知识可视化在大学教学模式中的探索

实验心理学家Treicher通过实验证明，人们在接受信息的过程中，有83%的信息是通过视觉获得的，由此可知视觉在获取知识的过程中所起的作用最大。因此，在教学中引入一定的视觉效果，利用图形图像手段来传达和表示复杂知识，利用可视化技术将抽象的理论知识和推导结果变成学生容易接受和认知的表达方式，帮助学生正确地记忆和应用知识。

知识可视化是研究如何应用视觉表征改进两个或两以上人之间复杂知识创造与传递的学科[1]，也就是采用图形和图像的手段将知识表示出来，形成直观的表现形式，从而促进知识的传播和创新。

1 知识可视化的表现方式

M.J.埃普拉、R.A.伯卡德将知识视觉表现方式分为6种类型，分别是启发式草图、概念图表、视觉隐喻、知识动画、知识地图和科学图表[2]。这些视觉表征类型可相互混合使用，直接作用于知识的外在表现形式。

现在进行知识可视化的软件工具越来越多，且各类视觉表征的表现形式也越来越丰富，比如采用ANSYS、MARC等软件可对零件的受力和变形情况进行分析，将大规模的计算数据转换为动画或图片形式直观地表示出来；DEFORM、DYNAFORM等软件可直观展示金属的塑性成形过程；Mindmapper、Mindmanager等软件可用于绘画思维导图、信息管理及工作流程处理。

2 知识可视化在教学中的应用实例

实例1：齿轮强度校核 齿轮设计中包括选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数，按齿面接触强度设计，按齿根弯曲强度设计，几何尺寸计算等多个步骤，涉及许多计算公式，计算过程长且繁琐。而且最终通过强度计算后，学生也仅仅知道该齿轮满足了齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度的要求，对齿轮在外力作用下的危险截面在哪个部位，齿轮在外力作用下如何变形等问题，学生在计算过程中全然不知。

在讲解此部分内容时，可加入齿轮应力仿真分析结果，如图1所示，学生可通过仿真分析后，分析软件会以图解方式将计算的大量数据和结果直观地呈现出来，以便更好地理解、记忆和运用。

实例2：螺栓强度计算 进行螺栓连接的强度计算时，先进行螺栓组的受力分析，分为受横向载荷、受轴向载荷、受转矩和受翻转力矩等4种典型载荷，并对受力最大的一个螺栓进行强度计算，此步骤分为受剪螺栓和受拉螺栓的强度计算，其中受拉螺栓中又分为松螺栓连接强度计算和紧螺栓连接强度计算，而紧螺栓连接强度计算又细分为3种：仅承受预紧力的紧螺栓连接、承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接和承受工作剪力的紧螺栓连接。由此可看出，在进行螺栓强度计算时，涉及的概念、螺栓种类和计算公式非常多，学生在刚学到这些知识时，会觉得计算过程非常复杂，常常在计算时代错公式。因此，将螺栓强度计算的所用知识以图表形象地表达出来，如图2所示，借助图表将计算过程中所有相关知识清晰地描述出来，学生在理解这部分内容时，可清楚地理顺彼此间的关联。

实例3：凹模锥角与拉拔应力关系 孔式凹模拉拔时，变形主要集中在模孔压缩区，凹模锥角太小，将使管材在拉拔过程中与模壁的接触面积增大，使金属在变形区中的流线急剧变化；凹模锥角太大，则造成不稳定的拉拔。为了形象、直观地反映出拉拔的动态过程，建立多个不同凹模锥角的三维模型，并利用DEFORM有限元仿真软件进行仿真分析，可以直观描述出金属塑性成形过程如应力、应变、温度的分布状态及金属变形状态等，其分析结果可以表现为仿真结果的等值线、云图等显示方式。

图3所示为凹模锥角对最大应力的影响模拟值。由此结果可看出，在凹模锥角一定的取值范围内，棒料的最大应力最小，凹模锥角过大或过小都会使棒料的最大应力值增加。通过模拟使得复杂的金属塑性成形过程变得直观而又具体，使教学过程生动直观，有助于学生对理论知识的理解和掌握。

3 结论

在教学过程中引入知识可视化技术，可将复杂难懂、抽象的理论知识，采用丰富的视觉表征以利于学生接受和认知的图形图像，直观、简单地呈现到学生面前，有利于知识的理解和传递。

参考文献

[1]赵国庆，黄荣怀，陆志坚.知识可视化的理论与方法[J].开放教育研究，2005，11（1）：

23-27.

[2]Zhong Da， Zhang Jianping. Knowledge visualization： an approach of knowledge transfer and restructuring in education

[C]//International Forum on Information Technology and Applications （IFITA）， IEEE Computer Society. Chengdu， China，2009，3（5）：76.