Структуризация посредством концептуальных карт

Применение концептуальных диаграмм, концепт карт, карт ума и визуальных метафор для визуализации педагогических объектов

Рапуто А.Г.

Application of conceptual diagram"s, concept-maps, mind maps and visual metaphors for visualization of pedagogical objects

Аннотация . Описаны принципы обучения с использованием специализированных компьютерных программ по визуализации знаний Freemind, Let’s focus, Cmaptools и Microsoft Office Visio. Представлен сравнительный анализ применения в учебном процессе четырех компьютеризированных методов визуализации – концептуальных диаграмм, концепт-карт, карт ума и визуальных метафор.

Ключевыеслова: образовательный процесс, визуализация знаний, компьютеризированные методы визуализации, концептуальные диаграммы, концепт-карты, карты ума, визуальные метафоры.

Abstracts. Principles of training with use of specialized computer programs on visualization of knowledge Freemind, Let’s focus, Cmaptools and Microsoft Office Visio are described. The comparative analysis of application in educational process of four computerized methods of visualization - conceptual diagram’s, concept-maps, mind maps and visual metaphors is presented.

Keywords: educational process, visualization of the knowledge, the computerized methods of visualization, conceptual diagram’s, concept-maps, mind maps, visual metaphors.

В разных сферах педагогической науки ведутся поиски эффективных подходов, способных существенно повысить интенсивность образовательного процесса. Одним из таких подходов является визуализация учебных знаний как часть визуализации дидактических объектов . Спектр инновационных научных и методических разработок, связанных с изучением визуализации дидактических объектов направлен на решение актуальных педагогических задач формирования и развития у педагогов и учащихся навыков зрительного восприятия учебного материала; образного, в частности визуального, мышления; композиционного мышления, образного представления знаний и учебных действий; передачи знаний и распознавания образов в процессе взаимодействия субъектов образования; повышения визуальной грамотности и визуальной культуры.

В настоящее время в образовании перспективной представляется применение когнитивной визуализации педагогических объектов .Под это определение фактически подпадают все возможные виды визуализации педагогических объектов, функционирующие на принципах концентрации знаний, генерализации знаний, расширения ориентировочно-презентационных функций наглядных дидактических средств, алгоритмизации учебно-познавательных действий, реализуемая в визуальных средств.

В данной работе анализируется опыт использования методов когнитивной визуализации, подкрепленных компъютерными технологиями. Благодаря своим универсальным качествам эти методы реализованы в виде конкретных программных продуктов, облегчающих процесс обучения и делающих обучение продуктивным и личностно-ориентированным.

Знания - это обогащенная информация, находящаяся в интеллектуальной образовательной системе, где ценность добавляется через опыт, контекст, интерпретацию и личное отношение. Знание - это способность действовать. Знанием является проверенный практикой результат познания действительности, её отражение в сознании человека

Визуализация знаний использует наши врожденные способности по эффективной обработке визуальных изображений и предназначена для улучшения или реализации передачи знаний, для стимулирования когнитивных процессов в образовательном процессе, связывания новых образов или понятий с уже известными и понятными образами и понятиями. Визуализация знаний позволяет улучшить решение большого круга проблем, таких как комптактное изложение проблемы; выявление новых знаний; поиск концепций; создание новых знаний; преобразование неявных знаний в явные структурированные знания; хранение информации в ассоциативных связях; интенсивный обмен мнениями в рабочих группах; запоминаемость; углубленное усвоение учебного материала; исследование структуры сложных идей; правильное аргументирование; оценка результатов обучения

Основные, наиболее распространенные и имеющие компьютерную реализацию методы визуализации: 1 – концепт-карты (concept-maps) , 2 - концептуальные диаграммы (conceptual diagrams), 3-. карты ума (mind maps), 4 - а также визуальные метафоры, компьютеризованному созданию которых в настоящее время уделяется все большее внимание.

1. Концепт-карта является графическим инструментом для организации и представления знаний. Концепт (согласно Д. Новака ) есть ментальный образ предмета, объекта или абстрактной идеи. Концепт-карты помогают показать, как человек видит взаимоотношения между вещами, идеями, людьми. Концепт-карты есть графы, причём узлам графа (т.е., точкам) соответствуют понятия, а рёбрам графа соответствуют связи между понятиями.

2. Карты ума являются многокрасочными, радиальными рисунками, которые представляют в иерархическом виде семантические и другие соотношения между элементами изучаемого материала.

3. Концептуальная диаграмма предназначена для описания сложного абстрактного концепта в предопределенных категориальных блоках со специальными взаимоотношениями, обычно основанными на теории моделей и служат для описания качественной информации.

4. Визуальная метафора - это - графическая структура, использующая графические форму и элементы легко узнаваемого естественного или рукотворного объекта (или легко распознаваемого действия или сюжета), для облегчения понимания и использования ассоциаций, связанных с изображением и для передачи дополнительной информации о смысле сообщения

Эти концептуальные методы визуализации знаний должны удовлетворять пяти принципам:

2. Визуализации знаний: они преобразуют ситуации или временные последовательности в реальные графические формы.

3. Агрегирования знаний: визуализация объединяет множество отдельных данных в обозримые элементы.

4. Извлечения знаний: обладание механизмами, делающих неявные знания явными.

5. Руководства к действиям: возможность представление пошагового метода понимания сути проблемы.

Сравнительное описание четырех современных методов визуализации учебного знания дано в таблице 1

Таблица 1. Сравнение четырех методов визуализации знаний

Четыре метода визуализации могут дополнять друг друга. Концептуальные диаграммы применяются для разработки концепта, для создания и фиксации рисуется карта ума, для обзорной работы дома используются концепт-карты, а визуальные метафоры используются в аудитории для совместной работы по подведению образовательных итогов. В таблице 2 представлен данный дидактический подход, использующий перечисленные четыре взаимодополняющих метода визуализации и описано их применение.

Таблица 2. Педагогическое применение методов визуализации знания

В реализации визуализации нами применялись специализированные программы визуализации знаний, такие как программа Let’s focus (использовались только фоновые шаблоны визуализаций, т.к. в свободной версии программы очень многие опции отсутствуют и нет поддержки кириллицы), свободно распространяемая программа lдля построения концепт-карт Cmaptools (программа полностью работоспособна и адаптирована для работы с кириллицей) и свободно распространяемая программа построения карт ума Freemind, а также общеизвестная программа Microsoft Visio, входящая в пакет Microsoft Office.

В начале изложения учебной темы для структурирования сложного содержания учебного материала применяется концептуальная диаграмма (построенная с помощью программы Microsoft Visio). Данная диаграмма содержит только обозначение концепта, все другие блоки заполняются интерактивно с возможной помощью студентов. Эта диаграмма служит для перевода набросков идей в систематическую форму и имеет хорошо знакомую форму блоковой диаграммы. После первичного обсуждения темы с помощью концептуальной диаграммы приходит время детализации учебного материала. На этой фазе студентами для индивидуальных записей используются карты ума (они строятся с помощью свободно распространяемой программы Freemind). На третьем дидактическом этапе для домашней работы предполагается разработка концепт-карт. Выстраивание собственной мозаики знаний представляет собой довольно трудоемкий процесс. Для облегчения процесса отображения структуры знания и связывания с уже освоенными знаниями и используется техника картирования знаний на основе концепт-карт с применением компьютерной программы Cmaptools. Концепт-карты являются мощным средством визуализации знаний и улучшают такие важные элементы процесса обучения, как:

Объяснение темы.

Подкрепление понимания.

Проверка знаний и выявление неправильно понятого материала.

Сам процесс создания концепт-карт требует от учащихся затраты больших усилий по определению важных концептов и отношений между ними. При этом, и это очень важно, надо иметь в виду, что процесс создания концепт-карт важнее конечного результата - самих концепт-карт.

Конечно, не все учебные темы в равной степени поддаются визуализации с помощью конкретного метода визуализации. Учебный материал может вообще не подходить для визуализации с помощью конкретного метода. Ответ на вопрос о возможности визуализации является неоднозначным.

На четвертом дидактическом этапе обычно подводятся образовательные итоги и используются разрабатываемые учащимися визуальные метафоры (в данном случае для построения визуальных метафор применяется программа Let’sfocus http://de.lets-focus.com, содержащая готовые шаблоны визуальных метафор. Правда, возможности свободной версии этой программы сильно ограничены). При выполнении этой задачи необходимо сразу же отказаться от буквального перевода текстового источника на экран. Необходимо представить фактический учебный материал в композиционном решении, в образной форме с помощью смоделированной ситуации. Нужно завлечь, эмоционально заинтересовать, заинтриговать учащегося изображением на экране. Но так, чтобы доступно, с помощью знакомых образов представить учебную тему.

Заключение

Смешанное, упорядоченное использование четырех компьютеризированных методов визуализации (кратко перечислим преимущества каждого метода: однозначные правила построения концепт-карт, ясность концептуальных диаграмм, простота карт ума, богатство визуальных метафор) наиболее полно раскрывает потенциальные возможности компьютеризированнных методов визуализации. Помимо применения готовых методов визуализации, студенты могут отважиться на создание собственных методов визуального представления и изучения учебного материала. Например, разрабатывать графические шаблоны для визуальнеых метафор.

Литература

1. Манько Н.Н. Когнитивная визуализация дидактических объектов в активизации учебной деятельности. Педагогика и психология. 2009, № 2.

2. Валькман Ю.Р., Майстренко С. А. Метазнания – средство эффективного управления распределенными знаниями корпоративных систем. Десятая национальная конференция по искусственному интеллекту с международным участием кии-2006. Обнинск, 25-28 сентября 2006 г.

Рапуто А.Г. Применение концептуальных диаграмм, концепт карт, карт ума и визуальных метафор для визуализации педагогических объектов // Научный электронный архив.
URL: (дата обращения: 25.02.2019).

Вряд ли последовательное рисование вершин слева направо или сверху вниз позволит сходу уложить подобный граф на плоскость. А вот если вы начнете фиксировать вершины(в нашем случае, понятия предметной области) в столбик, сверху вниз, а ребра рисовать в виде дуг, то шансы распутать паутину отношений возрастут. В качестве примера, я отобразил шесть основных понятий IEEE_1471(или, если угодно: ГОСТ Р 57100-2016 ISO/IEC/IEEE 42010:2011) про архитектурные виды и представления на рисунке ниже.
Помните ужасные картинки про отношение элементов архитектурного описания, заинтересованных лиц, консернов, моделей и представлений? Чуть более понятная картинка

появилась намного позже самого стандарта. Собственно, из неё я и взял набор сущностей и отношений между ними. На самом деле, представленная на рисунке «звезда» без большого труда угадывается по дуговой диаграмме. Надо лишь немного потренироваться. Повторю еще раз последовательность действий:

• Разговаривая с заказчиком, экспертом, товарищем по работе, мы просто записываем сущности в столбик.
• По мере необходимости, рисуем отношения между зафиксированными сущности в виде дуг, не важно справа или слева.
• Еще правее (или, соответственно, левее) пишем название отношения

Могут ли ребра графа, отображаемые в такой раскладке пересекаться? Безусловно. Далеко не все графы планарны(допускают укладку на плоскость без пересечений ребер). В таких случаях полезно взять маркер другого цвета, как бы начав рисовать ребра в новой плоскости. Кстати, такое отображение графа называется Книжное вложение Оно позволяет отобразить абсолютно любой граф (на рисунке приведен полный граф К5, представляющий собой звезду в пентаграмме)

Надеюсь, изложенные выше соображения кому-то из читателей пригодятся в работе. Ну, а чтоб узнать больше, приходите 4 июля 2018 года на

Структуризация посредством интеллект-карт

Техника, известная как картирование мнения (взгляд), была развита Т. Бьюзаном на основе идей Дж. Новака и заключается в раскрытии единственной идеи, от которой распространяются все ответвления и ассоциации. Такое иерархическое разветвление (радиальная структура, модель ассоциации) может быть представлено в виде структуры дерева, которая отождествляет подробное расширение главной идеи (рис. 2.11, 2.12). Картирование мнения – это фактически представление информации и идей, соединенных между собой, где связи являются ассоциациями с идеями. Чтобы создать карту мнения необходим большой лист бумаги и много цветных карандашей. В центре листа нужно записать центральную идею и расширить визуализируемые наиболее важные аргументы через образы, простые слова или короткие топики. Этот метод поддерживается современными информационными средствами для разных платформ: например, Ithoughts для операционной IOS, SimpleMind для Android, FreeMind для Windows, IMindMap (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Создание карты мнения с помощью SimpleMind

Рис. 2.11. Пример интеллект-карты "6 советов для лучшей коммуникации"

Структуризация посредством концептуальных карт

Концептуальные карты – это графические инструменты для организации и репрезентации знаний. Концептуальная карта включает концепты (понятия), обычно изображаемые в фигурах определенного типа (круги, прямоугольники), и взаимосвязи между ними (в виде линий, соединяющих два понятия). Концепты (понятия) – это короткие формулировки (часто в одно слово), связанные с понятиями предметной области, описывающими исследуемую ситуацию, или закономерностями в событиях, объектах и ситуациях. На линиях указывают связующие слова или фразы, разъясняющие тип связи между понятиями (иногда используются символы: +, -, % и др.).

Соединяя концепты с помощью фраз, раскрывающих смысл связи между ними, получают утверждения.

Например, построим такие утверждения ("читая" концептуальную карту, приведенную на рис. 2.13): <концепты> – это <выявленные закономерности>; <концепты> – это <метки>; <концепты> соединены <соединяющими фразами> и т.д. Часто подобные утверждения называют семантическими единицами или единицами смысла. На рис. 2.13 показан пример концепции карты, которая описывает структуру концептуальных карт и иллюстрирует вышеуказанные характеристики.

Техника, известная как концептуальное картирование, разработана в 1972 г. профессором Дж. Д. Новаком на основе идей психологии обучения и познания детей Д. Аусубеля, заключающихся в ассимиляции новых понятий и предложений в существующие концепции и пропозициональные структуры учащегося (так называемая когнитивная структура личности). Концепт-карты возникли как средство визуализации представления знаний у детей, а потом стали использоваться как инструмент для научных исследований и решения практических задач (рис. 2.14–2.17). Несмотря на сходство интеллект-карт и концепт-карт, эти два метода различаются по многим аспектам, однако компьютерные программы, в частности СМар, которые служат для создания концептуальных карт, позволяют строить и интеллект-карты. В случае концептуальных карт графическая техника используется, чтобы представлять знание через структурирование сети связанных концептов.

Что касается знаний о ситуациях, концептуальные карты характеризуют ясные отношения между описываемыми идеями и более структурированы, чем интеллект-карты, как формальное приближенное описание, которое помещает идеи в некой последовательности и организовывает их иерархически по уровням важности. Концептуальная картография позволяет видеть более сложные отношения между идеями: здесь их концепты представлены не только иерархическими связями, но и частью системы, связанной с другими концепциями, через связи входящие и исходящие.

Для построения хорошей концептуальной карты нужно:

• 1) определить контекст ситуации с помощью фокус-вопросов, которые уточняют проблемы и цели ситуации;
• 2) идентифицировать ключевые понятия (концепты), определяющие ситуацию: 15–25 концептов; сформировать ранжированный список по порядку: от более общих понятий ситуации к более конкретным (концепты в списке группируются но предметным областям);
• 3) построить первичную карту, используя программные инструменты (предпочтительно используют специализированные программные средства, например cmaptools , которые позволяю строить карты как индивидуально, так и группой); в первичной карте устанавливают связи между концептами, принадлежащими одной предметной области;
• 4) построить связи между концептами, характеризующие разные предметные области; это связи между понятиями в различных сегментах или областях знаний на карте, которые помогают проиллюстрировать, как эти домены связаны друг с другом;
• 5) проверить карту, провести перерисовку карты во "входовыходное" или иерархическое представление.

Техника концептуального картирования – инструмент для захвата, представления и архивирования знаний, а также мощный инструмент для создания новых знаний за счет уточнения.

Сочетание интеллект-карт и концептуальных карт также является удачным примером демонстрации преимуществ структуризации знаний о ситуации, который показывает возможность планирования коммуникации с учетом зоны ответственности каждого участника.

Или концептами. Такие концептуальные графы (Концептуальные карты) состоят из узлов и направленных поименованных отношений, или связей, соединяющих эти узлы. Связи могут быть различного типа, например, «является», «имеет свойство» и т. п. Концепты и связи имеют универсальный характер для некоторого класса понятий предметной области. Поэтому любая разработка концептуального графа подразумевает анализ структурных взаимодействий между отдельными понятиями предметной области.

Немного истории

Впервые концептуальные карты были предложены Джозефом Новаком, сотрудником Корнельского университета (США)в 60-70-х гг. при изучении детского мышления и формирования первых научных понятий. Это исследование использовало идеи Дэвида Асубеля о формировании понятийного мышления.

Современную реализацию связывают с методиками английского психолога Тони Бьюзена.

Составление концептуальных карт (conceptmapping)

Кластерные карты

Эти карты являются полезным средством, при помощи которого ученики могут разложить и обсудить идеи в ходе мозгового штурма и показать связи. Они могут быть использованы как начальная точка в большом проект или как деятельность перед началом создания текстового документа. Графическое представление помогает ученикам видеть идеи на бумаге и затем использовать их при написании эссе , докладов или презентаций. Кластеры могут использоваться на различных этапах проекта – от самых простых кластеров до значительно более сложных.

Карты причин

Карты причин - отдельный вид концептуальных карт. Эти карты помогают ученикам создавать образы причинно-следственных отношений. Анализ причин и следствий крайне важен для понимания сложных систем, таких как исторические события, изменение повадок животных.

Видение причины запускает размышление о причине-следствии через построение визуальной карты. Ученики создают визуальную карту отношений в форме причина - следствие. Эти карты делают мышление наглядным и облегчают совместное понимание и объяснение ситуации. На картах Видение причины голубые соединения показывают влияние одного фактора на другой, а толщина линий показывает силу влияния. Красные линии показывают отрицательное влияние. Средство Видение Причины (карты отношений причина-следствие)помогают ученикам

• анализировать сложные системы
• обмениваться образами
• запускают коллективную деятельность.

Роль сервисов web 2.0

• Mindomo - простая регистрация, работать очень легко, так как интерфейс очень напоминает word. Удобная расширенная панель инструментов.
• Bubbl.us – это простое веб-приложение для организации техники мозгового штурма в режиме онлайн.

Структура проекта в приложении Bubbl.us

• Cacoo – это простой в использовании инструмент для рисования, который позволяет создавать большое количество графиков, таких, как карты знаний, сетевые и UML-диаграммы.

Пример диаграммы Cacoo.com

Использование концептуальных карт

Кластеры, причинно-следственные карты активно используются участниками программы Intel «Обучение для будущего» при разработке Портфолио проекта.

Примеры использования карт и кластеров в портфолио проектов