思維導圖在以學生為中心的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學中的探討與實踐

夏仁強

（貴州工程應用技術(shù)學院信息工程學院，貴州 畢節(jié) 551700）

1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學現(xiàn)狀及存在的問題

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)既是計算機類專業(yè)的基礎課程，又是計算機類專業(yè)的核心課程，在專業(yè)人才培養(yǎng)目標中處于金字塔的底層。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程理論性強、程序設計基礎要求高，學生普遍覺得課程內(nèi)容枯燥乏味[1]，理解困難。該課程的前導課程是高級語言程序設計，有些學生在學習程序設計課程時因接受能力、自身的差異等因素，對于指針、結(jié)構(gòu)體、鏈表和遞歸等理論知識理解不透徹，導致在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的學習中遇到的障礙和壓力越來越大，產(chǎn)生厭學情緒，逐漸對課程失去興趣。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學方式以教師講授為主，教學內(nèi)容陳舊、案例老舊，教學方法和手段單一，教學情境缺失，學生缺乏思考的時間，教學沒有創(chuàng)新。首先，教學環(huán)境方面，以往的編程教學以單機操作為主,有時候一個問題還有多種不同的算法去實現(xiàn)，學生往往沒有精力去按等價類方法設計多個測試用例，僅僅完成一個測試用例來驗證程序的正確性，所設計的算法的正確性、可行性和高效性得不到保證，在有限的時間里老師指導學生的次數(shù)有限，指導的質(zhì)量也有限，即使投入了大量的時間和精力，也是收效甚微。其次，重理論、輕實踐思想嚴重，注重理論知識的講解，理論與實踐結(jié)合不夠，在傳統(tǒng)的實驗教學環(huán)節(jié)中體現(xiàn)更多的是低階的基礎性、驗證性的實驗，對于體現(xiàn)能力的設計性、提高性實驗偏少，缺乏挑戰(zhàn)度和高階性，不利于學生深度學習。另外，傳統(tǒng)的課程考核方式是以期末筆試為主，以考勤和作業(yè)作為平時成績的過程考核為輔，考試內(nèi)容以理論為主，編程解決實際問題的題目偏少，過程性考核沒有足夠的激勵措施激發(fā)學生的學習興趣；在期末考試前，有些老師還會為學生劃重點，導致很多學生因考而學，不考的內(nèi)容不學，認為通過考試便達到了學習目標，在臨近考試時常常為了期末考試去背理論知識、去背程序代碼，學生存在考試前背一背就過的思想，最后可能出現(xiàn)高分低能的現(xiàn)象。

2 學生中心的教學理念

1998年，聯(lián)合國教科文組織倡導“以學生為中心”的教學新理念[2]，教學主體不再是老師，而是學生，不是以教師教學方法的好壞來評價教學效果，而是以學生學習成效來評價教學效果。以學生為中心已在教育界形成共識，成為主流教育理念。2016年，英國政府試點教育卓越框架[3]，強調(diào)以“學生為學習中心”的理念，每4年評價一次，截至2020年，兩輪的評價取得了較好效果，在英國高校教育界引起了巨大的反響，極大地影響了英國高校教學的生態(tài)。以學生為中心的各種模式不斷涌現(xiàn)，如問題導向教學模式、探究式教學模式和情境教學法等。加拿大最早創(chuàng)建了BOPPPS的教學模型[4]，它將教學過程分為六個環(huán)節(jié)，第1個環(huán)節(jié)是Bridge-in（引入），教師通過故事、游戲、影視、熱門話題、問題等各種方式進行引入，引起學生對知識的好奇心，激發(fā)學生學習興趣，主動投入學習；第2個環(huán)節(jié)是Objective（學習目標），教師用板書、PPT、思維導圖等方式向?qū)W生傳達具體而明確的的學習目標；第3個環(huán)節(jié)是Pre-assessment（前測），測試學生課前預習的情況，了解學生掌握預備知識的情況，以便教師及時調(diào)整教學內(nèi)容的深度和廣度[5]；第4個環(huán)節(jié)是Participatory Learning（參與式學習），這是最重要和最核心的環(huán)節(jié)，教師設置小組研討、游戲、搶答、隨機提問等多種學習活動，讓學生行動起來，積極主動參與課堂互動學習；第5個環(huán)節(jié)是Post-assessment（后測），通過測試檢驗學生是否達成本次課的教學目標，及時反饋學習成效，為持續(xù)改進奠定基礎[6]；第6個環(huán)節(jié)是Summary（總結(jié)），教師根據(jù)學習成效反思本節(jié)課的教學不足和亮點，同時，布置課后作業(yè)，讓學生完成課堂鞏固。這六個環(huán)節(jié)簡稱BOPPPS[6]。在網(wǎng)絡發(fā)達的今天，線上網(wǎng)絡教學平臺的出現(xiàn)，線上線下混合式教學讓BOPPPS教學模式在國內(nèi)外取得了巨大的成功。

3 思維導圖

思維導圖主要由圖像、關(guān)鍵詞、分支和色彩四個要素構(gòu)成[7]；它是一種發(fā)散性的可視化思維整理工具，能夠?qū)⒖菰锏奈淖謨?nèi)容通過圖形與文字的方式更加生動、一目了然地呈現(xiàn)出來；它強調(diào)關(guān)鍵詞，簡明扼要，以樹形結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)，結(jié)構(gòu)清晰，主題之間的層級關(guān)系、知識之間的內(nèi)在聯(lián)系表現(xiàn)更形象具體，有助于最大限度挖掘大腦記憶潛能。今天，思維導圖被廣泛應用于工作、生活和學習的各種活動中，極大地提高了工作效率和學習效率。研究表明：記憶事物時，在文字的基礎上加上圖表可以大幅增加文字的信息容量；關(guān)鍵詞的運用，可以減少文字內(nèi)容的堆砌；分支上寫上關(guān)鍵詞，它體現(xiàn)了從主干慢慢發(fā)散思考的過程，利用色彩可以刺激大腦，增強人的注意力,促進傳達信息，提升創(chuàng)造力和記憶力[8]。

4 思維導圖在基于BOPPPS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課堂教學設計中的實踐

本課程按照6個教學環(huán)節(jié)設計和實施教學活動。在實際教學過程中并不是完全照搬BOPPPS模式，而是結(jié)合課程的特點對這種模式進行優(yōu)化。

思維導圖直觀性和可視化的特點，能夠迅速集中學生注意力，使其迅速融入課堂學習。在課程教學中應用思維導圖，將知識按層次整理，突出重點，突破難點，突出知識之間的相互關(guān)系，能全方位刺激左右腦，開啟大腦潛能[9]?，F(xiàn)以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學為例，探討思維導圖在課前、課中和課后基于BOPPPS模式的教學法的應用。

4.1 課前準備階段

課前準備階段是一個關(guān)鍵階段，課前的學習情況直接關(guān)系著課中的教學深度和廣度，也關(guān)系著學生教學活動參與的有效性。這個階段教師用思維導圖布置課前學習任務，引導學生完成資料查詢、觀看視頻任務、課前測試，為課堂正式討論做好準備工作。圖1所示的思維導圖是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程“緒論”課前學習任務，該思維導圖圍繞緒論這一中心主題展開，直觀傳達各學習任務，使學習有的放矢。教師版的思維導圖，學習任務明確，學習目標明確，在實施小組討論時不會偏離主題。而在學生個人版的思維導圖中，將教師的版本進行深化，將“舉例”的地方換成具體的例子，每個學生舉的例子可能不同，對于未弄懂的知識點分別打上標記，同時列出問題清單。而在組織算法高效性內(nèi)容的學習時，教師可先用表格列出任務清單，然后指導學生完成小組版的思維導圖。圖2是小組討論思維導圖架構(gòu)圖，對于每一個討論主題，小組明確一名記錄人員，負責記錄整理小組討論過程性文檔。在協(xié)作學習過程中，小組學生在思維導圖上不斷地進行討論、完善和補充，不斷更新討論結(jié)果。由于在課中時會隨機選擇小組成員表達小組觀點，這要求小組每個成員都能理解并能表達小組觀點，這樣做的好處是小組成員實現(xiàn)共同進步而不是完全依賴小組內(nèi)某一個人，學生在經(jīng)過頭腦風暴的洗禮后，不斷提高協(xié)作學習能力，補充有益的知識結(jié)構(gòu)。

圖1 緒論-課前思維導圖

圖2 思維導圖討論架構(gòu)

4.2 課中參與式學習階段

在參與式學習階段，教師主要是利用智慧教學平臺引導和組織學生參加教學活動，如主題研討、隨堂練習、選人、搶答、分組討論和互評等。如何設置活動，設置什么問題，活動環(huán)節(jié)等是參與式學習活動的關(guān)鍵。

教師可根據(jù)課中參與式教學活動的需要，設計課中思維導圖并運用到BOPPPS的教學模式中。

以緒論為例，設計思維導圖如圖3，首先通過一個猜數(shù)游戲?qū)胄抡n，學生兩人一組完成猜數(shù)游戲，游戲結(jié)束后，隨機選擇幾名同學回答猜數(shù)的過程以及猜中時所用到的提示次數(shù)，教師再隨機選擇一名學生與教師一起用二分方法進行猜數(shù)游戲，然后教師對游戲過程及結(jié)果進行點評，同時引出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法的概念。接著，通過課前收集或反饋的問題以搶答方式進行答疑，教師評價回答情況，對錯誤的回答由教師來糾正，不完整的回答由教師或其他學生來補充。教師通過選人、搶答、討論等多種教學活動對本章節(jié)的知識點的開展以學生為中心的教學。在討論過程中，學生以提前準備好的問題和寫好的想法參與研討，發(fā)表自己的觀點，針對遇到的問題，師生互動進行深入討論。

圖3 緒論-課中學習思維導圖

在學生進行討論的時候，教師用思維導圖作為思維支架，可以有效地引導他們使小組討論中的目標更加清晰，還可以更好地讓沒有思路的同學產(chǎn)生觀點，同時能夠可視化小組成員的思考，更好地進行總結(jié)。在小組代表進行小組成果展示時，也可以讓更多的學生去自信有效地分享小組討論成果，同時快速收獲到其他小組的不同觀點。圖4是小組討論成果展示的思維導圖，這是思維碰撞的結(jié)果。另外，教師也可以在學生高效回答的基礎上檢視學生的收獲，更好地引導和總結(jié)。組與組之間可以在討論成果的基礎上達成共識，互相補充，形成全面的觀點，提升學習效果。在小組思維導圖的引導下，各組還可以進行PK，展示自己的最佳方案，充分表達自己的觀點，激勵團隊爭先創(chuàng)優(yōu)、共同進步。

圖4 小組思維導圖形式的成果展示

4.3 課后鞏固提高階段

課后，將從以下兩個方面進行拓展和鞏固

4.3.1 分組討論

教師發(fā)布分組任務，要求小組長畫出分組討論的思維導圖，在這個思維導圖的指導下，實現(xiàn)生生互動，教師時時關(guān)注學生討論情況并給予指導。下一次課中，各組學生代表匯報交流討論結(jié)果，對于不理解的知識點或有不同意見和想法的，重點討論，教師給予講評。

4.3.2 編程實踐

學生運用課堂所學習的知識，在PTA平臺上積極開展數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編程實踐，是對課堂教學活動成果的檢驗和拓展延續(xù)，是迅速提升學生編程能力的有效途徑。圖5展示了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緒論課后學習思維導圖。在編程題練習中，采用自主學習和同伴學習相結(jié)合的方式，每個學習小組中，都有一名參加過ACM競賽的優(yōu)秀學生充當“師傅”，當遇到問題時，“師傅”帶領(lǐng)“徒弟”進行討論學習，解決學習中遇到的部分或全部問題，對于通過率較低的問題教師通過釘釘、騰訊課堂、QQ等線上講解。此外，同學們需要通過PTA、學習通或雨課堂完成后測，最后進行總結(jié)。

圖5 緒論-課后學習思維導圖

4.4 思維導圖進行教學反思

課堂教學結(jié)束后，教師深入剖析教學行為以及教學結(jié)果，畫出教學反思的思維導圖，按主題分類、分解、細化各層級反思內(nèi)容，如圖6所示。

圖6 思維導圖教學反思

教學的本質(zhì)是促成課程目標的達成，提高學生成績，增強學生解決問題的能力，所以教師應在教學中總結(jié)好的做法并繼續(xù)發(fā)揚光大，同時找出教學中存在的不足，傾聽學生的問題和建議，合理采納學生建議。課堂教學是否取得了成功，教學方法是否引起師生共鳴，學習活動設計是否能激發(fā)學生的學習興趣，學習活動的設計是否恰當可行，課程思政的引入是否自然、切題,是否體現(xiàn)了學生為中心的教學理念，是否達成了課程教學目標達成度，學生有沒有值得推廣的創(chuàng)新學習方法，這些都是我們需要進行反思的內(nèi)容。

綜合統(tǒng)計課前、課中和課后的學習數(shù)據(jù)，分析每個學生的不足，建好學習檔案，針對性解決學生的問題。另外，通過調(diào)研收集學生反饋的問題意見，合理采納學生建議，調(diào)整教學策略，重構(gòu)教學設計，實現(xiàn)教學效果更上一層樓。

5 教學效果分析

筆者采用傳統(tǒng)教學模式和基于思維導圖的BOPPPS教學模式在教授課程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上進行了教學實驗，表1是對19計科本、20計科本、20大數(shù)據(jù)本等班級授課實驗對比的結(jié)果。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果來看，基于思維導圖的BOPPPS教學模式的課程教學能夠明顯增強學生自主學習能力和課程參與度,學生滿意度明顯提高，學生對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的理解和應用能力得到增強，通過調(diào)研和考核成績的反饋，該教學方法有助于學生對課程整體知識點的掌握，有助于清晰了解課程重、難點，期末考試編程得分率也證明了采用思維導圖以及學生中心的教學班級編程能力都優(yōu)于未采用該方法的班級。

表1 授課結(jié)果對比表

6 結(jié)論

思維導圖在師生之間以及生生之間的交流互動活動中起到了橋梁作用。課前思維導圖引導學生為觀看視頻任務、思考和討論作好準備，課中思維導圖引導和組織學生完成參與式教學活動，課后思維導圖通過分組討論和編程實踐對所學知識進行拓展和鞏固?？傊?，在基于BOPPPS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學中引入思維導圖有助于培養(yǎng)學生的發(fā)散思維能力、創(chuàng)新能力和小組協(xié)作能力。