知識可視化在Python混合式教學中的探索與實踐

摘要：提出融入知識可視化的Python混合式教學策略，以課程中for循環應用為例，設計了富有創意的“天狗食月”動畫項目。通過將教學過程細分為“學—析—研—用—創”五個環節，巧妙地將可視化工具融入課前、課中、課后的全過程中，不僅實現了編程邏輯、運行過程及效果的可視化動態展示，還為學生提供了更直觀、更生動的學習體驗，為有效培養學生的計算思維提供了有力支撐。

關鍵詞：知識可視化；程序設計；教學設計

一、前言

在數字技術的推動下，當今社會正迅速向“數字化+智能化”時代邁進。互聯網、大數據、云計算等尖端科技不僅在各行各業得到深入應用，同時也對人才的知識和技能結構提出了新的要求。這種轉變促使高校教育改革步伐加快，特別強調了對學生計算思維和數字素養的培養。編程語言作為計算思維的具體體現和學科交叉融合的紐帶，正逐漸成為一項如同數學和語言一樣不可或缺的基礎技能。然而在面向非計算機專業學生的編程課程教學中，課程涉及的抽象概念和邏輯對初學者而言仍然是一大難題。知識可視化技術的出現為課程教學提供了一種全新的解決思路，它能夠將復雜的知識以直觀、易理解的方式呈現出來，有助于學生更好地理解和掌握。

二、研究背景

在數字技術推動下，社會對人才的知識和技能結構提出了新的要求。高校為響應變革，紛紛加快了教育改革的步伐，特別是在編程教育領域。Python作為一種通用編程語言，已逐漸成為培養學生計算思維和多學科融合能力的關鍵工具。因其簡潔明了的語法和廣泛的應用領域，被越來越多的高校選作編程入門課程的語言。本校信息管理與工程學院的“程序設計語言”課程，同樣選擇以Python為基礎開展混合式教學。在數字化教育背景下，教學研究與改革層出不窮，各種新型教學模式如移動學習、微型學習等不斷涌現。盡管這些模式各有特色，但在學習資源的需求上有許多共同點，尤其是注重知識的視覺呈現，通過可視化技術能夠將抽象知識轉化為易被接受和認知的形式[1]。基于此，課程組對知識可視化在課程教學中的適用性進行了深入研究，并實踐了Python在編程教學環節的具體應用策略。

三、知識可視化在課堂教學中的實施現狀

知識可視化的相關研究包括知識可視化的概念由來、實質探討、理論基礎、可視化方法、框架等。2004年，Martin J.Eppler初次對知識可視化進行定義[2]，其定義為“運用視覺表征加快知識在學習者之間的傳播，促進對知識的理解，知識可視化指所有可以用來傳遞和創新知識的表征形式”。國內對此概念的研究多基于此定義進行修訂、增補及引用。其中，視覺表征是指學習者在主觀能動性基礎上，以視覺形式呈現和表達抽象的、思維的信息[3]。由此可見，視覺表征作為知識可視化的圖解手段，與知識可視化有著密不可分的聯系[4]。

知識可視化在教育領域的研究大致分為教育學和信息技術兩種角度。從教育學視角出發，知識可視化有別于傳統教學方法，更注重學生學習的主動性與學生的課堂體驗。從信息技術的角度分析，知識可視化表征通過與現代技術手段的結合，使復雜知識變得更加直觀易懂，從而在教學過程中發揮重要的輔助作用。例如，黃欣等學者設計了計算思維的課程教學可視化模型，并以此為基礎探討在數學課程中如何配備動態軟件以增強教學效果，完善知識體系的教學策略[5]。胡玉嬌對傳統翻轉課堂教學模型進行了優化，該模型以知識可視化為基礎，并在基礎課程的設計與開發中進行了實際應用和驗證[6]。于金萍則通過構建知識可視化教學模型并進行教學實驗，深入探討了此模型在提升學生思維能力方面的積極作用[7]。此類研究多根據不同課程特性，精心挑選適用的可視化工具，同時結合實際課堂教學案例進行展示。由此形成的教學模式不僅具有一定的普適性，還易于在不同教學環境中推廣，因此逐漸成為該領域內的研究熱點和發展趨勢。

在此基礎上，課程團隊進一步聚焦于Python課程的教學改革。教育數字化轉型使得教師能夠以更便捷的形式將更多類型的教學資源提供給學生，但數量的增長并不等于質量的提升。特別是針對Python課程教學，單純基于語法、代碼解析的文檔和視頻資源往往無法將其中理論性、抽象性強的知識具體化、形象化、結構化。由此，“程序設計語言”課程建設過程中采用了多種可視化工具，將其融入混合式教學中，實現了對編程知識的再加工，使其更加易于理解和吸收。同時充分利用數字資源顆粒細小、呈現生動、鏈接互通的特性，促進教學效果的最優化。

四、融合知識可視化的Python混合式教學策略

課程建設中基于知識可視化視角進行教學設計，總體框架如圖1所示，在完成前端分析的基礎上，使用超星及PTA平臺進行混合式教學。教學過程劃分為“學—析—研—用—創”五個階段，并通過合適的知識可視化表征工具對Python教學流程進行優化，涉及工具包括可視化算法設計軟件Raptor，代碼執行過程可視化展示工具Python Tutor，允許用戶通過編程創建動態、交互式視覺作品的Processing軟件，為培養學生計算思維提供更為優質的內容載體。在合理的可視化教學原則基礎上提升學生的學習興趣，幫助學生主動完成知識的構建。最后基于課堂效果及信息化平臺的教學活動數據統計，形成教學效果的可視化反饋。

五、知識可視化教學案例的設計與實施——以“天狗食月”動畫項目為例

在Python項目教學中，相較于文本輸出，動畫效果更易于激發學生的興趣。在較多課程中會選擇Turtle或者Pygame模塊進行動畫類的實踐項目設計，但前者在實現復雜動畫時代碼量會大幅增加，而后者則涉及較多的面向對象編程概念，不利于課程前期單章知識點的實踐。因此，為了幫助學生更好地理解流程控制語句中for循環的應用，課程中選擇采用Processing Python模式設計“天狗食月”動畫項目，此項目在控制編程難度的同時可實現較為有趣的動畫效果，縮短學生從入門到反饋的時間間隔。

（一）學情分析

for循環作為編程的基礎控制結構之一，是數據處理中遍歷操作最直接和有效的方式，對于學生掌握迭代和循環的概念至關重要。為幫助學生順利跨越從順序結構到循環結構的認知門檻，課程中將采用“學—析—研—用—創”五階遞進式教學方法，通過實現和優化“天狗食月”動畫效果將for循環的知識點融入其中，使學生感受中國傳統文化符號“月”的編程實現過程，從而激發學習熱情。

（二）教學目標

1.知識目標

掌握for循環的基本語法和結構，熟練運用range（）函數控制循環次數。深入理解draw（）函數在Processing中的循環執行機制，靈活應用該函數進行圖形繪制和動畫設計。

2.能力目標

能夠將循環結構等流程控制語句應用于項目中，精準控制動畫中圖形的運動軌跡，對代碼進行分析和優化，改善動畫視覺效果，提升綜合應用能力。

3.素質目標

通過引入“天狗食月”的歷史和文化背景，使學生進一步理解和尊重中國古代文化，并從古人觀測天狗食月的故事中汲取對自然現象的好奇心和探索精神。鼓勵學生以編程的方式重現這一自然現象，從而培養學生科學探索的精神和創新思維的能力。

（三）教學重點及難點

1.教學重點

通過編程實踐項目使學生掌握for循環的基本語法和結構，學會使用range（）函數生成迭代序列，控制for循環的次數。

2.教學難點

for循環的執行邏輯相較于前期課程內容呈現出更高的抽象性，課程教學中將采用可視化教學工具，以直觀、清晰的方式展現編程邏輯與代碼運行過程，從而幫助學生更好地把握for循環及range（）函數的核心概念與實踐應用。

（四）教學過程與教學活動設計

項目的教學過程劃分為“學—析—研—用—創”五個階段，確保學生能夠分階段、有層次地掌握for循環的核心知識點。

1.自主預習，啟智學

在課前準備階段，通過超星學習通平臺發布預習任務，引導學生初步了解for循環的基本概念，并對項目的預期要求有初步了解。學生需完成相關微課觀看及配套測試，以便教師評估學生對for循環的理解程度。為了進一步加深學生對for循環運行邏輯的理解，要求學生使用Raptor軟件繪制一個包含循環結構的流程圖，并在線提交作業。

2.教師點撥，明理析

在課中，教師首先以中國古典詩詞中“月”的意象為引，巧妙地過渡到編程主題。指導學生在Processing Python模式下調用標準庫中的circle（）函數，通過詳細講解如何繪制月亮圖形，深入剖析圖形大小、位置、顏色等參數的設置技巧。在掌握基礎繪圖技能后，進一步引導學生探索如何為月亮增添光暈效果，從而自然引入for循環的概念和用法，使學生在實踐中深化對循環結構編程邏輯的理解與應用。

3.師生互動，共思研

在此環節中，首先根據學生課前預習任務中所提交的流程圖，幫助學生系統梳理循環的邏輯和運行流程。隨后與學生共同探討如何利用for循環實現月光光暈的繪制效果，引出for循環結合range（）函數精確設定循環次數的方法。為了讓學生更直觀地理解循環的運行機制，課程中會運用Raptor和Python Tutor工具運行并展示簡化的月光光暈繪制代碼（如圖2所示），從而將循環過程可視化。通過對比while循環和for循環的區別，幫助學生更清晰地理解在此項目中選擇for循環的原因。

4.實操演練，致用編

在編程實踐環節，首先，學生需根據提示在原有圖形基礎上，通過輪廓疊加技術來創造月光光暈效果，同時自主調試圖形的大小、透明度和疊加次數以達到理想效果。其次，課程通過介紹中國古代天文學中觀月的歷史，引出了月食動畫的制作要求。學生需在已有靜態繪圖的基礎上，運用draw（）函數在Processing中的循環執行機制及分支結構實現陰影的移動，從而生動呈現天狗食月動畫場景。

5.課后拓展，探索創

在已成功實現月食中初虧到食甚的動畫效果的基礎上，鼓勵學生課后繼續思考并嘗試實現生光到復原的過程，并在編程實踐中融入更多藝術元素，創造出既符合科學原理又具有美感的作品，以此提升其獨立思考與創新能力。同時，為了鞏固本堂課所學的for循環知識點，學生需完成相關的在線作業，進一步加強理論與實踐的結合。

（五）課程教學效果

在課程教學過程中，充分利用了超星及PTA平臺，對學生的學習過程數據進行了全面的監測和分析，這些數據為課程提供了多維的教學反饋。在本講編程實踐項目中，學生的預習任務完成度和正確率均達到了90%以上，課后作業的平均分在80分以上，由此可見在知識可視化工具的輔助下，學生對課程內容學習的積極態度和較高的掌握程度。

基于作業統計數據發現，學生在編程代碼書寫方面仍存在一定的挑戰。特別是在程序填空題和編程題上，學生的得分率較低。這反映出盡管學生已經較好地理解了for循環的基礎語法和應用，但在將理論知識轉化為實際操作時仍存在一定的困難。針對課后作業中錯誤率較高的習題，課程組會基于Raptor和Python Tutor可視化工具錄制講解視頻，通過詳細的步驟演示和深入解析，使學生能夠更加直觀地理解代碼的執行過程，實現更優質的復習效果。

六、結語

通過以Python課程中for循環的應用為例，結合知識可視化工具，詳細闡述了“天狗食月”動畫繪制項目的設計與實施過程。該項目采用Processing Python模式進行編程，通過多樣化的可視化手段，動態地呈現了代碼流程、運行過程及最終效果，從而將抽象的編程知識具象化，不僅降低了非計算機專業學生學習Python的難度，還為他們在編程入門階段打下了堅實基礎。未來筆者將基于教育數字化轉型的契機，繼續探索AIGC技術與知識可視化工具的深度融合，以期能構建出更加智能化、個性化的教學模式，進一步推動編程教育的創新與發展。

參考文獻

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[5]黃欣，王林峰，趙敏.基于計算思維的課程教學可視化設計與實踐[J].集成電路應用，2024，41（01）：112-113.

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[7]于金萍.知識可視化視覺表征在數學活動教學中的應用研究[D].大連：遼寧師范大學，2020.