利用思维导图实现程序设计认知结构建构的研究

李瑞芳， 袁满， 李鹏飞， 王莉利

(东北石油大学，计算机与信息技术学院，黑龙江，大庆 163318)

0 引言

2017年，教育部启动“新工科”建设，改造升级传统工科专业。新工科强化了计算机课程开设的必要性、教学目标的思想性和实用性，强化了对于计算机应用的理解和实践，强化了计算机课程跨学科创新能力培养要求[1-2]。

程序设计课程是我校非计算机专业开设的一门必修课和计算机基础课，旨在培养学生的计算思维能力，帮助学生建立计算机问题求解意识，使学生在后续学习和工作中能更好地利用计算机解决专业问题，从而辅助实现“宽、专、融”的新工科大学计算机课程教学目标，但在程序设计学习过程中，“重语法、轻应用”“重模仿、轻创新”的现象普遍存在，导致学生学完课程后在面对实际专业问题时仍然束手无策。因此，本文提出利用思维导图实现学生程序设计认知结构建构，从而提高学生的程序设计应用和创新能力。

1 思维导图和认知结构建构理论

(1)思维导图

思维导图(mind map)又称脑图或心智图，是近年来广泛应用于教育领域的可视化思维工具。1974年，随着托尼·布赞的《启动大脑》一书的出版，“思维导图”的概念首次正式被提出。思维导图能以图画的方式清晰地描绘出思维的结构和层次，将发散性思维以具体化、可视化的方式呈现出来，是组织和阐述表达知识的有效工具，是灵感和发散性思维的源泉[3-4]。目前，思维导图已广泛地应用于小学、初高中以及大学的众多学习科目中，能够提高学生的学习兴趣和学习能力[5]。

(2)认知结构建构

认知结构是学习者头脑中的知识结构, 即学习者头脑中的知识结构按照自己的理解深度、广度, 并结合自己的感觉、知觉、记忆、思维、联想等认知特点组合成的一个具有内部规律的有机整体[6]。认知结构既包括作为知识内容的表象、概念和概念体系, 又包括掌握相应知识内容所必需的思维能力。由于各人的认知水平不同、思维能力的差异, 即使机械地记住了全部内容, 也不一定可以形成良好的认知结构。

2 基于思维导图的程序设计认知结构建构

程序设计的语言有很多，高校非计算机专业的学生经常学习的语言有C++、Python、VB等。本文以VB程序设计为例，讲解如何运用思维导图把零散、抽象的知识以图形方式表达出来, 使学生更好地实现新知识的内化，掌握知识间的联系，实现良好的认知结构建构。

(1)思维导图促进新知识内化

面向对象程序设计对学生来说是个全新的知识，但是学生可以通过学习程序设计课程的先修课“大学计算机基础”掌握计算机的工作原理，通过知识迁移和类比掌握VB编程原理和方法，从而快速地实现新知识的内化，如图1所示。二者的相同之处在于都是通过输入、运算和输出实现相应功能。不同之处在于：平时操作计算机往往是通过键盘、鼠标等输入设备输入数据，通过显示器、投影仪等输出设备显示运行结果，运算过程由计算机自行处理；程序设计中的输入、运算和输出需要相应的控件对象和语句作为支撑。其他编程语言进行程序的设计也均为输入、运算、输出的模式，因此掌握了VB语言后，学生在学习其他语言时也能很快学会。

图1 思维导图促进新知识内化举例

(2)思维导图促进认知扩展

VB作为面向对象的程序设计语言，在进行程序设计时，主要分界面设计和编写程序两部分。界面设计主要涉及的一个概念就是对象，对象从功能上大体分为两类：界面设计的对象(可见的)和实现特定功能的对象(不可见的)。编程时的输入和输出操作也往往是通过各种对象实现的，但是由于学时有限，课堂上能讲解的往往是最常用的一些控件对象，在学生后续解决各种专业问题时，往往需要用到一些以前没有学过的对象。如果学生掌握了各类对象的应用根本——对象的三要素(见图2)，以及常用控件、ActiveX控件、可插入对象的使用方法，那么即使用到新的控件也能用所学的方法实现认知扩展。

图2 思维导图促进认知扩展举例

(3)思维导图实现认知结构的整体性构建

VB程序设计的难点就在于程序的编写，面对不同的问题需要找出相应的解决办法——算法。随着解决问题的难度、综合性的加强，会引入数组、过程、文件等概念，但是在讲解的时候，学生往往是学了后面的忘了前面的，或者只记住零碎的语法，只会编写简单的小程序，面对综合性程序时毫无头绪。图3扩充了图1中的内容，将VB程序设计中所涉及的全部知识点融入思维导图中，尤其是将较难理解的数组、过程、文件(图中的阴影部分)与前面所学知识建立起联系，有利于学生形成VB程序设计的完整的认知结构，提高学生的综合编程能力。

图3 思维导图实现认知结构的整体性构建举例

3 关于程序设计认知结构建构的几点思考

(1)利用思维导图实现程序设计的认知结构建构应该贯穿于学生学习的全过程。在课前预习时，可以事先给学生一个只包括关键知识点的思维导图，让学生通过预习丰富补充思维导图。在课上老师讲解完相关知识后，学生可在预习思维导图的基础上进一步进行补充完善。在学习后续知识点时，学生可翻看前面所学知识的思维导图，将新知识与所学过的知识建立关联，实现“既见树木，又见森林”。思维导图的绘制过程就是学生通过预习、学习、复习的螺旋型知识内化过程。

(2)思维导图只是帮助学生建立和完善认知结构建构，要想解决实际问题，还需要大量的实践练习。思维导图为编程实践提供了纲领和指引，反过来，编程实践又加强了学生对知识结构的认知和理解，二者相互作用、相辅相成。

4 总结

本文将思维导图应用于程序设计课程提高了学生的学习兴趣和主动性，能有效地促进学生新知识的内化和扩展，实现程序设计认知结构的整体性构建，有助于学生计算机应用和创新能力的培养。