知识可视化技术在公安教学中的应用研究

摘要：随着现代科学技术的发展，公安教学的内容越来越多，层级、难度也随之加大，给公安教学工作带来了很大挑战。基于公安教学的现状，从背景、定义和应用等方面论述应用知识可视化的必要性，在理论教学中将相关概念和授课资料中的案例等抽象思维转换为通俗易懂的图像，在实践课程中根据课前、课中、课后的时间顺序，依照公安教学的要求应用不同的可视化手段。结果表明，在公安类课程教学过程中使用知识可视化技术，可提升学生对于知识的理解和掌握，在一定程度上提升教学效果。

关键词：知识可视化；公安教学；数据分析；决策支持；可视化展示

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）32-0116-04 开放科学（资源服务）标识码（OSID） ：

0 引言

知识可视化（Knowledge Visualization）是由学者Eppler M.J.和Burkard R.A.在2004年提出，是指可以用来建构和传递复杂见解的图解手段。知识可视化领域研究的是视觉表征在改善两个或两个以上的人之间知识创造和传递中的应用[1]。不仅如此，知识可视化还是一种个人知识管理和群体间知识传播手段[2]，是一种可以用来建构和传达复杂知识的视觉表征手段[3]。通过知识可视化的相关方法，可以达到辅助知识获取、内化、转化的效果，具有直观化、结构化、深度化、本质化、高效化、优质化特点[4]。知识可视化作为一种教学方式，利用人类的视觉神经系统，使得学者在更短的时间内吸收到更多的知识，不仅提高了学者的学习效果也扩充了教学体系，有重要的作用和意义。

基于公安教学的现状，在实际工作中应用知识可视化技术显得尤为必要。公安教学是培养公安人才、提升执法能力和维护社会安全的关键环节。随着教育技术的发展和教学方法的不断创新，知识可视化作为一种强大的教学工具和方法逐渐受到公安教育界的重视。知识可视化通过将抽象的概念、复杂的数据和流程转化为图形化、直观化的形式，有助于学生更好地理解和吸收知识。在当今这个信息时代，获取知识的难度大幅下降，但是获取知识并不能代表理解知识，对于公安教育来说，对知识进行可视化可以帮助我们更容易地理解知识。俗话说，一图胜千言，在现在的公安教育领域中，教育信息化的诸多努力，很大程度上也表现为将教育内容和过程可视化[5]。

本文从公安教学工作的角度出发，经过不断地探索，将可视化技术应用于公安课程教学的理论和实践部分。在理论课程中，使用思维导图、逻辑图实现可视化，达到梳理知识点、理清逻辑结构的效果；在实践课程中，将从课前准备、上课过程和课后总结几个方面应用不同的可视化方法以提高教学效果。最后，本文分析了知识可视化在公安教学中面临的问题和挑战，并提出了意见和建议。

1 知识可视化在教学中的应用

知识可视化是利用图像、图表、地图、动画和其他多媒体形式来呈现知识或信息的一种技术。这种技术将抽象、生硬、复杂的数据转换为具有吸引力、有趣、直观的信息图形，使人们能够更加轻松自如地理解和掌握知识。

1.1 知识可视化的应用范围

知识也是一种数据，是被人们发现的比较有价值的数据，但是由于一部分知识的抽象性，导致很多同学不能高效率地理解知识，如大数据管理技术这门课的部分知识点过于抽象，学生对于相关知识的理解较为困难。在教师画出E-R图后，清晰地体现了知识点之间的关系，不仅能提升课堂氛围，还梳理了知识点之间的关联，使学生能够更加清晰地理解授课内容，这就是知识可视化的作用，将价值密度低的数据转变为价值密度高的数据。知识可视化可以从大量数据中提取潜藏的价值，从而更好地分析和处理知识。它能凭借视觉的力量，清晰明了、直观地展现复杂的数据结构，易于发现规律和联系。

1.2 知识可视化的应用效果

知识可视化作为一种教学手段，在教育领域也得到广泛应用，有着良好的教学效果。对于传统教学方式例如念课本、背诵知识点等利用听觉机械性的记忆方式，不但让学生感到负担较大且枯燥无味，而且不能保证学习效果。但是，如果采用知识可视化的教学方法，能够充分利用人类视觉系统的特点，激发学习者的学习兴趣，加强学习动力，从而提高学习效果。

2 知识可视化在公安教学中的具体应用

针对公安教学的现状，知识可视化技术可以应用于理论概念和实践课程中。在理论概念中，主要通过思维导图和流程图的形式体现。在实践课程中将从课前、课中、课后三个角度，针对不同的案例，用不同的方式应用知识可视化技术。

2.1 理论概念可视化

在公安教学中，可以利用可视化工具分析对相关概念和案例实现可视化，具体实现方案如下。

在教授理论概念时，教师需要综合考虑理性和感性因素，不仅要突出概括性，还应强调抽象性。但要实现教学目标，恰当的教学工具和技术是不可或缺的。当前，在公安教学中，多媒体手段如图片、动画、影像等被广泛运用来传达信息，这种可视化方法更加突出。正是这种以“图文并茂”的方式，不仅能够增加学生的学习兴趣，还有助于减轻他们的认知负担。

正如俗语所说，“没有图像，思维是不可能的”。知识的获取、储存和应用都依赖于学习者独特的智力图像系统。通过可视化表达，知识得到再加工，使学科内容变得清晰、直观、形象，更贴近学员的认知方式，使他们更轻松地理解、掌握和运用。这样的教学方法有助于培养学员的新认知，锻炼新思维，培养创新能力，为知识可视化在教学中的应用开辟了新的可能性。

同时，随着可视化技术的发展，许多教师认识到视觉表达在教学中的实用价值，并将其融入实际教学活动中。在教学过程中，知识表达无处不在，特别是在知识呈现环节，这有效地促进了“言传”与“意会”的对话和互动。

因此，教师在教学中应充分运用多媒体手段，通过可视化表达方式，使抽象的理论概念更具体化，更易于学生理解和掌握。这种方法不仅有助于提高学习效果，还能够培养学生的思维能力和创新精神，为教育教学带来新的活力[6]。使用图表、思维导图等可视化工具，对相关的概念和知识等信息进行可视化展示[7]，例如在数据科学基础理论课中，图1是公安专业讲师通过XMind对Python中的第三方库pandas的相关概念和知识进行可视化。教师在备课环节准备教学知识点，提炼关键内容例如数据类型、数据选择、数据删减等，绘制思维导图。对于学生来说，不仅梳理大量知识点，还通过思维导图的框架记住知识点的分布位置，形成自己的思维导图。

Python语言程序设计是智慧警务方向的学生后续课程的基础，思维变化明显，学生上手不易，教师也容易因为自身长期的经验导致无法理解学生初学时遇到的部分问题。为解决此问题，以该课程中的控制结构的if条件语句概念为例，可以通过可视化的方式应用流程图来展现出来[8]。图2中箭头代表输入，如果输入数据满足条件1，则执行语句块1，否则将判断数据是否满足条件2，若满足则执行语句块2，否则将判断是否满足条件3。以此类推，直到分支结构到尽头，然后输出结果。通过这种可视化的方法来讲解Python中的控制结构，使程序的执行过程更加清晰明了，也使代码的可读性更强，非常易于让学生理解。这种实践案例可视化将枯燥难懂的代码变为简洁明了的流程图，梳理代码的结构，使学生的学习兴趣更加高涨，也提高了授课效率。

2.2 实践案例可视化

实践案例是公安教学中非常重要的一个环节，它通过收集历史数据，将模拟甚至直接投入真实的执法环境或者犯罪环境，是将公安理论知识应用于实践的纽带，通过实践加深对理论内容的理解、找出自身的不足，对工作十分有意义，可以运用以下几种可视化方法提高教学效果。在课前的环节中，主要教师通过收集学生的预习讨论数据有针对地准备重难点；在课程过程中，对于不同的课利用不同的方式展开教学例如建立模型、利用ArcGIS软件等；对于课后的复盘，则主要利用可视化大屏实现决策支持，掌握学生的了解水平。

2.2.1 课前准备的可视化

在公安教学的课前准备过程中，充分收集学生课前反馈的信息是教师授课的重要环节。在课前讨论的过程中，学生反馈的信息十分重要，其中包含了学生存在的共性问题和感兴趣的知识点，合理地利用“词云”可以快速地收集学生提出的观点和问题[9]，以便在接下来的教学中进行针对性的准备。在数据安全技术课程中，教师利用在课前讨论的环节，提出了“量子签名”的讨论话题，经过3天的讨论后，共收集了133条回复的信息。利用jieba库分词，除去停用词，通过numpy库统计关键词派，使用wordcloud库绘制词云图得到如下的结果如图3。在讨论中得到了“数字签名”、“高、强”等正确的特性，同时也出现了可能会出现错误的“克隆”词条。在后续的课程中，教师就可针对“数字签名、安全性、克隆”等方面进行重点分析，达到了针对重难点特别讲解的效果。

2.2.2 课中教学的可视化

在公安实践教学中，将具体的知识点可视化建立模型可以达到更好的教学效果。在数据科学基础的实践课中，许多学生理解机器学习模型的原理比较困难，利用可视化的图像解释后，将提高知识点的获取效率。以线性回归模型的讲解为例，如只按照教案中的内容讲述，由于学生尚未进行过代码的实际编写，对线性性质的理解存在困难，不能有效地理解相应代码，教学效果不高。在结合具体实践案例后，插入具体的可视化图片（如图4） ，学生就能够理解这段代码的含义，图4中，散点是自变量公安案件数量和犯罪率，和因变量该地区不安全指数绘制的散点图，通过观察可以知道公安案件数量和犯罪率与地区不安全指数呈线性相关，进而可以通过建立线性回归的模型，通过最小二乘法等方法计算斜率和截距来画出拟合线。观察得出散点大致分布于一个平面的上下两侧，说明了地区不安全指数不仅止于公安案件数量有关，和犯罪率也有关。这样利用可视化的方式来解释线性回归的建模、预测等步骤，建立了一个完整的数据处理的微体系，可以清晰地体现自变量因变量之间的回归关系，学生的反馈也更好。

在开展实践教学的过程中，如何正确有效地描述时间、空间、地点等要素向来是使学生了解事物全貌的基本方法，但是以口头描述或者以数据表的形式给出具体的信息，其描述能力有限，学生无法全部接受全部信息，不能满足新时代公安教学的要求，达到实践实训的目的。在对人口的分析中，往往会存在人数、分布地区这两种因素，通过ArcGIS第三方软件展开空间序列分析能更加清晰地描述某地具体情况。以大数据犯罪预测技术课程为例，对于共享单车的使用来说，存在着违规停车、越界使用的问题，无法很好地用语言和简单的板书描述实际情况，这时可以利用在ArcGIS Pro绘制深圳周边地区违规使用共享单车的情况分布统计制作一个分级色彩图，筛选出经度和纬度分别作为XY的数据，通过自然间断点分类法将按照违规使用数量分为五档，随后再添加布局，在布局中加入指北针、比例尺和图例即完成了可视化的流程。通过这种可视化方法可以直观地体现出各地区违规使用的分布，可以针对不同的提取采取不同的决策，增强了学生的能动性，提升了教学效果。

2.2.3 课后总结的可视化

在实践课后的总结环节中，利用知识可视化技术，结合具体知识点和可视化数据进行决策支持，从而发现教学中的不足，再“因地制宜”式地备课，提高公安教学的水平。数据中不只有单一的信息要点，数据是实时观察得到的结果，教师对已有的教学数据展开分析，可以看出学生的学习状态、对知识点掌握程度。将学生在课上的自主提问和作业反馈利用编程语言录入教学数据做出可视化大屏展现出每个时段的教学数据，也可以达到更好的教学效果。以数据科学基础的自主提问和作业反馈为例（如图6） ，可视化大屏展现出了学生在这门学科中对EDA、朴素贝叶斯和随机森林这三个知识点较为重视，教师在接下来的备课过程中应该着重讲解这三个知识点如何实现，怎样应用。在“知识收集的时间表”中观测到在2023年的1月附近收集到的要点数量最多，这也从侧面反映出学生的学习状态往往在期末时期会有很大的提升，教师可以针对不同时期的学习状态定制不同的教学方案。不仅如此，可视化大屏还展现出了提问率，通过观察提问率，教师可以知道自己的授课效果如何，如果提问率过高，说明教师这节课的授课效果不是很好，应该围绕学生提问的要点转变授课方向与授课模式，才能更好地实现对相关知识点的传授，进而提高授课效果。

3 面临的挑战与问题

通过将复杂的公安知识转化为可视化形式，可以提高学生的学习效果、促进知识理解和记忆，并激发学生的学习兴趣和参与度。具体应用方面，知识可视化在案例分析、数据分析和决策支持等场景中发挥着重要作用。但是就目前来看，关于公安教育这一方面的知识可视化仍处于起步状态，全面推广这一方法还面临着诸多挑战。

首先，可视化的实现必须要有载体[10]。部分学校的硬件设施老化，不能够较好地满足教学需求，例如一些教室的投影仪较小，亮度较低，但教室空间又很大，坐在后排的学生根本没法有效地获取到教师所展示的信息，知识可视化的作用会受到较大的影响。对于基础设施的问题，尽可能地增设投影设备，电子产品。如却存在困难，也可以将资源倾向于专业性较强的公安技术专业，在公安技术专业展开小班化教学，将专业技术用于专业领域。

其次，可视化的实现也需要教师具有相关技术储备，首先就是要对自己的授课内容全面地了解，才能够根据教学内容，更好地完成知识可视化的任务，这对年轻的刚登上讲台的教师是一个不小的挑战。此外年龄较大的教师可能由于自身能力所限，对相关的可视化工具的掌握程度不好，也无法完全发挥出知识可视化的优点。对于优秀的公安教师，由于公安队伍的特殊性，教师压力较大也存在跳槽、辞职等人才流失的问题，对公安教学产生了比较严重的影响。对于师资资源的问题，可以通过引进人才，提高待遇，以及落实住房户口等方式解决教师不足以及教师力量流失的问题。

最后，由于知识可视化需要用到很多数据，在数据收集、分析、决策的过程中，不可避免地存在真实信息的处理和应用，在大规模的数据处理与展示中，不仅需要充分考虑数据隐私与安全性的问题，还需要考虑公安机关的特殊性，如果出现大范围的数据泄露问题，不仅群众的隐私被泄露，公安队伍也会受到严重的影响。因此，对于隐私保密的问题，要尽可能地降低信息泄露的风险，将例如使用多种匿名加密算法，完善数据共享措施，在保密教室展开教学，提供匿名数据集等方式。

总而言之，知识可视化对公安教学具有积极的影响。通过将复杂的公安知识以可视化的方式呈现，可以提高学习效果、促进知识理解和加深记忆，并激发学生的兴趣和参与度。然而，推广应用仍需克服一些挑战，并进一步深入研究和实践。相信随着技术的进一步发展和教育改革的推进，知识可视化将在公安教学中发挥更大的作用，扎根于各个公安院校中，从公安技术学向公安学的学科，从公安情报专业、公安政治工作专业的竖向专业到数据警务技术专业的横向专业都将逐步应用这项技术，为培养高素质公安人才作出贡献。

4 结论

本文对知识可视化提出了新的认识，并且对结合当下公安教学现状提出了将知识可视化应用于公安工作的观点。从理论和实践两个方面应用不同种类的可视化方法对不同种类的知识点分门别类地处理，达到了激发学生对公安知识学习的兴趣，快速了解公安知识重难点，提高课程备课效率，达到公安教学效果的目的。最后，本文分析了在目前公安教学中应用知识可视化存在的问题和挑战，并给出了意见和建议。随着基础设施和师资力量的不断建设和扩充，知识可视化技术将更全面地应用于各个公安院校，发挥“专业+机制+大数据”的新型警务运行模式，为公安人才的培养作重要贡献。

【通联编辑：王力】

基金项目：全国高等院校计算机基础教育研究会计算机基础教育教学研究项目“知识图谱驱动的公安院校大数据课程可视化教学研究与实践”（编号：2023-AFCEC-516）