下面是小编为大家整理的《可视化教学论文范文(精选3篇)》相关资料，欢迎阅读！[摘要]可视化是以一种直观的、更加容易感知的图示方式表征信息及其信息加工的过程。任何复杂的思维过程和知识都可以通过图解的方式将其逻辑关系表示出来。可视化教学设计就是为了简洁、明了地传递信息，也是为了更加深入地加工信息，是对语言、文字等思维活动的解释说明，适用于目标分析、学习者分析、内容分析及策略选择与评价分析等。
第一篇：可视化教学论文范文
中职数学课堂可视化教学初探
【摘要】如何让中职生主动地学习数学是中职教师一直在探索的问题。在中专数学课上，传统教学的弊端不得不让我们认真思考可视化教学带给我们不一样的体验，通过教学实践探索可视化教学的优势，借助信息化教学手段，证明可视化教学使我们的课堂学习氛围更加浓郁，学生学习积极性也有了提高。
【关键词】中职数学课堂 可视化教学 电子白板
随着信息化教学技术的深入开展，多媒体教学已是课堂必不可少的环节，各种可视化工具与手段融入课堂。我校于2017年已安装交互式电子白板触控一体机，安装了希沃白板5、希沃授课助手、班级管理大师等软件，在带领学生投入课堂的同时，提高了学生学习兴趣，也更大幅度地提高教学效率。
一、中职数学现状分析
由于过去过多灌入式的教学，让很多目标不明确、意志不坚定的中职生认为数学比较枯燥乏味，实用性不高。再加上中职阶段课程以专业课为主，弱化基础课，而且一个学期的课时很紧张，每节课既要复习旧知，又要学习新授课，任课教师为了完成教学进度，很难进行系统全面地授课，学生也很难进行系统地学习。而多数学生原本数学基础就相对薄弱，这样长此以往，他们学习数学的积极性就会越来越弱，学好数学的自信也渐渐消失了。
二、传统授课方式在中职数学课上的弊端
数学基础较弱的学生在心里早就给数学贴了“枯燥乏味”“不实用”的标签，所以在情绪上已产生了抗拒心理，教师仅用黑板、纸板等传统形式进行授课，不但很难吸引学生的注意力，而且还比较耗时。再者，中职生由于数学基础弱，一个知识点需要多次练习才能掌握，而形式单一的练习又会让他们失去耐性。虽然数学课堂上也利用了PPT课件、几何画板等软件辅助教学，但这都是教师单方面的操作，缺少了学生的参与和师生的互动，无法调动学生的学习兴趣，也极不利于中职生的学习。
三、中职数学可视化教学的优势
1.数学画板，精准直观
在数学课堂上，常见的数学思想方法是数形结合，初中学生已经进行过图形绘制的训练，所以之后的学习会更多地注重数形结合思想的培养，通过电子白板在希沃白板5的软件中，有常见图形的绘制，一点一划即可两秒作图，相较于几何画板的操作既节省了作图的时间，又简单易于学生操作。希沃白板中还有数学画板的设置，选择内容可直接将网络绘制的动画资源插入课件中，借助形的几何直观性快速阐明数之间某种关系，“以形助数”，通过“数”与“形”之间的对应和转换来解决数学问题，帮助学生理解。
2.手机投屏，好处多多
一堂课的开头很重要，只有足够吸引人才能把课下悠闲的状态迅速调整到学习状态中，所以在课前导入时经常会借助视频引出新课，但是由于学校对于课室网络的限制，视频需要提前下载到U盘，然后带到课室播放，有些甚至需要转换格式才能播放，大大增加了教师备课的工作量。而有了交互式电子白板，省去很多麻烦，希沃授课助手是一款专门为教学设计的大小屏互动的软件，利用手机投屏，只要任课教师手机里有视频播放的app，课前通过缓存后投屏在白板上播放。另外，还有一点优势是可以对视频中某个画面定格后进行标注。
练习讲解或作业点评时，可以通过希沃白板上的授课助手将学生的解题情况拍照分享到白板上，希沃授课助手可同时上传4张作业图片，大家一起讨论，利于学生对知识点的查漏补缺。教师可以进行对比讲解，突出优点，强调易错点。任课教师也可以直接在白板上投出来的试题旁进行讲解、点评，同样也省去了抄题的时间。
手机投屏后，可以通过对手机的操作来控制白板，这样就不会把教师局限在讲台上，而是课室的任一角落，把教师从脱离集体变为回归集体，授课的同时也可以随时了解下面学生的动态，起到督促学生学习的作用。
3.课堂活动丰富，参与度高
很多中职课堂会遇到一个共同的问题，就是提问的时候没有人举手，或者参与人数极少。希沃系统中有一款班级优化大师的软件，提前将学生的学号及姓名录入系统，提问时采取随机抽选的方式，这样不掺杂任课教师的个人因素影响，所有学生的机会都是均等的，而学生由于高度紧张，担心会抽到自己或者抽到以后不知如何回答，所以会主动地了解所考查的知识点，教师也可以及时了解学生普遍掌握的情况，及时调整教学策略。另外，答题可设置加分，而积分可针对学生设置兑换“奖励”，提高学生参与的积极性。到期末，该软件可以综合一学期的学生表现，并给予评价，及时发现每个学生的闪光点。
在希沃白板5中，课堂活动有趣味分类、知识配对、分组竞争、判断对错、选词填空等不同形式的游戏设置。可根据知识类型进行选择，也可以一个知识点设置不同形式，这样色彩鲜艳、形式多样的练习，既丰富了课堂活动，也可达到一题多练、强化理解的效果。让学生在玩游戏的同时掌握知识，利用竞争，增强学习动力，而且台上台下的互动，使课堂气氛非常活跃，很多人积极踊跃地参加，有的学生还会因为分数落后不服气要求重新来一次，这样的数学课不再是枯燥的，而是“活”起来的。一个学期下来，学生的成绩大幅度提升，及格率也提高了(如图1)。
4.思维导图，引人入境
思维导图與传统的学习记忆方法相比有较大的优势，图像的使用让教师可以把关键字和颜色、图形联系起来，这样就利用了我们的视觉感官，它的结构清晰，层次分明，便于对信息的组织和整理，从而可以加深学生的记忆。思维导图的使用在数学课的好处不言而喻，在希沃白板中，有思维导图图形、结构设置，只需要根据需求选择相应的分支结构进行编辑，然后穿插在课件中。相较于PPT中的思维导图的设置，白板上的只需手指在屏幕上点击便可实现，简单又快捷。
四、在中职数学课上实施交互式电子白板的可视化教学的思考
交互式电子白板的使用让我们的课堂氛围焕然一新，但是电子白板的各项功能只是我们授课的辅助手段，千万不要忽视了教育本质，因为并不是所有课程都一定要依赖白板，过多的视听感觉的触动，可能会引发对学生主体身份的忽视，不利于学生主动思考。这就对任课教师在可视化电子白板教学时提出了更高的要求。首先，任课教师要对交互式电子白板的使用非常熟练，可以在各种软件之间灵活转换;其次，由于白板上部分功能依赖网络等环境的影响，所以任课教师要在可能受到影响的环节上提前做好准备，保障顺利完成教学。另外，最重要的一点是，在备课时要合理设置课堂活动，教学内容才是关键，不要为了气氛喧宾夺主。
传统教学也好、信息化教学也好，都是为了更好地服务学生。教师的职业技能就是要合理利用各种资源，做好学生知识的传授者和引导者。在今后的教学中，会继续探究如何在可视化教学的路上更好地教书育人。
作者：孟会
第二篇：可视化教学设计方法与应用
[摘 要] 可视化是以一种直观的、更加容易感知的图示方式表征信息及其信息加工的过程。任何复杂的思维过程和知识都可以通过图解的方式将其逻辑关系表示出来。可视化教学设计就是为了简洁、明了地传递信息，也是为了更加深入地加工信息，是对语言、文字等思维活动的解释说明，适用于目标分析、学习者分析、内容分析及策略选择与评价分析等。可视化教学设计过程与结果的简易性、直观性和深度加工更适合学校教学的特点，是目前应该大力倡导的一种教学设计方法。
[关键词] 可视化; 画图; 教学设计; 可视化教学设计
[作者简介] 李芒(1961—)，男，河北辛集人。教授，博士生导师，主要从事教学行为研究。E-mail：leemang@bnu.edu.cn。
一、问题的提出
图示是一种非常有效的设计工具。在教学设计的发展过程中，教学设计者最早尝试运用流程图将教学设计的复杂过程直观地呈现出来。尽管这种图示的方法对教学人员的帮助很大，使他们对教学的程序和步骤有了一个比较清楚的认识，但是这一做法限制了教学人员的设计思路，使他们仅仅局限于固定的设计框架，追求适合于各种情景的“通用”模式，使教学设计过于形式化，缺乏教师教学设计的创意和独特表现形式，使教学失去了生机和活力。更有甚者，将教学设计人员的设计思维简单化，希望借助计算机穷尽教师行为的各种可能情况，通过流程图的简单线性模式模拟人的复杂思维过程，就好像用动物的行为反射来简释人类复杂的学习行为一样，犯了行为主义心理学的低级错误。所以说，画图是我们进行教学设计的方法，但我们对画图不能囿于成见，仅限于流程图或程序化图示模式。画图也要从人的思维活动特征出发，而不是从计算机程序设计原理出发。教学设计专家罗兰德认为，教学设计是一个动态的、非确定性的过程，其本质特点是探索性和创造性，教学设计过程会因对象或内容的不同而变化，不赞成用一般规则和程序禁锢教学设计者的艺术灵感与直觉。教学设计的这一特点决定了目标分析、学习者特征分析、内容分析、策略分析及评价分析的独特性和发散性思维特征，其分析过程应该是开放的、人性化的，结果形式呈现应该千姿百态、不拘一格。
对一个复杂的教学内容，可以使用图解的方法描述各个要素的关系。所有的教学设计环节都可以使用图解的方法进行。通过画图、找关系，图解教学，是符合教学设计过程与结果特点的一种视觉表征方法。与现代文字表述不同的是，图示(或者图解)是一种可视化表征的方式。早期的教学设计专家主张对学习内容进行层级分析的方法和图解分析的方法就是一种教学内容可视化的尝试，只是对于如何利用可视化的方法进行教学设计，以及这种教学设计方法的可行性与应用效果缺乏专题性研究，没有系统的理论支持。
随着信息可视化、知识可视化领域的应用和拓展，教学设计研究也出现了可视化视觉转向(钱旭鸯，2010)，[1]可视化教学设计研究也提上了日程。同时，思维科学技术的发展也证明，可视化教学设计训练是一项很有意义的工作。
二、从可视化技术到可视化教学设计
尽管“可视化”作为专业术语出现于1987年2月美国国家自然科学基金会召开的一个专题研讨会上，[2]但是研究视觉媒体的霍尔蒂曾在1983年在自己撰写的论文《教学设计与图示化》(Instructional Design and Visualization)一文中就建议教学设计者应该将自己内部的表征外显化。[3]可见，可视化概念的出现并没有一个确定的时间，只是当代文化在转向一种视觉文化的背景下，加上计算机科学技术在图形技术方面的突破，人们更加关注“可视化”的实现。正如法国学者魁奈所表述的，“视觉化并不取代话语，而是使其变得更易理解、更敏捷、更有效率”，[4]可视化也是表征事物的一种方式。早在20世纪初期，人们已经将图表和统计等原始的可视化技术应用于科学数据分析中，更加方便、直观地表述研究结果。随着海量信息的出现，人们对可视化技术更加向往，数据可视化、科学计算可视化、信息可视化、知识可视化等都成为一些专门的研究领域。从信息科学的技术视角理解，可视化就是通过计算机软件的支持，将事物及其发展变化的形式和过程，用仿真化、形象化的方式表现出来，一般而言包括数据、模型和过程等三方面的可视化。对用户来说，可视化主要就是信息提供的可视化，也就是信息服务界面的可视化。[5]潘云鹤院士给出的科学计算可视化的定义是指运用计算机图形学或者一般图形学的原理和方法，将科学与工程计算等产生的大规模数据转换为图形、图像，以直观的形式表示出来。[6]从计算机可实现的技术纬度理解可视化，我们对可视化概念的理解已经过于狭隘，仅仅指称的是人与机器之间的一种交互类型，把人与人的交流排除在外，是不可取的。一个具有更普遍意义的可视化定义认为，可视化是一种使复杂信息能够容易和快速被人理解的手段，是一种聚焦在信息重要特征的信息压缩语言，是可以放大人类感知的图形化表示方法。简单地说，可视化就是把数据、信息和知识转化为可视的表示形式并获得对数据更深层次认识的过程。[7]这种转化任务既可能由人来完成，也可能由计算机工具来实现，这不是可视化最本质的问题。但是，这一定义把可视化看作是手段、语言和方法及其应用，揭示了可视化可实现的目标，已经突破了可视化的技术范畴，是对可视化内涵更加全面的把握。尽管对于可视化概念的理解，不同的学科可以有不同的定义，但可视化的目标却是非常明确的，即帮助人们增强认知能力、理解事物间的联系、降低认知难度。[8]因此，将任何抽象的事物、过程变成图形图像等图示方式的表示都可以称作可视化。[9]简单地说，可视化就是利用图示的方法对事物进行视觉加工处理的过程，至于选什么工具，则由完成任务的属性和将要达到的目的来确定。美国著名思想家贝尔宣称“当代文化正在变成一种视觉文化，而不是一种印刷文化”。图形在人们的日常生活和学习之中占据越来越重要的位置，显示出其不可替代的作用。有关可视化教学内容设计研究(张维忠，2010)、[10]可视化教学过程设计研究(曹晓明，2009)、[11]教学决策可视化研究(叶妙玲，2009)[12]推动了教学设计可视化研究的进程，积累了丰富的研究资料，但这些可视化教学设计的实现都是借助计算机图形技术或程序软件来完成的，其图形结果是可以学习借鉴的，但这种实现过程的技术工具的复杂性反而会影响人们对可视化效果的追求，甚至对可视化望而却步。正像有人所说的，“随着技术的进一步突破和相关研究逐渐获得广泛的认同，包括教学目标分析、学习者特征分析、学习环境分析、教学媒体和资源设计等在内的完整环节的设计过程的可视化也将成为可能”。[13]教学设计的命运就注定一定要和计算机联系起来吗?没有计算机技术的发展，就没有可视化教学设计了吗?
在计算机科学技术非常发达的今天，我们都比较迷恋这种技术，甚至到了一种迷信的地步，在任何工作或者完成任务的过程都希望借助于计算机工具，似乎只有这样，才足以显示该项工作的技术含量和个人的能力水平。其实不然，越是简单，越显示了不可动摇的威力，这个定理是公理性的。奥卡姆的剃刀(原则)告诉我们，如果有两种对立理论可以同时解释某一已知现象，较简单的那个会略胜一筹。如果说在教师进行教学设计时，通过手工画图就能实现教学设计的话，就有理由不再用更复杂的计算机流程图去设计，除非计算机流程图比人工绘图更简便易行。我们相信人类对于“必然”的信念根本不是推论，而只是一种不断观察后的习惯。教学设计者习惯于把任何事情都和计算机联系起来，这也无可厚非，但自动化的设计或把人的教学设计的思维加工过程通过计算机的运算过程完全复演出来的做法并不可取，最后的结果就是让原本充满创造性的教师活动完全变得僵化，使活生生的教学事件变成一个个刻板的、没有灵性的、教条的指令和程序。一个人与人之间的交往活动变成人与机器的交流，其教学交往的效果就会大打折扣。
教学设计者并不关心计算机是如何实现图形转换的，计算机软件可以帮助教学设计者将设计的过程和结果以图形方式记录下来，也可以是人以手工画图的方式记录下来，这两者之间没有多大区别。计算机软件制作的图形看起来是比较精致美观，但这并不代表图形的组合或层级关系是自然形成的，不需要人的思维加工。相反，实验证明，利用计算机软件绘制设计图形的过程可能会影响到人的思维的流畅性或连贯性、敏捷性。美国明尼苏达大学的霍坎森教授就倡导以手绘形式实现可视化教学设计。在他看来，“设计”一词本身就是从拉丁文“做标记”或画画发展而来的。由此，霍坎森认为即使在这个电子时代，使用纸笔的视觉著述相比于其他媒体而言也有诸多好处，如更便捷、快速、直接，设计者的思想也不那么容易被打断或被其他事物干扰。[14]因此，我们相信，最清晰、最简单和最能反映个人真实想法的图形是可以直接通过设计者之手绘制于纸上的。正像有人所说的，无论是以绘画、速写或画思维图的形式，或者是采用基于技术的绘画手段还是纸笔手绘的形式实现可视化，都只是一种选择，而没有强行要求成为“必然”，因为可视化教学设计的根本意义还是为了帮助教学设计者获得更强的表达、创造、沟通和分享的力量，画家的“空间聚敛”力量也是为了更好地表达“感觉”、“力”、“事实”和“事件”，这与实现目的的工具无关。[15]
从可视化技术到可视化教学设计，并不是一种技术的应用和可视化研究领域的简单拓展，更重要的是一种教学设计思维范式的转变，是换一种解决问题的方式。下面这样一个例子，对于利用图形解决问题很有启发，可以发现选择解决问题的方法的重要性。
上周某一天，斯特朗先生所教的几何学课程中的一位得意门生胡安，带着一个自己无法解决的问题来找他，斯特朗先生问胡安先前如何处理这个问题。胡安回答说，自己首先试着回想一些与此问题有关的公理、假设以及定理，然后将它们一一写下来，尝试着将它们拼凑成直觉上似乎可行的证明形式。他将笔记一页一页地翻给斯特朗先生看，笔记上写着不同的尝试，但没有一个能解决这个奇怪的问题，胡安认为自己已经试过所有的可能了。斯特朗先生建议：“为什么不试试另一种方法呢?”“你试过利用视觉图形来寻找可能的解答吗?”斯特朗先生问。胡安没试过，不过他很快使用这种方法开始尝试。斯特朗先生要胡安在黑板上解题，同时提出一些辅助问题。很快胡安找到了问题的答案，并且学会了一种新方法来解决几何问题。[16]
在陈述事实时，相对那些普通文本来说，视觉化信息将它们的观点更加紧密地进行压缩，其逻辑关系表现得比文字更直观、生动、快捷、便于交流，这可以说是“可视化”最大的优势。通过下面这个例子，我们将会对这一点确信无疑。
确定开会时间：
A说不能参加今天下午3点的会议;
B说明天开也可以，但明天10点以前不行;
C说明天晚上才能回来，秘书说，明天的会议室已经有人预定，但后天还没有预定。
决定会议安排在后天上午11∶00比较合适。
图1是对文字信息加工，以确定开会时间的思维过程，比文字信息更清晰、更有逻辑;而图2更加直观地显示了确定开会的时间和依据，凝练了信息，突出了重点。
总之，可视化教学设计就是依据人的大脑思维模式，通过对复杂的教学设计要素进行逻辑分析，并将其过程与结果以直观的视觉形式表示出来。这一分析过程遵循了图示的原则、简化的原则和再加工的原则，实现了文字内容或人的复杂思维过程的直观、简洁、序列和类别化处理。简单地说，可视化教学设计就是运用一切可能的图示方法对教学设计的所有环节进行分析处理，形成教学的实施方案。
从上述定义可以看出，可视化教学设计有以下三个主要特征：其一，可视化教学设计就是通过画图找逻辑关系，更多地体现了直觉分析的方法;其二，可视化教学设计可以简化设计结果表述的方式;其三，可视化教学设计是一种深层次加工处理教学信息的过程，是对简单文字描述的提炼和概括，更有利于指导教学方案的执行。
三、可视化教学设计的理论和方法基础
1. 思维科学和逻辑学原理
语言是思维的工具。语言不只包含口头语言和书面语言、姿势、图画、古迹、视觉现象、手指运动等，这一切有意地和人为地用来作为符号的东西，从逻辑上讲都是语言。思维又是大脑的机能，思维科学就是教会人类养成自觉动脑的习惯并培养人类形成科学的思维方式。思维科学的研究表明，人的思维水平通过训练可以提高，其中画图是一种很好的思维训练工具。分类(分组)、概括(归纳)、演绎、顺序(时间、结构、程度)是思维科学强调的重要能力。在各类思维训练的著作中都强调运用图形来发展人的这些基本能力。就拿学习结构图来说，学生对结构图的梳理本身就是对内在图式修正、调整与重建的过程。同时，在解决问题时，建议运用画图来帮助解决问题。因为在画图的过程中，思维中的三对矛盾，即抽象和想象、概括和具体、分析和综合才能很好地结合起来，帮助人们从多角度、多方位全面地思考问题，寻求解决问题的途径。
在遇到一个复杂、困难的问题时，逻辑学要求我们首先精确地确定问题之所在，把该复杂问题分解为多个相对简单的问题，然后逐个找出解决这些简单问题的可以操作的程序、模式、方法和准则，再给出这些问题的解决方法，进一步检验它们的真假对错等，这就是一个逻辑推理的过程。在这期间要遵循逻辑学的基本规律，即同一律、矛盾律、排中律等，这样才能确保推理的过程具有确定性、一致性、明确性。教学设计就是一个问题解决的过程，不像人们通常在“食谱”或使用手册中发现的教学程序那样，教学设计反对死板、容易复制的结论。从本质上讲，每一个教学设计项目都会有新的创造，使用者不能每一次都遵照相同的方式进行教学，但所遵循的逻辑原理是不变的，即各种思想之间可以只用非常少的几种逻辑关系表示出来，这种简单性使我们有可能找到这些逻辑关系的通用规则，如向上、向下和并向的关系。
2. 脑科学和学习心理学
生物生理学和神经生理学的研究发现，在每个人的大脑中约含有上万亿个脑细胞，其中约有千亿个是活跃的神经细胞，它们每一个可与其他细胞构成多至两万个连接，这个结构反映了构成大脑物理结构的神经元网络系统。人的大脑思维也因此被看作是在一个庞大、错综复杂的网络结构下所进行的并行的、放射性的信息传递和加工过程。现代脑科学进一步发现，人的大脑是由大约140亿个神经元组成，每个神经元都与其他的神经元形成功能网络。人类对大脑的认识已经发展到泛脑网络阶段，泛脑网络学说认为，人的大脑可从宏观到微观分为回路、神经元群、神经元及分子序列等四级层次的网络。[17]人的学习、记忆和思维正是通过这样一个网络系统来进行的。实验表明，人的大脑在进行学习思维时是以并行方式进行工作的。[18]人们习惯的文本学习材料，由于是线性结构，在学习时往往要沿着由始至终的顺序路线进行，缺乏并行性。这种线性而非并行的学习材料和学习方式，不利于复习巩固和有效记忆，也不利于得出内容之间的有机联系和产生联想，也就妨碍了进一步的分析研究和创新理解。[19]知识存储的网状模式证明人的思维完全可以突破时间和逻辑的线性轨迹，使人的各种想法自由翱翔于思维的广阔天地，进行任意的跳跃和生发，也可以任意调换先后次序，进行自由组合。
3. 脑图和概念图
东尼·博赞发明的脑图是一种很有效的图示方法，表现形式上是树状结构。它把注意的焦点清晰地集中在中央图形上，主题的主干作为分支从中央向四周放射，分支由一个关键的图形或者写在产生联想的线条上面的关键词构成，比较不重要的话题也以分支的形式表现出来，附在较高层次的分支上，各分支形成一个连接的节点结构。脑图以其放射状的形态，不仅提高了学习者的发散思维能力，而且使其学习内容之间紧密相联，便于记忆内容的唤醒，同时也将整个思维过程直观地呈现出来，有利于对其学习过程作出评价，是一种有效的教学设计图解的方法。概念图是用来组织和表征知识的工具。它通常将某一主题的有关概念置于圆圈或方框之中，然后用连线将相关的概念和命题连接，连线上标明两个概念之间的意义关系。脑图和概念图都是已有的可以利用的可视化教学设计工具，概念图强调知识的组织化，而思维导图强调思维的过程性，但二者殊途同归，最终都以图形方式表示了一种关系状态。研究表明，用结构图的方式呈现内容，比语言的描述让学生更能明白事物之间、概念之间、知识之间、问题之间、行动之间的相互关系和逻辑顺序。[20]
四、可视化教学设计的意义
1. 图解知识有利于教师学习共同体开展集体备课
为了提高教学质量，建立教师学习共同体，鼓励教师集体备课，画图是一种很好的交流工具。图示的结果不但可以帮助上课教师阐明、解释自己的想法，而且有助于其他教师了解上课教师的基本思路。罗伯特·霍恩(Robert Horn)在其著作《可视化语言》(Visual Language)中指出，尽管人们日常的工作场所大多是语言性或非图视化的(口语、文字和数字等)，但事实上人脑的80%功能都用于处理视觉信息。因此，罗伯特·霍恩将在展示观点时整合视觉语言的各种优点作出简要概括，即视觉语言可以帮助决策、提升印象、缩短交谈、促进共识和利于说服。[21]
2. 图形内容就是学科的基本结构，有利于学习者学习
学科有其逻辑性，倘若学习者理解了学科，就会发现学科有一些关键特征，这些特征将有助于学习者熟练地掌握该学科。图形内容就是学科的基本结构，有利于学习者学习。因为学科知识结构之间存在着某种基本逻辑，学生在理解该逻辑之后再学习细节部分就相对比较容易，有助于学习者熟练地掌握该学科。杜威曾在一篇论文中将学生的学科学习与普通人的探险旅游进行比较。他认为，在游历某个新的地方之后，旅游者会制作一幅地图。该地图并非是为了表现他在旅游中获得的兴奋和快乐，而是为了向其他人展现他们将遇到的主要景点及景点之间的路径关系。对于学习者而言，当其进入某学科学习之初就能看到这张地图，这将帮助他建立起一个关于该学科学习的初步概念，使他们能够为即将面临的问题和困难作好准备。另一方面，对于制图者(教学设计者)而言，这份地图不是只对学科学习过程的片断式的回忆，而是对整个学科概念系统的梳理。[22]
3. 画图可以简化教师的备课形式，引导教师关注学生和学生的学习过程
教学设计是一个问题解决的过程，而画图是一种很有效的思维工具，它可以帮助设计者进行创造性思维。通过画图，设计者能够分清主次，更快更清楚地看出一些主要思想如何彼此关联，形成组织思想并加以深化提炼的能力。图形给了学校教师一个非常有用的中间平台，使他们在思维过程与教学决策之间平稳过渡，而不再重复耗时费力的起草、再起草过程。凭借教师的教学经验，他们发现利用思维导图可以快速、高效地准备讲课教案，除节省时间外，教师在讲课之前迅速浏览一下思维导图教案，便可以轻松把握全盘内容，精确分配讲课时间，传授的知识量也迅速增加。[23]备课形式简化了，教师才会有更多的时间关注学生本身。可视化教学设计的价值真正在于每一位教师都成为设计者，赋予图形以创造性知识，并充分展示课堂教学的生命活力。
4. 问题解决需要手脑并用，画图是个体全身心参与的实践过程
人类的思考、学习、问题解决不仅仅内在于人类的头脑中，而且需要借助于模型、图形、人与人的交流等。在杜威看来，思考或知识的获得，远不是一种坐在扶手椅上就能进行的活动。原因在于，它不完全在脑皮质之中进行，也不会仅仅借助大脑皮质和发声器官一起就能持续进行——手和脚，各种各样的仪器和用具，如同大脑中的变化一样，也是思考的组成部分。[24]可视化教学设计实现了手脑并用，实现了图形的空间组合，使教师全身心参与到积极的实践中，更有利于教学问题的解决。
5. 图表使结果表述更加形象直观，易于理解，从而加深学习印象
思维导图、概念图和思维地图等画图工具，它们有一个共同的特点就是将文本形象化、时空层次化、信息秩序化，通过对图像、文字、符号、色彩等视觉元素的综合运用来处理一些单靠文本或数据很难解释的信息间的相对关系，并试图通过视觉语言提高信息传达的感染力、丰富性及交流的效率。“信息图表”就是一个信息传播领域“可视化”运用的例证。并不限于常用的数据图表，“信息图表”将视觉审美艺术同量化、准确的数字文本信息结合在一起，用适当的视觉语言将数字与数字间的关系有效地组织和归纳，形成既易于理解又具有戏剧化色彩的图形格式，使人们以最少的时间消耗和最大的趣味性去理解文本、数据所传达的趋势、差别、变化等，帮助读者理解过于乏味的描述性文字。教学内容设计也可以借鉴“信息图表”的设计方法，形成多样化的视觉表达，帮助学习者理解学习内容，提升学习效果。
五、可视化教学设计的应用实例
其实，教学设计研究伊始，就有可视化的尝试和不同程度的发展，只是没有系统性地开展可视化教学设计应用研究。例如，教学内容的层级分析、教学过程的程序流程图、教学决策的头脑风暴过程等都是可视化的尝试，像这样的图形有许许多多。可视化教学设计研究不是穷尽这些图形，而是找出一些画图的基本规律，而可视化教学设计应用，则在于用这些规律去指导实际的教学设计分析。图形是一个工具，在目标分析、内容分析、学习者分析、策略分析、评价分析的画图方法应该是不一样的，在这方面有必要形成一些基本“规则”，这也是可视化教学设计研究工作的任务。
1. 应用于教学决策
画图的过程，就好像组合型的问题一样，正确答案不是唯一的，或者说，正确答案是自己创造出来的。画图也是决策的一部分，通过教学决策流程图可以使教学决策者明白分析的任务和具体操作步骤。下面可以看到一个具体运用可视化促进头脑风暴会议的实例，基本思路如图3所示。
在可视化设计过程的指导下，一位教学设计者决定利用一次头脑风暴会议来帮助团队突破原来的想法。她给每个参加者分发了几张有粘性的便条，要求他们在2～3分钟之内写出能够想到的当前面临的问题——每个便条上写一个问题。在没有揭示出书写者姓名的情况下，她大声读出每个纸条上的内容，并把纸条贴在大活页纸上。在所有的纸条被贴上以后，她询问团队成员是否觉察到了集中的题目。当他们说出总结题目的单词或短语时，她就在大纸的上端写出短语，队员们一起将纸条进行分类，把每个纸条放在合适的标题下面。接下来通过组织与缩减分类项，进一步优化问题。最后以相似的技巧集中于每个问题的解决上，一次处理一个问题——首先在粘纸条上写下他们的观点，然后把纸条上交，并大声读出内容，大家进行表决。[25]
2. 应用于教学内容分析
教学内容如果是经过整理的，可以直接拿来画图;但如果内容还没经过整理，也没关系，只要一边画图一边尝试错误，从中整理出有价值的信息就可以了。一般在教学内容分析时，画图要注意以下几个基本环节：熟读材料，抓住核心，明白教什么;内容分类，结构化，制作关系图;确定教学重难点，进行价值判断;教学内容编排，掌握顺序。同时，进行图解是一个深度加工的过程，所以用轻松的气氛开始投入，相当重要。图4和图5是两位教师对小学四年级语文课本中《太阳》这一课文进行的内容分析图，形式上差异很大，这完全符合教师进行教学设计的真实情况。
加拿大学者范梅南认为教学就是“即席创作”，[26]教学不仅需要技术和技能，而且需要艺术素养和审美情趣。目前教育研究界提供的教育教学指导过于单一、机械，忽略了教师工作的复杂性、动态性和审美功能。如果教师实践教学中的知识归纳、分类与图解能力得到重视和开发，将能更好地发挥教师的个性特点，扩大教师的创造空间，放飞教师的思维。
3. 应用于学习评价分析
画图适用于教师教的过程，也适合于评价教学的结果。通过学习，学生在思想和行为上应该出现什么变化?教师怎样知道这些变化已经发生了?图形反映出什么不同，怎么不一样?差异感在哪里?对于以上问题，通过图形分析都可以直接或间接得出结论。
首先，现场通过学生画知识图，依据序号的排列评定学生对知识点的熟悉程度与思维方式。教师强调学生在画概念的同时写下序号，编号靠前是学生获得的新知识框架中最稳固、印象最深刻的概念。构成关系图后，沿着数字递增的顺序，知识点呈现的逻辑状态反映了学生的基本思维方式。
其次，从知识表示的能力看，概念图能够构造一个清晰的知识网络，便于学习者对整个知识架构的掌握，有利于直觉思维的形成，促进知识迁移。通过画概念图可以直观快速地检测到学习者是否把握了一个概念体系。旺得瑟认为，[27]概念图创作连接着学习者的理解、解释、认知转换以及创造力。通过层级分析，也可以了解学生对知识逻辑把握的深度和广度。
最后，思维导图呈现的是一个思维过程，学习者能够借助思维导图锻炼发散性思维能力。同样可以通过画思维导图让学习者回顾整个的思维过程，看清学生思维的脉络。罗宾逊认为，[28]一张思维地图就像教室的一面镜子，反映了学习者思维的流畅性、灵活性和独创性。通过思维导图，不仅可以注意到学生的模仿能力，还能注意到有没有扩展，思维过程是否灵活、概括迁移能力的强弱、是否善于组合分析、伸缩性大小及思维的结果等。
人类的经验证明，不太成功的问题解决者似乎会花更多时间固守着无效的策略或方案，而不会寻找最佳的策略与方案。而成功的问题解决者则很快就会发现他们最先发现的方法是否有效，假如不适宜，他们就会改变策略。经典的教学设计模式将教学设计过程还原为分析、设计、开发、实施和评价等五个阶段，每一个阶段又有具体的任务，但在实践中却很少有人以这样的方式来进行教学设计，这已成为困扰教学设计发展的瓶颈问题。假如从可视化着手，在教学设计的每一个阶段都尝试通过图示的方法进行，传统的教学设计不仅会变得简单易操作，而且因给予了教师创造的空间，也会进一步促进教学设计理论对教学实践的指导。
作者：李芒 蔡旻君 蒋科蔚 王妍莉
第三篇：3D可视化教学资源在教学中的应用研究
摘 要：信息化教学的普及离不开数字化教学资源的支持，而3D可视化教学资源将课堂情境与生活情境相融合，不受时空限制，方便传输和使用，很大程度上满足了课堂的教学需求。文章结合《教育信息化2.0行动计划》的纲领性文件明确阐述：基于互联网的大资源观，在实际教学资源开发中需要融入具体的学科课程，迎合当前建设优质的“金课”和虚拟实验室等理念，更好地促进知识资源的数字化以及平面资源立体化，从而改变学生传统的学习方式。
关键词：3D可视化;教学资源;资源开发;应用研究
一、3D可视化教学资源的内涵及其特征
1.3D可视化教学资源的内涵
3D可视化技术是一种新的管理、分析和交互数据的方式，能实现高品质、逼真和实时渲染3D图像。3D可视化教学资源是指利用三维场景、动画、立体化图片和可视化等技术来制作教学资源库，目的是使抽象的二维平面教学内容实现直观化和立体化。3D可视化教学资源力图创设一个高度可视化和强沉浸感的视觉教学环境，更好地带给学习者直观化的教学体验。
随着3D教育的重视，越来越多的3D教学资源引入了传统课堂，教师利用3D可视化技术呈现教学资源可以使学习内容更具情境化，方便学生掌握和理解。[1]3D教学资源应用于教育教学中具有创新教学理念、提升教学质量和提高教学效率的价值，但鉴于该资源成本高、投资大以及技术要求高和实践困难，现有的3D数字化教学资源的建设正处于实验探索阶段。因此，在未来课堂教学中，建设符合学生学习需求的3D数字化教学资源，以及促进3D资源与教育的无缝融合是当前教育亟待解决的问题。
2.3D可视化教学资源的特征
3D可视化技术可以给学习者的学习内容营造空间感和立体感的视觉体验，通过3D可视化教学资源还原一个三维世界，让学习者获得如同在现实世界一般身临其境的感受，可以促进学习者认知活动的完成。与传统的教学资源相比，3D可视化教学资源具有自身新的特征，如表1所示。
二、3D可视化教学资源的应用价值
3D可视化教学资源突破时空限制为教与学创设了新的教学环境，革新了传统教学活动方式，利用新技术推进了教学模式的创新。本文基于戴尔“经验之塔”理论、梅耶多媒体认知理论和活动理论视角对3D可视化教学资源的应用价值进行分析。
1.“经验之塔”理论与3D可视化教学资源的融合
戴尔的“经验之塔”理论于1946年提出，随着网络媒体的推广和发展，“经验之塔”也被赋予了新的时代色彩，发挥了最根本的理论指导作用。“经验之塔”按照抽象到具体的学习经验从塔底到塔顶排列，构成了金字塔模型。
“经验之塔”理论在学习过程中，符合学习者的认知规律：从简单到复杂，从具体到抽象。一般来说，直观经验不容易突破客观事物的本质特征，学生学习和运用起来难度较低，学生容易更好地集中注意力，有助于学生有意义学习的发生。由此得到启示，在教学过程中，越是直接具体的经验，越易于学生学习。3D可视化教学资源从具体画面入手，最大程度地构建了直接经验的学习环境。戴尔指出“教学过程中所采用的媒体的丰富化程度很大程度上决定了学习者所建构知识概念的牢固程度”。[2] 3D可视化教学资源的出现，丰富了数字媒体资源，可以给学生带来直观印象，便于理解和记忆。作为教学辅助资源，独特的视觉冲击性和交互性一般伴随着视觉符号和言语符号，一般处于“经验之塔”的塔基，将抽象知识可视化为最具体、最直观的经验，最大程度地支撑其它层次的获取，实现学习内容从具体到抽象的转变，更易于学习者理解。
2.梅耶多媒体学习理论与3D教学资源设计
梅耶基于言语和图像两种多媒体共同呈现材料的方式，构建出“多媒体学习认知模型”，该模型阐释了学习者在学习知识过程中自身的认知过程。梅耶认为，学习者利用多媒体学习是通过视听觉两个通道同时进行，并在通道信息加工过程中要遵循多媒体学习的双通道机制、容量机制和主动加工机制，从而让学习者形成长时记忆。[3]3D可视化教学资源的提出，考虑到学习者学习的认知规律及其有效性，依据梅耶的七条多媒体设计原则进行教学资源设计，其中多媒体认知、空间接近、时间接近和一致性原则的运用，很好地提高了部分学生的注意广度，使学习能够较好地达到教学目标要求;通道原则和冗余原则的运用，减少了学生的认知负荷，使学习迁移能力更容易实现;个体差异原则的运用，根据学习者知识水平的高低，跨越式地构建空间知识体系，丰富了个体与共同体学习环境的构建，能够实现学习者生命的成长与心智模式的完善。
3.活动理论与3D可视化教学资源的整合
活动理论主要包括学习的主体、客体和共同体三个核心部分，以及工具、规则和劳动分工的三个中介成分，从而由核心部分和中介部分所组成的六要素共同构成一个“三角模式”。在活动系统中，教与学中“活动”是核心，人们的行为活动必须围绕核心并以工具为媒介，且需要依托社会环境完成。基于3D可视化教学资源的教学活动是一种在真实而富有意义的学习情境中进行人与外界环境相互作用的活动教学。参考活动理论中的要素构成以及各要素之间的联系，提出活动理论视角下3D可视化教学资源系统框架，如图1所示，该框架以学习者为活动主体，强调3D可视化教学资源的中介性，通过学习规则、学习群体及学习任务分工合理设计课程知识，以3D可视化教学资源和教学工具为中介，更好地在活动系统中串联学习者和学习活动中的交互性，促进交流。
三、基于3D可視化技术的教与学应用
1.构建3D可视化教学资源开发系统
3D可视化教学资源是为了给学习者创设更加符合教学需要的直观化教学场景，设计开发时要充分考虑现实资源的获取和特定教学需要。为了避免制作的3D可视化教学资源与教学实际相脱节，在制作之前进行必要的模型设定。[4]本文从教学实践和学生角度出发，制定出可以直观、形象地呈现教材内容的设计开发系统，如图2所示。
3D可视化教学资源开发系统中，教师和学习者根据自身学习需求向3D资源中心发出请求，从资源使用的角度进行多视角和多维度的教与学活动分层。3D资源中心是整个开发系统的核心，它能够利用互联网及各类3D软件建立起三维模型数据库，以供教学使用。在模型建构环节，既可直接下载三维可视化模型进行精细化处理后使用，又可以根据实际教学需求，采集三维数据，遵循三维可视化资源设计思想与原则进行自主开发，最终依据人机学标准，对交互场景中的图片、文字、声音进行合理设计布局，实现学习者和虚拟环境中良好交互的功能，能够身临其境，进而营造一种“自主学习”的环境。
2.革新传统资源制作方式
传统的数字教学资源都是以幻灯片、视频和二维动画的方式进行制作，大部分内容都以文字和图片形式加以呈现，给学生带来的感官冲击力不足，难以直观呈现教学内容。随着知识可视化和信息可视化时代的到来，单纯的线性文字和图片已经不能满足当前学生的学生需求。3D可视化教学资源采用特定的模型建构形式生动形象地展示教学素材中的二维教学资源，并且特定的教学模型可满足不同的学习需要，革新了传统的二维平面教学资源制作方式，更好地适应教学需求。同时，3D可视化教学资源可以在有限的时间和空间内搭建出特殊的仿真数字教学平台，增强师生教与学的参与度，创设一种交互式、体验式的教学环境，特别是有毒气体的教学实验、重点文物古迹的课堂呈现和医学解剖的虚拟动画实验。如中国科学技术大学的关于物理学科的3D可视化教学资源引进，其虚拟实验平台搭建更好地帮助了师生理解实验原理，提高了学习效率。[5]
3.创新信息时代教学设计新范式
信息时代的教学设计已经成为一个更具挑战性和多学科融合的过程，利用可视化的手段将复杂的教学设计直观化和视觉化，可以更加容易地规划教学活动环节和设计教学模式。3D可视化教学资源为教学提供了新工具，也为教学领域创新提供了技术支撑，更好地创新教学设计新范式。
霍尔蒂在视觉媒体研究方面曾提出，“教学设计者应该结合显性知识和隐性知识特征将教学内容外显化”。[6]换言之，教师应该在可视化技术的支撑下，运用可视化思维将自己的教学理念和教学思想融合到教学设计中，并恰当地传授给学生。将3D可视化教学资源应用于文物修复和博物馆学等专业，可以在以信息技术为支撑的条件下创设一种新的文物课堂教学体验，“智能化”、“直观化”、“人性化”的活动元素，可以促进教师与学生、学生与学生、师生与媒体之间的知识创造与传递，更加易于学生在不受时空限制的真实情境中进行观察、思考和实践活动，最终学生可在虚拟平台上及时对文物进行调整和修复，在可视化的教学设计中提高学生行为上的参与、情感上的投入和思维上的主体发展。
四、3D可视化教学资源应用的思考
“互联网+”时代需要更加多样的学习资源，3D可视化教学资源以其直观化和沉浸性为学习者带来更加立体逼真的视觉冲击。目前，将3D可视化技术与学科课程相结合进行资源开发的方式具有一定的开拓性和前瞻性。但在教学的实施过程中难以普及和应用，主要原因是3D可视化教学资源现存在以下亟待解决的问题。
1.3D可视化教学资源制作成本高、难度大
3D可视化教学资源的制作成本较为昂贵，精细化的三维教学模型制作需要利用3D摄像机到实地进行照片采集，而且对拍摄的过程和图片的精细度要求极高。之后需通过专业的3D绘制软件进行精细化的制作，这过程对计算机的配置较为严苛，最终投入教学使用也需要学生佩戴3D眼镜。一系列过程下来，3D教学资源制作所花费的成本和付出的精力远高于传统教学资源制作，过高的制作成本和颇高的难度极大程度上限制了3D可视化教学资源的普及速度和广度。
2.3D可视化教学资源制作师资缺乏
将3D可视化教学资源引入课堂教学中的目的在于弥补传统教学资源平面化的不足，更好地改变教学过程中的教学环境，而3D可视化教学资源的制作是技术环境搭建的第一步，也是资源使用的核心环节。然而，当前在教学领域缺乏会制作3D可视化教学资源的师资队伍，具体体现为总体数量不足、教师知识与技能不匹配、资源制作与职业素养缺乏等方面。[7]培养3D可视化资源设计与制作的专业教师团队是建设3D可视化教学资源的关键，也是助推未来教育“金课”的重要环节。因此，要想推进3D可视化教学资源在课堂教学中的应用，必须强化师资培养，打造精良的专职教师资源开发梯队，并为其提供一个协作与设计工具兼备的共同体环境，以支持3D可视化教学资源更好地应用于课堂教学。
3.教学中还未体验到3D教学资源的优势
3D可视化教学资源能最大程度地创建空间感和立体感极强的，且易于学习者主动参与体验学习过程的学习情境。[8]但当前3D资源主要出现在广告、影视、游戏领域中，教师和学生接触3D资源基本是在校外生活中，在学校教育中还尚未体验到3D可视化技术带来的视觉冲击和教学优势。当前教育界已经开展的相应教育项目虽然证明，3D可视化教学资源有益于优化课堂教学且激发学生兴趣、提高学习成绩，但关于长期使用3D可视化教学资源是否有持久的正向影响，且怎样将3D教学整合于学科课程中，更好地降低学习者的认知负荷，并在游戏化的教学中完成自己知识点的建构，仍需要进一步思考。
五、结语
未来教学中，学习者需求的不只是理解和识记知识，更多的是建构知识和锻造思维。3D可视化教学资源改变了传统教学资源平面化、表现力不足和缺少艺术性的现状，给“互联网+”时代下的教学资源需求指明了方向，在信息技术支撑下创设的立体、逼真和直观的三维学习环境将成为一种主流趋势，更多的是给学习者带来一种身临其境的学习环境，使学生在学习过程中能高度投入，更好地激发学生兴趣，催生学习创意，从而建构自身知识体系，进而提高课堂学习效率。
参考文献：
[1]闫春霞.面向课堂教学的3D教学资源设计研究[D].武汉：华中师范大学，2016.
[2]耿新锁.戴尔的“经验之塔”理论及其现实意义[J].教育史研究，2003(2)：68-71.
[3](美)Richard E.Maye著;牛勇等译.多媒体学习[M].北京：商务印书馆，2006.1.
[4]董红娟，谢志昆，董瑶，陆晓红，左薇.基于3D可视化技术的教学资源设计开发研究——以文物与博物馆学课程为例[J].中国信息技术教育，2019(Z3)：169-173.
[5]李娟娟.物理虚拟仿真实验系统的设计研究[D]. 扬州：扬州大学，2012.
[6]Hortin J A.Instructional Design and Visualization[J].Performance & Instruction，1983，22(8)：20-21.
[7]王曉飞.让3D技术成为教育信息化的助推器[N].中国教育报，2010-01-12(04).
[8]李蕾，王健，曹俊.3D影像资源在教育中的应用探析[J].中国电化教育，2011(2)：77-80.
(编辑：王天鹏)
作者：董红娟 谢志昆