基于可視化技術(shù)的知識(shí)構(gòu)建研究

基于可視化技術(shù)的知識(shí)構(gòu)建研究

知識(shí)構(gòu)建的目的是讓知識(shí)易于理解和吸收[1]，從信息構(gòu)建邁向知識(shí)構(gòu)建的關(guān)鍵在于建立智能交互環(huán)境——讓人類在信息系統(tǒng)中相互影響，提供將信息轉(zhuǎn)化為知識(shí)的工具和方法[2]?？梢暬夹g(shù)能夠豐富信息和知識(shí)的表示方式，表達(dá)文字難以描述的復(fù)雜結(jié)構(gòu)；同時(shí)，可視化技術(shù)能夠促進(jìn)知識(shí)的理解與吸收，改善知識(shí)學(xué)習(xí)效果[3]。因此，可視化技術(shù)能夠提供直觀的人機(jī)交互環(huán)境，促進(jìn)人類之間的溝通，滿足從信息向知識(shí)轉(zhuǎn)化的需要，支撐知識(shí)構(gòu)建的實(shí)現(xiàn)。1基于可視化技術(shù)的知識(shí)構(gòu)建策略基于可視化技術(shù)的知識(shí)構(gòu)建是利用可視化技術(shù)設(shè)計(jì)直觀便捷的導(dǎo)航機(jī)制幫助知識(shí)用戶獲取和組織知識(shí)資源，并利用可視化技術(shù)協(xié)助完成知識(shí)的意義建構(gòu)，其策略如圖1所示。知識(shí)用戶利用智能交互平臺(tái)獲取、處理、組織、檢索和利用知識(shí)庫(kù)資源，具體過(guò)程如下：首先，知識(shí)用戶根據(jù)學(xué)習(xí)或工作需要，形成獲取和學(xué)習(xí)知識(shí)的意愿，制訂目標(biāo)和計(jì)劃，確定所需知識(shí)資源的主題、范圍以及獲取方式；接著，知識(shí)用戶利用知識(shí)導(dǎo)航機(jī)制從知識(shí)庫(kù)中采集所需知識(shí)資源；然后，知識(shí)用戶對(duì)收集到的知識(shí)資源進(jìn)行理解和吸收，并進(jìn)行分類、標(biāo)引或其他處理，在此過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)缺少某方面的知識(shí)資源則及時(shí)從知識(shí)庫(kù)中采集補(bǔ)充；最后，知識(shí)用戶借助知識(shí)建構(gòu)工具完成對(duì)知識(shí)的吸收，在此過(guò)程中需要知識(shí)用戶之間的溝通和協(xié)作，通過(guò)反復(fù)評(píng)價(jià)確定最終圖形。圖1基于可視化技術(shù)的知識(shí)構(gòu)建策略可視化技術(shù)在整個(gè)過(guò)程中作用體現(xiàn)在以下5個(gè)方面：1)定位知識(shí)資源?？梢暬夹g(shù)能夠揭示知識(shí)庫(kù)中復(fù)雜的結(jié)構(gòu)關(guān)系，展示查詢擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)關(guān)系，將與查詢相關(guān)的知識(shí)文檔的相關(guān)度直觀地顯示出來(lái)，能夠推薦相關(guān)的知識(shí)資源，為知識(shí)資源定位提供多種快捷、直觀的入口和途徑。2)識(shí)別隱藏模式?？梢暬夹g(shù)提供了觀察數(shù)據(jù)的多種視圖，包括修剪、檢索、過(guò)濾、縮放等。修剪是將數(shù)據(jù)集合中的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改或刪除；檢索是指通過(guò)檢索的方式定位數(shù)據(jù)源、中間結(jié)果或結(jié)果數(shù)據(jù)中的某些數(shù)據(jù)元素或集合；過(guò)濾是通過(guò)設(shè)定參數(shù)去除不符合要求的數(shù)據(jù)；縮放是為用戶提供多比例縮放、放大／縮小、導(dǎo)航／細(xì)節(jié)等功能。豐富的數(shù)據(jù)觀察方式便于識(shí)別隱藏模式。3)組織復(fù)雜結(jié)構(gòu)。利用可視化技術(shù)可以組織復(fù)雜的知識(shí)結(jié)構(gòu)，在一幅圖片中能夠描述大量的知識(shí)內(nèi)容以及知識(shí)內(nèi)容之間的關(guān)系；同時(shí)，通過(guò)圖形的鏈接功能還可以關(guān)聯(lián)與知識(shí)節(jié)點(diǎn)相關(guān)的知識(shí)資源，為用戶認(rèn)知模式的形成提供豐富的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源。4)促進(jìn)用戶協(xié)作?？梢暬夹g(shù)為用戶之間的協(xié)作提供了簡(jiǎn)捷、高效的交流平臺(tái)，充分利用了人類發(fā)散性思維和形象思維的優(yōu)勢(shì)，刺激人員提出更多的觀點(diǎn)；同時(shí)，能夠更為全面地揭示人員之間的認(rèn)知差異，消除知識(shí)表示中的誤解和曲解。5)改善用戶體驗(yàn)。用戶體驗(yàn)是各種信息、知識(shí)進(jìn)入大腦之后，用戶通過(guò)自我感知得到的內(nèi)在評(píng)估?？梢暬夹g(shù)綜合考慮任務(wù)需求、操作習(xí)慣、認(rèn)知需要、健康需要和情感需要等因素，設(shè)計(jì)知識(shí)導(dǎo)航機(jī)制，能夠改善用戶利用知識(shí)資源的體驗(yàn)效果。2知識(shí)導(dǎo)航機(jī)制的設(shè)計(jì)2.1知識(shí)結(jié)構(gòu)導(dǎo)航知識(shí)結(jié)構(gòu)導(dǎo)航是利用某一領(lǐng)域、某一組織或關(guān)于某一主題的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系提供導(dǎo)航，并將知識(shí)結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)與相應(yīng)的知識(shí)資源關(guān)聯(lián)起來(lái)，以讓用戶通過(guò)知識(shí)結(jié)構(gòu)定位知識(shí)資源。常用的知識(shí)結(jié)構(gòu)導(dǎo)航工具包括領(lǐng)域本體、專業(yè)敘詞表、知識(shí)分類表、知識(shí)地圖、領(lǐng)域思維導(dǎo)圖、個(gè)人思維導(dǎo)圖等。知識(shí)結(jié)構(gòu)導(dǎo)航可以分為領(lǐng)域知識(shí)結(jié)構(gòu)導(dǎo)航和個(gè)人知識(shí)結(jié)構(gòu)導(dǎo)航，前者由相關(guān)領(lǐng)域的專家合作完成，反映特定領(lǐng)域的知識(shí)藍(lán)圖，為知識(shí)用戶提供總體概貌和詳細(xì)結(jié)構(gòu)；后者由知識(shí)用戶根據(jù)自己的理解建構(gòu)的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系，反映的是個(gè)人對(duì)特定領(lǐng)域的理解模式，如在LEO平臺(tái)中，知識(shí)用戶在制作概念圖時(shí)，可以利用鏈接功能導(dǎo)航知識(shí)資源[4]，如圖2所示。圖2LEO界面2.2知識(shí)資源導(dǎo)航知識(shí)資源導(dǎo)航是從知識(shí)資源本身出發(fā)，建立它們之間的關(guān)聯(lián)或?qū)⒛骋毁Y源以可視化方式呈現(xiàn)出來(lái)，便于用戶定位知識(shí)資源。常見(jiàn)的知識(shí)資源導(dǎo)航工具包括文獻(xiàn)地圖、文獻(xiàn)聚類圖、文獻(xiàn)時(shí)間分布圖、文獻(xiàn)內(nèi)容直方圖、書(shū)架隱喻、教材隱喻、報(bào)紙隱喻等。知識(shí)資源導(dǎo)航可以分為知識(shí)資源集合導(dǎo)航和知識(shí)資源個(gè)體導(dǎo)航，前者選擇一定的知識(shí)資源集合作為可視化映射的來(lái)源，反映的是知識(shí)資源集合中元素之間的關(guān)系，如在文獻(xiàn)地圖中，關(guān)聯(lián)度強(qiáng)的文獻(xiàn)聚集在一起，每個(gè)矩形代表一篇文獻(xiàn)，單擊矩形則顯示相應(yīng)文獻(xiàn)的基本信息[5]，如圖3所示。后者選擇某一知識(shí)資源作為可視化映射的來(lái)源，反映的是單一知識(shí)資源內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，如教材隱喻。圖3文獻(xiàn)地圖2.3知識(shí)推薦導(dǎo)航知識(shí)推薦導(dǎo)航是根據(jù)知識(shí)用戶的知識(shí)需求、學(xué)習(xí)興趣和知識(shí)水平為其推薦相關(guān)知識(shí)資源。常見(jiàn)的知識(shí)推薦方法包括相關(guān)資源推薦、相關(guān)詞匯推薦、知識(shí)點(diǎn)推薦等。相關(guān)資源推薦是在用戶訪問(wèn)特定知識(shí)資源時(shí)給出與其相關(guān)的知識(shí)資源；相關(guān)詞匯推薦是根據(jù)用戶提供的檢索詞進(jìn)行擴(kuò)展，給出與其相關(guān)的詞匯列表；知識(shí)點(diǎn)推薦是根據(jù)用戶的學(xué)習(xí)狀態(tài)，推薦其下一步學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)。NaxExADVISE平臺(tái)為程序?qū)嵗龑W(xué)習(xí)提供的推薦機(jī)制，如圖4所示[6]。圖4中每個(gè)矩形代表一個(gè)程序?qū)嵗?，?shí)例之間的距離揭示它們之間的相似度，距離越近越相似，距離由實(shí)例中的程序概念集合計(jì)算得到。叉叉表示缺少預(yù)備知識(shí)難以進(jìn)行學(xué)習(xí)；圓圈表示可以學(xué)習(xí)相應(yīng)程序?qū)嵗?，圓圈飽和度表示用戶的進(jìn)度，為空時(shí)表示該實(shí)例是全新的但可以開(kāi)始學(xué)習(xí)；圖標(biāo)和飽和度由用戶學(xué)習(xí)歷史確定。圖4NaxExADVISE平臺(tái)的推薦界面3知識(shí)建構(gòu)工具的設(shè)計(jì)知識(shí)建構(gòu)是對(duì)外部知識(shí)資源進(jìn)行主動(dòng)選擇、加工和處理，從而獲得理解的意義的過(guò)程。該過(guò)程不是簡(jiǎn)單的信息積累，而是新舊知識(shí)經(jīng)驗(yàn)產(chǎn)生沖突，以及由此而引發(fā)的認(rèn)知結(jié)構(gòu)重組，是新舊知識(shí)之間雙向的相互作用過(guò)程，如圖5所示。新知識(shí)促成的認(rèn)知結(jié)構(gòu)變化可以分為同化和異化兩類。同化是將新知識(shí)整合到已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，僅在原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)上進(jìn)行添加處理。異化是打破已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，進(jìn)行修改或刪除處理，或者在原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中添加一個(gè)全新的認(rèn)知模式?？梢灾沃R(shí)建構(gòu)的可視化工具包括概念圖、認(rèn)知地圖、思維導(dǎo)圖、視覺(jué)隱喻等。根據(jù)互動(dòng)渠道的不同，可以將知識(shí)建構(gòu)分為當(dāng)面互動(dòng)和在線協(xié)作兩種模式。圖5知識(shí)建構(gòu)過(guò)程3.1當(dāng)面互動(dòng)模式當(dāng)面互動(dòng)模式是知識(shí)用戶以座談會(huì)的形式借助圖形繪制工具完成知識(shí)建構(gòu)。當(dāng)面互動(dòng)模式中，圖形繪制工具常常由一人操控，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于以下兩個(gè)方面：一是繪制的圖形應(yīng)適合于投影儀或交互白板的呈現(xiàn)，能夠滿足多人同時(shí)觀看、一人單獨(dú)操作的溝通需要。二是跟蹤并記錄最終圖形的生成過(guò)程，能夠滿足圖形更新迅速、知識(shí)評(píng)價(jià)及時(shí)的操作需要，讓參與用戶能夠了解知識(shí)建構(gòu)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。3.2在線協(xié)作模式在線協(xié)作模式是知識(shí)用戶借助在線交流工具和圖形繪制工具完成知識(shí)建構(gòu)，即在虛擬環(huán)境中進(jìn)行。在線協(xié)作模式的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于以下3個(gè)方面：一是繪制的圖形應(yīng)適合于Web形式發(fā)布和呈現(xiàn)，能夠滿足及時(shí)更新的需要。二是圖形繪制工具應(yīng)盡量輕型化，不需要過(guò)多的修飾處理，避免在客戶端上安裝復(fù)雜的程序。三是圖形繪制和在線交流兩項(xiàng)功能應(yīng)盡量整合在一起，可以以圖形繪制工具為主嵌入在線交流功能，也可以以在線交流工具為主嵌入圖形繪制功能，當(dāng)然也可以直接開(kāi)發(fā)兩項(xiàng)并具的新工具。4智能交互平臺(tái)的建設(shè)4.1智能交互平臺(tái)建設(shè)的前提和功能1)豐富的知識(shí)源。豐富的知識(shí)源是智能交互平臺(tái)建設(shè)的前提，必須從廣泛的知識(shí)源中采集知識(shí)資源。搜索引擎是獲取知識(shí)資源的重要途徑，行業(yè)搜索引擎的不斷推出提供了更為準(zhǔn)確和合適的知識(shí)資源；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)字圖書(shū)館、學(xué)科知識(shí)門戶的建設(shè)使得人們更為方便地獲取知識(shí)資源。2)便捷的操作。操作的便捷性主要體現(xiàn)在局部細(xì)節(jié)與全局結(jié)構(gòu)之間的切換，以及各種動(dòng)作選擇兩個(gè)方面。全局結(jié)構(gòu)是指整個(gè)知識(shí)體系的映射方案，當(dāng)知識(shí)體系的規(guī)模較小、能夠在同一個(gè)屏幕上顯示時(shí)，直接將所有局部細(xì)節(jié)按照一定順序排列即可。而當(dāng)知識(shí)體系達(dá)到一定規(guī)模，不能在同一屏幕上顯示時(shí)，則需要提供相應(yīng)機(jī)制。例如，概念圖制作工具常常提供兩種機(jī)制：一是將較大的概念圖分割，并通過(guò)鏈接方式實(shí)現(xiàn)概念圖之間的切換。二是提供導(dǎo)航地圖，通過(guò)導(dǎo)航地圖用戶能夠迅速定位自己所瀏覽的位置。動(dòng)作選擇是指為用戶提供的操作功能，不同的操作應(yīng)采用合適的機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括按鈕、面板、選項(xiàng)卡、滑塊，鼠標(biāo)操作（單擊、右擊、雙擊、拖動(dòng)），快捷鍵等。3)個(gè)性化的定制。個(gè)性化定制不僅包括用戶界面的個(gè)性化定制，還包括知識(shí)需求和知識(shí)收藏的個(gè)性化定制。知識(shí)需求的個(gè)性化定制是讓用戶填寫相應(yīng)的需求文檔，平臺(tái)自動(dòng)地將相關(guān)知識(shí)推薦給用戶。知識(shí)收藏的個(gè)性化定制是能夠讓用戶根據(jù)自己的需要收集所關(guān)注的知識(shí)資源，并能夠按照自己的思路進(jìn)行管理，完成添加、刪除、修改操作。4)多樣化的協(xié)作。智能交互平臺(tái)應(yīng)提供多樣化的協(xié)作機(jī)制以滿足溝通交流的需要。協(xié)作機(jī)制分為兩個(gè)方面：一是相關(guān)人員之間的溝通，即提供相關(guān)人員之間進(jìn)行溝通的工具，包括即時(shí)通信、BBS、Blog等，以使相關(guān)人員能針對(duì)相關(guān)問(wèn)題、任務(wù)和想法進(jìn)行即時(shí)溝通。二是相關(guān)工具的同步功能，例如，在多個(gè)人共同完成一幅概念圖的繪制時(shí)，該圖常常同時(shí)被多個(gè)人請(qǐng)求修改和占有，就需要一定的機(jī)制來(lái)保證概念圖的版本一致性。5)智能化的處理。智能交互平臺(tái)應(yīng)具有一定的智能化處理能力，滿足相關(guān)知識(shí)處理的需要。應(yīng)包括以下功能：知識(shí)點(diǎn)記憶功能、高效檢索功能、自動(dòng)聯(lián)想功能、錯(cuò)誤提示功能、統(tǒng)計(jì)分析功能等。4.2體系框架智能交互平臺(tái)的體系框架包括數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層以及界面層，如圖6所示。1)數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層包括知識(shí)庫(kù)和繪制視覺(jué)對(duì)象庫(kù)。知識(shí)庫(kù)用以保存各種知識(shí)資源；繪制視覺(jué)對(duì)象庫(kù)保存用戶在知識(shí)建構(gòu)過(guò)程中繪制的各種可視化對(duì)象，如概念圖、認(rèn)知地圖、思維導(dǎo)圖等。2)應(yīng)用層。應(yīng)用層包括資源管理、展示算法庫(kù)、圖形繪制以及交流工具4個(gè)模塊。資源管理為用戶提供檢索和利用知識(shí)資源的各種工具，包括資源導(dǎo)航工具、資源檢索工具、自動(dòng)摘要生成、資源存取通道、資源收藏功能等。展示算法庫(kù)是為可視化對(duì)象的布局和優(yōu)化提供算法，包括HyperTree、TreeMap、直方圖、餅圖、力導(dǎo)向算法以及尋徑網(wǎng)絡(luò)算法等。圖形繪制模塊由處理視覺(jué)對(duì)象的一組操作組成，包括添加、修改、刪除視覺(jué)對(duì)象，以及為視覺(jué)對(duì)象添加、修改、刪除視覺(jué)屬性。交流工具是為用戶在線協(xié)作和交流提供工具，包括消息傳遞功能、聊天室工具、自由討論區(qū)、Blog、Email等。圖6智能交互平臺(tái)的體系框架3)界面層。界面層是用戶通過(guò)Web瀏覽器、WAP瀏覽器進(jìn)行操作的接口，實(shí)現(xiàn)用戶操作的簡(jiǎn)單化