动态思维导图引导的知识资源共建共享模型

韩营　赵蔚　姜强　孟凡媛

摘要：当今，海量数字化学习资源的分布异构及其关系的薄弱容易造成学习者认知超载与学习迷航，资源利用效率低。从用户参与的角度，以Wisemapping为开发工具，通过构建以“动态思维导图共建共享”、“资源向动态思维导图的映射机制”以及“资源共建”三大模块组成知识资源共建共享模型，实现了以动态思维导图作为索引的资源共建与资源共享。通过实验调查发现，该模型是一种有效的资源组织方式，可以很好地解决学习资源建关联薄弱、分布异构的问题，最终减轻学习者认知负载，促进学习者认知发展。

关键词：知识资源；动态思维导图；共建共享；认知发展

中图分类号：434 文献标识码：A 文章编号：1009-5195（2017）01-0105-08 doi10.3969/j.issn.1009-5195.2017.01.013

一、引言

互联网和信息通信技术高速发展，使得学习环境也变得高度社会化、个性化和开放化。《教育信息化“十三五”规划》强调通过创新“网络学习空间人人通”，实现教育资源的共建共享（教育部，2016）。然而，数字化环境下学习资源在为学习者提供多元学习机会的同时，学习资源的千篇一律、分布异构及其关系薄弱也造成学习者在开放学习环境下的学习迷航与认知超载，无法快速准确地定位需要的资源，更不能高效地利用资源（姜强等，2015）。知识可视化为教育研究提供了新的视角，脑科学理论强调从图片中学习和记忆，而不是通过书面和口头语言，双重编码理论强调视觉形式和语言形式结合的重要性，因此知识可视化工具对促进学习者的思考，尤其是认知发展方面具有极其重要的价值。知识可视化技术和方法能够为资源的组织方式和存储形式给予新的启示。思维导图是可视化技术的一种，本文从用户参与角度构建动态思维导图引导的知识资源共建共享模型，并完成系统开发与验证。

二、研究现状

在国外，2002年，慕尼黑理工大学Fischer等学者基于问题情景验证了将可视化工具作为结构支持对协作知识建构的影响，发现可视化工具不但能够提高学习者的协作努力成就，而且能够更成功地整合学习者的前驱知识到协作解决方案中（Fischer et al.，2002）。2006年，圣加仑大学Sigmar-Olaf Tergan等学者针对目前教育与工作情境中出现的认知负载等问题，采用数字化概念图为桥梁技术整合知识与信息，验证了可视化技术在处理复杂问题与非良构问题上的重要作用（Tergan et al.，2006）。2009年，达姆施塔特工业大学Godehardt针对知识工作者“资源饥饿”问题，提出了情景性可视化支持自主学习模型。该模型利用可视化支持整合信息以情景化的方式处理任务，有效地提高了知识密集型工作的效率，促进了知识的迁移（Godehardt，2009）。在美国，Coffey等学者开发了帮助教师与学习者进行主题联结和学习资源管理的学习环境管理工具（Learning Environment Organizer，简称LEO），该工具可以为教师和学生提供信息和知识管理的可视化工具，以概念地图为接口促进资源的设计与传播，对于提升学习者与教师对知识结构的深入理解具有很大帮助（Coffey et al.，2003）。在英国，纽卡斯尔大学创建了帮助教师与学习者理解当前知识及与其他相关知识间关系的动态学习地图工具（Dynamic Learning Maps，简称DLM），该工具以课程的知识体系为脉络，以知识地图方式聚合课程资源，直观的呈现方式可以让教师和学习者更好地掌握课程资源间复杂、抽象的关系（李士平等，2013）。

在国内，北京师范大学余胜泉教授提出适合泛在学习的资源建设方式——“学习元”。“学习元”采用语义网和本体技术组织学习资源，用户可以通过添加或者扩展本体模型中知识的属性和关系来形成一个与主题相关的、高度内聚的知识网络，最终形成一个相互关联且具有丰富逻辑层次的整体（余胜泉等，2009）。 “学习元”在一定程度上解决了教育资源的分布异构的问题。华中师范大学黄涛等学者对数字化学习中教学资源的知识化组织和可视化导航与检索问题进行了研究，构建了知识地图与资源导航模型，并设计与实现了基于知识地图的资源导航与检索系统，克服了资源检索在当前信息爆炸时代面临的混乱现状（黄涛等，2015）。香港大学王敏红等人研发的“JAVA E-Teacher”平台，实现了从课程中提取知识节点，以可视化的方式作为资源建设的索引，以期达到整合学习资源的目的。同时，他还通过在可视化学习环境中将知识建构与问题解决做有效连接，改善了问题解决经验容易遗忘和不能有效迁移的问题（Wang et al.，2011）。针对移动学习环境中学习资源过于零散、学习者很难建立系统的知识结构等问题，北京邮电大学李亚男等学者，借助可视化技术实现了“轻课堂”移动学习环境的设计与开发，该系统的应用充分体现了知识可视化对知识建构的积极意义（李亚男等，2013）。

从现有研究成果看，目前国内外共享可视化系统在设计空间环境时大多采用分布式协同可视化；在发展思维共享方法上，大多采用共享情景认知方式；在平台使用上，主要包括移动端、PC端；在系统为学习者提供的支持上，主要包括社会支持、任务支持、认知支持；在应用策略上主要包括共享可视化、共享协调、共享多元展示、共享映射展示和共享边界对象；在实现技术上，主要包括JAVA、XML、AJAX、HTML、Django、MySQL、GEO-Tool等；在应用领域上，主要包括协作问题解决环境、虚拟现实环境、多玩家在线游戏和多用户支持的应用程序等领域。

可见，借助可视化技术的支持，国内外研究者在资源建设研究方面取得了巨大的进展，但仍然存在着一些亟待解决的问题。学习支持系统中强调教师主导的资源管理与重组，而学习者共建实现的知识聚合还没有得到系统开发与利用。同时，目前将知识可视化应用到资源建设中大多采用概念图与知识地图两种可视化视觉表征形式。概念图的最大优点是知识体系及层次结构的表达清晰明确，但是也存在一些缺陷，比如不能满足非学术群体，不适合学习任务情境，不能实现快速记笔记等。知识地图虽然在本质上就是一种知识索引工具，但它对知识节点的要求很高，强调学科知识本体的构建，这种对结构化专家知识提供导航的方法，不适合以学习者为中心的资源建设。

鉴于此，本文从用户参与共建共享的角度，依据建构主义学习理论所强调的学习是学习者在社会的参与中，通过学习共同体的合作互动去内化有关知识与技能、获得相关情感的过程，以及联通主义学习理论所强调的学习是一个连续的、知识网络形成的过程，在此基础上构建动态思维导图引导的知识资源共建共享模型，并完成系统开发与验证。该研究以学习者共建方式实现资源聚合，无论在动态思维导图的拓展上，还是在知识资源的共建上，都淡化了资源聚合的技术手段，强调资源聚合的方式，将学习者作为资源聚合的主体，充分发挥学习者的集体智慧。同时依据图式理论，强调在知识表征和贮存方式上围绕某一主题进行组织，加强学习者对知识意义的理解，动态思维导图与知识资源都是基于学习者共建，依靠学习者的理解能力与思维模式实现资源聚合，并对资源进行选择与评价，拓展了资源聚合与分享的研究框架。

三、基于动态思维导图的知识资源共建共享 模型建构

1.解读动态思维导图

动态思维导图是指可以实现对知识的无限扩展与动态网络视觉呈现，能够清晰地显现思维或知识间的多类别和多关联网状关系。它突破了以前只能对知识进行静态展示的限制，可以提高学习者的思维活跃性和促进发散思维能力，以及促进学习效率和创造性地解决学习过程中的问题。总之，动态思维导图的特征可以总结为如下几点：

在功能上，动态思维导图更能体现培养学习者的创新思维和想象力，更加适合基于问题解决的学习环境。在充分体现学习者中心的基础上创建一个基于问题解决的环境，以动态思维导图的拓展和资源的建设为任务，实现资源的共享和利用。

在手段上，动态思维导图对知识节点的表征更加灵活多样。在学习者的认知上能做到视觉直观、简单易用，降低学习者的认知负荷，减小学习者对学习的抗拒。

在目的上，动态思维导图本身就是学习者思维的外化表现，按照学习者的认知思维来实现知识的表征和存储，人与人之间的知识传递其实就是思维火花的碰撞，学习者及其帮助者在学习过程中互相沟通，共享学习资源，相互影响、相互促进，最终实现任务完成与问题解决。

2.动态思维导图引导的知识资源共建共享模型建构

鉴于动态思维导图的特征及其应用价值，适合构建以学习者为中心的知识资源共建共享系统，其模型如图1所示。该模型适用于高校学生学习共同体协作学习过程，学习者应具有较强的独立学习能力与团队合作能力，同时具有便利的网络条件。由图1可见，该模型主要包括动态思维导图共建共享模块、资源向动态思维导图节点的映射机制模块、资源共建模块三部分，彼此相互联系、相互依赖，共同支持资源的共建共享过程。

（1）动态思维导图共建共享模块

创建图谱进行知识表示。学习者创建图谱，将自身的知识结构以知识节点与知识关联的形式表示出来，促进人们对知识的理解，以此作为资源建设的导航，是知识转化为新知识前提。

编辑图谱进行知识重组。学习者将创建好的图谱分享给其他学习者，共同完成知识节点和知识关联在结构上的调整，以形成一个比较完善的图谱，是知识转化为新知识的必要活动。

检索图谱进行知识定位。当创建的图谱和其他学习者分享的图谱越来越多，那么找到我们需要的图谱就会很困难，加入图谱的检索功能，可以很方便地帮助我们定位我们需要的图谱。

共享图谱进行知识共享。共享图谱在模型中发挥着重要作用，已有知识变成新的知识必须经过图谱的共享，它既是图谱共建的前提，也是知识资源共建和共享的桥梁。图谱共享有两种形式：一是内部共享，即学习者将自己创建好的图谱分享给系统内的其他成员，以实现图谱的共建。内部共享有共享后只可查看不能编辑和共享后可编辑两种限定形式。二是外部共享，即将图谱以链接的形式公开到社会化软件中，比如微博、微信、QQ等，以实现图谱更大范围的共享。

资源共享从技术角度来讲是一种分布式知识资源管理机制。要解决资源的利用率和资源库的可持续发展问题，关键在于共享，即让每一个学习者为提供优秀的知识资源付出努力。只有推动知识共享才能使更多人掌握知识、升华智慧，进而实现创新，因此要使知识转化为最佳的生产力，必须通过便捷的途径实现知识共享。本文的资源共享采用“先分享后共享”的内部共享形式，如图2所示，学习者1将自己的图谱分享给学习者2以实现二者对图谱以及图谱中节点所链接资源的共享，即资源共享靠图谱的分享实现。

（2）资源共建模块

创建资源进行知识存储。学习者可以针对图谱中的每一个知识节点上传资源，实现对知识资源的存储。

编辑资源进行知识编辑。创建好的资源可再编辑，对资源进行修改与优化，使其利于传播和交流。

检索资源进行知识检索。当创建的资源越来越多时，寻找资源就会很困难，加入资源的检索功能，可以很方便地帮助我们检索资源。

评价资源进行知识监控。对资源提供评价功能，评价方式分为定量和定性评价两种。定量评价是指为每一个资源设置一个满分为5分的评价量表，分数越高表示资源质量越好。定性评价相当于论坛，每一个学习者都可以根据自己的理解来对资源进行话语评价。定量和定性评价相结合，采用系统自动和监督者手动的方式实现资源的优胜劣汰。

推荐资源进行知识推送。在资源评价的基础上实现优质资源的推荐。当n名学习者对学习资源做出评分时，先求出资源的平均得分，当平均得分大于4分时，系统会将资源推荐给学习者。

（3）资源向动态思维导图节点的映射机制模块

知识资源向动态思维导图节点的映射机制设计需要抽象出三个关键词：知识节点、资源实体、映射关系。知识节点是指学习者根据自己对资源的抽象理解而提取出来的关键词，是思维导图的重要组成部分。资源实体是指学习者根据自身需求在互联网中搜集到的学习资源，其形式可以是图片、文本、视频等。知识资源向思维导图节点映射机制设计的关键是映射关系的选择，本文中采用一对多的联系。即每一个知识节点都可以链接到多条知识资源上，这一节点是对这些资源的有效描述。节点与资源之间通过超链接的形式进行链接。一对多的映射关系能很好地实现以节点为中心的知识聚类。其结构示意图如图3所示。

3.动态思维导图引导的知识资源共建共享保障机制

可视化呈现机制。可视化呈现是促使学习者参与本系统的首要保障。系统中用可视化的方法展示知识点之间的逻辑关系，把学习资源链接到知识点，以实现资源共建共享的可视化导航。这样一方面可以促进学习者的认知发展，另一方面可以发挥学习者的发散思维，激发学习者的学习兴趣。

使用帮助文件。选择文本和图像相结合的形式，向学习者介绍本系统的使用方法，一方面可以加快学习者对本系统的认识，另一方面可以让学习者专注于学习过程而不是系统本身。

学习者参与激励机制。有效的激励是保障系统发展和学习者参与的动力。通过内在激励和外在激励、精神激励和物质激励等，可以促使学习者之间、学习者与学习资源之间的交互活动更加高效。本研究通过对资源进行质量评价，以实现资源优胜劣汰和优质资源的推送。当学习者发现自己的资源受到其他学习者喜爱时，会产生一种成就感，通过这种刺激，可以引发学习者的需要或兴趣，进而激发其行为动机。此外，由于本研究基于小范围学习共同体展开，因此采用实物奖励机制，为上传资源较多且质量优秀的学习者提供奖品。

管理者参与机制。在学习过程中，引入管理者的监督、引导、鼓励，以对学习者进行指导，对图谱进行批注，对资源进行评价等。此外，管理者采用任务驱动的方式组织共建资源，有助于提高学习动机。

四、系统架构、对象模型与实现

1.系统架构

比较不同的思维导图创作工具，本文选用 Wisemapping可视化思维解决方案作为知识资源共建共享的导航工具。理由如下：第一，Wisemapping是一款支持多人异步协作的可视化工具；第二，它界面友好操作简单，基于浏览器与服务器模式设计，使用者无需安装，只需要浏览器就可以进行操作，方便快捷；第三，它基于Java 与Mysql技术实现，具有跨平台等优点；最后，它免费开源的特性非常适合二次开发。Wisemapping系统架构由浏览器端、服务器端、数据库端三部分构成（Paulo Gustavo Veiga，2014），如图4所示。二次开发是在对该系统的架构进行深入了解的基础上，集成资源共建模块，实现思维导图引导的知识资源共建共享系统的各项功能。

其中，浏览器端实现知识资源的可视化设计与呈现。服务器端实现知识资源的共建与共享。数据库端实现思维导图与知识资源的存储。在浏览器端，Wisemapping借助JavaScript浏览器引擎、思维导图API实现知识可视化，在此基础上，开发了资源共建模块用户界面，主要实现资源上传界面、资源列表界面、资源评价界面等。在服务器端，Wisemapping使用MVC控制器进行业务逻辑的运算，在对框架结构进行充分分析的基础上，主要实现资源添加、评论和推荐等功能。在数据库端，Wisemapping关系模型中仅具有“用户”关系与“知识节点”关系，在此基础上，主要实现“知识资源”关系与“资源评价”关系，并对建立关联关系的数据表间的数据参照引用做出约束。浏览器端与服务器端采用REST协议通过DWR远程客户端与DWR服务器进行数据通信，服务器端与数据库端采用JDBC进行连接。

2.对象模型

对象模型是对数据库中关系模型的抽象，它规定了对象的方法和属性等。本系统涉及四个重要对象模型：用户（User）对象模型、知识节点（Mapnode）对象模型、知识资源（Resources）对象模型、资源评论（Remark）对象模型。用户模型用于存储用户注册信息，并设置用户权限等；知识节点模型用于存储知识节点信息，并记录知识节点的创建人和最后编辑人等；知识资源模型用于存储知识资源信息，并记录知识资源的创建人和所属节点等；资源评价模型用于存储资源评价信息，记录所评价的资源与评价人。每个用户可以创建多个知识节点，添加多个知识资源与评价，因此用户模型与其他三个模型是一对多的关系。知识节点与知识资源是一对多的关系，即一个知识节点可以包含多个知识资源。知识资源与资源评价也是一对多的关系，即一个知识资源可以包含多个资源评价。各模型所包含的主要属性如下：

用户模型的主要属性有：合作者标识（Collaborator_id）、用户名（Username）、密码（Password）、激活日期（Activation_date）、权限类别（Authentication_type）等。

知识节点模型的主要属性有：节点标识（Node_id）、知识点名称（Title）、知识点描述（Description）、相关资源（Related_knowledge）、创建日期（Creation_date）、创建人（Creator_id）、编辑日期（Edit_date）、最后编辑人（Last_editor_id）等。

知识资源模型的主要属性有：资源标识（Resource_id）、资源名称（Title）、资源内容（Description）、上传附件（Appendix）、所属节点（Node_id）、创建日期（Creation_date）、创建人（Creator_id）、资源分数（Remark_score）等。

资源评价模型的主要属性有：评价标识（Remark_id）、评价的资源（Resource_id）、评价人（Remark_user_id）、评价内容（Remark_content）、评价分数（Remark_score）、评价时间（Remark_time）等。

3.系统实现

Wisemapping工具为创建图谱、编辑图谱、检索图谱、共享图谱提供了技术支持，该工具集成了多功能的图谱编辑器，不仅具有文本录入功能，还具有字体设置、格式设置、超链接支持等各种辅助功能。图谱编辑以思维导图为核心，采用无向箭头连接概念节点，每一个节点都可以被自由拖动，学习者可以根据自己的认知结构添加、修改、删除概念结点或者改变概念节点之间的连接，同时还提供了分享、导出图谱、图谱修改记录与还原等功能。

然而Wisemapping工具所提供的功能并不能完全符合动态思维导图引导的知识资源共建共享系统的设计要求。第一，在为图谱节点添加超链接时，不能有效连接到资源列表，而是由用户自己定义URL；第二，缺少对资源共建功能的支持。因此笔者对添加超链接功能进行修改，使系统可以自动为每一个知识节点添加超链接，以实现其向资源的映射。

另外，向Wisemapping工具中加入资源共建功能，选择 Ckeditor与Ckfinder（java）整合实现富媒体内容编辑并支持文件的上传和下载，并开发资源列表界面（见图5），其中资源的查找采用搜索引擎关键词检索的方式。同时还对上传的资源提供评价功能，实现资源的优胜劣汰与推荐，界面效果如图6所示。

五、效果评价

为了检验动态思维导图引导的知识资源共建共享系统的有效性与可行性，本研究以东北师范大学计算机科学与信息技术学院2013 级教育技术学专业15名研究生为实验对象进行为期3周的实验。在“知识可视化的研究现状如何”作为图谱的根节点的基础上，经过3周的学习，在教师的指导与监督下，学习者在初始图谱的基础上经过84次修改，共创建25个节点，每个学习者都至少创建了一个知识节点。知识图谱由初始的三个基础知识点生长为最大深度为四层的知识图谱。

知识图谱基本涵盖了知识可视化领域研究的各个方面，而且还添加了与知识可视化相关概念的节点，对知识资源进行了补充。基于该图谱，学习者共上传资源152条（图7、图8分别为针对节点7和节点22上传的资源），平均每人贡献10条资源。

图7 节点7资源列表界面

图8 节点22资源列表界面

针对上传的学习资源，从后台数据库中进行统计，共有评论287条，平均每人发表评论19条。根据评论得分共有推荐资源24条。在图谱结构和资源辐射面维度，本研究邀请三位教育技术学领域专家，对图谱结构的合理性和资源辐射面的广度进行了评价。专家们对最终整合的图谱和资源进行分析后认为，知识结构与目前可视化研究的现状基本符合，但在国外的现状分类上不够充分，资源的辐射面较广、时效性较强。因此可以认为：基于集体智慧利用可视化图谱导航资源建设是合理有效的。

为了验证动态思维导图引导的知识资源共建共享系统的感知易用性和感知有用性，分析学习者在平台中学习的满意度以及平台是否给学习者的学习带来帮助，本文从“系统使用说明”、“系统的操作方式”、“图谱导航资源建设方式”、“问题解决”、“获取资源时间”、“提高学习动机”、“资源满意度”7个方面设置了调查问卷，让参与实验的15名学习者填写，结果回收15份有效问卷，调查结果如图9所示。

图9 满意度调查结果

由图9可知，对于本系统的使用，在“资源满意度”和“系统的操作方式”两个维度上学习者的满意度得分最高，分别达到了93.3%与86.7%，说明本系统具有很好的感知易用性和感知有用性。在“系统使用说明书”、“图谱导航资源建设方式”、“问题解决”、“获取资源时间”四个维度上学习者的满意度都达到了80%，说明系统使用说明书对于学习者熟悉平台使用有着很大帮助。另外，本系统的操作方式与图谱导航资源建设的方式做到了简单、方便、直观，对于解决学习者的问题非常有帮助，大大缩短了获取相关资源的时间。值得注意的是，在“提高学习动机”方面质疑最多，满意度仅达到66.7%。访谈发现其主要原因是问题的设置并非学习者研究兴趣点所在。同时，也有个别学习者对系统的使用提出了意见，例如资源共建模块的界面友好性不高，学习者协作生成的知识网络结构比较松散等。但经过教师的干预与指导后，并没有给学习者造成认识负荷。

六、结论

针对目前学习支持系统在知识资源存储与表述方面存在的不足，结合知识可视化的研究热点，以及目前资源建设中存在的一些问题，本研究建构了一种动态思维导图引导的知识资源共建共享模型。模型由“动态思维导图共建共享”、“资源向动态思维导图节点的映射机制”、“资源共建”三大模块构成，以动态思维导图的形式作为资源建设的索引并实现资源共享。基于该模型，在对Wisemapping系统作二次开发基础上，成功开发了资源共建模块。通过实证分析和问卷调查可以看出，将可视化技术应用到资源的共建共享中，成为一种有效的资源组织方式，可以很好地解决学习资源间关联性薄弱、分布异构的问题。该系统在发挥群体智慧、调动学习者的主动意识与协作意识、促进学习者对知识的主动建构方面作用显著，可以帮助学习者更高效、精确地建设和共享知识。总之，动态思维导图作为资源建设的索引，具有灵活的知识节点表征功能，能够外化学习者思维，培养学习者的创新思维和想象力。下一步研究将继续完善Wisemapping系统，一方面探究一种最合适的自主聚合方法实现快捷高效地聚合开放学习资源，并采用相关机制保障其良好、可持续性运行，实现学习者对知识资源主动建构，促进学习者自主学习；另一方面探究以“学习资源为研究视角”的资源组织与呈现方式，通过建立资源与资源、资源与人、人与人之间的关联关系，根据学习者需求及个性特征提供开放学习资源的适应性呈现，降低认知负载，实现开放学习资源有效利用。

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收稿日期 2016-11-25 责任编辑 何苗