Главная › Интернет › Способы визуального представления данных. Методы визуализации. Почему визуализация работает? Как осуществляется процесс визуализации

Способы визуального представления данных. Методы визуализации. Почему визуализация работает? Как осуществляется процесс визуализации

Компьютерная графика -- это область информатики, в которой рассматриваются алгоритмы и технологии визуализации данных. Развитие компьютерной графики определяется в основном двумя факторами: реальными потребностями потенциальных пользователей и возможностями аппаратного и программного обеспечения. Потребности потребителей и возможности техники неуклонно растут, и на сегодняшний день компьютерная графика активно используется в самых различных сферах. Можно выделить следующие области применения компьютерной графики:

Визуализация информации.
Моделирование процессов и явлений.
Проектирование технических объектов.
Организация пользовательского интерфеса.

Визуализация информации

В большинстве научных статей и отчетов не обойтись без визуализации данных. Достойная форма представления данных -- это хорошо структурированная таблица с точными значениями функции в зависимости от некоторых переменных. Но часто более наглядной и эффективной формой визуализации данных является графическая, а, например, при моделировании и обработке изображений -- единственно возможная. Некоторые виды отображения информации различного происхождения перечислены в следующей таблице:

Многие программы для финансовых, научных, технических расчётов используют эти и некоторые другие способы визуализации данных. Визуальное представление информации является прекрасным инструментом при проведении научных исследований, наглядным и веским аргументом в научных статьях и дискуссиях.

Моделирование процессов и явлений

Современные графические системы обладают достаточной производительностью для создания сложных анимационных и динамических изображений. В системах моделирования, которые также называются симуляторами, пытаются получить и визуализировать картину процессов и явлений, которые происходят или могли бы происходить в реальности. Самым известным и наиболее сложным примером такой системы является симулятор полётов, который используют для моделирования обстановки и процесса полёта при обучении пилотов. В оптике симуляторы используются для моделирования сложных, дорогостоящих или опасных явлений. Например, моделирование формирования изображения или моделирования процессов в лазерных резонаторах.

Проектирование технических объектов

Проектирование является одной из основных стадий создания изделия в технике. Современные графические системы позволяют наглядно визуализировать проектируемый объект, что способствует скорейшему выявлению и решению многих проблем. Разработчик судит о своей работе не только по цифрам и косвенным параметрам, он видит предмет проектирования на свойм экране. Компьютерные системы позволяют организовать интерактивное взаимодействие с проектируемым объектом и иммитировать изготовление макета из пластичного материала. CAD-системы существенно упрощают и ускоряют работу инженера-конструктора, освобождая его от рутинного процесса черчения.

Организация пользовательского интерфеса

В последние 5-7 лет визуальная парадигма при организации интерфеса между компьютером и конечным пользователем стала доминирующей. Оконный графический интерфейс встроен во многие современные операционные системы. Уже достаточно стандартизован набор элементов управления, которые используются при построении такого интерфейса. Большинство пользователей уже привыкло к такой организации интерфейса, который позволяет пользователям чувствовать себя более комфортно и повышать эффективность взаимодействия.

Всё это, говорит о том, что в самой операционной системе должны быть уже реализованы достаточно большое количество функций для визуализации элементов управления. Например, операционная система Windows предоставляет разработчикам GDI (Graphics Device Interface). Как показывает практика для некоторых приложений возможностей, предоставляемых системной API, вполне достаточно для визуализации обрабатываемых данных (построения простейших графиков, представления моделируемых объектов и явлений). Но такие недостатаки, как низкая скорость отображения, отсутствие поддержки трехмерной графики не способствуют ее использованию для визуализации научных данных и компьютерного моделирования. В некоторых научных и технических программах со сложным графическим выводом требуются функции для более быстрой, мощной и гибкой визуализации вычисленных данных, моделируемых явлений, проектируемых объектов.

Технологии компьютерной графики

В современных научных и технических приложениях сложный графическая вызуализация реализуется с использованием библиотеки OpenGL, которая стала стандартом de facto в области трёхмерной визуализации. Библиотека OpenGL представляет собой высокоэффективный программный интерфейс к графическому аппаратному обеспечению. Наибольшую призводительность эта библиотека позволяет достичь в аппаратных системах работающих на основе современных графических ускорителей (аппаратное обеспечение, освобождающее процессор и выполняющее вычисления, необходимые для визуализации).

Архитектура и алгоритмы были библиотеки разработаны в 1992 году специалистами фирмы Silicon Graphics, Inc. (SGI) для собственного аппаратного обеспечения графических рабочих станций Iris. Через несколько лет библиотека была портирована на многие аппаратно-программные платформы (в том числе Intel+Windows) и сегодня является надёжной многоплатформенной библиотекой.

Библиотека OpenGL является бесплатно распространяемой, что является ее несомненным достоинством и причиной столь широкого использования.

OpenGL является не объектно-ориентированной, а процедурной библиотекой (около сотни комманд и функций), написанная на языке С. С одной стороны - это недостаток (компьютерная графика - благодатная область использования объектно-ориентированного программирования), но зато работать с OpenGL могут программисты работающие на C++, Delphi, Fortran и даже Java и Python.

Совместно с OpenGL обычно используется несколько вспомогательных библиотек, которые помогают наcтроить работу библиотеки в данной среде или выполнить более сложные, комплексные функции визуализации, которые реализуются посредством примитивных функций OpenGL. Кроме того существует большое количество графических библиотек специализированного назначения, которые используют библиотеку OpenGL в качестве низкоуровневого базиса, своеобразного ассемблера, на основе которого строятся сложные функции графического вывода (OpenInventor, vtk, IFL и многие другие). С сообществом пользователей OpenGL можно познакомиться на сайте www.opengl.org

Фирма Microsoft тоже разработала и предлагает использовать для подобных целей мультимедийную библиотеку DirectX. Эта библиотека широко используется в игровых и мультимедийных приложениях, а в научных и технических приложениях распространения не получила. Причина заключатся, скорее всего в том, что DirectX работает только под Windows.

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Восточно-Сибирская государственная академия образования

Факультет математики, физики и информатики

Кафедра информатики и методики обучения информатике

КУРСОВАЯ РАБОТА

«Технология визуализации учебной информации»

Специальность - «Профессиональное обучение компьютерных технологий, вычислительной техники и информатики»

Иркутск - 2012

Введение

I. Теоретические основы технологии визуализации

II. Роль методов визуализации учебной информации в обучении

III. Электронные наглядные средства обучения на основе современных компьютерных технологий

IV. Технологии визуализации знаний и презентации результатов исследований в сфере образования

Заключение

Список используемой литературы

ВВЕДЕНИЕ

По данным психологов новая информация усваивается и запоминает лучше тогда, когда знания и умения «запечатлеваются» в системе визуально-пространственной памяти, следовательно представление учебного материала в структурированном виде позволяет быстрее и качественнее усваивать новые системы понятий, способы действий.

I.Теоретические основы технологии визуализации

В эпоху информационной насыщенности проблемы компоновки знания и оперативного его использования приобретают колоссальную значимость. В этой связи назрела потребность в систематизации накопленного опыта визуализации учебной информации и его научного обоснования с позиций технологического подхода к обучению.

Г.К. Селевко рассматривает технологию интенсификации обучения на основе схемных и знаковых моделей учебного материала как опыт В.Ф. Шаталова. По мнению Лаврентьева Г.В. и Лаврентьевой Н.Е., ее границы значительно шире, и опыт Шаталова - лишь одно из ее проявлений. Расширяя границы данной технологии, Лаврентьева Г.В. и Лаврентьевой Н.Е. предлагают более емкое ее название, а именно: технология визуализации учебного материала, понимая под этим не только знаковые, но и некоторые другие образы «визуализации», выступающие на первый план в зависимости от специфики изучаемого объекта. Это могут быть следующие базовые элементы зрительного образа:

направление;

структура;

движение.

Присутствуя в той или иной степени в любом зрительном образе, эти элементы кардинально влияют на восприятие и освоение человеком учебной информации. Интенсификация учебно-познавательной деятельности происходит за счет того, что и педагог, и обучаемый ориентируются не только на усвоение знаний, но и на приемы этого усвоения, на способы мышления, позволяющие увидеть связи и отношения между изучаемыми объектами, а значит, связать отдельное в единое целое. Технология визуализации учебной информации - это система, включающая в себя следующие слагаемые:

комплекс учебных знаний;

визуальные способы их предъявления;

визуально-технические средства передачи информации;

набор психологических приемов использования и развития визуального мышления в процессе обучения.

Технология визуализации учебного материала перекликается с педагогической концепцией визуальной грамотности, которая возникла в конце 60-х годов XX века в США. Эта концепция основывается на положениях о значимости визуального восприятия для человека в процессе познания мира и своего места в нем, ведущей роли образа в процессах восприятия и понимания, необходимости подготовки сознания человека к деятельности в условиях все более «визуализирующегося» мира и увеличения информационной нагрузки .

Информационная насыщенность современного мира требует специальной подготовки учебного материала перед его предъявлением обучаемым, чтобы в визуально обозримом виде дать учащимся основные или необходимые сведения. Визуализация как раз и предполагает свертывание информации в начальный образ (например, в образ эмблемы, герба и т.п.). Следует учитывать также возможности использования слуховой, обонятельной, осязательной визуализации, если именно эти ощущения являются значимыми в данной профессии.

Эффективным способом обработки и компоновки информации является ее «сжатие», т.е. представление в компактном, удобном для использования виде. Разработкой моделей представления знаний в «сжатом» виде занимается специальная отрасль информационной технологии - инженерия знаний. Дидактическая адаптация концепции инженерии знаний основана на том, что, «во-первых, создатели интеллектуальных систем опираются на механизмы обработки и применения знаний человеком, используя при этом аналогии нейронных систем головного мозга человека. Во-вторых, пользователем интеллектуальных систем выступает человек, что предполагает кодирование и декодирование информации средствами, удобными пользователю, т.е. как при построении, так и при применении интеллектуальных систем учитываются механизмы обучения человека» . К основам сжатия учебной информации можно отнести также теорию содержательного обобщения В.В. Давыдова, теорию укрупнения дидактических единиц П.М. Эрдниева. Под «сжатием» информации понимается прежде всего ее обобщение, укрупнение, систематизация, генерализация. П.М. Эрдниев утверждает, «что наибольшая прочность освоения программного материала достигается при подаче учебной информации одновременно на четырех кодах: рисуночном, числовом, символическом, словесном» . Следует также учесть, что способность преобразовывать устную и письменную информацию в визуальную форму является профессиональным качеством многих специалистов. Следовательно, в процессе обучения должны формироваться элементы профессионального мышления:

систематизация;

концентрация;

выделение главного в содержании.

Методологический фундамент рассматриваемой технологии составляют следующие принципы ее построения: принцип системного квантования и принцип когнитивной визуализации.

Системное квантование вытекает из специфики функционирования мыслительной деятельности человека, которая выражается различными знаковыми системами:

языковыми;

символическими;

графическими.

Всевозможные типы моделей представления знаний в сжатом компактном виде соответствуют свойству человека мыслить образами. Изучение, усвоение, обдумывание текста - как раз и есть составление схем в уме, кодировка материала. При необходимости человек может восстановить, «развернуть» весь текст, но его качество и прочность будет зависеть от качества и прочности этих схем в памяти, от того, созданы они интуитивно студентом или профессионально - преподавателем. Это довольно сложная интеллектуальная работа и студента надо последовательно к ней готовить.

Наибольший эффект в усвоении информации будет достигнут, если методы ведения записей соответствуют тому, как мозг хранит и воспроизводит информацию. Физиологи П.К. Анохин, Д.А. Поспелов доказывают, что это происходит не линейно, списком, аналогично речи или письму, а в переплетении слов с символами, звуками, образами, чувствами. Спецификой работы мозга обосновывают свою систему квантового обучения американские ученые-педагоги Б. Депортер и М. Хенаки. Их вклад в способы создания моделей учебного материала - это «Карты памяти», «Записи фиксирования и создания», «Метод группирования».

Принцип системного квантования предполагает учет следующих закономерностей:

учебный материал большого объема запоминается с трудом;

учебный материал, расположенный компактно в определенной системе, лучше воспринимается;

выделение в учебном материале смысловых опорных пунктов способствует эффективному запоминанию.

Принцип когнитивной визуализации вытекает из психологических закономерностей, в соответствии с которыми эффективность усвоения повышается, если наглядность в обучении выполняет не только иллюстративную, но и когнитивную функцию, то есть используются когнитивные графические учебные элементы. Это приводит к тому, что к процессу усвоения подключается «образное» правое полушарие. В то же время «опоры» (рисунки, схемы, модели), компактно иллюстрирующие содержание, способствуют системности знаний. По мнению З.И. Калмыковой, абстрактный учебный материал, прежде всего, требует конкретизации, и этой цели соответствуют различные виды наглядности - от предметной, до весьма абстрактной, условно-знаковой. «При восприятии наглядного материала человек может охватить единым взглядом все компоненты, входящие в целое, проследить возможные связи между ними, произвести категоризацию по степени значимости, общности, что служит основой не только для более глубокого понимания сущности новой информации, но и для ее перевода в долговременную память» .

Визуальное отображение принципов представлено на рисунке 1.

ОУСГ - обобщение, укрупнение, систематизация, генерализация;

СО - сигнальные опоры;

МД - мыслительная деятельность, реализуемая через знаковые системы.

Рис. 1. Визуальное представление принципов когнитивной визуализации и системного квантования

Г.К. Селевко утверждает, что любую систему или подход к обучению можно признать технологией, если она удовлетворяет следующим критериям:

наличие концептуальной основы;

системность (целостность частей);

управляемость, то есть возможность планировать, проектировать процесс обучения, варьировать средства и методы с целью получения запланированного результата;

эффективность;

воспроизводимость .

Суть рассматриваемой технологии, по мнению Лаврентьева Г.В. и Лаврентьевой Н.Е., сводится к целостности трех ее частей.

Систематическое использование в учебном процессе визуальных моделей одного определенного вида или их сочетаний.

Научение студентов рациональным приемам «сжатия» информации и ее когнитивно-графического представления.

Методические приемы включения в учебный процесс визуальных моделей. Работа с ними имеет четкие этапы и сопровождается еще целым рядом приемов и принципиальных методических решений.

Роль методов визуализации учебной информации в обучении

В последние десятилетия в области передачи визуальной информации произошли почти революционные изменения:

колоссально возросли объем и количество передаваемой информации;

сложились новые виды визуальной информации и способы ее передачи.

Технический прогресс и формирование новой визуальной культуры неминуемо накладывает свой отпечаток на свод требований, предъявляемых к деятельности педагогов.

Одним из средств улучшения профессиональной подготовки будущих учителей, способных к педагогическим инновациям, к разработке технологий проектирования эффективной учебной деятельности школьника в условиях доминирования визуальной среды, считается формирование у них особых умений визуализации учебной информации. Термин «визуализация» происходит от латинского visualis - воспринимаемый зрительно, наглядный. Визуализация информации представление числовой и текстовой информации в виде графиков, диаграмм, структурных схем, таблиц, карт и т.д. Однако такое понимание визуализации как процесса наблюдения предполагает минимальную мыслительную и познавательную активность обучающихся, а визуальные дидактические средства выполняют лишь иллюстративную функцию. Иное определение визуализации дается в известных педагогических концепциях (теории схем - Р.С. Андерсон, Ф. Бартлетт; теории фреймов - Ч. Фолкер, М. Минский и др.), в которых этот феномен истолковывается как вынесение в процессе познавательной деятельности из внутреннего плана во внешний план мыслеобразов, форма которых стихийно определяется механизмом ассоциативной проекции .

Аналогичным образом понятие визуализации понимает Вербицкий А.А.: «Процесс визуализации - это свертывание мыслительных содержаний в наглядный образ; будучи воспринятым, образ может быть развернут и служить опорой адекватных мыслительных и практических действий» . Данное определение позволяет развести понятия «визуальный», «визуальные средства» от понятий «наглядный», «наглядные средства». В педагогическом значении понятия «наглядный» всегда основано на демонстрации конкретных предметов, процессов, явлений, представление готового образа, заданного извне, а не рождаемого и выносимого из внутреннего плана деятельности человека. Процесс разворачивания мыслеобраза и «вынесение» его из внутреннего плана во внешний план представляет собой проекцию психического образа. Проекция встроена в процессы взаимодействия субъекта и объектов материального мира, она опирается на механизмы мышления, охватывает различные уровни отражения и отображения, проявляется в различных формах учебной деятельности .

Если целенаправленно рассматривать продуктивную познавательную деятельность как процесс взаимодействия внешнего и внутреннего планов, как вынесение будущих продуктов деятельности из внутреннего плана во внешний, как корректировку и реализацию во внешнем плане замыслов, то визуализация выступает в качестве главного механизма, обеспечивающего диалог внешнего и внутреннего планов деятельности. Следовательно, в зависимости от свойств дидактических визуальных средств зависит уровень активизации мыслительной и познавательной деятельности обучающихся.

В связи с этим возрастает роль визуальных моделей представления учебной информации, позволяющие преодолеть затруднения, связанные с обучением, опирающимся на абстрактно-логическое мышление. В зависимости от вида и содержания учебной информации используются приемы ее уплотнения или пошагового развертывания с применением разнообразных визуальных средств. В настоящее время в образовании перспективной представляется применение когнитивной визуализации дидактических 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.

На практике, используются более сотни методов визуального структурирования - от традиционных диаграмм и графов до «стратегических» карт (roadmaps), лучевых схем-пауков (spiders) и каузальных цепей (causal chains). Такое многообразие обусловлено существенными различиями в природе, особенностях и свойствах знаний различных предметных областей. Наибольшей информационной емкостью, на наш взгляд, универсальностью и интегративностью обладают структурно-логические схемы. Такой способ систематизации и визуального отображения учебной информации основывается на выявлении существенных связей между элементами знания и аналитико-синтетической деятельности при переводе вербальной информации в невербальную (образную), синтезирование целостной системы элементов знаний. Освоение перечисленных видов по конкретизации смыслов, разворачиванию логической цепочки размышлений, описанию образов и их признаков мыслительной деятельности, а также операций с помощью вербальных средств обмена информацией формирует продуктивные способы мышления, столь необходимые специалистам при современных темпах развития науки, техники и технологий. Согласно достижениям нейропсихологии «обучение эффективно тогда, когда потенциал мозга человека развивается через преодоление интеллектуальных трудностей в условиях поиска смысла через установление закономерностей» .

Структурно-логические схемы создают особую наглядность, располагая элементы содержания в нелинейном виде и выделяя логические и преемственные связи между ними. Такая наглядность опирается на структуру и ассоциативные связи, характерные для долговременной памяти человека. В некотором роде структурно-логические схемы выступают в роли промежуточного звена между внешним линейным содержанием (текст учебника) и внутренним нелинейным содержанием (в сознании). В качестве одного из достоинств структурно-логических схем А.В. Петров выделяет то, что «она выполняет функцию объединения понятий в определенные системы» . Сами по себе понятия ничего не могут сказать о содержании предмета обучения, но будучи связанными определенной системой, они раскрывают структуру предмета, его задачи и пути развития. Понимание и осмысление новой ситуации возникает тогда, когда мозг находит опору в прежних знаниях и представлениях.

Отсюда вытекает важность постоянной актуализации прежнего опыта для овладения новыми знаниями. Процесс изучения нового материала можно представить как восприятие и обработку новой информации путем ее соотнесения с понятиями и способами действий, известными обучающемуся, посредством использования освоенных им интеллектуальных операций. Поступающая в мозг по различным каналам информация концептуализируется и структурируется, образуя в сознании концептуальные сети. Новая информация встраивается в существующие когнитивные схемы, преобразует их и формирует новые когнитивные схемы и интеллектуальные операции. При этом устанавливаются связи между известными понятиями и способами действий и новыми знаниями, возникает структура нового знания .

По данным психологов новая информация усваивается и запоминает лучше тогда, когда знания и умения «запечатлеваются» в системе визуально-пространственной памяти , следовательно представление учебного материала в структурированном виде позволяет быстрее и качественнее усваивать новые системы понятий, способы действий. В качестве примера можно привести визуальную схему: «Цветовая модель RGB» (см. рис. 2).

Рис. 2. Схема понятия «Цветовая модель RGB»

Визуализация учебного материала открывает возможность не только собрать воедино все теоретические выкладки, что позволит быстро воспроизвести материал, но и применять схемы для оценивания степени усвоения изучаемой темы. В практике также широко используется метод анализа конкретной схемы или таблицы, в котором вырабатывают навыки сбора и обработки информации. Метод позволяет включить обучаемых в активную работу по применению теоретической информации в практической работе. Особое место уделяется совместному обсуждению, в процессе которого есть возможность получать оперативную обратную связь, понимать лучше себя и других людей. Обобщая сказанное, заметим, что в зависимости от места и назначения визуальных дидактических материалов в процессе формирования понятия (изучении теории, явления) к выбору определенной структурной модели и наглядному отображению содержания обучения должны быть предъявлены различные психолого-педагогические требования.

При визуализации учебного материала следует учитывать, что наглядные образы сокращают цепи словесных рассуждений и могут синтезировать схематичный образ большей «емкости», уплотняя тем самым информацию. В процессе разработки учебно-методических материалов необходимо контролировать степень обобщения содержания обучения, дублировать вербальную информацию образной и наоборот, чтобы при необходимости звенья логической цепи были полностью восстановлены обучающимися.

Другим важным аспектом использования визуальных учебных материалов является определение оптимального соотношения наглядных образов и словесной, символьной информации. Понятийное и визуальное мышление на практике находятся в постоянном взаимодействии. Они, дополняя друг друга, раскрывают различные стороны изучаемого понятия, процесса или явления. Словесно-логическое мышление дает нам более точное и обобщенное отражение действительности, но это отражение абстрактно. В свою очередь, визуальное мышление помогает организовать образы, делает их целостными, обобщенными, полными.

Визуализация учебной информации позволяет решить целый ряд педагогических задач:

обеспечение интенсификации обучения;

активизации учебной и познавательной деятельности;

формирование и развитие критического и визуального мышления;

зрительного восприятия;

образного представления знаний и учебных действий;

передачи знаний и распознавания образов;

повышения визуальной грамотности и визуальной культуры.

Электронные наглядные средства обучения на основе современных компьютерных технологий

В школьном образовании всегда применяли и до сих пор применяют самые разные виды наглядности. Роль их в процессе обучения исключительна. Особенно в том случае, когда использование наглядных средств не сводится к простому иллюстрированию с целью сделать учебный курс более доступным и легким для усвоения, а становится органичной частью познавательной деятельности учащегося, средством формирования и развития не только наглядно-образного, но и абстрактно-логического мышления. Это в свою очередь требует существенной переработки и изменения традиционных наглядных средств обучения, которые должны стать динамичными, интерактивными и мультимедийными.

В связи с этим особый интерес вызывает компьютерная визуализация учебной информации, которая позволяет наглядно представить на экране объекты и процессы во всевозможных ракурсах, в деталях, с возможностью демонстрации внутренних взаимосвязей составных частей, в том числе скрытых в реальном мире, и, что особенно важно, в развитии, во временном и пространственном движении. Обеспечивается компьютерная визуализация учебной информации специфическими наглядными средствами обучения, созданными на основе современных мультимедийных технологий, благодаря которым в процесс обучения становится возможным включать всё многообразие наглядных средств - текст, графику, звук, анимации, видеоизображения. Это, например, интерактивные карты, анимированные (динамические) опорные конспекты, интерактивные плакаты и пр. И речь в данном случае идет не о простом переводе традиционных наглядных пособий (таблиц, схем, картин, иллюстраций) в цифровой формат, а о разработке и создании совершенно новых видов наглядности. При этом ее появление вызвано не только потребностью в экспрессивной визуальной информации и зрительной стимуляции, к которым уже успели привыкнуть современные учащиеся, сколько дидактическими особенностями этого нового вида учебной наглядности.

В педагогической литературе пока нет общепринятого понятия для определения нового вида наглядности, созданной на основе современных информационных технологий. Это вызвано тем, что данная наглядность представляет собой весьма сложное явление, особенные отличительные признаки которого интегрированы в единую целостную систему, и поэтому так нелегко выявить ее сущность, то есть определить основные признаки и отличить их от второстепенных свойств. Даже названия авторы используют разные:

«компьютерная наглядность»;

«динамическая наглядность»;

«интерактивная наглядность»;

«виртуальная наглядность»;

«мультимедийная наглядность»;

«гипертекстовая наглядность» и пр.

При этом употребляют эти термины далеко не в одинаковых значениях, что создает дополнительные трудности.

В связи с этой разноголосицей Кучурин В.В. предлагает при обсуждении руководствоваться понятием «электронная наглядность», под которой будем понимать программное компьютерное средство представления комплекса визуальной гипертекстовой информации разных типов, предъявляемой обучаемому на экране компьютера, как правило, в интерактивном (диалоговом) режиме .

Компонентами электронной наглядности могут быть как статические (картины, схемы, таблицы и пр.), так и динамические (видео, анимация) изображения.

Ее основные характеристики: интерактивность, динамизм (анимированность) и мультимедийность.

В первую очередь электронные наглядные средства обучения отличаются интерактивностью. Это достаточно широкое по содержанию понятие, с помощью которого в современной науке раскрывают характер и степень взаимодействия между объектами. При этом данное свойство вовсе не сводится к общению между людьми. В обучении с применением информационных и коммуникационных технологий интерактивность представляет собой «возможность пользователя активно взаимодействовать с носителем информации, по своему усмотрению осуществлять ее отбор, менять темп подачи материала». В соответствии с этим интерактивность наглядных средств обучения на основе мультимедиа обеспечивает учащимся и учителю в определенных пределах возможность активно с нею взаимодействовать и управлять представлением информации, а именно задавать вопрос и получать на него ответ (интерактивность обратной связи) определять начало, продолжительность и скорость процесса демонстрации (временная интерактивность), определять очередность использования фрагментов информации (порядковая интерактивность,) изменять, дополнять или же уменьшать объем содержательной информации (содержательная интерактивность) и даже создавать собственный креативный продукт (творческая интерактивность). Такие возможности интерактивных наглядных средств обучения позволяют использовать методики проблемного обучения, обеспечивающие усвоение научных понятий и закономерностей на основе личного опыта взаимодействия с ними. Иначе говоря, интерактивность предоставляет возможности не только для пассивного восприятия информации, но и для активного исследования характеристик изучаемых объектов или процессов. Следовательно, интерактивность придает электронной наглядности когнитивный (познавательный) характер, вносит игровые и исследовательские компоненты в учебную работу, естественным образом побуждает учащихся к глубокому и всестороннему анализу свойств изучаемых объектов и процессов.

Динамический характер электронных наглядных средств обучения обеспечивается с помощью технологии анимации, которая позволяет манипулировать цветом, размерами объектов, создавать локальную мультипликацию, выделять один из объектов или часть объекта путём подчеркивания, обводки, заливки и пр. Кроме того, с помощью анимации создается иллюзия движения, изменения, развития. Все это делает наглядность более эмоциональной и впечатляющей. Вместе с тем, анимация, давая наглядное представление о динамике какого-либо явления, создает условия для демонстрации признаков и закономерностей изучаемых событий, явлений и процессов через действие, для сопоставления разных мнений и формулирования собственной точки зрения. Таким образом, динамика компьютерной анимации используется не только и даже не столько для усиления эмоционального воздействия через показ движения объекта («живой картинки»), сколько для активизации познавательной деятельности, наглядной демонстрации логики движения мысли от незнания к знанию.

Особое значение для характеристики электронной наглядности, созданной на основе современных информационных технологий, имеет и такое свойство, как мультимедийность. Оно связано с современными информационными технологиями, основанными на одновременном использовании различных средств представления информации и представляющей совокупность приемов, методов, способов и средств сбора, накопления, обработки, хранения, передачи, продуцирования аудиовизуальной, текстовой, графической информации в условиях интерактивного взаимодействия пользователя с информационной системой, реализующей возможности мультимедиа-операционных сред. Технологии мультимедиа позволяют интегрировано представить на экране любую аудиовизуальную информацию, реализуя интерактивный диалог пользователя с системой. Благодаря этому их активно используют при разработке и создании наглядных средств обучения, компонентами которых являются статические и анимированные изображения, а также текстовая и видеоинформация со звуковым сопровождением.

В соответствии с основными характеристиками электронные наглядные средства можно разделить на динамические (анимированные), интерактивные и мультимедийные.

Динамическая (анимированная) наглядность - это средство обучения, представляющее собой движущееся, изменяющееся изображение. Оно позволяет сформировать наглядные представления о развитии событий и процессов во времени и пространстве, сконцентрировать внимание обучающихся на конкретном объекте изучения, повысить плотность занятия за счет ускорения подачи информации. Управление ограничивается функциями проигрывания, остановки и паузы, что, между прочим, указывает на ограниченную, в данном случае временную, интерактивность динамической (анимированной) наглядности.

Динамическая (анимированная) наглядность включает в себя такие конкретные наглядные средства обучения как анимированные карты, анимированные схемы, диаграммы, графики, слайд-шоу.

Интерактивная наглядность - это средство обучения, представляющее собой гипертекстовую анимированную иллюстрацию в сочетании с набором инструментов управления, позволяющих пользователю взаимодействовать с ним в диалоговом режиме.

В настоящее время учителями используются интерактивные карты, интерактивные схемы, интерактивные планы объекта, интерактивные реконструкции и пр.

Мультимедийная наглядность - это средство обучения, в котором интегрированы информационные объекты различных типов: звук, текст, изображение.

В качестве примера мультимедийной наглядности можно привести мультимедиалекции, мультимедиапанорамы, электронный звуковой плакат.

К сожалению, в настоящее время использование наглядных средств обучения, созданных на основе современных информационных технологий вызывает у многих учителей заметные трудности, связанные с отбором средств наглядности для решения конкретных педагогических задач, приемов и методов работы с ними и форм организации учебной деятельности.

IV.Технологии визуализации знаний и презентации результатов исследований в сфере образования

визуализация учебный обучение компьютерный

Развитие вычислительной техники решило вопросы обработки такого объема информации. Но возникла проблема наглядно представить результаты такой обработки. Здесь применяются различные методы визуализации, посредством которых легко можно представлять большие и сложные объемы данных. Системы распознавания визуальных образов - 2-х мерные (символы, граф. знаки, коды, штрих-коды) - FineReader и 3-х мерные объектов (фотоизображения, охранные и видеосистемы) - встроенное в современном фотооборудовании, технологии использования машинного зрения (работа компьютерных систем с массивами данных).

Графики и схемы упрощают восприятие и облегчают восприятие текста человеком. Иногда нескольких схем достаточно для того, чтобы понять смысл изложенного на нескольких страницах проекта.

Цветовое кодирование применяется в исследованиях для анализа и прогнозирования различных физических и математических процессов. Например, в исследовании теплопроцессов, энергопередачи можно наглядно продемонстрировать распределение и тренд температуры в цветовом решении, в социологических процессах, иллюстрировать природные явления.

Бурное развитие 3-х мерной графики - научная визуализация сформировалась в самостоятельную отрасль науки, вобрав в себя основы дифференциального исчисления, геометрии, программирования. Переход на 3D-технологии превратил графику из средства представления в мощный метод решения научных проблем. Трехмерная визуализация может широко применяться для образовательных систем в различных областях науки. Обучение с использованием трехмерных моделей очень наглядно и позволяет разнообразить формы подачи материала и повышать интерес слушателя.

Наибольшее значение виртуальная визуализация имеет в интерактивных системах обучения, таких, как разнообразного вида тренажеры.

Специалистам, использующим аудио и визуальные технологии в своей профессиональной деятельности, необходимо перманентное повышение квалификации. Так как они обычно уже имеют базовое образование, то слежение за развитием новых технологий, методик использования новых программных продуктов и решений может быть реализовано через дистанционные формы. Здесь имеется в виду кейс-технологии, различные формы удаленного тестирования и аттестации, веб-конференции и тому подобное.

Интернет плюс проектная деятельность с использованием средств ИКТ сегодня мощный инструмент, как в образовательной, так и в социальной сфере для продвижения новых методологий обучения, развития бизнеса и повышения компетенции специалиста, но пользоваться им необходимо умело. В условиях современных информационных и социальных реалий назрела необходимость нового методологического подхода к преподаванию таких дисциплин, связанных с использованием компьютерной графики, аудиовизуальных средств.

Тенденции развития современных информационных технологий приводят к постоянному возрастанию сложности информационных систем (ИС), и соответственно содержанию дисциплин их изучения для различных специализаций. Современные дисциплины в области ИКТ характеризуются следующими особенностями: сложность описания (большое количество функций, процессов, элементов данных и сложные взаимосвязи между ними), что требует изучения законов и методик моделирования и анализа данных и процессов, а также новых интеллектуальных инструментов.

Методика современного преподавания с использованием компьютерной графики и аудиовизуальных средств должна ориентироваться на будущие и современные технологии, в том числе и на тенденции развития способов использования информационно-компьютерных средств и технологий. В современной методике конечно должны быть представлены необходимые технические условия, программное обеспечение и требования к пользователю, которые создают условия для обращения к цифровой графике и компьютерному дизайну. Но еще более важно то, что в состав учебно-методических комплексов должна быть заложена изначально возможность их модернизации и интеграции с динамичным изменением информационного ресурса.

Заключение

В данной курсовой работе были рассмотрены технологии визуализации учебной информации, которые позволяют вариативно и рационально использовать различные схемно-знаковые модели представления знаний; устранить несбалансированность текстового и иллюстративного зрительного ряда, «забитость» текстом; повысить выразительность визуального языка и символики, приобретающих особую значимость в век информационных технологий; оптимизировать затраты времени на восприятие и усвоение информации и тем самым повысить эффективность учебно-познавательной деятельности.

Список используемой литературы

Российская педагогическая энциклопедия: В 2 т./ Гл. ред. В.В. Давыдов.- М.: Большая Российская энциклопедия, 1993.- Т.2.- 608 с.

Чошанов М.А. Гибкая технология проблемно-модульного обучения: Метод. пособ.- М.: Народное образование, 1996.- 160 с.

Эрдниев П.М. Системность знаний и укрепление дидактической единицы //Сов. Педагогика.-1975.-№4.-С. 72-80.

Калмыкова З.И Развивает ли продуктивное мышление система обучения В.Ф. Шаталова?//Вопросы психологии. - 1987.-№2.С. 71-80.

Селевко Г.К. Современные образовательные технологии: Учеб. пособ.- М.: Народное образование, 1998.- 256 с.

Манько, Н.Н. Когнитивная визуализация дидактических объектов в активизации учебной деятельности // Известия алтайского государственного университета. Серия: Педагогика и психология. - № 2. - 2009. - С. 22-28.

Вербицкий, А. А. Активное обучение в высшей школе: контекстный подход / А. А. Вербицкий. - М.: Высш. шк., 1991. - 207 с.

Блейк, С., Пейп, С., Чошанов, М. А. Использование достижений нейропсихологии в педагогике США // Педагогика. - № 5. - 2004. - С. 85-90.

Петров, А.В. Развивающее обучение. Основные вопросы теории и практики вузовского обучения физике: монография / А.В. Петров. - Челябинск: Издательство ЧГПУ «Факел», 1997.

Лозинская А. М. Фреймовый способ структурирования содержания модульной программы обучения физике / А. М. Лозинская // Известия Уральского государственного университета. - 2009. - № 3(67). - С. 176-184.

Поговорка «лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать» отражает суть такого процесса как визуализация.

Визуализация (от лат. visualis , «зрительный») - общее название приёмов представления числовой информации или физического явления в виде, удобном для зрительного наблюдения и анализа (wikipedia).

Что такое визуализация? Само по себе понятие является достаточно многогранным, существует несколько определений в зависимости от того, о каком поле деятельности идет речь. Целью визуализации является передача данных. Визуализация информации - это процесс представления абстрактных данных в виде изображений, которые могут помочь в понимании смысла данных. (FB.ru)

Не только дети, но и многие люди плохо воспринимают информацию на слух, часть ее не распознается и теряется, часть воспринимается неверно, сухой монолог быстро утомляет, может вызывать демотивирование обучающихся. Визуализация подаваемого материала обеспечивает наглядность, четкое восприятие и понимание, возможность многократного обращения к представленной информации, возможность сравнения с предыдущей и последующей информацией.

Выделяют следующие Методы визуализации:

1 Рисунок

Рисунок, видимо, был первой в мире сознательной попыткой визуализации образов для их демонстрации другому человеку.

2 График

Графики предназначены прежде всего для иллюстрирования математических понятий, функциональных зависимостей или связей между объектами.

3 Диаграмма

Диаграммы позволяют иллюстрировать количественные соотношения в определённой области.

4 Фотография

5 Карта (wikipedia).

Включение визуализации в образовательный процесс позволяет активно задействовать мощный зрительный канал получения информации. Помимо более понятной и наглядной формы получения информации, происходит дополнительная активизация нервной системы, обеспечивающая повышенное внимание и концентрацию учащихся на предмете изучения.

Есть еще один важный эффект визуализации. Оформляя результаты самостоятельного обсуждения новой темы, учащиеся подключают к обучению мощнейший потенциал творчества. Поиск оригинальных форм отражения результатов работы команды, реализация в этом процессе всех своих способностей, свободное самовыражение и связанные с этим яркие положительные эмоции обеспечивают эффективное усвоение и надежное закрепление новых знаний и умений!

Для визуализации в образовательном процессе можно использовать привычные цветные мелки, разноцветные карточки, наклейки, вырезки из журналов, акварельные краски, материалы для лепки и другие подходящие для этой цели предметы. Театрализация представления результатов обсуждения также обеспечит яркий визуальный эффект и прочное запоминание материала. На самом деле, варианты представления процесса и результатов обучения безграничны, точнее, определяются задачами каждого раздела урока и ограничиваются исключительно фантазией педагога, обучающихся и ресурсными возможностями.

Активные методы представления информации, различные техники и способы визуализации материала оживляют образовательный процесс, позитивно воспринимаются обучающимися и положительно сказываются на результатах обучения. Не жалейте времени на планирование и осуществление на уроке данного процесса!

Скачать:

Предварительный просмотр:

Визуализация

Поговорка «лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать» отражает суть такого процесса как визуализация.

Визуализация (от лат. visualis , «зрительный») - общее название приёмов представления числовой информации или физического явления в виде, удобном для зрительного наблюдения и анализа (wikipedia).

Выделяют следующие Методы визуализации:

1 Рисунок

2 График

3 Диаграмма

Диаграммы позволяют иллюстрировать коли чественные соотношения в определённой области.

4 Фотография

5 Карта (wikipedia).

Данная статья написана представителем компании DevExpress и опубликована в блоге на ХабраХабре.

Медицинские исследователи установили, что если в инструкции к лекарству находится только текст, человек усваивает из нее лишь 70% информации. Если же в инструкцию добавить картинки, человек усвоит уже 95%.

Очевидно, что человек предрасположен обрабатывать именно визуальную информацию. Помимо прекрасной обработки нашим мозгом, визуализация данных имеет несколько преимуществ:

Акцентирование внимания на разных аспектах данных

С помощью графиков можно легко обратить внимание читателя на красные показатели.

Анализ большого набора данных со сложной структурой
Уменьшение информационной перегрузки человека и удерживание его внимания
Однозначность и ясность выводимых данных
Выделение взаимосвязей и отношений, содержащихся в информации

На графике легко можно заметить важные данные.

Эстетическая привлекательность

Эстетически привлекательные графики делают подачу данных эффектной и запоминающейся.

Эдвард Тафти, автор одних из лучших книг по визуализации, описывает ее как инструмент для показа данных; побуждения зрителя задуматься о сути, а не методологии; избежания искажения того, что должны сказать данные; отображения многих чисел на небольшом пространстве; показа большого набора данных связным и единым целым; побуждения зрителя сравнивать фрагменты данных; служения достаточно четким целям: описанию, исследованию, упорядочиванию или украшению ().

Как правильно использовать визуализацию данных?

Успех визуализации напрямую зависит от правильности ее применения, а именно от выбора типа графика, его верного использования и оформления.

60% успеха визуализации зависит от выбора типа графика, 30% - от его правильного использования и 10% - от его верного оформления.

Правильный тип графика

График позволяет выразить идею, которую несут данные, наиболее полно и точно, поэтому очень важно выбрать подходящий тип диаграммы. Выбор можно осуществить по алгоритму:

Цели визуализации - это реализация основной идеи информации, это то, ради чего нужно показать выбранные данные, какого эффекта нужно добиться - выявления отношений в информации, показа распределения данных, композиции или сравнения данных.

В первом ряду показаны графики с целями показа отношений на данных и распределения данных, а во втором ряду целями являются показ композиции и сравнения данных.

Отношения в данных - это то, как они зависят друг от друга, связь между ними. С помощью отношений можно выявить наличие или отсутствие зависимостей между переменными. Если основная идея информации содержит фразы «относится к», «снижается/повышается при», то нужно стремиться показать именно отношения в данных.
Распределение данных - то, как они располагаются относительно чего-либо, сколько объектов попадает в определенные последовательные области числовых значений. Основная идея при этом будет содержать фразы «в диапазоне от x до y», «концентрация», «частотность», «распределение».

Композиция данных - объединение данных с целью анализа общей картины в целом, сравнения компонентов, составляющих процент от некоего целого. Ключевыми фразами для композиции являются «составило x%», «доля», «процент от целого».

Сравнение данных - объединение данных, с целью сравнения некоторых показателей, выявление того, как объекты соотносятся друг с другом. Также это сравнение компонентов, изменяющихся с течением времени. Ключевые фразы для идеи при сравнении - «больше/меньше чем», «равно», «изменяется», «повышается/понижается».

После определения цели визуализации требуется определить тип данных. Они могут по своему типу и структуре быть очень разнородными, но в самом простом случае выделяют непрерывные числовые и временные данные, дискретные данные, географические и логические данные. Непрерывные числовые данные содержат в себе информацию зависимости одной числовой величины от другой, например графики функций, такой как y=2x. Непрерывные временные содержат в себе данные о событиях, происходящих на каком-либо промежутке времени, как график температуры, измеряемой каждый день. Дискретные данные могут содержать в себе зависимости категорийных величин, например график количества продаж товаров в разных магазинах. Географические данные содержат в себе различную информацию, связанную с местоположением, геологией и другими географическими показателями, яркий пример - это обычная географическая карта. Логические данные показывают логическое расположение компонентов относительно друг друга, например генеалогическое древо семьи.

Графики непрерывных числовых и временных данных, дискретных данных, географических и логических данных.

В зависимости от цели и данных можно выбрать наиболее подходящий им график. Лучше всего избегать разнообразия ради разнообразия и выбирать по принципу «чем проще, тем лучше». Только для специфичных данных использовать специфичные типы диаграмм, в остальных же случаях хорошо подойдут самые распространенные графики:

линейный (line)
с областями (area)
колонки и гистограммы (bar)
круговая диаграмма (pie, doughnut)
полярный график (radar)
точечный график (scatter, bubble)
карты (map)
деревья (tree, mental map, tree map)
временные диаграммы (time line, gantt, waterfall).

Линейные диаграммы, графики с областями и гистограммы могут содержать в одном аргументе для одной категории несколько значений, которые могут быть как абсолютными (тогда к таким видам графикам прибавляется приставка stacked), так и относительными (full stacked).

График со stacked значениями и с full stacked

При выборе подходящего графика можно руководствоваться следующей таблицей, составленной на основе этой диаграммы и :

Правильное использование графика

Важно не только верно выбрать тип графика, но и правильно его использовать:

Не нужно нагружать график большим количеством информации. Оптимальное количество разных типов данных, категорий - это не более 4-5, иначе же целесообразнее разделить такую диаграмму на несколько штук.

Такой график можно сравнить со спагетти и лучше разделить на несколько диаграмм.

Верно выбрать шкалу и ее масштаб для графика. Для гистограмм и графиков с областями предпочтительнее начинать шкалу значений с нуля. Постараться не использовать инвертированные шкалы - это очень часто вводит зрителя в заблуждение относительно данных.

Неверная шкала отрицательно влияет на восприятие данных. В первом случае некорректно выбран масштаб, во втором шкала инвертирована.

Для круговых диаграмм и графиков, где показан процент от общей доли, сумма значений всегда должна составлять 100%.
Для лучшего восприятия данных информацию на оси лучше упорядочить - либо по значениям, либо по алфавиту, либо по логическому смыслу.

Правильное оформление графика

Ничто так не радует глаз, как правильно оформленные графики, и ничто так не портит диаграммы, как наличие графического «мусора». Основные принципы оформления:

использовать палитры похожих, не ярких цветов, и постараться ограничиться набором из шести штук
вспомогательные и второстепенные линии должны быть простыми и не бросающимися в глаза

Вспомогательные линии на графике не должны отвлекать внимание от основной идеи данных.

там, где возможно, использовать только горизонтальные надписи на осях;
для графиков с областями предпочтительнее использовать цвет с прозрачностью;
для каждой категории на графике использовать свой цвет.

Выводы

Визуализация - мощный инструмент донесения мыслей и идей до конечного потребителя, помощник для восприятия и анализа данных. Но как и все инструменты, ее нужно применять в свое время и в своем месте. В противном случае информация может восприниматься медленно, а то и некорректно.

На графиках изображены одни и те же данные, слева показаны основные ошибки визуализации, а справа они исправлены.

При умелом применении визуализация данных позволяет сделать материал впечатляющим, нескучным и запоминающимся.

Визуализация - ИЗОБРАЖЕНИЙ 24. Визуализация Display Визуальное представление данных Источник: ГОСТ 27459 87: Системы обработки информации. Машинная графика. Термины и определения …

Способ отображения информации о состоянии технологического оборудования и параметрах технологического процесса на мониторе компьютера или операторской панели в системе автоматического управления в промышленности, предусматривающий также… … Википедия

В общем смысле метод представления информации в виде оптического изображения (например, в виде рисунков и фотографий, графиков, диаграмм, структурных схем, таблиц, карт и т. д.). Очень эффективно визуализация используется для представления… … Словарь бизнес-терминов

Египетские иероглифы позволяли интуитивно наглядно описывать понятия … Википедия

Визуализация типовой формы - 98. Визуализация типовой формы Form flash Визуальное представление типовой формы Источник: ГОСТ 27459 87: Системы обработки информации. Машинная графика. Термины и определения … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Визуализация - (лат. visualis зрительный) 1. формирование зрительного наглядного или мысленного образа (например, можно «воочию» представить себе страницу книги, где находится нужный текст); 2. в психопатологии присоединение к нарушениям мышления зрительных… … Энциклопедический словарь по психологии и педагогике

ГОСТ 27459-87: Системы обработки информации. Машинная графика. Термины и определения - Терминология ГОСТ 27459 87: Системы обработки информации. Машинная графика. Термины и определения оригинал документа: 5. Абсолютная команда визуализации Absolute command Команда визуализации, в которой используются абсолютные координаты… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Содержание 1 Как это работает 2 Безопасность 3 Действующие службы передачи дорожной … Википедия

извлечение информации из данных - разведка данных Технология анализа хранилищ данных, базирующаяся на методах ИИ и инструментах поддержки принятия решений. Процесс обнаружения корреляции, тенденций, шаблонов, связей и категорий. Выполняется путем тщательного исследования данных с … Справочник технического переводчика

Тип Сист … Википедия

Книги

, Кабаков Роберт И.. R -это мощный язык для статистических вычислений и графики, который может справится поистине с любой задачей в области обработки данных. Он работает во всех важных операционных системах и…
R в действии. Анализ и визуализация данных на языке R , Роберт И. Кабаков. R– это мощный язык для статистических вычислений и графики, который может справиться поистине с любой задачей в области обработки данных. Он работает во всех важныхоперационных системах и…