【發(fā)表說(shuō)明】
知識(shí)可視化，在國(guó)外是老生常談了，
但在國(guó)內(nèi)，還是新鮮事物，
而且往往不受重視。
似乎老師們還醉心于如何“用嘴講”課，
而不是充分運(yùn)用最高效的視覺(jué)手段。。。
不過(guò)，最近的自然科學(xué)基金中
將“知識(shí)可視化”列為教育技術(shù)的一個(gè)方向，
在科研領(lǐng)域總算是有個(gè)名頭了。
最近，確實(shí)也有不少老師找我探討知識(shí)可視化的相關(guān)問(wèn)題。
正巧，王玨老師曾經(jīng)發(fā)表過(guò)一篇論文，
里面有很多我自己對(duì)知識(shí)可視化理論、原理、方法的解讀，
希望對(duì)廣大關(guān)心“知識(shí)可視化”領(lǐng)域的老師能提供些許幫助！
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摘 要：運(yùn)用可視化的方法表征知識(shí)，往往比純語(yǔ)義化的方法表征知識(shí)要更高效、更容易理解。該文運(yùn)用大腦分區(qū)圖、腦的語(yǔ)義地圖、雙重編碼理論等腦科學(xué)、心理學(xué)的研究成果，解析其背后的原理，并給出一些運(yùn)用可視化方法提升知識(shí)表征效果的具體教學(xué)案例。
關(guān)鍵詞：知識(shí)可視化；理解；腦科學(xué)原理
引言
教學(xué)，離不開(kāi)老師的語(yǔ)言和教材中的文字、公式與符號(hào)。但是，幾乎所有老師都知道：?jiǎn)渭円揽空Z(yǔ)言、文字、符號(hào)，往往很難幫助學(xué)習(xí)者理解知識(shí)。而有經(jīng)驗(yàn)的教師經(jīng)常會(huì)采取呈現(xiàn)場(chǎng)景、可視化圖表或動(dòng)圖等方法——也就是“知識(shí)可視化”的方法幫助學(xué)習(xí)者理解教學(xué)的內(nèi)容。
“知識(shí)可視化”是一個(gè)新興的領(lǐng)域，也是教育技術(shù)研究的一個(gè)新興方向。Eppler, M.J. & Burkard, R.A.（2004）認(rèn)為：知識(shí)可視化(KnowledgeVisualization)是一個(gè)在科學(xué)計(jì)算可視化、數(shù)據(jù)可視化、信息可視化基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新興研究領(lǐng)域，它充分應(yīng)用圖解等視覺(jué)表征手段，以幫助他人正確地重構(gòu)、記憶和應(yīng)用這些知識(shí)[1]。與“可視化”知識(shí)表征形式相對(duì)應(yīng)的，是“語(yǔ)義化”知識(shí)表征形式，即 “語(yǔ)義信息”。用語(yǔ)言、文字、符號(hào)等形式表達(dá)的信息，統(tǒng)稱(chēng)為“語(yǔ)義信息”。
人類(lèi)在理解語(yǔ)義信息時(shí)，視覺(jué)處于一個(gè)非常特殊的地位。實(shí)踐表明，大多數(shù)知識(shí)都可通過(guò)“可視化”形式進(jìn)行表征，知識(shí)“可視化”可以高效地傳遞信息、促進(jìn)理解、降低認(rèn)知負(fù)荷、提升教學(xué)效果。
本文采用近年來(lái)飛速發(fā)展的腦科學(xué)和學(xué)習(xí)科學(xué)理論，結(jié)合認(rèn)知心理學(xué)原理，對(duì)“知識(shí)可視化”為什么能有效提升教學(xué)效果的原理進(jìn)行闡釋。
1 “知識(shí)可視化”有效促進(jìn)理解的腦科學(xué)原理解析
1.1 對(duì)語(yǔ)言的理解，取決于腦中“非語(yǔ)言”的部分
人腦是一個(gè)非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，總體上可分為額葉、顳葉、頂葉、枕葉四大功能區(qū)。這四大功能區(qū)具有不同的功能，如圖1所示。
圖1 人腦結(jié)構(gòu)之四大功能區(qū)
語(yǔ)言理解功能由位于顳葉的語(yǔ)言理解中樞（威爾尼克區(qū)）主管。最新的腦科學(xué)研究表明，當(dāng)語(yǔ)言理解中樞從聲音中解析出語(yǔ)言（詞匯）后，大腦中與該語(yǔ)言（詞匯）相對(duì)應(yīng)的部分就會(huì)被激活。
美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校神經(jīng)科學(xué)家 Jack Gallant等人在2016年發(fā)表于《Nature》的一篇論文中，繪制出了一幅大腦的“語(yǔ)義地圖”（如圖2所示），從中可以清晰地看到不同語(yǔ)言（詞匯）在大腦中所對(duì)應(yīng)的反應(yīng)區(qū)域[2]。
圖2 大腦聽(tīng)到不同語(yǔ)言（詞匯）時(shí)的反應(yīng)區(qū)域
圖2揭示：在腦進(jìn)行語(yǔ)言理解時(shí)，整個(gè)腦的各個(gè)區(qū)域幾乎都被激活了起來(lái)。
為什么人類(lèi)聽(tīng)到一個(gè)詞匯，某些特定的區(qū)域會(huì)被激活呢？俄國(guó)生理學(xué)家巴甫洛夫（Ivan Pavlov）的“條件反射”原理可以解釋這一點(diǎn)。巴甫洛夫通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)得出了這樣一個(gè)結(jié)論：語(yǔ)言理解是一種條件反射，被稱(chēng)為“第二信號(hào)系統(tǒng)”，它是在第一信號(hào)系統(tǒng)（本能的刺激-反應(yīng)）的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的[3]。
根據(jù)條件反射的原理，位于大腦顳葉的語(yǔ)言理解中樞（威爾尼克區(qū)），在初次聽(tīng)到一個(gè)詞匯時(shí)，如果腦中的某個(gè)（或某些）特定區(qū)域也同時(shí)被激活，該詞匯和這個(gè)特定腦區(qū)的聯(lián)接就初步建立起來(lái)了。當(dāng)然，這一聯(lián)接在剛開(kāi)始時(shí)是不穩(wěn)固的，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)遺忘、或者與其它聯(lián)接相混淆等情形。在經(jīng)過(guò)一定的強(qiáng)化后，大腦再聽(tīng)到這個(gè)詞匯時(shí)，大腦中的相應(yīng)區(qū)域就會(huì)被自動(dòng)激活，“條件反射”就這樣形成了。這就是“理解”的本質(zhì)：理解，就是在大腦內(nèi)部不同區(qū)域之間創(chuàng)建聯(lián)接的過(guò)程。
上述研究成果揭示了一個(gè)基本的事實(shí)：大腦對(duì)于語(yǔ)言的理解，取決于大腦中所存儲(chǔ)的與該語(yǔ)言相關(guān)聯(lián)的“非語(yǔ)言”信息！這個(gè)“非語(yǔ)言”信息既可以是視覺(jué)信息（包括“想象”出來(lái)的場(chǎng)景）、空間信息，也可以是一連串復(fù)雜的動(dòng)作程序，甚至可以是情感信息。
以上腦科學(xué)的研究成果，在認(rèn)知心理學(xué)中也有類(lèi)似的論述。認(rèn)知心理學(xué)家Allan Paivio（1969）提出的“雙重編碼理論”中，設(shè)想人腦中有兩個(gè)認(rèn)知子系統(tǒng)，一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于表征和處理“非語(yǔ)言”對(duì)象，另一個(gè)則專(zhuān)門(mén)用于處理語(yǔ)言對(duì)象，二者要同時(shí)激活，在語(yǔ)義信息與“非語(yǔ)言”信息（也稱(chēng)為“表象”）之間建立關(guān)聯(lián)，人才能理解語(yǔ)義信息[4]。
也就是說(shuō)，要想讓學(xué)習(xí)者理解一個(gè)語(yǔ)義信息，就需要激活他的大腦內(nèi)部的某個(gè)恰當(dāng)區(qū)域。所能激活的區(qū)域越多，關(guān)聯(lián)度越緊密，激活的強(qiáng)度越大，對(duì)信息的理解就越深刻。
1.2 視覺(jué)是人類(lèi)最強(qiáng)大的感官通道，擅長(zhǎng)于感知“情境”
在教學(xué)中，老師如何才能激活學(xué)習(xí)者的大腦呢？這就需要老師創(chuàng)設(shè)恰當(dāng)?shù)摹扒榫场保寣W(xué)習(xí)者的大腦在“情境”中形成感知，建立體驗(yàn)。
在教學(xué)實(shí)踐中，有些老師往往使用簡(jiǎn)單的描述性語(yǔ)言講解新知識(shí)。這樣做往往很難有效地在學(xué)習(xí)者大腦中創(chuàng)建情境。因?yàn)椋瑢?duì)語(yǔ)言（文字）的理解必須依賴(lài)于學(xué)習(xí)者的原有經(jīng)驗(yàn)（即已建立的第二信號(hào)系統(tǒng)的條件反射）。
然而，學(xué)習(xí)者的大腦在調(diào)用原有經(jīng)驗(yàn)時(shí)，往往會(huì)遇到諸多困難，比如：學(xué)習(xí)者可能沒(méi)有恰當(dāng)?shù)脑薪?jīng)驗(yàn)，或雖有經(jīng)驗(yàn)但卻不能及時(shí)調(diào)出，或者原有經(jīng)驗(yàn)并不深刻、鮮明，甚至把一個(gè)詞匯誤解為其它意思。這些困難會(huì)嚴(yán)重阻礙學(xué)習(xí)者正確的理解語(yǔ)言信息，筆者通過(guò)兩個(gè)教學(xué)中的實(shí)例來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn)。
1.2.1 何為“舞女的裙”
散文《荷塘月色》中有一個(gè)著名的句子“葉子出水很高，像亭亭的舞女的裙”。筆者曾邀請(qǐng)200多位老師用圖像化的方式描繪出這句話(huà)所體現(xiàn)的場(chǎng)景，結(jié)果超過(guò)70%的老師理解得不準(zhǔn)確，把“舞女的裙”繪成了如圖3中的樣式。
圖3 對(duì)“舞女的裙”的錯(cuò)誤圖解
只有不到20%的老師能夠準(zhǔn)確描繪出“舞女的裙”是如西方歌劇《小天鵝》中女舞蹈演員所穿的那種圓圓的、短短的舞裙（如圖4所示）。
圖4 “舞女的裙”的準(zhǔn)確圖解
這么簡(jiǎn)單、常見(jiàn)的問(wèn)題，為什么大多數(shù)人都會(huì)理解錯(cuò)誤？這顯然是受到了原有經(jīng)驗(yàn)的影響。大多數(shù)中國(guó)人并不熟悉圖4中的舞裙，即使知道，也很難在第一時(shí)間與“舞女的裙”聯(lián)系到一起。因?yàn)橹袊?guó)人常見(jiàn)的“舞女”“舞裙”確實(shí)如圖3的樣子——這也說(shuō)明語(yǔ)言是一種條件反射，人只要看到一個(gè)詞匯，就會(huì)激活與這個(gè)詞匯相關(guān)的常規(guī)理解，但這很可能會(huì)導(dǎo)致誤解。
當(dāng)用一長(zhǎng)串語(yǔ)句來(lái)描述情境時(shí)，就會(huì)大大加深理解的難度。因?yàn)?，此時(shí)學(xué)習(xí)者的大腦需要連續(xù)、飛速地處理每一個(gè)詞匯，同時(shí)還要解析詞匯之間所隱含的語(yǔ)法關(guān)系。在整個(gè)語(yǔ)言描述的過(guò)程中，只要有一個(gè)關(guān)鍵的詞匯或一種關(guān)鍵的關(guān)系不能及時(shí)解析出來(lái)，學(xué)習(xí)者就可能很難理解老師所描述的情境。這就是學(xué)習(xí)者在閱讀大段文字時(shí)，往往會(huì)感覺(jué)到枯燥、理解困難，出現(xiàn)容易走神、學(xué)習(xí)效果不好等情形的原因。
1.2.2 “合縱連橫”中的“縱橫”是虛指還是實(shí)指
“合縱連橫”是中國(guó)人都熟知的一個(gè)成語(yǔ)。但是，在筆者多次面向老師群體的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，筆者發(fā)現(xiàn)90%以上的老師無(wú)法準(zhǔn)確認(rèn)知“縱”“橫”二字是如“縱橫天下”中的“縱橫”二字那樣，是一種“虛指”，還是分別表示縱向、橫向之意的“實(shí)指”。
圖5 “合縱連橫”的準(zhǔn)確圖示
直到筆者出示圖5并配以扼要的語(yǔ)言，說(shuō)明“縱”“橫”二字是實(shí)指，大家才恍然大悟！筆者從這個(gè)事例發(fā)現(xiàn)，如果不出示圖5，即使用語(yǔ)言反復(fù)講解多次，多數(shù)學(xué)習(xí)者還是會(huì)有這樣一種感覺(jué)：好像聽(tīng)懂了老師所說(shuō)的每一句話(huà)，但還是不能真正理解這兩個(gè)字的實(shí)際意義。
由此可見(jiàn)，“可視化”方式可以快速、有效地在學(xué)習(xí)者腦海中創(chuàng)建情境，激活學(xué)習(xí)者的“非語(yǔ)言”腦區(qū)（如主管視覺(jué)的枕葉、主管空間的頂葉），從而促進(jìn)對(duì)詞匯的理解。
上述兩個(gè)例子說(shuō)明，一旦將語(yǔ)義信息轉(zhuǎn)化為“視覺(jué)”語(yǔ)言，學(xué)習(xí)者的理解效率和理解精準(zhǔn)度都會(huì)大大提升。那么，為什么語(yǔ)義信息一旦通過(guò)“可視化”手段表征為“可視化”信息后，往往能取得較好的效果呢？
1.2.3 “可視化”表征的機(jī)理和優(yōu)勢(shì)
大腦對(duì)視覺(jué)信息的處理，主要由位于人腦后部的枕葉來(lái)完成。枕葉對(duì)視覺(jué)信號(hào)進(jìn)行解析的過(guò)程是相當(dāng)復(fù)雜的，大體機(jī)理如圖6所示。
圖6 布洛德曼大腦分區(qū)圖
在圖6 “布洛德曼大腦分區(qū)圖”中，枕葉被細(xì)分為17、18、19三個(gè)區(qū)域[5]。其中，17區(qū)被稱(chēng)為“初級(jí)視覺(jué)皮層”，負(fù)責(zé)對(duì)接收到的光信號(hào)進(jìn)行初步感知。視網(wǎng)膜中的光信號(hào)通過(guò)漫長(zhǎng)的神經(jīng)通路，被送到枕葉的17區(qū)。17區(qū)中有多種類(lèi)型的光學(xué)感知神經(jīng)元，可分別對(duì)顏色、大小、形狀、亮度等視覺(jué)信息進(jìn)行解析。這種解析非?？焖?，只需幾十毫秒即可完成。17區(qū)感知到的各種信號(hào)，會(huì)被同步上送到18區(qū)。18區(qū)被稱(chēng)為“次級(jí)視覺(jué)皮層”，負(fù)責(zé)將17區(qū)解析出來(lái)的各專(zhuān)項(xiàng)信息，綜合、轉(zhuǎn)換為知覺(jué)信息——也就是說(shuō)，直到17區(qū)、18區(qū)的解析全部完成后，大腦才會(huì)知道我們“看到”了一個(gè)東西。18區(qū)形成的信號(hào)，會(huì)進(jìn)一步被上送到19區(qū)。19區(qū)被稱(chēng)為“高級(jí)視覺(jué)皮層”，它的任務(wù)是進(jìn)一步把18區(qū)的信息，與其它腦區(qū)的信息（如聽(tīng)覺(jué)信息、語(yǔ)言、空間信息等）進(jìn)行全面整合，形成對(duì)事物綜合信息的全面感知。
雖然枕葉對(duì)視覺(jué)信息加工的過(guò)程是如此之復(fù)雜，加工量是如此之龐大，但這一切的運(yùn)轉(zhuǎn)卻都是高速且自動(dòng)化的，枕葉對(duì)此并不會(huì)感到不堪重負(fù)，人們對(duì)視覺(jué)加工的過(guò)程也毫無(wú)感知，人們唯一能感知到的，是枕葉對(duì)視覺(jué)信號(hào)加工的結(jié)果，即我們看到了某個(gè)東西。由此，形成了可視化表征的第一個(gè)優(yōu)勢(shì)：在所有的感官通道中，視覺(jué)能力是最為強(qiáng)大的。心理學(xué)研究表明，在人腦所獲得的全部感官信息中，約60%―80%來(lái)自于視覺(jué)，10―20%來(lái)自于聽(tīng)覺(jué)[6]。人腦無(wú)論是獲取視覺(jué)信息的能力，還是快速處理視覺(jué)信號(hào)的能力，都是極其強(qiáng)大的。比如，人腦可以在零點(diǎn)幾秒之內(nèi)，就能完成對(duì)整幅圖像的掃描，并同時(shí)完成對(duì)圖中關(guān)鍵信息的辨識(shí)和初步解析。
枕葉的這一特性對(duì)于新知識(shí)的學(xué)習(xí)來(lái)說(shuō)，是非常重要的。因?yàn)?，前額葉是認(rèn)知加工的主導(dǎo)腦區(qū)——比如擁有信息保持、不同來(lái)源的信息整合、信息操作功能的“工作記憶”，就位于前額葉[7]。而腦的“工作記憶”是非常有限的，Cowan N.(2001)提出：人的平均工作記憶容量平均只有4（即人在短時(shí)之內(nèi)，只能同時(shí)記住4個(gè)獨(dú)立的信息組塊或信息單元）。[8]因此，當(dāng)我們學(xué)習(xí)一個(gè)新知識(shí)時(shí)，工作記憶很容易就被占滿(mǎn)，此時(shí)腦就會(huì)處于高負(fù)荷狀態(tài)。而枕葉的自動(dòng)化運(yùn)行機(jī)制意味著：如果在學(xué)習(xí)新知識(shí)時(shí)能夠激活枕葉，枕葉就可以對(duì)知識(shí)的視覺(jué)表征進(jìn)行自動(dòng)化地處理，為認(rèn)知加工提供大量的素材與線索，從而大幅提高額葉的認(rèn)知加工能力。
其次，視覺(jué)可以輕松、高效地創(chuàng)建“非語(yǔ)言”信息（即“表象”）。如前所述，“非語(yǔ)言”信息和語(yǔ)言的結(jié)合，是人腦建立理解的基本規(guī)律?！半p重編碼理論”指出：只有將語(yǔ)義信息與表象信息結(jié)合起來(lái)，才能進(jìn)行有效地編碼（即“理解”）。由于人類(lèi)的視覺(jué)優(yōu)勢(shì)，當(dāng)人們能看到一個(gè)場(chǎng)景時(shí)，就比較容易形成對(duì)這個(gè)場(chǎng)景的“表象”；反之，如果單純采用語(yǔ)義表述，而沒(méi)有輔以“可視化”表征時(shí)，學(xué)習(xí)者往往不易形成清晰、鮮明的表象（如上文提到的第二個(gè)事例中，筆者單純用語(yǔ)言解釋“合縱連橫”一詞中“縱橫”的意思時(shí)，就很少有老師能在腦海中形成一幅清晰、鮮明的地圖），這無(wú)疑阻礙了大腦對(duì)語(yǔ)義信息的理解。
第三，大腦對(duì)視覺(jué)的記憶能力極強(qiáng)。我們往往有這樣的印象：對(duì)于看過(guò)的場(chǎng)景，很長(zhǎng)時(shí)間之后還能輕松回憶；但對(duì)于看過(guò)的文字，留下印象的卻很少。這是因?yàn)槿祟?lèi)的視覺(jué)記憶能力要百倍、甚至千倍于語(yǔ)義記憶能力。電視節(jié)目中“最強(qiáng)大腦”們擁有各種“超級(jí)記憶術(shù)”，其中一項(xiàng)重要的法門(mén)便是利用了強(qiáng)大的視覺(jué)記憶能力，把語(yǔ)言文字信息盡量轉(zhuǎn)換為視覺(jué)信息進(jìn)行記憶。
根據(jù)大腦的這一特性，同樣是創(chuàng)設(shè)情境，單純用語(yǔ)言文字來(lái)描述，其效果往往比不上用視覺(jué)化的手段來(lái)創(chuàng)設(shè)。比如，一位老師在講解基爾霍夫電壓定律的“任意循行方向”時(shí)（如圖7左半部分），就采用了視覺(jué)化的手段來(lái)創(chuàng)設(shè)一個(gè)情境。他用教學(xué)樓前面一個(gè)斜坡的照片（如圖7右半部分）來(lái)輔助解釋?zhuān)鹤哌M(jìn)教學(xué)樓的時(shí)候是上坡，但走出教學(xué)樓時(shí)就是下坡，至于是“上坡”還是“下坡”，由你事先設(shè)定的正方向決定，這就是設(shè)定一個(gè)“任意循行方向”的意思。在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)老師單純用語(yǔ)言來(lái)講解，現(xiàn)場(chǎng)氛圍和教學(xué)效果比較一般；而當(dāng)老師呈現(xiàn)出自己在教學(xué)樓前拍的一張照片來(lái)幫助解釋時(shí)，老師明顯感到學(xué)生好奇感明顯增加，學(xué)習(xí)注意力也非常集中，這一教學(xué)難點(diǎn)由此被順利突破。
圖7 基爾霍夫電壓定律中“任意循行方向”的圖解
人類(lèi)的視覺(jué)能力如此之強(qiáng)大——看到一個(gè)場(chǎng)景就會(huì)感到興奮，大腦枕葉被高度激活，自動(dòng)化地對(duì)視覺(jué)信號(hào)進(jìn)行解析，而且印象還比較深刻，這就是在教學(xué)中采用“可視化”方式（比如圖像、圖表、視頻等）能夠顯著提升教學(xué)效果的重要原因之一。
2 可視化表征與復(fù)雜關(guān)系的表達(dá)
2.1 碎片化知識(shí)為何難于理解和記憶
我們?cè)趯W(xué)習(xí)時(shí)，都有這樣的經(jīng)驗(yàn)：對(duì)于一則材料（如圖8中的“紀(jì)念幣與紀(jì)念章的區(qū)別”），即使有時(shí)能理解其中的每一個(gè)字、每一個(gè)詞匯，但我們還是很難理解和記憶這一整則材料，也很難明白材料中各種信息之間的關(guān)系。這是什么原因呢？
圖8 “紀(jì)念幣與紀(jì)念章的區(qū)別”的“線性化”組織方式
造成這種困難的根本原因是：語(yǔ)言文字是基于“時(shí)序”展開(kāi)的，是一種“線性化”的組織方式——一個(gè)字接著一個(gè)字、一句話(huà)接著一句話(huà)，只能順序開(kāi)展，不能跳躍。而與之相反的是，語(yǔ)言文字所表達(dá)的意思，往往并非是線性化的，相互之間通常會(huì)有比較復(fù)雜的關(guān)系。因此，整體來(lái)看，語(yǔ)言文字中的每個(gè)詞匯、每句話(huà)、甚至每段話(huà)，對(duì)于文字背后的信息關(guān)系網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，都僅僅只是一個(gè)“碎片”而已。
語(yǔ)言文字的“碎片式”的表達(dá)方式對(duì)學(xué)習(xí)者提出了極高的要求，它要求學(xué)習(xí)者能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地理解每一個(gè)碎片化信息的內(nèi)涵，同時(shí)還要準(zhǔn)確、及時(shí)地在腦海中構(gòu)建與前面所有信息的關(guān)系。比如，當(dāng)學(xué)習(xí)者讀到（或聽(tīng)到）第N+1句話(huà)時(shí)，除了要解析出這句話(huà)本身所有的詞匯、及其間的關(guān)系外，還要和前面的N句話(huà)中的所有詞匯、所有關(guān)系，再建立起新的關(guān)系，這樣才能真正理解這句話(huà)的含義。
以圖8中“這種幣的發(fā)行價(jià)一般都等于面值的幾十倍或上百倍”為例。當(dāng)我們讀到這句話(huà)時(shí)，腦海中就必須要解析出這句話(huà)中的所有詞語(yǔ)以及這些詞語(yǔ)與前面所有語(yǔ)句和詞語(yǔ)之間的關(guān)系，如“這種幣”指的是“特殊金屬流通幣”“特殊金屬流通幣是紀(jì)念幣的一種，另外一種是普通金屬流通幣”，其“發(fā)行價(jià)”比普通金屬流通幣的發(fā)行價(jià)高幾十倍或上百倍，等等。
當(dāng)語(yǔ)言材料中的語(yǔ)句、詞匯不斷增加時(shí)，其中所蘊(yùn)含的“關(guān)系”數(shù)量將呈幾何級(jí)數(shù)、甚至指數(shù)級(jí)上升。此時(shí)人腦在構(gòu)建信息之間的關(guān)系時(shí)，就越加吃力。學(xué)習(xí)者要想努力去理解和記憶，就必須長(zhǎng)時(shí)間地保持高度注意力，并投入巨大的認(rèn)知資源。
實(shí)踐表明，學(xué)習(xí)者通過(guò)聲音獲取信息時(shí)，關(guān)系建構(gòu)的難度是最大的。因?yàn)?，人的工作記憶是極為有限的（通常只能處理7-9個(gè)信息組塊），而且大部分工作記憶容量都要用于理解聽(tīng)到的詞匯和語(yǔ)句。在這種情況下，人們很難有足夠的能力一邊理解聽(tīng)到的詞匯和語(yǔ)句，一邊及時(shí)回憶出所有聽(tīng)到過(guò)的語(yǔ)句和詞匯，因此，通過(guò)聲音來(lái)建構(gòu)關(guān)系通常是非常困難的。
而當(dāng)學(xué)習(xí)者在通過(guò)文字獲取信息時(shí)，是可通過(guò)“回看”的方式來(lái)幫助自己構(gòu)建關(guān)系的，理解的難度相比純語(yǔ)音有所降低。但即使如此，關(guān)系建構(gòu)的難度仍然比較大的，可能的原因如下：
（1）建構(gòu)關(guān)系需要在“關(guān)鍵詞”之間進(jìn)行。但是，要想在大容量文本中憑借印象尋找到某一句話(huà)中的某個(gè)關(guān)鍵詞，往往有如大海撈針；
（2）文字中的關(guān)鍵詞往往并不突出，通常與描述性詞匯混合在一起，尋找不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力、而且未必準(zhǔn)確；
（3）尋找關(guān)鍵語(yǔ)句、關(guān)鍵詞匯的過(guò)程會(huì)占用大量的工作記憶，造成“顧此失彼”的遺忘現(xiàn)象，會(huì)造成較高的認(rèn)知負(fù)荷，給關(guān)系建構(gòu)帶來(lái)困難；
（4）即使通過(guò)“回看”找到了正確的關(guān)鍵詞，這個(gè)（或這些）關(guān)鍵詞和當(dāng)下的關(guān)鍵詞之間是什么關(guān)系，往往并不明顯——因?yàn)殛P(guān)鍵詞之間的關(guān)系是用語(yǔ)法來(lái)表達(dá)的，而用語(yǔ)法表達(dá)關(guān)系往往比較繁瑣、晦澀，并不容易看出來(lái)。
綜上所述，“語(yǔ)言文字”（聲音和文字）這種語(yǔ)義表達(dá)方式很難表現(xiàn)出文字信息背后復(fù)雜的關(guān)系和整體結(jié)構(gòu)。
2.2 “可視化圖表”與復(fù)雜關(guān)系的構(gòu)建
相比語(yǔ)言文字的“碎片式”表達(dá)方式，視覺(jué)是一種典型的“整體式”認(rèn)知方式，它會(huì)優(yōu)先把所感知到的信息識(shí)別為一個(gè)整體。前文提到：大腦枕葉18區(qū)的功能，是將17區(qū)解析出來(lái)的各專(zhuān)項(xiàng)信息，綜合、轉(zhuǎn)換為知覺(jué)信息。也就是說(shuō)：17區(qū)解析出來(lái)的信號(hào)都是各種“碎片”，而18區(qū)則負(fù)責(zé)將所有碎片整合起來(lái)，（盡量）拼合成一個(gè)整體，大腦感知到的是一個(gè)整體。而且，由于視覺(jué)強(qiáng)大的解析力，大腦還可以極為快速地在整體的各個(gè)局部、各個(gè)細(xì)節(jié)之間進(jìn)行切換，在這種快速切換的過(guò)程中，關(guān)系更加容易建立。因此，視覺(jué)的“整體式”認(rèn)知方式，更有利于復(fù)雜關(guān)系的建構(gòu)。其優(yōu)勢(shì)具體表現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：
一是相較于語(yǔ)言文字以“時(shí)序”為基礎(chǔ)的“線性化”表達(dá)方式，可視化圖表以“空間”方式對(duì)信息元素進(jìn)行排列，所有信息元素處于同一空間的不同位置。由此帶來(lái)的巨大優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)人們需要在不同的信息元素之間尋找關(guān)系時(shí)，只需要移動(dòng)視覺(jué)焦點(diǎn)即可，極為簡(jiǎn)便、快捷。
二是相較于采用語(yǔ)句和語(yǔ)法的表達(dá)方式，可視化圖表中并不存在整個(gè)語(yǔ)句，而是以關(guān)鍵詞為表達(dá)主體；并且關(guān)鍵詞之間的關(guān)系，也不是通過(guò)語(yǔ)法進(jìn)行表達(dá)的，而是以空間關(guān)系（如字體大小、位置疏密遠(yuǎn)近）、顏色（如強(qiáng)調(diào)色等）或形狀（比如箭頭）等方式來(lái)表達(dá)。因此，在可視化圖表中，學(xué)習(xí)者很容易快速定位到關(guān)鍵詞，快速找到關(guān)鍵詞之間的關(guān)系，這非常有利于關(guān)系的建構(gòu)、同時(shí)也大大減輕了自身的認(rèn)知負(fù)荷。
我們可以將通過(guò)語(yǔ)言文字建構(gòu)關(guān)系和通過(guò)“可視化圖表”建構(gòu)關(guān)系的特點(diǎn)總結(jié)如下（見(jiàn)表一）。
表一 通過(guò)語(yǔ)言文字建構(gòu)關(guān)系和通過(guò)“可視化圖表”建構(gòu)關(guān)系的區(qū)別
我們?cè)偻ㄟ^(guò)一個(gè)具體的例子（見(jiàn)圖9 “紀(jì)念幣與紀(jì)念章的區(qū)別”的“可視化圖表”組織方式），就可以更為直觀地感受到“可視化圖表”的特點(diǎn)以及這一做法給我們的學(xué)習(xí)帶來(lái)的好處。
圖9 “紀(jì)念幣與紀(jì)念章的區(qū)別”的“可視化圖表”組織方式
上述例子表明，“可視化圖表”通過(guò)對(duì)關(guān)鍵詞的空間排列，能夠比語(yǔ)法更好地表達(dá)復(fù)雜關(guān)系，更有助于關(guān)系建構(gòu)，更有利于學(xué)習(xí)者對(duì)復(fù)雜關(guān)系的理解。
3 可視化表征與人腦的“空間感知與計(jì)算能力”
“可視化”促進(jìn)理解還基于一個(gè)重要的大腦工作機(jī)制：它同時(shí)發(fā)揮了人腦強(qiáng)大的“空間感知與計(jì)算能力”。在大腦的各個(gè)腦區(qū)中，空間類(lèi)的信息是由頂葉負(fù)責(zé)處理的。當(dāng)人看到一個(gè)視覺(jué)場(chǎng)景時(shí)，除了枕葉外，頂葉也會(huì)同步開(kāi)展對(duì)視覺(jué)場(chǎng)景中空間信息的處理工作（任何視覺(jué)信息中必然含有空間信息）。比如，當(dāng)我們開(kāi)車(chē)時(shí)（如進(jìn)行并線、超車(chē)或倒車(chē)操作時(shí)），必然會(huì)強(qiáng)烈激活頂葉的空間感知與計(jì)算能力——本車(chē)距離前后左右的目標(biāo)物各有多遠(yuǎn)，等等。
在可視化圖表中，信息元素是以空間形式進(jìn)行排列的，各元素之間的空間位置關(guān)系（遠(yuǎn)近親疏、大小比例）、區(qū)隔關(guān)系，都是由頂葉負(fù)責(zé)解析。由于“可視化”的表征形式同時(shí)激活了大腦的視覺(jué)能力與空間能力，因此可以說(shuō)：可視化是一種基于視覺(jué)認(rèn)知與空間計(jì)算的思維系統(tǒng)。
圖10顳葉、額葉、枕葉、頂葉的功能
這種思維系統(tǒng)與前額葉所代表的邏輯推理系統(tǒng)是平行的（如圖10所示），它們各具特色，互相不能取代。因此，如果在教學(xué)中能夠充分激活學(xué)習(xí)者的顳葉（語(yǔ)言）、額葉（邏輯）、枕葉（視覺(jué)）、頂葉（空間），使學(xué)習(xí)者的全部腦區(qū)都能激活的話(huà)，一定能取得很好的教學(xué)效果！
3.1 可視化表征與理科知識(shí)的學(xué)習(xí)
需要特別指出的是：腦的空間感知能力對(duì)于理科知識(shí)學(xué)習(xí)是非常關(guān)鍵的。理科中的函數(shù)圖像、電路圖、分子結(jié)構(gòu)圖、地圖、細(xì)胞構(gòu)成圖或動(dòng)態(tài)原理圖會(huì)強(qiáng)烈地激活頂葉的空間感知與計(jì)算能力。這種激活，對(duì)于理科知識(shí)的理解至關(guān)重要，如果沒(méi)有這種激活，大多數(shù)理科知識(shí)都會(huì)難以理解！
比如，在講初中數(shù)學(xué)“五點(diǎn)法作二次函數(shù)圖像”知識(shí)點(diǎn)時(shí)，大多數(shù)老師的講法都是“照本宣科”：先計(jì)算出5個(gè)點(diǎn)的函數(shù)值、然后用“平滑曲線”把5個(gè)點(diǎn)依次連接起來(lái)，形成二次函數(shù)圖像。
然而，這種講法讓學(xué)生普遍感到的困惑是：為什么要描5個(gè)點(diǎn)？為什么不能用線段連接？為什么要按照老師畫(huà)的那種“平滑”，而不能換另外一種“平滑”呢？這一難題不僅學(xué)習(xí)者無(wú)法理解，老師往往也難以給出合理的解釋。
而使用現(xiàn)代的“可視化”技術(shù)，就可以輕松解決這一難題。中科院張景中院士開(kāi)發(fā)了一個(gè)名為“網(wǎng)絡(luò)畫(huà)板”的網(wǎng)絡(luò)軟件，只需通過(guò)瀏覽器即可進(jìn)入。使用該網(wǎng)絡(luò)軟件，只需短短幾分鐘，就可以做出一個(gè)動(dòng)態(tài)的可視化作品，把二次函數(shù)y=x2的圖像的生成過(guò)程，完美、直觀地體現(xiàn)出來(lái)（如圖11所示）。
圖11 y=x2的圖像生成過(guò)程
在圖11中，只需拖動(dòng)X軸上的點(diǎn)（如圖中箭頭所示），坐標(biāo)系中相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)(x,y)就會(huì)同步變動(dòng)、并且會(huì)同步留下跟蹤軌跡。于是，在整個(gè)坐標(biāo)系中，就會(huì)由很多個(gè)點(diǎn)構(gòu)成一條完整的軌跡（如圖中的曲線），該條軌跡正是y=x2的圖像。
在這一“可視化”作品中，充分發(fā)揮了人類(lèi)的視覺(jué)優(yōu)勢(shì)，使枕葉與頂葉都得以高度激活。學(xué)習(xí)者大腦通過(guò)捕獲和處理不斷變化的視覺(jué)信息和空間信息，再結(jié)合老師的語(yǔ)言講解，就可以“真正理解”函數(shù)圖像到底是如何生成的，所有困惑都會(huì)迎刃而解。而以上動(dòng)態(tài)生成的過(guò)程，如果用語(yǔ)言來(lái)描述，幾乎是不可理解的。
這一案例足以說(shuō)明，用語(yǔ)言文字來(lái)描述復(fù)雜空間的關(guān)系、尤其是動(dòng)態(tài)變化的空間關(guān)系，幾乎是完全無(wú)效的。而通過(guò)“可視化”的表征方法，則可以激活枕葉尤其是頂葉，對(duì)視覺(jué)信息以及視覺(jué)中所蘊(yùn)含的大量復(fù)雜的空間關(guān)系進(jìn)行高效加工，極大地促進(jìn)學(xué)習(xí)者對(duì)知識(shí)的理解。
4 余論：“知識(shí)可視化”與相關(guān)領(lǐng)域的關(guān)系
通過(guò)前文對(duì)“可視化”的腦科學(xué)原理的分析，我們可將“知識(shí)可視化”分為“場(chǎng)景可視化”和“關(guān)系可視化”兩種類(lèi)型?！皥?chǎng)景可視化”的作用機(jī)理，是利用人類(lèi)視覺(jué)感知力、解析力、記憶力的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，用視覺(jué)方式為學(xué)習(xí)者創(chuàng)建知識(shí)情境，讓學(xué)習(xí)者在情境中形成感知、建立體驗(yàn)，為語(yǔ)義理解提供豐富、清晰、印象深刻的“非語(yǔ)言”信息（即“表象”），以此來(lái)促進(jìn)“詞匯”的理解。“關(guān)系可視化”的作用機(jī)理則是利用人類(lèi)視覺(jué)的“整體式”認(rèn)知特點(diǎn)、以及快速切換視線焦點(diǎn)的能力，將信息元素排列在一個(gè)統(tǒng)一的空間中，同時(shí)發(fā)揮頂葉的空間感知與計(jì)算能力，以此促進(jìn)對(duì)信息元素之間“關(guān)系”的理解。
在關(guān)系可視化中，又可細(xì)分為“靜態(tài)關(guān)系的可視化”（圖表）和“動(dòng)態(tài)關(guān)系的可視化”（動(dòng)圖）兩種?！皠?dòng)態(tài)關(guān)系的可視化”（或稱(chēng)為“過(guò)程可視化”）可將大腦視覺(jué)認(rèn)知、空間計(jì)算能力發(fā)揮到極致，在信息元素之間的關(guān)系動(dòng)態(tài)變化的情況下，仍然能夠?qū)π畔⒃氐目臻g關(guān)系進(jìn)行有效解析，促進(jìn)對(duì)“動(dòng)態(tài)關(guān)系”的理解。
需要說(shuō)明的是，雖然“可視化”適合于大多數(shù)知識(shí)場(chǎng)景，但“可視化”不是萬(wàn)能的，有些知識(shí)并不適合于轉(zhuǎn)換為“可視化”的表征方式（比如語(yǔ)言類(lèi)知識(shí)）。同時(shí)，也并非所有知識(shí)難點(diǎn)都必須采用“可視化”的方式才能解決，比如也可以采用類(lèi)比、故事化、案例化、親身參與活動(dòng)等情境創(chuàng)設(shè)方式，只要運(yùn)用恰當(dāng)，都可以取得很好的效果。
事實(shí)上，無(wú)論采取哪種方式，只要能充分發(fā)揮人腦的優(yōu)勢(shì)特性，就能夠取得好的教學(xué)效果。因此，理解腦本身的特點(diǎn)、理解腦是如何開(kāi)展學(xué)習(xí)的（這是“學(xué)習(xí)科學(xué)”領(lǐng)域的核心研究主題），是理解和構(gòu)建一切高效教與學(xué)行為的基石。
最后談一談最近幾年比較流行的“思維導(dǎo)圖”的歸類(lèi)問(wèn)題。有些專(zhuān)家把學(xué)習(xí)者自行創(chuàng)作思維導(dǎo)圖的方法，也稱(chēng)為“知識(shí)可視化”。然而，根據(jù)“知識(shí)可視化”的定義，其目的是知識(shí)的廣泛傳播、是“幫助他人正確地重構(gòu)、記憶和應(yīng)用這些知識(shí)”，而學(xué)習(xí)者創(chuàng)作思維導(dǎo)圖的目的，主要是整理或激發(fā)自己的思維，并非為了傳播（事實(shí)上學(xué)習(xí)者創(chuàng)作的思維導(dǎo)圖往往也不夠準(zhǔn)確、全面和合理，因而也沒(méi)有廣泛傳播的價(jià)值），因而不應(yīng)該算作“知識(shí)可視化”的一員。另一方面，學(xué)習(xí)者在創(chuàng)作思維導(dǎo)圖的過(guò)程中，的確采用了“可視化”的手段，發(fā)揮了“可視化”的大腦工作機(jī)制的優(yōu)勢(shì)?？紤]到思維導(dǎo)圖的作用主要是“整理思維”，將其稱(chēng)為“思維可視化”也許更為合適。
參考文獻(xiàn)（略）
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