思维可视化技术在计算机课程教学中的创新应用

　　0 引 言

　　计算机技术在军事上的应用从根本上改变了信息时代的战争模式、演练手段和作战效率。在海军大连舰艇学院新的人才培养方案中，计算机课程的地位也越来越突出，是信息类课程的核心组成部分，对培养学员的信息化素质和实战化能力起着至关重要的作用。深化计算机课程的教学改革，培养学员的信息化素养，提高学员的自主学习能力和创新能力，是一个亟待研究的课题。

　　1 计算机课程教学现状的分析

　　近年来，教学改革不断推进，在计算机课程的教学中也不断应用新的教学理念和教学模式。例如，根据计算机课程知识离散的特点，提出模块化教学理念，推进任务驱动式教学法，在课堂教学中采用启发式、研讨式教学法等。由于计算机课程的特性，现有的教学中仍存在教学模式和教学方法创新不足、研究和应用的深度广度不足、学员畏难情绪严重、学习兴趣不足等诸多问题，主要体现在以下几方面。

　　（1）计算机课程内容繁多、知识分散且晦涩难懂。以计算机硬件技术基础课程为例，其内容涵盖计算机组成原理、汇编语言程序设计、接口技术等多门课程的内容，知识点繁杂分散，专业术语晦涩难懂，前面章节的内容涉及后续章节的知识和术语。这些特点导致学员在学习的时候难以整体把握计算机知识，学习效果不好，且非常容易产生畏难情绪，失去学习计算机课程的动力。

　　（2）计算机课程的逻辑性强，对学员的思维能力要求高，并且计算机的思维方式不同于人类的自然思维，是站在计算机的角度思考问题，遵循计算机的规则解决问题，这完全不同于其他学科思考问题的方法。2006年，美国卡内基?梅隆大学计算机科学系主任周以真教授将计算机的思维方式称为“计算思维”，是运用计算机科学的基础概念、基本规则进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学广度的一系列思维活动。计算思维与学员从小建立起来的思维方式截然不同，这导致学员按照既有的思维模式很难融入计算机世界，导致计算机课程的学习效果不好。

　　（3）现有的计算机课程教学往往过分强调计算机的基本术语、基本概念及语法规则，而忽略将这些内容贯穿、运用起来的计算思维的培养及动手能力的提高，导致教学方法也片面地追求如何把单个的知识点讲清楚，而不注重思维的培养和训练。

　　（4）训练思维的创新性教学方法研究不足，应用不够深入。虽然在教学过程中采取了很多新的教学方法，如任务驱动、案例教学等，但是应用水平还停留在肤浅的层面上，并不能够真正地将这些新的教学方法深入应用到计算机课程的教学中。

　　2 思维可视化技术概述

　　思维是人脑对客观事物间接的、概括的反映，反映的是事物的本质以及事物之间的联系。人脑的思维活动是非常庞大的，瞬间就会产生千头万绪的思维，这些思维活动在脑海里常常会变得杂乱无序，叫人理不出头绪。思维可视化就是运用一系列的图示技术将人脑的思维活动呈现出来，包括思考方法、思考路径、思维规律等，使本来不可见的思维清晰可见。被可视化的思维更加容易被理解、被记忆，可以提高信息加工和信息传递的效能。使用思维可视化技术可以帮助思考，使得人脑的思维清晰和逻辑分明，更容易找到问题的解决方法。

　　“思维可视化”概念由华东师范大学现代教育技术研究所的思维可视化教学实验中心主任刘濯源教授首先提出，历经近10年的研究与实践，2011年获全国教育信息化技术研究“十二五”规划重点课题“思维可视化技术与学科整合的理论和实践研究”立项，后逐渐被全国的教育专家高度认可。

　　2.1 思维可视化的图示技术

　　思维可视化的图示模型主要有4类：放射型、层次型、线性型和矩阵式。

　　放射型的图示让思维从一点出发，形成放射状的发散，主要用来整理多种主题，对每个主题进行深入挖掘，利于发散思维。思维导图是这种方法的典型技术，可以从一个主题发散，找到与该主题相异的、相似的、相关联的主题，从而形成一个网状的思维地图。鱼骨图又称为因果图，是一种发现问题根本原因的分析方法，简单实用，深入直?^，有助于分析产生问题的可能原因以及原因之间的相互影响。

　　层次型的图示用来挖掘结构关系并层层深入挖掘事物的状况。例如，架构图是通过树状图的形式对事物的结构进行逐层分析，从而探讨组织结构关系。层次图也可以用来展示清晰的分组信息，表达分明的组织结构关系。

　　线性型的图示一般都有一条清晰的主线，这条主线串起整个事物主题分析过程。例如，时间线是以时间为轴，按照时间关系将主题一一地呈现出来。

　　矩阵式的图示最典型的是SWOT分析，是一种常用的战略分析工具，可以将企业的优势与劣势、机会与威胁等方面通过矩阵形式呈现出来，并进一步分析、整合和概括，从而把优势资源都聚焦在自己的强项和机会多的地方。

　　2.2 图示技术举例――思维导图

　　思维导图又叫心智图，是表达发散性思维的有效的图形思维工具。思维导图通过模拟大脑的记忆结构，按照简单、自然、易被大脑接受的规则，使用文字、图像、符号、线条等元素，将信息图文并茂的表示出来。

　　思维导图的核心思想是把形象思维与抽象思维很好地结合起来，让左右脑同时运作，将思维痕迹在纸上用图像和线条形成发散性的结构[1]。思维导图技术结合了全脑的概念，包括左脑的逻辑、顺序、条理、文字、数字以及右脑的图像、想象、颜色、空间等，全面激活大脑，把零散的、杂乱的知识按照一定的逻辑、类别、结构组织成彩色的、层次的、立体的图式[2]。

　　思维导图的创始人是英国心理学家东尼?博赞，他认为思维导图是对发散性思维的表达，也是人类思维的自然功能[3]。思维导图对应的英文包括mind mapping和mind map，前者表示构图过程，后者表示构图结果[4]。思维导图在注重将信息图示这一结果的同时更加注重形成图示的过程，注重各个信息之间的相互关联。 　　3 思维可视化技术在计算机教学中的具体应用

　　3.1 思维可视化教学法

　　思维可视化教学法即将思维可视化技术运用到教学实践中，在传递知识的同时更加注重产生知识的思维活动，挖掘与呈现知识背后的思维规律并训练学员掌握它。思维可视化技术将传统教学过程中侧重的“强调知识”转变成“强调产生知识的过程”，通过经历和体会产生知识的这一过程，学员可以学会如何高效地思考和学习，从而进入学会思考、乐于思考、学会学习和乐于学习的良性循环。

　　思维可视化教学法不仅仅是机械、简单地利用上述几种图示技术，而是把“将思维尽可能地展现出来”这一宗旨充分地融合在教学活动中，以思维可视化技术为手段，以“思维共振、思想共鸣”为课堂的教学方法。思维可视化教学法不仅可以使课堂教学活动的线索特别清晰，教学效能大大提高，而且能够牵引学员的思维活动，引导学员高效思考，将教学层次从知识的传递提升到思维的训练，大幅提高学员的思维能力和学习能力。

　　3.2 课堂教学设计典型案例

　　链表是C语言中较难的部分，综合运用指针、结构体、动态存储等知识，比较难理解，需要反复思考，但链表充分运用了计算机的内存空间，实现了灵活的内存动态管理，因此链表应用非常广泛。我们以链表为例，创新性地将鱼骨图等思维可视化技术应用在教学实践中，并提出一种全新的思维可视化技术――思考路径图，通过图示将思考过程呈现出来，达到了良好的教学效果。

　　3.2.1 教学流程设计

　　教学流程可采取任务驱动教学法，配合“探究―发现”教学模式进行，按照提出问题―解决问题的思路进行设计。

　　首先提出问题――如何存储与访问数据？采取多种教学方法启发学员思考使用已有的方法解决问题，提出已有方法存在的主要问题并用鱼骨图的形式将其表示出来；设置待完成的任务，创设学习的情境。

　　其次，针对结构体数组存储数据时存在的三个主要问题之一进行讨论，利用思维可视化技术逐步分析，逐步解决，从杂乱无序的思维中抽丝剥茧，层层递进地引出静态链表的概念；并在静态链表的基础上，按照解决第一个问题的方法，针对结构体数组存储数据时存在的3个主要问题之二进行讨论，引出动态链表的概念。

　　第三，在学员掌握了链表的概念后，不断地启发学员思考，引导学员的思维，采取多种方法规范总结链表的基本操作，如链表的创建、遍历、插入结点、删除结点等。学员在掌握链表的基本操作后，回看针对结构体数组存储数据时存在的3个主要问题，发现第3个问题也已经克服。利用鱼骨图的形式将这3个主要问题的解决方法表示出来，问题和方法清晰呈现，突出链表的优点。

　　最后，讨论链表的实际应用，使学员理解并掌握使用链表解决实际问题的方法并完成任务。具体教学流程设计如图1所示。

　　3.2.2 思维可视化技术应用方法

　　1）鱼骨图的应用。

　　鱼骨图在本次教学中的应用并不是生搬硬套在教学内容上，而是根据教学内容的特点进行改良，使其更贴合教学实际。将出现的问题和产生问题的本质画在上方的鱼刺上，而解决问题的方法和该方法的本质画在鱼刺的下方，利用鱼骨图分析问题和产生问题的原因，层次分明、条理清晰，并且将解决问题的方法及方法本质也都图示出来，上下对比说明，可以大大提高学员理解问题的效率和效果，如图2所示。

　　2）思考路径图的开创与应用。

　　思考路径图是本次教学设计中原创的、创新性的方法，采用图示技术将提出问题、分析问题、解决问题的思考路径一步一步表示出来。学员沿着这样的思维线索进行思考，思维逻辑非常清晰，并且思考过程中涉及的解决问题的关键技术也非常清晰地呈现出来；从脑库的知识储备中抽取有用的知识，从而形成新的知识，新旧知识交叉关联形成完整的知识体系。将结构体数组存储信息的问题以及解决问题的方法表示出来的思考路径图如图3所示。

　　3）思维导图的应用。

　　思维导图在本次教学设计中贯穿始终。首先在解决问题的过程中，需要使用之前已掌握的知识体系如指针、结构体时，采用思维导图的形式可以将知识图文并茂地展现出来，内容清晰明了，需要的知识技能很容易被回忆起来；其次在授课结束时，要求学员采用思维导图将链表的内容整理并呈现出来，并且要求并不是简单的知识罗列，而是要在绘制思维导图的过程中，注重对思维的梳理以及知识点之间关联的梳理。图4将这个思维导图的框架展示出来，由学员进行填充。

　　4 教学反思

　　（1）思维可视化教学法的关键点是什么？与知识可视化不同，思维可视化教学法更加注重对思维的梳理和呈现，最终的产物不单单是知识的可视化，更有思考方法和思维规律的一个可视化呈现。如果在课堂实践教学中，教员不能够启发学员主动思考和捕捉到学员的思维，仅仅是自编自演，那么整堂课的思维可视化其实是教员思维的一个可视化，而不是学员思维的可视化，这样的授课效果会大打折扣，并不能训练学员的思维能力和创新能力；因此，采取思维可视化教学法进行课堂授课，其关键点就是如何紧紧抓住学员的思维，引导学员积极主动思考，尽量采取启发式教学、研讨式教学等教学方法以配合对思维的梳理、呈现和训练。

　　（2）对教学内容进行过多的讲授会缩短学员思考的时间，不利于对思维的挖掘，但若任由学员漫无边际地思考，则会大大降低课堂授课内容的深度和广度，因此如何恰到好处地把握和控制学员的思维是教学实践的重中之重。

　　首先，教学内容一定要精心设计，什么环节收，什么环节放，如何收，如何放都要丝丝入扣般地设计好；其次，即便是再详尽的教学设计也不可能分毫不差地实施，因为学员的实际情况是千差万别的，所以在授课中还要根据学员的实际情况随机应变，何时该讲解，何时该启发学员思考，既要保证教学内容的信息量，又要避免满堂灌，切实启发学员的思维，这也对教员自身的?^察力及对课堂的把握能力要求比较高；最后，每次教学实践活动结束后，教员都应该总结本次教学活动中学员的状态和思维、教学活动的优点及不足，以积累经验并增强课堂应变力。

　　（3）多种教学方法的配合使用也非常关键，只有学员有了独立的思考，才有思维可视化的对象。如何综合运用多种教学手段启发学员思考，是思维可视化的前提条件，而在可视化之后对思维进行归纳总结则起着画龙点睛的关键作用。在教学实践中，思维可视化教学实际上分成了3个部分，启发学员的思维是第1步，第2步是对该思维进行梳理及呈现，第3步是对整个过程进行总结与归纳，每一步骤的教学重点不同，教学方法也不同，因此在整个教学活动需要多种教学方法配合使用。此外，教学活动的每一步骤也需要多种方法共同完成，首先如何启发学员的思维需要多种教学手段来实现，如启发式教学、探究―发现式教学等，其次如何引导学员对自身的思维进行可视化，也需要多种思维可视化技术共同完成，而最后一步的归纳总结则需要多种方法，如自顶向下细化法、自底向上归纳法等的融合运用。

　　5 结 语

　　通过对思维可视化技术的研究与在计算机课程教学实践中的探索，将思维可视化技术整合、创新并应用于计算机课程教学实践中，取得了良好的教学效果。然而，思维可视化教学法关键在于思维可视化技术的掌握和应用，如何在有限课堂教学时间内不仅教会学员应会的知识，还最大程度地教会学员掌握这些技术并在课程结束后也能够不断地运用这些技术，需要进一步研究并对学员进行跟踪回访和帮助指导。

本文链接：http://www.qk112.com/lwfw/jiaoyulunwen/xueqianjiaoyu/217324.html