智慧校园《中国教育信息化》编辑部：mis@moe.edu.cn智慧教育环境下的知识可视化设计与应用研究蒋宁袁李美凤渊沈阳师范大学教育技术学院袁辽宁沈阳110034冤摘要院野互联网+冶时代的智慧教育需要教学方式方法的革新袁教育信息化对教育改革发展的支撑引领作用日益凸显遥本研究在知识可视化的含义及特征基础上袁结合智慧教育的时代背景袁对四种知识可视化设计手段及工具进行研究和应用实践袁为推动教育信息化发展袁为智慧教育的学习环境和资源建设袁为给学习者提供优质的学习支持服务做出些许贡献遥关键词院智慧教育曰知识可视化曰知识地图曰语义图示曰词云曰3D技术中图分类号院TP393一尧引言在野智慧教育冶的背景下袁呼吁创新教育教学方法的呐喊声不断涌出袁*主席在致首届国际教育信息化大会的贺信中提到院野积极推动信息技术与教育融合冶袁指明教育要寻求以信息技术为支撑的教育新理念与新模式袁而野智慧教育冶就是教育信息化的创新路径袁是当前信息时代的教育新形态袁教育形态的革新也意味着教育方式和学习方式的创新遥世界上许多国家已经把智慧教育作为未来教育发展的重大战略遥怎样野智慧冶教育袁怎样野智慧冶学习是教育信息化工作者尧教师和学生都要面临的一个重要问题遥本研究是在智慧教育视角下对知识可视化方法进行研究袁查阅国内外教育信息化推进过程中所采用的知识可视化应用范例来分析野知识可视化冶在野智慧教育冶中起到的重要作用袁以期为教育信息化的发展尧创新型人才的培养尧教学方式和学习方法的完善提供新的思路遥二尧智慧教育概述在祝智庭的叶智慧教育新发展院从翻转课堂到智慧课堂及智慧学习空间曳中袁他对智慧教育的定义是院智慧教育的真谛就是构建技术融合的学习环境袁让教师能够施展高效的教学方法袁让学习者能够获得适宜的个性化学习服务和美好的发展体验袁使其由不能变为可能袁由小能变为大能袁从而培养具有良好的价值取向尧较强的行动能力尧较好的思维品质尧较深的创造潜能的人才[1]遥在文献标志码院A文章编号院1673-8454渊2018冤05-0066-06*信息生态系统袁是数字教育的高级发展阶段袁是当代教育信息化发展的新境界和教育现代化所追求的重要目标冶[2]遥无论是哪种定义袁人们都可以清晰地看出智慧教育的首要条件就是技术与教育的和谐融合袁借此来促进人在信息社会的个性发展尧全面发展尧创新发展和终身发展遥渊1冤智能化遥在野互联网+冶的大背景下袁各种新兴技术和工具应运而生袁物联网尧大数据尧移动智能终端等现代信息技术实现了智慧教育中智能化的野教冶与野学冶模式遥渊2冤泛在化遥智慧教育的泛在化特点基于网络的泛在化袁智慧教育的发展的前提条件是网络的尽可能的全面覆盖袁泛在的网络可以实现人与人尧人与物尧物与物的交流袁从而达到野万物互联冶的境界遥渊3冤融合化遥智慧教育中袁无论是技术与学科的融合还是技术与技术的融合都在加快遥比如利用大数据对学生学习成果进行准确评价和教育管理袁利用云平台实现师生尧生生交流遥融合化的特点等等都让智慧教育终能形成一个和谐的无缝连接的教育信息化生态系统袁各种功能相依相生袁为学生的学习提供有力的稳定的保障遥渊4冤个性化遥智慧教育利用多种学习工具尧学习资源尧学习活动打造丰富多彩的学习环境袁学习过程中产生的大数据为每个学习者分析出自己的特性袁快速精确生成适合个人的学习任务并推送针对性的学习资料和资源袁为学生的个性化选择提供了条件遥渊5冤开放协同遥近年来袁随着MOOC和可汗学院等在杨现民的叶信息时代智慧教育的内涵与特征曳中袁智慧教育被定义为野依托物联网尧云计算尧无线通信等新一代信息技术所打造的物联化尧智能化尧感知化尧泛在化的教育DCA160257冤研究成果遥线学习课堂的实行袁全球的优质资源实现了开放共享袁突破了教育资源的地域限制袁也进一步缩小了地区间的教育质量差别袁促进全球性的野智慧教育冶发展袁为全世*本文系2016年度全国教育科学野十三五冶规划教育部重点课题野智慧环境中的课堂交互对学习的影响研究冶渊课题编号院66中国教育信息化／2018.05《中国教育信息化》编辑部：mis@moe.edu.cn界学习者的泛在学习提供了便利[2]三尧知识可视化概述遥知识可视化是在科学计算可视化尧信息可视化尧数据可视化的基础上发展的新兴研究领域J.Eppler袁2004年Martin定义[3]袁国内将这个定义翻译为和RemoA.Burkhard首次对知识可视化进行了的是视觉表征在改善两个或两个以上的人之间的知识院野知识可视化领域研究创造与传递中的应用袁指所有可以用来建构和传递复杂见解的图解手段2009冶遥视化是研究如何应用视觉表征改进两个或两个以上人年基于此基础上对知识可视化进行表述国内北京师范大学的赵国庆博士在院野知识可之间复杂知识创造与传递的学科冶[4]会在群体知识的传播中起着很重要的作用并在教育教遥为什么知识可视化学中逐步应用起来呢袁赵国庆提出了以双重编码理论为知识可视化的理论基础的观点遥野双重编码理论定义了三种类型的加工院淤表征性的袁语言和非语言表征的直接激活曰于调用性的袁通过非语言系统激活语言系统或反过来通过语言系统激活非语言系统曰盂联合加工袁在语言系统内部或非语言系统内部的表征的激活遥一个任务可能需要三种加工中的一种或全部[5]可以看出袁知识可视化将知识以图解的方式表示出来遥从双重编码理论,为基于语言的理解提供了很好的辅助和补充袁大大降低了语言通道的认知负荷袁加速了思维的发生遥冶徐州师范大学的王朝云在叶知识可视化的理论与应用曳一文中袁对知识可视化的理论基础提出了不同意见袁认为知识可视化的理论基础不是双重编码理论袁而是戴尔经验之塔袁戴尔根据学习经验的抽象程度将其分为三大类袁即做的经验尧观察的经验尧抽象的经验袁做的经验最为基础袁是直接经验遥不同抽象程度的经验促进个人学习的效果是不同的袁学习者的大部分知识都是由间接经验而来袁所以利用最少的时间吸收最多的间接经验内化为自己的具体经验是有尤为重要的袁王朝云认为知识可视化技术正好满足了这一要求袁野知识可视化应用视觉表征手段,把知识以图解的手段表示出来,将内隐知识外显化,将外显知识生动化,有效地达到了抽象知识具体化的目的,是帮助我们实现这一理想的有力工具遥冶[6]赵国庆主要从认知科学角度来解释知识可视化袁表明了人的认知结构在接受知识时的编译过程袁王朝云则更侧重从间接经验的表现和转换方面来强调知识可视化对于知识传递的重大影响遥总的来说袁知识可视化的本质就是将隐性知识转换为显性知识袁将内显知识外显化袁把复杂知识结构化袁将抽象知识具体化尧生动化袁将其应用在教育教学过程中袁智慧校园让学生的思维更加活跃袁记忆知识也更加牢固遥知识可视化是在智慧教育环境下必需的一种新型学习方式袁值得深入研究并加以应用和创新遥四尧智慧教育下的知识可视化设计现有的知识可视化手段和工具可分为三大类袁第一大类是图表文字袁包括概念图尧思维图尧思维导图尧思维导图等等遥第二大类是图形图像袁主要包括图片图画袁电子教材和动画尧视频尧微课尧几何画板遥第三大类是情境再现袁3D尧VR尧AR和虚拟实验平台等等[7]信息化的时代背景袁智慧教育的特点和要求着重研究四遥本文基于教育种新型知识可视化工具遥知识地图又叫做认知地图尧概念地图认知地图袁最早由英国情报学家布鲁克斯提出袁他表明院野知识地图是按照知识的逻辑结构找出人们思维相互影响的链接点袁把链接点像地图一样标示出来袁展示知识的有机结构图冶[8]现在很多企业或者组织中应用知识地图来搜索导航和遥培育评估袁提高工作运行效率遥在智慧教育中袁知识地图可以当作一种知识管理工具袁具有导航的功能袁用来组织微课袁描述各个知识点之间的关系袁以可视化的方式呈现知识结构遥知识地图的表现形式多种多样袁比如树形图尧网状图等等袁本研究查阅了众多资料袁浏览了国内一些著名的学习网站与平台袁发现有知识地图或者导航的少之又少袁目前袁知识地图的应用还是停留在理论方面遥作为学习网站的先锋者袁美国可汗学院率先构建了数学学科的知识地图[9]袁如图1所示遥图1可汗学院知识地图可汗学院的知识地图是按照从易到难的程度从上往下排列的袁左侧是加减法的相关知识列表袁这个知识地图可以按比例缩放和上下移动遥知识点之间的连线表示了知识点之间的依托和递进关系dition冶的下面是一位数加法最简单袁比如说野1-digitad鄄野2-digitaddition冶袁袁所以处在地图的最上方两位数加法袁再往下走袁袁它在TheChineseJournalofICTinEducation67智慧校园知识地图中野2and3-digitsubstraction冶两位数和三位数之间的减法与野2-digitaddition冶两位数加法难度相当袁所以处于并列位置袁再接下来便是加减法文字题和借位加减法等等遥通过查看地图学习者可以了解课程的难易袁结合自身知识掌握情况选择优先学习什么遥可汗学院的知识地图是利用谷歌地图API制作的袁所以可以像谷歌地图一样缩放和变换位置来上下左右移动遥为了方便学习者袁制作者除了对谷歌地图API进行更改以外还加入了外部功能袁比如袁对学习者最后学习的位置做标记等等袁更利于学习者追踪自己的学习路径袁清晰掌握整个课程框架袁也有利于老师对学生的学生进度和情况进行跟踪遥野伟东云教育在知识地图应用于教学方面冶于2016年8月份袁袁我国的在线教育公司野寻知图1.0版本冶[10]袁见图2遥发布了知识地图产品图2伟东云知识地图师端遥野寻知图在学生端冶一共有三个客户端袁野寻知图冶以各个学科知识图谱为核心袁学生端尧家长端和教袁提供知识导航图和课程目录袁学生在每个知识点上完成看视频尧做练习尧拓展学习等学习活动袁在进阶学习过程中袁不允许跳过遥在家长端袁家长可以通过野寻知图冶查看孩子的学习进度尧学习成果和现阶段学科能力报告袁方便其快速获取孩子的学习情况袁促进家校共育遥在教师端袁教师可以通过野寻知图冶对班级整体针对某个知识点的掌握情况一目了然袁包括习题的完成情况袁视频观看情况袁学习时间统计等等袁帮助老师进行学情分析袁为教学安排和改进优化教学方案提供依据遥知识地图在智慧教育的要求下作为智能化的知识导航和管理工具可以以可视化的方式清晰地展现各个知识点之间的联系袁统筹安排学习资源袁并具备智能推荐尧个性化等多重特征袁应该大力推广和应用遥68中国教育信息化／2018.05《中国教育信息化》编辑部：mis@moe.edu.cn语义图示工具模型是通过对带有语义规则的图形尧图像尧动画等可视化元素的操作袁进行知识的建模袁可视化地建立系统的学习者模型袁通过语义的知识动态模拟直观清晰地把握概念之间的关系[11]语义的图形图像将抽象的知识可视化遥语义图示利用带有袁使学习者快速把握知识点或概念之间的逻辑关系袁有助于提高学习者对于知识系统的整体理解力袁促进深度学习尧有意义学习Maker袁提高学习效率遥常用的语义图示制作工具有Insight[12]具袁用于可视化建模和模拟工具袁它是一款实用的基于浏览器的免费的在线工袁可以对知识表征进行模拟并建立动态的联系袁见图3遥图3InsightMaker在线平台如图4[13]所示是针对某一区域内狼和驼鹿种群之间的相互作用进行建模袁并且使用以真实数据为基础的变化曲线[13]模拟狼和驼鹿数量的变化袁便于分析随着时间变化其种群数量变化之间的关系袁见图5遥语义图示工具模型借助信息技术手段袁促使学习者将碎片化知识整合袁建立完整的知识框架袁突破知识表征的单一性袁促进知识的获取尧交流尧转化以及内化袁将知识和思维可视化袁促使学习者由野浅层学习冶向野深度学习冶快速转变遥图4某一区域内狼和驼鹿种群之间的相互作用《中国教育信息化》编辑部：mis@moe.edu.cn图5随着年份变化的种群数量变化词云也叫文字云袁是一种简单的知识可视化方式袁是图示和文字的结合袁这个概念由美国西北大学新闻学副教授里奇窑戈登提出袁他认为词云就是对网络文本中出现频率较高的野关键词冶予以视觉上的突出袁形成野关键词云层冶或野关键词渲染冶袁从而过滤掉大量的文本信息袁使浏览者对文本的主要内容一目了然袁见图6遥图6词云在教育教学中袁媒体资源的形式多种多样院音频尧视频尧图片袁但是最不可缺少的还是文字文本遥词云可以将文字知识以图形化的方式呈现出来袁以丰富的图形或者图像来解释以文本为载体的知识内容袁尤其是一些无法用动态图像等其他形式表示的科学性学术性文章袁以不同的颜色标注不同的词袁不同的大小代表文本中词语出现的频率高低袁单词出现的频率越高越能代表其重要程度袁让学习者快速抓住文章主旨遥叶词云在英语学习中应用的最多袁在杜华和孙艳超的阅读文本是以线性的序列从字母排成单词文字云图在英语阅读教学中的应用研究曳尧中指出英语句子和文章的袁所以记忆的时候按照顺序来记忆会容易的多袁而与语言文本的组织不同袁图像的信息加工不受序列的限制袁它可以同时展现整体的信息遥大脑对于形象材料的智慧校园记忆要比记忆纯文本好很多遥所以使用词云来将文本进行图像表征袁可以提高学习者的理解和记忆速度[14]云利用词的颜色尧大小尧位置等的不同袁让学习者脑海里遥词勾勒出文章的基本结构和主旨大意袁也便于对学生思维进行培养袁让他们勤于动脑袁自己构建知识框架袁同时还激发了阅读兴趣袁提高了学习效率遥网上有许多可以在线生成词云的图片的网站和工具Cloud袁例如袁Tagxedo尧HTML5WordCloud尧WordLe尧Word总体来说Generator袁到目前为止等等遥袁教育领域对词云的应用范围很狭窄袁但是本文认为袁词云不仅可以在英语学习中发挥作用袁在其他学科例如语文地理政治等袁其与文字文本相比也有着巨大的优势袁包括词云还可以进行学习者的历史数据的统计分析结果显示袁可以对学生的学习情况做出个性化评估袁词云的功能还有待开发和优化袁期待它会在智慧教育中发挥更大的作用遥在学习环境发生巨大变化袁学习方式发生彻底革新袁学习资源如此丰富的智慧教育背景下袁基于二维的平面图像已经不能满足学生对于知识的表现形式的需求袁他们需要更震撼精细的视觉感受袁让他们更亲密地接触领悟知识袁让知识不仅仅是野可视冶还要野可感冶野可触冶野可听冶袁这是一种野沉浸式冶的知识可视化形式袁可以促进学生对知识的创新和迁移[15]术及3D数字化教学资源能完整展现三维空间上的概遥基于三维空间的3D技念袁将知识内容立体化袁让学习者犹如身临其境袁对于激发学生的学习兴趣袁培养学生的创新思维袁巩固学生记忆袁提高学生效率都大有裨益渊1冤VR虚拟现实与AR遥渊Augmented渊VirtualReality袁简称VR冤和增强现实利用电脑技术生成的可交互的三维立体环境Reality袁简称AR袁又称混合现实冤袁VR础上增添了全都以虚拟环境来模拟现实3D建模尧模拟世界等额外的东西袁而AR则在现实的基袁两者都是不同的是袁简单来说袁VR全都是假的袁虚拟的袁只是你的感知感受会非常真实袁而AR则是现实与虚拟的结合遥目前VR广泛应用于游戏中袁用以打造鲜活逼真的游戏场景和交互模式袁而其在教学中也起到了很重要的作用遥当前许多高校都在积极研究虚拟现实技术及其应用袁并相继建起了虚拟现实与系统仿真的研究室袁如北京航天航空大学在分布式飞行模拟方面的应用袁浙江大学在建筑方面进行虚拟规划等等遥通过逼真的学习环境袁立体的知识内容袁体感交互等技术袁让学生进入野沉TheChineseJournalofICTinEducation69智慧校园浸式冶学习袁亲身经历亲身感受去获得直接经验袁大大提高了学习者对于知识的吸收能力遥例如医学院的学生能通过VR进入人体内部来全面了解器官的运作并模拟真实医疗状况遥学习者在利用虚拟现实技术学习时需要佩戴VR眼镜和手柄[16]行实践操作遥如图7所示袁借此进入虚拟环境并在其中进遥图7通过VR技术学习需要佩戴眼镜和手柄与VR相比袁AR技术更具有普遍性袁因为VR的全虚拟性带来了价格上和配置上的高门槛袁而AR技术要求比VR低一些袁成本小一些袁它可以通过某种装置来观看袁在智慧教育背景下袁无论是智能手机还是平板电脑都能满足AR技术实现的要求袁使内容呈现[17]袁如图8所示遥图8AR技术与平板结合现在以智能手机尧电脑或者平台电脑为载体的AR研究越来越多袁例如AR图书袁传统绘本结合APP袁使得书中的内容以三维立体效果全息投影在眼前,可实现虚拟信息渊例如院三维虚拟模型尧动画和视频等冤与真实环境的野渊2冤无缝冶融合袁增强用户对现实世界的感知能力遥虚拟实验室软件是指在计算机系统中采用虚拟现虚拟实验平台实技术实现的各种虚拟实验环境袁是利用技术与学科知识高度融合的一种知识可视化手段和工具遥实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目遥以北京乐步教育科技有限公司主持开发的NOBOOK虚拟实验室[18]为例袁仿真物理实验室尧仿真化学实验室[19]和仿真生物实验室是其主要项目袁如图9遥虚拟实验平台可以按照实验教学的要求提供非常逼真的实验环境袁没有时间尧地点尧空间的限制袁而且安全可靠袁现实生活中存在危险的实验可以在虚拟实验平70中国教育信息化／2018.05《中国教育信息化》编辑部：mis@moe.edu.cn图9NOBOOK虚拟实验平台台上进行操作遥以上虚拟现实和可视化技术的结合就是当前智慧教育中的最新发展袁这种知识可视化形式为学习者提供了立体AR维立体空间将知识具体化技术尧袁直观的学习内容和教育场景都是在为学习者打造多维的学习环境袁无论是VR尧生动化尧可视化袁然而这种教袁基于三还是学方式和学习方式的发展受到3D资源的制作难度大尧制作人才少尧技术设备造价高等问题限制袁但相信随着技术的发展袁这些困难会被一一克服遥五尧智慧教育下的知识可视化应用本研究不仅对基于智慧教育背景下的知识可视化进行了论述BOOK虚拟实验平台的操作为例袁并且进行了应用遥遥以词云的制作和NO鄄本研究利用WordCloudGenerator进行词云的在线制作willfight袁以英国首相丘吉尔在二战时期的著名演讲intheend.曳为例袁在文本框中输入演讲全文叶We生成词云袁见图10遥袁即图10生成词云出现频率高的单词体积越大袁不同的单词被标注成不同的颜色野surrender冶袁在图中袁很容易看出野fight冶野defend冶野power冶象化袁方便学习者更容易抓住长篇幅文章的中心思想等词出现的频率较高袁使例文的核心内容形袁理解文意遥同时词云的应用也锻炼着学习者的综合分析和判断推理能力袁根据词云中词汇排列的不同位置尧大小尧颜色准确把握内容遥本研究利用NOBOOK虚拟实验平台进行在线化学《中国教育信息化》编辑部：mis@moe.edu.cn虚拟实验袁如图11所示遥图11NOBOOK在线虚拟实验平台页面右边是可选的实验器材袁全部都是对真实的化学实验器材进行仿真模拟袁所有元件都可以进行移动尧删除等操作遥本研究选取化学野铝和盐酸的反应冶的实验器材进行实验遥按步骤操作后袁操作结果出现袁试管试剂内不断有气泡冒出袁并且温度计显示温度升高袁如图12所示遥图12实验结果现象虚拟实验平台以其逼真的立体环境和器材让学习者身临其境袁并且解决了现实实验会存在的安全尧成本尧资源等问题袁带来了新鲜的学习感受袁从空间和时间的自由性上推动了智慧教育背景下的个性化教学发展遥六尧结束语教育与技术的结合是未来教育教学的趋势袁其产物可以改变教学者的教学模式和方法袁优化学习者的认知能力袁促进学习者的学习能力袁智慧教育的目标不再是培养知识型人才袁而是创新型人才袁而要到达这一目的袁教学手段的革新必不可少遥智慧教育下的知识可视化教学手段和工具将有效地提高教学的可视化尧个性化尧和交互性袁进而提升学生的综合素质袁随着社会的进步袁科技的发展袁更多富有新意的尧多元的尧野智慧冶的知识可视化方法会被应用于教育教学当中遥参考文献院[1]祝智庭.智慧教育新发展院从翻转课堂到智慧课堂及智慧学习空间[J].开放教育研究,2016,22(1):18-26.[2]杨现民.信息时代智慧教育的内涵与特征[J].中国电化教育,2014(1):29-34.[3]EPPLERMJ,BNRKARDRA.KnowledgeVi鄄智慧校园sualization:To-wardsaNewDisciplineanditsFieldsofApplication,ICAWorkingPaper#2/2004[R].Universityoflugano.InSchwartz,D.G(Ed.)EncyclopediaofKnowledgeManagement.IdeaGroup,2004.[4]赵国庆.知识可视化2004定义的分析与修改[J].电化教育研究,2009(3):15-18.[5]赵国庆.知识可视化的理论与方法[J].开放教育研究,2005,11(1):23-27.[6]王朝云,刘玉龙.知识可视化的理论与应用[J].现代教育技术,2007,17(6):17-19.[7]徐进.高中历史野可视化冶教学研究[D].河南:河南大学,2014.[8]崔春阳,戴心来,单畅.基于知识地图的高中微课资源网站导航设计[J].中国教育信息化,2016(7):42-44.[9]可汗学院.可汗学院官网[EB/OL].https://www.khanacademy.org/exercisedashboard#,2017-05-01.[10]伟东云教育.伟东云知识地图[EB/OL].http://www.xunzhitu.com/knowledgePointsMap/visKMapView袁2017-05-01.[11]顾小清,冯园园,胡思畅.超越碎片化学习:语义图示与深度学习[J].中国电化教育,2015(3):39-47.[12]Insightmaker官网[EB/OL].https://insightmaker.com/new,2017-05-01.[13]Insightmaker官网[EB/OL].https://insightmaker.com/insight/2068/Isle-Royale-Predator-Prey-Interac鄄tions,2017-05-01.[14]杜华,孙艳超.文字云图在英语阅读教学中的应用研究[J].中国电化教育,2012(8):115-119.[15]王洪梅,王运武,吴健.3D数字化教学资源尧未来课堂与智慧学习三元关系的新探讨[J].远程教育杂志,2017(2):29-35.[16]搜狐教育.虚拟现实技术正在走向教育领域[EB/OL].http://www.sohu.com/a/104748163_440647,2017-05-01.[17]站长之家.AR玩具袁让我梦回童年[EB/OL].http://www.chinaz.com/news/2016/0726/557277.shtml袁2017-05-01.[18]北京乐步教育科技有限公司.NOBOOK官网[EB/OL].http://www.nobook.com.cn/,2017-05-01.[19]北京乐步教育科技有限公司.NOBOOK在线化学虚拟实验平台[EB/OL].http://huaxue.nobook.com.cn/,2017-05-01.渊编辑院王晓明冤TheChineseJournalofICTinEducation71