利用思維導圖實現程序設計認知結構建構的研究

李瑞芳， 袁滿， 李鵬飛， 王莉利

(東北石油大學，計算機與信息技術學院，黑龍江，大慶 163318)

0 引言

2017年，教育部啟動“新工科”建設，改造升級傳統工科專業。新工科強化了計算機課程開設的必要性、教學目標的思想性和實用性，強化了對于計算機應用的理解和實踐，強化了計算機課程跨學科創新能力培養要求[1-2]。

程序設計課程是我校非計算機專業開設的一門必修課和計算機基礎課，旨在培養學生的計算思維能力，幫助學生建立計算機問題求解意識，使學生在后續學習和工作中能更好地利用計算機解決專業問題，從而輔助實現“寬、專、融”的新工科大學計算機課程教學目標，但在程序設計學習過程中，“重語法、輕應用”“重模仿、輕創新”的現象普遍存在，導致學生學完課程后在面對實際專業問題時仍然束手無策。因此，本文提出利用思維導圖實現學生程序設計認知結構建構，從而提高學生的程序設計應用和創新能力。

1 思維導圖和認知結構建構理論

(1)思維導圖

思維導圖(mind map)又稱腦圖或心智圖，是近年來廣泛應用于教育領域的可視化思維工具。1974年，隨著托尼·布贊的《啟動大腦》一書的出版，“思維導圖”的概念首次正式被提出。思維導圖能以圖畫的方式清晰地描繪出思維的結構和層次，將發散性思維以具體化、可視化的方式呈現出來，是組織和闡述表達知識的有效工具，是靈感和發散性思維的源泉[3-4]。目前，思維導圖已廣泛地應用于小學、初高中以及大學的眾多學習科目中，能夠提高學生的學習興趣和學習能力[5]。

(2)認知結構建構

認知結構是學習者頭腦中的知識結構, 即學習者頭腦中的知識結構按照自己的理解深度、廣度, 并結合自己的感覺、知覺、記憶、思維、聯想等認知特點組合成的一個具有內部規律的有機整體[6]。認知結構既包括作為知識內容的表象、概念和概念體系, 又包括掌握相應知識內容所必需的思維能力。由于各人的認知水平不同、思維能力的差異, 即使機械地記住了全部內容, 也不一定可以形成良好的認知結構。

2 基于思維導圖的程序設計認知結構建構

程序設計的語言有很多，高校非計算機專業的學生經常學習的語言有C++、Python、VB等。本文以VB程序設計為例，講解如何運用思維導圖把零散、抽象的知識以圖形方式表達出來, 使學生更好地實現新知識的內化，掌握知識間的聯系，實現良好的認知結構建構。

(1)思維導圖促進新知識內化

面向對象程序設計對學生來說是個全新的知識，但是學生可以通過學習程序設計課程的先修課“大學計算機基礎”掌握計算機的工作原理，通過知識遷移和類比掌握VB編程原理和方法，從而快速地實現新知識的內化，如圖1所示。二者的相同之處在于都是通過輸入、運算和輸出實現相應功能。不同之處在于：平時操作計算機往往是通過鍵盤、鼠標等輸入設備輸入數據，通過顯示器、投影儀等輸出設備顯示運行結果，運算過程由計算機自行處理；程序設計中的輸入、運算和輸出需要相應的控件對象和語句作為支撐。其他編程語言進行程序的設計也均為輸入、運算、輸出的模式，因此掌握了VB語言后，學生在學習其他語言時也能很快學會。

圖1 思維導圖促進新知識內化舉例

(2)思維導圖促進認知擴展

VB作為面向對象的程序設計語言，在進行程序設計時，主要分界面設計和編寫程序兩部分。界面設計主要涉及的一個概念就是對象，對象從功能上大體分為兩類：界面設計的對象(可見的)和實現特定功能的對象(不可見的)。編程時的輸入和輸出操作也往往是通過各種對象實現的，但是由于學時有限，課堂上能講解的往往是最常用的一些控件對象，在學生后續解決各種專業問題時，往往需要用到一些以前沒有學過的對象。如果學生掌握了各類對象的應用根本——對象的三要素(見圖2)，以及常用控件、ActiveX控件、可插入對象的使用方法，那么即使用到新的控件也能用所學的方法實現認知擴展。

圖2 思維導圖促進認知擴展舉例

(3)思維導圖實現認知結構的整體性構建

VB程序設計的難點就在于程序的編寫，面對不同的問題需要找出相應的解決辦法——算法。隨著解決問題的難度、綜合性的加強，會引入數組、過程、文件等概念，但是在講解的時候，學生往往是學了后面的忘了前面的，或者只記住零碎的語法，只會編寫簡單的小程序，面對綜合性程序時毫無頭緒。圖3擴充了圖1中的內容，將VB程序設計中所涉及的全部知識點融入思維導圖中，尤其是將較難理解的數組、過程、文件(圖中的陰影部分)與前面所學知識建立起聯系，有利于學生形成VB程序設計的完整的認知結構，提高學生的綜合編程能力。

圖3 思維導圖實現認知結構的整體性構建舉例

3 關于程序設計認知結構建構的幾點思考

(1)利用思維導圖實現程序設計的認知結構建構應該貫穿于學生學習的全過程。在課前預習時，可以事先給學生一個只包括關鍵知識點的思維導圖，讓學生通過預習豐富補充思維導圖。在課上老師講解完相關知識后，學生可在預習思維導圖的基礎上進一步進行補充完善。在學習后續知識點時，學生可翻看前面所學知識的思維導圖，將新知識與所學過的知識建立關聯，實現“既見樹木，又見森林”。思維導圖的繪制過程就是學生通過預習、學習、復習的螺旋型知識內化過程。

(2)思維導圖只是幫助學生建立和完善認知結構建構，要想解決實際問題，還需要大量的實踐練習。思維導圖為編程實踐提供了綱領和指引，反過來，編程實踐又加強了學生對知識結構的認知和理解，二者相互作用、相輔相成。

4 總結

本文將思維導圖應用于程序設計課程提高了學生的學習興趣和主動性，能有效地促進學生新知識的內化和擴展，實現程序設計認知結構的整體性構建，有助于學生計算機應用和創新能力的培養。