思维可视化的教学

更新时间:2024-02-19 作者:用户投稿原创标记本站原创 点赞:22481 浏览:105441

编者按:“未来课堂”项目是华东师范大学“985工程”《教师教育创新基地和优势学科平台建设》子项目“教师实践创新的主阵地”研究内容之一.该项目由华东师范大学张际平教授领衔,带领强大的研究团队,并与多家科技企业紧密合作,经过两年左右时间的研究,在课堂的理论研究、物理空间的设计、新技术新媒体的运用、多种互动形式的实现、学生座位的形态组合、教学平台的设计开发、新型教学模式的创建及教学实践的探索等方面均取得了很大成果,引起了社会各类教学机构和部门的极大关注.本文为专栏系列文章的第十篇.

如上期《思维可视化研究之目的与技术支撑》一文所述,对教学而言,“思维可视化”是指将原本不可见的思维路径、方式、规律运用图示或图示组合的方式呈现出来,以期实现增强记忆及加深理解的效果.其本质也就是隐性思维显性化的过程.为了进行思维可视化的教学研究,必须对可视化本身的类型、进展,以及可视化教学研究方面进行考量.

● 可视化的类型

从基本原理上讲,可视化(Visualization)是利用计算机图形学和图像处理技术,将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来,并进行交互处理的理论、方法和技术.“可视化”一词来源于英文的visualization,原意是“可使看得见的,清楚地呈现”,也可译为形象化、成就展现等.事实上,将任何抽象的事物、过程变成图形图像等形象化的表示都可以称为可视化.[1]从另一个角度说,可视化是一个过程——它将数据、信息和知识转化为一种形象化的视觉表达形式.充分利用了人们对可视模式快速识别的自然能力,以形象化的姿态接受大众的解读.[2]“可视化”作为专业术语最早出现在1987年2月,当时美国国家自然科学基金会(National Science Foundation,简称N)召开的一个专题研讨会,给出了科学计算可视化的定义、覆盖的领域以及近期、长期发展的方向.这标志着科学计算可视化作为一个学科在国际范围内已经成熟.[3]作为一个新的学科,目前可视化研究的类型主要是以下三个方面.

1.数据可视化

数据可视化(Data Visualization)是关于数据之视觉表现形式的研究;其中,这种数据的视觉表现形式被定义为一种以某种概要形式抽提出来的信息,包括相应信息单位的各种属性和变量.数据可视化技术的基本思想是将数据库中每一个数据项作为单个图元元素表示,大量的数据集构成数据图像,同时将数据的各个属性值以多维数据的形式表示,可以从不同的维度观察数据,从而对数据进行更深入的观察和分析.数据可视化主要旨在借助于图形化手段,清晰有效地传达与沟通信息.

2.信息可视化

信息可视化(Information visualization)是一个跨学科领域,旨在研究大规模非数值型信息资源的视觉呈现,信息可视化侧重于抽象数据集,在科学技术研究领域,信息可视化这条术语则一般适用于大规模非数字型信息资源的可视化表达.信息可视化致力于创建那些以直观方式传达抽象信息的手段和方法.利用人类对视觉对象的快速辨别能力,使人们在这种新型高效的视觉化界面的帮助下,快速识别出数据背后事物之间的关系及其发展趋势.信息可视化的英文术语“Information Visualization”是由斯图尔特·卡德、约克·麦金利和乔治·罗伯逊于1989年创造出来的.斯图尔特·卡德1999年的报告将其定义为:“借助于计算机支持的,交互性的视觉表示法来表现抽象数据和增强认知”.[4]

3.知识可视化

知识可视化是可视化在教育应用领域研究的一个新分支,是在科学计算可视化 (Scientific Computing Visualization)、数据可视化(Data Visualization)和信息可视化(Information visualization)基础上发展起来的.[5]2004年,Eppler&Burkard将知识可视化定义为:“知识可视化是运用视觉表达手段来研究在两个以上人之间知识创造的提高和传播的作用,知识可视化也可被认为所有用来构成和传输复杂意识的图解手段.”[6]一般来讲,知识可视化领域研究的是视觉表征在提高两个或两个以上人之间的知识传播和创新中的作用.这样一来,知识可视化指的是所有可以用来建构和传达复杂知识的图解手段.除了传达事实信息之外,知识可视化的目标在于传输见解、经验、态度、价值观、期望、观点、意见和预测等,并以这种方式帮助他人正确地重构、记忆和应用这些知识.

● 可视化研究的进展

可视化的研究是伴随着科学技术的发展,经历了数据─信息─知识可视化的研究历程.但是,随着基于计算机的工业设计的兴起和脑科学的发展,可视化研究开始向思维研究的领域发展.可视化图形图像以及背后的数据来源和创造历程更是让人们为之诧异不止.它涉足制图学、图形绘制设计、计算机视觉、数据采集、统计学、图解技术、数型结合以及动画、立体渲染、用户交互等.相关领域有影像学、视知觉、空间分析、科学建模等.随着可视化技术的应用和发展,可视化研究也从计算机科学领域向与其他学科的交叉领域渗透,包括心理学、教育学、神经科学、管理学等学科.

从可视化研究方面讲,在计算机出现之前,可视化主要通过手工绘制.最具代表性的例子是英国麻醉学家、流行病学家JohnSnow绘制的关于1854年伦敦霍乱流行情况分析图,他用地理坐标方格图标绘了霍乱爆发后,死亡病例的位置以及每个病例使用水泵的情况,发现了水泵是这次霍乱爆发的来源,从而成功地验证了他的理论/检测设:受污染的水是导致霍乱爆发的原因.[7]然而,直到计算机发明以后,可视化才真正成为人们分析数据,获取有用信息的手段.[8]数据可视化的概念起源于1960年的计算机图形学,人们使用计算机创建图形图表,可视化提取出来的数据,将数据的各种属性和变量呈现出来.随着计算机硬件的发展,人们创建更复杂规模更大的数字模型,发展了数据采集设备和数据保存设备.同理,也需要更高级的计算机图形学技术及方法来创建这些规模庞大的数据集.对于真正的可视化研究主要从关注科学计算和数据的可视化研究开始,1987年,由布鲁斯·麦考梅克(Bruce H. McCormick)、托马斯·德房蒂(Thomas A. DeFanti)和玛克辛·布朗(Maxine D. Brown)所编写的美国国家科学基金会报告《Visualization in Scientific Computing》,拉开了科学可视化研究的序幕.[9] 几十年来,可视化一直是研究的热点,众多的大学、跨国公司以及著名的实验室均投入了大量的人力、物力开展对可视化的研究.随着数据可视化平台的拓展,应用领域的增加,表现形式的不断变化,以及增加了诸如实时动态效果、用户交互使用等,数据可视化像所有新兴概念一样边界不断扩大.数据可视化在发展过程中,经历了科学可视化“利用计算机图形学来创建视觉图像,帮助人们理解科学技术概念或结果的那些错综复杂而又往往规模庞大的数字表现形式”.例如,利用经验数据,科学可视化在天体物理学(模拟宇宙爆炸等)、地理学(模拟温室效应)、气象学(龙卷风或大气平流)模拟人类肉眼无法观察或记录的自然现象;利用医学数据(核磁共振或CT)研究和诊断人体;在建筑领域、城市规划领域或高端工业产品的研发过程中发挥重大作用.又如,在汽车的研发过程中,需要输入大量结构和材料数据,模拟汽车在受到撞击时如何变形.在城市道路规划的设计过程中,需要模拟交通流量.虽然科学可视化的表现形式对于普通人比较陌生,像粒子系统、散点图、热力图等图表不接受专业训练很难看懂.但实际上科学可视化的成果已经渗透到我们生活的每个角落.数据的可视化在计算机科学的图形学领域成为研究重点,如浙江大学CAD国家实验室所关注的三维建模和虚拟现实.以微软为代表的应用软件开发商,开发了大量对数据进行可视化的软件如GRAPH图表等,应用于各个领域.随着可视化技术的发展,可视化工具包即具有可视化功能的软件包越来越丰富,它采用菜单驱动,支持有限的数据类型和可视化算法,用户通过程序调用实现数据的可视化,但不需要编程,可视化形态也从2D向3D发展.典型的可视化工具包有Ensight,MayaVi,ParaView,pV3,PV-WE,Vis5D等.[10]

90年代初,信息可视化进入人们的视野.用于解决对异质性数据中“抽象”部分的分析.帮助人们理解和观察抽象概念,放大了人类的认知能力.也就是信息可视化开始关注普通用户的知识表达和知识传递,使可视化技术向非专业用户和其他学科领域延伸.例如,商业及管理图形决策系统、图形化数据显示、演示图形系统、可视化信息系统、C3I(指挥、控制、通信和信息系统),金融的图形系统及商业和科学图表与图形.在电子教室的认知研究结果的基础上发展的开发视觉思维能力和创新能力的儿童和成人教育与学习的可视化工具与技巧.各种信息图形软件中的视觉呈现研究发展,在屏幕布局、窗口、图标、字体设计和动画,改善彩形显示和图形用户界面(GUI)的开发工具及可见语言编程工具的改进.视觉艺术和设计的计算机图形应用程序,涉及平面设计、工业设计、广告及室内设计,包括设计原则、色彩、比例及地方与视觉元素方向的有关标准等研究.

知识可视化是在科学计算可视化、数据可视化、信息可视化基础上发展起来的新兴研究方向,它应用视觉表征手段促进群体知识的传播和创新.其定义可概述为:“知识可视化是研究如何应用视觉表征改进两个或两个以上人之间复杂知识创造与传递的学科.”而美国的斯马尔蒂诺(Smaldino)在《教学技术与媒体》一书中揭示了图片、插图和文字从具体到抽象地表现了不同种类符号的真实程度,可视化内容以图片呈现已经成为体现可视化优势的重要手段.[11]如何把知识以图形图像的方式可视化呈现已经成为可视化应用领域研究的热点.由于很多学者通常将知识体系分为四个等级:数据、信息、知识和智慧.Gene、Durval和Anthony认为理解(Understanding)支撑着数据到信息和知识的转换,理解并不是一个独立的层次.[12]赵国庆等曾从可视化对象、可视化目的、可视化方式和交互类型四个方面对数据可视化等信息可视化与知识可视化进行了比较.[13]针对智慧(思维)可视化的方法、技术的相关研究也颇多,主要集中在用何种结构的图形图像显示知识更符合人们的思维方式,如启发式草图(Heuristic Sketches)、视觉隐喻(Visual Metaphors)、因果图、想法鱼池(Idea Quarium)、思维导图(Mind Map)、思维地图(Thinking Maps)等就是相关的尝试.受化学中元素周期表的使用、外观和逻辑的启发,Ralph和Martin在2005年整合了形式多样的视觉表征,依据各类视觉表征的相关性和不同点对技术进行编号、上架,从管理学的角度形成“可视化周期表方法”,[14]形象直观地揭示了不同形式的视觉表征在管理学相关领域知识的联系和区别.这些可视化方法是一种系统的、有一定规则的、外部的、持久的用来传达某种信息的图形图像表征,他们有益于人们获得知识、阐述观点或交流经验.可视化元素周期表方法提供了管理学应用领域知识可视化具可操作性的策略.

● 思维可视化的教学研究

数据、信息、知识的表现形式可以是美丽、优雅、生动、形象或描述性的.有多种传统的数据、信息、知识表现形式在不同的项目及可能的场合被频繁地使用,如表格、饼图、柱状图等.但为了更有效地向人们传达知识信息,有时你需要的绝不仅仅是一张饼图或直方图.还应该有更好的、深刻的、富于创造性及趣味性的方法来表达可视化数据、信息或知识.这是创造性设计美学和严谨的工程科学的卓越产物.用极美丽或形象的形式呈现可能非常沉闷繁冗的数据,其表现和创作过程完全可以称之为艺术,而教学从另一个角度说也是一种艺术,这也正是人们所期待的.这些需求和期待也正蕴含着思维可视化将成为更为丰富的教学研究对象.就目前而言,思维可视化在教学方面的研究可以归结如下.

1.教学对象的研究

在思维可视化的课堂教学中,学生被海量的视觉和图形信息轰炸,直接影响着学习者的思维变化.大量包含功能强大的图像和符号的电子媒体出现在学习和生活中,学习者需要什么样的技能和素养才能满足思维可视化学习的需求.我们的教育系统是否能够帮助学生不仅理解图形和图像,而且还使用图形和图像进行有效沟通,开展正确思维.[15]这也常被人们称之为视觉素养能力的培养.作为可视化教学的教师应该具备更全方位的视觉素养能力,这也是重要的研究. 2.教学环境的研究

为了满足思维可视化教学过程的需要,可视化的教学环境如何去构建,已经成为教育技术领域的研究热点之一,如诺丁汉大学的视觉学习实验室、北卡罗莱纳州立大学的SCALE─UP教室、华东师范大学的未来课堂以及众多的智慧教室的提出都具备多屏显示的特征,为可视化教学的实施提供尝试.可视化教学环境的研究牵扯到多个学科领域,包括技术层面和教学层面.

3.教学策略的研究

早前的可视化策略,主要集中在通过对文本链接的可视化效果,来增加对文字作品或文学作品的理解.[16]但是,新的思维可视化教学过程描述的是一个完整的把可视化融入教学的各个环节,包括教学内容的细节,能激发学习者学习兴趣的节点.在教学的每个阶段都可以使用可视化手段和可视化内容,所以会使可视化教学策略的研究内容更为丰富.技术工具的使用策略,可视化内容的设计策略,可视化教学活动设计策略等都需要研究.具体包括多学科方法和技术为基础的教学,思维导图、图形组织者、阅读障碍等.

4.教学评价的研究

杰森·理查德森,直言不讳地批评标准化测试,因为目前的评估措施主要是针对学习者对事实记忆的评价,而不是学生的技能或能力.新的可视化教学可能因为媒体技术和学习理念的变化发生改变,那么如果我们的评价方式没有改变,这些教学上的改变将无法进行,应该说可视化教学的评价是促进可视化教学发展的关键,必须得到研究者们的关注.

● 小结

从早期媒体的发展到新媒体技术的出现,可视化一直伴随着教学的发展,人们不需要再去质疑可视化所能带来的好处,而需要做的是如何紧跟可视化教学发展的基本脉络.按照新媒体技术发展的新趋势,融合新的学习理论研究成果,去探索如何提供更好的教学环境和教学设计使思维可视化的巨大作用能够充分地发挥出来.技术环境提供了可视化教学应用的可能,但真正的可视化教学应用还需要除硬件环境以外的教师和学生的改变,我们教育研究者所要做的是拓展研究的思路,如何提供更好的教学环境和教学设计使可视化的巨大作用能够发挥出来.随着技术的发展,信息技术和智能识别技术可以记录各种交互信息,分析技术如视频行为分析、社会网络分析法给可视化教学活动的量化评价提供了便利的方法和理念.未来科技或许将为我们的课堂带来巨大的变革,而教学研究思路的转变就是迎接课堂变革的重要部分,其中思维可视化将会成为教学理念改变的一个重要途径.