周東波， 劉三， 鐘 正， 陳言言， 于 杰

(1.華中師范大學(xué) 國家數(shù)字化學(xué)習(xí)工程技術(shù)研究中心， 武漢 430079；2.武漢大學(xué) 科學(xué)技術(shù)發(fā)展研究院， 武漢 430072 )

基于層次認(rèn)知過程的學(xué)科知識結(jié)構(gòu)地理空間化方法研究

(1.華中師范大學(xué) 國家數(shù)字化學(xué)習(xí)工程技術(shù)研究中心， 武漢 430079；2.武漢大學(xué) 科學(xué)技術(shù)發(fā)展研究院， 武漢 430072 )

學(xué)科知識的線性組織結(jié)構(gòu)以及知識導(dǎo)圖類的目錄狀、網(wǎng)絡(luò)狀平面呈現(xiàn)，將認(rèn)知的結(jié)構(gòu)信息與知識細(xì)節(jié)信息同時呈現(xiàn)，在一定程度上加大了認(rèn)知的負(fù)擔(dān)，同時，無法對知識及其相關(guān)性進行定位，知識間的拓?fù)潢P(guān)系無法較好表達.針對上述問題，該文從認(rèn)知過程出發(fā)，分析了學(xué)科知識結(jié)構(gòu)認(rèn)知過程與地理空間認(rèn)知過程的層次相似性，并依此建立學(xué)科知識結(jié)構(gòu)的地理空間化方法，將傳統(tǒng)的線性知識組織及線性空間，轉(zhuǎn)化為二維平面化知識組織與二維平面空間，探討一種新的利用地圖空間化的層次認(rèn)知，形象、直觀、快速提高傳統(tǒng)課程知識結(jié)構(gòu)認(rèn)知的方法，為知識導(dǎo)航與智能導(dǎo)學(xué)建立地理化的位置服務(wù)基準(zhǔn)，有效地擴展了知識地圖的應(yīng)用.

知識結(jié)構(gòu)空間化； 知識地圖； 層次認(rèn)知過程； 地理認(rèn)知

近年來，腦認(rèn)知科學(xué)研究認(rèn)為，人類的認(rèn)知特征具有“大范圍優(yōu)先”的規(guī)律，即視覺認(rèn)知對全局特性及其拓?fù)涮卣饔葹槊舾衃1].由上而下、先整體后局部的認(rèn)知方式，在屏蔽若干干擾細(xì)節(jié)后，往往能實現(xiàn)認(rèn)知過程由簡單到復(fù)雜的自然過渡.空間認(rèn)知屬于思維過程研究，是研究地理對象與地理現(xiàn)象的坐標(biāo)位置、幾何形狀、空間分布、空間關(guān)系及其時序動態(tài)變化過程的科學(xué)，同時也是研究空間事物認(rèn)知過程中，大腦的信息加工與處理方式，探索空間過程的認(rèn)知方法[2].地圖空間認(rèn)知是地圖學(xué)發(fā)展中，與認(rèn)知科學(xué)相結(jié)合的，研究人們利用地圖信息、位置信息來獲取空間位置與關(guān)系信息，通過認(rèn)識、分析與記憶空間信息，并進一步利用空間信息及其關(guān)系來發(fā)現(xiàn)問題、輔助決策以及對外部認(rèn)知活動與認(rèn)知行為進行指導(dǎo)的認(rèn)知方法與認(rèn)知過程[3].

針對傳統(tǒng)學(xué)科知識組織與可視化應(yīng)用中，采用線性組織或知識導(dǎo)圖類目錄、網(wǎng)絡(luò)平面呈現(xiàn)方式，將認(rèn)知結(jié)構(gòu)信息與知識細(xì)節(jié)揉合，帶來的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，且展示時無法對知識及其相關(guān)性進行定位與知識間拓?fù)潢P(guān)系進行較好表達的問題，本文提出了一種新的學(xué)科知識組織結(jié)構(gòu)地圖空間化方法，依據(jù)學(xué)科知識認(rèn)知過程與空間認(rèn)知過程的層次化相似性，建立平面地圖化的信息展示方式與資源組織結(jié)構(gòu)，探索地圖學(xué)的層次認(rèn)知過程對中小學(xué)典型學(xué)科的知識表達以及基于學(xué)習(xí)過程的資源組織方式，擴展大數(shù)據(jù)背景下支持個性化學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)模式.

1 現(xiàn)有研究

1.1 知識可視化研究

皮亞杰理論認(rèn)為，中小學(xué)階段處于由具象思維發(fā)展到抽象思維的過渡階段[4]，而抽象邏輯思維在一定程度上與感性經(jīng)驗有直接聯(lián)系，具有具體形象性特征[5].翟文英等結(jié)合認(rèn)知心理學(xué)原理與空間認(rèn)知理論研究成果，對用戶空間認(rèn)知特征進行分析，并設(shè)計了一個信息可視化模型[6].趙慧臣等統(tǒng)計分析近年來思維可視化領(lǐng)域的研究進展，發(fā)現(xiàn)主要研究內(nèi)容圍繞利用可視化工具、提高學(xué)生的認(rèn)知能力和思維水平方面[7].可視化方法能以形式化的描述方法展示學(xué)生對不同學(xué)科知識的理解程度，以及能形象而生動地展示學(xué)生思維學(xué)習(xí)過程，為進一步優(yōu)化教學(xué)組織提供有益支持.

思維導(dǎo)圖用圖表來組織和闡述表達知識，以圖畫的展示方法，簡單、明了地描繪認(rèn)知活動中思維過程的路徑和層次關(guān)系[8].概念圖主要有線型、環(huán)型、輪輻型、樹型和網(wǎng)絡(luò)型5種[9]，它使用節(jié)點對象表示知識概念，節(jié)點間的連結(jié)線段來表達概念之間的聯(lián)系.在應(yīng)用思維可視化進行教學(xué)應(yīng)用方面 “思維導(dǎo)圖高效學(xué)習(xí)模板”將初中、高中的各學(xué)科知識考點、學(xué)科學(xué)習(xí)規(guī)律和過程與知識導(dǎo)圖結(jié)合起來，通過對不同學(xué)科的教學(xué)應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)概念圖在理工科目教學(xué)中的作用要優(yōu)于偏文科目，特別是在生物課程的教學(xué)中優(yōu)于其他理科學(xué)科[10].從可視化觀點上看，概念圖和思維導(dǎo)圖有著相同的“非線性圖示”的特征，在實際應(yīng)用上，概念圖可以很好地激發(fā)思考，思維導(dǎo)圖則可以較好地表征知識[11].

1.2 知識空間和知識地圖研究

知識空間理論(Knowledge Space Theory，簡稱KST)是一種描述學(xué)生學(xué)習(xí)認(rèn)知狀態(tài)、測試學(xué)生學(xué)習(xí)認(rèn)知水平、了解學(xué)生所掌握學(xué)習(xí)認(rèn)知能力的數(shù)學(xué)理論[12].知識空間可描述為構(gòu)成某一領(lǐng)域知識所有可能知識狀態(tài)的集合，要測試獲取認(rèn)知主體的知識空間，需要設(shè)計能夠準(zhǔn)確反映所代表領(lǐng)域知識的問題庫，并根據(jù)認(rèn)知主體的回答正確情況來獲得相應(yīng)的分?jǐn)?shù)，最終獲得表征學(xué)生知識的空間.

知識地圖來源于地圖學(xué)領(lǐng)域的地圖[13].早期由美國捷運公司發(fā)布的用來展示知識地理分布的美國地圖，通過索引號、層次表格和關(guān)聯(lián)文件，來表達信息資源的管理和分布圖.國內(nèi)學(xué)者從知識地圖的構(gòu)建方法和認(rèn)知原理等方面展開了研究.高勁松等人從知識地圖的構(gòu)建方法著手，針對學(xué)科知識的特點，在認(rèn)識到傳統(tǒng)知識地圖構(gòu)建方法不足時，考慮學(xué)科知識的結(jié)構(gòu)層次與本體特征，提出了基于本體的學(xué)科知識地圖建構(gòu)方法.曹高輝等人基于多模態(tài)信息融合相關(guān)理論與知識構(gòu)建理論，提出了一種泛在信息環(huán)境下的學(xué)科知識地圖框架[14].胡昌平等從地圖傳輸理論視角出發(fā)，以數(shù)據(jù)使用、受眾范圍、人與地圖之間的互動程度幾個方面重新審視布魯克斯的知識地圖，并分析了知識地圖認(rèn)知理論與建模實踐方法，研究了知識地圖高效的知識信息傳遞作用，以及成為個人學(xué)習(xí)和進行創(chuàng)造的強力輔助工具.同時指出知識地圖作為一種特殊形式地圖，其基本功能應(yīng)具備一般地圖的探索、確認(rèn)、綜合和表示基本能力[15].吳才喚等分析知識地圖的本質(zhì)，指出應(yīng)表現(xiàn)在通過知識創(chuàng)新使認(rèn)知主體找到對特定問題的新的解決方法，提出建構(gòu) “問題”導(dǎo)向，而不是“知識”特別是“顯性知識”導(dǎo)向的知識地圖[16].顧小清等注重知識的可視特征、知識的可視化呈現(xiàn)和相應(yīng)的語義圖示工具，可幫助學(xué)習(xí)者達到更理想的閱讀理解和思維訓(xùn)練的效果.一圖勝千言，可視化的表達方式在帶來視覺沖擊的同時更能帶來美感體驗，對教育應(yīng)用，則為實現(xiàn)信息的高效傳播[17].基于位置服務(wù)的知識地圖(LBS-Based Knowledge Map)，通過位置服務(wù)來輔助用戶獲得與空間位置或所處情境相關(guān)學(xué)習(xí)資源，能高效的促進認(rèn)知[18].

2 地理空間化層次認(rèn)知理論

2.1 地理空間化層次認(rèn)知

地圖是人類基本的交流方式之一，地理空間認(rèn)知是地圖的基本功能.地理空間認(rèn)知實質(zhì)是利用地圖學(xué)的認(rèn)知方法來實現(xiàn)人們對地理空間的認(rèn)知過程，是將認(rèn)知科學(xué)的方法在地圖學(xué)中的具體應(yīng)用[19].通過對地理實體的屬性及其內(nèi)外關(guān)系進行認(rèn)知，其實體屬性包括坐標(biāo)位置、尺寸大小、空間距離、坐落方向、幾何形狀、變化模式、運動特征等.地理空間認(rèn)知過程通過對地理實體屬性的探測感知、理解加工、深化記憶、模式傳遞、空間信息解譯的逐步深入，才能獲取對地理空間對象及其關(guān)系的認(rèn)知[20].王家耀院士指出地圖空間認(rèn)知是地理空間認(rèn)知的主要形式，其認(rèn)知的基本過程包括感知、表象、記憶和思維過程4個階段[21].

2.2 地理空間化可視化認(rèn)知

可視化是一種直觀形象化的表達形式，它充分利用人們在圖形、圖像方面的識別的能力，準(zhǔn)確快速的將數(shù)據(jù)歸納、提取信息并轉(zhuǎn)化為知識的視覺化表現(xiàn)形式[22].地圖其本身即為一種可視化產(chǎn)品，是將現(xiàn)實世界運用地圖符號進行抽象、綜合的結(jié)果，并使用圖形表示的過程，地圖使用則表現(xiàn)在使用者通過視覺觀察地圖圖形與符號，進行思維感受和分析的過程[23].

2.2.1 層次可視化 張維忠從教學(xué)內(nèi)容設(shè)計[24]，曹曉明從教學(xué)過程設(shè)計[25]，葉妙玲從教學(xué)決策[26]等方面推動了教學(xué)設(shè)計可視化研究的進程，但實現(xiàn)這些可視化教學(xué)設(shè)計過程的技術(shù)工具的復(fù)雜性，影響了人們對可視化效果的追求[27].人們所習(xí)慣的文本學(xué)習(xí)材料采用線性結(jié)構(gòu)組織[28]，在學(xué)習(xí)時通常采用由始至終的順序路線，缺乏并行性.線性非并行的材料組織與學(xué)習(xí)方式，不利于對知識的復(fù)習(xí)鞏固和有效記憶，也不利于內(nèi)容之間有機聯(lián)系的產(chǎn)生[29].

吳鵬飛等指出傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)資源組織一般采用分類體系結(jié)構(gòu)，呈靜態(tài)、固化，不利于應(yīng)用擴展，因而建立在傳統(tǒng)學(xué)習(xí)資源組織方式，在學(xué)習(xí)資源整合的粒度、層次上不理想[30].本文提出將地圖的空間化展示過程，將學(xué)科知識結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)過程，映射為層次可視化展示，體現(xiàn)認(rèn)知過程的層次方法.

2.2.2 基于圖形、形狀、顏色的層次認(rèn)知過程 圖示的可視編碼主要包括兩方面內(nèi)容：可視要素和可視通道.可視要素通常表達為圖形與圖像的幾何元素，如點、線、面、體、紋理、顏色等，而視覺通道則用于表達圖形元素的視覺特征，通常用位置、大小、形狀、方向、色調(diào)、飽和度、亮度來表達[31].地圖應(yīng)用中，符號化簡化了圖中元素的表達，而符號的專業(yè)化，要求非地理空間實體對象及其地理現(xiàn)象的空間屬性、變化模型、擴散方式都要準(zhǔn)確表達出來，即不可見的屬性，也需要被圖化表達[32].地圖制圖學(xué)研究表明，幾何形狀、外觀顏色和空間方向表達實體間的差別，用來定義制圖中視覺要素間的定性差別，而幾何尺寸、外觀紋理和亮度則表達實體的等級信息，用于描述制圖中視覺要素間的定量區(qū)別.實際應(yīng)用中，可將定性要素與定量要素聯(lián)合使用，實現(xiàn)感觀增強的效果.

3 學(xué)科知識結(jié)構(gòu)地理空間化方法

本文的思路是通過對學(xué)科知識結(jié)構(gòu)內(nèi)容進行參數(shù)化表達，使用地理空間化的展示方法來體現(xiàn)學(xué)科知識結(jié)構(gòu)的層次認(rèn)知過程，通過地圖映射方法，將線性的學(xué)科知識結(jié)構(gòu)映射為二維平面地圖，應(yīng)用地圖來組織學(xué)科知識內(nèi)容，以及地圖可視化方法來實現(xiàn)層次化學(xué)習(xí)過程.

3.1 學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)化描述

學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)化描述，使用參數(shù)特征描述線性的學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元，以體現(xiàn)學(xué)科知識結(jié)構(gòu)元素的內(nèi)在獨立屬性，參數(shù)不因主觀因素而變化.本文提出四元素方法來表達學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元，以用向量結(jié)構(gòu)表達：

K(h,r,e,T)，

其中，K表示向量結(jié)構(gòu)四元組，h表達學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元的層次屬性，r表達學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元的關(guān)聯(lián)關(guān)系，e表達學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元的信息量，T表達學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元的知識類型.

3.1.1 層次關(guān)系及其屬性 層次關(guān)系是指學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元間的包含關(guān)系，用層次樹表達.以學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元為單位構(gòu)建層次樹，多個層次樹聚合生成新的層次樹，多個樹組織結(jié)構(gòu)實現(xiàn)由底向上的聚合.

一個學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元可以包含一個或多個其它學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元，即擁有多個子層次學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元，同時，一個學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元僅可以被包含到一個父學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元中，即一個學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元可有一個或多個子層次學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元，有且僅有一個父層次學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元.所有的學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元都包含于頂層學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元，即根節(jié)點，頂層學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元只表達集合概念層次，并不一定具有明確含義.頂層學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元被定義為層次0級，代表所研究區(qū)域的最初的層次.最底層學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元為具體的學(xué)科知識點內(nèi)容.從頂層出發(fā)，根據(jù)學(xué)科知識的特殊性，將生成層次不平衡的樹結(jié)構(gòu).如圖1所示.

圖1 層次節(jié)點關(guān)系Fig.1 Relationship of hierarchical nodes

定義學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元四元素屬性后，針對具體的教材，依據(jù)其目錄層次組織，采用由頂至下的策略，總能將所有的學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元組織成一個層次樹.而不同中間節(jié)點中學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元數(shù)量的差異，將造成樹的層次不平衡，本文暫不考慮樹的優(yōu)化策略，忽略對層次組織結(jié)構(gòu)的優(yōu)化.此外，對于節(jié)點之間的交叉包含以及跨層次關(guān)系，在當(dāng)前的組織中，暫且考慮一個無嵌套、無跨越的組織方式，通過路徑的拓?fù)鋪肀磉_其它關(guān)系.如圖2所示，針對人教版數(shù)學(xué)教材中的學(xué)科知識點進行層次劃分，其中“七年級”表達為根節(jié)點，“七年級上”為第一層次節(jié)點，針對現(xiàn)有章節(jié)，建立第二層次、第三層次，依此類推.葉節(jié)點則為課程中需要講授的每一個知識點.考慮到對知識結(jié)構(gòu)的組織，本文并不針對具體的知識點內(nèi)容進行細(xì)致表達，后續(xù)在知識點的知識信息量表達中，只考慮講授的內(nèi)容時長的量化表達.

層次樹的建立，是為對學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元建立層次屬性的數(shù)值化表達.采用廣度優(yōu)先的方法進行遍歷，子層次編碼加上其父層次的編號，實現(xiàn)對全部節(jié)點建立唯一編碼，其示例如圖3所示.為簡化節(jié)點的表達，圖中將部分葉節(jié)點編號表達出來，具體為0121節(jié)點下的葉節(jié)點，只對第一個子節(jié)點進行編號，其余編碼依此類推，圖中省略編號表達，節(jié)點0131、0141、0142、0142的子節(jié)點同樣省略.0121節(jié)點有5個子節(jié)點，其子節(jié)點的編號表達為：01211、01212、01213、01214與01215.節(jié)點0131有5個子節(jié)點，其子節(jié)點編碼從01311到01315.節(jié)點1041有9個子節(jié)點，因此其子節(jié)點的編號為01411到01419，節(jié)點0142與節(jié)點0143的子節(jié)點依上述規(guī)則編號.

圖3 層次編碼示例Fig.3 An example coding for hierarchical nodes

3.1.2 關(guān)聯(lián)關(guān)系與關(guān)聯(lián)屬性 學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，是指同一層次學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元間的序列關(guān)系和依賴關(guān)系.通過建立學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元的時間先后順序表達，并由此建立序列關(guān)系，表達為兩個方面的關(guān)系：1)學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元的同一層次其它學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元之間的序列關(guān)系，如以某一順序建立的先后關(guān)系，即當(dāng)前使用書本中章節(jié)編排順序；2)表達不同級別學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元間的包含關(guān)系.

3.1.3 知識信息量 知識信息量是指學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元中所包括的內(nèi)容，使用量化標(biāo)準(zhǔn)表達，其反映對該學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元進行教和學(xué)所需花費的時間.設(shè)置每個葉節(jié)點的學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元的學(xué)習(xí)時長，使用深度優(yōu)先算法遍歷層次樹，由底向上生成每個中間節(jié)點的學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元的學(xué)習(xí)時長，進而生成每個層次的節(jié)點信息量.

3.1.4 知識類別 學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元的類型，應(yīng)用布魯姆知識類型分類標(biāo)準(zhǔn)，分為事實知識、概念知識、程序知識和元認(rèn)識知識，而每個類型的屬性可進一步分類為記憶、了解、應(yīng)用、分析、評價和創(chuàng)作.學(xué)科知識單元知識類型量化值的具體賦值為：1為事實知識，2為概念知識，3為程序知識，4為元認(rèn)識知識；屬性賦值具體為：1為記憶，2為了解，3為應(yīng)用，4為分析，5為評價，6為創(chuàng)作.概念知識中要求記憶類型，其編碼為21，而元認(rèn)識知識中要求分析則為44，依此類推完成每一個節(jié)點屬性值的設(shè)置.

3.2 地圖平面映射

完成對每一個學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元的參數(shù)設(shè)置后，建立不同的映射函數(shù)，實現(xiàn)將每一個知識結(jié)構(gòu)單元映射為到地圖確定位置，并生成確定形狀與設(shè)定大小.本文采用了3個步驟來生成二維地圖.首先應(yīng)用層次關(guān)系與關(guān)聯(lián)關(guān)系參數(shù)確定學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元映射到二維地圖的空間位置.表達公式如(1)所示：

Pos(x,y)=K'(h,r)，

(1)

其中，Pos(x,y)為地圖平面坐標(biāo)點，其取值范圍為：-180°

其次，學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元在二維地圖上的形狀，通過公式(2)計算：

Shape(t)=K'(T)，

(2)

其中，K'(T)為圖形形狀生成函數(shù)，T為學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元的類型值，圖形形狀包括由多邊形混合生成的圖形對象，利用圖形形狀生成函數(shù)計算生成多邊形的形狀，即每個學(xué)科知識單元包含的多邊形數(shù)量及多邊形的邊參數(shù).

最后，學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元在二維地圖上圖形對象的大小，由公式(3)計算：

Size(t)=K'(e)，

(3)

其中，K'(e)為圖形大小生成函數(shù)，e為學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元的信息量.學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元信息量決定生成的圖形大小，大小表達為圖形的外包圍盒大小，使用外接多邊形控制方法來生成結(jié)果多邊形大小.

4 學(xué)科知識結(jié)構(gòu)的地理空間化應(yīng)用示例

通過將地圖學(xué)的層次空間認(rèn)知理論與地理信息系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)引入知識地圖的描述與表達，本文首先對傳統(tǒng)的學(xué)科如數(shù)學(xué)與語文進行空間化應(yīng)用.具體針對人教版七年級到九年級數(shù)學(xué)教材以及人教版七年級與八年級語文教材，其目錄結(jié)構(gòu)內(nèi)容如圖4所示.

圖4 人教版數(shù)學(xué)七、八、九年級與語文七、八年級內(nèi)容目錄圖Fig.4 Directory structure of Math for grade 7， 8 and 9 of and Chinese for grade 7 and 8 by PEP

對每一個學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元，使用四元素描述，并獲取四元素各個參數(shù)的數(shù)值.圖5左側(cè)為中間節(jié)點參數(shù)表達，右側(cè)為節(jié)點的參數(shù)表達.每一個中間節(jié)點只表達了層次、關(guān)系、類型與信息量的數(shù)據(jù)，而葉節(jié)點還描述了課程教學(xué)應(yīng)用中的其它屬性，如知識點的難度以及知識點的授課時長.

本文依據(jù)附屬學(xué)校相應(yīng)年級教學(xué)大綱中對相應(yīng)學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元中知識點的實際情況設(shè)置了難度值與授課時長.信息量的設(shè)置，本文參考難度與授課時長的關(guān)系，設(shè)置信息量為難度與授課時長的乘積.授課時長為課時時間，為計算方便，統(tǒng)一使用分鐘表達.層次樹結(jié)構(gòu)中，中間節(jié)點的信息量表達為其子節(jié)點的信息量之和.完成各學(xué)科知識結(jié)構(gòu)單元的四元素參數(shù)值處理后，將信息依節(jié)點層次結(jié)構(gòu)保存為XML文件，其結(jié)構(gòu)如表1所示，主要記錄各節(jié)點名稱以及四元素參數(shù)值.

圖5 中間節(jié)點與葉節(jié)點四元素值設(shè)置Fig.5 Four element value settings between middle node and leaf nodes

節(jié)點名稱 5 100001 21 45 葉節(jié)點名稱 4 100001 22 45

通過使用知識地圖數(shù)據(jù)生產(chǎn)平臺軟件，讀取配置XML文件，采用基于層次空間剖分的方法，將知識結(jié)構(gòu)映射生成地圖.處理語文七、八年級的數(shù)據(jù)生成結(jié)果如圖6所示.

再通過知識地圖平臺工具，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出地理信息系統(tǒng)的相關(guān)格式如shape file數(shù)據(jù)格式，使用專業(yè)地理信息工具軟件進行地圖圖層編輯與著色編輯.對數(shù)學(xué)以及語文各個不同層次的數(shù)據(jù)進行著色以及信息標(biāo)注制作，生成不同層次的信息展示方式，設(shè)置不同的可視比例范圍，不同的層次信息的標(biāo)注顯示如圖7.

完成數(shù)據(jù)的層次設(shè)置、信息標(biāo)注設(shè)置以及比例設(shè)置，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到知識地圖展示與應(yīng)用平臺，可進行知識結(jié)構(gòu)單元的縮放展示應(yīng)用、知識結(jié)構(gòu)單元間路徑展示連接應(yīng)用以及知識查詢.圖8顯示各知識點內(nèi)部信息以及不同知識點間的路徑連接關(guān)系.

圖6 語文七、八年級知識結(jié)構(gòu)生成地圖初步結(jié)果Fig.6 Results of map generation of knowledge structure of Chinese for grade 7 and 8

圖7 數(shù)學(xué)與語文分層次顯示信息標(biāo)注示意圖Fig.7 Math and Chinese hierarchical display of information annotation

圖8 知識點與路徑展示Fig.8 Knowledge points and path

5 結(jié)論

針對傳統(tǒng)知識地圖對課程知識結(jié)構(gòu)的層次、線性目錄化、知識導(dǎo)圖的表現(xiàn)方法，本文提出了一種新的知識結(jié)構(gòu)地圖空間化方法，依據(jù)傳統(tǒng)知識認(rèn)知過程與空間認(rèn)知過程的層次化相似，建立平面地圖化的資源組織與信息展示，并利用地圖學(xué)中的層次性與知識點的拓?fù)潢P(guān)系，表達知識的關(guān)系以及個性化的表達.

本文提出的學(xué)科知識結(jié)構(gòu)地圖空間化方法，旨在建立一種新的知識結(jié)構(gòu)映射學(xué)習(xí)途徑與展示方法，并建立一種基于地圖的學(xué)習(xí)資源的組織框架，構(gòu)建基于位置的學(xué)科知識資源組織基礎(chǔ)底圖.

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Ageo-spacespatializationmethodfordisciplinaryknowledgebasedonhierarchicalofcognitiveprocess

ZHOU Dongbo1， LIU Sanya1， ZHONG Zheng1， CHEN Yanyan1， YU Jie2

(1.National Engineering Research Center for E-Learning， Central China Normal University， Wuhan 430079， China; 2.Office of Science and Technology Development， Wuhan University， Wuhan 430072， China)

The organization for linear disciplinary knowledges and mind maps take the forms of a directory-like or network-like plane structure， which make the structure information and details presented simultaneously. On one hand， it increased the burden on cognition to a certain extent. On the other hand， this method is unable to express the knowledge and its relationship clearly， and doesn’t have the ability to describe the topological correlation between knowledges. Aiming at these problems， a geo-space spatialization method is proposed for disciplinary knowledge based on the cognitive process. Firstly， the similarity for exploring the disciplinary knowledge and geo-spatial cognitive process is analyzed， and then a geospatial method is established. After that， the traditional linear knowledge organization and linear space have been transferred into a two-dimensional spatial knowledge structure and also the hierarchical topology structure for knowledge item has been established. This work is trying to apply a new geo-space spatialized method to visualize and understand the traditional disciplinary knowledges in a vivid and intuitive manner， which is able to build a basement for knowledge navigation and smart education and also extent the service for knowledge maps.

knowledge map; disciplinary knowledge; data organization; information visualization; geo-space spatialization

2017-05-28.

國家自然科學(xué)基金項目(41671377, 41501463，41201413)；華中師范大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費教育科學(xué)專項項目(CCNU16JYKX016)；華中師范大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費項目(CCNU16A02021).

*通訊聯(lián)系人. E-mail: yujie_gsis@whu.edu.cn.

10.19603/j.cnki.1000-1190.2017.06.023

1000-1190(2017)06-0873-08

G424

A