權(quán)國龍　馮園園　馮仰存　顧小清

（華東師范大學　教育信息技術(shù)學系，上海200062）

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面向知識的可視化技術(shù)分析與觀察*

權(quán)國龍馮園園馮仰存顧小清

（華東師范大學教育信息技術(shù)學系，上海200062）

[摘要]可視化技術(shù)以其直觀、易接入的特性，得以在虛擬和數(shù)字世界的應(yīng)用研究中逐漸興盛。在技術(shù)介入的教與學的研究中，面向知識的可視化技術(shù)值得進一步觀察，包括對可視化的視角、方法、工具及其應(yīng)用的整理、分析，以便能夠深化其設(shè)計與應(yīng)用。目前對其研究主要有傳播、視覺文化和信息論三個視角，可視化方法主要有：用圖形圖像還原知識本源、用概念和命題反映關(guān)系、用統(tǒng)計分析揭示規(guī)律和用仿真模擬反映事物本質(zhì)與過程四種，表現(xiàn)出側(cè)重表達呈現(xiàn)、分析呈現(xiàn)和模擬呈現(xiàn)的功能特點，可視化元素周期表、CmapTool和Insightmaker三種工具是這三種功能特點的典型代表。圖形圖像形態(tài)、概念合語義網(wǎng)絡(luò)形式和可視模擬方式是三大可視化設(shè)計與應(yīng)用系列。可視化技術(shù)的功能形態(tài)，大體上有“擬象”和“解析”兩種。認知取向的可視化知識設(shè)計與實際應(yīng)用，是一個重要的選擇，可以從作為認知結(jié)果的知識、作為知識源泉的情境和作為認知生成的動態(tài)交互三個方面加強。

[關(guān)鍵詞]知識可視化;可視化方法;可視化工具;可視化技術(shù)發(fā)展

可視化技術(shù)是幫助人完成心理模型或心理圖像的技術(shù)。在數(shù)字環(huán)境下，它表現(xiàn)為借助計算機的幫助所完成的模型或圖像，它與人的心理模型、心理圖像是一致的。信息可視化專家Robert Spence認為，可視化是“對某事物建立心理模型或心理圖像”[1]。這即是說，可視化是人的心理活動，具體地，就是心理認知活動?？梢暬夹g(shù)，就是幫助、輔助人將認知活動展開或表達的技術(shù)?？梢暬夹g(shù)的對象，即是認知對象，是一切被認知物?？梢暬且粋€將被認知物視覺化的過程，在數(shù)字世界里，是一個被信息化（主要依賴視覺媒介）的過程，可視化的結(jié)果是意向結(jié)果（意義）的視覺表達。由此可見，可視化技術(shù)在學習境脈中頗具潛力。

一、學習視域的可視化技術(shù)

可視化技術(shù)可以支持學習與認知，這早已受到專家的重視。信息可視化專家Colin Ware在對視覺思維的研究中發(fā)現(xiàn)，可視方式可以加速信息的輸入與理解，并具有檢索功能[2]。著名學者David H. Jonassen以可視化工具為手段，輔助學習者為知識、問題、系統(tǒng)建模，幫助其進行認知模擬[3]。還有Eppler的可視化元素周期表、Burkhard的可視化邏輯框架和David Hyerler博士的思維地圖等，這些研究都可以作為可視化學習技術(shù)的代表。

（一）可視化技術(shù)可增強認知與知識學習

從整體看來，可視化學習技術(shù)的重要性在于，它能強化認知和知識學習的過程。這不僅有理論方面的研究與支持，更有實踐中的諸多例證。

在理論上，從圖式理論和可視化含義來看，可視方式與學習者的內(nèi)部構(gòu)建甚為吻合?；谛闹悄Ｐ偷臉?gòu)建，可視化工具在某種意義上可以增強學習效果。作為利用動靜態(tài)圖形圖像呈現(xiàn)與表達、通過視覺知覺功能進行認知與理解的方式，圖示方式結(jié)合了視覺認知與語詞語義兩個方面，能更大限度地連接人腦認知模式，激活人腦活力[4][5]。概括地講，不僅是在知識的獲得與利用過程中，在全部的學習活動中，可視技術(shù)有著諸多的優(yōu)勢：（1）可以清楚呈現(xiàn)知識相關(guān)信息與數(shù)據(jù)；（2）可以積極調(diào)動人的視覺經(jīng)驗；（3）可以通過隱喻，促進知識遷移；（4）可以加強學習中的交流；（5）可以快速識別簡單模式；（6）可以有助于對命題的計算；（7）有助于分析、組織、解構(gòu)與建構(gòu)；（8）可以在復(fù)雜認知中，減少認知壓力，尤其是在高階學習、復(fù)雜任務(wù)的處理中。有研究認為：可視化的力量來自它能將復(fù)雜概念結(jié)構(gòu)以視覺方式在外部呈現(xiàn)，從而影響人的認知系統(tǒng)并延伸工作記憶的限制[6]。

在實際應(yīng)用中，可視化技術(shù)已有廣泛使用。如，使用概念圖、思維導圖等可視化軟件，再如，Mind-Manager、Inspiration、XMind，呈現(xiàn)概念性知識；使用認知地圖相關(guān)數(shù)字工具，像谷歌地圖、百度地圖等，呈現(xiàn)空間對象或地理位置信息與知識；使用知識圖譜，如谷歌的知識圖譜（Knowledge Graph），查找相關(guān)信息與知識；使用數(shù)據(jù)處理軟件，如，Excel，之可視化功能呈現(xiàn)數(shù)據(jù)特征；使用統(tǒng)計分析軟件，如，SPSS、Matlab等，之可視化功能呈現(xiàn)分析結(jié)果；使用Power-Point專用呈現(xiàn)軟件，可視地呈現(xiàn)、表達內(nèi)容等等。

（二）可視化技術(shù)促進知識的利用與生成

一方面，知識是學習者最終需要掌握、利用并探尋的資源或財富。知識是學習活動的重要目標，也是學習過程的重要資源。作為任意活動重要資源的知識在為學習行為所接觸的時候，既起指導作用，也是被學習者操作的客體對象。學習中學習者需要學會：理解并掌握現(xiàn)有知識；通過科學的實驗或思維，鑒別、批判知識；從數(shù)據(jù)與信息中發(fā)現(xiàn)、提煉新知識；利用科學方法與工具創(chuàng)造知識，如此等等。學習起始的重要步驟就是對信息與知識的閱讀與掌握，那么對知識適宜的表征，可以有力地支持這一過程。如果能很好地完成知識表征，就意味著同樣可以用可視化技術(shù)支持與認知相關(guān)的需要。因為，知識本身蘊含了認知的結(jié)構(gòu)性和關(guān)系性等特點。

另一方面，知識的不確定性要求高水平的知識學習和認知能力。知識是一個相對明確的概念，也是一個很不確定的概念。這其中有一些主要原因：（1）知識源于不同的領(lǐng)域，領(lǐng)域間知識亦有不相容之處。筆者也曾在哲學課堂中聽聞授課老師列舉了眾多前人所總結(jié)的存在對立或矛盾的知識；（2）作為集合性稱謂，不同的知識有著不同的特性，如，藝術(shù)領(lǐng)域的知識和工程領(lǐng)域的知識是截然不同的；（3）知識的產(chǎn)生依賴于其過程、方法，包括主體的特點。知識出自意識主體，受意識主體自身的影響，主觀性知識帶有很不穩(wěn)定的成分；（4）知識與信息、事實、概念、思維等有高度關(guān)聯(lián)或互有交疊，其內(nèi)涵與外延并不總是清晰的?！缎畔⒑喪贰分幸苍劦?，區(qū)分信息與知識體現(xiàn)了信息時代人們的某種焦慮，而且提及：“一大堆數(shù)據(jù)往往并不能告訴我們所需要的知識。反過來，知識也無法確保帶來啟示或智慧”[7]；（5）用來表達知識的語言本身帶有模糊性[8]。而且，在主觀、客觀、建構(gòu)、后現(xiàn)代等不同主義與思想中，對知識本身帶有的不確定性都有反映。

可視化技術(shù)的設(shè)計與應(yīng)用有望成為應(yīng)對知識不確定性的重要技術(shù)。這除了來自大腦認知神經(jīng)科學、視覺思維方面的研究外，最新的TED思想也為此提供了重要的佐證信息[9]。其中有研究者由外而內(nèi)地對人的認知過程分析后，總結(jié)了人腦產(chǎn)生意義（其實這也是經(jīng)過認知生成知識的過程）有三個基本步驟。而這三個步驟是以視覺（visaul）和圖像（images）為基礎(chǔ)的。在面向?qū)W習的可視化技術(shù)設(shè)計與應(yīng)用的研究中，這樣理解知識可能更加地妥當：個體的知道，多樣的識得。典型的例子是，在學習者對材料的學習中，對給定的文本、表征和符號有不同的、多層面的解釋可能性。所以，對可視化方式或工具促進知識利用與生成的相應(yīng)功能（實質(zhì)上體現(xiàn)在認識方面）值得格外關(guān)注。

而知識可視化作為一個領(lǐng)域，其實際價值已得到肯定。在Burkhard看來，知識領(lǐng)域的可視化聚焦于識別和視覺呈現(xiàn)多學科背景下的科學前沿動態(tài)，并可以新方式接入將連接、關(guān)系和科學領(lǐng)域（知識）結(jié)構(gòu)可視化了的知識資源。Tergan、Keller和Burkard認為知識可視化是一個研究領(lǐng)域，研究以視覺形式表征知識的力量，它旨在生成、呈現(xiàn)、組織、檢索、分享和使用知識方面支持認知過程[10]。Robert Meyer眼中的知識可視化，是一個相對新的領(lǐng)域，它研究在有或沒有計算機輔助下通過可視化對知識的創(chuàng)建與傳遞，它應(yīng)該是眾多不同學科間的調(diào)解器[11]。

基本上，知識可視化有這樣幾個要點：一是它針對知識與信息；二是它相關(guān)于知識的生成、呈現(xiàn)、組織、檢索、分享以及使用過程（創(chuàng)造與傳遞）；三是它是一種視覺表征；四是它應(yīng)用于兩個及其以上主體的知識工作中。所以，知識可視化是對知識和信息進行視覺表征，其功能是呈現(xiàn)與分析，其目的是知識利用、創(chuàng)造與傳遞（呈現(xiàn)、結(jié)構(gòu)化檢索），作用是助益于理解對象（情境、問題、事物、知識等）的維度，構(gòu)建信息意義（產(chǎn)生知識），支持認知過程。

二、可視化知識的視角、方法、工具與應(yīng)用

可視化知識是支持學習者深入學習的重要著力部分，已有專家及其團隊投入精力對其開展過研究。有效的知識可視化，可以加速學習者對知識的理解、消化，卓越的知識表征能夠激發(fā)學習者對知識的實際掌握，提高其實際應(yīng)用的可能。有力的知識可視化方法，可以幫助學習者在學習中提高認知效果，提升思維水平。已有研究有著不同的目的、特點和價值，涉及不同視角和基本觀點，如，傳播取向的、視覺文化視角的和信息論視角的；代表性的表征方法和表征工具主要有三類：側(cè)重呈現(xiàn)的、側(cè)重分析的、側(cè)重模擬的。

（一）可視化知識多面觀

從知識表征相關(guān)研究來看，存在著多種研究視角和研究取向。全面認識知識表征研究的不同視角與取向，有利于更加全面而準確地理解知識可視化、知識表征與學習、知識表征與創(chuàng)新等研究工作。

1.傳播取向的知識表征

傳播取向的知識表征，最典型的要屬Burkhard的研究。Eppler和Burkhard認為，知識可視化領(lǐng)域研究的是視覺表征在改善兩個或兩個以上人之間知識創(chuàng)造和傳遞中的應(yīng)用。在此傳播取向之下形成的知識表征框架，較重視主體（傳播者與受眾）和傳播的目的，強調(diào)通過承載內(nèi)容的表征形式實現(xiàn)人與人之間的內(nèi)容傳遞（這其中包括了認知上的理解、活動中的交流與價值上的應(yīng)用與創(chuàng)新）。Burkhard認為，可視化成功需要被定制到接受者的認知背景，使得接受者可以像發(fā)送者意圖的那樣重構(gòu)自己的知識[12]。通過可視化成功地傳遞并創(chuàng)建知識，需要考慮四個方面。這四個方面基于下面的四個問題：為什么要可視化知識（目的），什么類型的知識需要被可視化（內(nèi)容），要解釋給什么人或群體（受眾），可視化特定知識的最佳方法是什么（媒介）。由此，其知識可視化框架包括四個部分：關(guān)注功能類型、知識類型、接受者類型和可視化形式[13]。

Burkhard在提出表征框架后，又提出了知識可視化模型[14]。此模型較清楚地表現(xiàn)了知識表征的傳播特點。傳播取向的知識可視化框架與模型中，涉及對知識表征更多要素的研究，包括表征的對象、表征的形式與方法。Martin J. Eppler更是進一步研究了用以可視化表達的眾多方法，形成了可視化元素周期表。此框架為同類研究所部分或全部采用。如，趙國慶等人的研究[15]，認為知識可視化領(lǐng)域的知識表征則是指知識的外在表現(xiàn)形式，與此相對應(yīng)的是承載知識的圖解手段，也是直接作用于人的感官的刺激材料；并認為知識可視化的研究框架，當包含三個問題：可視化的知識類型、可視化知識的原因和如何可視化知識。他認為，以圖解的形式將知識表現(xiàn)出來，形成能夠直接作用于人的感官的知識外在表現(xiàn)形式（物理知識制品），從而促進知識的傳播和創(chuàng)新。換言之，知識表征能夠更好地幫助學習者理解抽象的語言，加速其思維的發(fā)生，從而促進知識的傳播與創(chuàng)新。

2.視覺文化視角的知識表征

視覺文化視角的知識可視化（表征）研究，以張舒予的研究為代表。視覺文化被定義為以視覺元素為主導的文化現(xiàn)象和文化實踐[16]。在對以視覺元素為主導的文化現(xiàn)象進行思考，將之與教育技術(shù)創(chuàng)新比較研究時發(fā)現(xiàn)[17]：作為教育技術(shù)的研究對象的學習過程和學習資源，尤其是學習資源，在其開發(fā)與建設(shè)中，視覺元素在理論上有著重要的地位。這也決定了，以視覺符號為基礎(chǔ)的視覺文化在其中可以發(fā)揮重要價值。這體現(xiàn)在視覺文化的多種外化（領(lǐng)域）形態(tài)中，其中之一就是知識可視化。

視覺文化符號本質(zhì)上是它事物的代表物，其指代關(guān)系也是多樣的（因符號的不同和代表物的不同，兩者間的相似性和形式也是不同的）。這與知識可視化中“表征”用符號的基本作用是一致的?！耙曈X符號與文本符號相比，有著不同的結(jié)構(gòu)方式，因而具有相惜的功能機制”。與一般符號一樣，視覺符號也是由形式能指和意義所指兩部分構(gòu)成。視覺符號在結(jié)構(gòu)上，能指與所指間存在相似度與直觀性；視覺符號在功能機制上，不僅能指示外顯的對象，而且其所指可容納有層次的意義空間[18]。

視覺文化視角的知識可視化——雖然沒有明確提出——是以視覺符號的結(jié)構(gòu)方式與功能機制為基礎(chǔ)。視覺符號中涉及了實物、抽象物、符號結(jié)構(gòu)和意義所指，這與知識表征中所及的基本要素幾近相似。曾被用來表征資源建設(shè)的視覺文化視角中，涉及文本與圖像兩種符號形態(tài)，并在結(jié)構(gòu)化與視圖化兩個方面實現(xiàn)資源的組織與表達。這里的資源在內(nèi)涵上就是知識。圖像視覺文化表達結(jié)果（文化制品）所用到的表達手法，很適合用來實現(xiàn)知識的表征。知識是對某種意義的組織與表達，表征中會用到文本或圖像，表征的重點就在于內(nèi)容結(jié)構(gòu)和語義關(guān)系，表征整體上呈現(xiàn)出形態(tài)各異的視圖。寬泛地講，視覺文化制品，也是對特定知識的一種可視化表達。

3.基于信息論的知識表征

基于信息論的知識可視化視覺表征被提出，主要有兩方面的原因：一是之前的知識可視化研究被認為存在“缺少觀看者和制作者等因素”、“未剖析因素間深層次關(guān)系”和“對表征之社會意義考慮的缺失”等缺陷；二是受視覺文化符號研究的影響和啟發(fā)，信息論被認為可以提供新視角以把握知識視覺表征，以期促進知識可視化表征[19]。從對信息的認識過程出發(fā)，“先形式、后內(nèi)容、再效用”用以反映認識主體的“觀察、理解和目的”特性，并且作為知識表征的分析與設(shè)計的要素與層次，由此，信息論視角的知識可視化視覺表征框架形成。其中包括表征形式分析、表征內(nèi)容建構(gòu)、觀察者解讀和制作者設(shè)計四個有序的部分。

（二）知識可視化方法及其功能特點

知識表征方法，是指把知識語義轉(zhuǎn)換為可視化內(nèi)容時所用的原理。整體上看，知識表征的方法大體有四種：一是用圖形圖像還原知識本源；二是用概念、命題反映關(guān)系；三是用統(tǒng)計分析揭示規(guī)律；四是用仿真模擬反映事物本質(zhì)與過程。這些方法基本上用到兩種表征媒介，一是圖形、圖像（內(nèi)應(yīng)為心理表象），二是概念命題。

從表征的功能形態(tài)看，知識表征方法有三種特點：一是突出呈現(xiàn)與表達的設(shè)計與開發(fā)；二是突出呈現(xiàn)與分析的設(shè)計與開發(fā)；三是側(cè)重呈現(xiàn)與模擬的設(shè)計與開發(fā)。在具體的方法工具中，這三種方法并沒有清晰的界線，如，基本的呈現(xiàn)，在不同的工具中，都是被照顧到的。尤其是呈現(xiàn)與分析，也往往是一體的。三種特點的觀察，是為了辨識工具隱含的功能特性，以便能在進一步的設(shè)計與應(yīng)用中更加適當。下面按三個功能特點論述四種表征方法。

1.突出表達呈現(xiàn)的功能

可視化地表達與呈現(xiàn)的功能，主要表現(xiàn)在通過圖形圖像的呈現(xiàn)（如認知地圖）、概念圖、語義類聚等方法上。此功能強調(diào)清楚地表達、呈現(xiàn)意義。

（1）認知地圖法，重在對空間對象的呈現(xiàn)。認知地圖是基于經(jīng)驗產(chǎn)生于頭腦中的，它來源于對環(huán)境對象的感知和體驗，某些類似于現(xiàn)場地圖模型。它是一種對環(huán)境的綜合表象，既包括事件的簡單順序，也包括方向、距離，甚至時間關(guān)系的信息。認知地圖有五個組成要素：路徑、邊界、區(qū)域、節(jié)點、標志[20]。而這只是模擬觀點的認知地圖，觀點是：認知地圖是真實環(huán)境中的復(fù)制品。還有命題觀點的認知地圖，觀點強調(diào)通過信息標記以貯存，即客觀環(huán)境被再現(xiàn)為很多互相聯(lián)系的概念，每一種概念都會引起很多細節(jié)的聯(lián)想，人們借助于這種命題網(wǎng)絡(luò)尋找相關(guān)記憶或夾雜聯(lián)想，結(jié)果可由草圖體現(xiàn)出來。在研究中它也被稱為“因果圖”。它將想法（大多是句子或段落）作為節(jié)點，并將其相互連接起來，但連線上沒有連接詞[21]。

這里主要將認知地圖作為利用圖形圖像呈現(xiàn)知識本源的代表，對時空對象的呈現(xiàn)。因為知識涉及時空之內(nèi)的任何存在事物。而認知地圖的命題觀點與概念圖方式很類似，不同之處在于其基本元素（概念與句子）和連接詞。

（2）概念圖法，重在對概念關(guān)系的呈現(xiàn)。概念圖已廣為人知，它通過表示概念與概念之間關(guān)系的圖示來組織和結(jié)構(gòu)化知識，從而幫助學習者學習。概念圖的重要認知特征就是簡化認知本源并標記認知對象（語義項）。諾瓦克將“概念、命題、層級結(jié)構(gòu)和交叉連接”作為概念圖的核心要素[22]。后期，概念圖中可以用概念以外的其它元素來表達知識，如，圖像化和動態(tài)化的多媒體素材、文檔材料、網(wǎng)頁等。這使得連接信息與知識的表征系統(tǒng)得以產(chǎn)生，進一步強化了呈現(xiàn)概念關(guān)系的功能。像基于網(wǎng)絡(luò)的（web-based）知識管理系統(tǒng)Webster，它可視化地表征知識，清晰地顯性化隱性知識，簡化表達和引導多層次的抽象知識，能夠?qū)㈩I(lǐng)域的核心知識、基礎(chǔ)知識通過視覺、聽覺整合的方式進行外化，以支持深入理解和學習領(lǐng)域知識[23]。

（3）知識圖譜，重在對類聚語義的呈現(xiàn)。知識圖譜是顯示科學知識的發(fā)展進程與結(jié)構(gòu)關(guān)系的一種圖形[24]。作為典型的Google知識圖譜（Google Knowledge Graph），是它的一個知識庫，使用語義檢索多種來源收集信息，以提高Google搜索的質(zhì)量。除了顯示其他網(wǎng)站的鏈接列表，還提供結(jié)構(gòu)化及詳細的關(guān)于主題的信息。其目標是，用戶將能夠使用此功能提供的信息來解決他們查詢的問題，而不必導航到其他網(wǎng)站并自己匯總信息[25]。所以，在本質(zhì)上，知識圖譜是一種基于語義網(wǎng)絡(luò)的同主題語義類聚性質(zhì)的知識或信息呈現(xiàn)應(yīng)用。它可以幫助使用者更準確、更深入而廣泛地搜索，從而獲得有關(guān)搜索內(nèi)容的最佳介紹[26]。從語義層面看，它是相近與相鄰，甚至相關(guān)語義的聚合。

2.突出分析呈現(xiàn)的功能

可視化分析的功能，主要表現(xiàn)基于概念與命題的思維圖示和基于數(shù)據(jù)與信息的統(tǒng)計計算與可視分析方面。此功能強調(diào)對信息、知識的語義分析和對數(shù)據(jù)、信息的統(tǒng)計與可視分析。

（1）思維導圖與思維地圖，側(cè)重基于概念的可視化語義分析。思維導圖的可視分析功能是通過概念與包含概念的命題完成的。思維導圖（也稱為心智圖），利用圖像輔助思維[27]。思維導圖用一個中央關(guān)鍵詞或想法以輻射線形連接所有的代表字詞、想法、任務(wù)或其它關(guān)聯(lián)項目。它可以利用不同的方式去表現(xiàn)人們的想法，如，引題式，可見形象式，系統(tǒng)構(gòu)建式和分類式，普遍地用在研究、組織、解決問題和政策制定中。在意涵上，思維導圖是用句群、句子、短語，或者說是陳述、命題，表現(xiàn)想法和思考過程；而這些都離不開概念。建立于概念基礎(chǔ)之上的陳述、命題等之間的思維活動，就是利用概念進行分析的體現(xiàn)。思維導圖的外在特征與概念圖相近。分析是一種思維活動，但思維離不開語言。所以，外顯為語詞的概念就成為可視分析功能實現(xiàn)的基本元素。用概念以表達還是分析，要看是把已知的內(nèi)容用概念圖呈現(xiàn)出來，還是把不完全知道的內(nèi)容借用概念思考、分析出來（用概念表達思維過程或結(jié)果）。這里可視分析之表現(xiàn)，主要在于工作記憶中“視覺空間模板”參與的概念標定與概念關(guān)系運算，而并非簡單地指“看到語詞”。

另有David Hyerle博士設(shè)計的思維地圖，是用八種設(shè)計圖形輔助思考和決策的過程[28]。在方法上，思維地圖是利用設(shè)計的八種圖形（通過其形狀）喻指八種典型的思維過程，包括：呈現(xiàn)主題內(nèi)容（頭腦風暴）、描述形容、排序信息、分析對象、類比、分析（事件）因果、比較、歸類。它利用圖形外形與思維結(jié)構(gòu)的“形形相近”，來輔助思維活動中的語義部分的處理。

（2）統(tǒng)計圖表，側(cè)重基于數(shù)據(jù)、信息統(tǒng)計的可視分析?？梢暬治?，在本質(zhì)上是借助視覺的外在表達，輔助、深化理解和解析的過程；本質(zhì)上是視知覺參與的視像性理解與解析。除了基于概念的可視化分析外，可視化分析還包括利用圖形、圖像的可視分析。目前典型的圖形、圖像化可視分析就是基于信息、數(shù)據(jù)的可視分析。它是通過統(tǒng)計匯總找出規(guī)律并以圖示之，是一個用圖展示某種語義并輔助分析的過程。對數(shù)據(jù)、信息的可視化分析是以統(tǒng)計為基礎(chǔ)，反映數(shù)據(jù)或信息中的結(jié)構(gòu)、過程等規(guī)律。因為有數(shù)據(jù)支持，往往可以動態(tài)地呈現(xiàn)不同情況下的狀態(tài)或過程變化。如，Excel、SPSS中的統(tǒng)計圖表，Matlab中的計算結(jié)果圖示，都是對數(shù)據(jù)統(tǒng)計與運算結(jié)果的可視呈現(xiàn)。正是這些可視呈現(xiàn)，輔助了數(shù)據(jù)與信息的語義分析。因為在分析之前，難以從這些數(shù)據(jù)、信息中獲得認識與結(jié)果?！耙曈X分析”被定義為：“基于交互式視覺界面的分析推理科學”[29]，它的出現(xiàn)說明基于數(shù)據(jù)與信息的可視化分析的重要性。在學習知識與認知過程中，可視技術(shù)輔助的對數(shù)據(jù)與信息的認知與處理，是重要的一部分，尤其是在科學思想與科學方法主導的技術(shù)與科學世界里。

3.突出模擬呈現(xiàn)的功能

可視化模擬的功能實現(xiàn)，主要涉及模擬的對象、目標、形式等?？梢暬M也可以理解為仿真模擬，它有兩個重點：一是對事物形態(tài)、狀態(tài)的靜態(tài)模擬，二是對事物狀態(tài)、過程的動態(tài)模擬。實際應(yīng)用中仿真模擬的交互性是其重要特性之一。可以用強、弱來區(qū)別對事物描述的抽象/可視程度。強仿真模擬是指對實際事物的特性、結(jié)構(gòu)、關(guān)系和過程等的逼真的數(shù)字化模擬，認知地圖就是其中一種。弱仿真模擬是指對對象（事物本身的外形及其內(nèi)涵等）做了簡化與抽象的表征，只動態(tài)模擬其中的重點部分（合目的的選擇）的模擬。

由于模擬所具有的多種優(yōu)勢，已有學科、領(lǐng)域研究并應(yīng)用它，其中的重點之一是模擬要表現(xiàn)出選定的物理系統(tǒng)或抽象系統(tǒng)的關(guān)鍵特性。仿真是一種重現(xiàn)系統(tǒng)外在表現(xiàn)的特殊的模擬，而弱仿真模擬更多地是一種抽象表征。如果不考慮仿真與可視化呈現(xiàn)的語義范圍與規(guī)模，則仿真與可視化呈現(xiàn)有著同質(zhì)性。事實上，知識內(nèi)容的范疇并不排斥知識本身的規(guī)模與性質(zhì)。所以，對于知識可視化來講，仿真模擬可以看作是知識可視化的一個重要功能特色，它強調(diào)對事物的真實模擬，能夠看到事物關(guān)系、事物發(fā)生和變化的過程，以及事物變化后的結(jié)果。

（三）知識可視化的可用工具及其應(yīng)用

知識可視化可以有不同的視角與取向，但其可視化邏輯框架是穩(wěn)定的；不同的方法可以在心理圖式理論中找到根源。各有側(cè)重的可視化方法與各具特色的可視化工具，能夠為學習與知識的多種應(yīng)用帶來多樣的呈現(xiàn)樣式與不同的可視效果。以上知識可視化方法，在現(xiàn)有可視工具的設(shè)計和實際應(yīng)用中各有代表。通過它們，幾乎可以一窺知識可視化開發(fā)與應(yīng)用之就里；也為可視化學習技術(shù)進一步應(yīng)用奠基、啟迪。表1列出了可用于知識可視化的典型工具及其可視的功能與方法。一些工具往往兼具不同的可視功能且有突出的實際應(yīng)用功能，如，CmapTools。它們在使用風格上也各具特色。

表1　典型可視工具及其可視的功能與方法

可視化知識的可用工具，其技術(shù)形態(tài)主要有三種：控件、模板、軟件?？丶亲鳛楠毩④涹w的裝卸組件存在的，理想狀態(tài)下，它可以在不同軟體間共享使用。模板可以看作是較常用的示例，常依附于獨立軟體。第三類就是獨立軟體。表1中的大部分工具都是獨立軟體。

從可視化的功能來說，側(cè)重于可視化表達呈現(xiàn)與分析（表達與分析在實現(xiàn)與應(yīng)用中基本是一體的）的工具，主要有兩大類：一是成組成套的圖解圖示，它們往往是帶有一定語義的圖形設(shè)計。它們可以被開發(fā)為控件，也可被嵌入或獨立為軟件之中；二是基于概念的概念圖，用以表達已知或未知內(nèi)容。這一類廣為人知，典型的有Inspiration、Mindmanager，還有CmapTool和Metafora[30]，側(cè)重于可視化模擬的工具，與仿真模擬同義，基本上有兩大類，一是模型化的圖示工具，二是仿真性的圖示工具。前者，典型的有insightmaker[31]；后者最常用的就是虛擬仿真實驗平臺，不同學科（知識領(lǐng)域）有不同的虛擬仿真平臺。

1.可視化工具應(yīng)用之圖形系列

圖形圖像系列的可視化應(yīng)用，以其本身認知特點為基礎(chǔ)，它是通過圖解（diagram or graph）或圖表（statistics）呈現(xiàn)或分析內(nèi)容意義的系列應(yīng)用。其中用圖解的外形、布局、大小、層次、順序、色彩等表達內(nèi)容意義的某些成分，很多時候需要語詞配合；在圖形外形上越靠近實體外形，呈現(xiàn)就越逼真。而圖表也是借用完整的圖形描述數(shù)據(jù)或信息的主要語義，它們的特點就在于，有較多的意義成分通過圖形呈現(xiàn)表達了出來（比較于基于概念的表征系列）。在視覺認知上，這種表征能更多地連接人的視覺知覺優(yōu)勢。

在可視化應(yīng)用中，可視化元素周期表有廣泛的指導作用。正如化學元素周期表旨在揭示通過元素得到化合物這種客觀事實而不是元素的組織原則一樣，可視化周期表的制作不是為了對各種可視化方法進行組織歸納，而是期望通過各種可視化方法取長補短、綜合使用來滿足自我需求，實現(xiàn)最優(yōu)可視化的效果[32]?？梢暬芷诒聿⒉皇且粋€科學模型，只是一個用來進行可視化方法分析的小工具，其設(shè)計初衷是為學生學習可視化提供方法引導，更好地服務(wù)于教學。

Burkhard在實證之后總結(jié)到：在商務(wù)方案中加入商務(wù)知識可視化，能提高決策者的知識傳遞。如果能對商務(wù)相關(guān)內(nèi)容進行圖解，信息質(zhì)量和決策質(zhì)量可以被提高。這個過程降低了信息負載，避免錯誤的解釋，增加了信息的質(zhì)量，提高交流，進而提高了決策制定。這些應(yīng)用結(jié)論說明了對可視學習技術(shù)做進一步設(shè)計與應(yīng)用的價值，就如David Hyerle博士的思維地圖，可根據(jù)Burkhard的實踐研究類推，緊密結(jié)合學習中的認知需要，也可以用以平衡信息負載、增加信息和語義質(zhì)量，提高交流；從圖形本身之義來看，它們按情境冠以其它語義，用作它途，但其基本語義結(jié)構(gòu)是不變的。

2.可視化工具應(yīng)用之概念合語義網(wǎng)絡(luò)系列

概念合語義網(wǎng)絡(luò)系列，是通過概念或命題或語義網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)或分析內(nèi)容意義的系列應(yīng)用。思維導圖中會用到命題；而最新研究與應(yīng)用中，語義網(wǎng)絡(luò)也被用在學習中以支持或輔助概念圖的繪制。相比較圖形表征系列而言，它們的特點就在于，少了用圖形外形呈現(xiàn)的意義成分，突出了概念及其平面布局，以期重點呈現(xiàn)關(guān)系與結(jié)構(gòu)。在視覺認知上，這種表征對視覺知覺的利用就偏弱。

在實際應(yīng)用中，此系列對于可視化抽象的知識很具靈活性。Novak發(fā)現(xiàn)，當關(guān)鍵概念和概念間的相關(guān)關(guān)系通過概念圖呈現(xiàn)給學習者時，對學習者學習十分有效[33]。應(yīng)用功能別具特色的CmapTools，可以幫助學習者整合網(wǎng)絡(luò)資源、課堂資源、實驗資源以及領(lǐng)域知識，進行課程安排，記錄相關(guān)閱讀，整理數(shù)據(jù)，支持小組協(xié)作，整理畫圖、照片、視頻，進行多學科整合，用于演講、研究和課前、課后評價等活動[34]。而思維地圖可用以幫助學習者建構(gòu)與呈現(xiàn)知識，可以幫助他們提高基本的閱讀理解、寫作過程、數(shù)學以及問題解決能力和高級思維（技巧）能力。還有以Word-Net為典型的“語義字典”配合概念圖應(yīng)用，再加上恰當?shù)墓δ茉O(shè)計，無疑是支持知識表征和輔助知識學習的一種重要方法。對于抽象的知識來說，這可能是用得最多的一種。有研究表明，運用概念圖、思維導圖進行教學，它不僅可以用來培養(yǎng)學生邏輯性思維和學習技能，還可以幫助學習者了解單個思維是如何組合成為思維整體的[35]。

可視模擬系列，是通過對事物、系統(tǒng)的仿真或抽象處理，進行合目的“演示”，以把握事物與系統(tǒng)，或解決關(guān)于事物與系統(tǒng)的問題。模擬所具有的多種優(yōu)勢，已經(jīng)有很多學科在研究它，并已經(jīng)被應(yīng)用于很多領(lǐng)域。而較通用的典型可視模擬工具，要屬Insightmaker[36]。

三、面向知識的可視化技術(shù)觀察

（一）知識可視化的形態(tài)及其語義通路

上述是面向知識的可視化技術(shù)的視角、方法、工具及其應(yīng)用方面的情況。從最終可視形態(tài)看，可視化知識大體是兩種：利用圖形圖像的“擬象可視”和利用概念語詞的“解析可視”[37]?？梢暬R的功能與形態(tài)如表2所示。

表2　知識可視化形態(tài)

作為源于認知的知識，其結(jié)構(gòu)將與認知結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。結(jié)合目前的心理學有關(guān)認知表征形式與認知結(jié)構(gòu)的研究和連接意義傳播通道的考慮，在知識與媒介間應(yīng)當存在圖1所示的關(guān)系。根據(jù)這種關(guān)系，用以輔助學習與閱讀的知識可視化工作，當重點關(guān)注語義中樞與語義媒介的同理相連。這也說明，可以從知識本身入手，結(jié)合人認知/思維的特點，找出知識可視的方法。事實上，從認知與語義層面考慮可視化知識，已然成為進一步深入的切口。

圖1　語義中樞與視覺媒介的語義通路

（二）知識可視化研究觀察

實際中更多的可視化知識設(shè)計與應(yīng)用，至少可以從作為認知結(jié)果的知識、作為知識源泉的情境和作為認知生成的動態(tài)交互三個方面加強。對人類知識的轉(zhuǎn)換、傳播、存儲與管理是可視化知識研究與應(yīng)用的重要方面。廣博深遠的認識積累，成就了今天的人類文明。作為知識傳承的一個重要手段，可視化知識是在教育領(lǐng)域中的深入研究與應(yīng)用，可以重點關(guān)注三個方面：一是領(lǐng)域或?qū)W科知識的可視化設(shè)計，其中形義交融與語義聚合是設(shè)計應(yīng)用中的兩個意義重點。同時，知識管理也可以借助可視化技術(shù)實現(xiàn)進一步的完善，以提高管理績效，并方便于知識的利用與創(chuàng)建。二是可視化情境（環(huán)境），在知識學習中可以還原本源而有利于知識的吸收，在知識創(chuàng)建中有利于理解與分析。三是可視化動態(tài)交互，知識出自意識主體，也需要意識主體吸收，這中間有一個“交流互動”的過程。無論是學習者與知識本身，還是學習者與客體環(huán)境，在認知上，都有一個多次互動的過程。適當?shù)目梢暬换ピO(shè)計，對于知識掌握、知識利用和知識創(chuàng)建都大有裨益。

面向知識的可視化工具的設(shè)計與應(yīng)用，可以對以下幾個方面多加考慮：一是突出工具與知識內(nèi)容的結(jié)合?，F(xiàn)有工具大多是通用取向，突出了內(nèi)容抽象后的共同形式，以體現(xiàn)通用的結(jié)構(gòu)型、邏輯型等。這對于知識結(jié)構(gòu)與關(guān)系的學習有益。但是，如果有知識內(nèi)涵的其它要素，如指代、屬性、情境性等的參與，那對知識的學習將更有助益。二是面向知識的可視化工具，可考慮兼容形象的“擬象可視”和針對抽象的“解析可視”，尤其是在青少年時期的學習中，兩種可視方式相得益彰。三是可視工具可考慮設(shè)計對分析的支持，重視在問題解決中的作用。四是可視工具可強調(diào)事物動態(tài)關(guān)系模擬和系統(tǒng)模擬，這對于解決問題和創(chuàng)建知識十分有利。設(shè)計、開發(fā)中的語義圖示工具就是幫助學習者解析、模擬事物動態(tài)關(guān)系和系統(tǒng)的嘗試。

對知識的性質(zhì)、形態(tài)與產(chǎn)生過程的分析與認識，可以延伸并擴展至對作用于知識呈現(xiàn)與知識創(chuàng)建的可視化技術(shù)的探索，這里稱其為圖示技術(shù)。它重點涉及“用什么原理、思路進行圖示工作”和“用怎樣的圖示符號（體系）和規(guī)則等表達含義”兩個問題?？梢暬R設(shè)計與應(yīng)用中，圖示技術(shù)指導知識圖示的基本思路與原理，落實于圖示語言和圖示工具；在圖示語言中明確圖示的符號與規(guī)則，并以工具及其使用反映圖示的技術(shù)要領(lǐng)，最終得到應(yīng)用圖示。即，圖示工具在操作上輔助學習者呈現(xiàn)或創(chuàng)建知識，圖示語言在認知上輔助學習者對知識的呈現(xiàn)與創(chuàng)建。具體地，圖示技術(shù)的研究與設(shè)計將被用以支持：知識材料呈現(xiàn)說、問題與復(fù)雜項目的解決與（知識）創(chuàng)建。

根據(jù)以上論述，面向知識的可視化工作將從認知層面關(guān)注圖示的設(shè)計，可以語義關(guān)系和思維結(jié)構(gòu)為重，系統(tǒng)考慮知識元素的連貫融合和知識結(jié)構(gòu)關(guān)系的多樣性，解決可視化知識的操作指導和學習者接受的問題，以進一步完善可視化知識的研究與應(yīng)用。此認知取向的知識表征方法，這里且稱為知識可視的“認知-語義-知識”進路，簡稱“CSK”，如圖2所示。

圖2　語義圖示工具對知識與學習的支持

四、總結(jié)

認知取向的知識可視化，是對可視化知識工作的必要補充。在現(xiàn)有的知識可視化工作中，可以提供更具有操作性的指導。在學與教的應(yīng)用中，它可以配合基本問題為學習者對人事物的認知帶來更有秩序、更加結(jié)構(gòu)性的匡扶。以這種方法為基礎(chǔ)開發(fā)的數(shù)字工具，在數(shù)字化學習中也必然發(fā)揮積極的作用。

對知識可視化視角、方法與工具的全面透視，對現(xiàn)有可視技術(shù)與工具的有效應(yīng)用是有益的，對更實用、適當?shù)墓ぞ唛_發(fā)也是大有幫助的。對可視化技術(shù)的多種取向、多種方法與工具的研究，可以為具有不同學習風格、各異的認知特點和多樣的興趣、行為特點的眾多學習個體提供寬廣而適用的數(shù)字技術(shù)服務(wù)。重要的是，這種連接學習者感覺系統(tǒng)的研究，具備切實服務(wù)于其認知系統(tǒng)發(fā)展的潛力。

[參考文獻]

[1][28]Spense R. Information Visualization:Design for Interaction[M].Upper Saddle River，NJ，USA:Prentice-Hall，Inc，2007:4-5.VII.

[2]Ware C. Visual Queries: The Foundation of Visual Thinking[M]//Tergan S. -O.& Keller T..Knowledge and information visualization：Searching for Synergies.Springer-Verlag Berlin Heidelberg，2005:27-35.

[3][美]D·H·喬納森.用于概念轉(zhuǎn)變的思維工具：技術(shù)支持的思維建模（第三版）[M].祝智庭，顧小清譯.上海：華東師范大學出版社，2007：164-170.

[4]Cavanagh P.Visual cognition[J].Vision Research，2011，51: 1538-1548.

[5]Bergen B. Experimental methods for simulation semantics[C]//M.Gonzalez-Marquez，I.Mittelberg，S.Coulson & M.J.Spivey. Methods in cognitive linguistics.The Netherlands:John Benjamins Publishing Company，2007:277-299.

[6][38]Tergan S.-O & Keller T. Knowledge and information visualization: Searching for synergies[M].Berlin:Springer Science & Business Media，2005:1.8-11.

[7][美]詹姆斯·格雷克.信息簡史[M].高博譯.北京:人民郵電出版社，2013:397.

[8]劉佐艷.關(guān)于語義模糊性的界定問題[J].解放軍外國語學院學報，2003，26（4）:23.

[9]Lima M.A visual history of human knowledge[EB/OL]. [2015-8-22]. http://www.ted.com/talks/manuel_lima_a_visual_history_of_human_ knowledge.

[10]Tergan S.-O，Keller T，& Burkhard R.A. Integrating knowledge and information: digital concept maps as a bridging technology[J].Information Visualization，2006，5（3）:168.

[11]Meyer R. Knowledge Visualization[R].Trends in Information Visualization，2010:23.

[12][13]Burkhard R.A. The Use of Complementary Visual Representations for the Transfer of Knowledge: A Model，a Framework，and Four New Approaches[D]. citizen of Sumiswald BE，Switzerland，2005:54.57.

[14]Burkhard R.A. Towards a Framework and a Model for Knowledge Visualization: Synergies Between Information and Knowledge Visualizaition[M]//Tergan S.-O.& Keller T..Knowledge and information visualization：Searching for Synergies.Springer-Verlag Berlin Heidelberg，2005:251.

[15][21]趙國慶，黃榮懷，陸志堅.知識可視化的理論與方法[J].開放教育研究，2005，（1）:23-27.

[16]朱靜秋，宋子強，張舒予.論網(wǎng)絡(luò)時代的視覺文化價值[J].中國遠程教育，2002，（8）:70-73.

[17]張舒予.視覺文化研究與教育技術(shù)創(chuàng)新[J].中國電化教育，2006，（4）:10-15.

[18]張舒予.視覺文化與媒介素養(yǎng)[M].南京:南京師范大學出版社，2011:7-12.

[19]趙慧臣.知識可視化視覺表征的理論建構(gòu)與教學應(yīng)用[M].北京:中國社會科學出版社，2011:58-77.

[20]林玉蓮.認知地圖研究及其應(yīng)用[J].新建筑，1993，（3）:34-38.

[22][30][34]蔡慧英，陳婧雅，顧小清.支持可視化學習過程的學習技術(shù)研究[J].中國電化教育，2013，（12）:27-33.

[23]Alpert S.R.Comprehensive mapping of knowledge and information resources:The case of webster [M]//Tergan S.-O.& Keller T..Knowledge and information visualization. Springer Berlin Heidelberg，2005:220-237.

[24]湯建民，余豐民.國內(nèi)知識圖譜研究綜述與評估:2004-2010[J].情報資料工作，2012，（1）:16.

[25]Google.維基百科:Google知識圖譜[EB/OL]. [2015-6-3].http://zh. wikipedia.org/w/index.php?title =Google% E7% 9F% A5% E8% AF% 86%E5%9B%BE%E8%B0%B1&oldid=33980958.

[26]Amit Singhal.Introducing the Knowledge Graph:things，not strings [EB/OL].[2012-5-16].http://googleblog.blogspot.co.uk/2012/05/introducing-knowledge-graph-things-not.html.

[27]Google.維基百科:心智圖[EB/OL].[2015-6-3].http://zh.wikipedia.org/ w/index.php?title=%E5%BF%83%E6%99%BA%E5%9B%BE&oldid=33956248.

[29]Hyerle D.Thinking maps[J]. Cary，NC:Innovative Learning Group，1995.

[31][36]顧小清，馮園園，胡思暢.超越碎片化學習:語義圖示與深度學習[J].中國電化教育，2015，（3）:39-48.

[32]Lengler R.& Eppler M.J..Towards a periodic table of visualization methods for management[C]. In IASTED Proceedings of the Conference on Graphics and Visualization in Engineering（GVE 2007），Clearwater，F(xiàn)lorida，USA，2007.

[33]Novak J.D & Canas A.J.Building on new constructivist ideas and CmapTools to create a new model for education[C]. Spain:Universidad Publica de Navarra.2004.

[35]Buzan T.The Mind Map Book[M].London:BBC Books，1993.

[37]權(quán)國龍，張茹，顧小清.面向“深閱讀”的知識圖示設(shè)計[J].電化教育研究，2015，（11）:13-19.

權(quán)國龍，華東師范大學教育信息技術(shù)學系博士研究生，研究方向：學習科學與技術(shù)、可視化設(shè)計與應(yīng)用；馮園園，華東師范大學教育信息技術(shù)學系碩士研究生，研究方向：知識可視化表征；馮仰存，華東師范大學教育信息技術(shù)學系碩士研究生，研究方向：數(shù)字媒體技術(shù)設(shè)計；顧小清，華東師范大學教育學部教育信息技術(shù)學系教授、博士生導師，研究方向：CSCL、教育培訓系統(tǒng)與用戶行為等，系本文通訊作者。

責任編輯：呂東東

Analysis and Observation of Knowledge-oriented Visualization Technology

Quan Guolong，F(xiàn)eng Yuanyuan，F(xiàn)eng Yangcun & Gu Xiaoqing
（Department of Education Information Technology，East China Normal University，Shanghai 200062)

【Abstract】Visualization technology，with the characteristics of intuition and accessibility，has been attracting the researchers' attention in the field of visual and digital application research. In the researches on teaching integrated with technology，it needs further observation in knowledge-oriented visualization technology，including perspectives，methods and tools of visualization technology and analysis of the application of visualization technology，so as to improve its design and application. Based on three perspectives of transmission，visual culture and information theory，there are four processes about visualization methods，which are restoring source knowledge with graphic images, reflecting the relationship with concept and proposition, revealing laws with statistical analysis and indicating the nature of things with simulation. It represents the features of showing presentation, analyzing presentation and simulating presentation. The periodic table of visualization methods, CmapTools and Insightmaker are typical tools corresponding to the features. Graph form, the concept of semantic web and visual analogue mode are the three series of visual design and application. In function, “to be like”and“resolution”are two types of visualization technology morphology. Cognitive-oriented visualization design and practical application are important options that can be strengthened from the cognitive knowledge, the situation of source knowledge and the cognitive-generated dynamic interaction.

【Keywords】Knowledge visualization; Visualization methods; Visualization tools; Development of visualization technology

收稿日期：2015年12月3日

[作者簡介]

*基金項目：本文系2011年度新世紀優(yōu)秀人才計劃“基于個人數(shù)字終端的信息化創(chuàng)新應(yīng)用研究：資源、服務(wù)及應(yīng)用實例”（課題編號：NCET-11-0140）、國家社科基金“十二五”規(guī)劃2012年度教育學一般課題“以‘語義圖示’實現(xiàn)可視化知識表征與建模的理論與實踐研究”（課題編號：BCA120024）的研究成果。

[中圖分類號]G434

[文獻標識碼]A

[文章編號]1672—0008（2016）01—0090—09