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作者：尹晗、张际平
摘要
相对课堂教与学传统与未来的分界，思维可视化视角的必要性和独特性日益显著，值得塑造。可视化标识当代文明演进的特定领域，思维可视化与知识可视化的时间临界、空间临界、人员临界，表征了思维可视化与知识可视化的对立统一联系。思维可视化技术应用于未来课堂，映射了思维可视化教与学活动和思维可视化教与学环境两元要素所缔结的未来课堂架构。未来课堂架构思维可视化的设计与开发模型，描述和说明了未来课堂的思维可视化教与学活动及其环境。未来课堂的思维可视化教学活动，展现了思维可视化教学与思维可视化学习的协同；未来课堂思维可视化教与学环境，体现了思维可视化有形技术与思维可视化无形技术的融合。
关键词：可视化；知识可视化；思维可视化；未来课堂；未来课堂架构
一、思维可视化的源起与发展
“‘可视化’作为专业术语的出现，始于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”[1]。这一点几乎成为研究者的共识，但也有不同的见解，如，“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”[2]。无论如何，可视化是思维可视化的源泉之一。
(一)可视化是当代文明的一个标识
“可视化在不同领域的发展形成多个不同的分支，其中信息可视化和知识可视化分别是可视化在信息科学领域、教育学及心理学领域的独立发展”[3]、“可视化是一种计算的方法”[4]、“可视化技术是一种特殊的计算方法”[5]等，仁者见仁，智者见智。其实，关于可视化意义的界定和解读，最为有效的途径，是对可视与可视化对立统一联系的认识。
1.可视化对人类认识领域的拓展
虽然，作为领域或研究领域的可视化，经历了公认的科学计算可视化、数据可视化、信息可视化、知识可视化四个阶段，但是，迄今为止，几乎未见刻意对可视化与可视加以区分的研究。因而，人们都认为，图示及其衍生意义人机、人际交互，是可视化的本质特征。可见，目前的可视化域界，局限于图示，阻隔了可视对象文字、实物，自有缘由。
可视是可视化的基础，可视化是可视的发展，两者的联系，主要表现为意义的封装或释放。意义，是人类对事物及其联系的感性和理性认识的耦合与迭代。此处，名词化的认识，指代意义建构的结果；动词化的认识，指代意义建构的过程。从感性认识的感觉、知觉、表象，到理性认识的概念、判断、推理，意义封装主指表征事物及其联系的数据结构抽象强化与数据显示量缩减化；意义释放主指表征事物及其联系的数据结构具象强化与数据显示量扩增化。可视与可视化对意义封装或释放的两种不同取向，即两者的视觉表征冲突，是可视与可视化对立统一联系的一种表现，同时，也是可视化拓展人类认识领域的标识。
2.可视化对人类认识活动的优化
在对可视化方法、可视化技术、可视化过程、可视化活动的研究中，强调可视化降低认知负荷的效应，隐喻了可视对认知负荷的升高。将意义封装及其阐释(与上文的“释放”含义不同)等同于降低认知负荷的看法，值得商榷：可视对象的制造者和使用者的认知负荷是不同的，一方降低，另一方则升高；相对于可视对象的使用者，并非总是置身意义封装及其阐释降低认知负荷的情境之中。
更加引人瞩目和发人深省的是，意义封装或释放和认知负荷升降具有对立统一联系。这种联系，寓于可视与可视化的矛盾体，是可视化的本质特征，同时，也是可视化优化人类认识活动的标识。“任意时刻，我们只能理解周围的少量信息，但通常正是这少量的信息可以使我们完成此刻的任务”[6]，这指出了意义封装降低认知负荷的时空适用性；“在知识爆炸的时代背景下，伴随着信息技术的飞速进步，知识可视化迅速发展为一门新兴学科”[7]，则预测了信息文明时代意义释放升高认知负荷的潜在必要性。
3.可视化发展的高级阶段呼唤思维可视化的来临
在可视化发展高级阶段的初期，人们期望“知识可视化的目标是传递内在的领悟、经验、态度、价值、期望、视角、观点和预估。以这种方式，其他人可以重构、记忆和正确地运用这些领悟”[8]、期盼“需要提供可以将知识进行可视化表达的工具”[9]，见证了知识可视化的发展过程。
当知识可视化如火如荼之时，“把看不见的思维过程以可视化的形式清晰地呈现出来，即思维可视化(Thinking Visualization)”[10]。“‘思维可视化’就是把学习过程中的思考方法和思考路径通过图示技术呈现出来”[11]，渐行渐近。思维导图连接了知识可视化和思维可视化，并以“思维导图是从多个来源获取信息，然后将信息作为关键词，用多样的颜色来显示”[12]。“思维导图的主要要素包括中心节点、分支节点、连线、注释和一些辅助信息”[13]，“思维导图是非常个性化的图示表示方式”[14]的鲜明特色和显著功效，成为思维可视化的核心技术。顺应当代潮流，思维可视化的疆界形成了，其含义如图1所示。简单地说，思维可视化是以视觉表征联结知识传播或创造的始态与终态的绩效化活动。
(二)思维可视化与知识可视化的对立统一联系
思维可视化与知识可视化，既有分界，也有交界，谓之临界。临界，主指事物对应、交互、转化联系的特定形态及其约束条件。思维可视化与知识可视化的临界，如表1所示。
思维可视化与知识可视化的时间临界，是时间域内对思维可视化与知识可视化对立统一联系的表征。例如：标记教科书的初始使用时点，此前教科书制造者思维或知识的意义封装或释放，转换为此后教科书使用者知识或思维的意义封装或释放。思维可视化与知识可视化的空间临界，是空间域内对思维可视化与知识可视化对立统一联系的表征。例如：标记板书的呈现位置，此内板书制造者思维或知识的意义封装或释放，转换为此外板书使用者知识或思维的意义封装或释放。思维可视化与知识可视化的人员临界，是人员域内对思维可视化与知识可视化对立统一联系的表征。例如：标记“基础教育域内的教师、学生”人群，人群中施行基础教育的专任教师X的思维、知识的意义封装或释放，转换为人群中接受基础教育的学生Y=F(X)的思维、知识的意义封装或释放；人群中接受基础教育的学生Y的思维、知识的意义封装或释放，转换为施行基础教育的专任教师X=F-1(Y)的思维、知识的意义封装或释放。
(三)思维可视化融入教与学的探索
1.思维可视化与学科整合的研究
全国教育信息技术研究“十二五”规划(2011)重点课题《思维可视化技术与学科整合的理论和实践研究》(华东师范大学张际平团队)引导教师开展基于思维可视化技术的教学模式的设计，形成一套高效的课堂教学模式：教学目标设计；教学方法设计；课堂教学流程设计；作业设计；思维能力强化练习、教学效果评价设计。运用思维可视化手段及原理，开发出针对不同学生群体、不同科目的、不同训练目标的思维可视化教学资源：导学案；教学课件(讲义、PPT)；课例(样板课、视频等)；辅助教学资料；思维能力专项训练方案及图示模板。为教师提供“”思维可视化技术学科教学应用“”的培训及指导，并配套相关学习资料，使教师掌握各项思维可视化技术在学科教学中的应用方法：各种思维可视化图示(包括思维导图、模型图、流程图等)的原理及绘制方法；图示技术与学科教学的初步整合(包括课件制作、教学设计、作业设计等)；图示技术与学科教学的深度整合；将考试规律→学科规律→思维规律→心理规律用图示技术呈现出来。
引导学生运用思维可视化技术进行自主学习，如，运用图示技术进行课程预习、记课堂笔记、复习、解题等，提高学生自主学习能力：逻辑思考能力(概括、推理、归纳、分析等)训练；理性解题能力训练；发散思考能力及创造能力训练；对思维可视化教学资源(课件、图示化学习模板、解体模型等)的有效运用。
2.思维可视化技术应用于未来课堂教与学的设计与开发
(1)思维可视化技术系统包括分析、设计、开发、应用、评价、再造六个子系统。思维可视化分析：辨别知识传播与知识创造分类的差异性；明晰知识域内意义封装或释放和认识结构及负荷的关联程度；建立思维可视化设计的基本理论。思维可视化设计：需要相应的基本理论予以指导，但也具有对该理论进行修正的反作用力；强大的反冲，致使创意和策划的个性化十足；约定俗成的语言符号系统，表征了“思维可视化制品及服务的详细说明”。思维可视化开发：理念鲜明的设计示例，经由实例，转变为大众能够接受或比较满意的制品及服务；在此过程中，应用优先、兼顾设计的原则成为共识。思维可视化应用：思维可视化开发的制品及服务，依托公共财政、依赖公民消费转化为大众的资源或活动。思维可视化评价：对大众的资源或活动中，思维可视化制品及服务的功效予以综合计量，包括分析、设计、开发、应用的全过程追踪。思维可视化再造：依据思维可视化评价的结果，对思维可视化制品及服务进行改造或更新。
(2)对课堂及未来课堂的思维可视化分析。无论广义或狭义，思维可视化技术都包含于信息技术领域，诚如“教育信息化的落脚点是课堂教学信息化，而课堂教学信息化的基础是教学内容展示信息化”[15]。“当然，课堂的一个重要因素是使用教室里的空间”[16]、“教室、实验室和工作室附带的电脑、投影仪、网络和电子设备带来用于教学的物理空间的转变”[17]、“新的技术的不断涌现及在教室课堂中的应用，必将会改变课堂的结构和形式”[18]等，无一不是显性或潜性的关于课堂进化的思维可视化分析。
“未来课堂(Future Class-room/Classroom of the Future)是相对于传统和现代课堂而言的，在相关的理论和技术支持下，充分发挥各课堂组成要素(人、技术、资源、环境和方法等)的作用，实施教与学，以促进人的认知、技能、情感、学习与发展的活动及环境”[19]，是课堂进化的典范，其中和思维可视化分析有关的要素，落入活动和环境的课堂定格。
(3)未来课堂架构思维可视化的设计与开发模型。长期致力于未来课堂研究的学者们，给出了一系列关于未来课堂架构的分析结论：“未来课堂的设计主要从课堂环境设计和课堂教与学的活动设计两方面入手”[20]；“未来课堂研究的管理范畴应主要研究未来课堂设计与应用的规范和标准”[21]；“互动将成为未来课堂的核心。研究未来课堂的互动形式与特性，使得未来课堂能够更好地满足和服务于学习者的学习，创建符合未来人才培养需要的课堂”[22]；“未来课堂作为一个高互动的学习空间，其设计与应用更多地体现以人为本、注重人与环境、技术和谐的理念”[23]。以此作为主要参考依据，并参照未来课堂思维可视化教与学的若干案例，在思维可视化视域内，笔者建立了如图2所示的未来课堂架构思维可视化的设计与开发模型。
该模型具有理性分析与经验基础，系统地抽象了未来课堂思维可视化教与学的活动、环境及其两者的对应和交互。活动域内，概括了教师的思维可视化教学和学生的思维可视化学习，使教师对教学绩效的评价(评课)、教学流程的设计(备课)、教学程序的开发(授课)等教学活动和学生对学习绩效的评价(复课)、学习流程的设计(预课)、学习程序的开发(受课)等学习活动得到有效协同；环境域内，概括了有形技术的思维可视化装备配置和无形技术的思维可视化设计理念，使装备配置的宽带网络、计算机多媒体、智能系统等有形环境和设计理念的人本性、开放性、混合性等无形环境得到有效融合。活动和环境的对应，是一种弱相互作用，反映了两者之间相互联系的现象；活动和环境的交互，是一种强相互作用，反映了两者之间相互联系的本质。凡此种种，浩繁复杂，不胜枚举，下文仅围绕重点环节，有针对性地加以阐述。
二、未来课堂的思维可视化教与学活动
“未来课堂作为实施课堂教学活动的主要场所”[24]，其思维可视化教与学活动，如图3所示。
(一)未来课堂思维可视化教与学活动案例
与“由于未来课堂环境与传统教学环境有很大程度上的差异，为实现未来课堂教学模式实现的目标，所以在预习环节、引入环节以及教师在教学过程的组织及学习者在小组进行合作探究学习时头脑风暴过程中的观点组织中使用了思维导图这一可视化工具，注重培养学生的发散性思维和系统性思维等思维技能”[25]的思维可视化教与学策略相应的思维可视化教与学案例，如表2所示。
针对学科特点，思维导图成为未来课堂思维可视化教与学活动的核心。其中，教学设计思路图，发端于教与学绩效评价的思维；教师为学生预设和定制预习导图，能够培养学生的发散思维能力和概括能力，学生根据复习和预习情况修改预习导图，形成和教师的互动；教师备课导图，表征教师设计教学流程、开发教学程序的思维路径；表征教与学资源再生性的生成导图，由教师与学生的思维共振所标识。如此的流程设计和程序开发，系统地将教师的思维能量向学生群体传输，再促使其把所学的知识和技能迁移到相似的实际情境中，以形成勇于探索问题的主动思维能力。
(二)未来课堂教师的思维可视化教学
克服“教育工作者通常在教授学习者学习学科内容方面取得成功，却忽略了如何教导学习者有效地思考问题”[26]的惯性，需要增强思维可视化教学的活力。
1.思维可视化教学理念
对于提高学生思维能力的层级，按照课程标准编制的教科书和参照教案及学案制作的板书以及由教案、学案、笔记、作业、试卷为要素构成的笔书，各自具有怎样的效力?这是教师在思维可视化教学活动中必须首先思考的问题。教师传播教科书的知识，并将自身对其的理解贯穿于板书，教师的思维由此转化为学生制作笔书的思维，形成教师向学生的思维转移。因此，教师在阅读学生笔记、批改学生作业、评判学生试卷的过程中，应该判断：相对于学生思维能力的提高，意义封装或释放的切换有哪些不利、哪些有益？教师需要洞悉意义封装或释放对学生学习时间、学习空间的影响，进而产生“学生认知负荷的降低并非总是有利于学生思维素养”的教学理念。教师要认识到：真正有效的思维可视化教学法，是以意义封装或释放的恰当选择调控学生认知负荷的降低或升高。
2.思维可视化教学行动
依据评课结果，精准定位教案的思维可视化教学功能；精准定位思维可视化教学目标，量化其中与学生认知负荷相关的作业布置、测验安排、会考期望、中考期望、高考期望等项指标；精准定位思维可视化教与学的方法，量化其中教科书、板书、笔书的意义封装或释放的选择，优化教师与教师互动、教师与学生互动、学生与教师互动、学生与学生互动的信息传播过程。教师在板书的制造和使用中，不仅要跟踪各类考试大纲，更要溯及各级课程标准；教师在笔书的制造和使用中，也要均衡“意义封装或释放对认知负荷降低或升高的调节”的课堂内外权重取值。思维可视化教学程序的开发，并不排斥思维可视化教学的随机性和灵活性。如果允许和鼓励学生参与板书的制造，就会营造促进学生创造性思维的情感氛围。
(三)未来课堂学生的思维可视化学习
形成学生的“学习过程是描述学习者需要做的活动的基本实体，以增加其对某一领域的理解”[27]观念及行为，是思维可视化学习的要义所在。
1.思维可视化学习观念
学生应该自主编制及施行“复习学科知识”的学案，描述教科书、板书、笔书的意义封装或释放，说明降低或升高自身认知负荷的必要性、可行性、有效性，刻意关联意义封装或释放与认知负荷降低或升高。学生理当自主编制及施行“预习学科知识”的学案，始终把对日常学习过程的计划，同本人今后升学及就业的规划，紧密地联系在一起。学生在切身、切实匹配学业认知负荷额度时，要认清意志品质的培养、思维能力的提高、知识水平的提升是相辅相成的硬道理；在对思维可视化的认识过程中，既要欣喜地领略意义封装或释放降低认知负荷的显性绩效层面，也要逐步适应及接受意义封装或释放升高认知负荷的潜性绩效层面。
2.思维可视化学习行为
学生在比较纸质教科书、电子书包、电子课本的意义封装或释放的同异之后，于课堂学习过程中，自主做出对应性的选择。学生要争取和珍惜制造板书的机会，重视使用板书的方式，实现教师思维素养向学生思维能力的转化。学生要将“着力制造笔书是培养创造性思维的有效路径”的思维可视化学习理念踊跃地付诸实践，进而养成和保持创造性使用笔书的良好习惯。学生务必反省：在使用教科书、制造和使用板书及笔书的过程中，情感、态度、价值观对于思维能力的提高，是非常重要的。学生在教师的指导下，采用标准参照的方式，评价教科书、板书、笔书的意义封装或释放绩效；采用常模参照的方式，评价本人和他人的认知负荷额度(数量与强度的综合)。
三、未来课堂的思维可视化教与学环竟
“学习者为在不同的环境里实现相同的目标，要使用一系列不同形式的工具”[28]、“未来课堂研究讨论的是使用多显示器(或者投影、白板)系统”[29]表明，无论传统课堂，还是未来课堂，技术都是课堂环境系统的要素。“未来课堂是一个由泛在技术支持的具有智能化、人性化，以互动为其核心特征的学习环境”[30]则更进一步阐明了未来课堂环境所具有的技术属性的有形与无形。未来课堂的思维可视化教与学环境如图4所示。
(一)未来课堂思维可视化教与学的有形技术环境
1.交互式电子白板的集成效应
交互式电子白板，融合了计算机技术、微电子技术与电子通信技术，在技术集成和资源整合基础上，实现了对未来课堂思维可视化教与学所具有价值的最大化；作为一种变革性的教与学手段，填补了从演示性多媒体教与学到网络条件下的个别教与学之间的空白，支持课堂思维可视化教与学内容和学生知识结构的动态生成，成为主要的教与学互动展示工具。“宽带网络校校通”、“优质资源班班通”、“网络学习空间人人通”、“教育资源公共服务平台”、“电子书包”、“电子课本”等有线和无线网络、装备的配置，要以交互式电子白板为中心，如图5所示。
承载思维可视化教与学板书的交互式电子白板，在海量数据挖掘与分析的基础上，接受来自于云端的数字化教育讯息，决定了未来课堂物理空间的趋向及格局。相应地，多媒体集成系统，增强未来课堂思维可视化教与学的信息传播，使移动终端成为教科书、板书、笔书无缝连接的高效数字化技术工具，构建了思维可视化技术支持的学习空间。
2.智能系统对互动空间的优化
未来课堂的智能系统，能有效地控制声、光、电、位移等要素，进而形成对思维可视化教与学所需互动空间的优化。首先，智能实录系统能根据未来课堂师生互动状态的变化，调整影音录制设备，实录思维可视化教与学的活动，然后上传到云端资源服务平台，供师生课后复习、反思之用；其次，智能控制系统自动调节未来课堂的原子、分子形态物质的运动秩序，间接引导了思维可视化教与学的人员位移，对桌椅组合的灵活性及其移动的便捷性，提出相应的高标准要求，因而，优化了思维可视化教与学的互动空间。
(二)未来课堂思维可视化教与学的无形技术环境
1.贯穿于发展和创新过程的人本性设计理念
比照国家课程、地方课程、校本课程的标准，应形成国家课堂、地方课堂、校本课堂的标准。符合法律、法规的各类课堂标准，对应不同的经济与社会发展状况，反映了思维可视化教与学课堂环境改善与发展的阶段性特征，演化为未来课堂标准。采用智能性、自如性的各种新技术新媒体，创造了未来课堂空间舒适、装备先进、操控便利的思维可视化教与学环境。
2.全方位拓展的开放性设计理念
时间开放性，主指思维可视化教与学系统的课程设计；空间开放性，主指思维可视化教与学系统的课堂设计。在可视化域内，教与学课堂环境的思维可视化、知识可视化分界，与未来课堂设计的开放性联系密切。于与思维可视化、知识可视化教与学的未来课堂环境共在的矛盾体中，增加思维可视化教与学的权重值，需要创建适合创新人才培养和新课改所需的教与学模式：师生间互动；生生间互动；师生与媒体和资源间互动；媒体与媒体间互动；课堂内与课堂外之间远程互动等等。
3.适应不同形态的混合性设计理念
正式与非正式交互的思维可视化教与学，是一种混合形态；线下与线上交互的思维可视化教与学，则是另一种混合形态。因此，未来课堂思维可视化教与学的混合设计，一是要使丰富的资源能够满足不同学科、不同对象各自的需求；二是要使实时的交互能够体现互动的多样性、流畅性、及时性；三是要使灵活的教学能够体现教与学方式的多样性、有效性。
四、结语
“学习分析的目的就是建构更好的教学法、让学生主动参与学习、定位困难学生群体、评估影响学生毕业及成功的因素”[31]，这开阔了思维可视化的研究境界；“学生可以根据需要随时访问各种网络工具和资源”[32]，则契合了未来课堂架构的设计与开发诉求。两项叠加，未来课堂架构思维可视化的研究，顺应了人类和社会发展的新时代潮流。此外，在数字化教育技术应用的领域，随着O2O即Online To Offline(在线离线/线上到线下)、MOOC、“互联网 ”的兴盛，创新思维能力的形成与未来课堂思维可视化教与学的联系将会日趋密切。
未来课堂架构思维可视化的设计与开发模型，来源于未来课堂架构思维可视化的设计与开发模式，同时，又对其的建立产生指导和推动作用。未来课堂思维可视化教与学具有无穷的特殊性。呈现生态多样性的思维可视化教与学未来课堂模式，使得思维可视化教与学未来课堂模型形成自身的“过程迭代与逐步求精”。不同学科的未来课堂教与学活动及其环境中的思维可视化要素的协同与融合，是一个复杂多变的动态过程，身在此中的教师和学生，应当成为主导这一过程的双重主体，并发展成为“教师与学生共同体”。
为巩固“以教与学方法创新为手段、以培养创新型人才为目的”的未来课堂思维可视化教与学根基，建构了未来课堂架构思维可视化的设计与开发模型。该模型所蕴育的有益和有限尝试，将持续接受广泛的教与学实践检验并不断被完善。
基金项目：本文系全国教育信息技术“十二五”规划重点课题“思维可视化技术与学科整合的理论和实践研究”(项目编号：116220539)的研究成果。
作者简介：尹晗，华东师范大学教育信息技术学系在读博士研究生，研究方向：学习科学与技术设计；张际平，华东师范大学教育信息技术学系教授，博导，研究方向：未来课堂、思维可视化。
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