思維可視化技術(shù)在程序設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用研究

劉杰 李金玲 陳星 毛宇 吳菱艷

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

Abstract： From the perspective of cultivating students' ability to solve complex engineering problems and computational thinking ability， considering the phenomenon that programming thinking is difficult to express and convey in the course teaching of programming. Raptor's four visual features are combined， and the programming thinking process is visualized and propagated. Raptor's three stages in the visual teaching of programming thinking， as well as the goals， features and implementation of each phase are discussed.

Keywords： computational thinking; thinking visualization; programming design; Raptor; complex engineering problem

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《Communications of the ACM》雜志上給出計(jì)算思維（Computational Thinking）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，包括了對問題進(jìn)行分析思考的思維過程、對算法進(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。回歸“知識理解”的思維教學(xué)不是簡單而機(jī)械的知識學(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知識進(jìn)行深加工，實(shí)現(xiàn)對知識更透徹的理解，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)，卻很少教他們怎么學(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和技術(shù)是顯性的，而思維是隱性的。因?yàn)橹R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)生對知識的掌握情況，對之進(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、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（the Rapid Algorithmic Prototyping Tool for Ordered Reasoning）是一款基于流程圖的能進(jìn)行有序推理的高級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. 知識是學(xué)習(xí)的目標(biāo)之一。Raptor中所包含的語法知識真正做到了程序設(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類的學(xué)習(xí)。

2. 能否熟練解決問題取決于對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現(xiàn)實(shí)中的對象及其關(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語言的自動(dòng)轉(zhuǎn)換能幫助學(xué)生對高級程序設(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)生對程序進(jìn)行測試、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)，對知識進(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)代的生存技能與競爭力。

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