知识可视化及其在初中化学教学中应用的研究

钱 程 马宏佳

（1南京师范大学教师教育学院 江苏 南京 210097；2泰州市姜堰区第四中学 江苏 泰州 225500）

知识可视化及其在初中化学教学中应用的研究

钱 程1，2马宏佳1*

（1南京师范大学教师教育学院 江苏 南京 210097；2泰州市姜堰区第四中学 江苏 泰州 225500）

知识可视化指应用视觉表征手段促进群体知识的传播和创新。知识可视化的主要途径是视觉表征，主要理论基础是双重编码理论。在初中化学教学中使用基于知识可视化的教学策略能集中学生的注意力，帮助学生理解、记忆和运用知识。知识可视化的教学应用具有普适性，在初中化学教学中的应用研究有待深化。

知识可视化；初中化学；教学策略

当今世界，人们处于被视觉信息包围的时空中。现代视觉环境不断改变着人们的认知模式，原先由文字承载的人们的感知和经验正在越来越多地被用图像、图形、图表、视频、动画等可视化的方式表达和传播。2006年，美国学者米歇尔（Mitchell，W．J．T）说：人类历史中正在发生一个重要转向——图像的转向（W．J．T米歇尔，2006）。［1］在这样的背景下，诞生了知识可视化研究，并迅速对教学产生了影响。

一、知识可视化的定义和理论基础

1．知识可视化的定义

知识可视化的定义最早出现于2004年。瑞士卢加诺大学的马丁·爱普（Eppler，M．J．）和雷莫·布克哈德（Burkard，R．A．）在他们共同编写的《知识可视化：一个新的学科及其应用领域》中首次定义知识可视化的概念，他们认为：“一般来说，知识可视化领域研究的是视觉表征在改善两个或两个以上人之间知识创造和传递中的应用。这样一来，知识可视化是指所有可以用来建构和传递复杂见解的图解手段 （Eppler＆Burkhard，2004）”。［2］他们将“视觉表征”概括为6种类型：启发式草图，在小组间产生新的见解；概念图，结构化信息并展示其关系；视觉隐喻，映射抽象数据使其易于理解；知识动画，动态的、交互的可视化技术；知识地图，结构化专家知识并提供导航；科学图标，可视化知识域（Eppler＆Burkhard，2004）。［3］任悦（2007）认为“视觉表征”，是指“将抽象化、概念化的东西以视觉化的方式再现和表述。”［4］常用的视觉表征形式有：图像、图形、图表、视频、动画等。

2009年，赵国庆在对马丁·爱普等2004定义进行深入分析后，给出了知识可视化定义的新表述：知识可视化是研究如何应用视觉表征改进两个或两个以上人之间复杂知识创造与传递的学科。［5］强调了知识可视化是一门学科和研究领域、知识可视化主要应用于复杂知识创造与传递，认为简单知识仅仅依靠语言文字就能传达，没有借助知识可视化技术的必要。

2013年，马丁·爱普在接受赵慧臣和王淑艳专访时，对知识可视化做出了更简洁明确的说明：知识可视化指应用视觉表征手段，促进群体知识的创造和传播（赵慧臣，王淑艳，2014）。［6］

从教学应用的角度看，知识可视化的实质是将抽象的知识、概念及过程以图解的手段表示出来，形成能够直接作用于人的感官的视觉表征，从而促进学习的发生、知识的传播和创新。

2．知识可视化的理论基础

知识可视化的理论基础之一是双重编码理论。双重编码理论的一个重要原则是：同时以视觉形式和语言形式呈现信息能够增加记忆和识别。该理论于1986年由佩维奥（Paivio，A．）提出，该理论设想有两个认知子系统，一个专门用于表征和处理非语言对象如表象，另一个则专门用于处理语言对象。佩维奥指出：人类的认知是独特的，它在同时处理语言和非语言对象时非常特别。语言系统直接处理语言的输入和输出，同时充当非语言对象、事件和行为的符号功能，任何的表征理论都必须符合这一二重性（赵国庆，黄荣怀，陆志坚，2005）［7］。

佩维奥做过的一个试验发现，如果给被试以很快的速度呈现一系列的图画或字词，那么被试回忆出来的图画的数目远多于字词的数目，这个试验说明，表象的信息加工具有一定的优势。也就是说，大脑对于形象材料的记忆效果和记忆速度要好于语义记忆的效果和速度。佩维奥还假定有两个不同类型的表征单元：imagens和logogens，imagens用于表征心理图像，logogens用于表征语言实体。imagens是以关联和层次的形式组织的，而logogens是以部分整体关系组织的。双重编码理论定义了三种类型的加工：⑴表征性的，语言和非语言表征的直接激活；⑵调用性的，通过非语言系统激活语言系统或反过来通过语言系统激活非语言系统；⑶联合加工，在语言系统内部或非语言系统内部的表征的激活。一个任务可能需要三种加工中的一种或全部。从双重编码理论可以看出，知识可视化将知识以图解的方式表示出来，为基于语言的理解提供了很好的辅助和补充，大大降低了语言通道的认知负荷，加速了思维的发生（赵国庆，黄荣怀，陆志坚，2005）。”［8］

马丁·爱普还指出：视觉空间推理、适应性结构化等也是知识可视化研究的理论支持（赵慧臣，王淑艳，2014）。［9］

知识可视化是在科学计算可视化、数据可视化、信息可视化基础上发展起来的新兴研究领域，其理论基础的研究还不是很充分，有待进一步深化和完善。知识可视化的主要研究对象是视觉表征、知识传播与创新，涉及人际间知识的传递和建构，因此，已有的学习理论、传播理论、脑科学理论等在探讨知识可视化理论基础时也可资借鉴。

二、知识可视化在教学中的应用

1．知识可视化教学应用的普适性

知识可视化领域研究的是视觉表征在改善群体间知识创造和传递中的应用。知识可视化的目标在于传播知识，并帮助他人正确地重构、记忆和应用知识，由此可见，知识可视化的教学应用具有普适性，并不只限于特殊的学科或领域。

知识可视化几乎可以应用在所有学科的教学中，王淑芬（2014）认为：传统课堂中师生对世界感知和经验的积累以文字为主的时代一去不返，而以视觉图像为主导的信息时代势不可挡，单通道的文化传播正在被多通道的信息交互所替代。知识可视化将促进课堂教学范式由传统向现代转变，并体现在教学内容视觉化呈现、教学方式视觉化表达、教学情境视觉化创设和解决问题视觉化建构等方面。［19］

2014年马丁·爱普谈到知识可视化在教学中的应用时说：“知识可视化的优势可体现在社会、情感和认知三方面。在社会方面，它有助于推动知识在生产者和学习者之间的传播；在情感方面，它有助于从文化情感层面促进知识创新和迁移；在认知方面，它有助于促进学习者记忆、应用新知识。对教学而言，借助可视化手段的帮助，教师和学生可更轻松、更快捷地传播、共享知识（赵慧臣，王淑艳，2014）。”［11］

Gianquinto和Rodd则认为，可视化是“认知和情感”。Gianquinto指出，视觉体验和想象可以生发性情，形成可视化的意念并构成知识。Rodd指出，性情并不局限于认知的本质，它包含情感的因素（或情感和知觉的关系）。因此，性情是受情感影响的，它基于图形的可视化（王淑芬，2014）。［12］

这样看来，知识可视化的教学应用的普适性就十分明显了，在运用知识可视化进行知识传播时，可以借助视觉表征作为语言文本的补充，深化对语言文本的认识；可以综合运用多种视觉表征形式，促进知识的创新、传播和共享，还可以从文化和情感层面促进知识的传播和创新。

2．知识可视化在初中化学教学中的应用

（1）已有研究

知识可视化思想在初中化学教学中的应用由来已久，但作为特定的研究领域则刚刚起步。介于此，笔者以知识可视化的核心概念“视觉表征”和“初中化学”为题名或关键词，在万方数据库进行精确匹配搜索，剔除其中不是涉及初中化学教学的论文，所得数据列表如下：

视觉表征 期刊论文篇数 学位论文篇数思维导图 17 7概念图 8 4动画 3 0图像 2 0图表 2 0

对所得论文进行梳理，可以发现：

思维导图的研究相对最多。思维导图在初中化学教学中的应用主要是从教师的角度和学生的角度论证了思维导图既是一种好的教学策略又是一种有效的学习工具。教师在教学过程中的使用主要是：设计导学案，提高预习效率；整合知识，简化板书；建构知识网络，提高复习效率；用于化学探究，培养自主、合作学习能力等。但张丽（2012）在其硕士论文中提到，思维导图“对不同层次学生影响不同，对不同化学知识内容的教学影响效果不同。”［13］孙婷（2014）也提到思维导图教学策略“要与其他策略相结合。”［14］

概念图在初中化学教学中的应用主要在于概念教学和化学知识的复习。不是所有的内容都适合使用概念图，概念图只适合用于概念较为集中的知识领域。

动画在初中化学教学中的应用主要是两大方面：揭示物质的微观结构、反应的微观实质，帮助学生想象和理解微观世界；演示可能发生意外的错误操作，帮助学生强化正确的操作。

图像在初中化学教学中的应用主要在于创设情境、发散思维和学生实验前的实验装置图教学。

图表在初中化学教学中的应用在于浓缩课本知识，便于学生对比、辨析和记忆。

这些研究表明，化学教学中的视觉表征主要有思维导图、概念图、动画、图像、图表等形式，许多教师会在化学教学中采用图像、图形、图表、视频、动画等辅助教学，基于化学以实验为基础的学科特点，实验、实物模型等也在化学教学中得到广泛应用。其中，对思维导图和概念图的研究相对比较深入，但通常缺乏从知识可视化角度对以上教学策略的深入剖析和认识。知识可视化在化学教学中的应用还有待进一步深入研究。

（2）笔者的尝试

在对知识可视化的定义、理论基础和应用现状有了初步了解后，笔者开展了知识可视化在初中化学教学中应用的教学实践。

开学第一节课，笔者对所教班级进行了“大脑半球优势”和“学习感觉偏好”的问卷调查，并将数据用excel进行处理，得出对应的饼图和柱形图。发现学生中大脑双侧平衡和右半球优势的占绝大多数，视觉偏好和触觉偏好的学生人数也是最多的。针对这样的学生现状，笔者在教学过程中尝试对于不同的教学内容采取不同的可视化的教学策略。

刚开学时，讲的知识较少，课后没有作业，笔者将思维导图介绍给学生，说明用途、教给画法。课堂上或讨论、或实验，课后学生用思维导图整理笔记并上交，教师利用课间逐个点评，为学生熟练使用思维导图复习打下基础。笔者曾在课堂上尝试手绘思维导图作为板书，学生热情不高，访谈中学生说：还是课后画好，课堂上要画要写，还要换不同颜色的笔，比较麻烦，而且在笔记本上画容易受原本格子的限制，不利于画面的布局。因而在使用了一节课后停止。之后的教学中主要用于单元复习。每一章讲完后，在周五的课上讨论决定本章思维导图的框架，学生利用周末完成，周一的课上简单点评，并评出最佳的3～4幅作品给予奖励，然后随堂检测复习效果。这样的处理，学生反映良好，说：复习课再也不那么枯燥了；自己也知道化学该怎么去复习了；复习的时候也不那么容易分心了，竟然能连续三个小时集中精力完成思维导图，觉得很不可思议；内容集中到一张纸上，查找和记忆都方便多了。但也有学生一直不习惯使用，他们认为自己没有画画的天赋，画得不好看，而且至少要换三种颜色的笔来写很烦，还有个别学生认为再画一遍跟重抄笔记没有区别，因而不愿意使用。

概念图的使用主要是在第三章 “物质构成的奥秘”和第六章“溶解现象”中，这两章概念比较集中，概念图能很好地向学生展示概念的来龙去脉和概念之间的关系。新授课时使用是在学生概念形成后，用小概念图帮助学生将概念纳入已有的知识体系，复习时再引导学生将小概念图组合成大概念图，建立自己的知识体系。教学过程中，笔者发现，相对于自己画概念图，学生更喜欢填空，他们认为，自己画的不如老师利用软件设计的美观，填空的概念图使用很方便。

动画、图片、漫画、实物模型在微观知识的讲授中也取得了不俗的效果：动画可以揭示电子的得失和化学反应的实质；原子结构示意图帮助学生理解“元素的化学性质与最外层电子数有关”；漫画可以帮助学生理解氯化钠的形成，学生还可以利用自己想象的漫画记忆元素化合价；实物模型可以帮助学生理解O2和CO2结构的不同，从而知道虽然都有“O2”，但是意义大不相同。

化学实验，尤其是对比实验在“身边的物质”的教学过程中功不可没，通过实验的对比，学生很容易得出正确的结论。如用石蕊浸泡的纸花进行二氧化碳的性质实验，引导学生得出“不是二氧化碳，而是二氧化碳与水反应生成的碳酸使石蕊变红”的结论，比教师费力地去强调效果好得多。

教学实践中，笔者发现表格在初中化学教学中大有用武之地：①对比数据，利于概念的形成。如讲授元素的定义时，可用表格列举三种氢原子和两种碳原子的质子数、中子数，根据数据学生容易得出“元素是质子数相同的一类原子”的结论，便于概念的理解。②纵横对比，辨析概念。如元素和原子，通过列表能清楚地向学生展现这两个概念的区别和联系。③浓缩要点，简化笔记。如讲授“常见的碱”的内容时，对于氢氧化钠、氢氧化钙的研究都是从俗称、物理性质、化学性质等几个角度去进行的，教学中笔者对课本上的表格进行了改进、丰富，将相关的知识全部浓缩于一张表格中，便于学生比较和记忆。④复习时归纳相近知识，便于发现规律。如二氧化碳、氧气、氢气的实验室制法有相似之处，也有一定要区分的特别之处，可将其归纳在一张表格中，便于学生发现其中发生装置和收集装置选择的规律，而不是去死记硬背。

三、对基于知识可视化的教学策略的思考

脑科学的研究表明：人类种族的成功可以部分归因于脑对新鲜刺激的持续不断的兴趣和好奇，当新鲜刺激出现时，人的肾上腺素分泌增加，会暂停所有不必要的活动，将注意力高度集中，以便及时采取行动；反之，相同的或可预期的刺激反复出现，脑对环境刺激的兴趣就会降低，随即转向其他新颖刺激，这就是常说的注意力分散。

2011版的《义务教育化学课程标准》中规定：义务教育阶段的化学课程的基本理念是“以提高学生的科学素养为主旨”，要求学生在知识与技能、过程与方法、情感态度价值观三方面得到发展。

笔者认为，知识可视化的提出，顺应了信息时代的发展对知识传播和创造方式改变的需求。视觉表征概念的深入理解和精细化分析为丰富初中化学教学策略的内涵和教学范式的研究提供了新的视角和途径。可以从以下几方面开展深入研究：（1）根据知识的不同类别，研究相应的视觉表征。（2）根据不同的教学环节，研究相应的视觉表征。（3）根据不同的学生情况，研究相应的视觉表征。同时，在以上研究中需要精心设计教学实验，尽可能多的获得质性的或量化的证据，用证据来得出结论。

［1］（美）米歇尔著．陈永国，等译．图像理论［M］．北京：北京大学出版社，2006：2

［2］Eppler，M．J．＆Burkard，R．A．Knowledge Visualization．Towards a New Discipline and its Fields of Application，ICA Working Paper＃2／2004［R］．University of Lugano，Lugano，2004

［3］任悦．数字时代视觉表征的变化［J］．国际新闻界，2007，（2）

［4］赵国庆．知识可视化2004定义的分析与修订［J］．电化教育研究，2009，（3）

［5］赵慧臣，王淑艳．知识可视化应用于学科教学的新观点——访瑞士知识可视化研究开拓者马丁·爱普教授［J］．开放教育研究，2014，20（2）

［6］赵国庆，黄荣怀，陆志坚．知识可视化的理论与方法［J］．开放教育研究，2005，（1）

［7］王淑芬．网络技术下知识可视化的课堂教学范式重构［J］．课程·教材·教法，2014，（7）

［8］张丽．思维导图在初中化学教学中运用的实践研究［D］．上海：上海师范大学，2012

［9］孙婷．思维导图在初中化学教学中的应用研究［D］．开封：河南大学，2014

1008-0546（2015）07-0002-04

G632．41

B

10.3969／j．issn．1008－0546．2015．07．001

*通讯联系人 ：马宏佳，E－mail：mahongjia＠njnu．edu．cn