一、知识可视化的特征和功能

正如Mayer所说:“学生从文字和图片中学习比单独从文字中学习效果更好。”知识可视化技术把抽象知识用形象的图表、图形及图像等可视化手段表达出来,大大地提高了知识的可理解性、可识别性,使知识更容易被记忆、理解、加工和运用。知识可视化的外在形式是各种视觉表征,有效地促进了群体知识的传播和创新,因为知识可视化视觉表征是改善知识传播的手段,也为潜在的知识创造提供了可能。目前,知识可视化已成为重要的教育理念,知识可视化工具和方法已被广泛用于各门不同学科的教育教学之中。

知识可视化具有下列的一些特征。直观化、结构化:知识可视化可以使抽象的知识变得直观形象,同时又呈现出结构化的特点,不仅可以清晰地呈现概念或知识点,还能明确地表达它们之间的结构关系和本质联系。深度化、本质化:知识可视化使不可见的知识甚至隐性的知识显性化,将显性知识生动化,可以深度发掘知识内含的特性,展现知识的本质。高效化、优质化:知识可视化可以对知识进行优化,并可以被高效率获取,知识可视化不仅传递事实,还传输见解、经验、态度、价值观、期望、观点、意见和预测等。因此,知识可视化用于教学,这种图解形式的知识可以引导记忆,更富形象性,更易理解,有助于知识的同化,有利于知识的迁移、应用、激发创新。由于知识可视化便于传播,也就有利于群体之间的沟通、交流与合作。可视化知识经由知识的内在联系将知识形成整体,方便知识的组块,建立系统化的知识体系。

二、知识可视化工具及其在物理教学中的应用

不同的学者对知识可视化工具的分类不同,形式十分丰富。常用的有:表格(Excel)、流程图(Flow Charts)、概念图(Concept Map)、思维导图(Mind Map)、思维地图(Thinking Maps)、概念卡通(Concept Cartoons)、观念地图(Idea Map)、知识地图(Knowledge Map)、认知地图(Cognitive Map)、语义网络(Semantic Networks)等等。这些众多的可视化工具中,有些已为大家所熟知并普遍应用,如表格、流程图等;有的已有较多的介绍,在教育教学中也已得到不同程度的运用,如概念图、思维导图等;有些却鲜为人知,甚至在国内很少介绍或没有介绍,在教育教学中更没有得到应有的重视和研究,如观念地图、思维地图等。物理教学本来在这方面的运用和研究应该具有优势,但从目前的状况看,还不如其他学科教学,如英语、生物、地理、化学等。本文正是针对这一现状,对主要的且对物理教育教学有很好应用前景的一些知识可视化工具作简要介绍,希望引起物理教师的关注和重视,并做出研究然后应用于物理学科教学之中,在促进物理教育改革,提高物理教学质量方面发挥应有的作用。

1.概念图

概念图产生于1972年,是美国康乃尔大学J. D. Novak和D. B. Gowin提出的。概念图是一种能形象表达命题网络中一系列概念含义及其关系的结构化图形,它由节点(概念)和连接节点的线段(关系标签)组成,能清楚地表达某一命题中各概念节点间的内在逻辑关系。[2]概念图最突出的特点是用层级结构的方式表示概念之间的关系,核心的概念位于图的上端,次一级或更一般的概念按等级排列在下面,概念之间还可以交叉连接,并表明这种连接的关系。概念图的特点使其在支持学习方面发挥特有的优势。

概念图通过区分概念之间的层级次序,确定概念之间的内在联系,使相关概念之间形成有机联系的整体,有助于对概念的理解,如加速度,从运动学的角度,它是速度的时间变化率,因此,和速度、时间有关,而速度是单位时间的位移,即又和位移、时间相联系。从动力学的角度,它是力作用的效果,力引起物体运动状态的改变,所以与力、质量有关,在中学物理学中,常见的力有万有引力、弹力和摩擦力,这些力又与一定的物理概念发生关系,质量又与体积、密度概念相关。这样,我们对加速度的认识就显得丰富、全面、深刻。概念图的表示形式简洁明了,形象具体,有利于记忆、巩固,便于对知识组块,使某一特定领域或某一观点有关的概念群以整体的又一目了然的方式呈现,可以综合信息和资源,可以引申和拓展。概念图可以帮助学习者反思学习的活动过程,可以将默会知识显示出来,有利于物理知识的表达和传递,有利于合作学习和相互间的沟通交流。概念图也能帮助学习者提高元认知能力,也可以作为有效的评价工具等等。如图1是磁铁的概念图,我们可以从中体会它的教学功能。

2.思维导图

思维导图是英国心理学家Tony Buzan于1970年提出的,是基于对脑神经生理科学与心理学的研究,类比自然万物放射性情形而形成的关于放射性思维及其图形表达的成果。思维导图运用线条、符号、数字、逻辑、节律、色彩、词汇和图像,按照一套简单、自然、基本、易被大脑接受的规则,运用从中心发散出来的结构,把一些枯燥的信息变成容易记忆的、有高度组织性的图形。[3]思维导图的形式就像大脑神经网络的结构图,利用这种图形,可以将思维过程呈现出来,直观形象地表达知识的结构和关联。在物理教学中,恰当地运用思维导图,有利于提高学生的思维品质,提高认知能力,促进知识网络的形成,促成知识的建构。激发学生多角度多层次地思考问题,促使学生将原来离散的知识形成有内在联系的整体,既有利于学生学会学习,又有利于教师的有效教学。

思维导图是一种树冠状网络式的发散结构,启发学生改变线性式的思维,产生多向的联想,生成知识的网络,激发创新构想。在绘制思维导图的过程中,更需要学生围绕某一主题,将相关的概念、事实、命题、原理,按照它们之间的联系,形成一个统一的整体。思维导图特别有助于学生思维活动的展开,提高学生的思维能力,其发散形的结构,尤其对促进学生的发散思维有独特的作用,而发散思维被认为是创造性思维的核心。思维导图被称作高效学习者的“瑞士军刀”,促进大脑快速、高效、自然地工作,特别适用于阅读、复习、笔记、备考,帮助学习者高效地管理信息,提高学习者的自信心,增加个人成功的概率。思维导图也是师生交流的工具,有效教学评价的工具。下页图2是一幅星体的思维导图,可以看到思维导图特有的结构。

3.思维地图

思维地图是David Hyerle在1988年开发的,是建立在语义学、认知心理学等理论基础上的。

思维地图是用来进行建构知识,发散思维,提高学习能力的一种可视化工具。相对于前面所介绍的概念图和思维导图而言,思维地图更注重学习能力的培养。思维地图有8种类型,[4]如下页图3所示。

圆圈图,在圆圈中心,写上需要研究的主题,如光的现象。在圆圈外边,写上或画出与主题有关的信息,如“反射”、“折射”、“干涉”、“衍射”、“偏振”等。树形图,主要用于对事物进行分组或分类。最上端是核心概念,下面依次逐级分类。如“电磁场”,可分“电场”、“磁场”,电场下可以逐级写上与电场相关的概念,磁场也一样。起泡图,与圆圈图不同,其中心圆圈内,写上被描述的概念或事物,如“平衡力”,外面圆圈内写上描述性的词语或短语,或写上特征,如“大小相等”,“方向相反”,作“用在同一直线上”等。双起泡图,主要用来进行对比和比较,两个被比较的概念或事物放在两个中心圆圈内,如平衡力、作用力与反作用力之间的比较,外面单独连接的圆圈内写上不同点,如“作用在同一物体上”、“分别作用在不同物体上”等,中间共同连接的圆圈内写上相同点,如“大小相等”,“方向相反”等。流程图,用以列举顺序、过程、步骤等,大方框写上过程,下面对应的小方框写上每个过程的子过程,如探究学习,每个环节(过程)又可以有具体的实施策略或步骤。复流程图,用以展示和分析因果关系,中心方框是核心概念或事件,如光的干涉,左边是产生的原因或条件,右边是产生的现象或结果。括号图,主要用于分析、理解事物整体与部分之间的关系,左边是概念或事物的名称、图像,如运动学,括号里就写上相关的概念,如“直线运动”、“曲线运动”,再依次用括号,依次写上所属的概念或事件。桥型图,主要用以类比、类推,桥的左边横线上、下写上相关的事物,如“水流的形成”,桥的右边横线上、下写上与左边进行类比的事物,如“电流的形成”,通过类比,实现对难理解的、抽象的、复杂的物理概念的学习。同时,还可以把几种思维地图联合起来学习运用,从中获取最大的信息量,提高学生的学习能力,取得最佳的教学效果。

4.概念卡通

概念卡通是由英国曼彻斯特城市大学教育学院的Brenda Keogh和Stuart Naylor于1992年提出的。概念卡通利用卡通图画的形式,系统地将常见的科学概念融于日常生活的相关情境中,通过提供多种不同的观点引发学习者的认知冲突、激发学习者的思考,促进学习者的探究,提高学习者的科学素养。[5]

这种可视化方式容易调动儿童的学习兴趣,感到物理学是与他们相关的,贴近的。儿童在发表各种自己的观点时,容易反映他们所具有的前概念,并在交流中引发他们的认知冲突。概念卡通可以作为儿童合作学习和探究学习的工具,还便于进行STS教育和SSI教育,在这当中,引入论证和推理,提高他们的科学素养,拓展他们的科学视野和思维空间。由于概念卡通的形式特殊,因此,这种知识可视化工具更适合小学科学和初中物理教学。如下页图4所示,几个儿童对电路所引发的思考,人物对话在卡通画的泡泡里,画面下提问:“你认为呢?”,吸引学生参与,引发他们的思考。

5.观念地图

观念地图是一种对大脑工作方式的自然表现方法,可用在学习、思考、计划、组织活动、回忆、笔记、讨论、报告等许多方面。观念地图在很大程度上是在思维导图的基础上建立起来的。但观念地图比思维导图具有更多的实际性、灵活性和可用性。[6]

观念地图的构建体现了左右大脑皮层的思维活动,是将逻辑方法、线条、词组、数字和一系列的颜色、图片结合起来的过程。观念地图的结构分成四个部分;中心图像,主体分支,小分支,附加部分(标志、图像、色彩)。中心图像:在所有的观念地图构建过程中,最先确定下来的一定是中心图像。它包括了中心关键词或是图像,代表了整张观念地图的主题或中心。为了让使用者留下更多的视觉印象,它至少包括3种颜色,有时甚至着重处理。主体分支:指那些直接连接中心图像的分支,突出了主要内容,一般每张观念地图都有5到9个主体分支。它们一般绕着中心图像按顺时针方向标记,通常由制图者根据中心图像发散思维直接得到。左右分布的模式模拟了左右脑的模型。小分支:小分支可以是主体分支的继续分支或是直接的单线连接。由制图者根据上一级的关键词继续发散思维得到。附加部分:用于着重、突出或连接区别内容时用,可以标注到观念地图需要的任何位置。观念地图应用范围广,可应用于学习、思考、回忆、计划、笔记、讨论等许多方面。它的主观性较强,体现的是个人大脑对某事物的思考过程,是制图者对知识的理解和思考,结构分布也随主观意愿决定。同时,观念地图还具有高效性,通过几个关键词的描述、相关的联想,能够将大脑思考的过程反映出来,体现了知识的连贯性,使知识能得到高效的梳理和集中,能拓宽制图者思维的深度和广度,利于记忆和回顾。图5所示是关于

直线运动的观念地图。

6.知识地图

知识地图是由美国情报学家B. C. Brooks提出的,主要是指人类的客观知识,他认为人类的知识结构可以绘制成以各个知识单元概念为节点的学科认识地图。而目前一般认为,知识地图是可视化地显示可获得的信息及其相互关系。它促使不同背景的使用者在各个具体层面上进行知识的有效交流和学习。在这样的地图中包括的知识项目有文本、图表、模型和数字。[7]

知识地图是一种有效的知识管理工具,不仅揭示了知识的存储地,也揭示了知识之间的关系。在学习领域应用时,知识地图使无序的知识信息建立相互之间的联系,从而形成有序的条理清晰的知识框架,使学习者保持学习兴趣,提高学习效率。学习者借助知识地图,正确判断自己所处的知识层次,从而明确学习目标,找到合理的学习途径。利用知识地图,可以整合各种学习资源,方便地找到所需要的知识,拓宽学习视野。但知识地图的构建是一项复杂的系统工程,从图5就可以认识到这一点。[8]

在物理教学中,在知识地图层呈现的是所学物理内容,描述层对知识做出描绘,并与知识地图层相链接。当然需要结合自身的知识资源分布状况及其知识结构进行建模,通过对知识建模提取出知识特征、描述知识的使用背景以及用通用的格式对知识进行描述存储。知识地图的构建应结合数据挖掘及人工智能技术。

7.语义网络

语义网络是1968年美国心理学家J. R. Quilian提出的,认为记忆是由概念间的联系来实现的,他建议用语义网络来描述人们对事物的认识。语义网络是知识的一种图解表示,用节点表示概念、实体和情况等,用边表示节点之间的关系,边也称为联想弧。语义网络表示由四个相关部分组成。词法部分:决定表示词汇表中允许有哪些符号,它涉及各个节点和弧线。结构部分:叙述符号排列的约束条件,指定各弧线连接的节点对。过程部分:说明访问过程,这些过程能用来建立和修正描述,以及回答相关问题。语义部分:确定与描述相关的(联想)意义的方法即确定有关节点的排列及其占有物和对应弧线。[9]

语义网络能把概念的结构属性与概念之间的关系显式简明地表示出来,与概念相关联的事实、特征和关系可以通过相应的节点和弧线推导出来。由于与概念相关的属性和联系被组织在一个相应的节点中,概念可被访问和学习。问题的表达更加直观,更易于理解,适合于沟通、合作。语义网络可以非常大,可以包含大量的相互关联的概念。

三、认识和建议

上面简单地介绍了几种知识可视化工具,目的是想引起我国广大中学物理教师的兴趣。对照国外,如概念卡通出现之后,英国于1992年启动了名为“科学教育中的概念卡通”的研究计划,同时出版了不少相关书籍,开发了相关的软件,建立了相应的网站。思维地图在美国兴起后,1992年被纽约、德克萨斯州等多个地区的众多学校应用,到2004年,美国有近4 000所学校使用思维地图进行教学。思维导图更被重视,英国把思维导图作为中小学的必修课程。概念图已深入到很多教科书编写之中,被广泛使用和研究。这些可视化工具,不仅在本国,许多其他国家也有十分丰富的研究和应用。我国虽在近十年中发展明显,论文不断增多,但理论探讨以文献介绍为主,缺乏理论上的创新与突破;实践研究则以简单的经验介绍为主,很少见到系统的、严格的实证性研究。[10]而且在研究中,我们不太注重研究规范,不太讲究研究方法,尤其与具体学科教学的结合,与新技术的结合,与新课改理念相结合的成果不够丰富,水平也不够高。

我国当前正在开展基础教育课程改革,在新课改理念指导下,要求教学规范地转型,学习方式转变,师生角色转换,同时,又大力倡导信息技术与课程的整合,大力推行教师专业化发展。知识可视化的物理教学应用,可谓适逢其时、天地广阔