所属栏目：教育学论文发表 发布时间：2018-11-15浏览量:192
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摘要:可视化作为一种高效的教育教学手段,在教育领域,特别是在科学教育领域得到了广泛的应用.基于对已有文献的总结,文中阐述了教育可视化的概念、相关理论及实证研究,并对科学教育可视化的应用提出了相应的建议;分别以静态和动态可视化的分类为线索,归纳总结了科学教育可视化的方法特征.最终得出结论:对于科学教育可视化的设计,必须注意并确保可视化对象和内容与特定的环境和教学目标相适应,特别是要尽可能地适合每一位学生,科学教育可视化的效果是否显著,依赖于学生的知识背景、视觉感知和理解能力.
关键词：教育可视化;科学教育;可视化思维;静态可视化;动态可视化
中图法分类号：TP391.41
1教育可视化
简言之,可视化就是信息的图形化显示.图形化显示的目的是以可视化的方法展示给读者所表达信息的意义.可视化的重要性在于它必须高效地提炼出读者的知识库.如果读者不具备理解所展示的图形对象以及图形之间关系的能力,那么可视化就没有达到目的.可视化也可定义为一种表示,它创建一种图形表达或者作为一种视觉表象的同义过程[1].文献[2]提出可视化适用于表达的客体有产品、物体或视觉影像等,可视化的内容有过程、活动或技术等.
教育是外部条件促进知识吸收的过程.这些外在影响包括许多的形式,如教师、书本、文章、图像、视频、计算机程序等.一般来说,所谓的教育可视化是指任何与教育相关的、能促进对知识(如思维、概念、算法和关系等)学习的可视化.为了达到这个目的,教育可视化必须紧密地结合学习者已有的知识和准备要传授的知识.因此,为了提升可视化在教育中的应用效果,在进行可视化设计之前必须了解学习者的知识层次和知识结构.
虽然相关文献没有关于教育可视化定义的明确表述,但是文献[3-6]认为教育可视化包含4个方面的重要内容:可视化对象.它包括图片、模型、示意图、几何插图、计算机生成的视图、仿真、动画和视频等等.对象可以被展示在各种媒体上,包括纸、幻灯片、计算机屏幕、交互式白板、电视以及嵌入到声音和其它传感数据中.可视化动机.文献[4-5]认为,可视化动机、可视化内容和可视化教学效果之间满足2Emc=(1)
其中E表示可视化教学效果;m表示可视化动机;c表示可视化内容.由式(1)可知,要想取得好的可视化教学效果,可视化动机是关键.动机分为积极的和消极的,当教师对教学有积极的动机时,教师会更加主动地尝试、探索和改进可视化教学手段,从而提升可视化教学效果.而当学生具有积极的学习动机时,学生会更加积极地思考可视化所传达的教学内容,使学习效率显著提高.
可视化思维.文献[6]认为,可视思维是通过发挥人脑对可视化对象的想象力和创造力将可视化对象映射到人脑中,再经过逻辑思维过程形成对可视化对象的理解.图1显示了当可视化对象展现在人们面前时可视化思维就会发生.在可视思维期间,视觉感知、可视想象和可视化共同存在且相互依赖.根据所看见的对象和场景,按照某种依赖顺序可视化思维的各部分共同作用.当看见可视化对象并去感知它,同时用内在的想象力和创造力对其进行加工,这样的处理过程会持续进行,直到认为已经认识或不认识该可视化对象为止.
图1中模型表明,视觉感知传递视觉行为给大脑,然后用可视化对其进行描述.在可视化思维的三大组成部分之间,所有的视觉感知处理都是依照此模型中的顺序.可视化内化.它是对经过可视化思维后的可视化对象在人脑中的持久记忆.利用已具备的知识网络对可视化对象进行可信度分析、形象化体验和可视化理解,这是一种认知行为,作为与可视化对象交互的结果产生思维上的改变,最终将可视化内化于人脑中,形成记忆、思维和理解.
2科学教育可视化的理论观点
科学教育可视化主要理论观点有:
1)双重编码理论(dual-codingtheory,DCT)[7-9];
2)视觉表象假说(visualimageryhypothesis,VIH)[10-11];
3)粒状语言模型(granularlinguisticmodel,GLM))[12-14].
DCT与VIH的主要不同在于可视化的功能和目的,而GLM可用于自动评估学生对算法可视化对象的认知程度.3实证研究概述根据已有的文献可知,研究人员普遍认为:可视化对象能有效地解释、展示和学习科学技术领域的理论、概念和方法[3].科学技术领域中不同的可视化类型服务于不同的目的:如一张图表(解剖学的图表)表达一种或多种对象的特征信息,一张原理图(电子电路图)说明了各元器件之间的相互关系.科学教育可视化提供了一种展示人眼不可见想象事物的方法,如分子、原子和原子内部粒子等微观物质世界.
如何运用可视化描述那些重要的科学概念的关键特点及功能,并有效地传达出去,这是教育可视化需要解决的重要问题.针对科学教育可视化表示的研究,对科学领域的可视化应用具有启示作用.这类研究包括不同类型科学信息的可视化表示、可视化表示高效运用的语境和条件、适合学生的可视化表示的特点,以及不同可视化表示对学生课堂表现的影响.通过分析研究科学教育领域可视化应用的相关文献可知,该领域的研究主要是基于数学、物理、化学和计算机科学等科学技术领域,它们主要关注的焦点是在科学教育课堂上大学生接受可视化教育的效果,以及科学教育可视化的理论与应用.因此,本文将从以下几个方面进行阐述:
1)静态可视化(插图、图形和图表);
2)动态可视化(动画和基于计算机的可视化);
3)动态与静态可视化比较;
4)有无可视化比较.
3.1静态可视化
科学教育可视化领域的应用研究显示,可视化能增强或替代文字对特定科学概念的解释,可视化是对文字和语言信息最有说服力的补充.文献[17]研究了地图对大学高年级地理专业学生学习的影响.该研究将100多名学生分为3组:第1组只有文字资料;第2组除了同样的文字以外还配有对应的地图;第3组除了同样的文字和地图外,还在地图上做了相应的文字标注.这3组学生分别学习后,回答了一系列预先设计的问题.研究发现:配有文字说明的地图能更好地辅助学生理解地理概念,地图表达空间关系的能力要远高于纯语言文字的描述.
3.2动态可视化
关注动态可视化对于学生学习效果和内化力影响的研究并不太多.这些文献认为动态可视化(动画)能增加学生的兴趣水平和接受能力,但是仍然质疑动态可视化对于学生学习和理解能力的提升效果[26-28].在分离混合物的化学课程中,结合讲述和文字描述,提高学生对蒸馏、离心分离、过滤、蒸发、纸色谱分析以及磁选等一系列化学方法的学习兴趣.文献[27]研究了3D插图、3D动画和交互3D动画等可视化类型对学生的学习效果和内化力的不同影响.图6展示了统计结果,其中,图6a和6b分别展示了A和B2组场景与学生投入每个场景的平均时间之间的关系.研究者发现,在3D插图组的学生学习效率较高,而在3D动画和交互3D动画组的学生学习效率较低.其原因在于动画信息演化得太快,学生构建动态可视化信息相对更困难类似的研究还有文献[29-30].文献[27]的研究显示:动态可视化的交互控制对学生产生了额外的认知负担,学生似乎缺乏空间想象能力去完整地构建动态可视化信息.虽然学生对3D动画和交互3D动画的兴趣浓厚,但是他们对化学概念的理解并没有明显提高.最终,动态可视化增加了学生的兴趣,同时也加重了学生的记忆负担.
4对科学教育可视化的建议
科学教育可视化应用的效果与使用的场景有关,它具有2个基本功能:1)促进学习和理解;2)帮助分析问题和解决问题.科学教育可视化的目标是:1)促进对概念和过程的理解;2)将不可见信息转化为可见信息;3)高效地表达有意义的细节特征[5].在科学教育中,使用可视化对象可以帮助理解和分析问题.如何有效地运用科学教育可视化,基于DCT的观点认为,可视化必须伴随着丰富语言的指导;而VIH概括了可视化对象最重要的作用在于激发学生思考、减轻记忆的压力.文献[38]认为,运用动态可视化(动画)可激发学生学习潜能,但是,作用仅限于短期的激励作用,长期的效果还取决于动态可视化的内涵.根据文献[1,11,15,38-40],表4对静态可视化和动态可视化的运用提出一些建议.
5结语
可视化在教育中的应用得到广泛的支持和提倡[41].文献[42-43]研究了具体的科学教育可视化工具,并对使用效果进行了分析,研究显示可视化在科学教育领域有着重要的作用.尽管如此,对于科学教育可视化的设计必须注意确保可视化对象和内容要适应特定的环境和教学目标,特别是要适合每一个学生.科学教育可视化的成功,不管以什么形式,都依赖于学生的知识背景、视觉空间的想象和理解能力.因此,对于可视化对象的功能和表示技巧的深入研究,对评估可视化的价值、有效性和表达能力是至关重要的.本文中的可视化评述向科学教育领域不同类型的可视化提供了参考建议.
参考文献(References)：
[1]KarenLV,VeraJW,KarenL,etal.Visualizationinscienceeducation[J].AlbertaScienceEducationJournal,2011,41(1):22-30
[2]Bishop,AJ.Reviewofresearchonvisualizationinmathematicseducation[J].FocusonLearningProblemsinMathematics,1989,11(1):7-16
[3]PhillipsLM,NorrisSP,MacnabJS.Visualizationinmathematics,readingandscienceeducation[M].Dordrecht:Springer,2010
