Визуализация данных в науке и технике. Визуализация результатов экспериментальных исследований

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

(Томск, Томский политехнический университет)

Введение. Область применения и возможности численного экспериментов растут вместе с развитием вычислительной техники. Увеличиваются сложности и многообразие решаемых задач. Огромный объём получаемой в ходе эксперимента информации требует адекватных способов её представления. Вместо массивов числовых данных и простых графиков всё шире используются наглядные визуальные образы, облегчающие полноценное и своевременное осмысление получаемых результатов.

Визуализация данных – задача, с которой сталкивается в своей работе любой исследователь. К задаче визуализации данных сводится проблема представления в наглядной форме данных эксперимента или результатов теоретического исследования. Традиционные инструменты в этой области – графики и диаграммы – плохо справляются с задачей визуализации, когда возникает необходимость изобразить более трех взаимосвязанных величин. С другой стороны, существует мощнейший инструмент изображения информации, привязанной к географической сетке координат. Это очень быстро развивающийся сегодня арсенал ГИС-технологий (ГИС – геоинформационные системы). К сожалению, как только исчезает подложка для изображения информационных слоев – географическая карта – все методы ГИС остаются не у дел.

Основные принципы визуализации информации. Для оптимального отображения информации в приводится ряд рекомендаций, которые могут быть использованы при разработке подсистем визуализации:

1. Состав и форма отображаемой информации, а также задачи и цели подсистемы визуализации определяются целями и задачами системы. В информационные модели должны быть представлены только те свойства отношения, связи управляемых объектов, которые существенны и имеют определенное функциональное значение. Объем, состав, форма предъявленной информации должна соответствовать как решаемым задачам, так и психофизиологическим возможностям человека.

2. Модель должна быть наглядной, т. е. оператор должен иметь возможность воспринимать сведения быстро и без кропотливого анализа. Таким образом, модель может давать наглядное представление о пространственном расположении объектов, что означает быть геометрически подобной их действительному расположению. В этом случае оператор будет иметь наглядное представление о таких свойствах управляемых объектов, как расстояние между ними, их принадлежность к какой-либо территориальной группе и т. п.

Достоинства наглядных моделей заключаются в том, что процесс восприятия такой же, как процесс восприятия реального объекта. Основная задача при разработке наглядных информационных моделей заключается в определении признаков, которые целесообразно отобразить наглядно и в допустимой степени схематизации. Но наглядность информационных моделей не всегда легко достижима, так как нередки случаи, когда объекты управления не обладают наглядными признаками. В этих случаях приходится решать задачи, близкие к тому, что в методологии науки определяется как визуализация понятий. Информационные модели, построенные по данному принципу, называются абстрактными, Достоинства абстрактных моделей заключается в том, что они отображают свойства объекта, которые недоступны непосредственному наблюдателю.

3. Достижением легкой воспринимаемости отображаемой информации обеспечивается правильной организацией ее структуры. Это означает, что в информационной модели должны быть представлены не коллекция или пара сведений, так или иначе упорядоченных, а находящиеся к определенном и очевидном взаимодействии. Одним из средств достижения оптимальной структуры является хорошая компоновка информационной модели. В этом смысле разработка отображения на экране представляет собой задачу в какой-то степени эквивалентную задаче хорошей компоновки картины.

4. Важнейшим психическим процессом при слежении за сложными динамическими образами является антиципация , т. е. возможность прогнозирования развития ситуации оператором, для обеспечения которой следует наглядно графически отображать изменения параметров. Данное положение обеспечивается, если при проектировании информационной модели предусмотрено:

Отображение конкретных изменений свойств элементов ситуации, которые происходят при их взаимодействии. В этих случаях изменения свойств отдельных элементов воспринимаются не изолированно, а в контексте ситуации в целом. Более того, изменение свойств одного элемента воспринимается как симптом изменения ситуации в: целом;

Отображение динамических отношений управляемых объектов. При этом связи и взаимодействия информационной модели должны отображаться в развитии;

Отображение конфликтных отношений, в которые вступают элементы ситуации.

5. Компоновка информации на экране должна учитывать, что горизонтальные движения глаз совершаются наиболее легко и быстро. Скорость движения глаз по кривым зависит от формы, и с помощью выбора формы можно варьировать время фиксации взгляда в той или иной области экрана. В местах расположения наиболее важных данных для процесса управления помещают структурные элементы, при движении по которым снижается скорость движения глаз.

Кодирование информации формой. Наиболее информативным обозначением тождественности информации является кодирование данных формой. Известно, что время декодирования и период латентной реакции на предметное изображение минимально по сравнению с другими методами кодирования (среднее время реакции на предмет – 0,4с, на цветное изображение – 0,9с, время фиксации взгляда па простых геометрических фигурах – 0,18мс, на буквах и цифрах – 0,3мс).

Основное значение при восприятии формы человеком имеет отношение "фигура-фон". Данное отношение имеет несколько видов описания:

Фигура имеет форму, фон относительно бесформен, фигура имеет характер вещи, фон же выглядит как неоформленный материал;

Фигура имеет, тенденцию выступать вперед, фон - отступать назад, фон кажется непрерывно продолжающимся позади фигуры;

Фигура производит большее впечатление, чем фон и легче запоминается.

В психологии эмпирически выявлены некоторые принципы организации поля сигналов, пользуясь которыми можно влиять на отношение "фигура-фон".

1. Чем меньшую замкнутую площадь занимает какая-либо конфигурация, тем больше тенденция именно этому изображению выступать в роли фигуры.

2. В качестве фигуры, прежде всего, выделяются замкнутые конфигурации.

3. Симметричные конфигурации легче воспринимаются как фигуры, чем конфигурации ассиметричные.

4. В том случае, когда поле изображения заполнено однородными элементами, фигуру образуют те из них, которые пространственно расположены ближе друг к другу.

5. Если поле изображения заполнено разнородными элементами, то фигура образуется, прежде всего, теми из них, которые имеют сходство по форме или цвету.

6. Если те или иные элементы перемещаются по полю изображения в одном направлении и с одинаковой скоростью, то именно они выделяются как фигура.

7. Если расположить часть элементов в определенном порядке, то можно создать у наблюдателя установку, которая повлияет на восприятие остальных элементов.

Решающий момент выделения фигуры из фона имеет восприятие контура. Именно восприятие контура обеспечивает возможность дифференцированного восприятия формы, известного единства строения, пропорций и взаимосвязи частей. При восприятии контура наиболее информативными являются точки, в которых происходит резкое изменение направления линий.

Чем сильнее контраст между фоном и фигурой, тем легче и быстрее происходит выделение фигуры. Контур любой фигуры - это комбинации элементарных форм: прямая линия, угол и т. д. Вырез в фигуре или контуре различается лучше, чем выступ. Достаточно хорошо глаз воспринимает также величины углов. Чем сложнее контур фигуры, чем больше информации получает при восприятии человек. Процент ошибки опознания для симметричных фигур меньше, чем для несимметричных. Но при этом необходимо учитывать, что на сложном фоне правильность опознании контуров уменьшается. При кодировании данных формой используются следующие типы или методы: числом точек, линий, величиной площади фигуры, пространственной конфигурации изображения.

Кодирование числом точек используется для обозначения числа объектов в группе или числа групп; при этом можно вместо точек использовать простые геометрические фигуры. Человек без счета может определить количество точек, расположенных в случайном порядке, если их не более пяти. Если же количество точек больше пяти, то число ошибок опознании резко увеличивается. Группировка точек в определенные схемы увеличивает точность оценки их количества. Если точки предъявляются на фоне других групп, сходных по структуре, то опознавание таких конфигураций резко понижается.

Размер или область, занятая какой-то конфигурацией, также может эффективно представлять значение данных, хотя подобно длине это плохая размерность стимула для кодирования тождественности данных. Эффективное разрешение при кодировании размером меньше, чем при кодировании длиной, потому что для кодирования размером требуется большая область отображения в пересчете ни единицу данных. Однако, такое кодирование оказывает большой психологический эффект. Достаточно хорошо идентифицируется 4-5 градаций фигур но площади. Использование изображений объемных тел нецелесообразно, так как при оценке величины человек обычно ориентируется на площадь фигуры, а не на ее объем. При сравнении с некоторыми эталонами, находящимися в информационном поле оператора, точность оценки величины площади фигуры резко возрастает. Кроме всего сказанного можно добавить, что само изменение площади фигуры несет в себе некоторую информацию, а размещение изображения в определенном месте поля зрения оператора может нести определенную смысловую нагрузку.

Представление информации в виде образов. Наиболее эффективным и несущим наибольший объем информации является представление данных в виде образов или картин. Восприятие человека устроено гак, что его мозг, взаимодействуя с внешним миром, воспринимая и осмысливая поступающую информацию, настраивается на определенные образы или эталоны, которые легко, без необходимого приспособления и тренировки, воспринимаются им и требуют дополнительного кодирования.

Основными преимуществами метода образного кодирования являются:

Возможность согласования большого потока информации с пропускной способностью сенсорных анализаторов человека;

Значительное сокращение объема ненужной информации;

Существенное снижение необходимости в априорных сведениях об изучаемом объекте;

Компактность в отношении занимаемой площади; .

Широкие возможности перестройки для обслуживания объектов различного назначения.

Поскольку человек - существо социальное, то наибольшее значение для него приобретают контакты с другими людьми. Это приводит к тому, что человек обучается распознавать огромное количество лиц. По выражению лица, мимике мы мгновенно определяем эмоциональнее состояние человека, но на ряду с основными эмоциональными состояниями мы различаем десятки их оттенков. Причем малейшие изменения. Этим определяется высокая информативность как самого лица, так и его выражения. Эта информативность лица передается в фотографиях, рисунках, карикатурах и т. д.

Анализ графической информации базируется на способности индивида интуитивно находить сходство и различия в объектах, при этом особенно хорошо запоминаются и распознаются черты лица. Указанные особенности человеческого восприятия эффективно используются в диаграммах "лица Чернова". Каждый объект представляет собой схематичное изображение лица, определенным чертам которого (ширине лица, длине носа, изгибу бровей, форме рта и т. д.) соответствуют относительные значения выбранных переменных (рис 1).

Рис.1. Примеры визуализации информации с помощью алгоритма Чернова.

Область применения системы лица разнообразна, но особенно перспективным является применение подобной системы для отображения медицинской информации, поскольку ряд физиологических характеристик человека непосредственно проявляется в чертах лица. Так по лицу можно с большой вероятностью правильно определить возраст человека, наличие избыточного веса, эмоциональное состояние, пол и т. п. Использование таких прямых ассоциаций резко сокращает время декодирования, т. е. перехода от изображения к исходному кодируемому значению параметра. Применение компьютерной графики, для синтеза изображения лиц из физиологических данных позволяет получать физиологический портрет испытуемого в прямом смысле этого слова.

Визуализация экспериментальных данных, представленных в виде числовых таблиц. В медико-психологических исследованиях результаты эксперимента часто представлены в виде числовых таблиц. Методы визуализации такого рода информации основаны, как правило, на переходе от многомерной к двумерной системе координат (метод главных компонент , методы структурного упорядочения, предложенные с соавторами ).

Рассмотрим алгоритм формирования координат объектов в методе начального упорядочения .

Для оценки рассогласования структур в RL и R2 вычисляется матрица взаимных расстояний dnk между элементами Xn и Xk из выборки X:

В n-й строке такой матрицы записаны расстояния от некоторого n-го элемента Xn до всех остальных (N-1) элементов множества https://pandia.ru/text/78/605/images/image004_27.gif" width="48" height="29 src="> до некоторого k-го элемента. Любую n-ю строку матрицы DN(X) можно рассматривать как результат упорядочения элементов относительно n-го элемента Xn путем отображения этого множества на числовую ось действительных чисел . Задавая на оси положение n-го элемента и принимая его за начало отсчета (точку Yn, координата которой на оси равна нулю), можно упорядочить образы выборки X на оси относительно n-го элемента, используя в качестве меры упорядочения расстояние от элемента Xn до всех остальных (N-1) элементов. Из точки Yn https://pandia.ru/text/78/605/images/image005_23.gif" width="23" height="24 src=">) построим перпендикулярно к оси другую числовую ось при этом k-й элемент выборки X расположим в точке пересечения осей https://pandia.ru/text/78/605/images/image008_14.gif" width="23" height="24 src=">.gif" width="48" height="29 src=">, подобно тому как это было осуществлено для оси . Координаты элементов на оси представляют собой расстояния от k-го элемента до всех остальных (N-1) элементов и позволяют судить о группируемости векторов около вектора Xk..gif" width="23" height="24 src="> определят некоторую псевдоплоскость . оценки и мониторинга психофизиологического состояния беременных женщин .

Эффективность данного метода зависит от “хорошего” выбора строк матрицы DN(X), который не должен быть совсем случаен. Выбор близких в RL элементов Xn и Xk в качестве центров упорядочения остальных (N-1) элементов на осях и нерационален, так как не дает существенно новой информации об упорядоченности выборки X, так что необходимо выбирать элементы X, относительно удаленные друг от друга. Поэтому в качестве центров упорядочения нами были выбраны «эталонный» объект и объект, имеющий наихудшие параметры (рис. 2).

Заключение. Суть приведенных методов - пути решения проблемы рационального обобщения и повышения наглядности отображаемой информации с целью создания оптимальных и комфортных условий труда оператора, с целью высвобождения его для решения задач высших уровней управления объектом или общей оценки задачи и условий функционирования на данном этапе принятия решений.

Результаты междисциплинарных исследований позволяют уверенно утверждать, что визуализация является одним из наиболее перспективных направлений повышения эффективности методов анализа и представления информации.

В работе представлены различные подходы к визуализации результатов экспериментальных социальных и медико-психологических исследований.

Работа выполнена при финансовой поддержке РГНФ (проект № в) и РФФИ (проект № а).

ЛИТЕРАТУРА

1. Зиновьев многомерных данных. - Красноярск: Изд. Красноярского государственного технического университета, 2000. - 180 с.

2. Современные методы представления и обработки биомедицинской информации: учебное пособие / Томский политехнический университет; Сибирский государственный медицинский университет; Под ред. ; . - Томск: Изд-во ТПУ, 2004. - 336 с.

3. , . Современные методы когнитивной визуализации многомерных данных - Томск: Некоммерческий фонд развития региональной энергетики, 2007. - 216 с.

4. , Эммануэль В. Информационные технологии в медико-биологических исследованиях. – СПб: Питер, 2003. – 528 с.

5. , . Аналитические исследования в медицине, биологии и экологии: учебное пособие - М. : Высшая школа, 2003. - 279 с.

6. , Шаропин система выявления групп риска среди беременных женщин //Информатика и системы управления, 2008, - № 2(16). - c. 22-23

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.

С возрастанием количества накапливаемых данных, даже при использовании сколь угодно мощных и разносторонних алгоритмов Data Mining, становится все сложнее "переваривать" и интерпретировать полученные результаты. А, как известно, одно из положений DM - поиск практически полезных закономерностей. Закономерность может стать практически полезной, только если ее можно осмыслить и понять.

К способам визуального или графического представления данных относят графики, диаграммы, таблицы, отчеты, списки, структурные схемы, карты и т.д.

Визуализация традиционно рассматривалась как вспомогательное средство при анализе данных, однако сейчас все больше исследований говорит о ее самостоятельной роли.

Традиционные методы визуализации могут находить следующее применение:

представлять пользователю информацию в наглядном виде;

компактно описывать закономерности, присущие исходному набору данных;

снижать размерность или сжимать информацию;

восстанавливать пробелы в наборе данных;

находить шумы и выбросы в наборе данных.

Методы визуализации

Методы визуализации, в зависимости от количества используемых измерений, принято

классифицировать на две группы :

представление данных в одном, двух и трех измерениях;

представление данных в четырех и более измерениях.

Представление данных в 4 + измерениях

Представления информации в четырехмерном и более измерениях недоступны для человеческого восприятия. Однако разработаны специальные методы для возможности отображения и восприятия человеком такой информации.

Наиболее известные способы многомерного представления информации:

параллельные координаты;

"лица Чернова";

лепестковые диаграммы.

Представление пространственных характеристик

Отдельным направлением визуализации является наглядное представление

пространственных характеристик объектов. В большинстве случаев такие средства выделяют на карте отдельные регионы и обозначают их различными цветами в зависимости от значения анализируемого показателя.

Карта представлена в видеграфического интерфейса, отображающего данные в виде трехмерного ландшафтапроизвольно определенных и позиционированных форм (столбчатых диаграмм, каждая синдивидуальными высотой и цветом). Такой способ позволяет наглядно показыватьколичественные и реляционные характеристики пространственно-ориентированных

данных и быстро идентифицировать в них тренды.

Процесс Data Mining. Анализ предметной области. Постановка задачи. Подготовка данных.

Процесс Data Mining. Начальные этапы

Процесс DM является своего рода исследованием. Как любое исследование, этот процесс состоит из определенных этапов, включающих элементы сравнения, типизации, классификации, обобщения, абстрагирования, повторения.

Процесс DM неразрывно связан с процессом принятия решений.

Процесс DM строит модель, а в процессе принятия решений эта модель эксплуатируется.

Рассмотрим традиционный процесс DM. Он включает следующие этапы:

анализ предметной области;

постановка задачи;

подготовка данных;

построение моделей;

проверка и оценка моделей;

выбор модели;

применение модели;

коррекция и обновление модели.

В этой лекции мы подробно рассмотрим первые три этапа процесса Data Mining,

остальные этапы будут рассмотрены в следующей лекции.

Этап 1. Анализ предметной области

Исследование - это процесс познания определенной предметной области, объекта или явления с определенной целью.

Процесс исследования заключается в наблюдении свойств объектов с целью выявления и оценки важных, с точки зрения субъекта-исследователя, закономерных отношений между показателями данных свойств.

Решение любой задачи в сфере разработки программного обеспечения должно начинаться с изучения предметной области.

Предметная область - это мысленно ограниченная область реальной действительности, подлежащая описанию или моделированию и исследованию.

Предметная область состоит из объектов, различаемых по свойствам и находящихся в определенных отношениях между собой или взаимодействующих каким-либо образом.

Предметная область - это часть реального мира, она бесконечна и содержит как

существенные, так и не значащие данные, с точки зрения проводимого исследования.

Исследователю необходимо уметь выделить существенную их часть. Например, при решении задачи "Выдавать ли кредит?" важными являются все данные про частную жизнь клиента, вплоть до того, имеет ли работу супруг, есть ли у клиента несовершеннолетние дети, каков уровень его образования и т.д. Для решения другой задачи банковской деятельности эти данные будут абсолютно неважны. Существенность данных, таким образом, зависит от выбора предметной области.

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.

По сложившейся уже традиции, начнем с определения.

Визуализация информации – представление информации в виде графиков, диаграмм, структурных схем, таблиц, карт и т.д.

ecsocman.edu.ru

Зачем визуализировать информацию? "Глупый вопрос!" – воскликнет читатель. Конечно же, текст с картинками воспринимается лучше, чем "серый" текст, а картинки с текстом воспринимаются еще лучше. Недаром все мы так любим комиксы – ведь они позволяют нам буквально схватывать информацию на лету, казалось бы, не прикладывая ни малейших умственных усилий! А вспомните, насколько хорошо запоминался вам во время учебы материал тех лекций, которые сопровождались слайдами!

Первое, что приходит нам в голову при слове "визуализация", – это графики и диаграммы (вот она, сила ассоциаций!). С другой стороны, визуализировать таким образом можно только числовые данные, никому еще не удавалось построить график на основе связного текста. Для текста мы можем построить план, выделить основные мысли (тезисы) – сделать краткий конспект. О недостатках и вреде конспектирования мы поговорим чуть позже, а сейчас скажем о том, что если объединить план и краткий конспект – "развесить" тезисы по ветвям дерева, структура которого соответствует структуре (плану) текста, – то мы получим отличную структурную схему текста, которая запомнится намного лучше, чем любой конспект. В этом случае ветви будут играть роль тех "треков" – дорожек, связывающих понятия и тезисы, о которых мы говорили ранее.

Помните, как мы строили UML-диаграммы на основе описания проектируемой программной системы, полученного от ее будущих пользователей? Полученные картинки воспринимались и клиентами, и разработчиками намного проще и быстрее, чем текстовое описание. Точно так же можно "изобразить" абсолютно любой текст, не только техническое задание на разработку системы. Подход, описанный нами выше, позволяет визуально представить абсолютно любой текст – будь это сказка, техническое задание, лекция, фантастический роман или результаты совещания – в виде удобного и простого для восприятия дерева. Строить его можно как угодно – лишь бы получилась наглядная и понятная схема, которую хорошо бы еще проиллюстрировать подходящими по смыслу рисунками.

Такие схемы удобно применять и в общении при обсуждении каких-либо вопросов и проблем. Как показывает практика, отсутствие четких стандартов нотации не создает абсолютно никаких коммуникативных сложностей для участников обсуждений. Наоборот, использование невербальных форм представления информации позволяет концентрировать внимание именно на ключевых точках проблемы. Таким образом, визуализация является одним из наиболее перспективных направлений повышения эффективности анализа, представления, восприятия и понимания информации.

Ух, наконец-то мы покончили с нудным описанием научных теорий, методов и приемов, применяющихся для обработки, систематизации и визуализации информации! Предыдущая часть главы сильно утомила и автора, и читателей, и тем не менее, она была необходима: в результате мы увидели, что особенности работы нашего мозга уже активно применяются учеными в самых разных областях науки, многие вещи, которые кажутся нам привычными, – персональные компьютеры, пользовательские интерфейсы, базы знаний и т.д. – изначально строились с учетом ассоциативного характера человеческого мышления и его склонности к иерархическому представлению и визуализации информации. Но вершиной и естественным графическим выражением мыслительных процессов человека является mind mapping, к обсуждению которого мы наконец-то переходим. А заодно попытаемся расширить наше понимание принципов визуального мышления.