国内知识可视化研究进展：理论分析，本文主要内容关键词为：研究进展论文,理论论文,知识论文,国内论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
DOI：10.16353/j.cnki.1000-7490.2015.11.024 随着信息存储和网络技术发展，人们可掌握信息呈现类型多样化、规模扩大化、更新加速化、信息间关系复杂化[1]的特点，如何有效从海量信息中迅速获得所需信息，全面理解并据之作出决策成为难题。知识可视化用视觉化[2]、形象化方式表现复杂抽象知识，利于管理信息、理清信息间关系、挖掘知识特征[1]，使思维趋于清晰化、成熟化[2]，为该问题解决提供了可能途径。 本文介绍知识可视化内涵和核心研究内容，从理论基础、框架构建、视觉表征、发展趋势4方面揭示国内知识可视化研究进展。 1 知识可视化简介 1.1 定义与内涵 作为个人知识管理和群体间知识传播手段[3]，知识可视化主要研究用视觉表征改进群体间复杂知识创造与传播[4]方法，包含所有可用来建构和传达复杂知识的视觉表征手段[5]，旨在传达事实信息，传输见解、经验、态度、价值观、期望、观点、意见和预测等，以促进群体间知识传播和创新(重构、记忆和应用[3])，辅助知识获取、内化、转化，具有直观化、结构化、深度化、本质化、高效化、优质化特点[6]，表现方式有非计算机支撑的手绘[7]、视觉隐喻[8]及计算机软件辅助绘制[7]。 就本质而言，知识可视化是隐性知识显性化[9](以视觉表征手段表示用户知识，把内隐或隐性知识转化为直接作用于感官的显性知识[2])、显性知识生动化[9](以更直观合适方式呈现难理解的显性知识[2])、复杂知识简单化、抽象知识形象化[10]的过程。 1.2 与信息可视化、数据可视化比较 知识可视化是在数据可视化、信息可视化基础上发展起来的新兴研究领域，但作为处理数据、信息和知识中复杂问题的有效策略[11]，三者是独立发展的研究领域，对比见表1。 1.3 核心研究内容 主要包括理论分析(定义、对比、理论基础、框架构建、视觉表征、发展趋势等)，实践途径(实现方法、软件工具等)，典型应用(领域应用，典型领域为教育教学)，核心是理论基础、框架构建、视觉表征和实践途径，直接决定知识可视化促进人际知识传播和创新效力。 2 国内知识可视化研究进展 为全面掌握国内知识可视化研究状况，笔者以中国知网的中国学术期刊网络出版总库、中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库，中文科技期刊数据库(维普)为信息源，采用关键词在题名中检索方式进行主题信息检索。具体而言，截止到2015年1月31日，以CNKI为信息源，以“知识可视化”为关键词在题名中检索，结果为期刊论文99篇，硕博论文21篇，采用同样方法，在维普中检索，结果为期刊论文110篇，除CNKI中文献外，还发现22篇新文献。 纵观现有研究成果，国内知识可视化研究整体处于起步阶段但发展速度逐步加快，国内“知识可视化”一词最早出现在学者赵国庆2005年撰写的《知识可视化的理论与方法》一文中。现有学术研究主要集中在知识可视化理论分析和实践应用两方面。前者主要包括知识可视化定义[3，5，13，15]，信息、知识可视化对比[2，4-5，12-13]，理论基础[1-2，4，9，15-16]，框架构建，视觉表征等；后者主要包括实现方法[1，4，16]、软件工具[2，4，16]、领域应用(教育教学[2，4，7，16]、知识组织与管理[1]、智慧图书馆[10])等。 2.1 理论基础 知识可视化涉及认知心理学、知识管理、知识工程[3]、脑科学等学科的理论，包括双重编码、经验之塔、图式、有意义学习、知识心理学表征与脑科学研究等，这些理论为知识可视化发展提供支撑和动力[15]，详见表2。
2.1.1 双重编码理论 由心理学家佩维奥1986年研究人类记忆认知过程时提出(国内赵国庆等最早提出)，认为人类认知有双重性(在同时处理语言和非语言对象时，语言系统处理语言输入输出同时充当非语言对象、事件和行为符号功能)[16]，假设有两个独立但密切联系的认知子系统：言语系统(处理语言对象)和非言语系统(表征和处理非语言对象)；有两个不同类型表征单元：语言性表征系统(表征语言对象且被认为是层次关联结构)和图像系统(表征心智图像，被认为是“部分—整体”结构)[4]；定义三类加工：表征性，语言和非语言表征直接激活；调用性，通过非语言系统和语言系统相互激活；联合加工，在语言系统或非语言系统内部的表征激活。一个任务可能需其中一种或全部加工[3]。 2.1.2 经验之塔理论 学者王朝云认为将双重编码理论作为知识可视化理论基础欠妥，提出经验之塔理论，专注从可视化角度理解知识和图示、图表化知识的思维动机，强调将知识可视化过程作为人类认知过程中金字塔形成过程[17]。该理论按抽象度将学习经验分为做的、观察的和抽象的三大类，被视听教育家戴尔比作是学习经验视觉隐喻。最底层经验最具体，越往塔顶越抽象，以塔层叠加形式说明经验具体与抽象度。从本质内涵看，具体经验是发展抽象理解基础，从抽象到具体、直接到间接，学习者须有丰富经验[18]。 2.1.3 图式理论 心理学家康德1781年提出图式连接人脑中概念和感知对象[4]，图式功能为构建(借已有知识经验内化外界信息，通过与外界相互作用和影响来有意义建构新理解和内在心理表征)、推论(用图式变量间内在联系推测隐含或未知关系、信息(潜在价值)，以便理解信息，将隐晦关系转为清晰图示框架)、搜索(帮用户形成目标指向性，预测要学知识，寻找相关信息进行分析、比较、综合，达成知识沟通和应用并建构，形成思维组块，当再面临相同情况或问题时，搜索脑中相应思维组块解决问题)、整合(新信息与脑中原有图式框架相应变量联系并完善，整合新旧知识)[2，16]。图式理论认为知识以图式(包含知识表征及应用的方式信息[16])形式存于记忆中，很多图式连接成巨大、网络化、立体图式框架(含反映知识结构的认知结构和更抽象的认知策略[2])。图式理论中知识是意义驱动或命题代表的，不一定分层存储，主张学习者积极意义建构，当神经系统接受信息时，图式框架中大量相关知识被激活，如某图式知识与新信息相合，会映射到大脑并解释新信息以便理解[4]。 2.1.4 有意义学习理论 心理学家戴维·奥苏贝尔1962年基于图式理论提出，有意义学习指视觉表征符号所代表新知识与受众认知结构中旧知识建立的非人为联系、将新认知纳入原有知识框架过程。核心思想：接受新知识须基于学习者原有认知结构[15]。 2.1.5 知识心理学表征理论 认知心理学阐述知识表征分两类：①信息加工观点，认为知识是人脑加工处理具有符号性质信息的结果并以概念、命题、脚本、图式、表象和产生规则等[2]抽象、概括形式存于人脑，认知系统通过检索脑中已有知识体系来查阅提取所需信息，人脑用符号代码存储外界刺激和事件信息[2]。②联结主义观点，认为人脑中知识存储与组织形式直接来自大脑神经活动计算结果。大脑中有类似神经元、相互作用和联结的实体，人类基于脑中有组织的实体联结方式存储、组织和呈现复杂知识系统[16]。 认知心理学通过构建认知模型说明个体知识表征[16]。符号—网络模型将事物抽象为概念(节点)、概念间关系(带箭头连线连接节点，表示概念间关系及其紧密度)，特例之一是层次语义网络模型：语义记忆基本单元是有一定特征的概念(体现为圆点)，按逻辑上下级关系组织概念以构成层次网络系统(带箭头连线表示概念间从属关系和概念与特征关系，指明各级概念的特征)，这在概念图和思维导图都有体现；激活—扩散模型在修正层次网络模型基础上提出(用语义联系取代层次结构，更全面灵活，更能说明人类知识的存储、组织和表征，考虑语义距离，为网状知识图提供依据)，概念间联系有紧密度、强度，当一概念被加工或受到刺激，其节点就激活并沿该节点各连线向四周扩散，形成网络[2，16]。 2.1.6 脑科学研究理论 大脑由约140亿个神经元组成，每个神经元间可有104条连接，神经元复杂联结后形成神经网络[4]。学习、记忆和思维通过该网络系统进行，大脑认知网络结构与知识结构相联系。学习是大脑信息传输、处理和储存过程，通过归纳、组合、抽象等思维方式将信息纳入到最佳联系方式和最方便提取的记忆结构中。大脑分左右半脑，有两种思考方式：左脑用语言思维，按时间、序列处理信息，较理性，从事连续性推理，擅长分析和处理字语；右脑用表象思维，按时空处理信息，较感性，进行整体推理，识别模式、解释情绪和非言语表达方式，右脑独特信息处理方式使其存储信息量是左脑10万倍[4]，大脑视觉信息处理能力远超言语处理能力，知识可视化结构特征符合人脑生理机制[16]。 2.2 框架构建 知识可视化框架确定可视化因素及因素间关系，指导知识可视化实现，是知识可视化研究核心内容，需在知识可视化前明确。目前，国内知识可视化框架研究不多且不深入，未形成统一定论，多数学者认为包括知识类型、可视化目标、可视化类型、学习者、设计者、视觉表征设计、实现工具与方法等因素但未揭示因素间关系，无法有效指导实践，但相关研究逐步积累，框架中因素、因素间关系日趋全面清晰，后续研究应将其与信息交流科学、知识管理[19]等领域结合。 赵国庆[3]认为实现知识可视化至少需考虑可视化知识的类型、原因、方法。周宁[19]指出知识可视化框架传递有效知识需注意知识类型(what、how、why、where、who)、接受者类型(个体、团队、组织)和可视化类型(草图、图表、图像、对象、交互可视化)，并提出知识可视化交互立方体：框架中每种可视化方法与一个或多个合适坐标联系以便构建和发现可视化方法。朱永海等[20]认为知识视觉表征是知识可视化实践途径，可在目的、手段、功能方面起促进作用。学者赵惠臣提出知识可视化通过视觉表征形式促进知识传播与创新，可用视觉表征原理探寻知识可视化途径[21]，归整知识类型、可视化方式与其对应关系。赵惠臣[22]提出知识可视化视觉表征因素为设计者、学习者、知识内容和视觉表征，要素间关系见图1：学习者通过看见、看懂、看好过程解读视觉表征意义，把握其内容，发挥其效用[23]；知识内容通过视觉表征被可视化；知识可视化视觉表征传递信息前提是用设计者与学习者均理解、认同的视觉语言，引起学习者对视觉表征符号形式和内容信息感知和联想[23]，由此设计者与学习者通过视觉表征间接联系。赵惠臣分析指代关系整理现有知识分类时发现未考虑知识传播特征、探讨视觉表征内容构建方法，继而根据信息科学中知识的属性、分类和符号分类中肖似符号、导引符号和象征符号阐释知识可视化视觉表征内容构建框架[24](见表3)，框架中因素及对应关系属倾向性而非确定性，有待完善，但表明知识类型、视觉表征分类和具体视觉表征选择等因素的关联，可指导学习者和设计者应用知识可视化。卢瑞等[17]提出知识可视化过程：区分知识类型；分析学习者差异和动机，选择可视化方式；确定知识可视化数据结构和形式并通过机器实现；反馈信息并改进，使学习者更好理解和创造知识。
图1 知识可视化视觉表征要素间关系
此外，部分学者构建了具体学科的知识可视化模型[25]，以便用户根据知识背景选择可视化方式解决实际问题。学者张继东[26]构建了数字档案馆知识可视化模型。张会平等[14]构建了基于知识可视化的隐性知识转换模型，分3步：以可视化形式表示隐性知识；评价者基于对构建者知识正确理解评价其创造性、翔实性、可行性(知识表示和评价是双向沟通关系，参与者基于沟通平台进行转换，其中关键是可视化交互界面，设计重点是显示细节信息、全局结构和动作选择，以实现知识表示与评价)；根据评价结果形成结构化显性知识(整个转换过程对参与者是学习、交流过程，产生隐性知识)。 2.3 视觉表征 知识视觉表征是知识可视化设计和应用的关键部分和重要内容，用于图形符号化知识[15]，包含知识可视化类型共性[27]，其形式影响知识可视化价值[28]，伴随现代传播形式交融及IT技术普及，知识可视化设计内容、形式不断丰富，知识表现和传达更多元化、个性化，未来将由单一媒介向多媒体、设计领域向多领域发展[15]，国内相关研究学者主要有赵惠臣、刘伟等。 2.3.1 视觉表征研究框架 视觉表征分析框架综合考虑学习者和设计者因素，为视觉表征资源设计开发提供参考[15]。赵惠臣从信息论视角研究知识可视化视觉表征并提出宏观分析框架[27]：视觉表征形式分析，侧重视觉符号组织以符合表征符号结构特征，即形式特征，包括内容性元素形成视觉表征的结构特征和修饰性元素(如线条、色彩、大小等材料因素)促进视觉表征结构形成，视觉表征符号结构可单独组织成最简化或用尽量少结构特征把复杂材料组织成有序整体[29]；内容构建方法，侧重组织视觉符号元素表达内容，文字表征符号与视觉表征结构结合以明晰所指代知识内容[24，29]；意义解读方式，也称效用设计，侧重基于形式分析和内容建构阐释学习者解读视觉表征内容方式和过程[27]，以理解其中意义[29]，包括用空间特征引导视觉注意、突出区别性特征促进知觉学习、体现观看习惯符合学习者文化心理[23]；设计方法，设计者制作视觉表征思路，综合考虑和组合形式、内容和效用层面要素[27]，形式要素最先被观察或感受，内容要素透过形式分析才能感受到，效用要素针对一定形式、内容和主体才能表现出来，三者虽独立分析但密切相关[22]。 2.3.2 视觉表征设计 作为知识可视化重要载体，视觉表征设计旨在提高知识可视化效果[22]，设计方法与流程可指导知识可视化设计理论研究，为行业实践提供参考[15]。 1)设计要素。刘伟认为知识可视化视觉表征设计要素包括文字、色彩、图形[15]，承载视觉要素表层含义(直接传给受众视觉感受)、深层含义(象征意义)、设计主体个人情感(设计者思想态度随其他信息一同传播)三类知识，设计时需特别注重视觉符号表层意义与深层语义联系及主客观信息间联系，合理调整和安排文字、色彩、图形间关系，三者对比见表4[15]。赵惠臣将视觉表征应用看作信息认识过程(理解信息先形式、后内容再效用)，认为设计要素还包括内容设计与效用设计[29]。
2)表征形式。刘伟认为知识可视化呈现方式主要有图形、图像、视频、多媒体4种[15]；赵惠臣认为分视觉表征表层形式(文字、色彩、图形、肌理、点、线、面等材料要素)和深层形式(和谐、对称、均衡和节奏等结构关系，展现内容性元素)，两者根据空间、方向和张力等关系有机结合成“有意味形式”[29]。 3)设计方法。协调信息可视化、视觉传播、图形设计等孤立研究领域，揭示视觉表征形成因素及其关系，澄清视觉表征设计中困惑[22]。 4)设计流程。刘伟从设计师角度用视觉传达设计原理总结知识可视化设计流程：知识需求收集(基于受众需求找准需可视化知识重点)、知识内容获取(整理、分类、统计、统筹和分析已收集知识，化繁为简、去粗存精、去伪存真)、知识设计构建(知识内涵与视觉要素间逻辑联系，用可能知识资源构建合理知识结构是实现知识设计意图关键)、知识视觉转化(以视觉形式组织知识结构与单位)、知识设计评估(阶段性评估，标准为是否简单易懂、独特美观、经济实用)[15]。 2.4 发展趋势 2.4.1 知识创新应用 知识可视化用人类处理视觉图像本能解决知识传播问题已在许多领域得到验证，但知识创新方面潜能尚未深入挖掘。聂丽娜将知识可视化引入知识创新领域，设计基于知识可视化的协同概念设计平台原型，提供平等协同创新环境和目标方法指引，将个体隐性知识和宏观设计方法论可视化，借助启发式知识资源促进新想法产生和发展，提供更客观想法过滤机制，解决协同概念设计过程中知识传播和创新问题[30]。 2.4.2 工具互通互用化 不同可视化工具内容表达具有相似性，用户常需以不同可视化方式呈现同一内容，客观需实现知识可视化工具互通机制，即在不同可视化工具间轻易交换不同类数据[31]。赵国庆等借助GraphML定义知识可视化接口并初步实现概念图与思维导图转换。 2.4.3 表现形式多维化 知识可视化展示必由静态向动态交互式转变，需建立迭代、协作过程。现有知识可视化展示主要是二维图形式，若与虚拟现实(多媒体技术发展更高境界[32])结合，采用多维表现形式将为用户提供多种视角，将更好促进知识共享与传播。 2.4.4 相关衍生研究 管理领域知识可视化研究推动相关领域研究进展，知识可视化在“空间与图形认知”“概念命题、图解表达”“语言与图形表达相互关系”等方面给生物、地理知识可视化研究带来跨学科、新研究视角与活力[33]。王强等提出并用基于SVG的生物学知识可视化表示框架(用SVG特性解决位图格式图像在知识表示中困难)开发系统生物学标记语言SBML的可视化查看工具SBML Viewer，后续将基于该框架开发“细胞内信号传导与基因表达调控网络”可视化知识库，为生物学研究提供更好知识表示平台[34]；地学知识可视化旨在快速处理与可视化挖掘海量多维地理数据、获取与应用地理知识，以提高地学工作者获取、处理及应用知识效率，为决策提供更直观、科学、合理、便捷指导，目前相关应用研究集中在地理知识图构建、地理协同研讨、可视化模型及算法设计与开发等[35]。 3 结束语 综上所述，本文从理论基础、框架构建、视觉表征、发展趋势4方面阐述了国内知识可视化研究进展：理论基础包括双重编码、经验之塔、图式、有意义学习、知识心理学表征与脑科学研究等理论，主要是引入国外成果并未深入研究、创新；知识可视化框架研究相对薄弱、未形成定论，要素包括知识类型、可视化目标、可视化类型、学习者、设计者、视觉表征设计、实现工具与方法等，要素间关系尚无统一标准，此外，部分学者构建了具体学科的知识可视化模型；视觉表征研究框架包括表征形式分析、内容构建、意义解读和设计方法，设计要素包括表征形式(文字、色彩、图形)、表征内容和表征效用；设计流程包括知识的需求收集、内容获取、设计构建、视觉转化、设计评估；发展趋势为知识创新应用、工具互通互用化、表现形式多维化、交互方式智能化等，需融合人工智能、知识科学、计算语言学和认知心理学等领域研究成果。
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