思維可視化技術(shù)在計(jì)算機(jī)課程教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用

思維可視化技術(shù)在計(jì)算機(jī)課程教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用思維可視化技術(shù)在計(jì)算機(jī)課程教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用

0引言

計(jì)算機(jī)技術(shù)在軍事上的應(yīng)用從基本上改變了信息時(shí)代的戰(zhàn)爭(zhēng)模式、演練伎倆和作戰(zhàn)效率。在海軍大連艦艇學(xué)院新的人才培養(yǎng)計(jì)劃中，計(jì)算機(jī)課程的地位也越來越突出，是信息類課程的核心組成局部，對(duì)培養(yǎng)學(xué)員的信息化素質(zhì)和實(shí)戰(zhàn)化能力起著至關(guān)重要的作用。深化計(jì)算機(jī)課程的教學(xué)改革，培養(yǎng)學(xué)員的信息化素養(yǎng)，提高學(xué)員的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力，是一個(gè)亟待研究的課題。

1計(jì)算機(jī)課程教學(xué)現(xiàn)狀的分析

近年來，教學(xué)改革不斷推進(jìn)，在計(jì)算機(jī)課程的教學(xué)中也不斷應(yīng)用新的教學(xué)理念和教學(xué)模式。示例，根據(jù)計(jì)算機(jī)課程知識(shí)離散的特點(diǎn)，提出模塊化教學(xué)理念，推進(jìn)任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法，在課堂教學(xué)中采用啟發(fā)式、研討式教學(xué)法等。由于計(jì)算機(jī)課程的特性，現(xiàn)有的教學(xué)中仍存在教學(xué)模式和教學(xué)辦法創(chuàng)新缺乏、研究和應(yīng)用的深度廣度缺乏、學(xué)員畏難情緒嚴(yán)重、學(xué)習(xí)興趣缺乏等諸多問題，主要體現(xiàn)在下列幾方面。

〔1〕計(jì)算機(jī)課程內(nèi)容繁多、知識(shí)分散且晦澀難懂。以計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)根底課程為例，其內(nèi)容涵蓋計(jì)算機(jī)組成原理、匯編語言程序設(shè)計(jì)、接口技術(shù)等多門課程的內(nèi)容，知識(shí)點(diǎn)繁雜分散，專業(yè)術(shù)語晦澀難懂，前面章節(jié)的內(nèi)容波及后續(xù)章節(jié)的知識(shí)和術(shù)語。這些特點(diǎn)導(dǎo)致學(xué)員在學(xué)習(xí)的時(shí)候難以整體把握計(jì)算機(jī)知識(shí)，學(xué)習(xí)效果不好，且非常容易產(chǎn)生畏難情緒，失去學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)課程的動(dòng)力。

〔2〕計(jì)算機(jī)課程的邏輯性強(qiáng)，對(duì)學(xué)員的思維能力要求高，并且計(jì)算機(jī)的思維方式不同于人類的自然思維，是站在計(jì)算機(jī)的角度思考問題，遵循計(jì)算機(jī)的規(guī)那么解決問題，這完全不同于其他學(xué)科思考問題的辦法。2022年，美國(guó)卡內(nèi)基《梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真教授將計(jì)算機(jī)的思維方式稱為“計(jì)算思維〞，是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的根底概念、根本規(guī)那么進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)廣度的一系列思維活動(dòng)。計(jì)算思維與學(xué)員從小建立起來的思維方式截然不同，這導(dǎo)致學(xué)員按照既有的思維模式很難融入計(jì)算機(jī)世界，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)課程的學(xué)習(xí)效果不好。

〔3〕現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)課程教學(xué)往往過分強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)的根本術(shù)語、根本概念及語法規(guī)那么，而忽略將這些內(nèi)容貫通、運(yùn)用起來的計(jì)算思維的培養(yǎng)及動(dòng)手能力的提高，導(dǎo)致教學(xué)辦法也片面地追求如何把單個(gè)的知識(shí)點(diǎn)講分明，而不注重思維的培養(yǎng)和訓(xùn)練。

〔4〕訓(xùn)練思維的創(chuàng)新性教學(xué)辦法研究缺乏，應(yīng)用不夠深入。雖然在教學(xué)過程中采取了很多新的教學(xué)辦法，如任務(wù)驅(qū)動(dòng)、案例教學(xué)等，但是應(yīng)用水平還停留在淺薄的層面上，并不能夠真正地將這些新的教學(xué)辦法深入應(yīng)用到計(jì)算機(jī)課程的教學(xué)中。

2思維可視化技術(shù)概述

思維是人腦對(duì)客觀事物間接的、概括的反映，反映的是事物的本質(zhì)以及事物之間的聯(lián)系。人腦的思維活動(dòng)是非常龐大的，瞬間就會(huì)產(chǎn)生千頭萬緒的思維，這些思維活動(dòng)在腦海里常常會(huì)變得雜亂無序，叫人理不出頭緒。思維可視化就是運(yùn)用一系列的圖示技術(shù)將人腦的思維活動(dòng)呈現(xiàn)出來，包括思考辦法、思考路徑、思維規(guī)律等，使本來不可見的思維清晰可見。被可視化的思維更加容易被理解、被記憶，可以提高信息加工和信息傳遞的效能。使用思維可視化技術(shù)可以幫忙思考，使得人腦的思維清晰和邏輯清楚，更容易找到問題的解決辦法。

“思維可視化〞概念由華東師范大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)研究所的思維可視化教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心主任劉濯源教授首先提出，歷經(jīng)近10年的研究與實(shí)踐，2022年獲全國(guó)教育信息化技術(shù)研究“十二五〞規(guī)劃重點(diǎn)課題“思維可視化技術(shù)與學(xué)科整合的理論和實(shí)踐研究〞立項(xiàng)，后逐漸被全國(guó)的教育專家高度認(rèn)可。

2.1思維可視化的圖示技術(shù)

思維可視化的圖示模型主要有4類：放射型、層次型、線性型和矩陣式。

放射型的圖示讓思維從一點(diǎn)出發(fā)，形成放射狀的發(fā)散，主要用來整理多種主題，對(duì)每個(gè)主題進(jìn)行深入挖掘，利于發(fā)散思維。思維導(dǎo)圖是這種辦法的典型技術(shù)，可以從一個(gè)主題發(fā)散，找到與該主題相異的、相似的、相關(guān)聯(lián)的主題，從而形成一個(gè)網(wǎng)狀的思維地圖。魚骨圖又稱為因果圖，是一種發(fā)現(xiàn)問題基本原因的分析辦法，簡(jiǎn)單實(shí)用，深入直《^，有助于分析產(chǎn)生問題的可能原因以及原因之間的相互影響。

層次型的圖示用來挖掘結(jié)構(gòu)關(guān)系并層層深入挖掘事物的狀況。示例，架構(gòu)圖是通過樹狀圖的形式對(duì)事物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐層分析，從而探討組織結(jié)構(gòu)關(guān)系。層次圖也可以用來展示清晰的分組信息，敘述清楚的組織結(jié)構(gòu)關(guān)系。

線性型的圖示一般都有一條清晰的主線，這條主線串起整個(gè)事物主題分析過程。示例，時(shí)間線是以時(shí)間為軸，按照時(shí)間關(guān)系將主題一一地呈現(xiàn)出來。

矩陣式的圖示最典型的是SWOT分析，是一種常用的戰(zhàn)略分析工具，可以將企業(yè)的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)、時(shí)機(jī)與威脅等方面通過矩陣形式呈現(xiàn)出來，并進(jìn)一步分析、整合和概括，從而把優(yōu)勢(shì)資源都聚焦在自己的強(qiáng)項(xiàng)和時(shí)機(jī)多的地方。

2.2圖示技術(shù)舉例――思維導(dǎo)圖

思維導(dǎo)圖又叫心智圖，是敘述發(fā)散性思維的有效的圖形思維工具。思維導(dǎo)圖通過模擬大腦的記憶結(jié)構(gòu)，按照簡(jiǎn)單、自然、易被大腦接受的規(guī)那么，使用文字、圖像、符號(hào)、線條等元素，將信息圖文并茂的表示出來。

思維導(dǎo)圖的核心思想是把形象思維與抽象思維很好地結(jié)合起來，讓左右腦同時(shí)運(yùn)作，將思維痕跡在紙上用圖像和線條形成發(fā)散性的結(jié)構(gòu)[1]。思維導(dǎo)圖技術(shù)結(jié)合了全腦的概念，包括左腦的邏輯、順序、條理、文字、數(shù)字以及右腦的圖像、想象、顏色、空間等，全面激活大腦，把零散的、雜亂的知識(shí)按照一定的邏輯、類別、結(jié)構(gòu)組織成彩色的、層次的、立體的圖式[2]。

思維導(dǎo)圖的創(chuàng)始人是英國(guó)心理學(xué)家東尼《博贊，他認(rèn)為思維導(dǎo)圖是對(duì)發(fā)散性思維的敘述，也是人類思維的自然功能[3]。思維導(dǎo)圖對(duì)應(yīng)的英文包括mindmapping和mindmap，前者表示構(gòu)圖過程，后者表示構(gòu)圖結(jié)果[4]。思維導(dǎo)圖在注重將信息圖示這一結(jié)果的同時(shí)更加注重形成圖示的過程，注重各個(gè)信息之間的相互關(guān)聯(lián)。3思維可視化技術(shù)在計(jì)算機(jī)教學(xué)中的具體應(yīng)用

3.1思維可視化教學(xué)法

思維可視化教學(xué)法即將思維可視化技術(shù)運(yùn)用到教學(xué)實(shí)踐中，在傳遞知識(shí)的同時(shí)更加注重產(chǎn)生知識(shí)的思維活動(dòng)，挖掘與呈現(xiàn)知識(shí)背后的思維規(guī)律并訓(xùn)練學(xué)員掌握它。思維可視化技術(shù)將傳統(tǒng)教學(xué)過程中側(cè)重的“強(qiáng)調(diào)知識(shí)〞轉(zhuǎn)變成“強(qiáng)調(diào)產(chǎn)生知識(shí)的過程〞，通過經(jīng)歷和體會(huì)產(chǎn)生知識(shí)的這一過程，學(xué)員可以學(xué)會(huì)如何高效地思考和學(xué)習(xí)，從而進(jìn)入學(xué)會(huì)思考、樂于思考、學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)和樂于學(xué)習(xí)的良性循環(huán)。

思維可視化教學(xué)法不僅僅是機(jī)械、簡(jiǎn)單地利用上述幾種圖示技術(shù)，而是把“將思維盡可能地展現(xiàn)出來〞這一宗旨充沛地融合在教學(xué)活動(dòng)中，以思維可視化技術(shù)為伎倆，以“思維共振、思想共鳴〞為課堂的教學(xué)辦法。思維可視化教學(xué)法不僅可以使課堂教學(xué)活動(dòng)的線索特別清晰，教學(xué)效能大大提高，而且能夠牽引學(xué)員的思維活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)員高效思考，將教學(xué)層次從知識(shí)的傳遞提升到思維的訓(xùn)練，大幅提高學(xué)員的思維能力和學(xué)習(xí)能力。

3.2課堂教學(xué)設(shè)計(jì)典型案例

鏈表是C語言中較難的局部，綜合運(yùn)用指針、結(jié)構(gòu)體、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)等知識(shí)，比擬難理解，需要反復(fù)思考，但鏈表充沛運(yùn)用了計(jì)算機(jī)的內(nèi)存空間，實(shí)現(xiàn)了靈活的內(nèi)存動(dòng)態(tài)管理，因此鏈表應(yīng)用非常廣泛。我們以鏈表為例，創(chuàng)新性地將魚骨圖等思維可視化技術(shù)應(yīng)用在教學(xué)實(shí)踐中，并提出一種全新的思維可視化技術(shù)――思考路徑圖，通過圖示將思考過程呈現(xiàn)出來，到達(dá)了良好的教學(xué)效果。

3.2.1教學(xué)流程設(shè)計(jì)

教學(xué)流程可采取任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，配合“探究―發(fā)現(xiàn)〞教學(xué)模式進(jìn)行，按照提出問題―解決問題的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

首先提出問題――如何存儲(chǔ)與訪問數(shù)據(jù)？采取多種教學(xué)辦法啟發(fā)學(xué)員思考使用已有的辦法解決問題，提出已有辦法存在的主要問題并用魚骨圖的形式將其表示出來；設(shè)置待完成的任務(wù)，創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)的情境。

其次，針對(duì)結(jié)構(gòu)體數(shù)組存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)存在的三個(gè)主要問題之一進(jìn)行討論，利用思維可視化技術(shù)逐步分析，逐步解決，從雜亂無序的思維中抽絲剝繭，層層遞進(jìn)地引出靜態(tài)鏈表的概念；并在靜態(tài)鏈表的根底上，按照解決第一個(gè)問題的辦法，針對(duì)結(jié)構(gòu)體數(shù)組存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)存在的3個(gè)主要問題之二進(jìn)行討論，引出動(dòng)態(tài)鏈表的概念。

第三，在學(xué)員掌握了鏈表的概念后，不斷地啟發(fā)學(xué)員思考，引導(dǎo)學(xué)員的思維，采取多種辦法標(biāo)準(zhǔn)總結(jié)鏈表的根本操作，如鏈表的創(chuàng)立、遍歷、插入結(jié)點(diǎn)、刪除結(jié)點(diǎn)等。學(xué)員在掌握鏈表的根本操作后，回看針對(duì)結(jié)構(gòu)體數(shù)組存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)存在的3個(gè)主要問題，發(fā)現(xiàn)第3個(gè)問題也已經(jīng)克服。利用魚骨圖的形式將這3個(gè)主要問題的解決辦法表示出來，問題和辦法清晰呈現(xiàn)，突出鏈表的優(yōu)點(diǎn)。

最后，討論鏈表的實(shí)際應(yīng)用，使學(xué)員理解并掌握使用鏈表解決實(shí)際問題的辦法并完成任務(wù)。具體教學(xué)流程設(shè)計(jì)如圖1所示。

3.2.2思維可視化技術(shù)應(yīng)用辦法

1〕魚骨圖的應(yīng)用。

魚骨圖在本次教學(xué)中的應(yīng)用并不是生搬硬套在教學(xué)內(nèi)容上，而是根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，使其更貼合教學(xué)實(shí)際。將出現(xiàn)的問題和產(chǎn)生問題的本質(zhì)畫在上方的魚刺上，而解決問題的辦法和該辦法的本質(zhì)畫在魚刺的下方，利用魚骨圖分析問題和產(chǎn)生問題的原因，層次清楚、條理清晰，并且將解決問題的辦法及辦法本質(zhì)也都圖示出來，高低比照表明，可以大大提高學(xué)員理解問題的效率和效果，如圖2所示。

2〕思考路徑圖的開創(chuàng)與應(yīng)用。

思考路徑圖是本次教學(xué)設(shè)計(jì)中原創(chuàng)的、創(chuàng)新性的辦法，采用圖示技術(shù)將提出問題、分析問題、解決問題的思考路徑一步一步表示出來。學(xué)員沿著這樣的思維線索進(jìn)行思考，思維邏輯非常清晰，并且思考過程中波及的解決問題的關(guān)鍵技術(shù)也非常清晰地呈現(xiàn)出來；從腦庫(kù)的知識(shí)儲(chǔ)藏中抽取有用的知識(shí)，從而形成新的知識(shí)，新舊知識(shí)交叉關(guān)聯(lián)形成完整的知識(shí)體系。將結(jié)構(gòu)體數(shù)組存儲(chǔ)信息的問題以及解決問題的辦法表示出來的思考路徑圖如圖3所示。

3〕思維導(dǎo)圖的應(yīng)用。

思維導(dǎo)圖在本次教學(xué)設(shè)計(jì)中貫通始終。首先在解決問題的過程中，需要使用之前已掌握的知識(shí)體系如指針、結(jié)構(gòu)體時(shí)，采用思維導(dǎo)圖的形式可以將知識(shí)圖文并茂地展現(xiàn)出來，內(nèi)容清晰明了，需要的知識(shí)技能很容易被回顧起來；其次在授課結(jié)束時(shí)，要求學(xué)員采用思維導(dǎo)圖將鏈表的內(nèi)容整理并呈現(xiàn)出來，并且要求并不是簡(jiǎn)單的知識(shí)羅列，而是要在繪制思維導(dǎo)圖的過程中，注重對(duì)思維的梳理以及知識(shí)點(diǎn)之間關(guān)聯(lián)的梳理。圖4將這個(gè)思維導(dǎo)圖的框架展示出來，由學(xué)員進(jìn)行填充。

4教學(xué)反思

〔1〕思維可視化教學(xué)法的關(guān)鍵點(diǎn)是什么？與知識(shí)可視化不同，思維可視化教學(xué)法更加注重對(duì)思維的梳理和呈現(xiàn)，最終的產(chǎn)物不單單是知識(shí)的可視化，更有思考辦法和思維規(guī)律的一個(gè)可視化呈現(xiàn)。如果在課堂實(shí)踐教學(xué)中，教員不能夠啟發(fā)學(xué)員主動(dòng)思考和捕捉到學(xué)員的思維，僅僅是自編自演，則整堂課的思維可視化其實(shí)是教員思維的一個(gè)可視化，而不是學(xué)員思維的可視化，這樣的授課效果會(huì)大打折扣，并不能訓(xùn)練學(xué)員的思維能力和創(chuàng)新能力；因此，采取思維可視化教學(xué)法進(jìn)行課堂授課，其關(guān)鍵點(diǎn)就是如何緊緊抓住學(xué)員的思維，引導(dǎo)學(xué)員積極主動(dòng)思考，盡量采取啟發(fā)式教學(xué)、研討式教學(xué)等教學(xué)辦法以配合對(duì)思維的梳理、呈現(xiàn)和訓(xùn)練。

〔2〕對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行過多的講授會(huì)縮短學(xué)員思考的時(shí)間，不利于對(duì)思維的挖掘，但假設(shè)任由學(xué)員漫無邊際地思考，那么會(huì)大大降低課堂授課內(nèi)容的深度和廣度，因此如何恰到好處地把握和控制學(xué)員的思維是教學(xué)實(shí)踐的重中之重。

首先，教學(xué)內(nèi)容一定要精心設(shè)計(jì)，什么環(huán)節(jié)收，什么環(huán)節(jié)放，如何收，如何放都要絲絲入扣般地設(shè)計(jì)好；其次，即便是再詳盡的教學(xué)設(shè)計(jì)也不可能分毫不差地實(shí)施，因?yàn)閷W(xué)員的實(shí)際情況是千差萬別的，所以在授課中還要根據(jù)學(xué)員的實(shí)際情況隨機(jī)應(yīng)變，何時(shí)該講解，何時(shí)該啟發(fā)學(xué)員思考，既要保證教學(xué)內(nèi)容的信息量，又要防止?jié)M堂灌，切實(shí)啟發(fā)學(xué)員的思維，這也對(duì)教員自身的《^察力及對(duì)課堂的把握能力要求比擬高；最后，每次教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)結(jié)束后，教員都應(yīng)該總結(jié)本次教學(xué)活動(dòng)中學(xué)員的狀態(tài)和思維、教學(xué)活動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)及缺乏，以積累經(jīng)驗(yàn)并增強(qiáng)課堂應(yīng)變力。

〔3〕多種教學(xué)辦法的配合使用也非常關(guān)鍵，只有學(xué)員有了獨(dú)立的思考，才有思維可視化的對(duì)象。如何綜合運(yùn)用多種教學(xué)伎倆啟發(fā)學(xué)員思考，是思維可視化的前提條件，而在可視化之后對(duì)思維進(jìn)行歸納總結(jié)那么起著畫龍點(diǎn)睛的關(guān)鍵作用。在教學(xué)實(shí)踐中，思維可視化教學(xué)實(shí)際上分成了3個(gè)局部，啟發(fā)學(xué)員的思維是第1步，第2步是對(duì)該思維進(jìn)行梳理及呈現(xiàn)，第3步是對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行總結(jié)與歸納，每一步驟的教學(xué)重點(diǎn)不同，教學(xué)辦法也不同，因此在整個(gè)教學(xué)活動(dòng)需要多種教學(xué)辦法配合使用。此外，教學(xué)活動(dòng)的每一步驟也需要多種辦法共同完成，首先如何啟發(fā)學(xué)員的思維需要多種教學(xué)伎倆來實(shí)現(xiàn)，如啟發(fā)式教學(xué)、探究―發(fā)現(xiàn)式教學(xué)等，其次如何