视觉设计思维下科学信息可视化研究

摘要：随着读图时代的到来，可视化面向人群的扩展，科学信息表现出由数据、文本向图像转变的趋势，合理运用视觉设计思维对科学知识进行可视化，能更好地满足科学信息的大众传播需求。文章首先梳理科学可视化的发展历程，在此基础上界定科学信息可视化的概念。早期的科学信息可视化主要表现为对科学内容的简单图形说明，比如阿基米德在沙子上绘制的几何图形、地理学上用等深线法来表示河流的深度和河床状况、生物医学中通过人体解剖绘图展示人体内部构造及运作模式等。在将传播学与科学可视化研究相结合的理论提出后，科学信息可视化的呈现形式出现了更多的可能性。文章通过归纳法总结了目前科学信息可视化的表现形式，指出科学信息可视化主要集中在科技期刊封面设计上，而在科学信息图表设计上存在一定的空缺。在此结论的基础上，通过科技期刊封面的个别案例分析了其中的艺术表现手法及作用，提取出一些基于视觉设计思维与用户体验视角的可视化手段，包括简化信息深度、构建类比图形符号、引入动态图形、加入叙事性设计等。文章旨在丰富科学信息图表设计的表现形式与功能效应，为科学信息可视化提供具有审美价值与情感认同价值的设计方法，促进科学与艺术融合发展。

关键词：科学信息可视化；大众传播；审美价值；设计方法

中图分类号：G202；G206 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2023）11-0-04

图像作为一种视觉符号，从对自然万物的真实写照到通过艺术处理后得到反映某种现象并具有一定意义的图像，是构成人类认知世界与人类生活本身的基础。同样，与人类发展緊密相关的科学发展伴随着不同类型的图像语言，大到对宇宙万物的描绘，小到对微观粒子的模拟，图像在科学的传播与进步中发挥着巨大的作用。随着科学技术的不断成熟与跨学科结合的日益紧密，人们开始注重科学信息可视化的美观性与传播性。由于科学信息专业性较强，涉及大量晦涩难懂的专业术语，所以目前科学信息的可视化形式较单一，缺乏将其经过艺术设计处理后转化为视觉语言的系统方法。

本文总结科学信息可视化的发展历程，提出一些可行的设计方法，以视觉传达的视角分析科学信息可视化，以期在促进科学传播的同时，使观者体会到其中的艺术审美价值。

1 科学信息可视化

1.1 科学信息可视化的发展与概念界定

科学信息可视化作为科学可视化的分支之一，发展历程源于科学可视化。科学可视化的发展伴随着科学的发展，早期科学家通过绘制各种说明图示以便人们理解科学数据。科学可视化最初作为一门独立学科，是在1987年McCormick（麦考密克）等人向美国国家自然科学基金会提交了“科学计算可视化研究报告”之后，目标为“利用计算机创建视觉图像，帮助人们理解科学技术概念或结果的一些数字表示”［1］。之后的10年内，科学可视化经历了一系列基础的完善。2004年，Eppler（埃普勒）和Burkard（伯卡德）提出知识可视化概念，使人们注意到可视化的传播效应，作为在科学可视化基础上发展出的新型研究领域，旨在通过视觉表征实现知识的有效传播［2］。广义上的科学可视化作为一种辅助科学工作者的手段，不能对大众传播层面产生影响。基于此，将科学可视化与传播学的背景结合，通过某种跨学科的手段实现其传播价值与科普价值的研究方向被提出。这两者的结合，使之后的学者在科学可视化中注意到接收者在信息传播中的重要性，开始关注如何通过接收者的不同特征与价值取向针对性地传播一定内容的科学信息。

1.2 科学信息可视化的现状及问题

与国外相比，我国关于科学信息可视化的研究起步较晚，目前的可视化主要涉及利用计算机技术对科学数据进行可视化，利用三维软件对医学、生物学、地理学等学科的模型进行写实的建模渲染可视化，以及介绍前沿科学成果的科学期刊封面设计可视化这几类。这些可视化形式往往更注重科学信息的准确性，更适用于专业的科学工作者，在形式与易读性上有所欠缺，不适用于科学普及与科学教育工作。

目前科学信息可视化缺少与数据、信息或概念等相关内容适配的可视化形式与对应的设计方法及理论体系。我国学者关于科学信息可视化的研究大多集中在科技期刊封面设计上，主要对比分析了国内外顶级期刊封面设计的不同表现形式，并指出了我国期刊封面设计目前存在的问题。王国燕、汤书昆等基于此现象，在传播学背景下提出科学可视化的5W要素的转向［3］，指出针对科学信息可视化面向人群的转变，需要在可视化中介入基于大众认知的便于阅读理解的视觉信息。蔡顺兴分析指出，目前我国信息图表设计存在范例模块化、程式化现象严重、理性有余、感性不足、缺乏美感等问题，并针对性地提出信息图表设计的四个维度，研究其如何在科技期刊的信息图表设计中发挥作用［4］。但目前关于科学信息可视化这两大表现形式的研究未能有效结合，如何从国际上具有影响力的科技期刊中总结出将原始信息经过加工转化成便于大众理解的视觉语言的方法，是目前研究的空白之处。

2 科学信息可视化的主要表现形式

2.1 信息图表设计

信息图表设计能够以直观的形式简化复杂抽象的信息，目前按照形式特点主要表现为流程结构图型、叙事插图型、时间空间结构型，这几种类型分别适用于科学数据的再现、专业术语与结构的说明补充等方面。说明示意图和漫画插图是目前科学信息可视化中传达科学知识的普遍手段之一，以相关主题的图形插画等为主要元素，辅以科学概念、文本等，最终以图文形式呈现，具有较强的可读性与科普功能。这类可视化将具有代表性的抽象信息转化为相应的视觉符号，并依据传统的阅读习惯梳理排版布局，清晰生动地展示科学信息。

另外，有些在版面编排上进行创新的信息图表设计，区别于传统的平面化的信息图表，通过2.5D的表现手法使不同的信息层级更加突出，也使画面更有节奏感与空间感，在减轻读者阅读负担的同时具有一定的趣味性与耐读性。目前，信息可视化与设计的结合日益紧密，信息图表设计在形式创新上越来越多样且美观，但具体到科学信息的图表设计，仍存在表现形式单一、未能将内容与形式有效结合等问题。

2.2 科技期刊封面设计

科学信息可视化的另一种表现形式为各大科技期刊封面设计，最具代表性的如Cell（《细胞》）、Nature（《自然》）、Science（《科学》）等国际顶级科技期刊，作为国际上知名的科学领域学术期刊，封面的设计具有一定的前沿性与艺术性。科技期刊封面作为前沿科学成果的重要传播媒介，主要通过艺术处理后的图片展现研究成果，减少文字性的信息传达方式，其表现形式多样，体现了科学与艺术的交相融合。总结这些具有代表性的期刊封面，其视觉表现形式主要为以下几种。

2.2.1 摄影图像

在科技期刊封面中运用摄影图像表达主题信息是较常用的一种方式，其中包括写实摄影、特殊摄影等。这种表现形式通过科学发现中拍摄图像与后期再处理图像等手段为观者塑造一个更具想象力的场景，并在这个场景上进行更多维的叙述与表达［5］。

2.2.2 建模渲染

基于科学学科的特殊性，其研究领域大到天文现象，小到微观世界，有很多无法通过现有照片展现的特殊物质。随着科技的进步，三维建模软件为这一类科学信息的可视化提供了技术支撑。目前已有很多通过建模渲染等技术手段实现科学信息可视化的案例，其广泛地应用在科教插图、科普传播中，同样，在科技期刊封面设计中也经常出现这种表现形式。

2.2.3 漫画

通过生动的漫画再现科学研究中的科学问题，具有一定的趣味性与可读性。常见的有单幅漫画、多幅漫画等。单幅漫画多运用视觉隐喻，将科学研究成果中的某物质与某漫画形象进行类比，通过内容的艺术化转化塑造出一个对观者更亲切的图像。多幅漫画则将科学原理通过多格漫画故事的构建传达给读者，能使读者对其中的运作流程有更加详细且深入的了解。

2.2.4 视觉符号与构图

通过图形设计将科学信息转化为艺术化的图形，画面遵循构图、画面处理、颜色平衡的设计原则，创作步骤通常为主体信息的视觉化生产、背景图、色彩、图式整合设计。北京科技大学科学技术与文明研究中心潜伟等研究人员依据科学图形的抽象程度，将其分类为描述性科学图形与解释性科学图形［6］。描述性科学图形为表示某种科学现象与研究成果，其主体信息的视觉化主要采用较写实的图像表示；解释性科学图形需要设计者理解背后的科学原理之后，经过信息的过滤与提取再进行一定的转化，转化前的科学原理信息是线性的，具有较强的逻辑性与叙事性，而转化后的图像是非线性的，具有更强的直观性。

目前在科学信息可视化中，科技期刊封面设计采用了大量的艺术设计手法，但科技期刊的受众人群有限，往往仅限于专业的科研人员及对科学研究有一定兴趣的人群，而利用可视化说明示意图的方法，更便于将专业性较强的科学信息转化为大众易理解的碎片化图像信息。目前艺术设计手段介入该形式的可视化较单一，没有形成有效的设计方法。

3 科学信息可视化的艺术化处理

3.1 合理把控信息深度

针对科学信息中的某些具体运作原理及繁杂的科学数据，在科普写作的几条原则中，提到根据不同的读者群体对科普内容进行针对性的加工处理。在面向大众的科学普及上，美国科学促进会提出3M原则——Memorable，Meaningful，Miniature，即可记忆、有意义和微型化。其中微型化指文章不要求过于完整交代每处细节，而是应该注重更重要、有记忆性的内容。在科学信息可视化中亦如此，很多科学概念不易理解，其背后的科学原理更容易因可视化处理时做不好取舍而显得拉杂。针对某一类科学信息主题，首先要在理解的基础上提取信息，再将提取出的重要信息通过隐喻或类比的方法转化为大众更熟知的某种视觉意象。格式塔心理学家鲁道夫·阿恩海姆认为视觉意象能更准确地表达事物的内在关系和特征，简洁准确的图式能更直观有效地呈现文本的信息。

对科学数据而言，传统的计算机生成可视化在处理数据时主要采用柱状图、趋势图、散点图、饼状图、分布图等方式简化大量的数据信息，这种处理方法虽然能将简化后的信息表达清楚，但缺乏美感。大众并不理解且很难适应科学研究中各种复杂数据所表示的含义。通过数据信息的简化，可以选择其中具有代表性的极值数据，采用比较、类比手法，将想要传达给受众的数据转化为其认知范围内的视觉意象。

3.2 构建类比图形符号

恩格斯认为，“类比就是根据不同领域所遵循的一般规律、原则和方法等客观条件，用一个领域的研究成果去解释另一个领域的事物”，是根据两种对象某些特质方面的相似性，将一种物体指代为另一种物体的方法，在科普工作中经常使用类比、关联和隐喻来解释原本难以解释与理解的术语，在增强理解性的同时能提升内容的趣味性。科学信息可视化正是用一种大众更易理解的视觉语言作为传播媒介，在科技期刊封面设计中，经常会用到关联和隐喻。科技期刊Cell 2017年8月24日的封面设计中，分别用陆地、湖泊、山峦等人类熟知的形象来表示人类大脑中不同的区域，同时用在烧烤的人类、烧烤时飘出的烟与山峦上出现的怪物等来隐喻神经前体细胞运作释放多效生长因子，进而导致SVZ的高级别神经胶质瘤侵入细胞。通过构建类比图形符号对主题信息进行视觉隐喻，能够引起人们对陌生信息的关注兴趣，也能降低人们的理解难度。

3.3 媒介转变

3.3.1 可视化形式创新：静态→动态

随着信息时代与互联网等新媒介的结合，信息传播的方式变得更多元化，从以往单纯依靠纸质媒介转为更广泛的电子媒介，人們接收信息的方式也发生了变化。电子媒介具有新、快、多等显著特点，相比传统的静态图形及信息可视化，动态图形更适合这种环境。动态图形常通过对静态图形进行周期性或连续性变化来产生一定的视觉效果，在带给用户更好的体验感的同时使内容更具生命力，其在网页交互等方面有广泛的应用，以增强用户的参与性和趣味性。因为科学学科常关注某些现象背后的运作原理，所以在科学信息可视化中加入动态图形设计，能达到更好地诠释科学内容的作用，同时使可视化具有一定的视觉节奏，使科学信息在转化为图形的同时具有叙事性。

3.3.2 主导视角转变：作者驱动→读者驱动

在信息传达的过程中，用户终端的接收与处理是最终也是最重要的一个环节。信息接收效率的高低是用户是否成功接收信息的重要衡量指标，因此应从用户角度出发，基于用户认知维度进行信息可视化设计。

听故事与讲故事作为人类生来就具备的接收与传播信息的能力，更高效的信息可视化应加入一定的叙事行为。信息可视化中的叙事设计旨在运用一定的叙事媒介、结构、手法等，通过图像、信息图表等视觉语言将某种主题可视化。引入叙事设计能够拉近设计者与观者之间的距离，在提高观者信息理解记忆程度的同时引起观者的情感认同。

常见的可视化叙事分类即根据叙事主动权进行分类，作者驱动型由设计师单向输出可视化主题与预设好的视觉语言，信息传达过程具有明确的方向性，广泛应用于一些传统的信息图表。这种可视化叙事方式普遍性强，但单线性的交流方式具有一定的局限性，不同的受众人群可能出现理解上的偏差，最终对信息的接收效率造成一定的影响。读者驱动模式将阅读主动权交到读者手上，通过探索式的叙事方式，在可视化中加入一定的交互，使不同背景的读者能按照自己的节奏对可视化主题进行不同程度的探索，具有更高的自由度与趣味性，也能在一定程度上提高信息的接收效率。在科学信息可视化中采用读者驱动模式能提高观者的参与度，让大众更好地接触科学、了解科学。

4 结语

图像作为重要的信息传播载体，不同种类的信息通过不同方式向图像信息转变。由于科学信息的学科性较强，所以传统的科学可视化作为计算机图形学科的研究领域，多用于科学研究。目前艺术设计介入科学可视化主要表现在科技期刊封面设计中，这种可视化方式产生于科学与艺术的交叉融合，为观者提供了具有一定审美價值的科学图像。但目前作为能够为大众提供优质科普的科学信息可视化示意图，仍存在表现形式单一、艺术性较弱、易读性和趣味性较差等问题。本文从视觉传达与用户体验角度出发为其提出了一些设计方法，旨在探索艺术设计介入科学领域的可能性，并为科学知识的普及提供兼具审美价值与实用价值的可视化方式。

参考文献：

［1］ 王国燕，汤书昆.前沿科学成果的图像传播范式［J］.中国科学技术大学学报，2014，44（9）：754-760.

［2］ 赵国庆.知识可视化2004定义的分析与修订［J］.电化教育研究，2009（3）：15-18.

［3］ 王国燕，汤书昆.传播学视角下的科学可视化研究［J］.科普研究，2013，8（6）：20-26.

［4］ 蔡顺兴.纯化、达意、秩序、愉悦：论科技期刊信息图表设计的观念维度［J］.中国科技期刊研究，2019，30（4）：336-342.

［5］ 李砚祖，何靖.科学之美的视觉呈现：2017年《Nature》杂志封面设计研究［J］.南京艺术学院学报（美术与设计版），2018（4）：155-159.

［6］ 沈冠东.视觉传达设计视角下的科技图像创作研究［J］.包装工程，2015，36（18）：15-19.

作者简介：高琳（1999—），女，河南三门峡人，硕士在读，研究方向：视觉传达与信息设计。