基于思維可視化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革

王玉銀

摘要：針對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中，算法思維難以表達(dá)和傳遞現(xiàn)象，進(jìn)行基于思維可視化的教學(xué)改革，通過思維導(dǎo)圖、可視化編程工具Raptor以及情景教學(xué)法等思維可視化方式來加強(qiáng)學(xué)生思維能力培養(yǎng)。將思維可視化教學(xué)應(yīng)用于在講授新課、重難點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)和內(nèi)容復(fù)習(xí)等方面，并對(duì)思維可視化教學(xué)的實(shí)施效果進(jìn)行分析。研究表明，思維可視化教學(xué)能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。

關(guān)鍵詞：思維可視化;可視化編程工具;情景教學(xué)法

中圖分類號(hào)： TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）02-0080-02

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)類專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，由于其概念多、內(nèi)容抽象、算法復(fù)雜等特點(diǎn)，對(duì)學(xué)生的思維能力有一定要求，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)起來比較吃力的現(xiàn)象，作者從多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，通過分析教學(xué)過程中遇到的問題，結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)的特點(diǎn)，提出了基于思維可視化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革。

思維可視化是指運(yùn)用一系列可視化技術(shù)，將不可見的思維過程以可視化的形式清晰地展現(xiàn)出來，既有利于學(xué)生理解、構(gòu)建和應(yīng)用知識(shí)，提升思維能力，又有利于教師了解學(xué)生的思考內(nèi)容、思考方法和思考過程。

思維可視化技術(shù)主要通過一系列的圖示、可視化工具以及問題式教學(xué)情景來進(jìn)行，將思維過程和思維結(jié)果顯示，提高學(xué)生的認(rèn)知能力，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生思維能力。

1 基于思維可視化的教學(xué)實(shí)踐

1.1 基于思維導(dǎo)圖的可視化教學(xué)實(shí)踐

思維導(dǎo)圖采用圖文并茂的形式，將各級(jí)主題的隸屬關(guān)系呈現(xiàn)出來，利用重要知識(shí)點(diǎn)、圖像、不同顏色等建立連接，是表達(dá)發(fā)散性思維的有效圖形工具[1]。將思維導(dǎo)圖應(yīng)用于課堂講授、重難點(diǎn)知識(shí)、內(nèi)容復(fù)習(xí)和師生互動(dòng)等方面的行動(dòng)研究。通過思維導(dǎo)圖可以表示各章節(jié)知識(shí)、重點(diǎn)難點(diǎn)等之間的關(guān)系，從而加深對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的理解，形成知識(shí)結(jié)構(gòu)體系以及合理的知識(shí)結(jié)構(gòu)，幫助理解和掌握算法設(shè)計(jì)的主要方法和算法復(fù)雜性的分析能力。

例如，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緒論一章時(shí)，作者借助思維導(dǎo)圖對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緒論中內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)建（見圖1）。

思維導(dǎo)圖以不同顏色，不同層次結(jié)構(gòu)，將緒論部分的內(nèi)容展現(xiàn)給學(xué)生。有助于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，由于層次結(jié)構(gòu)鮮明和色彩分明的優(yōu)勢(shì)，受到學(xué)生喜愛。思維導(dǎo)圖有助于學(xué)生整合新舊知識(shí)， 建構(gòu)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)， 濃縮知識(shí)結(jié)構(gòu)，從而使其從整體上把握知識(shí)。學(xué)生通過畫思維導(dǎo)圖， 可以體會(huì)、觀察到知識(shí)間的關(guān)系， 對(duì)所學(xué)過的概念加以組織整理， 使知識(shí)結(jié)構(gòu)更加完整， 甚至可以發(fā)現(xiàn)從來沒有注意到的問題，進(jìn)而產(chǎn)生一些新的理解。

另外思維導(dǎo)圖能夠加強(qiáng)重點(diǎn)難點(diǎn)的理解，加深知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)[2]。在線性表章節(jié)教學(xué)中，在對(duì)線性表的順序存儲(chǔ)和鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)比較時(shí)，借助思維導(dǎo)圖中的魚骨圖（圖2）來加強(qiáng)學(xué)生對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的深入理解和比較。魚骨圖中上面描述順序表的特點(diǎn)，下面描述的是單鏈表的特點(diǎn)。也可以從另一個(gè)角度來理解，即從順序表的缺點(diǎn)提出問題，引出下方的解決方法，這樣有利于學(xué)生思維能力的發(fā)散，對(duì)知識(shí)點(diǎn)有更加全面的認(rèn)識(shí)。

將思維導(dǎo)圖應(yīng)用于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)、重點(diǎn)難點(diǎn)中，使得知識(shí)結(jié)構(gòu)更清晰，內(nèi)容更簡(jiǎn)潔，有利于學(xué)生全面獲得新知識(shí)，使各章知識(shí)要點(diǎn)化，系統(tǒng)化，便于學(xué)生強(qiáng)化記憶。思維導(dǎo)圖不僅能有效提高學(xué)習(xí)效果，還可以加強(qiáng)學(xué)生思維能力的培養(yǎng)。思維導(dǎo)圖在講授新課時(shí)，教師利用PPT動(dòng)畫效果，按發(fā)散思維的先后順序顯示相應(yīng)的內(nèi)容，給學(xué)生接受和消化知識(shí)的時(shí)間。在復(fù)習(xí)課上使用思維導(dǎo)圖能幫助學(xué)生更好地梳理知識(shí)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)串聯(lián)，將零散的知識(shí)條理化、系統(tǒng)化，對(duì)知識(shí)進(jìn)行回顧、總結(jié)、提高，能夠有利于學(xué)生長(zhǎng)期有效記憶。

1.2 基于編程思維可視化工具Raptor的教學(xué)實(shí)踐

Raptor是一種基于流程圖的可視化程序設(shè)計(jì)環(huán)境，語(yǔ)言簡(jiǎn)潔靈活，能為算法教學(xué)提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

借助Raptor工具可以使隱性思維顯性化。 Raptor 可以將算法中的語(yǔ)句和結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)（例如賦值語(yǔ)句、輸入輸出、三種基本結(jié)構(gòu)等）以圖形的方式顯示出來，能夠體現(xiàn)函數(shù)調(diào)用中的主調(diào)函數(shù)與被調(diào)函數(shù)之間的關(guān)系，基本結(jié)構(gòu)流程的執(zhí)行過程，有助于學(xué)生對(duì)算法的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)整體把握。

Raptor能使顯性思維工具化。Raptor 的可視化貫穿流程圖繪制、調(diào)試和運(yùn)行等，能直觀顯示計(jì)算機(jī)求解問題的過程，使學(xué)生以計(jì)算思維的方式來理解算法。Raptor 的流程圖繪制簡(jiǎn)單，直接拖曳符號(hào)進(jìn)行，避免了復(fù)雜的語(yǔ)法，能在盡可能少的語(yǔ)法限制下，讓學(xué)生快速進(jìn)行算法設(shè)計(jì)。對(duì)于前期程序語(yǔ)言課程學(xué)習(xí)基礎(chǔ)較弱的學(xué)生，可以跨過語(yǔ)言課程的障礙而快速的理解算法。流程圖運(yùn)行結(jié)束后，Raptor 會(huì)自動(dòng)給出所有操作步驟的統(tǒng)計(jì)次數(shù)，讓學(xué)生直觀理解算法復(fù)雜性，便于對(duì)算法的改進(jìn)和比較。

Raptor可以將流程圖轉(zhuǎn)換成高級(jí)語(yǔ)言程序，可視化思維用代碼表示出來，這種隱性到顯性的思維轉(zhuǎn)換，讓學(xué)生既培養(yǎng)計(jì)算思維，又掌握語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)。因此，Raptor可以強(qiáng)化計(jì)算思維，提高學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力。

1.3 基于情景教學(xué)法的教學(xué)實(shí)踐

情景教學(xué)法指在教學(xué)過程中，教師有目的地引入或創(chuàng)設(shè)一定的情境，引出教學(xué)內(nèi)容，繼續(xù)進(jìn)行教學(xué)。情景教學(xué)法以形象生動(dòng)激活課堂，調(diào)用學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)換成主動(dòng)學(xué)習(xí)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程知識(shí)較為抽象，學(xué)生感覺知識(shí)比較枯燥，因此，根據(jù)作者多年的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的不同知識(shí)點(diǎn)可設(shè)立不同的教學(xué)情景[3]，有助于引起學(xué)生的興趣。例如在對(duì)鏈表訪問教學(xué)時(shí)，可以選擇學(xué)生在教室中所坐的位置，學(xué)生每人左右手分別拿兩個(gè)號(hào)碼，左右手所拿的號(hào)碼假設(shè)為前后指針，左手右手所拿的號(hào)碼指向鏈表的前后數(shù)據(jù)。在講解冒泡排序時(shí)，可以選擇不同身高的學(xué)生，按冒泡法排序的操作思路進(jìn)行身高排序。

情景教學(xué)法能夠?qū)虒W(xué)效果產(chǎn)生積極影響，但在使用時(shí)，要緊扣知識(shí)點(diǎn)，把握教學(xué)節(jié)奏和內(nèi)容，適當(dāng)?shù)厥褂?，確保情景教學(xué)的質(zhì)量。

情景教學(xué)法也可以從知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用案例出發(fā)，以應(yīng)用為切入點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生思考解決問題所需的知識(shí)。例如在棧的應(yīng)用教學(xué)中，可以從瀏覽網(wǎng)頁(yè)時(shí)前進(jìn)后退操作或者文件操作中的，撤銷恢復(fù)操作為切入點(diǎn)，引出棧和隊(duì)列的特點(diǎn)，進(jìn)而講解相關(guān)知識(shí)。

2 實(shí)施效果

在教學(xué)實(shí)施過程中，對(duì)同一個(gè)專業(yè)、同一年級(jí)中開設(shè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)四個(gè)班級(jí)180名學(xué)生進(jìn)行測(cè)試，其中計(jì)算機(jī)1、2班的96名采用思維可視化教學(xué)，另外計(jì)算機(jī)3、4班的84名學(xué)生未使用思維可視化教學(xué)。測(cè)試結(jié)果如表 1。

由表1可知，使用思維可視化教學(xué)能夠有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握人數(shù)比例達(dá)到80%以上，使用思維可視化教學(xué)使難以理解的知識(shí)變得簡(jiǎn)單，使知識(shí)點(diǎn)更容易理解和掌握。

思維可視化教學(xué)不僅使學(xué)生能更好地理解知識(shí)，同時(shí)能夠激發(fā)學(xué)生的聯(lián)想與創(chuàng)意，形成系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和思維的習(xí)慣，使學(xué)生具備思考問題和解決問題的能力。在學(xué)生的后續(xù)課程學(xué)習(xí)中，起到了一定的作用[4]。

學(xué)生將思維可視化方法應(yīng)用于后期課程學(xué)習(xí)中，可以繪制思維導(dǎo)圖進(jìn)行總結(jié)和思維擴(kuò)展。針對(duì)使用思維可視化教學(xué)的 96名學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，測(cè)試思維可視化應(yīng)用的作用，結(jié)果如表2。

思維可視化教學(xué)能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生思維能力培養(yǎng)，加深對(duì)程序算法的理解和認(rèn)識(shí)，促進(jìn)知識(shí)體系的構(gòu)建，對(duì)學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)有較大的幫助。

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[3] 高秀艷，胡金扣.情景教學(xué)法的使用及對(duì)學(xué)生思維模式培養(yǎng)作用探析——以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程為例[J].科學(xué)大眾（科學(xué)教育），2017（7）：158.

[4] 張軍，項(xiàng)東升，張其林，等.基于RISC-V架構(gòu)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)機(jī)制探索[J].計(jì)算機(jī)教育，2020（1）：72-76.

【通聯(lián)編輯：唐一東】