基于可視化技術的知識構建研究

基于可視化技術的知識構建研究

知識構建的目的是讓知識易于理解和吸收[1]，從信息構建邁向知識構建的關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，提供將信息轉化為知識的工具和方法[2]。可視化技術能夠豐富信息和知識的表示方式，表達文字難以描述的復雜結構；同時，可視化技術能夠促進知識的理解與吸收，改善知識學習效果[3]。因此，可視化技術能夠提供直觀的人機交互環(huán)境，促進人類之間的溝通，滿足從信息向知識轉化的需要，支撐知識構建的實現。1基于可視化技術的知識構建策略基于可視化技術的知識構建是利用可視化技術設計直觀便捷的導航機制幫助知識用戶獲取和組織知識資源，并利用可視化技術協助完成知識的意義建構，其策略如圖1所示。知識用戶利用智能交互平臺獲取、處理、組織、檢索和利用知識庫資源，具體過程如下：首先，知識用戶根據學習或工作需要，形成獲取和學習知識的意愿，制訂目標和計劃，確定所需知識資源的主題、范圍以及獲取方式；接著，知識用戶利用知識導航機制從知識庫中采集所需知識資源；然后，知識用戶對收集到的知識資源進行理解和吸收，并進行分類、標引或其他處理，在此過程中若發(fā)現缺少某方面的知識資源則及時從知識庫中采集補充；最后，知識用戶借助知識建構工具完成對知識的吸收，在此過程中需要知識用戶之間的溝通和協作，通過反復評價確定最終圖形。圖1基于可視化技術的知識構建策略可視化技術在整個過程中作用體現在以下5個方面：1)定位知識資源?？梢暬夹g能夠揭示知識庫中復雜的結構關系，展示查詢擴展的結構關系，將與查詢相關的知識文檔的相關度直觀地顯示出來，能夠推薦相關的知識資源，為知識資源定位提供多種快捷、直觀的入口和途徑。2)識別隱藏模式。可視化技術提供了觀察數據的多種視圖，包括修剪、檢索、過濾、縮放等。修剪是將數據集合中的數據進行修改或刪除；檢索是指通過檢索的方式定位數據源、中間結果或結果數據中的某些數據元素或集合；過濾是通過設定參數去除不符合要求的數據；縮放是為用戶提供多比例縮放、放大／縮小、導航／細節(jié)等功能。豐富的數據觀察方式便于識別隱藏模式。3)組織復雜結構。利用可視化技術可以組織復雜的知識結構，在一幅圖片中能夠描述大量的知識內容以及知識內容之間的關系；同時，通過圖形的鏈接功能還可以關聯與知識節(jié)點相關的知識資源，為用戶認知模式的形成提供豐富的營養(yǎng)來源。4)促進用戶協作?？梢暬夹g為用戶之間的協作提供了簡捷、高效的交流平臺，充分利用了人類發(fā)散性思維和形象思維的優(yōu)勢，刺激人員提出更多的觀點；同時，能夠更為全面地揭示人員之間的認知差異，消除知識表示中的誤解和曲解。5)改善用戶體驗。用戶體驗是各種信息、知識進入大腦之后，用戶通過自我感知得到的內在評估。可視化技術綜合考慮任務需求、操作習慣、認知需要、健康需要和情感需要等因素，設計知識導航機制，能夠改善用戶利用知識資源的體驗效果。2知識導航機制的設計2.1知識結構導航知識結構導航是利用某一領域、某一組織或關于某一主題的知識結構體系提供導航，并將知識結構中的節(jié)點與相應的知識資源關聯起來，以讓用戶通過知識結構定位知識資源。常用的知識結構導航工具包括領域本體、專業(yè)敘詞表、知識分類表、知識地圖、領域思維導圖、個人思維導圖等。知識結構導航可以分為領域知識結構導航和個人知識結構導航，前者由相關領域的專家合作完成，反映特定領域的知識藍圖，為知識用戶提供總體概貌和詳細結構；后者由知識用戶根據自己的理解建構的知識結構體系，反映的是個人對特定領域的理解模式，如在LEO平臺中，知識用戶在制作概念圖時，可以利用鏈接功能導航知識資源[4]，如圖2所示。圖2LEO界面2.2知識資源導航知識資源導航是從知識資源本身出發(fā)，建立它們之間的關聯或將某一資源以可視化方式呈現出來，便于用戶定位知識資源。常見的知識資源導航工具包括文獻地圖、文獻聚類圖、文獻時間分布圖、文獻內容直方圖、書架隱喻、教材隱喻、報紙隱喻等。知識資源導航可以分為知識資源集合導航和知識資源個體導航，前者選擇一定的知識資源集合作為可視化映射的來源，反映的是知識資源集合中元素之間的關系，如在文獻地圖中，關聯度強的文獻聚集在一起，每個矩形代表一篇文獻，單擊矩形則顯示相應文獻的基本信息[5]，如圖3所示。后者選擇某一知識資源作為可視化映射的來源，反映的是單一知識資源內部的結構，如教材隱喻。圖3文獻地圖2.3知識推薦導航知識推薦導航是根據知識用戶的知識需求、學習興趣和知識水平為其推薦相關知識資源。常見的知識推薦方法包括相關資源推薦、相關詞匯推薦、知識點推薦等。相關資源推薦是在用戶訪問特定知識資源時給出與其相關的知識資源；相關詞匯推薦是根據用戶提供的檢索詞進行擴展，給出與其相關的詞匯列表；知識點推薦是根據用戶的學習狀態(tài)，推薦其下一步學習的知識點。NaxExADVISE平臺為程序實例學習提供的推薦機制，如圖4所示[6]。圖4中每個矩形代表一個程序實例，實例之間的距離揭示它們之間的相似度，距離越近越相似，距離由實例中的程序概念集合計算得到。叉叉表示缺少預備知識難以進行學習；圓圈表示可以學習相應程序實例，圓圈飽和度表示用戶的進度，為空時表示該實例是全新的但可以開始學習；圖標和飽和度由用戶學習歷史確定。圖4NaxExADVISE平臺的推薦界面3知識建構工具的設計知識建構是對外部知識資源進行主動選擇、加工和處理，從而獲得理解的意義的過程。該過程不是簡單的信息積累，而是新舊知識經驗產生沖突，以及由此而引發(fā)的認知結構重組，是新舊知識之間雙向的相互作用過程，如圖5所示。新知識促成的認知結構變化可以分為同化和異化兩類。同化是將新知識整合到已有的認知結構中，僅在原有的認知結構上進行添加處理。異化是打破已有的認知結構，進行修改或刪除處理，或者在原有的認知結構中添加一個全新的認知模式?？梢灾沃R建構的可視化工具包括概念圖、認知地圖、思維導圖、視覺隱喻等。根據互動渠道的不同，可以將知識建構分為當面互動和在線協作兩種模式。圖5知識建構過程3.1當面互動模式當面互動模式是知識用戶以座談會的形式借助圖形繪制工具完成知識建構。當面互動模式中，圖形繪制工具常常由一人操控，設計的重點在于以下兩個方面：一是繪制的圖形應適合于投影儀或交互白板的呈現，能夠滿足多人同時觀看、一人單獨操作的溝通需要。二是跟蹤并記錄最終圖形的生成過程，能夠滿足圖形更新迅速、知識評價及時的操作需要，讓參與用戶能夠了解知識建構的動態(tài)過程。3.2在線協作模式在線協作模式是知識用戶借助在線交流工具和圖形繪制工具完成知識建構，即在虛擬環(huán)境中進行。在線協作模式的設計重點在于以下3個方面：一是繪制的圖形應適合于Web形式發(fā)布和呈現，能夠滿足及時更新的需要。二是圖形繪制工具應盡量輕型化，不需要過多的修飾處理，避免在客戶端上安裝復雜的程序。三是圖形繪制和在線交流兩項功能應盡量整合在一起，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，當然也可以直接開發(fā)兩項并具的新工具。4智能交互平臺的建設4.1智能交互平臺建設的前提和功能1)豐富的知識源。豐富的知識源是智能交互平臺建設的前提，必須從廣泛的知識源中采集知識資源。搜索引擎是獲取知識資源的重要途徑，行業(yè)搜索引擎的不斷推出提供了更為準確和合適的知識資源；網絡數據庫、數字圖書館、學科知識門戶的建設使得人們更為方便地獲取知識資源。2)便捷的操作。操作的便捷性主要體現在局部細節(jié)與全局結構之間的切換，以及各種動作選擇兩個方面。全局結構是指整個知識體系的映射方案，當知識體系的規(guī)模較小、能夠在同一個屏幕上顯示時，直接將所有局部細節(jié)按照一定順序排列即可。而當知識體系達到一定規(guī)模，不能在同一屏幕上顯示時，則需要提供相應機制。例如，概念圖制作工具常常提供兩種機制：一是將較大的概念圖分割，并通過鏈接方式實現概念圖之間的切換。二是提供導航地圖，通過導航地圖用戶能夠迅速定位自己所瀏覽的位置。動作選擇是指為用戶提供的操作功能，不同的操作應采用合適的機制來實現，包括按鈕、面板、選項卡、滑塊，鼠標操作（單擊、右擊、雙擊、拖動），快捷鍵等。3)個性化的定制。個性化定制不僅包括用戶界面的個性化定制，還包括知識需求和知識收藏的個性化定制。知識需求的個性化定制是讓用戶填寫相應的需求文檔，平臺自動地將相關知識推薦給用戶。知識收藏的個性化定制是能夠讓用戶根據自己的需要收集所關注的知識資源，并能夠按照自己的思路進行管理，完成添加、刪除、修改操作。4)多樣化的協作。智能交互平臺應提供多樣化的協作機制以滿足溝通交流的需要。協作機制分為兩個方面：一是相關人員之間的溝通，即提供相關人員之間進行溝通的工具，包括即時通信、BBS、Blog等，以使相關人員能針對相關問題、任務和想法進行即時溝通。二是相關工具的同步功能，例如，在多個人共同完成一幅概念圖的繪制時，該圖常常同時被多個人請求修改和占有，就需要一定的機制來保證概念圖的版本一致性。5)智能化的處理。智能交互平臺應具有一定的智能化處理能力，滿足相關知識處理的需要。應包括以下功能：知識點記憶功能、高效檢索功能、自動聯想功能、錯誤提示功能、統(tǒng)計分析功能等。4.2體系框架智能交互平臺的體系框架包括數據層、應用層以及界面層，如圖6所示。1)數據層。數據層包括知識庫和繪制視覺對象庫。知識庫用以保存各種知識資源；繪制視覺對象庫保存用戶在知識建構過程中繪制的各種可視化對象，如概念圖、認知地圖、思維導圖等。2)應用層。應用層包括資源管理、展示算法庫、圖形繪制以及交流工具4個模塊。資源管理為用戶提供檢索和利用知識資源的各種工具，包括資源導航工具、資源檢索工具、自動摘要生成、資源存取通道、資源收藏功能等。展示算法庫是為可視化對象的布局和優(yōu)化提供算法，包括HyperTree、TreeMap、直方圖、餅圖、力導向算法以及尋徑網絡算法等。圖形繪制模塊由處理視覺對象的一組操作組成，包括添加、修改、刪除視覺對象，以及為視覺對象添加、修改、刪除視覺屬性。交流工具是為用戶在線協作和交流提供工具，包括消息傳遞功能、聊天室工具、自由討論區(qū)、Blog、Email等。圖6智能交互平臺的體系框架3)界面層。界面層是用戶通過Web瀏覽器、WAP瀏覽器進行操作的接口，實現用戶操作的簡單化