面向知识的可视化技术分析与观察*

权国龙　冯园园　冯仰存　顾小清

（华东师范大学　教育信息技术学系，上海200062）



面向知识的可视化技术分析与观察*

权国龙冯园园冯仰存顾小清

（华东师范大学教育信息技术学系，上海200062）

[摘要]可视化技术以其直观、易接入的特性，得以在虚拟和数字世界的应用研究中逐渐兴盛。在技术介入的教与学的研究中，面向知识的可视化技术值得进一步观察，包括对可视化的视角、方法、工具及其应用的整理、分析，以便能够深化其设计与应用。目前对其研究主要有传播、视觉文化和信息论三个视角，可视化方法主要有：用图形图像还原知识本源、用概念和命题反映关系、用统计分析揭示规律和用仿真模拟反映事物本质与过程四种，表现出侧重表达呈现、分析呈现和模拟呈现的功能特点，可视化元素周期表、CmapTool和Insightmaker三种工具是这三种功能特点的典型代表。图形图像形态、概念合语义网络形式和可视模拟方式是三大可视化设计与应用系列。可视化技术的功能形态，大体上有“拟象”和“解析”两种。认知取向的可视化知识设计与实际应用，是一个重要的选择，可以从作为认知结果的知识、作为知识源泉的情境和作为认知生成的动态交互三个方面加强。

[关键词]知识可视化;可视化方法;可视化工具;可视化技术发展

可视化技术是帮助人完成心理模型或心理图像的技术。在数字环境下，它表现为借助计算机的帮助所完成的模型或图像，它与人的心理模型、心理图像是一致的。信息可视化专家Robert Spence认为，可视化是“对某事物建立心理模型或心理图像”[1]。这即是说，可视化是人的心理活动，具体地，就是心理认知活动。可视化技术，就是帮助、辅助人将认知活动展开或表达的技术。可视化技术的对象，即是认知对象，是一切被认知物。可视化是一个将被认知物视觉化的过程，在数字世界里，是一个被信息化（主要依赖视觉媒介）的过程，可视化的结果是意向结果（意义）的视觉表达。由此可见，可视化技术在学习境脉中颇具潜力。

一、学习视域的可视化技术

可视化技术可以支持学习与认知，这早已受到专家的重视。信息可视化专家Colin Ware在对视觉思维的研究中发现，可视方式可以加速信息的输入与理解，并具有检索功能[2]。著名学者David H. Jonassen以可视化工具为手段，辅助学习者为知识、问题、系统建模，帮助其进行认知模拟[3]。还有Eppler的可视化元素周期表、Burkhard的可视化逻辑框架和David Hyerler博士的思维地图等，这些研究都可以作为可视化学习技术的代表。

（一）可视化技术可增强认知与知识学习

从整体看来，可视化学习技术的重要性在于，它能强化认知和知识学习的过程。这不仅有理论方面的研究与支持，更有实践中的诸多例证。

在理论上，从图式理论和可视化含义来看，可视方式与学习者的内部构建甚为吻合。基于心智模型的构建，可视化工具在某种意义上可以增强学习效果。作为利用动静态图形图像呈现与表达、通过视觉知觉功能进行认知与理解的方式，图示方式结合了视觉认知与语词语义两个方面，能更大限度地连接人脑认知模式，激活人脑活力[4][5]。概括地讲，不仅是在知识的获得与利用过程中，在全部的学习活动中，可视技术有着诸多的优势：（1）可以清楚呈现知识相关信息与数据；（2）可以积极调动人的视觉经验；（3）可以通过隐喻，促进知识迁移；（4）可以加强学习中的交流；（5）可以快速识别简单模式；（6）可以有助于对命题的计算；（7）有助于分析、组织、解构与建构；（8）可以在复杂认知中，减少认知压力，尤其是在高阶学习、复杂任务的处理中。有研究认为：可视化的力量来自它能将复杂概念结构以视觉方式在外部呈现，从而影响人的认知系统并延伸工作记忆的限制[6]。

在实际应用中，可视化技术已有广泛使用。如，使用概念图、思维导图等可视化软件，再如，Mind-Manager、Inspiration、XMind，呈现概念性知识；使用认知地图相关数字工具，像谷歌地图、百度地图等，呈现空间对象或地理位置信息与知识；使用知识图谱，如谷歌的知识图谱（Knowledge Graph），查找相关信息与知识；使用数据处理软件，如，Excel，之可视化功能呈现数据特征；使用统计分析软件，如，SPSS、Matlab等，之可视化功能呈现分析结果；使用Power-Point专用呈现软件，可视地呈现、表达内容等等。

（二）可视化技术促进知识的利用与生成

一方面，知识是学习者最终需要掌握、利用并探寻的资源或财富。知识是学习活动的重要目标，也是学习过程的重要资源。作为任意活动重要资源的知识在为学习行为所接触的时候，既起指导作用，也是被学习者操作的客体对象。学习中学习者需要学会：理解并掌握现有知识；通过科学的实验或思维，鉴别、批判知识；从数据与信息中发现、提炼新知识；利用科学方法与工具创造知识，如此等等。学习起始的重要步骤就是对信息与知识的阅读与掌握，那么对知识适宜的表征，可以有力地支持这一过程。如果能很好地完成知识表征，就意味着同样可以用可视化技术支持与认知相关的需要。因为，知识本身蕴含了认知的结构性和关系性等特点。

另一方面，知识的不确定性要求高水平的知识学习和认知能力。知识是一个相对明确的概念，也是一个很不确定的概念。这其中有一些主要原因：（1）知识源于不同的领域，领域间知识亦有不相容之处。笔者也曾在哲学课堂中听闻授课老师列举了众多前人所总结的存在对立或矛盾的知识；（2）作为集合性称谓，不同的知识有着不同的特性，如，艺术领域的知识和工程领域的知识是截然不同的；（3）知识的产生依赖于其过程、方法，包括主体的特点。知识出自意识主体，受意识主体自身的影响，主观性知识带有很不稳定的成分；（4）知识与信息、事实、概念、思维等有高度关联或互有交叠，其内涵与外延并不总是清晰的。《信息简史》中也曾谈到，区分信息与知识体现了信息时代人们的某种焦虑，而且提及：“一大堆数据往往并不能告诉我们所需要的知识。反过来，知识也无法确保带来启示或智慧”[7]；（5）用来表达知识的语言本身带有模糊性[8]。而且，在主观、客观、建构、后现代等不同主义与思想中，对知识本身带有的不确定性都有反映。

可视化技术的设计与应用有望成为应对知识不确定性的重要技术。这除了来自大脑认知神经科学、视觉思维方面的研究外，最新的TED思想也为此提供了重要的佐证信息[9]。其中有研究者由外而内地对人的认知过程分析后，总结了人脑产生意义（其实这也是经过认知生成知识的过程）有三个基本步骤。而这三个步骤是以视觉（visaul）和图像（images）为基础的。在面向学习的可视化技术设计与应用的研究中，这样理解知识可能更加地妥当：个体的知道，多样的识得。典型的例子是，在学习者对材料的学习中，对给定的文本、表征和符号有不同的、多层面的解释可能性。所以，对可视化方式或工具促进知识利用与生成的相应功能（实质上体现在认识方面）值得格外关注。

而知识可视化作为一个领域，其实际价值已得到肯定。在Burkhard看来，知识领域的可视化聚焦于识别和视觉呈现多学科背景下的科学前沿动态，并可以新方式接入将连接、关系和科学领域（知识）结构可视化了的知识资源。Tergan、Keller和Burkard认为知识可视化是一个研究领域，研究以视觉形式表征知识的力量，它旨在生成、呈现、组织、检索、分享和使用知识方面支持认知过程[10]。Robert Meyer眼中的知识可视化，是一个相对新的领域，它研究在有或没有计算机辅助下通过可视化对知识的创建与传递，它应该是众多不同学科间的调解器[11]。

基本上，知识可视化有这样几个要点：一是它针对知识与信息；二是它相关于知识的生成、呈现、组织、检索、分享以及使用过程（创造与传递）；三是它是一种视觉表征；四是它应用于两个及其以上主体的知识工作中。所以，知识可视化是对知识和信息进行视觉表征，其功能是呈现与分析，其目的是知识利用、创造与传递（呈现、结构化检索），作用是助益于理解对象（情境、问题、事物、知识等）的维度，构建信息意义（产生知识），支持认知过程。

二、可视化知识的视角、方法、工具与应用

可视化知识是支持学习者深入学习的重要着力部分，已有专家及其团队投入精力对其开展过研究。有效的知识可视化，可以加速学习者对知识的理解、消化，卓越的知识表征能够激发学习者对知识的实际掌握，提高其实际应用的可能。有力的知识可视化方法，可以帮助学习者在学习中提高认知效果，提升思维水平。已有研究有着不同的目的、特点和价值，涉及不同视角和基本观点，如，传播取向的、视觉文化视角的和信息论视角的；代表性的表征方法和表征工具主要有三类：侧重呈现的、侧重分析的、侧重模拟的。

（一）可视化知识多面观

从知识表征相关研究来看，存在着多种研究视角和研究取向。全面认识知识表征研究的不同视角与取向，有利于更加全面而准确地理解知识可视化、知识表征与学习、知识表征与创新等研究工作。

1.传播取向的知识表征

传播取向的知识表征，最典型的要属Burkhard的研究。Eppler和Burkhard认为，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。在此传播取向之下形成的知识表征框架，较重视主体（传播者与受众）和传播的目的，强调通过承载内容的表征形式实现人与人之间的内容传递（这其中包括了认知上的理解、活动中的交流与价值上的应用与创新）。Burkhard认为，可视化成功需要被定制到接受者的认知背景，使得接受者可以像发送者意图的那样重构自己的知识[12]。通过可视化成功地传递并创建知识，需要考虑四个方面。这四个方面基于下面的四个问题：为什么要可视化知识（目的），什么类型的知识需要被可视化（内容），要解释给什么人或群体（受众），可视化特定知识的最佳方法是什么（媒介）。由此，其知识可视化框架包括四个部分：关注功能类型、知识类型、接受者类型和可视化形式[13]。

Burkhard在提出表征框架后，又提出了知识可视化模型[14]。此模型较清楚地表现了知识表征的传播特点。传播取向的知识可视化框架与模型中，涉及对知识表征更多要素的研究，包括表征的对象、表征的形式与方法。Martin J. Eppler更是进一步研究了用以可视化表达的众多方法，形成了可视化元素周期表。此框架为同类研究所部分或全部采用。如，赵国庆等人的研究[15]，认为知识可视化领域的知识表征则是指知识的外在表现形式，与此相对应的是承载知识的图解手段，也是直接作用于人的感官的刺激材料；并认为知识可视化的研究框架，当包含三个问题：可视化的知识类型、可视化知识的原因和如何可视化知识。他认为，以图解的形式将知识表现出来，形成能够直接作用于人的感官的知识外在表现形式（物理知识制品），从而促进知识的传播和创新。换言之，知识表征能够更好地帮助学习者理解抽象的语言，加速其思维的发生，从而促进知识的传播与创新。

2.视觉文化视角的知识表征

视觉文化视角的知识可视化（表征）研究，以张舒予的研究为代表。视觉文化被定义为以视觉元素为主导的文化现象和文化实践[16]。在对以视觉元素为主导的文化现象进行思考，将之与教育技术创新比较研究时发现[17]：作为教育技术的研究对象的学习过程和学习资源，尤其是学习资源，在其开发与建设中，视觉元素在理论上有着重要的地位。这也决定了，以视觉符号为基础的视觉文化在其中可以发挥重要价值。这体现在视觉文化的多种外化（领域）形态中，其中之一就是知识可视化。

视觉文化符号本质上是它事物的代表物，其指代关系也是多样的（因符号的不同和代表物的不同，两者间的相似性和形式也是不同的）。这与知识可视化中“表征”用符号的基本作用是一致的。“视觉符号与文本符号相比，有着不同的结构方式，因而具有相惜的功能机制”。与一般符号一样，视觉符号也是由形式能指和意义所指两部分构成。视觉符号在结构上，能指与所指间存在相似度与直观性；视觉符号在功能机制上，不仅能指示外显的对象，而且其所指可容纳有层次的意义空间[18]。

视觉文化视角的知识可视化——虽然没有明确提出——是以视觉符号的结构方式与功能机制为基础。视觉符号中涉及了实物、抽象物、符号结构和意义所指，这与知识表征中所及的基本要素几近相似。曾被用来表征资源建设的视觉文化视角中，涉及文本与图像两种符号形态，并在结构化与视图化两个方面实现资源的组织与表达。这里的资源在内涵上就是知识。图像视觉文化表达结果（文化制品）所用到的表达手法，很适合用来实现知识的表征。知识是对某种意义的组织与表达，表征中会用到文本或图像，表征的重点就在于内容结构和语义关系，表征整体上呈现出形态各异的视图。宽泛地讲，视觉文化制品，也是对特定知识的一种可视化表达。

3.基于信息论的知识表征

基于信息论的知识可视化视觉表征被提出，主要有两方面的原因：一是之前的知识可视化研究被认为存在“缺少观看者和制作者等因素”、“未剖析因素间深层次关系”和“对表征之社会意义考虑的缺失”等缺陷；二是受视觉文化符号研究的影响和启发，信息论被认为可以提供新视角以把握知识视觉表征，以期促进知识可视化表征[19]。从对信息的认识过程出发，“先形式、后内容、再效用”用以反映认识主体的“观察、理解和目的”特性，并且作为知识表征的分析与设计的要素与层次，由此，信息论视角的知识可视化视觉表征框架形成。其中包括表征形式分析、表征内容建构、观察者解读和制作者设计四个有序的部分。

（二）知识可视化方法及其功能特点

知识表征方法，是指把知识语义转换为可视化内容时所用的原理。整体上看，知识表征的方法大体有四种：一是用图形图像还原知识本源；二是用概念、命题反映关系；三是用统计分析揭示规律；四是用仿真模拟反映事物本质与过程。这些方法基本上用到两种表征媒介，一是图形、图像（内应为心理表象），二是概念命题。

从表征的功能形态看，知识表征方法有三种特点：一是突出呈现与表达的设计与开发；二是突出呈现与分析的设计与开发；三是侧重呈现与模拟的设计与开发。在具体的方法工具中，这三种方法并没有清晰的界线，如，基本的呈现，在不同的工具中，都是被照顾到的。尤其是呈现与分析，也往往是一体的。三种特点的观察，是为了辨识工具隐含的功能特性，以便能在进一步的设计与应用中更加适当。下面按三个功能特点论述四种表征方法。

1.突出表达呈现的功能

可视化地表达与呈现的功能，主要表现在通过图形图像的呈现（如认知地图）、概念图、语义类聚等方法上。此功能强调清楚地表达、呈现意义。

（1）认知地图法，重在对空间对象的呈现。认知地图是基于经验产生于头脑中的，它来源于对环境对象的感知和体验，某些类似于现场地图模型。它是一种对环境的综合表象，既包括事件的简单顺序，也包括方向、距离，甚至时间关系的信息。认知地图有五个组成要素：路径、边界、区域、节点、标志[20]。而这只是模拟观点的认知地图，观点是：认知地图是真实环境中的复制品。还有命题观点的认知地图，观点强调通过信息标记以贮存，即客观环境被再现为很多互相联系的概念，每一种概念都会引起很多细节的联想，人们借助于这种命题网络寻找相关记忆或夹杂联想，结果可由草图体现出来。在研究中它也被称为“因果图”。它将想法（大多是句子或段落）作为节点，并将其相互连接起来，但连线上没有连接词[21]。

这里主要将认知地图作为利用图形图像呈现知识本源的代表，对时空对象的呈现。因为知识涉及时空之内的任何存在事物。而认知地图的命题观点与概念图方式很类似，不同之处在于其基本元素（概念与句子）和连接词。

（2）概念图法，重在对概念关系的呈现。概念图已广为人知，它通过表示概念与概念之间关系的图示来组织和结构化知识，从而帮助学习者学习。概念图的重要认知特征就是简化认知本源并标记认知对象（语义项）。诺瓦克将“概念、命题、层级结构和交叉连接”作为概念图的核心要素[22]。后期，概念图中可以用概念以外的其它元素来表达知识，如，图像化和动态化的多媒体素材、文档材料、网页等。这使得连接信息与知识的表征系统得以产生，进一步强化了呈现概念关系的功能。像基于网络的（web-based）知识管理系统Webster，它可视化地表征知识，清晰地显性化隐性知识，简化表达和引导多层次的抽象知识，能够将领域的核心知识、基础知识通过视觉、听觉整合的方式进行外化，以支持深入理解和学习领域知识[23]。

（3）知识图谱，重在对类聚语义的呈现。知识图谱是显示科学知识的发展进程与结构关系的一种图形[24]。作为典型的Google知识图谱（Google Knowledge Graph），是它的一个知识库，使用语义检索多种来源收集信息，以提高Google搜索的质量。除了显示其他网站的链接列表，还提供结构化及详细的关于主题的信息。其目标是，用户将能够使用此功能提供的信息来解决他们查询的问题，而不必导航到其他网站并自己汇总信息[25]。所以，在本质上，知识图谱是一种基于语义网络的同主题语义类聚性质的知识或信息呈现应用。它可以帮助使用者更准确、更深入而广泛地搜索，从而获得有关搜索内容的最佳介绍[26]。从语义层面看，它是相近与相邻，甚至相关语义的聚合。

2.突出分析呈现的功能

可视化分析的功能，主要表现基于概念与命题的思维图示和基于数据与信息的统计计算与可视分析方面。此功能强调对信息、知识的语义分析和对数据、信息的统计与可视分析。

（1）思维导图与思维地图，侧重基于概念的可视化语义分析。思维导图的可视分析功能是通过概念与包含概念的命题完成的。思维导图（也称为心智图），利用图像辅助思维[27]。思维导图用一个中央关键词或想法以辐射线形连接所有的代表字词、想法、任务或其它关联项目。它可以利用不同的方式去表现人们的想法，如，引题式，可见形象式，系统构建式和分类式，普遍地用在研究、组织、解决问题和政策制定中。在意涵上，思维导图是用句群、句子、短语，或者说是陈述、命题，表现想法和思考过程；而这些都离不开概念。建立于概念基础之上的陈述、命题等之间的思维活动，就是利用概念进行分析的体现。思维导图的外在特征与概念图相近。分析是一种思维活动，但思维离不开语言。所以，外显为语词的概念就成为可视分析功能实现的基本元素。用概念以表达还是分析，要看是把已知的内容用概念图呈现出来，还是把不完全知道的内容借用概念思考、分析出来（用概念表达思维过程或结果）。这里可视分析之表现，主要在于工作记忆中“视觉空间模板”参与的概念标定与概念关系运算，而并非简单地指“看到语词”。

另有David Hyerle博士设计的思维地图，是用八种设计图形辅助思考和决策的过程[28]。在方法上，思维地图是利用设计的八种图形（通过其形状）喻指八种典型的思维过程，包括：呈现主题内容（头脑风暴）、描述形容、排序信息、分析对象、类比、分析（事件）因果、比较、归类。它利用图形外形与思维结构的“形形相近”，来辅助思维活动中的语义部分的处理。

（2）统计图表，侧重基于数据、信息统计的可视分析。可视化分析，在本质上是借助视觉的外在表达，辅助、深化理解和解析的过程；本质上是视知觉参与的视像性理解与解析。除了基于概念的可视化分析外，可视化分析还包括利用图形、图像的可视分析。目前典型的图形、图像化可视分析就是基于信息、数据的可视分析。它是通过统计汇总找出规律并以图示之，是一个用图展示某种语义并辅助分析的过程。对数据、信息的可视化分析是以统计为基础，反映数据或信息中的结构、过程等规律。因为有数据支持，往往可以动态地呈现不同情况下的状态或过程变化。如，Excel、SPSS中的统计图表，Matlab中的计算结果图示，都是对数据统计与运算结果的可视呈现。正是这些可视呈现，辅助了数据与信息的语义分析。因为在分析之前，难以从这些数据、信息中获得认识与结果。“视觉分析”被定义为：“基于交互式视觉界面的分析推理科学”[29]，它的出现说明基于数据与信息的可视化分析的重要性。在学习知识与认知过程中，可视技术辅助的对数据与信息的认知与处理，是重要的一部分，尤其是在科学思想与科学方法主导的技术与科学世界里。

3.突出模拟呈现的功能

可视化模拟的功能实现，主要涉及模拟的对象、目标、形式等。可视化模拟也可以理解为仿真模拟，它有两个重点：一是对事物形态、状态的静态模拟，二是对事物状态、过程的动态模拟。实际应用中仿真模拟的交互性是其重要特性之一。可以用强、弱来区别对事物描述的抽象/可视程度。强仿真模拟是指对实际事物的特性、结构、关系和过程等的逼真的数字化模拟，认知地图就是其中一种。弱仿真模拟是指对对象（事物本身的外形及其内涵等）做了简化与抽象的表征，只动态模拟其中的重点部分（合目的的选择）的模拟。

由于模拟所具有的多种优势，已有学科、领域研究并应用它，其中的重点之一是模拟要表现出选定的物理系统或抽象系统的关键特性。仿真是一种重现系统外在表现的特殊的模拟，而弱仿真模拟更多地是一种抽象表征。如果不考虑仿真与可视化呈现的语义范围与规模，则仿真与可视化呈现有着同质性。事实上，知识内容的范畴并不排斥知识本身的规模与性质。所以，对于知识可视化来讲，仿真模拟可以看作是知识可视化的一个重要功能特色，它强调对事物的真实模拟，能够看到事物关系、事物发生和变化的过程，以及事物变化后的结果。

（三）知识可视化的可用工具及其应用

知识可视化可以有不同的视角与取向，但其可视化逻辑框架是稳定的；不同的方法可以在心理图式理论中找到根源。各有侧重的可视化方法与各具特色的可视化工具，能够为学习与知识的多种应用带来多样的呈现样式与不同的可视效果。以上知识可视化方法，在现有可视工具的设计和实际应用中各有代表。通过它们，几乎可以一窥知识可视化开发与应用之就里；也为可视化学习技术进一步应用奠基、启迪。表1列出了可用于知识可视化的典型工具及其可视的功能与方法。一些工具往往兼具不同的可视功能且有突出的实际应用功能，如，CmapTools。它们在使用风格上也各具特色。

表1　典型可视工具及其可视的功能与方法

可视化知识的可用工具，其技术形态主要有三种：控件、模板、软件。控件是作为独立软体的装卸组件存在的，理想状态下，它可以在不同软体间共享使用。模板可以看作是较常用的示例，常依附于独立软体。第三类就是独立软体。表1中的大部分工具都是独立软体。

从可视化的功能来说，侧重于可视化表达呈现与分析（表达与分析在实现与应用中基本是一体的）的工具，主要有两大类：一是成组成套的图解图示，它们往往是带有一定语义的图形设计。它们可以被开发为控件，也可被嵌入或独立为软件之中；二是基于概念的概念图，用以表达已知或未知内容。这一类广为人知，典型的有Inspiration、Mindmanager，还有CmapTool和Metafora[30]，侧重于可视化模拟的工具，与仿真模拟同义，基本上有两大类，一是模型化的图示工具，二是仿真性的图示工具。前者，典型的有insightmaker[31]；后者最常用的就是虚拟仿真实验平台，不同学科（知识领域）有不同的虚拟仿真平台。

1.可视化工具应用之图形系列

图形图像系列的可视化应用，以其本身认知特点为基础，它是通过图解（diagram or graph）或图表（statistics）呈现或分析内容意义的系列应用。其中用图解的外形、布局、大小、层次、顺序、色彩等表达内容意义的某些成分，很多时候需要语词配合；在图形外形上越靠近实体外形，呈现就越逼真。而图表也是借用完整的图形描述数据或信息的主要语义，它们的特点就在于，有较多的意义成分通过图形呈现表达了出来（比较于基于概念的表征系列）。在视觉认知上，这种表征能更多地连接人的视觉知觉优势。

在可视化应用中，可视化元素周期表有广泛的指导作用。正如化学元素周期表旨在揭示通过元素得到化合物这种客观事实而不是元素的组织原则一样，可视化周期表的制作不是为了对各种可视化方法进行组织归纳，而是期望通过各种可视化方法取长补短、综合使用来满足自我需求，实现最优可视化的效果[32]。可视化周期表并不是一个科学模型，只是一个用来进行可视化方法分析的小工具，其设计初衷是为学生学习可视化提供方法引导，更好地服务于教学。

Burkhard在实证之后总结到：在商务方案中加入商务知识可视化，能提高决策者的知识传递。如果能对商务相关内容进行图解，信息质量和决策质量可以被提高。这个过程降低了信息负载，避免错误的解释，增加了信息的质量，提高交流，进而提高了决策制定。这些应用结论说明了对可视学习技术做进一步设计与应用的价值，就如David Hyerle博士的思维地图，可根据Burkhard的实践研究类推，紧密结合学习中的认知需要，也可以用以平衡信息负载、增加信息和语义质量，提高交流；从图形本身之义来看，它们按情境冠以其它语义，用作它途，但其基本语义结构是不变的。

2.可视化工具应用之概念合语义网络系列

概念合语义网络系列，是通过概念或命题或语义网络呈现或分析内容意义的系列应用。思维导图中会用到命题；而最新研究与应用中，语义网络也被用在学习中以支持或辅助概念图的绘制。相比较图形表征系列而言，它们的特点就在于，少了用图形外形呈现的意义成分，突出了概念及其平面布局，以期重点呈现关系与结构。在视觉认知上，这种表征对视觉知觉的利用就偏弱。

在实际应用中，此系列对于可视化抽象的知识很具灵活性。Novak发现，当关键概念和概念间的相关关系通过概念图呈现给学习者时，对学习者学习十分有效[33]。应用功能别具特色的CmapTools，可以帮助学习者整合网络资源、课堂资源、实验资源以及领域知识，进行课程安排，记录相关阅读，整理数据，支持小组协作，整理画图、照片、视频，进行多学科整合，用于演讲、研究和课前、课后评价等活动[34]。而思维地图可用以帮助学习者建构与呈现知识，可以帮助他们提高基本的阅读理解、写作过程、数学以及问题解决能力和高级思维（技巧）能力。还有以Word-Net为典型的“语义字典”配合概念图应用，再加上恰当的功能设计，无疑是支持知识表征和辅助知识学习的一种重要方法。对于抽象的知识来说，这可能是用得最多的一种。有研究表明，运用概念图、思维导图进行教学，它不仅可以用来培养学生逻辑性思维和学习技能，还可以帮助学习者了解单个思维是如何组合成为思维整体的[35]。

可视模拟系列，是通过对事物、系统的仿真或抽象处理，进行合目的“演示”，以把握事物与系统，或解决关于事物与系统的问题。模拟所具有的多种优势，已经有很多学科在研究它，并已经被应用于很多领域。而较通用的典型可视模拟工具，要属Insightmaker[36]。

三、面向知识的可视化技术观察

（一）知识可视化的形态及其语义通路

上述是面向知识的可视化技术的视角、方法、工具及其应用方面的情况。从最终可视形态看，可视化知识大体是两种：利用图形图像的“拟象可视”和利用概念语词的“解析可视”[37]。可视化知识的功能与形态如表2所示。

表2　知识可视化形态

作为源于认知的知识，其结构将与认知结构紧密相关。结合目前的心理学有关认知表征形式与认知结构的研究和连接意义传播通道的考虑，在知识与媒介间应当存在图1所示的关系。根据这种关系，用以辅助学习与阅读的知识可视化工作，当重点关注语义中枢与语义媒介的同理相连。这也说明，可以从知识本身入手，结合人认知/思维的特点，找出知识可视的方法。事实上，从认知与语义层面考虑可视化知识，已然成为进一步深入的切口。

图1　语义中枢与视觉媒介的语义通路

（二）知识可视化研究观察

实际中更多的可视化知识设计与应用，至少可以从作为认知结果的知识、作为知识源泉的情境和作为认知生成的动态交互三个方面加强。对人类知识的转换、传播、存储与管理是可视化知识研究与应用的重要方面。广博深远的认识积累，成就了今天的人类文明。作为知识传承的一个重要手段，可视化知识是在教育领域中的深入研究与应用，可以重点关注三个方面：一是领域或学科知识的可视化设计，其中形义交融与语义聚合是设计应用中的两个意义重点。同时，知识管理也可以借助可视化技术实现进一步的完善，以提高管理绩效，并方便于知识的利用与创建。二是可视化情境（环境），在知识学习中可以还原本源而有利于知识的吸收，在知识创建中有利于理解与分析。三是可视化动态交互，知识出自意识主体，也需要意识主体吸收，这中间有一个“交流互动”的过程。无论是学习者与知识本身，还是学习者与客体环境，在认知上，都有一个多次互动的过程。适当的可视化交互设计，对于知识掌握、知识利用和知识创建都大有裨益。

面向知识的可视化工具的设计与应用，可以对以下几个方面多加考虑：一是突出工具与知识内容的结合。现有工具大多是通用取向，突出了内容抽象后的共同形式，以体现通用的结构型、逻辑型等。这对于知识结构与关系的学习有益。但是，如果有知识内涵的其它要素，如指代、属性、情境性等的参与，那对知识的学习将更有助益。二是面向知识的可视化工具，可考虑兼容形象的“拟象可视”和针对抽象的“解析可视”，尤其是在青少年时期的学习中，两种可视方式相得益彰。三是可视工具可考虑设计对分析的支持，重视在问题解决中的作用。四是可视工具可强调事物动态关系模拟和系统模拟，这对于解决问题和创建知识十分有利。设计、开发中的语义图示工具就是帮助学习者解析、模拟事物动态关系和系统的尝试。

对知识的性质、形态与产生过程的分析与认识，可以延伸并扩展至对作用于知识呈现与知识创建的可视化技术的探索，这里称其为图示技术。它重点涉及“用什么原理、思路进行图示工作”和“用怎样的图示符号（体系）和规则等表达含义”两个问题。可视化知识设计与应用中，图示技术指导知识图示的基本思路与原理，落实于图示语言和图示工具；在图示语言中明确图示的符号与规则，并以工具及其使用反映图示的技术要领，最终得到应用图示。即，图示工具在操作上辅助学习者呈现或创建知识，图示语言在认知上辅助学习者对知识的呈现与创建。具体地，图示技术的研究与设计将被用以支持：知识材料呈现说、问题与复杂项目的解决与（知识）创建。

根据以上论述，面向知识的可视化工作将从认知层面关注图示的设计，可以语义关系和思维结构为重，系统考虑知识元素的连贯融合和知识结构关系的多样性，解决可视化知识的操作指导和学习者接受的问题，以进一步完善可视化知识的研究与应用。此认知取向的知识表征方法，这里且称为知识可视的“认知-语义-知识”进路，简称“CSK”，如图2所示。

图2　语义图示工具对知识与学习的支持

四、总结

认知取向的知识可视化，是对可视化知识工作的必要补充。在现有的知识可视化工作中，可以提供更具有操作性的指导。在学与教的应用中，它可以配合基本问题为学习者对人事物的认知带来更有秩序、更加结构性的匡扶。以这种方法为基础开发的数字工具，在数字化学习中也必然发挥积极的作用。

对知识可视化视角、方法与工具的全面透视，对现有可视技术与工具的有效应用是有益的，对更实用、适当的工具开发也是大有帮助的。对可视化技术的多种取向、多种方法与工具的研究，可以为具有不同学习风格、各异的认知特点和多样的兴趣、行为特点的众多学习个体提供宽广而适用的数字技术服务。重要的是，这种连接学习者感觉系统的研究，具备切实服务于其认知系统发展的潜力。

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权国龙，华东师范大学教育信息技术学系博士研究生，研究方向：学习科学与技术、可视化设计与应用；冯园园，华东师范大学教育信息技术学系硕士研究生，研究方向：知识可视化表征；冯仰存，华东师范大学教育信息技术学系硕士研究生，研究方向：数字媒体技术设计；顾小清，华东师范大学教育学部教育信息技术学系教授、博士生导师，研究方向：CSCL、教育培训系统与用户行为等，系本文通讯作者。

责任编辑：吕东东

Analysis and Observation of Knowledge-oriented Visualization Technology

Quan Guolong，Feng Yuanyuan，Feng 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

[作者简介]

*基金项目：本文系2011年度新世纪优秀人才计划“基于个人数字终端的信息化创新应用研究：资源、服务及应用实例”（课题编号：NCET-11-0140）、国家社科基金“十二五”规划2012年度教育学一般课题“以‘语义图示’实现可视化知识表征与建模的理论与实践研究”（课题编号：BCA120024）的研究成果。

[中图分类号]G434

[文献标识码]A

[文章编号]1672—0008（2016）01—0090—09