知识可视化教学法在地理信息科学专业课程中的应用

摘要：知识可视化教学是利用可视化工具将知识进行视觉表征，通过视觉感官更好地激发学生的学习兴趣，促进知识有效传播，进而激发学生的探究欲望，培养创新思维，全面提高课堂教学质量。地理信息科学服务于国土空间规划、生态环境监测与保护、防灾减灾与应急事件、农业发展与农情监测等重点领域，将知识可视化教学方法引入地理信息科学教学课堂体系中，运用可视化工具方法对教学内容进行分析处理，打造“以学为本”的创新性教学实施方案，促进理论知识过硬、实践能力较强的应用型人才培养。

关键词：地理信息科学；知识可视化；知识可视化教学；教学

中图分类号：G642

2023年，教育部会同国家发展改革委等部委印发的《普通高等教育学科专业设置调整优化改革方案》指出：以服务经济社会高质量发展为导向，建好建强国家战略和区域发展急需的学科专业；加强教育系统与行业部门联动，实现学科专业与产业链、创新链、人才链相互匹配、相互促进；要面向新农业、新生态，服务支撑生态系统治理、新型城镇化、乡村建设等战略需求［1］。地理信息科学是涉及多专业的交叉学科，在地理学、测绘学、计算机科学等学科基础上，不断应用智慧遥感、现代制图、大数据等新技术，广泛服务于基础科学研究、生态文明建设、智慧城市、资源开发利用、实时环境监测、防灾减灾、国防现代化建设等领域［2］。

知识可视化教学法是一种现代化的教学方法，能够促进知识的吸收、经验知识的有效传递、知识的拓展延伸及创新。将知识可视化教学法引入地理信息科学课程，在一定程度上强化了“以学为本”的思想，且打破了以讲授为主的教学方法，从而丰富了学生的认知途径，降低了学生的认知负荷，最终提高了学生的学习兴趣。同时，知识可视化教学法借助视觉表征将知识更快速有效地传递给学生，有利于学生将所学知识内化吸收，并推动知识在学生之间的传递及创新。笔者认为，将知识可视化教学法应用到地理信息科学专业课程中，能够促进教学达成理论知识传授、实践能力培养及正确价值观塑造的三维教学目标。

一、知识可视化教学法简述

“可视化”（Visualization），中文译为“视觉化、形象化和清楚地呈现”等，是一种将复杂信息转换压缩为人类能够快速认识并加深对信息理解的手段。知识可视化是由马丁·爱普和雷莫·布克哈德于2004年首次提出并进行了定义：利用计算机等工具，运用视觉表现手法，将数据、信息和知识转化为视觉器官能够直观看到的图、表、音频等表示形式，帮助人类快速理解并促进两个或两个以上人之间的复杂知识传递和创造。可视化强调了数据、信息和知识被整理后的视觉特征表达，而知识可视化更注重知识、信息等经过可视化表达以后内容的传播和创新，且能够帮助人们对知识内容进行重构、理解及应用。随着计算机技术的发展，知识可视化作为一种将抽象知识转换为图形图像的方法和技术也随之不断成熟。

国内知识可视化教学法的研究起先关注于可视化教学工具的开发应用，之后逐步扩展到数学、物理等大学理科课程教学中。多项研究表明，教学过程中将教学内容与视觉表征进行整合，教学效果要优于单一的视觉或文本内容呈现［3］。笔者认为，借助知识可视化教学法，能够帮助学生增强对知识的认知能力、理解知识点之间的联系，从而建立知识结构并可以从中发现新的关联、新的知识。

知识可视化教学法并不是可视化方法技术在教学领域的简单扩展，更重要的是一种教学思维方式的转变［4］。基于知识可视化的教学过程是以双重编码、知识管理、图式理论、脑科学研究等理论为依据，将复杂的教学素材及知识内容按照一定的逻辑进行整合分析，并将教学过程以平面或三维立体图等视觉形式表示出来。知识可视化教学法实现了文字表达、图形设计、师生交流、学生之间传递等多个教学过程并行的整合，如概念图、思维导图等可视化教学过程，将文字知识形象化、层次化、视觉化，提高了信息传达的感染力，并增强了教师与学生之间及学生与学生之间信息交流的效率。这样丰富多样的教学过程，使得学生积极参与到课堂学习中，提升了学习效果，更有利于学习问题的解决。

二、知识可视化教学法在地理信息科学专业课程中应用的要求

地理信息科学作为一门交叉学科、前沿学科，涉及地理学、测绘学、遥感科学、计算机科学等，内涵庞大丰富。在这种背景下，地理信息科学专业人才的培养既要达到多层次、立体化的专业人才培养目标，又要适应经济社会和国家快速发展和需求。即坚持“学生中心、产出导向、持续改进”的教育理念［5］，立足于教育为社会主义现代化建设服务的教育方针，以培养“懂专业、熟业务、能创新、肯奉献”的地理信息科学专业的多功能型人才。基于人才培养目标，将知识可视化教学法应用于地理信息科学专业课程，就需满足以下要求。

（1）教师素养的提升：教师需要具备一定的地理信息科学专业知识，同时掌握可视化工具的使用技巧。教师应接受相关培训，以熟练运用各种可视化工具和技术，如：思维导图、地图制作工具、虚拟现实（VR）等，只有教师具备这些能力，才能有效地将专业知识转化为可视化教学资源，提高教学效果。

（2）教学目标的确定：知识可视化教学法促进外显知识生动化、内隐知识外显化、构建知识结构、创新知识传递等。首先明确教学目标，分析在地理信息科学课程中需要通过可视化工具实现的具体教学目标，比如是为了帮助学生理解复杂专业概念、梳理知识结构、熟练数据分析、提升空间思维，还是为了培养专业实践实操能力。

（3）教学内容的选择与设计：地理信息科学专业课程涉及复杂的地理过程及演变、多学科理论知识交叉渗透、地学前沿科学研究、技术性和实践性操作等。在选择可视化教学内容时，教师应充分考虑地理信息科学专业课程的特点，挑选出适合用可视化方法呈现的知识点。在设计可视化教学资源时，教师应关注内容的逻辑性和系统性，确保学生能够通过可视化资源更好地理解知识体系。

（4）可视化工具的选择：根据教学内容和学习目标选择合适的可视化工具和软件，应支持多种可视化形式，以适应不同的教学需求。尽量选择界面友好、操作简便的工具，尤其是对于初次接触可视化工具的学生，工具过于复杂可能会影响使用效果。工具应能提供高质量的可视化效果，帮助学生更好地理解和吸收信息。

（5）教学方法的创新：知识可视化教学法要求教师在教学过程中采用互动式、探究式等教学方法，鼓励学生参与可视化资源的制作与讨论，通过实践活动如制作地图、分析空间数据等，既能提高学生的学习兴趣，增强学生的实操能力和理解深度，也有助于培养学生的创新思维和团队协作能力。

（6）教学评价的改革：知识可视化教学法强调过程评价，教师应关注学生在可视化教学过程中的表现，如分析问题、解决问题的能力，以及团队协作和沟通能力。同时，教师还应结合学生的可视化作品，评价其对地理信息科学知识的理解和应用程度。

综上所述，知识可视化教学法在地理信息科学专业课程中的应用需要综合考虑多方面因素，只有当这些要求得到满足时，知识可视化教学法才能在地理信息科学专业课程中发挥出应有的作用，以实现最佳的学习效果，提高教学质量。

三、知识可视化教学法在地理信息科学专业课程中应用的路径

（一）以学习为主，知识可视化，强化课程理论教学

知识可视化教学法有助于提高地理信息科学专业教育的教学质量。地理信息科学是一门综合性学科，涉及地图学、遥感、计算机科学、环境科学等多个领域，整体专业课程繁杂，理论知识储备量较大，对学生的认知、理解及记忆能力要求较高。有效的教学需要教师将知识进行处理和转换，帮助学生正确理解和高效吸收知识。通过知识可视化教学法将知识点以图像、图表等形式展示，可以将复杂的地理信息数据、概念和原理以图像、图表、动画等形式展示，使得抽象的知识点具象化、直观化，如在讲解地球构造、地形地貌等抽象概念时，可以制作相关的动画或视频，以便学生更加直观地理解，帮助学生降低认知负荷，从而提高学生的理解和记忆能力，促进知识内化［6］。知识可视化教学法有助于学生更好地理解和记忆地理信息科学的基本概念和原理。

研究表明，视觉记忆是以整合的方式存储特征。视觉表征形式能够实现和帮助记忆的信息激活和提取。借助可视化工具进行教学，学生在进行学习记忆时，只需要完成学习内容相关知识的存储和长时记忆中关联知识的提取，从而降低学习记忆在知识内容加工方面的负担。同时，知识化教学法帮助学生在旧知识基础上建立新知识，使学生更直观地认识到各知识点之间的联系，形成知识结构，从而加深对专业知识的理解和记忆。由此可见，在教学中应用知识可视化教学法，能够帮助学生减轻学习记忆的负荷，改善学生的学习记忆，提高学习效率。

基于可视化教学法的课堂主要围绕学生开展教学活动，教师由主导者转变为学生学习的合作者，不断强化学生对专业知识的理解以及自我探索能力，学生由被动学习转为主动学习，学习效果更好。除此以外，知识可视化教学法能够在将庞杂的专业知识有效教授给学生的同时，也将思维、经验、价值观等“隐性知识”传授给学生。

（二）以学生为本，过程可视化，增强教学互动与讨论

知识可视化教学法有助于促进地理信息科学专业课程互动与讨论。互联网技术以及多媒体设备的普及为教育教学提供了前所未有的便利。智慧教学环境构建的高度智能化、互动性和个性化教学场所，提供了一个能够支持教师和学生的教与学活动的环境。在智能教学环境内实施知识可视化教学法，可以创造一个互动性更强、反馈更高效的学习氛围。地理信息科学专业课程中涉及多个地理现象过程及发生机制，应用知识可视化教学法通过多种互动工具进行展示，如使用虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等技术来模拟地理现象和过程，提供更加沉浸式的学习体验。学生可以通过触摸屏或VR/AR设备直接与可视化内容互动，仿佛身临其境于地理环境中，增强学生与知识的互动性，从而更深入地理解和掌握知识。

知识可视化教学法鼓励教师创新教学内容和方法。教师可以利用在线协作平台、多媒体制作软件等，创作新的可视化教学资源，同时，学生可以在云端共享和协作创建可视化资源。鼓励学生参与可视化资源的制作与讨论，如：通过实践活动如制作地图、分析空间数据等，激发学生的参与度和兴趣，促进教师与学生、学生与学生之间的互动和讨论，促进知识传播和团队合作。教学过程可视化可以增强课堂教学互动与讨论，提高学生的参与度和思考能力，不仅提高了教学质量和学习效果，还为学生的个性化学习和全面发展提供了新的可能性。

（三）以学科为基，深化可视化，促进专业素养培养

知识可视化教学法有助于提高地理信息科学专业实践操作能力。在地理信息系统操作、遥感技术应用、地图编制等实践教学中施行知识可视化教学法，通过可视化工具和软件展示数据处理、地图制作、空间分析等环节，可以将实践操作步骤以流程图、示意图等形式展示，使操作过程更加清晰、易懂。学生可以在掌握理论知识的基础上，通过实践操作，将知识内化为实际技能。

地理信息科学专业课程注重学生实践能力的培养，多参与项目业务才能更深入地理解专业知识，不断提高实践能力，通过知识可视化教学法，使用工具进行项目式学习和研究，培养学生的综合分析能力和创新能力，同时掌握学生的学习进度和参与度。教师可以更直观地了解学生的学习情况和进展，及时调整教学策略。

通过知识可视化教学法，还有助于培养学生的空间思维和空间认知能力。运用知识可视化工具能够很好地将地理信息科学学科中的碎片化知识做系统处理，从空间区域尺度、时间序列尺度、宏观到微观尺度等多维度、多尺度、多层次，通过概念图、流程图、思维导图、结构图等方式加以可视化呈现，有助于学生培养构建空间结构化思维。

综上所述，知识可视化教学法能够在地理信息科学专业课程中发挥重要作用，不仅能够帮助学生更好地理解和掌握复杂的地理信息科学概念，还能够激发学生的学习兴趣，提高教学效果。同时，这也有助于培养学生的创新思维和实践能力，培养满足国家和社会需求的地理信息科学专业人才。

结语

地理信息科学是支撑国家重大战略发展的综合性学科，从学科发展、社会服务、产业发展等各个角度都迫切需要地理信息科学专业培养出高质量的专业性、科研型、应用型人才。知识可视化教学法在促进地理信息科学专业人才的专业能力培养方面具有重要意义，将知识可视化教学融入地理信息科学课程体系的教学中，能够提高学生的学习兴趣，进而实现对学科知识的获取、转化、内化、应用。通过将知识可视化教学法融入地理信息科学专业课堂中，促进培养出理论知识扎实、实践能力突出的专业型、科研型、应用型多维度人才。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部.教育部等五部门关于印发《普通高等教育学科专业设置调整优化改革方案》的通知［OL］.

［2］傅伯杰，冷疏影，宋长青.新时期地理学的特征与任务［J］.地理科学，2015，35（8）：939945.

［3］杨季冬.概念图和思维导图在化学教学中的比较及运用［J］.现代中小学教育，2015，02（31）：7982.

［4］李祎帆，叶湘虹.知识可视化教学研究综述［J］.西部学刊，2022，3：138141.

［5］张玉红，张冬有，臧淑英.专业认证背景下的地理信息科学专业建设的改革与探索［J］.黑龙江高教研究，2020（9）：151157.

［6］李晶，郁舒兰，刘玮.降低课堂认知负荷的知识可视化研究［J］.电化教育研究，2017，03（38）：2428+40.

基金项目：新疆维吾尔自治区人才发展基金“天池英才”引进计划青年博士项目资助；新疆维吾尔自治区自然科学基金资助项目（2023D01B51）

*通讯作者：刘婕（1992—），女，汉族，河南驻马店人，博士，研究方向：地图学与地理信息系统。

作者简介：毋兆鹏（1976—），男，汉族，陕西西安人，博士，教授，研究方向：旅游管理信息系统；赵枫（1973—），女，汉族，河南长葛人，硕士，高级实验师，研究方向：绿洲可持续发展。