思維可視化技術在計算機課程教學中的創(chuàng)新應用

姜丹　張曉雯　王輝

摘 要：針對計算機教學中存在的計算機課程內容對學員的思維能力要求較高，但學員思維能力不足、教學效果不理想的問題，提出在計算機教學實踐中應用思維可視化技術，具體探討思維可視化技術在計算機教學實踐中的應用方法，根據教學過程中的經驗和教學效果提出幾點反思。

關鍵詞：思維可視化；計算機教學；魚骨圖；思維導圖

0 引 言

計算機技術在軍事上的應用從根本上改變了信息時代的戰(zhàn)爭模式、演練手段和作戰(zhàn)效率。在海軍大連艦艇學院新的人才培養(yǎng)方案中，計算機課程的地位也越來越突出，是信息類課程的核心組成部分，對培養(yǎng)學員的信息化素質和實戰(zhàn)化能力起著至關重要的作用。深化計算機課程的教學改革，培養(yǎng)學員的信息化素養(yǎng)，提高學員的自主學習能力和創(chuàng)新能力，是一個亟待研究的課題。

1 計算機課程教學現狀的分析

近年來，教學改革不斷推進，在計算機課程的教學中也不斷應用新的教學理念和教學模式。例如，根據計算機課程知識離散的特點，提出模塊化教學理念，推進任務驅動式教學法，在課堂教學中采用啟發(fā)式、研討式教學法等。由于計算機課程的特性，現有的教學中仍存在教學模式和教學方法創(chuàng)新不足、研究和應用的深度廣度不足、學員畏難情緒嚴重、學習興趣不足等諸多問題，主要體現在以下幾方面。

（1）計算機課程內容繁多、知識分散且晦澀難懂。以計算機硬件技術基礎課程為例，其內容涵蓋計算機組成原理、匯編語言程序設計、接口技術等多門課程的內容，知識點繁雜分散，專業(yè)術語晦澀難懂，前面章節(jié)的內容涉及后續(xù)章節(jié)的知識和術語。這些特點導致學員在學習的時候難以整體把握計算機知識，學習效果不好，且非常容易產生畏難情緒，失去學習計算機課程的動力。

（2）計算機課程的邏輯性強，對學員的思維能力要求高，并且計算機的思維方式不同于人類的自然思維，是站在計算機的角度思考問題，遵循計算機的規(guī)則解決問題，這完全不同于其他學科思考問題的方法。2006年，美國卡內基·梅隆大學計算機科學系主任周以真教授將計算機的思維方式稱為“計算思維”，是運用計算機科學的基礎概念、基本規(guī)則進行問題求解、系統(tǒng)設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學廣度的一系列思維活動。計算思維與學員從小建立起來的思維方式截然不同，這導致學員按照既有的思維模式很難融入計算機世界，導致計算機課程的學習效果不好。

（3）現有的計算機課程教學往往過分強調計算機的基本術語、基本概念及語法規(guī)則，而忽略將這些內容貫穿、運用起來的計算思維的培養(yǎng)及動手能力的提高，導致教學方法也片面地追求如何把單個的知識點講清楚，而不注重思維的培養(yǎng)和訓練。

（4）訓練思維的創(chuàng)新性教學方法研究不足，應用不夠深入。雖然在教學過程中采取了很多新的教學方法，如任務驅動、案例教學等，但是應用水平還停留在膚淺的層面上，并不能夠真正地將這些新的教學方法深入應用到計算機課程的教學中。

2 思維可視化技術概述

思維是人腦對客觀事物間接的、概括的反映，反映的是事物的本質以及事物之間的聯(lián)系。人腦的思維活動是非常龐大的，瞬間就會產生千頭萬緒的思維，這些思維活動在腦海里常常會變得雜亂無序，叫人理不出頭緒。思維可視化就是運用一系列的圖示技術將人腦的思維活動呈現出來，包括思考方法、思考路徑、思維規(guī)律等，使本來不可見的思維清晰可見。被可視化的思維更加容易被理解、被記憶，可以提高信息加工和信息傳遞的效能。使用思維可視化技術可以幫助思考，使得人腦的思維清晰和邏輯分明，更容易找到問題的解決方法。

“思維可視化”概念由華東師范大學現代教育技術研究所的思維可視化教學實驗中心主任劉濯源教授首先提出，歷經近10年的研究與實踐，2011年獲全國教育信息化技術研究“十二五”規(guī)劃重點課題“思維可視化技術與學科整合的理論和實踐研究”立項，后逐漸被全國的教育專家高度認可。

2.1 思維可視化的圖示技術

思維可視化的圖示模型主要有4類：放射型、層次型、線性型和矩陣式。

放射型的圖示讓思維從一點出發(fā)，形成放射狀的發(fā)散，主要用來整理多種主題，對每個主題進行深入挖掘，利于發(fā)散思維。思維導圖是這種方法的典型技術，可以從一個主題發(fā)散，找到與該主題相異的、相似的、相關聯(lián)的主題，從而形成一個網狀的思維地圖。魚骨圖又稱為因果圖，是一種發(fā)現問題根本原因的分析方法，簡單實用，深入直觀，有助于分析產生問題的可能原因以及原因之間的相互影響。

層次型的圖示用來挖掘結構關系并層層深入挖掘事物的狀況。例如，架構圖是通過樹狀圖的形式對事物的結構進行逐層分析，從而探討組織結構關系。層次圖也可以用來展示清晰的分組信息，表達分明的組織結構關系。

線性型的圖示一般都有一條清晰的主線，這條主線串起整個事物主題分析過程。例如，時間線是以時間為軸，按照時間關系將主題一一地呈現出來。

矩陣式的圖示最典型的是SWOT分析，是一種常用的戰(zhàn)略分析工具，可以將企業(yè)的優(yōu)勢與劣勢、機會與威脅等方面通過矩陣形式呈現出來，并進一步分析、整合和概括，從而把優(yōu)勢資源都聚焦在自己的強項和機會多的地方。

2.2 圖示技術舉例——思維導圖

思維導圖又叫心智圖，是表達發(fā)散性思維的有效的圖形思維工具。思維導圖通過模擬大腦的記憶結構，按照簡單、自然、易被大腦接受的規(guī)則，使用文字、圖像、符號、線條等元素，將信息圖文并茂的表示出來。

思維導圖的核心思想是把形象思維與抽象思維很好地結合起來，讓左右腦同時運作，將思維痕跡在紙上用圖像和線條形成發(fā)散性的結構[1]。思維導圖技術結合了全腦的概念，包括左腦的邏輯、順序、條理、文字、數字以及右腦的圖像、想象、顏色、空間等，全面激活大腦，把零散的、雜亂的知識按照一定的邏輯、類別、結構組織成彩色的、層次的、立體的圖式[2]。

思維導圖的創(chuàng)始人是英國心理學家東尼·博贊，他認為思維導圖是對發(fā)散性思維的表達，也是人類思維的自然功能[3]。思維導圖對應的英文包括mind mapping和mind map，前者表示構圖過程，后者表示構圖結果[4]。思維導圖在注重將信息圖示這一結果的同時更加注重形成圖示的過程，注重各個信息之間的相互關聯(lián)。

3 思維可視化技術在計算機教學中的具體應用

3.1 思維可視化教學法

思維可視化教學法即將思維可視化技術運用到教學實踐中，在傳遞知識的同時更加注重產生知識的思維活動，挖掘與呈現知識背后的思維規(guī)律并訓練學員掌握它。思維可視化技術將傳統(tǒng)教學過程中側重的“強調知識”轉變成“強調產生知識的過程”，通過經歷和體會產生知識的這一過程，學員可以學會如何高效地思考和學習，從而進入學會思考、樂于思考、學會學習和樂于學習的良性循環(huán)。

思維可視化教學法不僅僅是機械、簡單地利用上述幾種圖示技術，而是把“將思維盡可能地展現出來”這一宗旨充分地融合在教學活動中，以思維可視化技術為手段，以“思維共振、思想共鳴”為課堂的教學方法。思維可視化教學法不僅可以使課堂教學活動的線索特別清晰，教學效能大大提高，而且能夠牽引學員的思維活動，引導學員高效思考，將教學層次從知識的傳遞提升到思維的訓練，大幅提高學員的思維能力和學習能力。

3.2 課堂教學設計典型案例

鏈表是C語言中較難的部分，綜合運用指針、結構體、動態(tài)存儲等知識，比較難理解，需要反復思考，但鏈表充分運用了計算機的內存空間，實現了靈活的內存動態(tài)管理，因此鏈表應用非常廣泛。我們以鏈表為例，創(chuàng)新性地將魚骨圖等思維可視化技術應用在教學實踐中，并提出一種全新的思維可視化技術——思考路徑圖，通過圖示將思考過程呈現出來，達到了良好的教學效果。

3.2.1 教學流程設計

教學流程可采取任務驅動教學法，配合“探究—發(fā)現”教學模式進行，按照提出問題—解決問題的思路進行設計。

首先提出問題——如何存儲與訪問數據？采取多種教學方法啟發(fā)學員思考使用已有的方法解決問題，提出已有方法存在的主要問題并用魚骨圖的形式將其表示出來；設置待完成的任務，創(chuàng)設學習的情境。

其次，針對結構體數組存儲數據時存在的三個主要問題之一進行討論，利用思維可視化技術逐步分析，逐步解決，從雜亂無序的思維中抽絲剝繭，層層遞進地引出靜態(tài)鏈表的概念；并在靜態(tài)鏈表的基礎上，按照解決第一個問題的方法，針對結構體數組存儲數據時存在的3個主要問題之二進行討論，引出動態(tài)鏈表的概念。

第三，在學員掌握了鏈表的概念后，不斷地啟發(fā)學員思考，引導學員的思維，采取多種方法規(guī)范總結鏈表的基本操作，如鏈表的創(chuàng)建、遍歷、插入結點、刪除結點等。學員在掌握鏈表的基本操作后，回看針對結構體數組存儲數據時存在的3個主要問題，發(fā)現第3個問題也已經克服。利用魚骨圖的形式將這3個主要問題的解決方法表示出來，問題和方法清晰呈現，突出鏈表的優(yōu)點。

最后，討論鏈表的實際應用，使學員理解并掌握使用鏈表解決實際問題的方法并完成任務。具體教學流程設計如圖1所示。

3.2.2 思維可視化技術應用方法

1）魚骨圖的應用。

魚骨圖在本次教學中的應用并不是生搬硬套在教學內容上，而是根據教學內容的特點進行改良，使其更貼合教學實際。將出現的問題和產生問題的本質畫在上方的魚刺上，而解決問題的方法和該方法的本質畫在魚刺的下方，利用魚骨圖分析問題和產生問題的原因，層次分明、條理清晰，并且將解決問題的方法及方法本質也都圖示出來，上下對比說明，可以大大提高學員理解問題的效率和效果，如圖2所示。

2）思考路徑圖的開創(chuàng)與應用。

思考路徑圖是本次教學設計中原創(chuàng)的、創(chuàng)新性的方法，采用圖示技術將提出問題、分析問題、解決問題的思考路徑一步一步表示出來。學員沿著這樣的思維線索進行思考，思維邏輯非常清晰，并且思考過程中涉及的解決問題的關鍵技術也非常清晰地呈現出來；從腦庫的知識儲備中抽取有用的知識，從而形成新的知識，新舊知識交叉關聯(lián)形成完整的知識體系。將結構體數組存儲信息的問題以及解決問題的方法表示出來的思考路徑圖如圖3所示。

3）思維導圖的應用。

思維導圖在本次教學設計中貫穿始終。首先在解決問題的過程中，需要使用之前已掌握的知識體系如指針、結構體時，采用思維導圖的形式可以將知識圖文并茂地展現出來，內容清晰明了，需要的知識技能很容易被回憶起來；其次在授課結束時，要求學員采用思維導圖將鏈表的內容整理并呈現出來，并且要求并不是簡單的知識羅列，而是要在繪制思維導圖的過程中，注重對思維的梳理以及知識點之間關聯(lián)的梳理。圖4將這個思維導圖的框架展示出來，由學員進行填充。

4 教學反思

（1）思維可視化教學法的關鍵點是什么？與知識可視化不同，思維可視化教學法更加注重對思維的梳理和呈現，最終的產物不單單是知識的可視化，更有思考方法和思維規(guī)律的一個可視化呈現。如果在課堂實踐教學中，教員不能夠啟發(fā)學員主動思考和捕捉到學員的思維，僅僅是自編自演，那么整堂課的思維可視化其實是教員思維的一個可視化，而不是學員思維的可視化，這樣的授課效果會大打折扣，并不能訓練學員的思維能力和創(chuàng)新能力；因此，采取思維可視化教學法進行課堂授課，其關鍵點就是如何緊緊抓住學員的思維，引導學員積極主動思考，盡量采取啟發(fā)式教學、研討式教學等教學方法以配合對思維的梳理、呈現和訓練。

（2）對教學內容進行過多的講授會縮短學員思考的時間，不利于對思維的挖掘，但若任由學員漫無邊際地思考，則會大大降低課堂授課內容的深度和廣度，因此如何恰到好處地把握和控制學員的思維是教學實踐的重中之重。

首先，教學內容一定要精心設計，什么環(huán)節(jié)收，什么環(huán)節(jié)放，如何收，如何放都要絲絲入扣般地設計好；其次，即便是再詳盡的教學設計也不可能分毫不差地實施，因為學員的實際情況是千差萬別的，所以在授課中還要根據學員的實際情況隨機應變，何時該講解，何時該啟發(fā)學員思考，既要保證教學內容的信息量，又要避免滿堂灌，切實啟發(fā)學員的思維，這也對教員自身的觀察力及對課堂的把握能力要求比較高；最后，每次教學實踐活動結束后，教員都應該總結本次教學活動中學員的狀態(tài)和思維、教學活動的優(yōu)點及不足，以積累經驗并增強課堂應變力。

（3）多種教學方法的配合使用也非常關鍵，只有學員有了獨立的思考，才有思維可視化的對象。如何綜合運用多種教學手段啟發(fā)學員思考，是思維可視化的前提條件，而在可視化之后對思維進行歸納總結則起著畫龍點睛的關鍵作用。在教學實踐中，思維可視化教學實際上分成了3個部分，啟發(fā)學員的思維是第1步，第2步是對該思維進行梳理及呈現，第3步是對整個過程進行總結與歸納，每一步驟的教學重點不同，教學方法也不同，因此在整個教學活動需要多種教學方法配合使用。此外，教學活動的每一步驟也需要多種方法共同完成，首先如何啟發(fā)學員的思維需要多種教學手段來實現，如啟發(fā)式教學、探究—發(fā)現式教學等，其次如何引導學員對自身的思維進行可視化，也需要多種思維可視化技術共同完成，而最后一步的歸納總結則需要多種方法，如自頂向下細化法、自底向上歸納法等的融合運用。

5 結 語

通過對思維可視化技術的研究與在計算機課程教學實踐中的探索，將思維可視化技術整合、創(chuàng)新并應用于計算機課程教學實踐中，取得了良好的教學效果。然而，思維可視化教學法關鍵在于思維可視化技術的掌握和應用，如何在有限課堂教學時間內不僅教會學員應會的知識，還最大程度地教會學員掌握這些技術并在課程結束后也能夠不斷地運用這些技術，需要進一步研究并對學員進行跟蹤回訪和幫助指導。

參考文獻：

[1] Buzan B， Buzan T. The mind map book： How to use radiant thinking to maximize your brain's untapped potential[M]. New York： Dutton， 1994： 157-163.

[2] 姜丹. 基于思維導圖的計算機課程教學方法研究[J]. 數碼世界， 2016（6）： 13-14.

[3] 向冬梅， 孫沖武. 將思維導圖應用于生成學習的探討[J]. 網絡科技時代， 2007（8）： 57-58.

[4] 趙國慶. 概念圖、思維導圖教學應用若干重要問題的探討[J]. 電化教育研究， 2012（5）： 95-97.

（編輯：宋文婷）