基于思維可視化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學改革

王玉銀

摘要：針對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學中，算法思維難以表達和傳遞現(xiàn)象，進行基于思維可視化的教學改革，通過思維導(dǎo)圖、可視化編程工具Raptor以及情景教學法等思維可視化方式來加強學生思維能力培養(yǎng)。將思維可視化教學應(yīng)用于在講授新課、重難點知識點和內(nèi)容復(fù)習等方面，并對思維可視化教學的實施效果進行分析。研究表明，思維可視化教學能夠更好地培養(yǎng)學生的思維能力。

關(guān)鍵詞：思維可視化;可視化編程工具;情景教學法

中圖分類號： TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）02-0080-02

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計算機類專業(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，對學生的思維能力有一定要求，導(dǎo)致學生學習起來比較吃力的現(xiàn)象，作者從多年的教學經(jīng)驗，通過分析教學過程中遇到的問題，結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學的特點，提出了基于思維可視化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學改革。

思維可視化是指運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，既有利于學生理解、構(gòu)建和應(yīng)用知識，提升思維能力，又有利于教師了解學生的思考內(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情景來進行，將思維過程和思維結(jié)果顯示，提高學生的認知能力，進而培養(yǎng)學生思維能力。

1 基于思維可視化的教學實踐

1.1 基于思維導(dǎo)圖的可視化教學實踐

思維導(dǎo)圖采用圖文并茂的形式，將各級主題的隸屬關(guān)系呈現(xiàn)出來，利用重要知識點、圖像、不同顏色等建立連接，是表達發(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、重難點知識、內(nèi)容復(fù)習和師生互動等方面的行動研究。通過思維導(dǎo)圖可以表示各章節(jié)知識、重點難點等之間的關(guān)系，從而加深對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的理解，形成知識結(jié)構(gòu)體系以及合理的知識結(jié)構(gòu)，幫助理解和掌握算法設(shè)計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，作者借助思維導(dǎo)圖對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緒論中內(nèi)容進行系統(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)給學生。有助于培養(yǎng)學生對知識的理解，由于層次結(jié)構(gòu)鮮明和色彩分明的優(yōu)勢，受到學生喜愛。思維導(dǎo)圖有助于學生整合新舊知識， 建構(gòu)知識網(wǎng)絡(luò)， 濃縮知識結(jié)構(gòu)，從而使其從整體上把握知識。學生通過畫思維導(dǎo)圖， 可以體會、觀察到知識間的關(guān)系， 對所學過的概念加以組織整理， 使知識結(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，進而產(chǎn)生一些新的理解。

另外思維導(dǎo)圖能夠加強重點難點的理解，加深知識點的學習[2]。在線性表章節(jié)教學中，在對線性表的順序存儲和鏈式存儲比較時，借助思維導(dǎo)圖中的魚骨圖（圖2）來加強學生對兩種結(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，下面描述的是單鏈表的特點。也可以從另一個角度來理解，即從順序表的缺點提出問題，引出下方的解決方法，這樣有利于學生思維能力的發(fā)散，對知識點有更加全面的認識。

將思維導(dǎo)圖應(yīng)用于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)各章節(jié)知識點、重點難點中，使得知識結(jié)構(gòu)更清晰，內(nèi)容更簡潔，有利于學生全面獲得新知識，使各章知識要點化，系統(tǒng)化，便于學生強化記憶。思維導(dǎo)圖不僅能有效提高學習效果，還可以加強學生思維能力的培養(yǎng)。思維導(dǎo)圖在講授新課時，教師利用PPT動畫效果，按發(fā)散思維的先后順序顯示相應(yīng)的內(nèi)容，給學生接受和消化知識的時間。在復(fù)習課上使用思維導(dǎo)圖能幫助學生更好地梳理知識，實現(xiàn)知識串聯(lián)，將零散的知識條理化、系統(tǒng)化，對知識進行回顧、總結(jié)、提高，能夠有利于學生長期有效記憶。

1.2 基于編程思維可視化工具Raptor的教學實踐

Raptor是一種基于流程圖的可視化程序設(shè)計環(huán)境，語言簡潔靈活，能為算法教學提供實驗環(huán)境。

借助Raptor工具可以使隱性思維顯性化。 Raptor 可以將算法中的語句和結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計（例如賦值語句、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，有助于學生對算法的應(yīng)用實現(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)試和運行等，能直觀顯示計算機求解問題的過程，使學生以計算思維的方式來理解算法。Raptor 的流程圖繪制簡單，直接拖曳符號進行，避免了復(fù)雜的語法，能在盡可能少的語法限制下，讓學生快速進行算法設(shè)計。對于前期程序語言課程學習基礎(chǔ)較弱的學生，可以跨過語言課程的障礙而快速的理解算法。流程圖運行結(jié)束后，Raptor 會自動給出所有操作步驟的統(tǒng)計次數(shù)，讓學生直觀理解算法復(fù)雜性，便于對算法的改進和比較。

Raptor可以將流程圖轉(zhuǎn)換成高級語言程序，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，讓學生既培養(yǎng)計算思維，又掌握語言的實現(xiàn)。因此，Raptor可以強化計算思維，提高學生解決復(fù)雜問題的能力。

1.3 基于情景教學法的教學實踐

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

情景教學法能夠?qū)虒W效果產(chǎn)生積極影響，但在使用時，要緊扣知識點，把握教學節(jié)奏和內(nèi)容，適當?shù)厥褂茫_保情景教學的質(zhì)量。

情景教學法也可以從知識點的應(yīng)用案例出發(fā)，以應(yīng)用為切入點，引導(dǎo)學生思考解決問題所需的知識。例如在棧的應(yīng)用教學中，可以從瀏覽網(wǎng)頁時前進后退操作或者文件操作中的，撤銷恢復(fù)操作為切入點，引出棧和隊列的特點，進而講解相關(guān)知識。

2 實施效果

在教學實施過程中，對同一個專業(yè)、同一年級中開設(shè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的計算機科學與技術(shù)專業(yè)四個班級180名學生進行測試，其中計算機1、2班的96名采用思維可視化教學，另外計算機3、4班的84名學生未使用思維可視化教學。測試結(jié)果如表 1。

由表1可知，使用思維可視化教學能夠有效地提高學生的學習效果，學生對知識點的掌握人數(shù)比例達到80%以上，使用思維可視化教學使難以理解的知識變得簡單，使知識點更容易理解和掌握。

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

學生將思維可視化方法應(yīng)用于后期課程學習中，可以繪制思維導(dǎo)圖進行總結(jié)和思維擴展。針對使用思維可視化教學的 96名學生進行問卷調(diào)查，測試思維可視化應(yīng)用的作用，結(jié)果如表2。

思維可視化教學能有效提高學生的學習興趣，加強培養(yǎng)學生思維能力培養(yǎng)，加深對程序算法的理解和認識，促進知識體系的構(gòu)建，對學生后續(xù)課程的學習有較大的幫助。

參考文獻：

[1] 林卓玲.思維可視化的實施路徑探析[J].中學政治教學參考，2020（16）：24-26.

[2] 孫凌宇，冷明，李金忠，等.思維導(dǎo)圖在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法》計算過程可視化的教學行動研究[J].山西財經(jīng)大學學報，2016，38（S2）：87-88，101.

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

[4] 張軍，項東升，張其林，等.基于RISC-V架構(gòu)的計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)機制探索[J].計算機教育，2020（1）：72-76.

【通聯(lián)編輯：唐一東】