基于思维可视化的数据结构课程教学改革

王玉银

摘要：针对数据结构课程教学中，算法思维难以表达和传递现象，进行基于思维可视化的教学改革，通过思维导图、可视化编程工具Raptor以及情景教学法等思维可视化方式来加强学生思维能力培养。将思维可视化教学应用于在讲授新课、重难点知识点和内容复习等方面，并对思维可视化教学的实施效果进行分析。研究表明，思维可视化教学能够更好地培养学生的思维能力。

关键词：思维可视化;可视化编程工具;情景教学法

中图分类号： TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）02-0080-02

数据结构是计算机类专业的核心基础课程，由于其概念多、内容抽象、算法复杂等特点，对学生的思维能力有一定要求，导致学生学习起来比较吃力的现象，作者从多年的教学经验，通过分析教学过程中遇到的问题，结合数据结构教学的特点，提出了基于思维可视化的数据结构课程教学改革。

思维可视化是指运用一系列可视化技术，将不可见的思维过程以可视化的形式清晰地展现出来，既有利于学生理解、构建和应用知识，提升思维能力，又有利于教师了解学生的思考内容、思考方法和思考过程。

思维可视化技术主要通过一系列的图示、可视化工具以及问题式教学情景来进行，将思维过程和思维结果显示，提高学生的认知能力，进而培养学生思维能力。

1 基于思维可视化的教学实践

1.1 基于思维导图的可视化教学实践

思维导图采用图文并茂的形式，将各级主题的隶属关系呈现出来，利用重要知识点、图像、不同颜色等建立连接，是表达发散性思维的有效图形工具[1]。将思维导图应用于课堂讲授、重难点知识、内容复习和师生互动等方面的行动研究。通过思维导图可以表示各章节知识、重点难点等之间的关系，从而加深对数据结构课程的理解，形成知识结构体系以及合理的知识结构，帮助理解和掌握算法设计的主要方法和算法复杂性的分析能力。

例如，在数据结构绪论一章时，作者借助思维导图对数据结构绪论中内容进行系统构建（见图1）。

思维导图以不同颜色，不同层次结构，将绪论部分的内容展现给学生。有助于培养学生对知识的理解，由于层次结构鲜明和色彩分明的优势，受到学生喜爱。思维导图有助于学生整合新旧知识， 建构知识网络， 浓缩知识结构，从而使其从整体上把握知识。学生通过画思维导图， 可以体会、观察到知识间的关系， 对所学过的概念加以组织整理， 使知识结构更加完整， 甚至可以发现从来没有注意到的问题，进而产生一些新的理解。

另外思维导图能够加强重点难点的理解，加深知识点的学习[2]。在线性表章节教学中，在对线性表的顺序存储和链式存储比较时，借助思维导图中的鱼骨图（图2）来加强学生对两种结构的深入理解和比较。鱼骨图中上面描述顺序表的特点，下面描述的是单链表的特点。也可以从另一个角度来理解，即从顺序表的缺点提出问题，引出下方的解决方法，这样有利于学生思维能力的发散，对知识点有更加全面的认识。

将思维导图应用于数据结构各章节知识点、重点难点中，使得知识结构更清晰，内容更简洁，有利于学生全面获得新知识，使各章知识要点化，系统化，便于学生强化记忆。思维导图不仅能有效提高学习效果，还可以加强学生思维能力的培养。思维导图在讲授新课时，教师利用PPT动画效果，按发散思维的先后顺序显示相应的内容，给学生接受和消化知识的时间。在复习课上使用思维导图能帮助学生更好地梳理知识，实现知识串联，将零散的知识条理化、系统化，对知识进行回顾、总结、提高，能够有利于学生长期有效记忆。

1.2 基于编程思维可视化工具Raptor的教学实践

Raptor是一种基于流程图的可视化程序设计环境，语言简洁灵活，能为算法教学提供实验环境。

借助Raptor工具可以使隐性思维显性化。 Raptor 可以将算法中的语句和结构化程序设计（例如赋值语句、输入输出、三种基本结构等）以图形的方式显示出来，能够体现函数调用中的主调函数与被调函数之间的关系，基本结构流程的执行过程，有助于学生对算法的应用实现整体把握。

Raptor能使显性思维工具化。Raptor 的可视化贯穿流程图绘制、调试和运行等，能直观显示计算机求解问题的过程，使学生以计算思维的方式来理解算法。Raptor 的流程图绘制简单，直接拖曳符号进行，避免了复杂的语法，能在尽可能少的语法限制下，让学生快速进行算法设计。对于前期程序语言课程学习基础较弱的学生，可以跨过语言课程的障碍而快速的理解算法。流程图运行结束后，Raptor 会自动给出所有操作步骤的统计次数，让学生直观理解算法复杂性，便于对算法的改进和比较。

Raptor可以将流程图转换成高级语言程序，可视化思维用代码表示出来，这种隐性到显性的思维转换，让学生既培养计算思维，又掌握语言的实现。因此，Raptor可以强化计算思维，提高学生解决复杂问题的能力。

1.3 基于情景教学法的教学实践

情景教学法指在教学过程中，教师有目的地引入或创设一定的情境，引出教学内容，继续进行教学。情景教学法以形象生动激活课堂，调用学生学习的主动性和积极性，学生从被动学习转换成主动学习。数据结构课程知识较为抽象，学生感觉知识比较枯燥，因此，根据作者多年的经验，对数据结构中的不同知识点可设立不同的教学情景[3]，有助于引起学生的兴趣。例如在对链表访问教学时，可以选择学生在教室中所坐的位置，学生每人左右手分别拿两个号码，左右手所拿的号码假设为前后指针，左手右手所拿的号码指向链表的前后数据。在讲解冒泡排序时，可以选择不同身高的学生，按冒泡法排序的操作思路进行身高排序。

情景教学法能够对教学效果产生积极影响，但在使用时，要紧扣知识点，把握教学节奏和内容，适当地使用，确保情景教学的质量。

情景教学法也可以从知识点的应用案例出发，以应用为切入点，引导学生思考解决问题所需的知识。例如在栈的应用教学中，可以从浏览网页时前进后退操作或者文件操作中的，撤销恢复操作为切入点，引出栈和队列的特点，进而讲解相关知识。

2 实施效果

在教学实施过程中，对同一个专业、同一年级中开设数据结构课程的计算机科学与技术专业四个班级180名学生进行测试，其中计算机1、2班的96名采用思维可视化教学，另外计算机3、4班的84名学生未使用思维可视化教学。测试结果如表 1。

由表1可知，使用思维可视化教学能够有效地提高学生的学习效果，学生对知识点的掌握人数比例达到80%以上，使用思维可视化教学使难以理解的知识变得简单，使知识点更容易理解和掌握。

思维可视化教学不仅使学生能更好地理解知识，同时能够激发学生的联想与创意，形成系统的学习和思维的习惯，使学生具备思考问题和解决问题的能力。在学生的后续课程学习中，起到了一定的作用[4]。

学生将思维可视化方法应用于后期课程学习中，可以绘制思维导图进行总结和思维扩展。针对使用思维可视化教学的 96名学生进行问卷调查，测试思维可视化应用的作用，结果如表2。

思维可视化教学能有效提高学生的学习兴趣，加强培养学生思维能力培养，加深对程序算法的理解和认识，促进知识体系的构建，对学生后续课程的学习有较大的帮助。

参考文献：

[1] 林卓玲.思维可视化的实施路径探析[J].中学政治教学参考，2020（16）：24-26.

[2] 孙凌宇，冷明，李金忠，等.思维导图在《数据结构与算法》计算过程可视化的教学行动研究[J].山西财经大学学报，2016，38（S2）：87-88，101.

[3] 高秀艳，胡金扣.情景教学法的使用及对学生思维模式培养作用探析——以数据结构课程为例[J].科学大众（科学教育），2017（7）：158.

[4] 张军，项东升，张其林，等.基于RISC-V架構的计算机系统能力培养机制探索[J].计算机教育，2020（1）：72-76.

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