 建模渲染

基于科學學科的特殊性，其研究領域大到天文現象，小到微觀世界，有很多無法通過現有照片展現的特殊物質。隨著科技的進步，三維建模軟件為這一類科學信息的可視化提供了技術支撐。目前已有很多通過建模渲染等技術手段實現科學信息可視化的案例，其廣泛地應用在科教插圖、科普傳播中，同樣，在科技期刊封面設計中也經常出現這種表現形式。

2.2.3 漫畫

通過生動的漫畫再現科學研究中的科學問題，具有一定的趣味性與可讀性。常見的有單幅漫畫、多幅漫畫等。單幅漫畫多運用視覺隱喻，將科學研究成果中的某物質與某漫畫形象進行類比，通過內容的藝術化轉化塑造出一個對觀者更親切的圖像。多幅漫畫則將科學原理通過多格漫畫故事的構建傳達給讀者，能使讀者對其中的運作流程有更加詳細且深入的了解。

2.2.4 視覺符號與構圖

通過圖形設計將科學信息轉化為藝術化的圖形，畫面遵循構圖、畫面處理、顏色平衡的設計原則，創作步驟通常為主體信息的視覺化生產、背景圖、色彩、圖式整合設計。北京科技大學科學技術與文明研究中心潛偉等研究人員依據科學圖形的抽象程度，將其分類為描述性科學圖形與解釋性科學圖形［6］。描述性科學圖形為表示某種科學現象與研究成果，其主體信息的視覺化主要采用較寫實的圖像表示；解釋性科學圖形需要設計者理解背后的科學原理之后，經過信息的過濾與提取再進行一定的轉化，轉化前的科學原理信息是線性的，具有較強的邏輯性與敘事性，而轉化后的圖像是非線性的，具有更強的直觀性。

目前在科學信息可視化中，科技期刊封面設計采用了大量的藝術設計手法，但科技期刊的受眾人群有限，往往僅限于專業的科研人員及對科學研究有一定興趣的人群，而利用可視化說明示意圖的方法，更便于將專業性較強的科學信息轉化為大眾易理解的碎片化圖像信息。目前藝術設計手段介入該形式的可視化較單一，沒有形成有效的設計方法。

3 科學信息可視化的藝術化處理

3.1 合理把控信息深度

針對科學信息中的某些具體運作原理及繁雜的科學數據，在科普寫作的幾條原則中，提到根據不同的讀者群體對科普內容進行針對性的加工處理。在面向大眾的科學普及上，美國科學促進會提出3M原則——Memorable，Meaningful，Miniature，即可記憶、有意義和微型化。其中微型化指文章不要求過于完整交代每處細節，而是應該注重更重要、有記憶性的內容。在科學信息可視化中亦如此，很多科學概念不易理解，其背后的科學原理更容易因可視化處理時做不好取舍而顯得拉雜。針對某一類科學信息主題，首先要在理解的基礎上提取信息，再將提取出的重要信息通過隱喻或類比的方法轉化為大眾更熟知的某種視覺意象。格式塔心理學家魯道夫·阿恩海姆認為視覺意象能更準確地表達事物的內在關系和特征，簡潔準確的圖式能更直觀有效地呈現文本的信息。

對科學數據而言，傳統的計算機生成可視化在處理數據時主要采用柱狀圖、趨勢圖、散點圖、餅狀圖、分布圖等方式簡化大量的數據信息，這種處理方法雖然能將簡化后的信息表達清楚，但缺乏美感。大眾并不理解且很難適應科學研究中各種復雜數據所表示的含義。通過數據信息的簡化，可以選擇其中具有代表性的極值數據，采用比較、類比手法，將想要傳達給受眾的數據轉化為其認知范圍內的視覺意象。

3.2 構建類比圖形符號

恩格斯認為，“類比就是根據不同領域所遵循的一般規律、原則和方法等客觀條件，用一個領域的研究成果去解釋另一個領域的事物”，是根據兩種對象某些特質方面的相似性，將一種物體指代為另一種物體的方法，在科普工作中經常使用類比、關聯和隱喻來解釋原本難以解釋與理解的術語，在增強理解性的同時能提升內容的趣味性。科學信息可視化正是用一種大眾更易理解的視覺語言作為傳播媒介，在科技期刊封面設計中，經常會用到關聯和隱喻。科技期刊Cell 2017年8月24日的封面設計中，分別用陸地、湖泊、山巒等人類熟知的形象來表示人類大腦中不同的區域，同時用在燒烤的人類、燒烤時飄出的煙與山巒上出現的怪物等來隱喻神經前體細胞運作釋放多效生長因子，進而導致SVZ的高級別神經膠質瘤侵入細胞。通過構建類比圖形符號對主題信息進行視覺隱喻，能夠引起人們對陌生信息的關注興趣，也能降低人們的理解難度。

3.3 媒介轉變

3.3.1 可視化形式創新：靜態→動態

隨著信息時代與互聯網等新媒介的結合，信息傳播的方式變得更多元化，從以往單純依靠紙質媒介轉為更廣泛的電子媒介，人們接收信息的方式也發生了變化。電子媒介具有新、快、多等顯著特點，相比傳統的靜態圖形及信息可視化，動態圖形更適合這種環境。動態圖形常通過對靜態圖形進行周期性或連續性變化來產生一定的視覺效果，在帶給用戶更好的體驗感的同時使內容更具生命力，其在網頁交互等方面有廣泛的應用，以增強用戶的參與性和趣味性。因為科學學科常關注某些現象背后的運作原理，所以在科學信息可視化中加入動態圖形設計，能達到更好地詮釋科學內容的作用，同時使可視化具有一定的視覺節奏，使科學信息在轉化為圖形的同時具有敘事性。

3.3.2 主導視角轉變：作者驅動→讀者驅動

在信息傳達的過程中，用戶終端的接收與處理是最終也是最重要的一個環節。信息接收效率的高低是用戶是否成功接收信息的重要衡量指標，因此應從用戶角度出發，基于用戶認知維度進行信息可視化設計。

聽故事與講故事作為人類生來就具備的接收與傳播信息的能力，更高效的信息可視化應加入一定的敘事行為。信息可視化中的敘事設計旨在運用一定的敘事媒介、結構、手法等，通過圖像、信息圖表等視覺語言將某種主題可視化。引入敘事設計能夠拉近設計者與觀者之間的距離，在提高觀者信息理解記憶程度的同時引起觀者的情感認同。

常見的可視化敘事分類即根據敘事主動權進行分類，作者驅動型由設計師單向輸出可視化主題與預設好的視覺語言，信息傳達過程具有明確的方向性，廣泛應用于一些傳統的信息圖表。這種可視化敘事方式普遍性強，但單線性的交流方式具有一定的局限性，不同的受眾人群可能出現理解上的偏差，最終對信息的接收效率造成一定的影響。讀者驅動模式將閱讀主動權交到讀者手上，通過探索式的敘事方式，在可視化中加入一定的交互，使不同背景的讀者能按照自己的節奏對可視化主題進行不同程度的探索，具有更高的自由度與趣味性，也能在一定程度上提高信息的接收效率。在科學信息可視化中采用讀者驅動模式能提高觀者的參與度，讓大眾更好地接觸科學、了解科學。

4 結語

圖像作為重要的信息傳播載體，不同種類的信息通過不同方式向圖像信息轉變。由于科學信息的學科性較強，所以傳統的科學可視化作為計算機圖形學科的研究領域，多用于科學研究。目前藝術設計介入科學可視化主要表現在科技期刊封面設計中，這種可視化方式產生于科學與藝術的交叉融合，為觀者提供了具有一定審美價值的科學圖像。但目前作為能夠為大眾提供優質科普的科學信息可視化示意圖，仍存在表現形式單一、藝術性較弱、易讀性和趣味性較差等問題。本文從視覺傳達與用戶體驗角度出發為其提出了一些設計方法，旨在探索藝術設計介入科學領域的可能性，并為科學知識的普及提供兼具審美價值與實用價值的可視化方式。

參考文獻：

［1］ 王國燕，湯書昆.前沿科學成果的圖像傳播范式［J］.中國科學技術大學學報，2014，44（9）：754-760.

［2］ 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）：15-18.

［3］ 王國燕，湯書昆.傳播學視角下的科學可視化研究［J］.科普研究，2013，8（6）：20-26.

［4］ 蔡順興.純化、達意、秩序、愉悅：論科技期刊信息圖表設計的觀念維度［J］.中國科技期刊研究，2019，30（4）：336-342.

［5］ 李硯祖，何靖.科學之美的視覺呈現：2017年《Nature》雜志封面設計研究［J］.南京藝術學院學報（美術與設計版），2018（4）：155-159.

［6］ 沈冠東.視覺傳達設計視角下的科技圖像創作研究［J］.包裝工程，2015，36（18）：15-19.

作者簡介：高琳（1999—），女，河南三門峽人，碩士在讀，研究方向：視覺傳達與信息設計。