可视化教学生态化发展的知识图谱分析

邓烈君　王小根　王露露　范水娣

[摘要]

可视化教学是促进学习者视觉思维和认知过程的重要手段。木研究基于教育学36种CSSCI期刊及15种CSSCI扩展版期刊的所有相关文献数据，绘制了可视化教学相关研究文献的牛态化发展知识图谱，并对其进行了脉络发展的回顾以及生态现状的梳理。研究发现，可视化教学研究成果呈指数趋势增长，经历了短暂的萌芽期，现处于增长初期阶段；形成了以科学知识图谱、可视化教学设计、知识可视化、数据可视化为主要内容的四个主题，主要知识结构已趋于稳定，同时伴随有年代热词的加入；知识可视化方向的理论研宄与科学知识图谱方向的综述研究是该领域信息生命价值最高的研究类型，其他研究尚薄弱。

[关键词]

可视化教学；知识可视化；科学知识图谱；生态化发展

一、引言

可视化教学（Visual Instruction）研究如何利用图形图像、动画视频等视觉表征手段以及思维导图、知识地图等视觉认知辅助工具，将抽象的教学内容具体化，并经由相应的教学活动内化为学习者认知结构（叶新东，2014）。随着可视化技术和认知科学的发展，特别是可视化为学习者带来的“认知残留”对思维和认知过程的影响，可视化教学已成为促进学习者视觉思维和认知过程的基础和特殊的手段。

广义而言，可视化教学伴随着人类教学媒体的历史而发展，从前视觉媒体时代的地球仪、地图、黑板等，到视听媒体时代的幻灯片、投影，再到网络媒体时代的新媒体，可视化教学的环境、模式、特性和内涵都发生了变化。如果说前两个阶段的变化漫长而单一，那么第三个阶段可谓是“百花齐放、日新月异”，单从学习环境来说，计算机学习、远程学习、移动学习、混合式学习快速改变着学习者的学习方式，可视化工具的开发及应用几乎呈爆炸式增长。有学者甚至提出了新发展阶段，即多维媒体时代的可视化教学，媒体与认知、网络与协作相辅相成。从狭义来说，“可视化”作为专业术语最早源于1987年，美国国家自然科学基金会（National Science Foundation，简称“NSF”）提出的“科学计算可视化”（赵国庆，等，2005）。本文所说的可视化教学是从科学计算可视化等发展起来的教学手段，是在教学中利用视觉表征方法促进群体知识的传播和创新（Eppler&Burkard，2010）。事实上，可视化教学研究数量繁多，成果丰富，方向不一，有必要对已有研究进行梳理和分析，探究其研究热点，理清其演化脉络，预测其发展方向。

关于生态学（Ecology），德国生物学家Haeckel将其定义为研究生物体与其周围环境（包括非生物环境和生物环境）相互关系的科学（刘森林，2008），它强调系统各要素间相互作用的规律和机制，其中关于系统、开放、自组织以及动态平衡的哲学意义（彭福扬，2011），不仅是建设生态环境、实现科学和可持续发展的依据，更是人们认识世界的一种思维方式，因此，现代科学发展中出现了“生态化”的趋势，其实质是对事物整体性、系统性、动态性关系的把握（余嘉云，2006）。面对可视化教学中纷繁复杂的研究成果，以生态化发展的理念对其进行梳理，是一种系统观、整体观、动态平衡观下的综述。

科学知识图谱是以知识域为对象、显示科学知识的发展进程与结构关系的图像，具有解释与预见研究领域的理论功能（陈悦，等，2015），是一种以可视化图谱看世界的方式。从著名哲学家卡尔·波普尔（Karl R.Popper，2005，pp.123-173）三个世界的宏观哲学理论出发，客观物理第一世界和人类感知第二世界需相互作用才能形成客观知识第三世界，而科学知识图谱，是人类感知第二世界以视觉思维方式分析客观知识第三世界的文献从而透视客观物理第一世界的一种工具，如图1所示。因此，借助科学知识图谱分析可视化教学的学科结构及其发展脉络是与其生态化发展相辅相成的。

二、数据来源与研究方法

中文社会科学引文索引（Chinese Social Sciences Citation Index，简称“CSSCI”）由南京大学中国社会科学研究评价中心开发研制，是我国检索中文社会科学领域论文收录和文献被引用情况的重要工具。本研究以中国知网（China National Knowledge Internet，简称“CNKI”）为数据来源，选取了教育学36种CSSCI期刊及15种CSSCI扩展版期刊，以“主题=可视化”为检索条件，时间不限，共检索到361篇文献，去除6篇资讯类非学术性题录，最后得到355篇文献题录，检索日期截至2016年3月15日。

借助文献引文分析工具CiteSpaceⅢ、文献题录分析工具SATI、社会网络分析工具Ucinet、Netdraw等，对355篇文献进行了数频统计分析、作者及其所属机构合作網络分析、主题关键词共现网络分析，以解释并预见可视化教学研究在教育学领域的学科知识结构。

三、研究结果与分析

（一）生态化发展的历史回顾

1.文献数量分布

对355篇文献按照时间数量进行统计，形成如图2（1）的可视化图表，从图中可以看出，教育学CSSCI杂志中关于可视化的研究文献最早开始于1996年。1996年到2003年之间年产文献量均小于5篇，2004年至2010年年产文献量呈现缓慢增长的态势。2011年至文献检索日期，年产文献量增长迅速，有快速增长的趋势。总体而言，可视化研究文献的数量目前呈指数趋势增长，这种趋势就如同自然环境中典型的生物种群数量增长曲线，如图2（2），a点之前为种群的萌芽期，a-c阶段为种群数量快速增长期，c点达到峰值，c-d阶段为种群数量的成熟期。可见，目前教育学关于可视化的研究处于a-c阶段的增长期。

结合文献内容分析，可从文献年产量增长特征中归纳出两个特点：

第一，可视化作为专业术语应用于教学的年限不长。“可视化”作为教育学领域关键词首次出现于1996年，蔡大用等在“高等数值分析课程改革初试”一文中提到“计算机可视化”，但未对“可视化”做任何解释与阐述。之后的1998年，吴淑慧发表于《中国电化教育》杂志的“可视化技术概述”一文，首次对计算机“可视化”进行了方法、关键技术、工作过程以及建模过程的阐述。2005年，知识点网络可视化、概念图算法被提出，“可视化”从学习环境及资源可视化聚焦到知识结构可视化，赵国庆等详细阐述了“知识可视化的理论与方法”，单篇文献引用频次达325次，为知识可视化研究提供了有效的理论基础。2007年，彭绪梅等首次运用科学计量学中的可视化技术，通过关键词共词知识图谱分析了国外创业型大学的研究热点，科学知识图谱成为教育学文献分析的重要方法。

第二，可视化教学研究呈指数增长，目前正处于增长期。1996年至2003年“可视化”教育研究文献数量增加不大，2004年至2010年增长缓慢，2011年至今增长开始加速。如果说20世纪末至21世纪初期，可视化教学经历了短暂的萌芽期，那么21世纪初期至今，可视化教学进入增长期阶段。随着未来可视化技术的发展，可视化教学研究会继续发展并成为教育学领域的研究热点。

2.关键词共现时序分布

对355篇文献的关键词及其时序进行统计分析，抽取词频排列前100的关键词生成共现时序矩阵，导入Netdraw中，生成关键词共现时序分布知识图谱，如图3所示。图中黑色方块代表时间节点，灰色圆圈代表关键词节点，关键词节点与时间节点间有单向箭头连线，代表关键词共现的时间，如“可视化教学”节点指向“1999年”、“2013年”和“2014年”，表示“可视化教学”作为高频关键词首次出现于1999年，后又出现于2013年和2014年。

从图中可以归纳出两个趋势：

第一，可视化教学研究的关键词突现概率呈正态分布。2011年之前，1999年和2002年分别突现了一个高频关键词，而后从2004年的2个突现关键词迅速增加到2011年的23个，达到突现顶峰。2011年之后，突现关键词逐年减少并呈现出稳定突现的趋势。这种从大幅增加到逐渐减少的正态分布态势与文献年产量的发展态势相一致，2011年可谓“可视化”教育研究中的关键节点。

第二，可视化教学研究的主题趋于稳定，同时伴有年代热词的加入。2011年之前突现的关键词如“可视化教学”“知识可视化”“信息可视化”“数据可视化”“概念图”“知识图谱”等均在2011年之后大量被引用研究。2011年之后，随着新视角与新技术的变迁，如“教育大数据”“学习分析”“微课”等也跨入“可视化”行列。

（二）增长期生态现状分析

1.作者及其所属机构合作网络分析

对文献的作者及其机构统计分析，由CiteSpaceⅢ生成混合网络知识图谱，如图4所示。

从发文频次上看，辽宁师范大学教育学院24篇，发文最多，其次为发文23篇的南京师范大学教育科学学院以及发文22篇的华南师范大学教育信息技术学院。另外，华东师范大学教育信息技术学系、河南大学教育科学学院、河南大学现代教育研究所、清华大学教育研究院、陕西师范大学教育学院、华中师范大学信息技术系、东北师范大学计算机科学与信息技术学院、安阳师范学院教育信息技术与传媒学院发文均超过1 1篇。其中，河南师范大学赵慧臣发表论文21篇，成为发文最多的作者，辽宁师范大学潘黎发文19篇位居第二，河南大学蔡建东和华东师范大学顾小清均发文16篇并列第三，侯建华、赵蔚、赵国庆、兰国帅、杜华、魏顺平、黄荣怀等均发文10篇以上。可见，可视化教学研究的主要单位为师范类大学或具有教育学科优势地位的高校，可视化教学是教育技术领域学者的研究热点。

2.高影响力文献分析

文献的被引用次数是该文影响力和认可度的重要标志。对当前文献被引用频次进行排序，列出排名前10位的文献，如表1所示，可以发现可视化教学高影响力论文主要是理论类和综述研究类文献。其中，5篇文献是关于知识可视化的理论探索，3篇文献是关于可视化教学环境建设，2篇文献是关于文献计量可视化综述，而实证研究类文献还未进入高影响力前列。我们知道，科学发展特别是科学知识体系的发展，总是在“事实-理论-新的事实-新的理论……”这样的模式中不断继承和创新的，可视化教学的发展也正如此。结合表1可知，可视化教学在“知识可视化”方面已经获得了诸多理论成果，但其在实践中的应用仍处于探索阶段，这也呼应了前文“可视化在教学中的应用处于增长初期”的推论。

3.研究主题分布

对文献的关键词进行统计分析，抽取词频排列前60的词生成共现矩阵，导入Netdraw中，生成关键词共现网络知识图谱，如图5所示。通过其聚类分布情况，发现教育学对于“可视化”的研究主要集中在四个维度：科学知识图谱、可视化教学设计、知识可视化以及数据可视化。其中，每个维度代表关键词及其词频分别为：科学知识图谱维度包括知识图谱（46）、研究热点（22）、可视化分析（20）、社会网络分析（18）、共词分析（12）；可視化教学设计维度包括教育技术（10）、MOOC（9）、教学设计（9）、移动学习（7）、协作学习（6）；知识可视化维度包括知识可视化（35）、概念图（14）、视觉表征（10）、思维导图（6）、本体（5）；数据可视化维度包括信息可视化（10）、学习分析（8）、数据可视化（5）、数据挖掘（4）、大数据（3）。

第一，科学知识图谱在前沿与热点研究中具有解释与预见的理论功能。由关键词共现网络可知，科学知识图谱维度的关键词共现网络较集中，包括1侣篇相关文献。科学知识图谱作为一种研究工具，主要通过可视化方法展示科学知识的发展进程与结构关系。教育技术学引入科学知识图谱，可形象地描绘教育技术学领域知识结构与发展脉络，是研究生教学及科学研究的重要工具。图谱显示，目前该领域利用科学知识图谱研究的热点主题包括（其中将相似关键词拟为同一热点）“MOOC”（包括“慕课”“大规模在线开放课程”等）“移动学习”（包括“m-learning”）“知识可视化”（包括“知识结构”“思维可视化”等）“高等教育”“高等教育管理”“教学设计”“远程教育”“翻转课堂”“协作学习”（包括“CSCL”）“创客空间”（包括“创客教育”“创业教育”等）“游戏化学习”“学习者模型”“平台”“动画技术”“学习评价”“电子书包”“混合学习”“教师专业发展”“终身学习”“大学文化”等。

第二，可视化教学设计重点关注学习者的认知及知识建构。计算可视化是最早应用于教育领域的相关技术，通过文献内容分析可知，可视化教学设计侧重从学习者认知方式及知识建构的角度出发，为学习者构建可视化教学环境、实施可视化教学策略和教学活动，提供可视化教学工具和资源。

可视化教学环境层面，李妍（2005）通过对美国CoVis项目的解读，认为可为学习者建构可视化协作学习环境，包括选取开放性探究主题、构建可视化学习工具、开发协作互动学习平台、建立远程导师数据库、提供可视化资源等。此后的可视化教学研究主要依从教学环境的主要要素：可视化教学策略和教学活动、可视化教学工具、可视化学习内容和教学资源、可视化教学网络平台等。随后兴起移动学习的浪潮，李亞男等（2013）强调了移动学习过程中的知识传播和同伴交互作用，并提出可视化移动学习环境中的关键技术：知识结构可视化导航技术、可分享的可视化协作工具以及基于学习对象的学习伙伴推荐技术。之后，可视化资源导航、可视化协作工具也成为可视化教学环境中的研究重点。

可视化教学策略层面，林九如等（1999）针对机械操作中的动作技能知识提出可视化教学法，包括电化教学法、现场教学法、实验法、模型演示法、计算机辅助教学法（Computer Aided Instruction，简称“CAI”），并认为将CAI课件应用于教学过程可以提高学习兴趣、促进理解以及计算机操作能力。针对阅读与写作中的文本知识，马兰等（2004）根据美国当代教育心理学家威特罗克（M·C·Wittocrk）提出的生成学习模式，即动机、注意、记忆和生成，分析了生成学习模式构建文内联系和文外联系的特点，介绍了类比、画图、列标题等相关策略，并提出可视化图形使思维过程外显可观，知识生成迅捷牢固，促进知识迁移。

可视化教学工具和资源层面，陈述性知识的可视化教学研究占90%以上，主要侧重知识呈现、结构分析以及过程模拟，其中还原知识本源的概念图、文字云图、知识地图等占60%，反映概念、命题关系的思维导图等占23%，模拟仿真反映事物本质与过程的visualEyes等占9%，其他综合类工具占8%，如表2所示。它们成为可视化教学中的重要支持工具和学习资源，对学生成绩、认知技能以及学习情感均产生积极影响。而在资源建设中，除了视觉化资源本身外，基于资源迷航等网络环境中独有的问题，资源深度聚合、可视化导航以及个性化推荐迅速成为研究热点。余胜泉等（2009）在联通主义理论指导下，提出了基于学习元的资源组织形式，并以标签形式实现了资源的可视化聚合。黄涛等（2015）将“知识地图”“本体”“知识元”等引入资源的组织中，通过知识地图实现了可视化资源导航与检索，以及基于认知缺陷的个性化资源推荐。姜强等（2015）受认知负荷理论和资源有限理论的启发，从不同学习风格出发，研究了视觉型、听觉型、读写型和动觉型对资源类型的偏好，设计实现了基于学习风格的多媒体资源适应性推送和序列可视化。

第三，知识可视化研究的信息生命价值逐渐增高。知识可视化作为在科学计算可视化、数据可视化、信息可视化基础上发展的新兴研究领域，以其同时以视觉形式和语言形式呈现信息的理论特点，能够更大限度地连接人脑认知模式，增强认知、记忆与理解。结合表1，统计其中5篇关于知识可视化文献年被引率，如图6（1）所示。发现5篇文献被引用量正逐年增加，这种趋势符合信息生命周期理论（索传军，2010）中关于“网络信息创建后要经历萌芽、增长、成熟、老化甚至死亡的生命过程”的描述，而且从趋势图看，知识可视化理论研究的信息生命价值逐渐增高，可见这种视觉认知与语词语义的双重优势使“知识可视化”成为教育学研究的重要方向。

知识可视化作为认知心理学与人工智能研究的桥梁，涉及多学科理论与方法，存在多研究视角和取向。如赵国庆等（2005）传播取向的知识可视化研究，他认为知识可视化的本质是通过视觉表征从而促进知识的传播与创新。在之后关于“知识可视化”定义的研究中，赵国庆（2009）认为知识可视化不仅是一个研究领域，而且是一门新兴学科，目的在于研究如何应用视觉表征改进两个或两个以上之间复杂知识创造与传递。显然，这种取向强调以图解和概念的手段表征知识，着重知识的呈现，常用的表现方式包括概念图、思维导图等。之后，权国龙等（2016）认为，关于视觉文化的研究属知识可视化研究的范畴，在学习过程和学习资源的开发与建设中，视觉元素在理论上具有指导性作用，视觉符号中的实体、抽象物、符号结构和意义与知识表征中的要素一致，是知识可视化研究中一种独特的视角，这种视觉文化视角下的知识可视化注重艺术哲学和多元审美，在课件、教学视频、教育游戏等中都有体现。

在知识可视化理论与方法的指导下，可视化工具的开发和教育应用也在逐步探索中，伍国华等（2011）研究发现，在指导学习条件下，小组协作具有最优的教学效果，且不论是单独学习还是小组协作学习，步骤图比概念关系图的效果更优。同时，相对于网络课堂，概念图、思维导图等可视化工具在传统课堂上使用的效果更好。权国龙等（2015）通过对远程协作学习的实证研究发现，影响图示工具使用的主要因素是任务相关性、计算机自我效能感、感知易用性和感知有用性。

第四，数据可视化依托于在线教育中的有效数据。数据可视化是在大数据的背景下，借助图形图像让用户直观了解数据本身，分析可视化数据背后的信息价值，以“揭示趋势、探索来源、获取新知”。在教育领域，数据可视化主要应用于两个层面：教育数据挖掘与学习分析。

教育数据挖掘是通过学生管理系统、在线学习平台和课程管理平台中关于学习者学习行为、学习成绩、学习情境以及个性特征等数据，发现学习者学习效果与学习内容、学习资源和教学过程间的关系，以预测学习者学习趋势的技术和方法。目前，关于教育数据挖掘的研究主要集中在三个方面：①呈现。以可视化直观形式揭示现象，如通过图形图像展现整个学习领域的现状。②预测。以多因素变量预测相关变量的发展，如通过学习者学习过程、个性特征、学习偏好等数据预测学习成绩，并为其提供预警。⑧聚类。将海量无序对象聚类为相关性维度，如有研究者通过学习者不同风格和偏好，将学习者聚类为不同群体，以为其进行适应性资源推送；另有研究者通过资源的知识结构，将资源聚类导航，以方便学习者检索。

学习分析以学习者为中心，通过分析学习者学习过程、学习表现的相关数据，对课程、教学和评价本身进行调整，以促进更有效的学习。学习分析与教育数据挖掘的区别在于教育数据挖掘更侧重数据本身的聚类、模型的构建从而找出数据背后隐藏的有效信息，而学习分析更侧重通过学习者的过程性数据分析学习绩效，从而对课程内容、教学策略进行规划整理，个性化资源推荐就是其中一个重要的研究方向。

四、研究结论与启示

首先，从生态化历史发展的脉络来看，可视化教学研究呈指数发展趋势，在短暂的萌芽期（20世纪末至21世纪初）后，可视化教学研究正处于增长初期（21世纪初至今），并在不断演变过程中逐步形成了以科学知识图谱、可视化教学设计、知识可视化、数据可视化为主要内容的四个横断面，其知识结构已趋于稳定，并同时伴随年代热词的加入。

其次，从增长期的生态现状来看，师范类大学或具有教育学科优势地位的高校及其教师团队成为可视化教学研究的重镇，知识可视化方向的理论研究与科学知识图谱方向的综述研究是该领域信息生命价值最高的研究类型，实证研究尚待提高。

最后，可视化教学研究的四个横断面主线明确且交叉发展。其中，对于科学知识图谱的研究主要集中于主题热点的发现；知识可视化研究集中于概念图、思维导图等对学习成效的影响，这种成效又经常与教学策略的影响相结合，如协作学习、独立学习等；数据可视化研究集中于数据挖掘和学习分析两个层面；可视化教学设计研究相对分散，主要着重于移动学习、翻转课堂、智慧校园等多维学习环境的构建。

可视化教学研究的生态化发展及脉络分析对其今后的发展具有预见与指导意义。第一，科学知识图谱作为文献计量分析及可视化的重要工具，在研究学科知识演变规律、热点发展的过程中具有解释、预见世界的理论功能；第二，知识可视化可向多元视角发展，如传播视域下的知识可视化注重视觉表征过程中的认知规律，重点研究对象包括概念图、思维导图、语义地图等，视觉文化视域下的知识可视化注重美学要素，重点研究对象包括各种多媒体教学资源；第三，可视化资源聚类导航成为教学资源设计中知识服务的新途径，随着网络学习资源从整合到聚合的发展，利用语义标签、知识地图、知识元等对资源进行可视化聚类在各类网络平台中得到应用，其与个性化资源推荐的结合使得网络学习资源在社会网络中更加联通；第四，数據可视化依托大数据的背景，海量数据以及有效数据的获得成为学习分析与数据挖掘过程中最大的障碍，因此，网络学习过程数据的记录系统越来越重要，数据的客观性、准确性以及代表性是学习分析有效性的保证。