《基于学习科学的高效教与学方法》(1)：知识可视化
王珏老师的《优质微课设计的“四化”模型及其心理学原理》受到老师们的广泛好评。其中第一化就是“知识可视化”。
所谓“知识可视化”，国际上最早的知识可视化论文：Eppler&Burkhard 2004《知识可视化——通向一个新的学科及其应用领域》中是这样说的：
“知识可视化主要研究视觉表征的使用，主要目的是改进两人或多人间知识的创造与转移；知识可视化是指能用来构建和传递复杂观点和内容的所有图形手段和方式”。
如今，“知识可视化”的重要性已经被越来越多的人所认识，也已经成为国家自然科学基金中教育技术领域的一个主题。相信会有更多学界的研究者加入这个领域，贡献更多好的理论与方法。
而王珏老师已经将“知识可视化”理论与方法进一步体系化，并与“学习科学”的研究结合到一起，形成一门全新的网络课程：《基于学习科学的高效教与学方法》（选课方法见文末）。
本文就将简要介绍“知识可视化”背后的机理（内容节选自课程）。
一、视觉有助于高效记忆
学习的第一环节就是“感知”。没有感知，也就无从“学习”。因此，感知的效率是学习的第一环节。
人的感知是通过“感官通道”来获得的。在“视听味嗅触”这5种感官通道中，视觉毫无疑问是最高效的感觉通道，更容易给人留下较为深刻的记忆！
“记忆”本身，就是学习的重要组成部分和评价指标。比如：英语单词的记忆，通过视觉图像进行记忆，能够大幅提升记忆水平（详见：《优质微课设计的“四化”模型及其心理学原理》）。
显然，对于较难的知识，需要学习者在一段较长的时间内，逐步加工、加深理解。这种能保存在长时记忆中的感官信息（仍以视觉信息最为常见和高效），将起到重要作用。
【应用案例】
如果大家能够掌握这一点，就会知道：在教学中尽量使用图像法来加深记忆，对于提升学习效果是非常有益的！
比如：在《珏对PPT(6)：高中物理《功》PPT修改》中，功的公式单独出现（如下图）：
就不如让公式伴随着原理图像一起呈现（如下图），这不仅是因为图像有利于记忆，而且因为图像本身就蕴含了全部的物理意义与数学模型：
二、可视即理解
“可视化”的重要作用远不止于“记忆”！它还深度参与了学习者的认知加工过程！
很多案例都表明：
对于学习者所不熟悉的知识、尤其是抽象知识，语言表述往往让人感到难以理解！
比如，请你想像一下“如果自行车轮子是方的会如何”，你能想像出来吗？
如果你想不出来的话，那就恭喜你！这说明你是一个正常人！
这是由于，这个问题已经超出了我们的一般生活经验。人是很难想像出超出自己生活经验的事物的。
看到下张图，是不是瞬间就“了解”了呢？
让我们接着想像：这辆车能骑吗？如果骑在这辆自行车上，会是什么感觉呢？
同样的道理，我们不大可能有此种经历，因此同样想像不出来！
看到下面这张图，相信你就会心一笑了！
类似上例这种“事实”类的知识，在教材中有很多，比如让北方人理解“一棵树就是一片森林”，让南方人理解“银装素裹”，让空间想像能力较差的人（多数女生）理解立体几何中的概念，等等。
那么，为什么看到的东西就更容易理解呢？
简单说来，人类心理是不能直接操作抽象概念的（这里指的不是简单复述），而要借由该概念所对应的形象化材料——即心理表象！
什么是心理表象呢？
我们知道：金丝雀是黄色的。
现在请你想像：还有什么鸟是黄色的？
——请静静地想一会儿，至少5秒钟——
想出来了吗？
即使没有想出来，也没关系！
请你回想一下：你的大脑在对“黄色的鸟”这个概念进行操作的时候，脑子里飘过的是各种字、还是各种形象？
在思考时，你脑子里闪过的应该是各种鸟的形象——这就叫“心理表象”。（参考答案：黄鹂鸟、鹦鹉等）
很显然，对于学生不懂的、尤其是抽象的概念，语言是很难帮学生建立起这种想像的！如此，学生的大脑就不能对这个概念进行操作——也就是“没有掌握”。
再比如：
如果提起水分子"H2O"，在你的大脑中一片懵，就说明你的大脑中没有建立起H2O的心理表象——这可能意味着你学起来感到枯燥、甚至困难重重。
而下面这幅图，应该会非常有助于你建立H2O的心理表象：
现在，合上眼睛，回想一下H2O的水分子模型：
一个蓝色的大分子（氧）、两个绿色的小分子（氢），它们结合在一起，长成了"那个"样子……
——这就是你对H2O的心理表象了。有了这个心理表象，接下来你对H2O的心理操作就有了很好的基础！这比纯粹记住H2O的符号要有效、也生动得多！
此外，认知心理学中的“双重编码”理论有更加系统地解释。
该理论认为：人脑中存在两种功能独立却又相互联系的加工系统：一个是以语言文字为基础的加工系统（“语义”），另一个是以表象为基础的加工系统。大脑要形成长时记忆，必须要同时激发这两个系统同时工作，对这两种信息同时进行编码。只有“编码”成功后，才能把信息放入长时记忆，此时我们就称之为“理解”。
根据“双重编码”理论，学生如果想理解老师所表达的“语义信息”，必须要能够想象出语义信息所对应的感性形象。如果想象不出来的话，就很难理解这个概念或术语了！
而直观的视觉场景，正是一种典型的“情境信息”！
而且，视觉场景本身是一种非常适合于大脑加工的情境。因为大脑在长期进化过程中，进化出一种超强的视觉信息处理能力：高效、敏锐、自动化（下意识处理）、低认知负荷！
因此，在知识表达时，不好好利用视觉，实在是暴殄天物！
【应用案例】
比如：在《“珏对PPT”第4期——龙船调》中，对于学生所不熟悉的恩施、土家族、采莲船这些名词，只简单写出来是无效的（如下图）：
如果增加用图像直观来表达，将会大大提升学生对这些名词的理解：
三、视觉擅长整体性和关系表达
在为什么“知识可视化”能提升知识讲授效果方面，我们还必须要认清语言文字表达与视觉表达的一个根本性差异。
语言文字的表达具有“碎片化”的特征。比如，一个知识可能需要10句话才能表达清楚，那么相比知识的整体信息而言，每句话都只是一个“碎片信息”。学习者需要自行把这些碎片信息整合在一起，建立一个整体的理解，才能够真正理解它。因此，语言文字的“碎片化”，决定了它不利于学习的过程。
知识一定要在整体中才能理解呢？说法当然有很多，比如“整体大于局部之和”，“信息本身的意义蕴含在关系之中”等等。
用一个浅显的案例可能更容易理解：
以下是用文字形式表达的“2018国务院部门调整方案”。如果请你仔细看的话，相信你一定每句话都能看懂：
但是，如果问你是否真的看懂了，你的回答很可能是：没看懂！
是的，你可以看得懂任何一句话，但其实你却基本弄不懂它到底在说什么。这是因为我们没有弄懂信息之间的“关系”，或者说“结构”，因而就不可能弄懂它的“整体”。
如果我们用下面这样一幅结构图来呈现这些信息：
相信你稍作研究，就可以基本弄懂了！这个案例可以说明知识的“整体性”、“结构化表达”，对于理解知识本身的不可替代的作用！
事实上，只有在整体中，才能体现出信息之间的结构与关系。而这一点，无论是对于理解、还是对于推理都是至关重要的！
比如，对于下面这道小学六年级的数学题，如果不用方程的话，可能很多成年人都会感到束手无策。
其实，只要能画出相应的“线段图”，问题就可以迎刃而解了！
为什么一个简单的线段图就能轻松解决问题呢？
因为，用文字来表达关系，关系就被隐藏到了“语法”之中，由于人的工作记忆是非常有限的，因此稍微复杂一些的题目，大脑分析起来就存在困难。
而线段图，则是用视觉的方式，表达出所有数据之间的“关系”。再借助于视觉对模式识别的敏感性，来发现这些数据之间的关系，从而高效解决问题。
通过这两个例子，相信大家已经能够非常清楚地理解：视觉具备强烈的“整体性”特征、并善于“表达关系”，因而使得大脑能够更好地加工复杂的信息。
——相对应的，由于语言文字的“碎片化”特征，所以对于越复杂的信息，语言文字越难以胜任。
【应用案例】
比如：在《珏对PPT(6)：高中物理《功》PPT修改》中，各种信息“堆砌”在一起，没有结构，信息量巨大、而又杂乱无章：
如果我们能够将所有要点，紧紧围绕功的公式的各个要素，进行“结构化表达”（如下图），是不是更加易记、易懂呢？！
【小结】
“知识可视化”之所以能做到高效表达，提升知识讲授的效果，是基于如下三方面机理：
视觉高效记忆
可视即理解
视觉具有整体性，擅于表达关系
最后，送给大家一句关于知识可视化的至理明言，希望大家能够从中获得启迪！
本文中的内容来自于王珏老师的全新网络课程《基于学习科学的高效教与学方法》。
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