智慧教育環(huán)境下的知識可視化設計與應用研究

蔣寧 李美鳳

摘 要：“互聯(lián)網+”時代的智慧教育需要教學方式方法的革新，教育信息化對教育改革發(fā)展的支撐引領作用日益凸顯。本研究在知識可視化的含義及特征基礎上，結合智慧教育的時代背景，對四種知識可視化設計手段及工具進行研究和應用實踐，為推動教育信息化發(fā)展，為智慧教育的學習環(huán)境和資源建設，為給學習者提供優(yōu)質的學習支持服務做出些許貢獻。

關鍵詞：智慧教育；知識可視化；知識地圖；語義圖示；詞云；3D技術

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2018）05-0066-06

一、引言

在“智慧教育”的背景下，呼吁創(chuàng)新教育教學方法的吶喊聲不斷涌出，習近平主席在致首屆國際教育信息化大會的賀信中提到：“積極推動信息技術與教育融合”，指明教育要尋求以信息技術為支撐的教育新理念與新模式，而“智慧教育”就是教育信息化的創(chuàng)新路徑，是當前信息時代的教育新形態(tài)，教育形態(tài)的革新也意味著教育方式和學習方式的創(chuàng)新。世界上許多國家已經把智慧教育作為未來教育發(fā)展的重大戰(zhàn)略。怎樣“智慧”教育，怎樣“智慧”學習是教育信息化工作者、教師和學生都要面臨的一個重要問題。

本研究是在智慧教育視角下對知識可視化方法進行研究，查閱國內外教育信息化推進過程中所采用的知識可視化應用范例來分析“知識可視化”在“智慧教育”中起到的重要作用，以期為教育信息化的發(fā)展、創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)、教學方式和學習方法的完善提供新的思路。

二、智慧教育概述

1.什么是智慧教育

在祝智庭的《智慧教育新發(fā)展：從翻轉課堂到智慧課堂及智慧學習空間》中，他對智慧教育的定義是：智慧教育的真諦就是構建技術融合的學習環(huán)境，讓教師能夠施展高效的教學方法，讓學習者能夠獲得適宜的個性化學習服務和美好的發(fā)展體驗，使其由不能變?yōu)榭赡?，由小能變?yōu)榇竽?，從而培養(yǎng)具有良好的價值取向、較強的行動能力、較好的思維品質、較深的創(chuàng)造潛能的人才[1]。在楊現(xiàn)民的《信息時代智慧教育的內涵與特征》中，智慧教育被定義為“依托物聯(lián)網、云計算、無線通信等新一代信息技術所打造的物聯(lián)化、智能化、感知化、泛在化的教育信息生態(tài)系統(tǒng)，是數字教育的高級發(fā)展階段，是當代教育信息化發(fā)展的新境界和教育現(xiàn)代化所追求的重要目標”[2]。無論是哪種定義，人們都可以清晰地看出智慧教育的首要條件就是技術與教育的和諧融合，借此來促進人在信息社會的個性發(fā)展、全面發(fā)展、創(chuàng)新發(fā)展和終身發(fā)展。

2.智慧教育的主要特征

（1）智能化。在“互聯(lián)網+”的大背景下，各種新興技術和工具應運而生，物聯(lián)網、大數據、移動智能終端等現(xiàn)代信息技術實現(xiàn)了智慧教育中智能化的“教”與“學”模式。

（2）泛在化。智慧教育的泛在化特點基于網絡的泛在化，智慧教育的發(fā)展的前提條件是網絡的盡可能的全面覆蓋，泛在的網絡可以實現(xiàn)人與人、人與物、物與物的交流，從而達到“萬物互聯(lián)”的境界。

（3）融合化。智慧教育中，無論是技術與學科的融合還是技術與技術的融合都在加快。比如利用大數據對學生學習成果進行準確評價和教育管理，利用云平臺實現(xiàn)師生、生生交流。融合化的特點等等都讓智慧教育終能形成一個和諧的無縫連接的教育信息化生態(tài)系統(tǒng)，各種功能相依相生，為學生的學習提供有力的穩(wěn)定的保障。

（4）個性化。智慧教育利用多種學習工具、學習資源、學習活動打造豐富多彩的學習環(huán)境，學習過程中產生的大數據為每個學習者分析出自己的特性，快速精確生成適合個人的學習任務并推送針對性的學習資料和資源，為學生的個性化選擇提供了條件。

（5）開放協(xié)同。近年來，隨著MOOC和可汗學院等在線學習課堂的實行，全球的優(yōu)質資源實現(xiàn)了開放共享，突破了教育資源的地域限制，也進一步縮小了地區(qū)間的教育質量差別，促進全球性的“智慧教育”發(fā)展，為全世界學習者的泛在學習提供了便利[2]。

三、知識可視化概述

知識可視化是在科學計算可視化、信息可視化、數據可視化的基礎上發(fā)展的新興研究領域，2004年Martin J.Eppler和Remo A.Burkhard首次對知識可視化進行了定義[3]，國內將這個定義翻譯為：“知識可視化領域研究的是視覺表征在改善兩個或兩個以上的人之間的知識創(chuàng)造與傳遞中的應用，指所有可以用來建構和傳遞復雜見解的圖解手段”。國內北京師范大學的趙國慶博士在2009年基于此基礎上對知識可視化進行表述：“知識可視化是研究如何應用視覺表征改進兩個或兩個以上人之間復雜知識創(chuàng)造與傳遞的學科”[4]。為什么知識可視化會在群體知識的傳播中起著很重要的作用并在教育教學中逐步應用起來呢，趙國慶提出了以雙重編碼理論為知識可視化的理論基礎的觀點。“雙重編碼理論定義了三種類型的加工：①表征性的，語言和非語言表征的直接激活；②調用性的，通過非語言系統(tǒng)激活語言系統(tǒng)或反過來通過語言系統(tǒng)激活非語言系統(tǒng)；③聯(lián)合加工，在語言系統(tǒng)內部或非語言系統(tǒng)內部的表征的激活。一個任務可能需要三種加工中的一種或全部[5]。從雙重編碼理論可以看出，知識可視化將知識以圖解的方式表示出來，為基于語言的理解提供了很好的輔助和補充，大大降低了語言通道的認知負荷，加速了思維的發(fā)生。”

徐州師范大學的王朝云在《知識可視化的理論與應用》一文中，對知識可視化的理論基礎提出了不同意見，認為知識可視化的理論基礎不是雙重編碼理論，而是戴爾經驗之塔，戴爾根據學習經驗的抽象程度將其分為三大類，即做的經驗、觀察的經驗、抽象的經驗，做的經驗最為基礎，是直接經驗。不同抽象程度的經驗促進個人學習的效果是不同的，學習者的大部分知識都是由間接經驗而來，所以利用最少的時間吸收最多的間接經驗內化為自己的具體經驗是有尤為重要的，王朝云認為知識可視化技術正好滿足了這一要求，“知識可視化應用視覺表征手段，把知識以圖解的手段表示出來，將內隱知識外顯化，將外顯知識生動化，有效地達到了抽象知識具體化的目的，是幫助我們實現(xiàn)這一理想的有力工具?！盵6]

趙國慶主要從認知科學角度來解釋知識可視化，表明了人的認知結構在接受知識時的編譯過程，王朝云則更側重從間接經驗的表現(xiàn)和轉換方面來強調知識可視化對于知識傳遞的重大影響。

總的來說，知識可視化的本質就是將隱性知識轉換為顯性知識，將內顯知識外顯化，把復雜知識結構化，將抽象知識具體化、生動化，將其應用在教育教學過程中，讓學生的思維更加活躍，記憶知識也更加牢固。知識可視化是在智慧教育環(huán)境下必需的一種新型學習方式，值得深入研究并加以應用和創(chuàng)新。

四、智慧教育下的知識可視化設計

現(xiàn)有的知識可視化手段和工具可分為三大類，第一大類是圖表文字，包括概念圖、思維圖、思維導圖、思維導圖等等。第二大類是圖形圖像，主要包括圖片圖畫，電子教材和動畫、視頻、微課、幾何畫板。第三大類是情境再現(xiàn)，3D、VR、AR和虛擬實驗平臺等等[7]。本文基于教育信息化的時代背景，智慧教育的特點和要求著重研究四種新型知識可視化工具。

1.知識地圖

知識地圖又叫做認知地圖、概念地圖認知地圖，最早由英國情報學家布魯克斯提出，他表明：“知識地圖是按照知識的邏輯結構找出人們思維相互影響的鏈接點，把鏈接點像地圖一樣標示出來，展示知識的有機結構圖”[8]?，F(xiàn)在很多企業(yè)或者組織中應用知識地圖來搜索導航和培育評估，提高工作運行效率。在智慧教育中，知識地圖可以當作一種知識管理工具，具有導航的功能，用來組織微課，描述各個知識點之間的關系，以可視化的方式呈現(xiàn)知識結構。知識地圖的表現(xiàn)形式多種多樣，比如樹形圖、網狀圖等等，本研究查閱了眾多資料，瀏覽了國內一些著名的學習網站與平臺，發(fā)現(xiàn)有知識地圖或者導航的少之又少，目前，知識地圖的應用還是停留在理論方面。

作為學習網站的先鋒者，美國可汗學院率先構建了數學學科的知識地圖[9]，如圖1所示。

可汗學院的知識地圖是按照從易到難的程度從上往下排列的，左側是加減法的相關知識列表，這個知識地圖可以按比例縮放和上下移動。知識點之間的連線表示了知識點之間的依托和遞進關系，比如說“1-digit addition”一位數加法最簡單，所以處在地圖的最上方，它的下面是“2-digit addition”，兩位數加法，再往下走，在知識地圖中“2 and 3-digit substraction”兩位數和三位數之間的減法與“2-digit addition”兩位數加法難度相當，所以處于并列位置，再接下來便是加減法文字題和借位加減法等等。通過查看地圖學習者可以了解課程的難易，結合自身知識掌握情況選擇優(yōu)先學習什么。

可汗學院的知識地圖是利用谷歌地圖API制作的，所以可以像谷歌地圖一樣縮放和變換位置來上下左右移動。為了方便學習者，制作者除了對谷歌地圖API進行更改以外還加入了外部功能，比如，對學習者最后學習的位置做標記等等，更利于學習者追蹤自己的學習路徑，清晰掌握整個課程框架，也有利于老師對學生的學生進度和情況進行跟蹤。

在知識地圖應用于教學方面，我國的在線教育公司“偉東云教育”于2016年8月份，發(fā)布了知識地圖產品“尋知圖1.0版本”[10]，見圖2。

“尋知圖”一共有三個客戶端，學生端、家長端和教師端。在學生端，“尋知圖”以各個學科知識圖譜為核心，提供知識導航圖和課程目錄，學生在每個知識點上完成看視頻、做練習、拓展學習等學習活動，在進階學習過程中，不允許跳過。在家長端，家長可以通過“尋知圖”查看孩子的學習進度、學習成果和現(xiàn)階段學科能力報告，方便其快速獲取孩子的學習情況，促進家校共育。在教師端，教師可以通過“尋知圖”對班級整體針對某個知識點的掌握情況一目了然，包括習題的完成情況，視頻觀看情況，學習時間統(tǒng)計等等，幫助老師進行學情分析，為教學安排和改進優(yōu)化教學方案提供依據。

知識地圖在智慧教育的要求下作為智能化的知識導航和管理工具可以以可視化的方式清晰地展現(xiàn)各個知識點之間的聯(lián)系，統(tǒng)籌安排學習資源，并具備智能推薦、個性化等多重特征，應該大力推廣和應用。

2.語義圖示工具模型

語義圖示工具模型是通過對帶有語義規(guī)則的圖形、圖像、動畫等可視化元素的操作，進行知識的建模，可視化地建立系統(tǒng)的學習者模型，通過語義的知識動態(tài)模擬直觀清晰地把握概念之間的關系[11]。語義圖示利用帶有語義的圖形圖像將抽象的知識可視化，使學習者快速把握知識點或概念之間的邏輯關系，有助于提高學習者對于知識系統(tǒng)的整體理解力，促進深度學習、有意義學習，提高學習效率。常用的語義圖示制作工具有Insight Maker[12]，它是一款實用的基于瀏覽器的免費的在線工具，用于可視化建模和模擬工具，可以對知識表征進行模擬并建立動態(tài)的聯(lián)系，見圖3。

如圖4[13]所示是針對某一區(qū)域內狼和駝鹿種群之間的相互作用進行建模，并且使用以真實數據為基礎的變化曲線[13]模擬狼和駝鹿數量的變化，便于分析隨著時間變化其種群數量變化之間的關系，見圖5。

語義圖示工具模型借助信息技術手段，促使學習者將碎片化知識整合，建立完整的知識框架，突破知識表征的單一性，促進知識的獲取、交流、轉化以及內化，將知識和思維可視化，促使學習者由“淺層學習”向“深度學習”快速轉變。

3.詞云

詞云也叫文字云，是一種簡單的知識可視化方式，是圖示和文字的結合，這個概念由美國西北大學新聞學副教授里奇·戈登提出，他認為詞云就是對網絡文本中出現(xiàn)頻率較高的“關鍵詞”予以視覺上的突出，形成“關鍵詞云層”或“關鍵詞渲染”，從而過濾掉大量的文本信息，使瀏覽者對文本的主要內容一目了然，見圖6。

在教育教學中，媒體資源的形式多種多樣：音頻、視頻、圖片，但是最不可缺少的還是文字文本。詞云可以將文字知識以圖形化的方式呈現(xiàn)出來，以豐富的圖形或者圖像來解釋以文本為載體的知識內容，尤其是一些無法用動態(tài)圖像等其他形式表示的科學性學術性文章，以不同的顏色標注不同的詞，不同的大小代表文本中詞語出現(xiàn)的頻率高低，單詞出現(xiàn)的頻率越高越能代表其重要程度，讓學習者快速抓住文章主旨。

詞云在英語學習中應用的最多，在杜華和孫艷超的《文字云圖在英語閱讀教學中的應用研究》中指出英語閱讀文本是以線性的序列從字母排成單詞、句子和文章的，所以記憶的時候按照順序來記憶會容易的多，而與語言文本的組織不同，圖像的信息加工不受序列的限制，它可以同時展現(xiàn)整體的信息。大腦對于形象材料的記憶要比記憶純文本好很多。所以使用詞云來將文本進行圖像表征，可以提高學習者的理解和記憶速度[14]。詞云利用詞的顏色、大小、位置等的不同，讓學習者腦海里勾勒出文章的基本結構和主旨大意，也便于對學生思維進行培養(yǎng)，讓他們勤于動腦，自己構建知識框架，同時還激發(fā)了閱讀興趣，提高了學習效率。

網上有許多可以在線生成詞云的圖片的網站和工具，例如，Tagxedo、HTML5 Word Cloud、WordLe、Word Cloud Generator等等。

總體來說，到目前為止，教育領域對詞云的應用范圍很狹窄，但是本文認為，詞云不僅可以在英語學習中發(fā)揮作用，在其他學科例如語文地理政治等，其與文字文本相比也有著巨大的優(yōu)勢，包括詞云還可以進行學習者的歷史數據的統(tǒng)計分析結果顯示，可以對學生的學習情況做出個性化評估，詞云的功能還有待開發(fā)和優(yōu)化，期待它會在智慧教育中發(fā)揮更大的作用。

4.3D技術

在學習環(huán)境發(fā)生巨大變化，學習方式發(fā)生徹底革新，學習資源如此豐富的智慧教育背景下，基于二維的平面圖像已經不能滿足學生對于知識的表現(xiàn)形式的需求，他們需要更震撼精細的視覺感受，讓他們更親密地接觸領悟知識，讓知識不僅僅是“可視”還要“可感”“可觸”“可聽”，這是一種“沉浸式”的知識可視化形式，可以促進學生對知識的創(chuàng)新和遷移[15]。基于三維空間的3D技術及3D數字化教學資源能完整展現(xiàn)三維空間上的概念，將知識內容立體化，讓學習者猶如身臨其境，對于激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，鞏固學生記憶，提高學生效率都大有裨益。

（1）VR與AR

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）和增強現(xiàn)實（Augmented Reality，簡稱AR，又稱混合現(xiàn)實），兩者都是利用電腦技術生成的可交互的三維立體環(huán)境，不同的是VR全都以虛擬環(huán)境來模擬現(xiàn)實，而AR則在現(xiàn)實的基礎上增添了3D建模、模擬世界等額外的東西，簡單來說，VR全都是假的，虛擬的，只是你的感知感受會非常真實，而AR則是現(xiàn)實與虛擬的結合。

目前VR廣泛應用于游戲中，用以打造鮮活逼真的游戲場景和交互模式，而其在教學中也起到了很重要的作用。當前許多高校都在積極研究虛擬現(xiàn)實技術及其應用，并相繼建起了虛擬現(xiàn)實與系統(tǒng)仿真的研究室，如北京航天航空大學在分布式飛行模擬方面的應用，浙江大學在建筑方面進行虛擬規(guī)劃等等。通過逼真的學習環(huán)境，立體的知識內容，體感交互等技術，讓學生進入“沉浸式”學習，親身經歷親身感受去獲得直接經驗，大大提高了學習者對于知識的吸收能力。例如醫(yī)學院的學生能通過VR進入人體內部來全面了解器官的運作并模擬真實醫(yī)療狀況。學習者在利用虛擬現(xiàn)實技術學習時需要佩戴VR眼鏡和手柄[16]，借此進入虛擬環(huán)境并在其中進行實踐操作。如圖7所示。

與VR相比，AR技術更具有普遍性，因為VR的全虛擬性帶來了價格上和配置上的高門檻，而AR技術要求比VR低一些，成本小一些，它可以通過某種裝置來觀看，在智慧教育背景下，無論是智能手機還是平板電腦都能滿足AR技術實現(xiàn)的要求，使內容呈現(xiàn)[17]，如圖8所示。

現(xiàn)在以智能手機、電腦或者平臺電腦為載體的AR研究越來越多，例如AR圖書，傳統(tǒng)繪本結合APP，使得書中的內容以三維立體效果全息投影在眼前，可實現(xiàn)虛擬信息（例如：三維虛擬模型、動畫和視頻等）與真實環(huán)境的“無縫”融合，增強用戶對現(xiàn)實世界的感知能力。

（2）虛擬實驗平臺

虛擬實驗室軟件是指在計算機系統(tǒng)中采用虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)的各種虛擬實驗環(huán)境，是利用技術與學科知識高度融合的一種知識可視化手段和工具。實驗者可以像在真實的環(huán)境中一樣完成各種預定的實驗項目。

以北京樂步教育科技有限公司主持開發(fā)的NOBOOK虛擬實驗室[18]為例，仿真物理實驗室、仿真化學實驗室[19]和仿真生物實驗室是其主要項目，如圖9。

虛擬實驗平臺可以按照實驗教學的要求提供非常逼真的實驗環(huán)境，沒有時間、地點、空間的限制，而且安全可靠，現(xiàn)實生活中存在危險的實驗可以在虛擬實驗平臺上進行操作。

以上虛擬現(xiàn)實和可視化技術的結合就是當前智慧教育中的最新發(fā)展，這種知識可視化形式為學習者提供了立體、直觀的學習內容和教育場景，無論是VR還是AR技術，都是在為學習者打造多維的學習環(huán)境，基于三維立體空間將知識具體化、生動化、可視化，然而這種教學方式和學習方式的發(fā)展受到3D資源的制作難度大、制作人才少、技術設備造價高等問題限制，但相信隨著技術的發(fā)展，這些困難會被一一克服。

五、智慧教育下的知識可視化應用

本研究不僅對基于智慧教育背景下的知識可視化進行了論述，并且進行了應用。以詞云的制作和NOBOOK虛擬實驗平臺的操作為例。

1.詞云的應用

本研究利用Word Cloud Generator進行詞云的在線制作，以英國首相丘吉爾在二戰(zhàn)時期的著名演講《We will fight in the end.》為例，在文本框中輸入演講全文，即生成詞云，見圖10。

出現(xiàn)頻率高的單詞體積越大，不同的單詞被標注成不同的顏色，在圖中，很容易看出“fight”“defend”“power”“surrender”等詞出現(xiàn)的頻率較高，使例文的核心內容形象化，方便學習者更容易抓住長篇幅文章的中心思想，理解文意。同時詞云的應用也鍛煉著學習者的綜合分析和判斷推理能力，根據詞云中詞匯排列的不同位置、大小、顏色準確把握內容。

2.NOBOOK在線虛擬實驗平臺的應用

本研究利用NOBOOK虛擬實驗平臺進行在線化學虛擬實驗，如圖11所示。

頁面右邊是可選的實驗器材，全部都是對真實的化學實驗器材進行仿真模擬，所有元件都可以進行移動、刪除等操作。本研究選取化學“鋁和鹽酸的反應”的實驗器材進行實驗。

按步驟操作后，操作結果出現(xiàn)，試管試劑內不斷有氣泡冒出，并且溫度計顯示溫度升高，如圖12所示。

虛擬實驗平臺以其逼真的立體環(huán)境和器材讓學習者身臨其境，并且解決了現(xiàn)實實驗會存在的安全、成本、資源等問題，帶來了新鮮的學習感受，從空間和時間的自由性上推動了智慧教育背景下的個性化教學發(fā)展。

六、結束語

教育與技術的結合是未來教育教學的趨勢，其產物可以改變教學者的教學模式和方法，優(yōu)化學習者的認知能力，促進學習者的學習能力，智慧教育的目標不再是培養(yǎng)知識型人才，而是創(chuàng)新型人才，而要到達這一目的，教學手段的革新必不可少。智慧教育下的知識可視化教學手段和工具將有效地提高教學的可視化、個性化、和交互性，進而提升學生的綜合素質，隨著社會的進步，科技的發(fā)展，更多富有新意的、多元的、“智慧”的知識可視化方法會被應用于教育教學當中。

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（編輯：王曉明）