程序設(shè)計(jì)教學(xué)思維可視化技術(shù)應(yīng)用

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摘要：從培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力和計(jì)算思維能力的角度出發(fā)，針對(duì)程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)中程序設(shè)計(jì)思維難以表達(dá)和傳遞的現(xiàn)象，結(jié)合Raptor的四個(gè)可視化特征對(duì)編程思維過程進(jìn)行可視化表述和傳播，討論Raptor在程序設(shè)計(jì)思維可視化教學(xué)中的三個(gè)階段，以及每個(gè)階段的目標(biāo)、特征和實(shí)施方式。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；思維可視化；程序設(shè)計(jì)；Raptor；復(fù)雜工程問題

工程教育強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)、提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，針對(duì)計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)而言，該能力的代表就是具有分析性、創(chuàng)造性和系統(tǒng)性特征的計(jì)算思維能力。因此，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維能力應(yīng)成為計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)工程教育教學(xué)目標(biāo)之一。程序設(shè)計(jì)類課程是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的核心課程和入門課程，其目的是教會(huì)學(xué)生程序設(shè)計(jì)的思想和方法，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，并運(yùn)用該思維解決復(fù)雜工程問題。然而，傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)教學(xué)模式偏重語法知識(shí)教學(xué)而忽視計(jì)算思維培養(yǎng)，有相當(dāng)一部分學(xué)生缺乏將數(shù)學(xué)模型映射為計(jì)算機(jī)模型的能力，即計(jì)算思維薄弱[1]，解決復(fù)雜工程問題的能力不足。為此，本文提出一種思維可視化的程序設(shè)計(jì)教學(xué)模式，運(yùn)用Raptor這一基于流程圖的可視化編程環(huán)境對(duì)程序設(shè)計(jì)思維（思考方法，思考路徑和思考結(jié)果）進(jìn)行顯性化表示，幫助學(xué)生發(fā)展計(jì)算思維，提高解決復(fù)雜工程問題的能力。

一、計(jì)算思維與程序設(shè)計(jì)

2006年，美國卡內(nèi)基•梅隆大學(xué)的周以真教授在美國計(jì)算機(jī)權(quán)威期刊《CommunicationsoftheACM》雜志上給出計(jì)算思維（ComputationalThinking）的概念和相關(guān)說明。周教授認(rèn)為計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象與自動(dòng)化，它涵蓋了計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)，包括運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、以及人類行為理解等[1]。自此，計(jì)算思維的培養(yǎng)迅速成為教育領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，從大學(xué)到小學(xué)、從計(jì)算機(jī)學(xué)科到非計(jì)算機(jī)學(xué)科，以各種形式明確計(jì)算思維培養(yǎng)的重要性，它被認(rèn)為是創(chuàng)新人才應(yīng)該具有普適性的思維方式。隨著社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步，人們不斷提高對(duì)計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)大學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力要求，掌握一種或數(shù)種計(jì)算機(jī)語言，具備使用計(jì)算機(jī)解決復(fù)雜工程問題的能力是工程教育的目標(biāo)之一。程序設(shè)計(jì)過程完整演示了從問題到計(jì)算機(jī)求解問題的全部過程，包括了對(duì)問題進(jìn)行分析思考的思維過程、對(duì)算法進(jìn)行描述的設(shè)計(jì)過程、用計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)算法的計(jì)算過程和用數(shù)據(jù)測(cè)試程序的驗(yàn)證過程。計(jì)算機(jī)求解問題的全過程都貫穿了計(jì)算性的思維———可計(jì)算性或可操作性，即計(jì)算思維[2]。這四個(gè)過程本應(yīng)該是相輔相成，融為一體的，然而在傳統(tǒng)教學(xué)中卻常常被分割，甚至被忽視。傳統(tǒng)課堂教學(xué)的重點(diǎn)常常是重視知識(shí)的灌輸而不是思維的發(fā)展，學(xué)生花了大量的時(shí)間應(yīng)付枯燥的語法細(xì)節(jié)，忽視了對(duì)問題的分析思維過程和算法設(shè)計(jì)過程，直接跳躍到算法實(shí)現(xiàn)階段，通過程序的運(yùn)行結(jié)果來驗(yàn)證分析和設(shè)計(jì)過程。這種教學(xué)導(dǎo)致學(xué)生不適應(yīng)從自然語言到計(jì)算機(jī)語言的思維轉(zhuǎn)換，編程能力不強(qiáng)，在使用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問題時(shí)，總是無從下手，進(jìn)而缺乏學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力。在這種背景下，程序設(shè)計(jì)類課程作為一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，當(dāng)前教學(xué)的研究重點(diǎn)應(yīng)該是如何組織教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式，培養(yǎng)的核心問題不應(yīng)該是對(duì)某種語言的掌握程度和各種編程技巧，而是培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的思維習(xí)慣和能力，即計(jì)算思維的培養(yǎng)。只有具備良好的計(jì)算思維，才能擺脫程序設(shè)計(jì)語言的限制，熟練應(yīng)對(duì)各種領(lǐng)域的問題。

二、思維教學(xué)與思維可視化

趙國慶在《思維教學(xué)百年回顧》中提到思維教學(xué)起源于“授之以竿”的“思維技能”教學(xué)，發(fā)展于“授之以餌”的“思維傾向”教學(xué)，回歸于“授之以漁”的“知識(shí)理解”教學(xué)[3]。這三種取向的思維教學(xué)不是彼此獨(dú)立的，而是相互重疊?；貧w“知識(shí)理解”的思維教學(xué)不是簡單而機(jī)械的知識(shí)學(xué)習(xí)，而是在良好思維傾向指導(dǎo)下，用嫻熟的思維技能對(duì)知識(shí)進(jìn)行深加工，實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)更透徹的理解，以及從思維技能到思維能力的遷移。人們已認(rèn)識(shí)到培養(yǎng)思維的重要性，然而在實(shí)踐中卻收效甚微。長期以來，人們更看重外在的、有形的知識(shí)和思維技能，而忽視思維傾向的培養(yǎng)。常常認(rèn)為學(xué)生學(xué)習(xí)了知識(shí)和思維技能，只要多模仿和練習(xí)，就可以自己摸索出隱藏其中的思維方法，培養(yǎng)思維能力。如同美國著名心理學(xué)家諾曼（Norman）曾指出的那樣，“我們要學(xué)生學(xué)習(xí)，卻很少教他們?cè)趺磳W(xué)；我們要學(xué)生解決問題，卻又難得教他們?nèi)绾谓鉀Q問題……”[4]究其根本原因在于知識(shí)和技術(shù)是顯性的，而思維是隱性的。因?yàn)橹R(shí)和技術(shù)的顯性特征，在教學(xué)過程中，教師可以很容易地判斷學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況，對(duì)之進(jìn)行強(qiáng)化或補(bǔ)充；而思維的隱性特征，則導(dǎo)致無論是資歷豐富的老教師還是缺乏教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的年輕教師在處理思維方式是否正確、思維技能如何遷移、思維傾向是否有建立等方面都存在疑問，進(jìn)而導(dǎo)致思維的培養(yǎng)可能會(huì)出現(xiàn)偏差。鑒于思維及其過程是不可見的，人們提出了“思維可視化”，目的是將看不見的思維過程和思維方法用一系列圖示技術(shù)呈現(xiàn)出來，這種“可視化”對(duì)學(xué)生而言有利于幫助理解特定的思維策略和思維過程[5]，提升思維能力；而對(duì)教師來說，能真實(shí)了解學(xué)生的思考內(nèi)容、思考方法和思考過程，及時(shí)調(diào)整教學(xué)重點(diǎn)和方向。目前對(duì)思維可視化的研究主要集中在可視化工具及其應(yīng)用，通過應(yīng)用可視化手段與學(xué)科教學(xué)整合，將隱性的思維過程和思維結(jié)果顯性化，提高學(xué)生的認(rèn)知能力，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力[6]。蔡慧英從“可視化知識(shí)、可視化認(rèn)知模式、可視化問題過程和可視化系統(tǒng)建模”[7]四個(gè)維度對(duì)目前已有的可視化技術(shù)工具進(jìn)行分類，并闡述不同工具的設(shè)計(jì)理念和應(yīng)用場(chǎng)景，提出融合多個(gè)工具的特色構(gòu)建新工具，支持不同的學(xué)習(xí)情景。

三、基于Raptor的程序設(shè)計(jì)思維可視化教學(xué)

本文選擇Raptor作為程序設(shè)計(jì)類課程中的編程思維可視化工具，避免了將教學(xué)重點(diǎn)放在程序設(shè)計(jì)語言的語法上，更重要的是利用Raptor的可視性培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，強(qiáng)調(diào)程序設(shè)計(jì)不僅僅是一種單一的技能，更多的是一種思維方式，顯示呈現(xiàn)出學(xué)生在面對(duì)問題的提出、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證與改進(jìn)各個(gè)階段所涉及的思考內(nèi)容和思考方法。

（一）Raptor與可視化Raptor（theRapidAlgorithmicPrototypingToolforOrderedReasoning）是一款基于流程圖的能進(jìn)行有序推理的高級(jí)程序語言可視化算法原型工具。按照蔡慧英[7]的分類方式，我們從語法知識(shí)可視化、編程模式可視化、問題解決過程可視化和系統(tǒng)思維可視化四個(gè)維度對(duì)Raptor進(jìn)行分析，分別列出它在四個(gè)維度上的關(guān)注點(diǎn)、基本要素和可視化學(xué)習(xí)活動(dòng)的表征方式，見表1。具體來說：1.知識(shí)是學(xué)習(xí)的目標(biāo)之一。Raptor中所包含的語法知識(shí)真正做到了程序設(shè)計(jì)語言語法集合的最小化和原子化[8]，用6種圖形表征了不同的指令，通過箭頭表示指令間的前后關(guān)系，將程序的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容圖形化。因此，有助于滿足語法知識(shí)類的學(xué)習(xí)。2.能否熟練解決問題取決于對(duì)該類型的問題是否具備一定的思維模式，進(jìn)行有序的思考。Raptor利用子程序和子圖表現(xiàn)出參數(shù)的傳遞、函數(shù)的調(diào)用和返回，實(shí)現(xiàn)了模塊化程序設(shè)計(jì)模式的可視化，這既符合結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的主要原則，也是可視化體現(xiàn)了計(jì)算思維中關(guān)于問題求解的抽象化過程。3.計(jì)算機(jī)類學(xué)生一般是以某種計(jì)算機(jī)語言為載體解決復(fù)雜工程問題，這個(gè)過程包括分析、設(shè)計(jì)、編碼、測(cè)試、排錯(cuò)等不同階段。Raptor具備的可視化工具包括建立、調(diào)試、運(yùn)行、分析流程圖，因此，它適合問題解決技能的可視化培養(yǎng)。4.Raptor程序設(shè)計(jì)過程中采用計(jì)算思維的一系列方法對(duì)現(xiàn)實(shí)中的對(duì)象及其關(guān)系進(jìn)行建模和模擬，這是一種可視化。基于關(guān)注點(diǎn)分離、抽象與分解、遞歸有利于輔助復(fù)雜問題的建模；基于流程圖的運(yùn)行和分析有助于理解問題的內(nèi)在變化和問題復(fù)雜性分析；基于流程圖到多種高級(jí)語言的自動(dòng)轉(zhuǎn)換能幫助學(xué)生對(duì)高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言進(jìn)行系統(tǒng)化思考。綜上所述，我們認(rèn)為Raptor利用可視化技術(shù)將流程圖、算法設(shè)計(jì)、算法分析與程序設(shè)計(jì)融為一體，能較好地應(yīng)用在程序設(shè)計(jì)思維可視化教學(xué)的各個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中，涉及問題的提出-設(shè)計(jì)-實(shí)現(xiàn)-驗(yàn)證等各個(gè)階段，有助于實(shí)現(xiàn)知識(shí)的活化和思維的發(fā)展。

（二）Raptor在程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)中的應(yīng)用趙國慶[3]和趙姝[4]將思維訓(xùn)練分成的三大階段——隱性思維顯性化，顯性思維工具化，高效思維自動(dòng)化，Raptor在程序設(shè)計(jì)思維可視化教學(xué)中的應(yīng)用也分成三個(gè)階段，每個(gè)階段有各自的目標(biāo)、特征和實(shí)施方式。1.隱性思維顯性化———形成思維傾向，產(chǎn)生需求程序設(shè)計(jì)思維可視化教學(xué)并不是單純地畫個(gè)圖或表，其目的是為了將程序設(shè)計(jì)過程中深藏的思維過程和思維結(jié)果可視化，達(dá)到思維的共享和傳播。只可意會(huì)不能言傳的思維對(duì)大部分人來說都是很難獲取的，因此，思維教學(xué)的第一階段就是將編程過程中深層次的思維進(jìn)行提取、整合、重構(gòu)，顯示成具體的、形象的思維，提升師生間的溝通效率，促進(jìn)學(xué)生的主動(dòng)思考。這個(gè)階段的實(shí)施主要是選擇哪些思維可以進(jìn)行可視化。前文談到Raptor可以將語法知識(shí)和結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)模式（如賦值語句、輸入輸出、函數(shù)調(diào)用、順序、分支、循環(huán)……）進(jìn)行可視化，例如，函數(shù)調(diào)用體現(xiàn)了主調(diào)函數(shù)和被調(diào)函數(shù)之間的關(guān)系，表示出參數(shù)和返回值的傳遞；順序、分支和循環(huán)結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了流程的轉(zhuǎn)向，表示出指令的執(zhí)行過程。從學(xué)生的角度來看，站在可視化的思維面前，有助于從程序視角來理解人類行為，對(duì)程序設(shè)計(jì)概念體系實(shí)現(xiàn)整體把握。2.顯性思維工具化———訓(xùn)練思維技能，形成策略Raptor的可視化策略貫穿流程圖繪制、調(diào)試、運(yùn)行、驗(yàn)證、分析的全過程，將直觀顯示人腦求解問題和計(jì)算機(jī)求解問題之間的區(qū)別和聯(lián)系。這個(gè)階段的實(shí)施主要是思維如何進(jìn)行可視化。Raptor中流程圖采用拖拽符號(hào)進(jìn)行繪制，克服非可視化環(huán)境下語法復(fù)雜的屏障，在盡可能少的語法限制下，讓學(xué)生能快速開展程序設(shè)計(jì)；流程圖自動(dòng)運(yùn)行過程中通過設(shè)置斷點(diǎn)和單步執(zhí)行等調(diào)試手段，可以顯示觀察各種結(jié)構(gòu)的入口和出口兩點(diǎn)間變量改變情況，讓學(xué)生對(duì)程序進(jìn)行測(cè)試、運(yùn)行和驗(yàn)證；流程圖運(yùn)行結(jié)束后，Raptor會(huì)自動(dòng)給出所有操作步驟的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，讓學(xué)生直觀體驗(yàn)算法復(fù)雜性，便于改進(jìn)算法。思維顯性化的過程有助于改造思維進(jìn)程和思維方式，形成針對(duì)不同問題的程序設(shè)計(jì)思維模式。3.高效思維自動(dòng)化———提升知識(shí)理解，應(yīng)用思維程序設(shè)計(jì)思維可視化教學(xué)的終極目標(biāo)是在計(jì)算思維指導(dǎo)下自動(dòng)高效解決各種問題，這個(gè)階段的實(shí)施是思維如何遷移和自動(dòng)化。在實(shí)踐中，結(jié)合重點(diǎn)、難點(diǎn)開展大量的模仿和練習(xí)，對(duì)知識(shí)進(jìn)行深加工，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變性內(nèi)化和思維遷移。內(nèi)化意味著新創(chuàng)造的顯性思維又轉(zhuǎn)化為隱性思維，這是思維的應(yīng)用與創(chuàng)新，也是個(gè)人能力的提高；遷移意味著面臨不同的復(fù)雜工程問題時(shí)，不斷地應(yīng)用思維、更新思維，分析問題、解決問題。Raptor中流程圖可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換成C++等各種高級(jí)語言程序，復(fù)雜的代碼重新淹沒之前的可視化思維。這種從隱性到顯性再到隱性的思維循環(huán)轉(zhuǎn)化形成了一個(gè)螺旋形上升的思維創(chuàng)新過程，讓學(xué)生既培養(yǎng)計(jì)算思維，又掌握語言的實(shí)現(xiàn)。這三個(gè)階段并不是彼此孤立的，而是緊密結(jié)合，相輔相成，最終目的是為了強(qiáng)化計(jì)算思維，提高解決復(fù)雜工程問題的能力。

四、結(jié)束語

本文以思維可視化為手段，開展基于思維可視化的程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)研究，構(gòu)建以思維訓(xùn)練為導(dǎo)向的新型教學(xué)模式，改革計(jì)算思維能力的培養(yǎng)路徑與策略，高效地培養(yǎng)大學(xué)生掌握復(fù)雜問題求解的方法與技術(shù)，培養(yǎng)計(jì)算思維能力與工程技術(shù)能力，增強(qiáng)自身數(shù)字化時(shí)代的生存技能與競(jìng)爭(zhēng)力。

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作者：劉杰 李金玲 陳星 毛宇 吳菱艷 單位：南華大學(xué)