知识可视化视觉表征的形式分析

知识可视化视觉表征的形式分析

作者：赵慧臣 《现代教育技术》 2012年第2期

随着计算机技术不断发展和计算机图形学蓬勃提高，人们将可视化技术应用于数据的可视化中，通过分析数据，去探索规律、表达知识。“知识可视化是在科学计算可视化、数据可视化和信息可视化基础上发展起来的新兴研究领域，它应用视觉表征手段，促进群体知识的创造和传递。” 知识可视化价值实现有赖于它的视觉表征形式。尽管知识可视化的视觉表征形式丰富多样，但其设计应用却存在不少错误的设计观点和不恰当的应用方法，未能有效地应用于教育教学中。究其原因，“在知识可视化的环境中，人们的视觉经验与阅读行为在发生转向：由基于印刷文本的阅读逐渐转变为基于视觉图像的解读”。

“视觉信息具有可以理解的特定语法。”知识可视化的视觉表征以图形符号和文字符号作为信息载体，经过组合编码，形成符合语法结构的图形。知识可视化视觉表征并非孤立的单位符号，而是符号组成的系统和结构。在研究知识可视化视觉表征的符号结构时，只有分析符号相互作用而构成的形式才有意义。

一 知识可视化视觉表征形式分析的作用 1.知识可视化的视觉表征类型丰富多样、不断拓展

Eppler&Burldaard将知识可视化视觉表征概括为6种类型嗍：(1)启发式草图(Heuristic Sketches)，在小组间产生新的见解；(2)概念图表(Conceptual Diagrams)，结构化信息并展示其关系；(3)视觉隐喻(Visual Metaphors)，映射抽象数据使其易于理解；(4)知识动画(Knowledge Animations)，动态的、交互的可视化技术；(5)知识地图(Knowledge Maps)，结构化专家知识并提供导航；(6)科学图表(Scientific Charts)，可视化知识域。

Jonassen等人描述了各种各样的可视化方法，认为知识可视化视觉表征主要有：概念图(Concept

Map)、思维导图(MindMap)、认知地图(CognitiveMap)、语义网络(SemanticNetwork)和思维地图(Thinking Map)等。

20世纪90年代后，知识可视化视觉表征的优势被更多国外的学者关注，开发出了更多形式。如美国吉克萨斯基督教大学提出“知识地图”(Knowledge Maps)，Jonasse&fisher(2000)提出“语义网络”(Semantic Networks)以及Ackerman&Eden(2001)提出“认知地图”(CognitiveMaps)等。 随着各种知识可视化技术的发展，更多的视觉表征形式会被应用到知识可视化中来。知识可视化视觉表征类型在不断地发展中，其现有的数量或分类不会固定不变。虽然不少研究成果提及了知识可视化视觉表征的众多类型，但还没有包含所有的视觉表征类型，也不可能完全列举所有的视觉表征类型。

总体而言，知识可视化视觉表征的分类没有明确的标准，存在不同程度的相互包含和重叠现象。究其原因，已有研究没有明确界定知识可视化视觉表征的本质特征，导致视觉表征的外延处在不完全确定的状态之中。

2.形式分析：把握所有类型视觉表征的共性特征

为了更有效地利用各类知识可视化的视觉表征，有必要根据他们的相关性和不同点进行整合，剖析其共性。知识可视化学者Ralph Lengler和Martin Eppler(2005)依据各类视觉表征的相关性和不同点，进行“编号”、“上架”，形成“可视化周期表”，形象直观地揭示了不同类型视觉表征的联系和区别。可视化周期表揭示了不同类型视觉表征的联系和区别，有助于掌握视觉表征抽象的结构及性质等；不过却较多从不同类型视觉表征的联系区别入手，没有考虑到不同符号的组织方式和形成规则。 从研究范围上看，知识可视化视觉表征属于视觉文化的范畴。“视觉文化研究在理论上区别于以前针对如‘摄影’、‘影视’和‘多媒体’等具体和个别的视觉资源类型的研究，而是将研究对象提升到了‘形而上’的共相层面：将以图像符号为构成元素、以视知觉可以感知的样式为外在表现形态的文化统称为视觉文化。”同样，知识可视化视觉表征研究也区别于以前针对如“概念图”、“思维导图”

和“语义网”等具体和个别的视觉表征类型的研究，而是将研究对象提升到了“形而上”的共相层面：以视觉符号为构成元素和视知觉可以感知的符号结构为分析对象。

知识可视化视觉表征符号并非孤立的单位，而是相互依存的关系。“决定一个符号的意义的不是符号与对象之间的必然联系，而是符号与符号间的相对关系；所有的语言都是一种关系网络，语言符号借助于相互之间的关系而起作用。”单个视觉符号的存在是无意义的，其作用在于与其他的符号所构成的形式。因此，在对知识可视化的视觉表征符号考察中，只有将单一符号与其他符号组合起来构成形式才有意义。

形式是知识可视化视觉表征的本质，是决定视觉表征特征的关键。“形式”，一般解释为事物的形状、结构。

二 知识可视化视觉表征形式分析的方法

波兰美学家塔塔尔凯维奇指出，透过西方美学史的眼光来看“形式”至少拥有五种重大的涵义：“(1)各部分的组合；(2)事物的外貌；(3)边界或轮廓；(4)客观事物的观念性本质；(5)心理对知觉对象的规范”。

根据视觉形式分为表层形式和深层形式层次，知识可视化视觉表征的形式也可以分为表层形式和深层形式。视觉表征的表层形式指形状、色彩、肌理、点、线、面等材料因素；而深层形式则表现为和谐、对称、均衡和节奏等结构关系。两者凭借空间、方向和张力等一系列关系而有机结合起来，构成“有意味的形式”。

1.视觉表征的表层形式：线条、色彩和大小等材料因素

对于知识可视化视觉表征而言，它的表层形式包括线条、色彩和大小等许多材料因素。因此，只选取其中代表性的线条、色彩两种基本要素加以探讨。毕达哥拉斯首先将线作为世界万物的本源来看

待，认为万物是从线条中派生出来的。在知识可视化视觉表征中，线条具有直接性、灵活性和准确性的特点。线条在表达变化的生动形象时更加自如灵活，捕捉思想感受时更加快速简洁。因此，线条注重主观体验对自然形象的本质反映，是理性与感性的碰撞和交响。

而“色彩是光照射下的不同性质的物体，经过不同程度的吸收，而反射到视觉上所呈现出来的一种复杂现象。色彩是一种自然现象，也是一种物化现象，更是一种视觉现象。”在知识可视化视觉表征中，色彩元素具有情感表现性。另外，色彩元素还具有空间造型能力。色彩之所以造型，一方面是由于色彩本身的性质，另一方面来自于人的视觉对色彩的建构作用。

2.视觉表征的深层形式：空间关系和“力”等结构关系

视觉作品的深层形式指诸多要素之间的联系、组织和展现的方式和状态。“对于知识可视化视觉表征而言，它的深层形式主要表现在空间关系和空间中的“力”方面。 (1)空间关系：视觉表征深层形式的基本特征

视觉表征的空间关系具有“关联性”特征。知识可视化视觉表征的空间关系“就是将一切素材组织起来，构成一种逻辑关联体。部分与部分、部分与整体之间构成一种内在的呼应、反衬、交融和渗透，从而形成特定的关系效果，呈现出形式的美感”。在知识可视化的视觉表征中，“一切形式要素(形、色)都应该纳入关系中进行考察，其存在的意义也只有在‘关系’中才能体现出来。”

视觉表征的空间关系具有“虚幻性”特征。单个的视觉表征符号无法构成真正意义的形式，孤立的线条或色彩并不能完成复杂的感情传递和内容表达。对于知识可视化视觉表征而言，在知识可视化视觉表征中，线条、色彩等要素以某种方式组成有意味的形式，更好地引导人们获得知识内容和激起审美情感。

(2)空间的“力”：促进视觉表征表层形式向深层形式转化

除空间关系外，空间中的“力”也是知识可视化视觉表征的重要深层形式。空间关系并非自然形

成的，单个的物质是分散、独立的。若想将它们有机地结合在一起，就需要空间中的“力”。“视觉式样实际上是一个力场，一切视觉式样都是一个力的式样，而这种力包含在物理和心理的两个层面中。” 知识可视化视觉表征空间关系中的“力”将表层形式与深层形式联系起来的即将表层形式在深层的空间关系中组织起来，最终促进平衡、对称和节奏等深层形式的形成。

三 知识可视化视觉表征形式分析的内容

无论内部结构的繁简和指代内容的多寡，知识可视化视觉表征总表现为各种各样的符号。不管认知主体对视觉表征符号的理解有什么不同，但视觉表征本身仍只是各类符号的组织。作为符号系统，知识可视化视觉表征的符号相互依存而构成有意味的形式。其中，知识可视化视觉表征的表层形式主要包括线条、色彩和大小等材料因素，深层形式主要包括空间关系和空间的“力”等结构关系。 1.视觉结构的材料因素：线条、色彩和大小等

知识可视化结构视觉表征的表层形式以点、线、面为物质基础，并结合线条、色彩、大小和位置等相关物质属性，成为深层形式赖以寄托的介质。色彩能把事物的性质和形状再现出来，并加强有联系事物之间的区别。“色彩的抽象性，主要展示色彩明显的边界线，不同色彩的接触，也能反映它们之间的共同关系。”

例如，具有色彩译码的图表是类似图画的术语表，在教室中被用来定义生疏或者科技词汇，比一个词汇列表要有用得多。在色彩译码的图表中，它的关键特征简化了主题，不同色彩用来识别主题的不同部分。

2.视觉表征的结构关系：空间关系和空间的“力”

(1)视觉表征的空间关系：线性、循环、圆形、网状等结构以及隐喻形式

知识可视化视觉表征的空间关系指视觉符号是如何被组织而形成结构图式，反应的是某类视觉表征的结构特征。知识可视化视觉表征的空间关系主要有线性结构、循环结构、网状结构、圆形结构和

隐喻形式等。

线性结构的视觉表征“用来说明历史事件或年代的时间线索，事物的度量(重量)、意义之间的细微差别或等级量表。关键问题有：起点是什么?终点是什么?关键事件发生在哪里?目前正处于什么等级?”线性结构的视觉表征主要包括流程图、层级图、箭形图和梯形图等，一般用以表现事物的顺序流程、因果关系或者未来趋势。

循环结构的视觉表征可以表现事物的发展步骤和互动关系，包括螺旋图、环形图和带状图等。循环结构的视觉表征“用来表示事物的循环变化，如天气的变化、食物链、人生的周期等。关键问题有：在循环中关键的事件是什么?每个阶段是什么?它们是怎样相关的?它们是通过怎样的方式自我增强的?”

网状结构的视觉表征涉及较为复杂的思维过程，能够表现事件的结构、概念间的相互关系及多因素的互动等，主要包括蛛网图、思维地图和放射图等。网状结构的视觉表征“具有以下四个基本特征：注意的焦点集中在中央图形上；主题的主干作为分支从中央图形向四周放射；分支由一个关键的图形或写在产生联想的线条上面的关键字构成；各分支成一个连接的接点结构。关键的问题：这个内容的中心观点是什么?包含了哪些分支的观点?观点之间有什么联系?各观点的解释信息是什么?” 圆形与周而复始的循环联系在一起，象征着无始无终的永恒。圆形结构的视觉表征包括拼板图、嵌入图、相交圆、同心圆、分割图等，用来表现事物间的交互、比较、对比、包含等关系。 (2)视觉表征的空间“力”：以平衡为例

对知识可视化视觉表征来说，“从表层形式到深层形式的过渡，并非静态的，而是一个动态的过程，而促使其转换的媒介和中间环节就是‘力’。”知识可视化视觉表征中，“深层形式中的空间结构关系、力以及结晶而成的对称、均衡等形式美原则并非截然区分的，它们在一个视觉形式中纠结在一起，共同发挥着作用”。

例如，知识可视化视觉表征必须满足平衡的样态。“一件平衡的构图，形状、方向、位置诸因素

之间的关系，都达到了如此确定的程度，以至于不允许这些因素有任何细微的改变。在这种情况下，整体所具有的那种必然性特征，也就算可以在它的每一个组成成分中呈现出来了。一件不平衡的构图，看上去则是偶然的和短暂的，因此也是病弱的。”

知识可视化视觉表征的平衡受到重力因素的影响。重力受形状的大小、色彩影响。一般来说，规则的形状其重力就比不规则的形状重力要大些，边缘清晰的形状比边缘模糊的形状重力大。就色彩来说，不同种类的色彩和不同明度、纯度的色彩的重力都是不同的。

在知识可视化视觉表征形式中，空间中不同的“力”相互支持和抵消，形成了整体的平衡。正如格式塔心理学所认为：“一个观察者视觉方面的反应，应该被看做是大脑皮层中生理力追求平衡状态所造成的一种心理上的对应性经验。”

四 知识可视化视觉表征形式的设计策略

知识可视化视觉表征的表层形式为符号的形状、色彩、点、线和面等构成要素；深层形式和谐、均衡、对比和节奏等结构关系。其中，深层形式的结构关系作为视觉表征的内容性元素，而表层形式的符号大小、颜色等材料因素则体现视觉表征的修饰性作用。两个方面共同作用，有机地组合起来，形成有意义的视觉表征形式。例如，维恩图可以用来比较概念意义的相似性和差异性。其中，它的圆形结构为内容性元素，呈现知识内容的关系；而圆形的大小、线条和色彩等则作为装饰性元素，支持圆形结构的形成。

1.构建视觉表征的结构关系，展现内容性元素

在人们观看事物的过程中，“视觉不是对元素的机械复制，而是对有意义的整体结构式样的把握。”对于知识可视化视觉表征而言，“除非形象被组织成极为简约的形式，并且使形式与形式之间的关系极为清晰，否则心灵就无法把握它，捕捉它，它就仍然只能是一种不能为人领悟的个别的东西。” 知识可视化视觉表征往往并忽略某些细节，能够简化和归纳某个主题，可以展示主题的结构。在知识可视化视觉表征的视觉传播中，“所谓视觉，实际上就是通过创造一种与刺激材料的性质相对应

的一般形式结构，来感知眼前的原始材料的活动。这个一般的形式结构不仅能代表眼前的个别事物，而且能代表与这一个别事物相类似的无限多个其他的个别事物。”

知识可视化视觉表征的符号结构可以单独组织成最简化的，也可以用尽可能少的结构特征把复杂的材料组织成有秩序的整体。正如美国视觉心理学家阿恩海姆对简单结构的解释：“在一种绝对意义上，当一个物体仅包含很少几个结构特征时，它便是简化的；在一种相对意义上说，如果一个物体用尽可能少的结构特征把复杂的材料组织成有秩序的整体时，我们说这个物体是简化的。”

知识可视化视觉表征将抽象概念运用非模仿性的线条图形再现，以形式表达事物的组织结构。知识可视化视觉表征具有结构相似的特点，便于与学习者原有的知识结构产生联系。在知识可视化视觉表征应用中，可以通过视觉表征的结构使学习者明晰新知识在认知结构中的位置，明晰新旧知识之间的关系，以帮助建立新旧知识之间的联系。例如，在叙述中，用时间线回忆关键事件；在解说中，用流程图去理清顺序；在程序中，使流程图，恰当组织各个步骤的位置和顺序；在辩论中，用流程图让所有推论放在最佳的次序上。

2.应用线条、色彩和大小等材料因素，发挥修饰性作用

人们理解知识可视化视觉表征并非是单纯的被动行为，而是不断建构的过程。由于环境、文化的差异，学习者对视觉表征的解读也不尽相同。犹如面对一个模糊的景色，观者的注意力总是放在他们喜欢的东西上。例如，“图一底”关系就是以视觉中心变换而改变的形式与背景之间的关系。观看者同一时间只能把某一部分从背景的“底”中分辨出来，但是判断哪一部分作为背景，哪一部分作为凸现的图却不是绝对的。

为此，知识可视化视觉表征的形式设计必须明确地表现最需要传达给观者的内容，而淡化处理作为背景的其他元素。设计知识可视化视觉表征的形式时，应该关注修饰性元素，以促进视觉表征结构的形成。例如，使用符号的大小，来表现事物之间的关系、突出所要表达的主要内容；通过选择事物典型的外部形状，促进人的认知与联想；通过使用颜色的差异，来体现各种不同的关系或是突出所要表现的重点等。

知识可视化视觉表征的形式设计除了关注大小、颜色、形状等装饰性因素外，还需要遵循传统经验。例如，统一性原则(即使用同样的结构来表达特定的内容，以便于学习者识别)、重复性原则(即对于需要强调的内容，可以多次使用，以促进学习者理解)、对比性原则(即通过对比的手段，突出事物之间的区别与联系，促进学习者对事物特征的把握)和空间性原则(使用空间上的远近前后等，表现事物之间的关系)等。

例如，知识可视化视觉表征的形式设计时，应该“考虑箭头，带标签的线。连线表示两个内容之间的意义联系，连接可以没有方向，也可以单向或双向。连接词是置于连线上的两个概念之间形成命题的联系词，如‘是’、‘包含’、‘表示’等。在设计图解的时候，要考虑箭头的数量与方向，不可杂乱无章。”

3.文字符号与视觉形式结合，明晰所指代的内容

“有意义的符号在社会文化交际中都不是孤立的，都要在聚合关系上，或在作为潜势的意义上，形成一个个符号系统，来与其可表达的意义系统形成对应关系或体现关系。”对于视觉文化传播来说，“‘视觉文化’并非是指与‘语言’毫无关联的由纯’视觉形象’构成的文化，而是具有由‘语言’和‘形象’所共同组成的形态特征。”

因此，对于知识可视化视觉表征而言，“‘看’和‘形象’均不是开业脱离‘语言’而独立存在的，它们的发展也无法脱离‘语言文化’这一历史语境而成为一个自足的封闭过程，而是伴随着‘语言’的参与，才可能走向更高的境界。”在知识可视化视觉表征中，文字与图形两种符号互为补充。观看者所看到的并非文字与图形的简单叠加，而是超越于两者之上的新认识。

另外，知识可视化视觉表征形式又存在着某些缺陷，需要与文字符号结合才能弥补。文字符号的意义来源于严格的规定。学习者只要没有语法上的障碍，往往可以较为明晰、准确地解读文字符号认识。而人对于视觉表征的解读却是选择、建构的过程。受观看者主观经验及认知能力的影响很大，与实际的意义容易产生偏差。因此，知识可视化视觉表征需要使用文字符号，进一步确定与明晰所指代

的内容，达到准确传播知识的目的。

可见，知识可视化视觉表征中，图形因素只有与文字因素的关系中才更具有意义。因此，只有充分发挥文字符号与视觉形式各自的优势，通过两者有效的互补，形成恰当的配和，才能更好发挥视觉表征促进知识传播创新的目的。