摘" "要：隨著《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》的發(fā)布，教育信息化正朝著智能化邁進(jìn)，我國教育信息化進(jìn)入到一個(gè)嶄新的歷史階段，教育信息化第二次高潮已經(jīng)來臨。文章通過研究分析可視化教學(xué)的特征與可視化教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則，為可視化教學(xué)的設(shè)計(jì)、組織、實(shí)施提供支撐。在技術(shù)的支持下，研究可視化教學(xué)的支撐理論、教學(xué)的設(shè)計(jì)方法、教學(xué)活動(dòng)的組織策略，創(chuàng)建教學(xué)信息化的新模式、新策略、新方法、新手段，可以適應(yīng)“課堂革命”的需要?；谡J(rèn)知、建構(gòu)、雙重編碼等理論，運(yùn)用技術(shù)為學(xué)習(xí)構(gòu)造低成本高效益的可視化課堂模式，有助于信息化教學(xué)理論與應(yīng)用模式創(chuàng)新，推動(dòng)課堂教學(xué)模式從“封閉”向“開放”轉(zhuǎn)型，加快學(xué)生學(xué)習(xí)“個(gè)性化”與教師教學(xué)“差異化”的進(jìn)程。

關(guān)鍵詞：可視化;教學(xué);方法;理論研究

中圖分類號(hào)：G434" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " "文章編號(hào)：1673-8454（2022）07-0041-09

在信息技術(shù)與教學(xué)融合創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)下，廣東省佛山市在“十三五”之初啟動(dòng)“可視化教學(xué)行動(dòng)研究”。研究在華南師范大學(xué)李克東教授引領(lǐng)下，選取部分中小學(xué)開展“可視化教學(xué)研究行動(dòng)”，涉及數(shù)學(xué)、語文、英語等學(xué)科。經(jīng)過5年時(shí)間的研究，教師信息素養(yǎng)明顯提升，可視化教學(xué)理念基本確立，初步形成有效的可視化教學(xué)策略與方法。優(yōu)化了課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)，改善了學(xué)生的思維習(xí)慣與學(xué)習(xí)興趣，減輕了學(xué)生學(xué)習(xí)過程中認(rèn)知壓力及教師教學(xué)成本，提高了信息化教學(xué)的效率、效能、效益。

在近代，可視化是利用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像，是人機(jī)交互的理論、方法、技術(shù)在實(shí)踐中得以運(yùn)用的體現(xiàn)。在教育教學(xué)過程中，引入與應(yīng)用可視化技術(shù)為學(xué)生構(gòu)造學(xué)習(xí)環(huán)境，可以及時(shí)喚起學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣與動(dòng)力，使學(xué)習(xí)者易于完成知識(shí)建構(gòu)與能力轉(zhuǎn)化。教師運(yùn)用技術(shù)對(duì)教學(xué)內(nèi)容實(shí)現(xiàn)可視化設(shè)計(jì)，將教學(xué)信息、數(shù)據(jù)、知識(shí)、思維、技能等轉(zhuǎn)換為具體化形象化的圖表、圖像、動(dòng)畫或視頻等新媒體形式，可以大大降低學(xué)生獲取信息、處理信息、應(yīng)用信息的難度，從而體現(xiàn)課堂教學(xué)的有效與高效。教師在可視化教學(xué)理論的支持下，合理設(shè)計(jì)教學(xué)結(jié)構(gòu)、配置數(shù)字化教學(xué)資源、施以科學(xué)教學(xué)方法，可以促進(jìn)課堂教學(xué)模式由“封閉”向“開放”轉(zhuǎn)型;學(xué)生的學(xué)習(xí)方式也隨之由“被動(dòng)”向“主動(dòng)”轉(zhuǎn)變、由“線性”向“個(gè)性化”轉(zhuǎn)變，加速實(shí)現(xiàn)“課堂的革命”，培養(yǎng)學(xué)生觀察問題、發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、研究問題、解決問題、處理問題等高階思維能力。[1]

一、可視化教學(xué)溯源與發(fā)展

在遠(yuǎn)古，華夏先民就已經(jīng)在試圖使用圖形符號(hào)記錄思維、記憶事件等。巖畫符號(hào)、青銅器紋樣、甲骨文等，無不體現(xiàn)華夏先民的可視化表達(dá)意識(shí)與行為。在象形文字變遷過程中，先民逐漸掌握描繪事物輪廓與特征的要領(lǐng)。無論是巖畫、甲骨文，還是象形文字，充分體現(xiàn)出人類的智慧。這種將事物、事件用符號(hào)或圖形來表達(dá)的形式，到了科技飛速發(fā)展的今天稱為“可視化”。在近代，隨著農(nóng)業(yè)革命、工業(yè)革命、信息革命的高速發(fā)展，可視化的技術(shù)手段已經(jīng)發(fā)展到極致。

（一）可視化起源

可視化源于英文Visualization，原意是“可使看得見的，清楚地呈現(xiàn)”。[2]在現(xiàn)代，可視化是指利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像，并可以進(jìn)行交互的理論、方法、技術(shù)。實(shí)際上，運(yùn)用技術(shù)將抽象的事物與過程轉(zhuǎn)換為圖形圖像等形象化的表示過程，都可以稱為“可視化”。一般地，可視化是將“數(shù)據(jù)、信息和知識(shí)”轉(zhuǎn)化為形象化與具體化的視覺表達(dá)形式。利用人類視覺模式快速識(shí)別，使較為抽象的“數(shù)據(jù)、信息和知識(shí)”更易懂、更易讀、更易理解。最終，使人類的信息獲取、處理、應(yīng)用過程成本最大程度上降低。

1987年，美國國家自然科學(xué)基金會(huì)召開專題研討會(huì)，提出“可視化”的概念，對(duì)“科學(xué)計(jì)算可視化”加以定義。在可視化研究中，除科學(xué)計(jì)算可視化（Scientific Computing Visualization）外，數(shù)據(jù)可視化（Data Visualization）、信息可視化（Information Visualization）、知識(shí)可視化（Knowledge Visualization）也是重要的可視化概念。[3]2004 年，相關(guān)學(xué)者將知識(shí)可視化定義為：“運(yùn)用視覺表達(dá)手段來研究在兩個(gè)以上人之間知識(shí)的創(chuàng)造、提高、傳播作用，知識(shí)可視化也可被認(rèn)為是所有用來構(gòu)成和傳輸復(fù)雜意識(shí)的圖解手段?！敝R(shí)可視化是繼科學(xué)計(jì)算可視化、數(shù)據(jù)可視化、信息可視化之后發(fā)展起來的新興研究領(lǐng)域，它應(yīng)用視覺表征手段促進(jìn)知識(shí)的傳播、應(yīng)用、創(chuàng)新。[4]

（二）可視化教學(xué)發(fā)展歷程

1928年，美國視聽教育專家瓦爾帕萊索大學(xué)（Valparaiso University）教授約瑟夫·J·韋伯（Joseph J Weber）在《圖像在教育中的價(jià)值》中提出：“視覺感官在教育過程中起重要作用……視覺教具使課程形象化，從而在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益?！敝逃覍W(xué)者埃德加·戴爾（Edgar Dale）在《教學(xué)中的視聽方法》中提出著名的“經(jīng)驗(yàn)之塔”，奠定視聽教學(xué)理論體系，成為視聽教學(xué)先驅(qū)。[5]

20世紀(jì)初，隨著有聲電影和收音機(jī)的出現(xiàn)，美國“可視化教學(xué)”步伐逐步加快，并成為視覺教學(xué)的重要組成部分，快速發(fā)展為運(yùn)用聲、音、圖、像等技術(shù)的視聽教育。20世紀(jì)50年代，可視化教學(xué)被納入教育技術(shù)領(lǐng)域。1928年，教育專家安娜·維羅納·多里斯（Anna Verona Dorris）首先創(chuàng)建可視化教學(xué)刊物《公立學(xué)?？梢暬虒W(xué)》。隨著技術(shù)的發(fā)展、教學(xué)媒體的豐富、學(xué)習(xí)理論的形成，可視化教學(xué)發(fā)展可分為前視覺媒體、視聽媒體、計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)媒體、新媒體新技術(shù)等四個(gè)發(fā)展階段。目前，隨著5G、無線網(wǎng)絡(luò)、3D、AR/VR/MR、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展，可視化教學(xué)內(nèi)容和形式已不僅僅局限在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中單向線性演示，而是逐步向交互、協(xié)同、自適應(yīng)等方向發(fā)展。[5]

1983年，美國哈佛大學(xué)著名心理學(xué)家霍華德·加德納（Howard Gardner）提出多元智能理論（Theory of Multiple Intelligences，簡稱MI理論，亦稱復(fù)合智能理論）。多元智能理論初現(xiàn)了可視化學(xué)習(xí)形式和教育心理學(xué)理論的關(guān)聯(lián)性。霍華德·加德納在其研究與著作中，提出人類智能可分為語言智能、節(jié)奏智能、數(shù)理智能、空間智能、動(dòng)覺智能、自省智能、交流智能、自然觀察智能。1994年，霍華德·加德納在談?wù)摗岸嘣悄芾碚摗睍r(shí)，認(rèn)為在學(xué)習(xí)中視覺空間智能具有特殊地位?？梢暬瘜W(xué)習(xí)的概念，與新西蘭學(xué)者尼爾·弗萊明（Neil Fleming）提出的VARK（Visual Aural Read/Write Kinesthetic）學(xué)習(xí)風(fēng)格模型有著密切關(guān)系。VARK模型是常見和廣泛使用的學(xué)習(xí)風(fēng)格分類，模型把學(xué)習(xí)者分為視覺學(xué)習(xí)者（Visual）、聽覺學(xué)習(xí)者（Aural）、觸覺學(xué)習(xí)者（Read/Write）、動(dòng)覺學(xué)習(xí)者（Kinesthetic）。[6]可見，可視化學(xué)習(xí)也可以說是基于VARK模型的一種學(xué)習(xí)方式。2004年，美國北伊利諾伊大學(xué)教授沙倫·E·斯馬爾蒂諾（Sharon E Smaldino）博士在她的《教學(xué)技術(shù)與媒體》中，揭示圖片、插圖、文字從具體到抽象的教學(xué)設(shè)計(jì)原理及原則，以及教學(xué)內(nèi)容以圖片動(dòng)畫等媒體形式呈現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。

在新技術(shù)發(fā)展迅猛的當(dāng)下，可視化教學(xué)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，可視化學(xué)習(xí)已經(jīng)成為可能。運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形處理及多媒體等技術(shù)，將學(xué)習(xí)內(nèi)容與過程轉(zhuǎn)換為圖形、圖像、動(dòng)畫或虛擬現(xiàn)實(shí)等可視化媒介，構(gòu)造可交互的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)習(xí)者通過感知這些媒介高效完成知識(shí)建構(gòu)并形成技能。

二、可視化教學(xué)支持理論綜述

可視化教學(xué)是以視覺空間為基礎(chǔ)而組織實(shí)施的教學(xué)活動(dòng)，是基于學(xué)習(xí)者生理與心理要素開展的認(rèn)知活動(dòng)。因此，認(rèn)知心理學(xué)是可視化教學(xué)的關(guān)鍵理論支撐，建構(gòu)主義理論則是可視化教學(xué)活動(dòng)的理論支撐，雙重編碼理論是可視化教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)的理論支撐，如圖1所示。

（一）認(rèn)知心理學(xué)

認(rèn)知心理學(xué)（Cognitive" psychology）是以信息加工為核心觀點(diǎn)的心理學(xué)科。[7]認(rèn)知心理學(xué)主要研究人類的感知覺、注意、記憶、表象、思維、語言等認(rèn)知過程，采用信息加工觀點(diǎn)研究認(rèn)知。認(rèn)知心理學(xué)認(rèn)為學(xué)習(xí)是一個(gè)信息加工的過程，人們獲取信息或者學(xué)習(xí)首先來源于感知覺。人們獲得知識(shí)的過程是指人認(rèn)識(shí)外界事物的過程，即對(duì)作用于感覺器官的外界事物進(jìn)行信息加工的過程。認(rèn)知心理學(xué)認(rèn)為人腦的信息處理就像計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一樣，由感受器、反應(yīng)器、記憶器、處理器四部分組成。[8]其信息加工與處理過程是向感受器輸入信息，感受器對(duì)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信息在進(jìn)入長時(shí)記憶之前要經(jīng)過處理器進(jìn)行符號(hào)重構(gòu)、辨別、比較，之后反應(yīng)器對(duì)外界做出反應(yīng)。人的認(rèn)知過程分為感性認(rèn)知與理性認(rèn)知兩個(gè)階段。感性認(rèn)知是理性認(rèn)知的基礎(chǔ)，通過感性認(rèn)知最后達(dá)到理性認(rèn)知的飛躍。感性認(rèn)知是客觀事物直接作用于人的感覺器官在大腦中產(chǎn)生的反應(yīng)形式，包括感覺、知覺、表象等，其特性包括直接性、生動(dòng)性、具體性。理性認(rèn)知是認(rèn)識(shí)過程的重要階段，以事物的本質(zhì)規(guī)律為認(rèn)知對(duì)象，是對(duì)事物內(nèi)在聯(lián)系的認(rèn)知，其特征包括抽象性、間接性、普遍性。表象系統(tǒng)屬于感性認(rèn)知，人的視覺特別發(fā)達(dá)，可以分別被有關(guān)刺激所激活，人獲取信息首先來源于感知覺。認(rèn)知心理學(xué)認(rèn)為，人的學(xué)習(xí)實(shí)際上是信息獲取、處理、輸出的心理過程，以此類比計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。[9]視覺是人們主要的感覺之一，接受外部信息不需要刺激的產(chǎn)生而實(shí)現(xiàn)信息加工處理。由認(rèn)知心理學(xué)得到啟示，可視化教學(xué)正是利用人的表象認(rèn)知系統(tǒng)，運(yùn)用技術(shù)將教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)為有內(nèi)在聯(lián)系的圖片、圖像、視頻、3D、VR/AR/MR等學(xué)習(xí)環(huán)境或資源，教學(xué)內(nèi)容直接通過視覺讓人接受，不需要刺激，為學(xué)習(xí)者的知識(shí)建構(gòu)與能力轉(zhuǎn)化提供低成本高效益的支持。因此，認(rèn)知心理學(xué)對(duì)可視化教學(xué)有重要的理論支撐作用。

（二）建構(gòu)主義理論

建構(gòu)主義理論（Constructivism）是認(rèn)知心理學(xué)的分支，以讓·皮亞杰（Jean Piaget）、勞倫斯·科爾伯格（Lawrence Kohlberg）、羅伯特·J·斯滕伯格（Robert J Sternberg）等學(xué)者為代表，主要研究學(xué)習(xí)活動(dòng)與教學(xué)活動(dòng)。學(xué)習(xí)可歸結(jié)為通過有效的圖式實(shí)現(xiàn)同化、順應(yīng)、平衡等認(rèn)知心理活動(dòng)。其中，同化和順應(yīng)是兩個(gè)重要的活動(dòng)，同化是認(rèn)知結(jié)構(gòu)的量變，而順應(yīng)則是認(rèn)知結(jié)構(gòu)的質(zhì)變。[10]在教學(xué)過程中，通過合理的教學(xué)設(shè)計(jì)，運(yùn)用已有知識(shí)開展同化從而實(shí)現(xiàn)新知識(shí)的順應(yīng)。建構(gòu)主義強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，體現(xiàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)與技能的主動(dòng)探索、主動(dòng)發(fā)現(xiàn)、主動(dòng)建構(gòu)等過程。建構(gòu)主義認(rèn)為，知識(shí)不是通過教師傳授而獲得的，而是學(xué)習(xí)者基于一定情境在合作伙伴幫助下，利用必要的學(xué)習(xí)資料實(shí)現(xiàn)意義建構(gòu)。建構(gòu)主義提倡學(xué)習(xí)環(huán)境應(yīng)當(dāng)包括情境、協(xié)作、交流等。顯然，情境處于建構(gòu)過程的首位，也是基礎(chǔ)。教學(xué)情境是在教學(xué)過程中創(chuàng)設(shè)的情感氛圍，具有模擬性或虛擬現(xiàn)實(shí)性等訴求，應(yīng)該具備具體化、形象化特征。[11]良好的教學(xué)情境能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，可以有效、高效地啟發(fā)思考與發(fā)展智力。在情境中學(xué)習(xí)，有利于學(xué)習(xí)者利用原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的經(jīng)驗(yàn)去同化和檢索新知識(shí)。按照建構(gòu)主義理論的指引，契合“最近發(fā)展區(qū)”原理，借助合適媒體與技術(shù)的可視化教學(xué)方法、手段、資源，[12]為學(xué)生構(gòu)造一個(gè)近似真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境或情境，可以快速引導(dǎo)學(xué)生掌握新知識(shí)與技能。鑒于此，建構(gòu)主義理論為可視化教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)提供重要理論支撐。

（三）雙重編碼理論

1975年，加拿大心理學(xué)家艾倫·佩維奧（Allan Paivio）提出基于長時(shí)記憶的“雙重編碼”（Dual Coding Theory）理論，認(rèn)為長時(shí)記憶分為“表象”和“語義”兩個(gè)系統(tǒng)。“表象”系統(tǒng)以“表象”代碼來儲(chǔ)存信息，用于非語詞事物、事件或影像的表征處理?！罢Z義”系統(tǒng)則以“語義”代碼來儲(chǔ)存信息，用于語言處理。雙重編碼理論的核心思想提出，同時(shí)用視覺、語言的形式呈現(xiàn)信息，可以增強(qiáng)信息的回憶與識(shí)別。佩維奧發(fā)現(xiàn)大腦對(duì)形象材料的記憶效果、速度要優(yōu)于語義記憶的效果及速度?！氨硐蟆迸c“語義”兩個(gè)加工系統(tǒng)功能既獨(dú)立又相互聯(lián)系。[13]“語義”是以語言為基礎(chǔ)的加工系統(tǒng)，“表象”是以意象為基礎(chǔ)的加工系統(tǒng)。在教學(xué)中，運(yùn)用新媒體新技術(shù)按照“雙重編碼”理論重構(gòu)教學(xué)流程與重組教學(xué)內(nèi)容，將教學(xué)內(nèi)容科學(xué)合理地轉(zhuǎn)化為適應(yīng)學(xué)生“主動(dòng)”學(xué)習(xí)的可視化內(nèi)容或環(huán)境，可以大幅度提升學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的速度與效益。由此可見，“雙重編碼”理論是可視化教學(xué)內(nèi)容或資源設(shè)計(jì)的重要理論依據(jù)。

綜上所述，認(rèn)知心理學(xué)是可視化教學(xué)的重要支柱，建構(gòu)主義理論是可視化教學(xué)活動(dòng)的重要支撐，雙重編碼理論是可視化教學(xué)設(shè)計(jì)的重要支持。通過技術(shù)實(shí)現(xiàn)教學(xué)可視化，在相關(guān)理論的支持下將教學(xué)內(nèi)容通過圖表、圖片、圖像、視頻等，甚至AR/VR/MR等手段提前加以轉(zhuǎn)換，可以大大降低信息獲取的難度。基于此，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的信息獲取、處理、應(yīng)用障礙極大程度地減少，從而實(shí)現(xiàn)高效益、高質(zhì)量的學(xué)習(xí)。實(shí)現(xiàn)抽象原理具體化、復(fù)雜問題簡單化、呈現(xiàn)過程動(dòng)態(tài)化、交互環(huán)境虛擬化，對(duì)學(xué)生知識(shí)建構(gòu)與能力轉(zhuǎn)化具有強(qiáng)有力的支撐作用。在“讀圖”時(shí)代的當(dāng)下，互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G、AR/VR/MR等技術(shù)高速發(fā)展，人們的視覺要求不斷提升，學(xué)習(xí)方面要求提高可視化程度也不會(huì)例外。

三、可視化教學(xué)概念與基本表征

可視化教學(xué)以降低學(xué)習(xí)者的認(rèn)知成本與學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)為目標(biāo)，基于認(rèn)知心理學(xué)、建構(gòu)主義、雙重編碼理論等，合理設(shè)計(jì)教學(xué)課堂結(jié)構(gòu)、科學(xué)規(guī)劃教學(xué)活動(dòng)、研發(fā)界面友好的教學(xué)資源與支持環(huán)境，可為逐步實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)與差異化教學(xué)提供支持。[14]

（一）可視化教學(xué)的概念

可視化教學(xué)是指在建構(gòu)主義理論指導(dǎo)下，運(yùn)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容、過程、成果的直觀形象、情境化的教學(xué)方法。

（二）可視化教學(xué)的基本表征

可視化教學(xué)以降低認(rèn)知成本與學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)為目標(biāo)，為學(xué)習(xí)者降低獲取信息、處理信息、應(yīng)用信息的障礙，從而實(shí)現(xiàn)高效與高質(zhì)的學(xué)與教?？梢暬虒W(xué)根據(jù)其出發(fā)點(diǎn)與追求目標(biāo)，具有直觀性、高效性、媒體性、時(shí)空性等表征。

1.直觀性

也稱為“形象化”或“具體化”。在技術(shù)支持下，實(shí)現(xiàn)抽象原理與復(fù)雜情感具體化，這是可視化教學(xué)追求的課堂教學(xué)效果。運(yùn)用傳統(tǒng)或現(xiàn)代技術(shù)，用形象的圖形、圖表、圖片、圖畫、動(dòng)畫、視頻等技術(shù)，把抽象的概念、推理、原理或過程，以及復(fù)雜的思想情感，直觀、具體、生動(dòng)、形象地呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者。從而，讓學(xué)習(xí)者快速獲得感性認(rèn)知，在獲取信息、處理信息、應(yīng)用信息的過程中障礙最大限度減少，具有直觀性。

2.高效性

一般地，高效是相對(duì)而言的。在相同或更短的時(shí)間里完成更多的任務(wù)，且質(zhì)量優(yōu)于他人或更好，可稱為高效。通過教學(xué)手段、內(nèi)容、成果的可視化設(shè)計(jì)，改善與提升教學(xué)效果，更有利于學(xué)生知識(shí)建構(gòu)與能力形成。在技術(shù)與媒體的支持下，實(shí)現(xiàn)抽象原理具體化、復(fù)雜過程簡單化、豐富感情形象化，降低學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中的成本，具有有效性與高效性。但是，在可視化教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，也應(yīng)該注意教學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)、教學(xué)活動(dòng)安排合理、教學(xué)資源應(yīng)用適當(dāng)，避免技術(shù)在教學(xué)過程中產(chǎn)生干擾。

3.媒體性

豐富的媒體技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)由文字到圖表、圖片、視頻，抽象到具體，復(fù)雜到簡單，隱形到有形，終結(jié)性到過程性。發(fā)揮媒體的傳播優(yōu)勢(shì)，多維度設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)任務(wù)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段、教學(xué)資源、教學(xué)成果，通過廣度與深度的立體化教學(xué)設(shè)計(jì)務(wù)求實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)的差異化。立體化的教學(xué)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者個(gè)體分層的差異化教學(xué)目標(biāo)，培養(yǎng)知識(shí)與能力并存的創(chuàng)新人才。

4.時(shí)空性

在信息技術(shù)發(fā)展迅猛的當(dāng)下，發(fā)揮媒體與技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容可視化，體現(xiàn)其不受時(shí)間、空間限制的優(yōu)勢(shì)。通過媒體與技術(shù)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)、技能、信息、思維、情感的可視化，可以有效突破時(shí)間與空間的限制，解決歷史不能重現(xiàn)、隱性不能顯性化、復(fù)雜不能直觀化、靜態(tài)不能動(dòng)態(tài)化、抽象不能具體化、遠(yuǎn)端不能抵達(dá)等困難。[15]

（三）可視化教學(xué)手段的分類

根據(jù)教學(xué)的內(nèi)容、方法、策略等固有特點(diǎn)，可視化教學(xué)手段一般包括知識(shí)可視化、技能可視化、信息可視化、思維可視化、情感可視化等。

1.知識(shí)可視化（Knowledge visualization）——隱形知識(shí)顯性化

知識(shí)可視化是通過視覺表征的形式，有效促使知識(shí)得以傳播、傳授、實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐、應(yīng)用、創(chuàng)新。知識(shí)可視化通過圖片、圖形、圖表、圖像、視頻等媒介手段，為知識(shí)的學(xué)習(xí)構(gòu)建近乎于現(xiàn)實(shí)的情境、環(huán)境、資源等，實(shí)際上是提前將教學(xué)內(nèi)容從抽象文字符號(hào)轉(zhuǎn)換為圖片、圖像或視頻等媒介，實(shí)現(xiàn)知識(shí)形象化、具體化、過程化的有效傳播，促使短時(shí)記憶快速轉(zhuǎn)變?yōu)殚L時(shí)記憶。抽象原理具體化、復(fù)雜過程程序化，可以幫助學(xué)習(xí)者正確地理解與掌握知識(shí)、準(zhǔn)確完成知識(shí)建構(gòu)、快速將知識(shí)轉(zhuǎn)化為能力。同時(shí)，在知識(shí)圖譜或自適應(yīng)學(xué)習(xí)技術(shù)支撐下，學(xué)習(xí)可以完全實(shí)現(xiàn)自主、結(jié)構(gòu)化、開放、聯(lián)通，從而使學(xué)習(xí)者高效地實(shí)現(xiàn)知識(shí)自主建構(gòu)與能力快速轉(zhuǎn)化。[16]

2.技能可視化（Skill visualization）——復(fù)雜技能直觀化

學(xué)習(xí)者運(yùn)用已有知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，通過練習(xí)而形成一定的動(dòng)作方式或智力活動(dòng)方式，并成為技能。技能包括初級(jí)技能和技巧性技能。初級(jí)技能是借助于有關(guān)知識(shí)和過去經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過練習(xí)和模仿而達(dá)到會(huì)做某事或能夠完成某種工作的水平。技巧性技能則需要反復(fù)練習(xí)，能夠完成操作并可以達(dá)到自動(dòng)化的程度。技能的形成是一個(gè)知識(shí)轉(zhuǎn)換過程，通過實(shí)驗(yàn)、實(shí)證、模仿、實(shí)踐、應(yīng)用等訓(xùn)練與遷移而形成。在可視化技術(shù)的支持下，使本來需要言傳身教的技能可以快速讓學(xué)習(xí)者所掌握。運(yùn)用圖片、視頻、動(dòng)畫等技術(shù)可實(shí)現(xiàn)技能可視化，技能可視化具有科學(xué)性、程序性、過程性等特征?？茖W(xué)性指利用技術(shù)呈現(xiàn)時(shí)，應(yīng)注意其科學(xué)原理的正確性;程序性指利用技術(shù)呈現(xiàn)時(shí)，應(yīng)注意其前后順序之準(zhǔn)確性;過程性指利用技術(shù)呈現(xiàn)時(shí)，應(yīng)該注意其全過程不間斷的連續(xù)性。[17]

3.信息可視化（Information visualization）——靜態(tài)信息動(dòng)態(tài)化

信息泛指人類社會(huì)傳播的一切內(nèi)容，也是音訊、消息、通訊系統(tǒng)傳輸處理對(duì)象的總稱。在早期，通過文字、語言、手勢(shì)、編碼等方式傳遞信息。在近代，運(yùn)用圖像、色彩、標(biāo)志、光、氣味等手段，使信息傳播渠道得到擴(kuò)展。信息傳遞分為譯出、譯進(jìn)、反饋三個(gè)步驟。信息可視化是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)，將信息轉(zhuǎn)換為圖形圖像或視頻。將信息轉(zhuǎn)化為視覺形式，可以充分利用人類視覺快速輸入并檢索，最后實(shí)現(xiàn)新舊信息的連接。信息化可視化可以大大提升信息傳遞的譯出、譯進(jìn)、反饋。實(shí)際上，信息可視化可以提前完成信息傳遞中的“譯出”，減少信息獲取的步驟，提升信息處理與應(yīng)用的效能。在教學(xué)中，運(yùn)用信息可視化技術(shù)手段對(duì)教學(xué)信息提前加以轉(zhuǎn)換，學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中教學(xué)信息的交互交換成本大大降低，可以直接提高課堂教學(xué)的效率與效益。[18]

4.思維可視化（Thinking visualization）——抽象思維具體化

思維可視化應(yīng)為抽象邏輯、思想、智慧提供具體化或表象轉(zhuǎn)換，以便于理解、應(yīng)用、實(shí)踐。思維是以感知為基礎(chǔ)借助語言對(duì)事物概括和間接反應(yīng)的心理過程。同時(shí)，也是人類具有的高級(jí)認(rèn)識(shí)活動(dòng)。思維活動(dòng)包括分析與綜合、比較與分類、抽象與概括等。實(shí)際上，思維可視化就是運(yùn)用媒體技術(shù)將不可見的抽象方法與路徑等思維活動(dòng)，呈現(xiàn)為形象具體可見信息，使其可讀、可看、可學(xué)、可記、可用。思維可視化有利于閱讀、理解、記憶、應(yīng)用，可有效提高信息獲取、處理、應(yīng)用的效益效能。[19]

5.情感可視化（Emotional visualization）——豐富情感形象化

情感是人對(duì)客觀事物是否滿足需要而產(chǎn)生的態(tài)度。普通心理學(xué)認(rèn)為，情緒和情感都是人們對(duì)客觀事物所持的態(tài)度，情緒更傾向于個(gè)體基本需求欲望的態(tài)度，情感則傾向于社會(huì)需求欲望的態(tài)度。一般地，情感是指對(duì)行為目標(biāo)目的的生理評(píng)價(jià)反應(yīng)，屬于社會(huì)層面;情緒是指對(duì)行為過程的生理評(píng)價(jià)反應(yīng)，屬于個(gè)體層面。情感包括道德和價(jià)值兩方面，具體表現(xiàn)為愛情、幸福、仇恨、厭惡、美感等。情緒則包括喜、怒、憂、思、悲、恐、驚等。情緒是情感的基礎(chǔ)，情感是情緒的結(jié)果。因此，情感可視化作為一個(gè)過程性呈現(xiàn)，需將基礎(chǔ)與結(jié)果同時(shí)展開。運(yùn)用圖片、動(dòng)畫、漫畫、視頻等媒體技術(shù)，將停留在人的表面與內(nèi)心深處的心理行為呈現(xiàn)出來，實(shí)現(xiàn)愛情、幸福、仇恨、厭惡、美感，以及喜、怒、憂、思、悲、恐、驚等行為的可讀、可看、可學(xué)，為正確傳遞“真、善、美”等正能量，樹立正確的人生觀、價(jià)值觀、世界觀提供技術(shù)支持。在人工智能時(shí)代，人類的情感態(tài)度更具描述性。

四、可視化教學(xué)參考模型與教學(xué)設(shè)計(jì)原則

在認(rèn)知心理學(xué)、建構(gòu)主義、雙重編碼等理論支持下，發(fā)揮先進(jìn)的學(xué)習(xí)技術(shù)、人工智能、AR/VR/MR、物聯(lián)網(wǎng)、5G等優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)教育技術(shù)融合重組教學(xué)內(nèi)容、重構(gòu)教學(xué)結(jié)構(gòu)、重賦師生身份，構(gòu)造呈現(xiàn)學(xué)生主體、學(xué)習(xí)主動(dòng)、教師主導(dǎo)、內(nèi)容主線的“四主”創(chuàng)新課堂教學(xué)模式，可有效提升課堂教學(xué)的效率與效益。

（一）可視化教學(xué)模型設(shè)計(jì)

基于建構(gòu)主義理論，設(shè)計(jì)體現(xiàn)“學(xué)生主體、學(xué)習(xí)主動(dòng)、教師主導(dǎo)、內(nèi)容主線”的可視化教學(xué)模型，如圖2所示，將有利于信息技術(shù)與教育教學(xué)的雙向融合，減輕教師教學(xué)工作壓力，提升教育教學(xué)成效。可視化教學(xué)活動(dòng)可由觀察、探究、實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐、應(yīng)用、創(chuàng)新等六個(gè)步驟組成，通過分類教學(xué)支撐個(gè)性化學(xué)習(xí)，通過差距教學(xué)實(shí)施差異化教學(xué)策略，通過融合教學(xué)實(shí)現(xiàn)知識(shí)建構(gòu)與能力轉(zhuǎn)化。[20]

在可視化教學(xué)參考模型中，教學(xué)設(shè)計(jì)主要涉及教學(xué)內(nèi)容可視化、教學(xué)過程可視化、教學(xué)成果可視化等方法與手段。

1.教學(xué)內(nèi)容可視化

教學(xué)內(nèi)容可視化是指教授的知識(shí)與技能可視化。通過圖表、圖像、動(dòng)漫、動(dòng)畫、視頻、AR/VR/MR等技術(shù)，設(shè)計(jì)與呈現(xiàn)重點(diǎn)、難點(diǎn)等教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)抽象原理具體化、復(fù)雜過程簡單化、豐富感情形象化，充分調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者的認(rèn)知激情與學(xué)習(xí)興趣，有效降低認(rèn)知成本與學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。教學(xué)內(nèi)容可視化，可以使課堂教學(xué)提前對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使學(xué)習(xí)者在信息的獲取、處理、應(yīng)用中障礙大大降低，鍛造“高效課堂”。

2.教學(xué)過程可視化

樹立將“教學(xué)”轉(zhuǎn)換為“學(xué)習(xí)”的理念，也就是“學(xué)習(xí)”即“教學(xué)”，體現(xiàn)學(xué)生“主體”、教師“主導(dǎo)”的關(guān)系。教學(xué)過程可視化就是學(xué)習(xí)路徑的思維可視化，包括教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)學(xué)習(xí)過程的思維可視化，或者說是問題解決路徑的思維可視化。教學(xué)過程可視化需要實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者觀察、思考、研究、解決問題等過程細(xì)節(jié)清晰、形象可見，以便于學(xué)習(xí)者更系統(tǒng)、深刻地分析問題、解決問題。

3.教學(xué)成果可視化

教學(xué)成果可視化是指達(dá)成教學(xué)目標(biāo)或完成教學(xué)任務(wù)后，取得的成果需要可見與可讀。對(duì)于學(xué)習(xí)者而言，通過具體形式呈現(xiàn)知識(shí)建構(gòu)與能力轉(zhuǎn)化的效益。同時(shí)，也包括終結(jié)性與過程性的實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)、檢查、檢測(cè)、反饋、反思、作業(yè)、報(bào)告、總結(jié)等。對(duì)于學(xué)習(xí)者來說，使用可視化手段呈現(xiàn)學(xué)習(xí)成果，更有利于知識(shí)內(nèi)化最后達(dá)到新的認(rèn)知平衡，便于學(xué)習(xí)者對(duì)所學(xué)知識(shí)與技能進(jìn)行系統(tǒng)全面的分類歸納。對(duì)于教師而言，可以更有效地診斷教學(xué)成效，并組織差異化教學(xué)，以及尋找差距發(fā)現(xiàn)智慧，有利于制定干預(yù)措施與進(jìn)行教學(xué)反思。

（二）可視化教學(xué)設(shè)計(jì)原則

可視化教學(xué)設(shè)計(jì)原則包括學(xué)科原理科學(xué)性、學(xué)生中心導(dǎo)向性、知識(shí)碎片化處理、學(xué)習(xí)個(gè)性化需求、情境環(huán)境交互性、教學(xué)資源共享性、知識(shí)技能關(guān)聯(lián)性、技術(shù)運(yùn)用效益性等，如圖3所示。遵循可視化教學(xué)設(shè)計(jì)原則，可規(guī)范課堂教學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、內(nèi)容選擇、節(jié)點(diǎn)劃分、資源呈現(xiàn)等要求，有利于可視化教學(xué)的組織實(shí)施。教師也可根據(jù)可視化教學(xué)原則，設(shè)計(jì)研發(fā)優(yōu)質(zhì)的可視化學(xué)與教資源。[21]

1.學(xué)科原理科學(xué)性原則

遵循教育與教學(xué)規(guī)律，因應(yīng)學(xué)科教學(xué)內(nèi)容需要，展開可視化教學(xué)設(shè)計(jì)，確保課堂教學(xué)導(dǎo)向準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)合理、前后一致、易于理解。教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)突破的可視化設(shè)計(jì)符合學(xué)科原理，呈現(xiàn)形式具體形象。同時(shí)，應(yīng)考慮跨學(xué)科融合、應(yīng)用創(chuàng)新在知識(shí)轉(zhuǎn)化為技能中的重要支撐作用。

2.學(xué)生中心導(dǎo)向性原則

突出學(xué)習(xí)者主體地位，以學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)需求為參考依據(jù)。配置的教學(xué)資源應(yīng)具有針對(duì)性和實(shí)用性，以學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)方法和已有基礎(chǔ)為引導(dǎo)，讓學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中輕松掌握知識(shí)和技能。同時(shí)，應(yīng)便于實(shí)施差異化教學(xué)，保證教學(xué)的有效性。

3.知識(shí)碎片化處理原則

在可視化教學(xué)過程中，應(yīng)考慮學(xué)習(xí)者視覺注意力的有限性。因此，需將教學(xué)內(nèi)容按照知識(shí)與技能的連貫性進(jìn)行碎片化處理，也就是進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容顆粒度劃分。教學(xué)內(nèi)容顆粒的大小、尺度、跨度、難度，決定教學(xué)過程能否支持差異化教學(xué)與個(gè)性化學(xué)習(xí)，也會(huì)影響教學(xué)資源使用的頻率、效率、效益，以及資源傳輸、交換、共享的便利性。[22]

4.學(xué)習(xí)個(gè)性化需求原則

可視化教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)充分考慮學(xué)習(xí)者個(gè)人具備的學(xué)習(xí)條件、需求、習(xí)慣。根據(jù)學(xué)習(xí)者不同的個(gè)性要求設(shè)計(jì)多種教學(xué)策略，研發(fā)不同梯度教學(xué)資源，呈現(xiàn)教學(xué)的連通性與開放性。教學(xué)設(shè)計(jì)與研發(fā)的教學(xué)資源，應(yīng)能滿足學(xué)習(xí)者不同的學(xué)習(xí)特征和學(xué)習(xí)進(jìn)度等個(gè)性需求。

5.情境環(huán)境交互性原則

在可視化教學(xué)設(shè)計(jì)過程中，需要遵循建構(gòu)主義理論對(duì)教學(xué)活動(dòng)的要求，不應(yīng)停留在靜態(tài)的教學(xué)內(nèi)容與環(huán)節(jié)上，需要體現(xiàn)支持師生互動(dòng)、生生互動(dòng)的交互特點(diǎn)，讓學(xué)習(xí)者通過交互產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣和樂趣，完成意義建構(gòu)與技能形成。通過構(gòu)造形象生動(dòng)的畫面、解說、故事、習(xí)題、反饋等可視化交互情境與環(huán)境，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的探究與學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生的求知欲望與研究精神。

6.教學(xué)資源共享性原則

可視化教學(xué)資源研發(fā)由于技術(shù)手段的不同，容易出現(xiàn)跨平臺(tái)不兼容的情況，無法實(shí)現(xiàn)資源的共建共享。因此，在可視化教學(xué)資源設(shè)計(jì)與制作過程中應(yīng)盡量遵循規(guī)范，實(shí)現(xiàn)可視化教學(xué)資源共享。使用可共享對(duì)象參照模型SCORM （The Sharable Content Object Reference Model）研發(fā)可視化教學(xué)資源，可規(guī)范與有效提升可視化教學(xué)資源的研發(fā)、應(yīng)用、共享。

7.知識(shí)技能關(guān)聯(lián)性原則

知識(shí)與技能具有連通性，也就是以知識(shí)與技能為節(jié)點(diǎn)可以組成一個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成縱橫向聯(lián)通的知識(shí)與技能網(wǎng)絡(luò)。在可視化教學(xué)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮知識(shí)與技能的聯(lián)通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的發(fā)散性思維，支持學(xué)習(xí)者回溯學(xué)習(xí)、進(jìn)階學(xué)習(xí)。研發(fā)可視化教學(xué)資源時(shí)，粒度劃分既要考慮各知識(shí)點(diǎn)、技能點(diǎn)之間的相對(duì)獨(dú)立，又要保證知識(shí)點(diǎn)與技能點(diǎn)之間的內(nèi)在聯(lián)系，為學(xué)習(xí)者連續(xù)不間斷學(xué)習(xí)提供支持。[23]

8.技術(shù)運(yùn)用效益性原則

隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能、AR/VR/MR等技術(shù)的迅猛發(fā)展，可視化教學(xué)技術(shù)得到強(qiáng)有力的保障與補(bǔ)充。在新媒體的運(yùn)用設(shè)計(jì)上，應(yīng)該遵循科學(xué)有序有效的要求，加速信息技術(shù)與教育教學(xué)雙向融合，構(gòu)造高效可視化教學(xué)中的課堂創(chuàng)新模式。盡量采取簡單方便易用的可視化教學(xué)方法，避免技術(shù)難度高的可視化技術(shù)。同時(shí)，在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適度、適當(dāng)運(yùn)用媒體與技術(shù)實(shí)現(xiàn)可視化，避免造成認(rèn)知干擾與認(rèn)知負(fù)荷過載。

五、結(jié)語

在新技術(shù)新媒體的支持下，運(yùn)用知識(shí)可視化、技能可視化、信息可視化、思維可視化、情感可視化等手段，重組教學(xué)內(nèi)容與重構(gòu)教學(xué)結(jié)構(gòu)，降低學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中信息獲取、處理、應(yīng)用的難度。在認(rèn)知心理學(xué)、建構(gòu)主義、雙重編碼等理論支撐下，創(chuàng)新學(xué)科教學(xué)的新方法、新策略、新模式，降低學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的認(rèn)知成本，減輕學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。經(jīng)過近5年的探索，本研究形成語文、數(shù)學(xué)、英語等學(xué)科的可視化教學(xué)基本模式，初步建立“觀察—探究—實(shí)驗(yàn)—實(shí)踐—應(yīng)用—?jiǎng)?chuàng)新”可視化教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)參考模型，以及“分解—分析—轉(zhuǎn)換—可視化”的可視化教學(xué)設(shè)計(jì)參考模型，積累了一些研究成果、成功經(jīng)驗(yàn)，并推廣到新疆墨脫、四川涼山、新疆伽師，以及廣東的深圳、珠海、中山、江門、惠州、汕頭、云浮、清遠(yuǎn)、韶關(guān)、東莞、茂名等地。參加研究探索的教師專業(yè)得到發(fā)展，信息技術(shù)應(yīng)用水平得到提高，教學(xué)理論理念得到更新。學(xué)生觀察、發(fā)現(xiàn)、研究、處理、解決問題，以及分類、合作、實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐、應(yīng)用、語言等能力得到快速發(fā)展與提升。在信息時(shí)代迅猛發(fā)展的今天，學(xué)習(xí)需要變革的實(shí)質(zhì)方向與內(nèi)容就是變“被動(dòng)”學(xué)習(xí)為“主動(dòng)”學(xué)習(xí)，加速信息技術(shù)與教育教學(xué)雙向融合創(chuàng)新，構(gòu)建新型可視化教學(xué)模式，有效降低學(xué)習(xí)者認(rèn)知成本、減輕學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，逐步實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)與差異化教學(xué)。

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作者簡介：

岑健林，主任，研究員，碩士，主要研究方向?yàn)榭梢暬虒W(xué)、信息技術(shù)與教育教學(xué)融合創(chuàng)新、人工智能技術(shù)應(yīng)用等， 郵箱：33508861@qq.com。

Research on Visualization Teaching Methods

Jianlin CEN

（Foshan City Education Information Network Center， Foshan Guangdong 528000）

Abstract： With the release of Educational Informatization Action Plan 2.0， educational informatization is continuously intelligentialized， educational informatization is at a new historic stage and raises the second wave in China. As a key component of educational informatization， teaching informatization aims to build new modes of visualized teaching by using new technology and new media. It can reduce students’ learning burden and cognitive cost， which constitutes the essential goals， tasks， and contents of teaching informatization. The observation and analysis of the characteristics of visualized teaching and its design principles proffers support to the design， organization and implementation of visualized teaching. Aided by technology， this research is conducted regarding the theoretical foundation， teaching design methods and activity organization strategies for visualized teaching， in an effort to create new models， strategies， methods and techniques for teaching informatization as required by the “classroom revolution”. On the theoretical basis of cognition， constructivism and dual coding through technological utilization， and low-cost efficient classroom models are developed， which contributes to the theoretical and modal innovation of teaching informatization， promotes the transition from “closed classroom” to “open classroom”， and facilitates the process of “individualization” of students’ learning and “differentiation” of teachers’ teaching.

Keywords： Visualization; Teaching; Method; Theory Research

編輯：王天鵬" "校對(duì)：王曉明