基于“图解”的可视化教学设计研究*——以《图形处理》课程为例

陈 焕，刘胜杰

（呼和浩特职业学院 美术学院，内蒙古 呼和浩特010070）

一、引言

近十几年来，国内学者关于可视化教学设计的研究主要围绕两条主线：可视化教学设计方法论研究和可视化教学技术的应用和开发研究，两条主线既有并行也有交叉，具体表现为几个方向：专业课程可视化教学设计、可视化教学资源开发、可视化工具在教学中的应用、可视化教学模型和网络教学平台的设计开发等等。在这些研究中，既有宏观层面的研究，例如动态交互教学平台的开发、对课程教学活动的可视化；也包括微观层面的研究，例如教学案例的可视化。这些研究既依托于教学团队自身的教育理论知识水平、教育信息技术能力、专业课程知识结构，以及对这三者的综合能力，也依托于教学团队所能触及的教育信息资源环境水平（硬件和软件）。在这些研究中应用到的各种可视化工具，间接地体现出不同使用者信息技术背景和资源水平的差异，而以概念图和思维导图等图解形式作为常用可视化教学设计工具的现象，既是由于思维导图和概念图在思维可视化和知识整合方面的绝对优势使然，也是由于教学设计的复杂性和可视化的技术属性所决定。

教学设计实质是一个宏观而复杂的规划过程，是教师授课前在系统分析课程教学目标、学习者、教学内容的前提下，对教学内容和教学活动进行选取、组织和顺序安排，制定教学策略，整合教学诸要素，为实现教学目标进行的计划性和决策性活动。具体包括教学情境设计、教学目标制定、教学方法和媒体的选择应用、教学评价方式设计、教学问题设计、教学案例设计等等。教学设计的可视化(visualization)正是指利用各类可视语言将复杂的教学设计过程和思想以更加直观的方式在计算机屏幕或纸本上直接表征出来[1]。应用图解作为可视化工具，可以便捷地把课程教学内容及教学过程进行结构化和体系化，其操作方式简单易用、直接直观，表征形式丰富多样、通用性强，不必受限于使用者是否具备专业信息技术背景。可视化技术的本意在于为教学增效，使学习者学习复杂问题变得容易。同理，教师在选择可视化工具进行课程教学设计时，也不应受限于外部环境资源的多寡和自身信息技术的背景差异。

基于此，本文在前人研究的基础上，首先用概括与分类的方式对可视化和图解这两大概念进行了阐释，并对图解的低技术属性及其表现形式进行了解析；然后结合《图形处理》课程可视化教学设计研究成果，分析和展示了不同教学阶段所用图解案例的设计思路和教学效用。以期更多教师能够了解图解作为可视化教学工具的实用价值，并能学习使用图解进行教学设计，提升教学效果。

二、可视化概述

国内外关于可视化的概念众多，2013年，李芒等人在《可视化教学设计方法与应用》一文中对可视化的主要概念做了较为全面的综述，并对可视化教学设计与计算机技术的关联性提出了质疑[2]。然而，在可视化教学设计的发展路径当中，将计算机技术整合到教学设计过程当中乃是大势所趋，即便说“可视化教学设计就是运用一切可能的图示（或者图解）方法对教学设计的所有环节进行分析处理，形成教学的实施方案”，[2]图解方法仍然无法摆脱与计算机技术的紧密关联，这是因为21世纪的学习是基于信息的学习，在全球信息化变革的浪潮中，教育改革越来越多地与怎样利用信息技术帮助学习者深入学习联系起来，正是在教育信息化改革的大背景下，可视化教学设计的研究得以出现和发展，混合式教学环境、数字媒体社会化，都展现着可视化教学发展的技术前景，可视化本身就是从计算机科学领域衍生出来的一门技术，对可视化教学设计的研究也必然依托于可视化的技术本质。

1.可视化的技术本质

可视化从字面上理解，意思是“使……变得可见”，……是指复杂的、快速的，人们难以通过直接观察而获得的现象、活动，包括内隐的思维、观念等这类难以使用文本语言形象表述的信息。变得可见则具有双重含义：如何可见和对谁可见。如何可见是指通过计算机技术来创建图形图像、视觉模型与模拟、动态交互等视觉手段，实现信息集成，把信息表征出来，这是信息加工的过程，即信息输入；对谁可见则是指信息输出，是指这些加工完成的视觉信息要传达给学习者，以促进学习者快速读取和深入理解信息。因此，可视化的技术本质包含如下三重含义：

（1）可视化是基于计算机技术的信息加工工具（技术）

可视化是对不可视信息、不可言传信息的技术加工，在这个加工过程中，需要借助于各种计算机技术把这类信息转化成视觉材料，例如：运用软件iMindMap绘制思维导图，既要学习思维导图的绘制原理（技术），也要习得iMindMap软件这门技术；即便是手工绘制概念图，也要学习如何绘制概念图这门技术，而手工绘图在识别性方面相对于计算机制图显然处于劣势。

（2）可视化是基于人类视觉感知的信息加工过程

这些视觉材料的加工根基于人类视觉感知的基本处理过程，比如密切相关的要素间的空间接近性和使用箭头指示方向或移动（Tversky，1995；2001）[3]。

（3）可视化是用来提升学习者认知水平的一种工具

相对于文本，视觉手段传递信息更加有效，视觉信息需要较少的工作记忆和认知转换来处理信息并做出推论[3]。也就是说，可视化的根本目的在于减轻学习者的认知负荷并促进学习者理解信息，提升学习者的认知水平。

2.可视化的分类

为了进一步理解和阐释可视化，本文对可视化做了如下分类：

（1）按照可视化的表现形式分类

目前常见的可视化形式主要分为静态可视化与动态可视化两种表现形式，静态可视化是指静态图像，比如概念图、思维导图等图解形式就属于静态图像；动态可视化是指动态图像，比如动图、动画、视频、动态交互等。结合技术，静态图像也可以进一步加工为动态图像。在教学中，静态可视化主要用于帮助学习者获取和观看稳定的信息，学习者可以自己控制阅读解释的速率，能够随时回顾信息，进而强化认知和记忆；动态可视化常用于解释复杂的动态过程（化学反应、操作流程、活动情景等），还有一些难以从静态图像中推知的信息，能够带给学习者更深层次的认知，并能通过互动和回应促进学习者构建新知识和解决问题。

（2）按照可视化形式的运行机制——实现技术的难度分类

可视化形式的运行机制是指实现静态可视化或动态可视化需要运用的软件、网页、平台等工具和技术手段。按照实现技术的复杂程度，可分为低技术可视化和高技术可视化。

低技术可视化主要指如概念图和思维导图等图解之类的静态图像，以及制作这些图形图像需要的网页、通用软件等工具，其主要特点是实现可视化的技术难度低、简单易用、通用性强、普及率高。例如教学中普及率最高的PPT演示软件，它在企业里也常被用于内部培训和信息交流，PPT虽然主要被用于基于线性思维的文本信息演示，但是它也可以用来制作图解，并能添加动效；Word软件里的图示工具和各种结构图模板也同样可用于制作教学图解，使用起来非常便捷。高技术可视化是指动图、动画、视频、动态交互可视化，以及制作这些图形图像需要的网页、专业软件等工具和技术手段，其主要特点是实现可视化的技术难度高、较为复杂、专业性强、普及率低。例如运用Camtasia Studio制作微课程就属于高技术可视化，它在操作上费时费力，既需要自行下载（购买）、安装，还要学习软件教程。因为并不是每个教师都有能力和条件掌握（或购买）专业技术（软件），所以一些高技术可视化教学资源通常会采用付费外包给专业制作公司制作的方式，或者由跨专业教师团队一起合作来实现。低技术可视化和高技术可视化的特点如图1所示。

图1 低技术可视化与高技术可视化的特点

可视化技术的高低划分并不存在绝对界限，随着技术进一步智能化和普及率的提升，高技术可视化会向低技术可视化发生迁移。同时，不同使用者因其自身的技术背景差异对可视化技术的高低也会有认知差异。

图解从表现形式上来讲，是静态可视化，在运行机制上属于低技术可视化，其优势在于在资源获取和实现表达两方面都相对容易，这也是图解被广泛应用于教育教学等领域的重要原因。

三、图解的界定

本文主要依据广义的图解概念、图解的构成要素对其涵盖范围进行界定，划分并列举一些教学设计中较为常见的图解类型。

1.图解的定义

广义的图解（Diagram）是指通过使用图形、图画来分析和阐释主题的各种表现形式。

不同于传统意义的线性文本，图解是通过运用图形、图画对复杂信息的功能性整理和视觉化。图解实质是一种简化信息的“结构图”，能够简单清晰地呈现出信息全貌。对学习者来讲，仅仅出示一张结构图就能使他们了解大量的知识本质，这些不仅仅是把一系列相关观点松散地连接在一起，而是组成一个相关范畴的类别和原理的紧致的结构网络[3]。正所谓“一图胜千言”，在帮助学习者获取知识和记忆知识方面，图解是一种清晰有效的可视化教学手段。

2.图解的构成要素

图解是由图（几何形状、线条、箭头、图标、图形符号、图片、插画）、文（关键词、数字、标题、短句/段落）、色三大要素构成，它们的构成关系如图2所示。虽然叫做“图解”，但是在图解当中，文字和图形扮演着同等重要的角色，二者必须结合使用来帮助学习者领会和认知信息；而图形和文字又同是色彩的载体，需要通过色彩来区分不同类别的信息，以及运用色彩的情感属性提升学习者对信息的感受性。

图2 图解的构成要素

3.图解的表现形式

图解有诸多表现形式，本文无法一应俱全，文中列举展示的主要是在教学中应用较为广泛的几种图解类型，如概念图、思维导图、表格、金字塔图、雷达图、流程图、维恩图、饼图、柱形图以及图文内容表达更为丰富的信息图等（见表1）。因为信息图并不拘泥于某种既定形式，因此在表中仅用文字来表述。

表1 图解的表现形式

表1仅仅展示了不同图解类型的框架结构，以便于读者对各类图解的直观认知。按照结构的差别，图解可分类为层形结构、列形结构、网状结构、放射结构、复合结构等。表1中列出的每种图解还包括多种变体，如流程图根据过程的不同可分为循环流程图、顺序流程图等，根据专业的不同又可分为业务流程图、程序流程图、数据流程图等。不同类型的图解，是由不同的思维逻辑形成的不同的信息组织结构，通过空间形式的变化来表达各个概念（或思想观点）之间的平行、递进、对比、包含、环绕、趋势等关系。关于各类图解的功用，可参见2010年李建年《试论可视化认知工具在大学教学中的运用——促进学生深度学习的方法》一文中的可视化认知工具一览表[4]和2005年熊频、胡小勇《可视化思维支架：概念图研究的新视角》一文中的常见图形组织器类型[5]。这两篇文章中提到的可视化认知工具和图形组织器其实质就是图解，概念的差别在于前者是依据认知心理学等理论进行的定义，而本文则是从其本质进行的界定。

同样的图解形式会被应用于不同行业，例如雷达图最早是用来评估日本企业界的综合实力而采用的一种财务状况综合评价方法，而现在它也可以用于消费者心理分析、设计风格定位等多属性体系结构对象的全局性、整体性评价。而同样的主题也可采用不同的图解结构类型来进行信息组织与可视表达，或是不囿于已有形式来自行设计，如图2即是维恩图和放射结构结合设计的一个新型图解，形状设计整体看起来像两只眼睛，既是为了体现图形和文字的同等重要关系，又以此寓意图解的视觉传达功能。这种不拘泥于既定形式的特性也是图解的发展趋势和优势所在，图解因其自由多样的表现形式，可以为不同教学设计者的功能需求和使用偏好提供选择的便利。

四、图解在《图形处理》课程教学设计中的应用

那么，在教学设计中图解是怎样实现其可视化教学设计工具的作用呢？笔者通过解析《图形处理》课程教学前、中、后三个阶段分别设计制作的一些图解案例，来展示不同图解的设计思路和教学效用。《图形处理》是一门基于矢量软件（CorelDRAW或IIlustrator）的图形绘制与设计的技能型课程。该课程可服务于平面广告设计、界面设计、产品效果图绘制等专业领域 （以下简称为课程）。

1.图解在课程教学预设阶段的应用

40多年前，奥苏贝尔提出“先行组织者”这一概念，认为它适用于课前任何以图形式出现的引导性材料，无论是流程图、图表、表格、模型、网络、地图或者其他[3]。图解应用在教学预设阶段，即是作为一种先行组织者，可用于学情分析、课程定位、教学内容的分析与组织、制定教学大纲、为学习者提供知识组织结构图等。

这个阶段的图解设计是一个化整为零、化零为整的解构与重构过程，是通过对教学诸要素全面的分析分解，把教学的主体性知识以及知识之间的关系进行框架搭建和结构组织的过程。以图3来解释该复杂过程。

图3中的图解①是课程教学设计包括的基本要素分解图，是对课程教学的整体解构，课程教学设计一般包含五个分项，在此基础之上可以再细分为十个基本要素，这张图解对于多数课程都具有普适性。图解②是其中一项基本要素解析的例举——课程定位分析图，通过这张图解我们可以直观理解《图形处理》课程在广告设计与制作专业课程体系中承前启后的关系定位。图解③是教学内容设计图，从这张图中可以看到教学诸要素之间的紧密关联，正是基于前几项要素的分析结果，以此为限定条件来严谨设置课程教学内容；而教学内容的框架搭建又依据不同教学情境分为四个组块，每个情境中又分别设定独立的任务模块，通过对教学内容的碎块化和模块化，以由简到繁、循序渐进、层级递进的知识关系形成一个相对独立又相互关联的教学流程。这样的教学内容设置方式使得教学任务实施非常灵活，无论是用于不同的矢量图形软件教学，还是用于不同专业的教学需求，都能弹性应对。

在结构组织方面，图解①选用了层级结构形式，图解②是以流程图结合放射结构形式，图解③则是树状图结合流程图，并以植物生长和灌溉系统的造型来寓意学生培育的成长过程。色彩的作用在于分类和分区，加强视觉感知。课程教学的每一项基本要素都可以通过这样的图解方式来分析和表达。

在实现技术方面，这几张图解都是在PPT里完成的，仅需使用它的绘图工具、基本形状、颜色填充等常用工具就可以完美呈现，即便是更加丰富的表达效果，或者制作一些高密度信息图类的教学图解，PPT也都可以胜任。但是如果需要单张高清的图片格式（JPG、PNG等），则需另行选用相对专业的绘图软件来完成。

在教学预设阶段运用图解，能够直观呈现教学设计者的思维和想法，不同于概述和总结，它能够把课程知识之间的结构层次关系很好地描绘与展示出来，不仅能帮助教师全面检视自己的课程设计是否是一个合理的结构体系，同时又方便学习者全面认识教学过程的全貌。

图3 《图形处理》课程教学设计图解

2.图解在课程教学实施阶段的应用

图解在教学实施阶段的用途同样广泛，可以用于概念释义、教学案例阐释、章节概要、数据对比分析等内容的可视化表达。在《图形处理》课程教学当中，教师会为学生操作演示大量的图形绘制案例，并且会把重点案例录制成视频方便学生课下自学，既然已经有了视频教程这样的动态可视化资源，为什么还会应用到图解呢？图4展示的这个教学案例图解，是对图形对象绘制过程的重点提要，图中把图形对象的构成元素进行了分解，目的是教会学生把一个图形理解为多个基本形状和图层的组合构成，学生首先要学会对图形进行正确的分析分解，才能学会运用基本形状工具来实现造形，这是图形设计当中非常重要的学习方法——形体分解法。如果学生单是观看视频，视频虽然能详尽演示案例的操作过程，却没有展示思考分析的过程，这会让学生不自主地把注意力集中在制图步骤和工具使用上面，而对图形的构成却没有深入的理解，那么在后期的深度学习当中就很难发生知识迁移与学会举一反三。同时，这样的图解对于软件基础较好的学生而言更为节省时间，仅看这一张图中所呈现的知识要点即可掌握要领，既方便记忆又能随时回顾与思考，而且节省时间。而对于软件基础不足的学生，单独呈现这张图解则会使其不得要领，需要结合视频教程逐步演示学习更为有效。

图4 《图形处理》课程教学案例图解

3.图解在课程教学评价阶段的应用

图解在教学评价阶段可以用于教学结果呈现、班级成绩分析等方面，目的在于通过信息视觉化帮助教师客观准确地评价教学效果，同时也可以加深学生的自我认知。教师对自我教学效果的分析主要依据形成性评价和终结性评价来进行。教学和评价是一个相互依存的整体，在课程教学的各个阶段，教师都要通过教学评价了解学生的学习效果，并为学生提供行之有效的反馈意见，进而提高教学的有效性，这类评价属于形成性评价。而终结性评价则是课程最后考评学生能力并记录存档的成绩。终结性评价的视觉呈现方式较为常见的是柱形图，也可使用散点图。

如图5中的图解①，通过这张散点图可以清楚地观测到班级学生在《图形处理》这门课程中的最终成绩分布情况，但这张图解仅能体现出每个学生在班级里获得的相对于整体的分值。而图解②则使用了折线图来呈现单个学生六个由易到难的阶段作业的得分情况，通过折线变化可以知悉该生的能力起点、在不同作业阶段的技能获得情况、学习过程的进步情况和努力程度。如果把三个学生的分析结果重叠在一张图解上，则使不同学生的个体差异得以体现（图解③），这是形成性评价和终结性评价相结合的好方法，增强了整体评价的可靠性和稳定性。当然，图解③适用于小范围典型个例分析，如果是较大的班级容量则不太适用，数据过多识别性就会被削弱。

图5 《图形处理》课程成绩图解

五、结束语

在信息技术高速发展的今天，除却各大院校自主开发或定制的网络教学平台，教师在日常可选择使用的线上线下可视化教学工具也层出不穷，如：思维导图制作软件 iMindMap，微课制作工具 ShowMe、Educreations、汗微·微课宝等，但这类工具优先服务于iPad、iPhone的使用者，还有一些仅提供在线编辑功能，如果需要保存文件则需要付费使用，语言也多以英文为主。而一些更高级的技术还需要最新的计算机硬件支持，这些花费对于普通师生都太昂贵了。再就是对于信息技术水平不高的教师而言，许多软件操作起来困难重重，需要花费较高的时间成本，教学思维也会因此受到干扰。除却这些人力物力的成本因素，技术手段也并不是越高端就越有效，无论采用何种高端技术去实现教学设计可视化，都需要以合理建构的教学内容为前提，而在建构教学框架、结构化教学内容方面，图解的教学效用是显而易见的：从设计者（教师）的角度而言，图解在技术操作上简单易上手，既能为教师节省时间和金钱，又能避免文本叙事型授课的过度填充和低效能；从学习者的角度而言，图解在认知和理解信息方面简洁明了，能为其展示学科知识体系的层级结构图，并能帮助其搭建自己的认知架构，促进其大脑视觉想象力的发展。虽然图解在结果呈现上看起来很简单，但其设计构思过程却非常复杂，需要大量翻阅教学资料、收集教学资源、学习视觉传达的相关知识、画草图、推敲结构关系等等。而这些工作内容，才是真正能够有效提升教师信息素养和教学水平的“教育技术”。在教学设计的路途中，提升教学效果是一个渐进的过程，而学习使用图解作为可视化教学工具也是如此，期待图解能够成为每位教师的教学利器。