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

周東波， 劉三， 鐘 正， 陳言言， 于 杰

(1.華中師范大學(xué) 國(guó)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(guò)程的學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)地理空間化方法研究

(1.華中師范大學(xué) 國(guó)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(shí)的線性組織結(jié)構(gòu)以及知識(shí)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(shí)細(xì)節(jié)信息同時(shí)呈現(xiàn)，在一定程度上加大了認(rèn)知的負(fù)擔(dān)，同時(shí)，無(wú)法對(duì)知識(shí)及其相關(guān)性進(jìn)行定位，知識(shí)間的拓?fù)潢P(guān)系無(wú)法較好表達(dá).針對(duì)上述問(wèn)題，該文從認(rèn)知過(guò)程出發(fā)，分析了學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)認(rèn)知過(guò)程與地理空間認(rèn)知過(guò)程的層次相似性，并依此建立學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)的地理空間化方法，將傳統(tǒng)的線性知識(shí)組織及線性空間，轉(zhuǎn)化為二維平面化知識(shí)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(shí)結(jié)構(gòu)認(rèn)知的方法，為知識(shí)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?cái)U(kuò)展了知識(shí)地圖的應(yīng)用.

知識(shí)結(jié)構(gòu)空間化； 知識(shí)地圖； 層次認(rèn)知過(guò)程； 地理認(rèn)知

近年來(lái)，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(jué)認(rèn)知對(duì)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(shí)現(xiàn)認(rèn)知過(guò)程由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的自然過(guò)渡.空間認(rèn)知屬于思維過(guò)程研究，是研究地理對(duì)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(shí)序動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的科學(xué)，同時(shí)也是研究空間事物認(rèn)知過(guò)程中，大腦的信息加工與處理方式，探索空間過(guò)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(lái)獲取空間位置與關(guān)系信息，通過(guò)認(rèn)識(shí)、分析與記憶空間信息，并進(jìn)一步利用空間信息及其關(guān)系來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、輔助決策以及對(duì)外部認(rèn)知活動(dòng)與認(rèn)知行為進(jìn)行指導(dǎo)的認(rèn)知方法與認(rèn)知過(guò)程[3].

針對(duì)傳統(tǒng)學(xué)科知識(shí)組織與可視化應(yīng)用中，采用線性組織或知識(shí)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(shí)細(xì)節(jié)揉合，帶來(lái)的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，且展示時(shí)無(wú)法對(duì)知識(shí)及其相關(guān)性進(jìn)行定位與知識(shí)間拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行較好表達(dá)的問(wèn)題，本文提出了一種新的學(xué)科知識(shí)組織結(jié)構(gòu)地圖空間化方法，依據(jù)學(xué)科知識(shí)認(rèn)知過(guò)程與空間認(rèn)知過(guò)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(guò)程對(duì)中小學(xué)典型學(xué)科的知識(shí)表達(dá)以及基于學(xué)習(xí)過(guò)程的資源組織方式，擴(kuò)展大數(shù)據(jù)背景下支持個(gè)性化學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)模式.

1 現(xiàn)有研究

1.1 知識(shí)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(guò)渡階段[4]，而抽象邏輯思維在一定程度上與感性經(jīng)驗(yàn)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(duì)用戶空間認(rèn)知特征進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)了一個(gè)信息可視化模型[6].趙慧臣等統(tǒng)計(jì)分析近年來(lái)思維可視化領(lǐng)域的研究進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)主要研究?jī)?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(duì)不同學(xué)科知識(shí)的理解程度，以及能形象而生動(dòng)地展示學(xué)生思維學(xué)習(xí)過(guò)程，為進(jìn)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(lái)組織和闡述表達(dá)知識(shí)，以圖畫(huà)的展示方法，簡(jiǎn)單、明了地描繪認(rèn)知活動(dòng)中思維過(guò)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(shù)型和網(wǎng)絡(luò)型5種[9]，它使用節(jié)點(diǎn)對(duì)象表示知識(shí)概念，節(jié)點(diǎn)間的連結(jié)線段來(lái)表達(dá)概念之間的聯(lián)系.在應(yīng)用思維可視化進(jìn)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(shí)考點(diǎn)、學(xué)科學(xué)習(xí)規(guī)律和過(guò)程與知識(shí)導(dǎo)圖結(jié)合起來(lái)，通過(guò)對(duì)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(diǎn)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(shí)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(shí)[11].

1.2 知識(shí)空間和知識(shí)地圖研究

知識(shí)空間理論(Knowledge Space Theory，簡(jiǎn)稱KST)是一種描述學(xué)生學(xué)習(xí)認(rèn)知狀態(tài)、測(cè)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(shí)空間可描述為構(gòu)成某一領(lǐng)域知識(shí)所有可能知識(shí)狀態(tài)的集合，要測(cè)試獲取認(rèn)知主體的知識(shí)空間，需要設(shè)計(jì)能夠準(zhǔn)確反映所代表領(lǐng)域知識(shí)的問(wèn)題庫(kù)，并根據(jù)認(rèn)知主體的回答正確情況來(lái)獲得相應(yīng)的分?jǐn)?shù)，最終獲得表征學(xué)生知識(shí)的空間.

知識(shí)地圖來(lái)源于地圖學(xué)領(lǐng)域的地圖[13].早期由美國(guó)捷運(yùn)公司發(fā)布的用來(lái)展示知識(shí)地理分布的美國(guó)地圖，通過(guò)索引號(hào)、層次表格和關(guān)聯(lián)文件，來(lái)表達(dá)信息資源的管理和分布圖.國(guó)內(nèi)學(xué)者從知識(shí)地圖的構(gòu)建方法和認(rèn)知原理等方面展開(kāi)了研究.高勁松等人從知識(shí)地圖的構(gòu)建方法著手，針對(duì)學(xué)科知識(shí)的特點(diǎn)，在認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)知識(shí)地圖構(gòu)建方法不足時(shí)，考慮學(xué)科知識(shí)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(shí)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(shí)構(gòu)建理論，提出了一種泛在信息環(huán)境下的學(xué)科知識(shí)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(dòng)程度幾個(gè)方面重新審視布魯克斯的知識(shí)地圖，并分析了知識(shí)地圖認(rèn)知理論與建模實(shí)踐方法，研究了知識(shí)地圖高效的知識(shí)信息傳遞作用，以及成為個(gè)人學(xué)習(xí)和進(jìn)行創(chuàng)造的強(qiáng)力輔助工具.同時(shí)指出知識(shí)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(shí)地圖的本質(zhì)，指出應(yīng)表現(xiàn)在通過(guò)知識(shí)創(chuàng)新使認(rèn)知主體找到對(duì)特定問(wèn)題的新的解決方法，提出建構(gòu) “問(wèn)題”導(dǎo)向，而不是“知識(shí)”特別是“顯性知識(shí)”導(dǎo)向的知識(shí)地圖[16].顧小清等注重知識(shí)的可視特征、知識(shí)的可視化呈現(xiàn)和相應(yīng)的語(yǔ)義圖示工具，可幫助學(xué)習(xí)者達(dá)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(dá)方式在帶來(lái)視覺(jué)沖擊的同時(shí)更能帶來(lái)美感體驗(yàn)，對(duì)教育應(yīng)用，則為實(shí)現(xiàn)信息的高效傳播[17].基于位置服務(wù)的知識(shí)地圖(LBS-Based Knowledge Map)，通過(guò)位置服務(wù)來(lái)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(jìn)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(shí)質(zhì)是利用地圖學(xué)的認(rèn)知方法來(lái)實(shí)現(xiàn)人們對(duì)地理空間的認(rèn)知過(guò)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(guò)對(duì)地理實(shí)體的屬性及其內(nèi)外關(guān)系進(jìn)行認(rèn)知，其實(shí)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(yùn)動(dòng)特征等.地理空間認(rèn)知過(guò)程通過(guò)對(duì)地理實(shí)體屬性的探測(cè)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(duì)地理空間對(duì)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(guò)程包括感知、表象、記憶和思維過(guò)程4個(gè)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(dá)形式，它充分利用人們?cè)趫D形、圖像方面的識(shí)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(shí)的視覺(jué)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(shí)世界運(yùn)用地圖符號(hào)進(jìn)行抽象、綜合的結(jié)果，并使用圖形表示的過(guò)程，地圖使用則表現(xiàn)在使用者通過(guò)視覺(jué)觀察地圖圖形與符號(hào)，進(jìn)行思維感受和分析的過(guò)程[23].

2.2.1 層次可視化 張維忠從教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)[24]，曹曉明從教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)[25]，葉妙玲從教學(xué)決策[26]等方面推動(dòng)了教學(xué)設(shè)計(jì)可視化研究的進(jìn)程，但實(shí)現(xiàn)這些可視化教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程的技術(shù)工具的復(fù)雜性，影響了人們對(duì)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(shí)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(duì)知識(shí)的復(fù)習(xí)鞏固和有效記憶，也不利于內(nèi)容之間有機(jī)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(kuò)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(guò)程，將學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)過(guò)程，映射為層次可視化展示，體現(xiàn)認(rèn)知過(guò)程的層次方法.

2.2.2 基于圖形、形狀、顏色的層次認(rèn)知過(guò)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(dá)為圖形與圖像的幾何元素，如點(diǎn)、線、面、體、紋理、顏色等，而視覺(jué)通道則用于表達(dá)圖形元素的視覺(jué)特征，通常用位置、大小、形狀、方向、色調(diào)、飽和度、亮度來(lái)表達(dá)[31].地圖應(yīng)用中，符號(hào)化簡(jiǎn)化了圖中元素的表達(dá)，而符號(hào)的專業(yè)化，要求非地理空間實(shí)體對(duì)象及其地理現(xiàn)象的空間屬性、變化模型、擴(kuò)散方式都要準(zhǔn)確表達(dá)出來(lái)，即不可見(jiàn)的屬性，也需要被圖化表達(dá)[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(dá)實(shí)體間的差別，用來(lái)定義制圖中視覺(jué)要素間的定性差別，而幾何尺寸、外觀紋理和亮度則表達(dá)實(shí)體的等級(jí)信息，用于描述制圖中視覺(jué)要素間的定量區(qū)別.實(shí)際應(yīng)用中，可將定性要素與定量要素聯(lián)合使用，實(shí)現(xiàn)感觀增強(qiáng)的效果.

3 學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)地理空間化方法

本文的思路是通過(guò)對(duì)學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)容進(jìn)行參數(shù)化表達(dá)，使用地理空間化的展示方法來(lái)體現(xiàn)學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)的層次認(rèn)知過(guò)程，通過(guò)地圖映射方法，將線性的學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)映射為二維平面地圖，應(yīng)用地圖來(lái)組織學(xué)科知識(shí)內(nèi)容，以及地圖可視化方法來(lái)實(shí)現(xiàn)層次化學(xué)習(xí)過(guò)程.

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

學(xué)科知識(shí)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(shí)結(jié)構(gòu)單元，以體現(xiàn)學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)元素的內(nèi)在獨(dú)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(lái)表達(dá)學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)單元，以用向量結(jié)構(gòu)表達(dá)：

K(h,r,e,T)，

其中，K表示向量結(jié)構(gòu)四元組，h表達(dá)學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)單元的層次屬性，r表達(dá)學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)單元的關(guān)聯(lián)關(guān)系，e表達(dá)學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)單元的信息量，T表達(dá)學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)單元的知識(shí)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(shí)結(jié)構(gòu)單元間的包含關(guān)系，用層次樹(shù)表達(dá).以學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)單元為單位構(gòu)建層次樹(shù)，多個(gè)層次樹(shù)聚合生成新的層次樹(shù)，多個(gè)樹(shù)組織結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)由底向上的聚合.

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

圖1 層次節(jié)點(diǎn)關(guān)系Fig.1 Relationship of hierarchical nodes

定義學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)單元四元素屬性后，針對(duì)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(shí)結(jié)構(gòu)單元組織成一個(gè)層次樹(shù).而不同中間節(jié)點(diǎn)中學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)單元數(shù)量的差異，將造成樹(shù)的層次不平衡，本文暫不考慮樹(shù)的優(yōu)化策略，忽略對(duì)層次組織結(jié)構(gòu)的優(yōu)化.此外，對(duì)于節(jié)點(diǎn)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(gè)無(wú)嵌套、無(wú)跨越的組織方式，通過(guò)路徑的拓?fù)鋪?lái)表達(dá)其它關(guān)系.如圖2所示，針對(duì)人教版數(shù)學(xué)教材中的學(xué)科知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行層次劃分，其中“七年級(jí)”表達(dá)為根節(jié)點(diǎn)，“七年級(jí)上”為第一層次節(jié)點(diǎn)，針對(duì)現(xiàn)有章節(jié)，建立第二層次、第三層次，依此類推.葉節(jié)點(diǎn)則為課程中需要講授的每一個(gè)知識(shí)點(diǎn).考慮到對(duì)知識(shí)結(jié)構(gòu)的組織，本文并不針對(duì)具體的知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行細(xì)致表達(dá)，后續(xù)在知識(shí)點(diǎn)的知識(shí)信息量表達(dá)中，只考慮講授的內(nèi)容時(shí)長(zhǎng)的量化表達(dá).

層次樹(shù)的建立，是為對(duì)學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)單元建立層次屬性的數(shù)值化表達(dá).采用廣度優(yōu)先的方法進(jìn)行遍歷，子層次編碼加上其父層次的編號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全部節(jié)點(diǎn)建立唯一編碼，其示例如圖3所示.為簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)的表達(dá)，圖中將部分葉節(jié)點(diǎn)編號(hào)表達(dá)出來(lái)，具體為0121節(jié)點(diǎn)下的葉節(jié)點(diǎn)，只對(duì)第一個(gè)子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，其余編碼依此類推，圖中省略編號(hào)表達(dá)，節(jié)點(diǎn)0131、0141、0142、0142的子節(jié)點(diǎn)同樣省略.0121節(jié)點(diǎn)有5個(gè)子節(jié)點(diǎn)，其子節(jié)點(diǎn)的編號(hào)表達(dá)為：01211、01212、01213、01214與01215.節(jié)點(diǎn)0131有5個(gè)子節(jié)點(diǎn)，其子節(jié)點(diǎn)編碼從01311到01315.節(jié)點(diǎn)1041有9個(gè)子節(jié)點(diǎn)，因此其子節(jié)點(diǎn)的編號(hào)為01411到01419，節(jié)點(diǎn)0142與節(jié)點(diǎn)0143的子節(jié)點(diǎn)依上述規(guī)則編號(hào).

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(shí)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(shí)結(jié)構(gòu)單元間的序列關(guān)系和依賴關(guān)系.通過(guò)建立學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)單元的時(shí)間先后順序表達(dá)，并由此建立序列關(guān)系，表達(dá)為兩個(gè)方面的關(guān)系：1)學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)單元的同一層次其它學(xué)科知識(shí)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(shū)本中章節(jié)編排順序；2)表達(dá)不同級(jí)別學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)單元間的包含關(guān)系.

3.1.3 知識(shí)信息量 知識(shí)信息量是指學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)單元中所包括的內(nèi)容，使用量化標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)，其反映對(duì)該學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行教和學(xué)所需花費(fèi)的時(shí)間.設(shè)置每個(gè)葉節(jié)點(diǎn)的學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)單元的學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)，使用深度優(yōu)先算法遍歷層次樹(shù)，由底向上生成每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)的學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)單元的學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)而生成每個(gè)層次的節(jié)點(diǎn)信息量.

3.1.4 知識(shí)類別 學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)單元的類型，應(yīng)用布魯姆知識(shí)類型分類標(biāo)準(zhǔn)，分為事實(shí)知識(shí)、概念知識(shí)、程序知識(shí)和元認(rèn)識(shí)知識(shí)，而每個(gè)類型的屬性可進(jìn)一步分類為記憶、了解、應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)作.學(xué)科知識(shí)單元知識(shí)類型量化值的具體賦值為：1為事實(shí)知識(shí)，2為概念知識(shí)，3為程序知識(shí)，4為元認(rèn)識(shí)知識(shí)；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(píng)價(jià)，6為創(chuàng)作.概念知識(shí)中要求記憶類型，其編碼為21，而元認(rèn)識(shí)知識(shí)中要求分析則為44，依此類推完成每一個(gè)節(jié)點(diǎn)屬性值的設(shè)置.

3.2 地圖平面映射

完成對(duì)每一個(gè)學(xué)科知識(shí)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(shí)現(xiàn)將每一個(gè)知識(shí)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(gè)步驟來(lái)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(shí)結(jié)構(gòu)單元映射到二維地圖的空間位置.表達(dá)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(diǎn)，其取值范圍為：-180°

其次，學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)單元在二維地圖上的形狀，通過(guò)公式(2)計(jì)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(shí)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(duì)象，利用圖形形狀生成函數(shù)計(jì)算生成多邊形的形狀，即每個(gè)學(xué)科知識(shí)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(shí)結(jié)構(gòu)單元在二維地圖上圖形對(duì)象的大小，由公式(3)計(jì)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(shí)結(jié)構(gòu)單元的信息量.學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)單元信息量決定生成的圖形大小，大小表達(dá)為圖形的外包圍盒大小，使用外接多邊形控制方法來(lái)生成結(jié)果多邊形大小.

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

通過(guò)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(shí)地圖的描述與表達(dá)，本文首先對(duì)傳統(tǒng)的學(xué)科如數(shù)學(xué)與語(yǔ)文進(jìn)行空間化應(yīng)用.具體針對(duì)人教版七年級(jí)到九年級(jí)數(shù)學(xué)教材以及人教版七年級(jí)與八年級(jí)語(yǔ)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(jí)與語(yǔ)文七、八年級(jí)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(duì)每一個(gè)學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)單元，使用四元素描述，并獲取四元素各個(gè)參數(shù)的數(shù)值.圖5左側(cè)為中間節(jié)點(diǎn)參數(shù)表達(dá)，右側(cè)為節(jié)點(diǎn)的參數(shù)表達(dá).每一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)只表達(dá)了層次、關(guān)系、類型與信息量的數(shù)據(jù)，而葉節(jié)點(diǎn)還描述了課程教學(xué)應(yīng)用中的其它屬性，如知識(shí)點(diǎn)的難度以及知識(shí)點(diǎn)的授課時(shí)長(zhǎng).

本文依據(jù)附屬學(xué)校相應(yīng)年級(jí)教學(xué)大綱中對(duì)相應(yīng)學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)單元中知識(shí)點(diǎn)的實(shí)際情況設(shè)置了難度值與授課時(shí)長(zhǎng).信息量的設(shè)置，本文參考難度與授課時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系，設(shè)置信息量為難度與授課時(shí)長(zhǎng)的乘積.授課時(shí)長(zhǎng)為課時(shí)時(shí)間，為計(jì)算方便，統(tǒng)一使用分鐘表達(dá).層次樹(shù)結(jié)構(gòu)中，中間節(jié)點(diǎn)的信息量表達(dá)為其子節(jié)點(diǎn)的信息量之和.完成各學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)單元的四元素參數(shù)值處理后，將信息依節(jié)點(diǎn)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(diǎn)名稱以及四元素參數(shù)值.

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

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

通過(guò)使用知識(shí)地圖數(shù)據(jù)生產(chǎn)平臺(tái)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(shí)結(jié)構(gòu)映射生成地圖.處理語(yǔ)文七、八年級(jí)的數(shù)據(jù)生成結(jié)果如圖6所示.

再通過(guò)知識(shí)地圖平臺(tái)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(jìn)行地圖圖層編輯與著色編輯.對(duì)數(shù)學(xué)以及語(yǔ)文各個(gè)不同層次的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)地圖展示與應(yīng)用平臺(tái)，可進(jìn)行知識(shí)結(jié)構(gòu)單元的縮放展示應(yīng)用、知識(shí)結(jié)構(gòu)單元間路徑展示連接應(yīng)用以及知識(shí)查詢.圖8顯示各知識(shí)點(diǎn)內(nèi)部信息以及不同知識(shí)點(diǎn)間的路徑連接關(guān)系.

圖6 語(yǔ)文七、八年級(jí)知識(shí)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(yǔ)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(shí)點(diǎn)與路徑展示Fig.8 Knowledge points and path

5 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)知識(shí)地圖對(duì)課程知識(shí)結(jié)構(gòu)的層次、線性目錄化、知識(shí)導(dǎo)圖的表現(xiàn)方法，本文提出了一種新的知識(shí)結(jié)構(gòu)地圖空間化方法，依據(jù)傳統(tǒng)知識(shí)認(rèn)知過(guò)程與空間認(rèn)知過(guò)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(shí)點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)系，表達(dá)知識(shí)的關(guān)系以及個(gè)性化的表達(dá).

本文提出的學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)地圖空間化方法，旨在建立一種新的知識(shí)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(shí)資源組織基礎(chǔ)底圖.

[1] 陳 霖. “大范圍優(yōu)先”對(duì)象形成的神經(jīng)關(guān)聯(lián)：前顳葉[J]. 生命科學(xué)， 2008(5): 718-721．

[2] 張本昀， 于甦新， 陳常優(yōu). 地理研究者的地圖空間認(rèn)知過(guò)程[J]. 地域研究與開(kāi)發(fā). 2006(6): 99-103．

[3] 王家耀, 陳毓芬. 理論地圖學(xué)[M].北京： 解放軍出版社, 2001．

[4] PIAGET J. The Child’s Conception of Number[M]. 55 Fifth Avenue, New York: W. W. Norton & Company, 1965．

[5] 魏雪峰， 崔光佐， 徐連榮. 基于認(rèn)知過(guò)程分析的小學(xué)數(shù)學(xué)探究問(wèn)題設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[J]. 電化教育研究，2014(8): 101-107．

[6] 翟文英， 郭獻(xiàn)強(qiáng). 基于用戶空間認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)信息可視化研究[J]. 圖書(shū)情報(bào)知識(shí)，2011(4): 104-110．

[7] 趙慧臣， 王 玥. 我國(guó)思維可視化研究的回顧與展望——基于中國(guó)知網(wǎng)2003—2013年論文的分析[J]. 中國(guó)電化教育， 2014(4): 10-17．

[8] 趙佳娜. 思維導(dǎo)圖在認(rèn)知結(jié)構(gòu)建構(gòu)中應(yīng)用模式研究——以大學(xué)基礎(chǔ)英語(yǔ)實(shí)踐課為例[J]. 中國(guó)電化教育， 2014(6): 121-126．

[9] 楊文正， 鄒 霞. 運(yùn)用知識(shí)空間理論分析概念圖[J]. 中國(guó)電化教育，2011(3): 83-87．

[10] 曹培杰， 王濟(jì)軍， 李 敏， 等. 概念圖在小學(xué)作文教學(xué)中應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 電化教育研究 2013(5): 104-108．

[11] 趙國(guó)慶. 概念圖、思維導(dǎo)圖教學(xué)應(yīng)用若干重要問(wèn)題的探討[J]. 電化教育研究， 2012(5): 78-84．

[12] DOIGNON J, FALMAGNE J. Spaces for the assessment of knowledge[J]. International Journal of Man-Machine Studies. 1985,23(2): 175-196．

[13] 潘有能， 丁 楠. 圖書(shū)館學(xué)學(xué)科知識(shí)地圖的構(gòu)建[J]. 大學(xué)圖書(shū)館學(xué)報(bào)， 2007(4): 10-13．

[14] 曹高輝， 王學(xué)東， 夏 謙， 等. 泛在信息環(huán)境下的學(xué)科知識(shí)地圖構(gòu)建研究[J]. 情報(bào)科學(xué)， 2014(5): 7-11．

[15] 胡昌平， 張 晶. 從信息傳輸?shù)娇梢暬?地圖制圖學(xué)視角下的知識(shí)地圖理論研究[J]. 圖書(shū)館論壇，2014(5): 29-35．

[16] 吳才喚. 知識(shí)地圖研究進(jìn)展:從顯性知識(shí)地圖到隱性知識(shí)地圖[J]. 圖書(shū)情報(bào)知識(shí)，2012(6): 94-100．

[17] 顧小清， 權(quán)國(guó)龍. 以語(yǔ)義圖示實(shí)現(xiàn)可視化知識(shí)表征與建模的研究綜述[J]. 電化教育研究，2014(5): 45-52．

[18] 廖宏建. 移動(dòng)學(xué)習(xí)中基于位置服務(wù)的個(gè)人知識(shí)地圖及應(yīng)用[J]. 電化教育研究，2014(6): 96-103．

[19] 王富強(qiáng). 空間知識(shí)地圖構(gòu)建理論和方法研究[D]. 北京：解放軍信息工程大學(xué), 2013．

[20] 王曉明， 劉 瑜， 張 晶. 地理空間認(rèn)知綜述[J]. 地理與地理信息科學(xué)，2005(6): 1-10．

[21] 王家耀. 地圖制圖學(xué)與地理信息工程學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào)，2010(2): 115-119．

[22] 趙慧臣. 知識(shí)可視化視覺(jué)表征的分析框架[J]. 開(kāi)放教育研究，2010(5): 51-58．

[23] 楊國(guó)清， 祝國(guó)瑞， 喻國(guó)榮. 可視化與現(xiàn)代地圖學(xué)的發(fā)展[J]. 測(cè)繪通報(bào)， 2004(6): 40-42．

[24] 張維忠， 唐慧榮. 可視化教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)的五大原則[J]. 電化教育研究，2010(10): 99-102．

[25] 曹曉明. 可視化教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)研究[J]. 中國(guó)電化教育，2009(3): 16-19．

[26] 葉妙玲. 教學(xué)決策可視化模型的設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究[J]. 現(xiàn)代教育技術(shù)，2009(9): 31-36．

[27] 李 芒， 蔡旻君， 蔣科蔚， 等. 可視化教學(xué)設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用[J]. 電化教育研究，2013(3): 16-22．

[28] TONY B. Mind Map[M]. 北京: 中信出版社, 2009．

[29] 艾森克. 認(rèn)知心理學(xué)[M]. 上海: 華東師范大學(xué)出版社, 2009．

[30] 吳鵬飛， 余勝泉， 丁國(guó)柱， 等. 學(xué)習(xí)語(yǔ)義關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)構(gòu)建研究與實(shí)踐[J]. 電化教育研究， 2016(3): 78-85.

[31] 陳必坤， 趙蓉英. 學(xué)科知識(shí)可視化分析的理論研究[J]. 情報(bào)理論與實(shí)踐， 2015(11): 23-29．

[32] 苗 蕾. 地圖可視化中動(dòng)態(tài)與交互特性的認(rèn)知研究[D]. 武漢：武漢大學(xué), 2004．

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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41671377, 41501463，41201413)；華中師范大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)教育科學(xué)專項(xiàng)項(xiàng)目(CCNU16JYKX016)；華中師范大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)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