简述可视化可视化教学设计策略与运用

[摘 要] 可视化是以一种直观的、更加容易感知的图示方式表征信息及其信息加工的过程。任何复杂的思维过程和知识都可以通过图解的方式将其逻辑关系表示出来。可视化教学设计就是为了简洁、明了地传递信息，也是为了更加深入地加工信息，是对语言、文字等思维活动的解释说明，适用于目标分析、学习者分析、内容分析及策略选择与评价分析等。可视化教学设计过程与结果的简易性、直观性和深度加工更适合学校教学的特点，是目前应该大力倡导的一种教学设计方法。
[关键词] 可视化； 画图； 教学设计； 可视化教学设计
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[作者简介] 李芒（1961—），男，河北辛集人。教授，博士生导师，主要从事教学行为研究。E-mail：leemang@bnu.edu.cn。

一、问题的提出

图示是一种非常有效的设计工具。在教学设计的发展过程中，教学设计者最早尝试运用流程图将教学设计的复杂过程直观地呈现出来。尽管这种图示的方法对教学人员的帮助很大，使他们对教学的程序和步骤有了一个比较清楚的认识，但是这一做法限制了教学人员的设计思路，使他们仅仅局限于固定的设职称论文范文{#GetFullDomain}
计框架，追求适合于各种情景的“通用”模式，使教学设计过于形式化，缺乏教师教学设计的创意和独特表现形式，使教学失去了生机和活力。更有甚者，将教学设计人员的设计思维简单化，希望借助计算机穷尽教师行为的各种可能情况，通过流程图的简单线性模式模拟人的复杂思维过程，就好像用动物的行为反射来简释人类复杂的学习行为一样，犯了行为主义心理学的低级错误。所以说，画图是我们进行教学设计的方法，但我们对画图不能囿于成见，仅限于流程图或程序化图示模式。画图也要从人的思维活动特征出发，而不是从计算机程序设计原理出发。教学设计专家罗兰德认为，教学设计是一个动态的、非确定性的过程，其本质特点是探索性和创造性，教学设计过程会因对象或内容的不同而变化，不赞成用一般规则和程序禁锢教学设计者的艺术灵感与直觉。教学设计的这一特点决定了目标分析、学习者特征分析、内容分析、策略分析及评价分析的独特性和发散性思维特征，其分析过程应该是开放的、人性化的，结果形式呈现应该千姿百态、不拘一格。
对一个复杂的教学内容，可以使用图解的方法描述各个要素的关系。所有的教学设计环节都可以使用图解的方法进行。通过画图、找关系，图解教学，是符合教学设计过程与结果特点的一种视觉表征方法。与现代文字表述不同的是，图示（或者图解）是一种可视化表征的方式。早期的教学设计专家主张对学习内容进行层级分析的方法和图解分析的方法就是一种教学内容可视化的尝试，只是对于如何利用可视化的方法进行教学设计，以及这种教学设计方法的可行性与应用效果缺乏专题性研究，没有系统的理论支持。
随着信息可视化、知识可视化领域的应用和拓展，教学设计研究也出现了可视化视觉转向（钱旭鸯，2010），可视化教学设计研究也提上了日程。同时，思维科学技术的发展也证明，可视化教学设计训练是一项很有意义的工作。

二、从可视化技术到可视化教学设计

尽管“可视化”作为专业术语出现于1987年2月美国国家自然科学基金会召开的一个专题研讨会上，但是研究视觉媒体的霍尔蒂曾在1983年在自己撰写的论文《教学设计与图示化》（Instructional Design and Visualization）一文中就建议教学设计者应该将自己内部的表征外显化。[3]可见，可视化概念的出现并没有一个确定的时间，只是当代文化在转向一种视觉文化的背景下，加上计算机科学技术在图形技术方面的突破，人们更加关注“可视化”的实现。正如法国学者魁奈所表述的，“视觉化并不取代话语，而是使其变得更易理解、更敏捷、更有效率”，[4]可视化也是表征事物的一种方式。早在20世纪初期，人们已经将图表和统计等原始的可视化技术应用于科学数据分析中，更加方便、直观地表述研究结果。随着海量信息的出现，人们对可视化技术更加向往，数据可视化、科学计算可视化、信息可视化、知识可视化等都成为一些专门的研究领域。从信息科学的技术视角理解，可视化就是通过计算机软件的支持，将事物及其发展变化的形式和过程，用仿真化、形象化的方式表现出来，一般而言包括数据、模型和过程等三方面的可视化。对用户来说，可视化主要就是信息提供的可视化，也就是信息服务界面的可视化。[5]潘云鹤院士给出的科学计算可视化的定义是指运用计算机图形学或者一般图形学的原理和方法，将科学与工程计算等产生的大规模数据转换为图形、图像，以直观的形式表示出来。[6]从计算机可实现的技术纬度理解可视化，我们对可视化概念的理解已经过于狭隘，仅仅指称的是人与机器之间的一种交互类型，把人与人的交流排除在外，是不可取的。一个具有更普遍意义的可视化定义认为，可视化是一种使复杂信息能够容易和快速被人理解的手段，是一种聚焦在信息重要特征的信息压缩语言，是可以放大人类感知的图形化表示方法。简单地说，可视化就是把数据、信息和知识转化为可视的表示形式并获得对数据更深层次认识的过程。[7]这种转化任务既可能由人来完成，也可能由计算机工具来实现，这不是可视化最本质的问题。但是，这一定义把可视化看作是手段、语言和方法及其应用，揭示了可视化可实现的目标，已经突破了可视化的技术范畴，是对可视化内涵更加全面的把握。尽管对于可视化概念的理解，不同的学科可以有不同的定义，但可视化的目标却是非常明确的，即帮助人们增强认知能力、理解事物间的联系、降低认知难度。[8]因此，将任何抽象的事物、过程变成图形图像等图示方式的表示都可以称作可视化。[9]简单地说，可视化就是利用图示的方法对事物进行视觉加工处理的过程，至于选什么工具，则由完成任务的属性和将要达到的目的来确定。美国著名思想家贝尔宣称“当代文化正在变成一种视觉文化，而不是一种印刷文化”。图形在人们的日常生活和学习之中占据越来越重要的位置，显示出其不可替代的作用。有关可视化教学内容设计研究（张维忠，2010）、[10]可视化教学过程设计研究（曹晓明，2009）、[11]教学决策可视化研究（叶妙玲，2009）[12]推动了教学设计可视化研究的进程，积累了丰富的研究资料，但这些可视化教学设计的实现都是借助计算机图形技术或程序软件来完成的，其图形结果是可以学习借鉴的，但这种实现过程的技术工具的复杂性反而会影响人们对可视化效果的追求，甚至对可视化望而却步。正像有人所说的，“随着技术的进一步突破和相关研究逐渐获得广泛的认同，包括教学目标分析、学习者特征分析、学习环境分析、教学媒体和资源设计等在内的完整环节的设计过程的可视化也将成为可能”。[13]教学设计的命运就注定一定要和计算机联系起来吗？没有计算机技术的发展，就没有可视化教学设计了吗？源于：论文提纲格式www.618jyw.com
在遇到一个复杂、困难的问题时，逻辑学要求我们首先精确地确定问题之所在，把该复杂问题分解为多个相对简单的问题，然后逐个找出解决这些简单问题的可以操作的程序、模式、方法和准则，再给出这些问题的解决方法，进一步检验它们的真假对错等，这就是一个逻辑推理的过程。在这期间要遵循逻辑学的基本规律，即同一律、矛盾律、排中律等，这样才能确保推理的过程具有确定性、一致性、明确性。教学设计就是一个问题解决的过程，不像人们通常在“食谱”或使用手册中发现的教学程序那样，教学设计反对死板、容易源于：标准论文格式www.618jyw.com
复制的结论。从本质上讲，每一个教学设计项目都会有新的创造，使用者不能每一次都遵照相同的方式进行教学，但所遵循的逻辑原理是不变的，即各种思想之间可以只用非常少的几种逻辑关系表示出来，这种简单性使我们有可能找到这些逻辑关系的通用规则，如向上、向下和并向的关系。

2. 脑科学和学习心理学

生物生理学和神经生理学的研究发现，在每个人的大脑中约含有上万亿个脑细胞，其中约有千亿个是活跃的神经细胞，它们每一个可与其他细胞构成多至两万个连接，这个结构反映了构成大脑物理结构的神经元网络系统。人的大脑思维也因此被看作是在一个庞大、错综复杂的网络结构下所进行的并行的、放射性的信息传递和加工过程。现代脑科学进一步发现，人的大脑是由大约140亿个神经元组成，每个神经元都与其他的神经元形成功能网络。人类对大脑的认识已经发展到泛脑网络阶段，泛脑网络学说认为，人的大脑可从宏观到微观分为回路、神经元群、神经元及分子序列等四级层次的网络。[17]人的学习、记忆和思维正是通过这样一个网络系统来进行的。实验表明，人的大脑在进行学习思维时是以并行方式进行工作的。[18]人们习惯的文本学习材料，由于是线性结构，在学习时往往要沿着由始至终的顺序路线进行，缺乏并行性。这种线性而非并行的学习材料和学习方式，不利于复习巩固和有效记忆，也不利于得出内容之间的有机联系和产生联想，也就妨碍了进一步的分析研究和创新理解。[19]知识存储的网状模式证明人的思维完全可以突破时间和逻辑的线性轨迹，使人的各种想法自由翱翔于思维的广阔天地，进行任意的跳跃和生发，也可以任意调换先后次序，进行自由组合。

3. 脑图和概念图

东尼·博赞发明的脑图是一种很有效的图示方法，表现形式上是树状结构。它把注意的焦点清晰地集中在图形上，主题的主干作为分支从向四周放射，分支由一个关键的图形或者写在产生联想的线条上面的关键词构成，比较不重要的话题也以分支的形式表现出来，附在较高层次的分支上，各分支形成一个连接的节点结构。脑图以其放射状的形态，不仅提高了学习者的发散思维能力，而且使其学习内容之间紧密相联，便于记忆内容的唤醒，同时也将整个思维过程直观地呈现出来，有利于对其学习过程作出评价，是一种有效的教学设计图解的方法。概念图是用来组织和表征知识的工具。它通常将某一主题的有关概念置于圆圈或方框之中，然后用连线将相关的概念和命题连接，连线上标明两个概念之间的意义关系。脑图和概念图都是已有的可以利用的可视化教学设计工具，概念图强调知识的组织化，而思维导图强调思维的过程性，但二者殊途同归，最终都以图形方式表示了一种关系状态。研究表明，用结构图的方式呈现内容，比语言的描述让学生更能明白事物之间、概念之间、知识之间、问题之间、行动之间的相互关系和逻辑顺序。[20]

四、可视化教学设计的意义

1. 图解知识有利于教师学习共同体开展集体备课

为了提高教学质量，建立教师学习共同体，鼓励教师集体备课，画图是一种很好的交流工具。图示的结果不但可以帮助上课教师阐明、解释自己的想法，而且有助于其他教师了解上课教师的基本思路。罗伯特·霍恩（Robert Horn）在其著作《可视化语言》（Visual Language）中指出，尽管人们日常的工作场所大多是语言性或非图视化的（口语、文字和数字等），但事实上人脑的80%功能都用于处理视觉信息。因此，罗伯特·霍恩将在展示观点时整合视觉语言的各种优点作出简要概括，即视觉语言可以帮助决策、提升印象、缩短交谈、促进共识和利于说服。[21]

2. 图形内容就是学科的基本结构，有利于学习者学习

学科有其逻辑性，倘若学习者理解了学科，就会发现学科有一些关键特征，这些特征将有助于学习者熟练地掌握该学科。图形内容就是学科的基本结构，有利于学习者学习。因为学科知识结构之间存在着某种基本逻辑，学生在理解该逻辑之后再学习细节部分就相对比较容易，有助于学习者熟练地掌握该学科。杜威曾在一篇论文中将学生的学科学习与普通人的探险旅游进行比较。他认为，在游历某个新的地方之后，旅游者会制作一幅地图。该地图并非是为了表现他在旅游中获得的兴奋和快乐，而是为了向其他人展现他们将遇到的主要景点及景点之间的路径关系。对于学习者而言，当其进入某学科学习之初就能看到这张地图，这将帮助他建立起一个关于该学科学习的初步概念，使他们能够为即将面临的问题和困难作好准备。另一方面，对于制图者（教学设计者）而言，这份地图不是只对学科学习过程的片断式的回忆，而是对整个学科概念系统的梳理。[22]

3. 画图可以简化教师的备课形式，引导教师关注学生和学生的学习过程

教学设计是一个问题解决的过程，而画图是一种很有效的思维工具，它可以帮助设计者进行创造性思维。通过画图，设计者能够分清主次，更快更清楚地看出一些主要思想如何彼此关联，形成组织思想并加以深化提炼的能力。图形给了学校教师一个非常有用的中间平台，使他们在思维过程与教学决策之间平稳过渡，而不再重复耗时费力的起草、再起草过程。凭借教师的教学经验，他们发现利用思维导图可以快速、高效地准备讲课教案，除节省时间外，教师在讲课之前迅速浏览一下思维导图教案，便可以轻松把握全盘内容，精确分配讲课时间，传授的知识量也迅速增加。[23]备课形式简化了，教师才会有更多的时间关注学生本身。可视化教学设计的价值真正在于每一位教师都成为设计者，赋予图形以创造性知识，并充分展示课堂教学的生命活力。

4. 问题解决需要手脑并用，画图是个体全身心参与的实践过程

人类的思考、学习、问题解决不仅仅内在于人类的头脑中，而且需要借助于模型、图形、人与人的交流等。在杜威看来，思考或知识的获得，远不是一种坐在扶手椅上就能进行的活动。原因在于，它不完全在脑皮质之中进行，也不会仅仅借助大脑皮质和发声器官一起就能持续进行——手和脚，各种各样的仪器和用具，如同大脑中的变化一样，也是思考的组成部分。[24]可视化教学设计实现了手脑并用，实现了图形的空间组合，使教师全身心参与到积极的实践中，更有利于教学问题的解决。

5. 图表使结果表述更加形象直观，易于理解，从而加深学习印象

思维导图、概念图和思维地图等画图工具，它们有一个共同的特点就是将文本形象化、时空层次化、信息秩序化，通过对图像、文字、符号、色彩等视觉元素的综合运用来处理一些单靠文本或数据很难解释的信息间的相对关系，并试图通过视觉语言提高信息传达的感染力、丰富性及交流的效率。“信息图表”就是一个信息传播领域“可视化”运用的例证。并不限于常用的数据图表，源于：普通论文格式范文www.618jyw.com
“信息图表”将视觉审美艺术同量化、准确的数字文本信息结合在一起，用适当的视觉语言将数字与数字间的关系有效地组织和归纳，形成既易于理解又具有戏剧化色彩的图形格式，使人们以最少的时间消耗和最大的趣味性去理解文本、数据所传达的趋势、差别、变化等，帮助读者理解过于乏味的描述性文字。教学内容设计也可以借鉴“信息图表”的设计方法，形成多样化的视觉表达，帮助学习者理解学习内容，提升学习效果。

五、可视化教学设计的应用实例

其实，教学设计研究伊始，就有可视化的尝试和不同程度的发展，只是没有系统性地开展可视化教学设计应用研究。例如，教学内容的层级分析、教学过程的程序流程图、教学决策的头脑风暴过程等都是可视化的尝试，像这样的图形有许许多多。可视化教学设计研究不是穷尽这些图形，而是找出一些画图的基本规律，而可视化教学设计应用，则在于用这些规律去指导实际的教学设计分析。图形是一个工具，在目标分析、内容分析、学习者分析、策略分析、评价分析的画图方法应该是不一样的，在这方面有必要形成一些基本“规则”，这也是可视化教学设计研究工作的任务。

1. 应用于教学决策

画图的过程，就好像组合型的问题一样，正确答案不是唯一的，或者说，正确答案是自己创造出来的。画图也是决策的一部分，通过教学决策流程图可以使教学决策者明白分析的任务和具体操作步骤。下面可以看到一个具体运用可视化促进头脑风暴会议的实例，基本思路如图3所示。
在可视化设计过程的指导下，一位教学设计者决定利用一次头脑风暴会议来帮助团队突破原来的想法。她给每个参加者分发了几张有粘性的便条，要求他们在2～3分钟之内写出能够想到的当前面临的问题——每个便条上写一个问题。在没有揭示出书写者姓名的情况下，她大声读出每个纸条上的内容，并把纸条贴在大活页纸上。在所有的纸条被贴上以后，她询问团队成员是否觉察到了集中的题目。当他们说出总结题目的单词或短语时，她就在大纸的上端写出短语，队员们一起将纸条进行分类，把每个纸条放在合适的标题下面。接下来通过组织与缩减分类项，进一步优化问题。最后以相似的技巧集中于每个问题的解决上，一次处理一个问题——首先在粘纸条上写下他们的观点，然后把纸条上交，并大声读出内容，大家进行表决。[25]

2. 应用于教学内容分析

教学内容如果是经过整理的，可以直接拿来画图；但如果内容还没经过整理，也没关系，只要一边画图一边尝试错误，从中整理出有价值的信息就可以了。一般在教学内容分析时，画图要注意以下几个基本环节：熟读材料，抓住核心，明白教什么；内容分类，结构化，制作关系图；确定教学重难点，进行价值判断；教学内容编排，掌握顺序。同时，进行图解是一个深度加工的过程，所以用轻松的气氛开始投入，相当重要。图4和图5是两位教师对小学四年级语文课本中《太阳》这一课文进行的内容分析图，形式上差异很大，这完全符合教师进行教学设计的真实情况。
加拿大学者范梅南认为教学就是“即席创作”，[26]教学不仅需要技术和技能，而且需要艺术素养和审美情趣。目前教育研究界提供的教育教学指导过于单一、机械，忽略了教师工作的复杂性、动态性和审美功能。如果教师实践教学中的知识归纳、分类与图解能力得到重视和开发，将能更好地发挥教师的个性特点，扩大教师的创造空间，放飞教师的思维。

3. 应用于学习评价分析

画图适用于教师教的过程，也适合于评价教学的结果。通过学习，学生在思想和行为上应该出现什么变化？教师怎样知道这些变化已经发生了？图形反映出什么不同，怎么不一样？差异感在哪里？对于以上问题，通过图形分析都可以直接或间接得出结论。
首先，现场通过学生画知识图，依据序号的排列评定学生对知识点的熟悉程度与思维方式。教师强调学生在画概念的同时写下序号，编号靠前是学生获得的新知识框架中最稳固、印象最深刻的概念。构成关系图后，沿着数字递增的顺序，知识点呈现的逻辑状态反映了学生的基本思维方式。
其次，从知识表示的能力看，概念图能够构造一个清晰的知识网络，便于学习者对整个知识架构的掌握，有利于直觉思维的形成，促进知识迁移。通过画概念图可以直观快速地检测到学习者是否把握了一个概念体系。旺得瑟认为，[27]概念图创作连接着学习者的理解、解释、认知转换以及创造力。通过层级分析，也可以了解学生对知识逻辑把握的深度和广度。
最后，思维导图呈现的是一个思维过程，学习者能够借助思维导图锻炼发散性思维能力。同样可以通过画思维导图让学习者回顾整个的思维过程，看清学生思维的脉络。罗宾逊认为，[28]一张思维地图就像教室的一面镜子，反映了学习者思维的流畅性、灵活性和独创性。通过思维导图，不仅可以注意到学生的模仿能力，还能注意到有没有扩展，思维过程是否灵活、概括迁移能力的强弱、是否善于组合分析、伸缩性大小及思维的结果等。
人类的经验证明，不太成功的问题解决者似乎会花更多时间固守着无效的策略或方案，而不会寻找最佳的策略与方案。而成功的问题解决者则很快就会发现他们最先发现的方法是否有效，假如不适宜，他们就会改变策略。经典的教学设计模式将教学设计过程还原为分析、设计、开发、实施和评价等五个阶段，每一个阶段又有具体的任务，但在实践中却很少有人以这样的方式来进行教学设计，这已成为困扰教学设计发展的瓶颈问题。假如从可视化着手，在教学设计的每一个阶段都尝试通过图示的方法进行，传统的教学设计不仅会变得简单易操作，而且因给予了教师创造的空间，也会进一步促进教学设计理论对教学实践的指导。