計算機專業課程的可視化教學設計與研究

陳慧

摘? ?要：本文針對計算機專業知識的動態性和抽象性難以在傳統教學中進行較好的展現問題，引入“可視化教學”概念。以《C程序設計語言》和《數據結構》課程為例，根據課程教學大綱將知識點進行梳理分類后，把教學內容分別從基礎知識可視化、程序結構可視化和算法可視化三方面進行可視化設計，幫助學生增強對知識點的理解，提高教學效果。

關鍵詞：可視化教學? 知識點? 教學效果

中圖分類號：TP391.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）06（c）-0183-02

可視化技術是指將數據轉換成圖形或圖像，進而能夠實現交互處理的理論、方法和技術。可視化技術的實現能夠促進形象思維、直覺思維、發散思維、邏輯思維和辨證思維的發揮。

可視化技術應用于教學時，可以利用計算機圖形學和圖像處理技術，對顯示出來的圖形或文字進行交互處理，可視化技術將復雜事物的描述簡單化，針對教與學過程中的理解、對話、探索和交流進行有效改善，增強思考的效能和創新性。

計算機專業課程的教師在教學過程中雖然也會引入一些可視化內容，但對于課程中的教學內容沒有進行系統的完善的可視化設計。一套完善的教學可視化系統可以幫助學生從學習興趣、學習自主性、理解能力、學習效率和學習成績方面進行提升，降低教師教學過程中對抽象概念和算法等知識點講解的難度，提高教師在教學管理工作方面的效率，增強課程的整體教學效果。本文以《C程序設計語言》和《數據結構》課程為例，根據課程教學大綱將知識點進行梳理分類，把教學內容分為基礎知識可視化、程序結構可視化和算法可視化三部分，針對這三部分進行詳細設計。最后利用Flash動畫和Javascript等技術對基礎知識、程序結構和算法的可視化設計側重點和關鍵因素分析后進行設計并實現。

1? 基礎知識可視化教學設計

1.1 設計概述

基礎知識主要包括程序的入門知識和關鍵特點、抽象概念等內容，通過動畫技術對課程的基礎知識進行可視化呈現。

（1）前期需求分析階段，對程序設計課程的基礎知識可視化需求和內容進行梳理，確定可視化建設的目標和終點。

（2）明確程序設計課程中基礎知識主題，分析程序設計語言的知識特點，進行重點設計。

（3）文本設計是可視化動畫設計的前提，通過將需要教學的內容按照動畫繪制平臺的繪畫步驟進行呈現。在文本與動畫轉換的過程中，需要考慮學生的心理特征，采用口語化的描述方式將知識要點轉換為動畫畫板不同的控件。在動畫呈現形式方面，為不同的程序基礎知識實體確定不同的控件顯示方式，比如不同的控件、不同的形狀、不同的字體屬性、不同的色彩等。

（4）基礎知識展示過程中，需要旁白講解功能，針對動畫當前頁面的內容以直白風趣的方式進行闡述，提升學生的理解能力。

1.2 基礎知識可視化分析與設計

基礎知識可視化設計時，首先將知識點進行整理，分析各知識點設計時應側重的目標。如表1所示。

然后，針對以上列表中每個知識點的特點，具體實現時考慮有哪些關鍵因素，如有無人物設計、有無情景設計、交互性強度、是否需要設計一個模擬游戲來增強理解。

最后，根據分析結果去實現。將動畫頁面比例設置為 16∶9，更符合人眼的視覺特點。考慮到學生的學習習慣和視覺疲勞程度，每個動畫時間控制在10min，不僅能夠激發學習者的主動性，而且可以減少學生心理負擔。

例如，“簡單的C程序”知識點動畫設計時要展示一個C程序從寫好代碼到運行并輸出的過程。首先有配音提示按下鼠標鍵，當用戶按下鼠標鍵后會顯示一段程序代碼，這時，語音提示請按下鍵盤上的回車鍵，當用戶操作后顯示輸出結果，然后配音講解程序代碼，講解時對應代碼會高亮顯示，最后仍顯示程序代碼，用戶鼠標移動到某一個位置就會顯示對應代碼的說明。

2? 程序結構可視化教學設計

2.1 設計概述

程序結構主要對不同程序的基本順序結構、判斷結構和循環結構進行描述。

（1）首先對目前不同程序結構類型進行梳理，包括順序結構、判斷結構和循環結構，對不同的結構特點和主要內容進行說明。

（2）明確程序結構的展現方式。利用實例對不同結構的用途及變量變化過程進行呈現，列舉不同結果的講解提綱和風格。

（3）將不同程序結構的內容和講解流程進行整理，形成文本，同時設計旁白講解，對程序結構進行講解。

2.2 程序結構可視化分析與設計

在程序結構可視化設計時，同樣先進行側重點分析，對順序結構、if語句、swtich語句、while語句、do-while語句、for語句、循環嵌套和break與continue等知識點具體側重興趣、理解力和編程思維方面進行分析。

針對上述每個知識點的特點，同樣要考慮有無人物設計、有無情景設計、交互性強度等關鍵因素。

以循環控制為例，解決“猴子吃桃”的問題，求解猴子摘桃的天數。具體題目是：猴子去摘桃，共摘了127個桃，它每天吃掉一半多一個，問猴子摘了幾天桃？具體實現時首先展現一個猴子每天重復摘桃并吃桃的場景，然后提出問題并顯示程序結構流程圖，此頁面上顯示三種語句包括while語句、do-while語句、for 語句的鏈接，最后根據用戶的點擊，分別顯示對應語句的編程代碼。

3? 算法可視化教學設計

算法主要針對數據結構課程進行展開，對各類排序算法（如冒泡排序、堆排序等）、鏈表、哈希樹等結構的原理和流程進行可視化呈現，設計動畫后以更直觀的方式讓學生用戶掌握算法知識。

算法可視化呈現需要與實際的應用場景結合，將算法中的變量通過動畫控件的方式呈現，展示其值的變化，對變量在算法運行過程中的關系進行呈現，具體動畫設計流程與程序結構類似。

數據結構中的算法眾多，根據教學大綱，依據數據結構類型進行整理，常見的數據結構類型有：數組，棧，鏈表、隊列、樹、圖、堆、散列表等。挑選順序棧、棧與遞歸、二叉樹遍歷、逆轉線性鏈表、拆半查找、冒泡排序、選擇排序、插入排序、堆排序等內容進行設計。

以“冒泡排序”為例，可以設計為：首先等待用戶輸入要進行排序的數據，中間以逗號分隔，然后點擊“開始”按鈕后演示第一趟排序的動態變化過程，當第一趟排序結束時需要等待用戶點擊鼠標后再顯示第二趟排序的動態變化過程，以此類推。

4? 結語

可視化教學是教育領域的發展趨勢，研究開發可視化教學內容設計，既可以直接改革計算機專業課程的教學方法和手段，提高教學效率和質量，又符合教學改革的方向，是隨著教育技術不斷發展而完善的教學方式。

參考文獻

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