基于知识可视化的在线学习资源设计

2020-10-23尤蕊荣冯义东方云端郑志群

海南师范大学学报(自然科学版) 2020年3期

尤蕊荣，冯义东*，黄成，方云端，郑志群

（1.海南师范大学教育学院，海南海口 571158；2.海南师范大学数据科学与智慧教育教育部重点实验室，海南海口 571158）

1 在线学习资源设计存在的主要问题

在线学习资源是指按照一定的教学目标和教学策略组织教学内容，通过录制的微小视频表现学科的教学内容和教学活动，具有交互性、共享性、开放性、协作性和自主性等基本特征[1]。它的出现，意味着学生学习方式的革命，更是改变传统教学方式的一种机遇。然而目前的一些在线学习资源，在资源的组织、内容表达结构、交互设计、资源内容设计方面仍存在问题。

（1）资源之间逻辑不够清晰

在线资源的线性堆放，会造成学习资源的检索和定位不够便捷，资源之间逻辑关系的呈现不够清晰。而学习资源的过量线性堆积会造成学生一定的心理负担，降低自我效能[2，3]；不清晰的逻辑关系则会影响学生对课程体系的把握及对整体知识的有意义建构和同化[4，5]。

（2）学习者与界面的交互性低

学习者与系统界面之间的交互，主要指通过操纵工具或按钮来达到某种目的，操作本身不会引起学习内容的变化（如全屏切换、清晰度选择等操作）[6]。信息可视化的出现，将科学与艺术联系在一起，也为我们在界面交互设计上打开一扇新大门，提供一个新视角。在界面的交互设计上不能只重视学习者与界面的行为交互，而忽视了界面的结构设计。没有层次和逻辑的导航结构不仅影响学习者的学习体验，还会降低学习的积极性。

（3）授课视频内容制作上创新性不够

美国曾进行过高度集中的注意力试验，研究证实:成人高度集中注意力完成一件简单枯燥的任务，字母打地鼠，只能维持20 min不出错，然后就会出现错误[7]。缺乏创意和新意的视频，难以吸引到学生的注意力，调动学习的积极性和主动性。

2 知识可视化在资源设计中的优势

可视化是在科学计算可视化、信息可视化、数据可视化的基础上发展的新兴研究领域，2004年Eppler和Burkhard 首次对知识可视化进行了定义[8]。国内的黄荣怀教授对知识可视化的表述为：知识可视化是指应用视觉表征手段促进群体知识的传播和创新，其实质是将人们的个体知识（认知知识制品）以图解的手段表示出来，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[9]。

一言以蔽之，可视化就是利用图解的手段高效传递知识。远古时代，没有文字的产生以前，我们的祖先就是使用的图像来交流，这并非今天的人类返祖，而是以图像和图形的方式来表述更合适，虽然不免浅俗化，但人类的天性在某一方面就是偷懒和舍远求近走捷径的。读图是人类的一种天性，视觉是一种直觉，眼耳鼻舌身，眼是第一位。视觉的形象或图本身富有生物性诱惑；视觉又是一种全方位的刺激，它不仅是展示更是一种诉求，它的力量有时候是无法抗拒的。

3 实现知识可视化的主要途径

按照国家《教育资源建设技术规范》分类，网络资源大致分为媒体素材、试题库、试卷、课件与网络课件、案例、文献资料、网络视频课程、常见问题解答、资源目录索引。在线资源设计主要包括内容表达结构设计、交互设计和资源呈现的设计[10，11]。

目前的在线课程大部分采用的内容表达结构是视频加文本。因此本文研究的可视化对象就为视频和文本。文本的可视化，可以采用文字云、概念图和思维导图等工具。文字云将学生的目光迅速聚焦到每一节的关键词上，具有聚焦思维的作用；概念图在抽象概念的解释和描述上呈现明显的优势；思维导图能激发学习者的学习潜能，具有发散思维的作用[12]。视频本身具有可视化的功能，但录制屏幕的录播课程，因为缺少学生的互动，在可视化的效果上比实时上课的录播视频可视化程度低。随着短视频在学生中备受青睐，也给在线资源的视频制作注入了一些新创意：后期的精良制作、文本的放大、缩小，图形化、符合情景的装饰物的出现，相比于纯文本的文字更能吸引使用者的注意[13，14]。Aeguisb利用简单的代码片段实现字幕文件的图形化，增强了字幕的可视化效果，弥补了录播视频不够生动形象的不足。

3.1 文字云

文字云又叫“词云”，是指将文字以某种可视化的形状展示出来[15]。在使用文字云生成图片的过程中，根据各个字段的重要程度设计大小和颜色，从而达到区分出现频率高的词和出现频率低的词语的效果。1961年，美国神经心理学家斯佩里博士裂脑人实验研究表明，人脑的左半球负责逻辑思维和文本信息类，右半球是形象思维的中枢[16]。文字云将文字与图片相结合，能充分发挥左右脑的功能，利于全脑的开发，更能促进学生的多元智能的发展。

3.2 概念图

概念图的产生是基于奥苏贝尔的有意义学习理论产生的一种教学技术，概念图的发明者诺瓦克博士对概念图的定义为：使用节点代表概念，使用连线表示概念间关系的知识组织和表征工具[17]。从定义上可以清楚地看出，概念图是一种知识的组织和表征工具，主要有四个特征:图示化、突出概念、突出概念之间的关系、突出概念之间的层次[18]。使用概念图可以帮助学习者迅速建立旧知识和新知识之间建立的有意义的连结，从而在大脑中形成网络，利于学习者有意义学习的建构。

3.3 思维导图

思维导图（Mind Map）利用有规律的文字和图片的排列方式，帮助学习者将所学到的新知识和原有存在的知识进行有意义的建构和发散，是一种激发思维和整理思维的非线性思维的方式[19]。思维导图具有关联性、结构性和导航性等特点[20]，使用思维导图可以激发自己和他人思维，能够打破时间和空间限制，实现知识的整合，帮助教师组织教学内容，有效加速学生对知识结构与架构的认识，促进知识建构，还能够避免学生因课程知识结构复杂而迷失学习方向或中断学习[1]。

4 基于知识可视化的在线资源设计案例

4.1 内容分析

本次研究采用高等教育出版社出版的由刘美凤和康翠主编的《多媒体课件教学设计》教材，全书一共分为六章，分别介绍了对多媒体教学设计具有针对性的理论基础、根据教学系统设计的基本原理和一般原则，结合多媒体课件的特点，提出多媒体课件一般和规范的教学系统设计过程，以及过程中各个阶段的具体操作程序、方法、步骤。

本门课程作为师范类学校的公共必修课，在线课程的内容设置重点要落在培养学生对美的作品的感知及创造性的制作出符合自己专业的多媒体课件上。

课程内容的具体设计方式为：每章章节开始，使用文字云工具对文字内容统计归纳，关键字用较大较显眼的文字显示，第二层次之；对于理论性很强但又基础的“多媒体课件教学设计理论基础”，利用概念图呈现；思维导图的使用应该贯穿整个课程，由资源的设计者确定主题，让学习者进行发散思维训练，制作完成的思维导图通过在线资源的交流平台与更多的人交流分享。录制的录屏视频是利用Aegisub添加符合情境的图形化字幕，但字幕的添加应避免大段的文字和过于花哨的效果，过多的文字呈现会让学习者产生认知负荷。

4.2 文字云制作案例

在线课程是按照章节和小节归纳课程内容设计，每一大章分为几个小节，每个小节又有更细的知识点划分。对于初次接触课程的学习者来说，课程的重难点不易把握。文字云的作用即利用鲜艳的文本颜色和不同的字号大小帮助学习者梳理出重点。色彩心理学中提出，高明度的色彩能给人带来轻快、明亮的感觉，但低明度的色彩会给人一种压抑沉闷的感觉。因此在文字云的设计过程中，应避免使用低明度的色彩。本次研究采用的是在线文字云设计软件“Word art”。此软件的优势在于可以自定义形状，设计时选择跟主题文字相符合的图片，能帮助学习者进一步理解新知识。

文字云的制作分为四个步骤:梳理本章的内容确定重难点；提炼每一小节的关键字；输入文字；更改默认设置将重点内容的字号加大，颜色设置为较为鲜艳的；点击生成保存为png图片格式。如图1所示。

4.3 概念图制作案例

概念图能帮助学习者梳理知识的结构与自身原有的知识建立联系，绘制概念图时将概念特征分层显示，每一层的概念结点上，只注明该概念独有的特征。同一层概念共有的特征，则注明于上一层的概念结点上。

图1 “多媒体课件教学设计之分析阶段”文字云Figure 1 "Analysis stage of multimedia courseware teaching design"word clouds

概念图的设计分为如下几个步骤：首先确定知识结构，知识结构反映的是知识的整体结构及关系；其次是分解知识点；第三是此知识点具体案例解析；第四是课外补充的内容，放在课外资源层。绘制概念图的工具选用百度脑图，此款软件界面简洁，容易上手。

将概念图的展示位置放在教学视频的前面，帮助学习者在正式学习之前先建立知识框架，从而有目的的进行学习。如图2所示。

图2 “媒体资源的收集与管理“概念图Figure 2 Concept of"media resource collection and management"

4.4 思维导图绘制案例

常用的思维导图软件有Xmind、Mindmanaer、Mindmaster、亿图图示。相比前三款软件，亿图图示拥有较多的思维导图模板，导出的格式更多样化。它能够将在线资源的思维导图导出为PPT模式，作为文档链接给学生，从而实现思维导图的再创作和分享。利用亿图图示制作的思维导图具有可共同编辑的特点，能够改善在线课程缺少教师适时引导的不足。由制作在线资源的教师绘制一部分导图，给使用者指出明确的思维方向，同时留下一些需要扩展的空间。这样就能保证，教师既掌握着学生学习主动权又没有扼杀学习者的主体地位。

思维导图最重要的作用是激发学生的创新思维，因此在主题的选择上，要注意三个原则：主题内容不宜过于宽泛，创新思维并不代表学生可以随心所欲；主题关键词要简练，具有高度概括性，留给学习者更多的可扩展外延；主题图片的选择要贴合关键字的内容，帮助学习者充分发挥左右脑的机能。思维导图的制作，分为四个步骤：确定所要绘制的主题；选取合适的制作思维导图软件，常见的一些开源类的导图绘制软件有：xmind、freemind、百度脑图等；查找需要的素材，包括图片、视频、文档等，为了保证导图的美观和节点的连续性，图片尽量使用背景透明的png格式；修改和美化，主要检查每个一级节点的主题词是否已是最精炼。如图3所示。

图3 “学习理论”思维导图Figure 3 "Learning Theory"Mind Map

4.5 在线资源的可视化字幕制作

Aegisub是一个免费、开源、跨平台的字幕编辑软件。利用简单的代码片段或者嵌套字幕模板实现字幕的图形化，也支持直接导入字幕模板。Aegisub 的标准格式是Advanced Sub Station Alpha（即ASS字幕）格式，此种格式可以记录字幕位置信息和样式信息。使用Aegisub制作字幕时，视频跟音频是相互独立的，利用声音的波频区分每一段声音的间隔，点击鼠标左键是声音的开始，点击鼠标右键是一段声音的结束。

使用Aegisub制作字幕分为如下几个步骤，首先制作字幕文件；其次使用卡拉Ok实现文字分割，右键全选文字复制粘贴到记事本中；最后导入字幕模板，将模板中的原文字删除，复制粘贴记事本中文字，在菜单栏的“自动化”中选择使用模板。视频导入时需要注意的问题是：在Aegisub中视频和音频是不同时导入的，需要先导入视频文件然后在音频选项卡中选择“在视频中打开音频”。字幕模板资源在浏览器中搜索“Aegisub动态字幕模板”下载文件。导入的字幕模板中的代码支持修改。

5 成果分析

相比于传统知识建构的方式，概念图能突出概念之间层次的特点，改变了在线资源的课程内容采用线性排列的方式。采用概念图分解出各个章节的层次关系，使学习者在对课程结构有宏观认识的基础上更好地理解、建构知识。思维导图则是将原本杂乱无章的文字以与人脑结构相似的形状结构表示出来，不仅利于学习者头脑风暴的展开，在促进学习者的知识迁移和创新能力培养上也有较大作用。使用文字云设置课程导读，将章节的出现频率最多的字、词用鲜艳颜色显示，便于区分出重难点与非重点知识，帮助学习者在学习之前有针对性的查阅资料，从而增强自主学习的积极性。