动画技术在情境教学设计中的应用实践——《数据结构》三个典型案例的设计

第２８卷第６期　２０１２年６月　贵州师范学院学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｕｉｚｈｏｕ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　Ｖｏ１．２８．Ｎｏ．６　Ｊｕｎ．２０１２　动画技术在情境教学设计中的应用实践　——《数据结构》三个典型案例的设计　唐翠芳，林筑英　（贵州师范大学数学与计算机科学学院，贵州贵阳５５０００１）　摘要：教学过程中利用动画技术创设问题情境，激发学生的学习兴趣，提供学生自主探索的空间是教学取　得成功的关键。结合《数据结构》课程的实践教学，论述了形象化情境、认知冲突情境、ｆ＊ｑ题情境、反思情境等　相关情境的创设策略，探讨了“利用栈结构探索迷宫路径”、“内部排序”和“图的遍历”三个典型案例的教学　设计方案，在对实践效果进行评价分析的基础上，提出了进一步改进的思路。　关键词：数据结构；计算机辅助教学；动画；情境创设　中图分类号：Ｇ４３４　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４－７７９８（２０１２）０６—００１８—０６　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｎｉｍａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎａｌ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｄｅｓｉｇｎ　——ＪＩ．Ｉｌｒｅｅ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｃａｓｅ　ｄｅｓｉｇｎｓ　ｏｆ　Ｄａｔａ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ＴＡＮＧ　Ｃｕｉ—ｆａｎｇ，ＬＩＮＧ　Ｚｈｕ—ｙｉｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｔｈｅｍａｉｔｃｓ　ａｎｄ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｃｉＳｅｎｃｅ，Ｇｕｉｚｈｏｕ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ，Ｇｕｉｚｈｏｕ　５５０００１　Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｕｓｉｎｇ　ａｎｉｍａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｔｏ　ｃｒｅａｔｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｓｔｉｍｕｌａｔｉｎｇ　ｓｔｕｄｅｎｔｓ　ｉｎｔｅｒｅｓｔ，ａｎｄ　ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ　ｓｔｕｄｅｎｔｓ　ｗｉｔｈ　ｓｅｌｆ—ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｐａｃｅ　ａｒｅ　ｅｓｓｅｎｔｉｌ　ｋｅｙｓ　ｔａｏ　ｔｈｅ　ＳＵＣＣＥＳＳ　ｏｆ　ｉｎｓｔｒｕｅ‘　ｔｉｏｎ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｏｆ　ｖｉｓｕａｌｉｚｅｄ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｃｏｇｎｉｉｔｖｅ　ｃｏｎｆｌｉｃｔ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｐｒｏｂｌｅｍ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ，　ａｎｄ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｄａｔａ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｃｏｕｒｓｅ．Ａｎｄ　ｔｈｒｅｅ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｃａｓｅｓ　ｏｆ　ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｏｇｒａｍ　ａｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｕｓｅｓ　ｓｔａｃｋ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｔｏ　ｅｘｐｌｏｒｅ　ｔｈｅ　ｍａｚｅ　ｐａｔｈ，ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｓｏｒｔ　ａｎｄ　ｇｒａｐｈ　ｔｒａｖｅｒｓａ１．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｓｅｖｅｒａｌ　ｉｄｅａｓ　ｆｏｒ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ａｌｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａ－　ｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄａｔａ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ；ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ａｉｄｅｄ　ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ａｎｉｍａｔｉｏｎ；ｓｉｔｕａｔｉｏｎａｌ　ｃｒｅａｔｉｏｎ　０　引言　数据结构是一门研究非数值计算的程序设计　问题中计算机的操作对象以及它们之间的关系和　操作等等的学科，是教育部规定的高校计算机科　学与技术专业的核心课程之一。该课程上承计算　导论与程序设计基础，下启算法设计与分析和可计　含技术和方法多，具有很强的理论性和抽象性，学　生学习起来有一定的难度。因此，如何在数据结构　的教学过程中帮助学生借助直观的形象思维建立　起抽象的概念思维，使学生实现从个别到一般、从　直接到间接、从表面到深刻的对事物本质属性的循　序渐进的认识过程，是本课题研究的核心问题¨　。　为了弥补传统的“粉笔＋黑板”教学方式的不足，　突破教学中的难点，我们在数据结构的教学中展开　算性理论，同时又是编译技术、操作系统、数据库原　理、软件工程、计算机图形学、人工智能基础等专业　了“使用动画技术创设教学情境”的教学实践研　课程的必须先修课程。但由于该课程内容丰富，隐　收稿日期：２０１２—０６—０３　究，探索出了一套针对性强、具有一定实用价值的　基金项目：教育部高等学校特色专业“数学与应用数学”项目（ＴＳ２３７５）。　作者简介：唐翠芳（１９６８一），女，贵州师范大学副教授，硕士，主要研究方向为数据结构、计算机辅助教育、多媒体。　～１８—　情境教学设计方案，虽然还不够成熟和完善，但在　实际的应用中已取得了喜人的效果。　体验，进入良好的学习状态。　第四，教师必须有计划地在情境教学过程中设　计对学生实施现场评定的环节，适当地检测学生高　级思维技能和发现问题以及解决问题的能力。学　生学习的内在动力就是学习的成就感。数据结构　是一门相对难学的课程，学生在学习中一定会遇到　不少困难，克服这些困难就需要内在动力——学习　１　数据结构情境教学的创设原　则与类型　在特定的情境中，人的思维、意志和力量可以　达到最佳状态甚至超常发挥。情境教学设计就是　以此为依据的，其目的在于激发学生的学习兴趣，　的成就感，而这种成就感往往需要通过教师对学生　以境动人。大学生有着强烈的好奇心和求知欲，　在教学过程中，教师有目的地引入以形象为主体　的、生动具体的问题情境，引起学生一定的态度体　验，能够有效帮助学生理解教材，提高学习效率和　学习效果，使学生的心理机能得到发展，动手能力　得到提高。为此，我们根据数据结构课程的特点，　提出了情境教学创设策略。　１．１　数据结构情境教学创设原则　“在规定的条件下选择最佳的教学方法来达　成特定的教学目标”是教学设计的宗旨。基于情境　学习理论的情境教学设计主张通过教学情境的创　设，让学生在一定的情境中获得知识与技能。数据　结构是计算机专业的核心，是学生使用计算机解决　非数计算问题的基础，学生对该课程的学习效果将　直接影响到今后很多主干课程的学习，进而影响到　其在实际工作中解决问题的能力。因此，在数据结　构情境教学设计中应遵循以下原则　］：　第一，教学情境必须能使学生有机会生成问　题、提出各种假设，并在解决实际问题的过程中获　取丰富的资源。同时，该教学情境还应提供使学　生产生概括化与迁移的其它类似的例证或问题，　为今后学习其他课程打下良好的基础。　第二，在特定的教学环节上，教师要给学生提　供适当的支撑，并给予暗示性的间接指导。初学　数据结构时，学生们都普遍感到抽象，难以理解和　掌握。此时，如果没有教师及时地指导，学生很难　单独完成学习任务。　第三，在情境教学过程中，教师要实现角色的　转化，从知识的传授者转变为知识的促进者，充分　发挥学生的主体作用和教师的主导作用。数据结　构是一门实践性很强的课程，教学过程中必须使　学生充分发挥主体作用，才能使学生获得直接的　能力肯定性的评价才能转化为真正的动力。　１．２数据结构教学情境创设的类型　１．２．１形象化情境创设　建构主义理论认为：学习是学生主动的建构　活动。在一定的现实情境下进行学习，可以使学　生利用原有的知识和经验同化当前要学习的新知　识，这样获取的知识便于保存。尤其对于一些抽　象的理论知识、技术方法的学习，教师有目的地引　入或创设具有一定情绪色彩的、以形象为主体的　生动场景，能有效吸引学生主动关心学习内容，激　发学生的学习兴趣，并认真进行思考。　因此，在创设情境时要充分考虑学生的差异，　创设生动、形象的适合于学生特点、突出教学重点　的情境，并根据已有的认知结构，设计上位或下位　的问题来沟通新旧知识间的内在联系，使学生体　验内心成功的情感，进而产生推动下一步学习的　动力。因此，我们在基于动画技术的数据结构教　学情境设计模式中将“表现形式设计”作为每一　个案例设计的必须环节。　１．２．２认知冲突情境创设　教育心理学家皮亚杰认为，认知发展过程是　“平衡——不平衡——新的平衡”。学生起初对于　某一问题的认知处于某个较低发展水平的平衡状　态；继而，当学生觉察到与当前的系统相冲突的、且　不能同化或顺化的事物，从而使认知系统处于某种　不平衡状态；最后，学生通过修正认知系统，以使原　来感知为不一致的东西可轻易地加以同化，从而使　平衡化得以在某一较高水平上重新确定。　因此，根据认知发展平衡化理论，在数据结构　课程的教学中，教师应在新旧知识的连接点上抓　住关键，让学生先去尝试，形成一种新旧知识的认　知冲突，处于一种“心求通而未达，口欲言而未　一１９—　能”的不平衡状态，这种心理状态是引发思维、促　学非常强调学生的学习是主动参与的，因此，学习　后的反思也是学生必须进行的。　通过反思型情境，引导学生交流和反思问题　的各环节，在掌握知识、形成技能中形成自己独有　进主动探究的最佳时期。如树的遍历、图的遍历　等都适合创设认识冲突情境。　１．２．３问题情境创设　奥苏伯尔有意义学习理论认为：创设问题隋境，　的思考问题的能力和方式，使学生在“做中学”、　“学中做”的过程中提升解决实际问题的能力。　上述各种类型的教学情境设计既有一定的独　引发学生对知识发生兴趣，产生认识的需要以及一　种要学习的心理倾向，就能激发学生学习的动机。　问题是思维的出发点，有了问题才会去思考。对学　生提出一些富有挑战性、趣味性的问题，更能激发学　立性，又有一定的综合性和交差性。　生的好奇　和求知欲望，促使他们积极思考、积极参　与。　２　基于动画技术的数据结构情　境教学设计模式与案例　２．１　基于动画技术的数据结构情境教学设　计模式　实践证明，在数据结构课程中实施问题情境　教学，引导学生以积极的态度去解决所提出的问　题是一种行之有效的好方法。作为解决非数值问　题的重要工具，我们在数据结构教学情境创设中，　每一个教学案例都要求设计问题情境，有的内容　甚至会将问题情境贯穿于整个案例的始终。　１．２．４创设反思型教学情境　一近年来。我们在开展了基于动画技术的数据结　构情境教学设计研究方面取得了一些成果，形成了　套适合数据结构情境化教学的教学设计模式，按　照此模式设计开发的多媒体课件多次在全国和全　省的多媒体教育软件大奖赛中获奖。基于动画技　术的数据结构情境教学设计模式如图１所示。　在任何课程的学习中，反思环节是极其重要　的部分，数据结构课程也不例外。情境认知的教　教学内容　—教学策略　一◆　—　表现形式　设计　教学情境　设计　动画创意　—　多媒体课件　开发　——◆　——◆　分析　设计　设计　图１　基于动画技术的数据结构情境教学设计模式　其中，“教学内容分析”的任务是分析教学重　点与教学难点；“教学策略设计”的目的是选择合　适的教学方法，研究教学难点的突破方案；“表现　形式设计”的核心工作是制定将抽象知识具体　是数据结构中讲解栈应用时常常用到的一个典型　实例。迷宫路径求解通常使用的是“穷举”的方　法，其基本思想是：从人口出发，顺着某一方向向　前探索，若能走通，则继续往前走；否则沿原路退　化、形象化的设计方案；“教学情境设计”的主要　工作是结合教学内容和学生的生活实际寻找用于　创设教学情境的关键要素，并据此确定不同的教　学情境设计类型（如：形象化情境、问题情境等）；　“动画创意设计”是研究在如何将静态的教学内　容通过动态的多媒体课件“演示”出来；“多媒体　回，换一个方向再继续探索，直至所有可能的通路　都探索到为止　］。按照“基于动画技术的数据结　构情境教学设计模式”，我们对“利用栈结构探索　迷宫路径”的内容进行了情境化教学设计，开发　了基于ｆｌａｓｈ动画的多媒体课件。具体工作如下：　（１）教学内容分析：教学重点是栈结构的实　课件开发”实际上就是选择合适的课件开发工具　（我们选择的是ｆｌａｓｈ软件），按照多媒体课件开发　的方法进行课件制作。　２．２　情境教学设计案例１——利用栈结构　探索迷宫路径　际应用；教学难点是若当前位置“不可通”，则应　顺着“来向”退回到“前一通道块”，然后朝着除　“来向”之外的其他方向继续探索；若该通道块的　四周４个方向均“不可通”，则应从“当前路径”上　删除该通道块。　迷宫求解既是一个经典的程序设计问题，也　一（２）教学策略设计：使用顺序栈结构“通道　２０—　化情境设计的重点是未被访问过的顶点、访问过　的顶点、遍历的顶点序列的表现形式。如图５（深　践的效果评价与分析显得尤为重要。　３．１教学情境创设的误区　度优搜索遍历）和图６（广度搜索遍历）所示，未被　访问过的顶点为浅色顶点，访问过的顶点为深色　顶点，遍历的序列通过箭头串连起来。　设从顶点ｖ。出发进行深度优先搜索：　图５图的深度优先搜索遍历过程　从顶点Ⅵ出发进行广度优先搜索：　图６图的广度优先搜索遍历过程　３　数据结构情境教学设计的有　效性评价　教学情境的创设要立足于学生实际学习的需　要，能使学生在全身心沉浸其中的过程中，通过自　身的感悟、操作、体验、发现去主动获取知识，得到　充分的发展。从这一点看，情境教育实际上是一　种利用优化的环境，通过学生的主动活动，促进学　生人格素质全面提高的教育。因此，情境教学实　一２２一　教学情境是当前教育教学领域关注的难点和　热点问题。然而，并不是所有的情境设计都能够　真正的发挥教学的功用。事实上，不少教师在进　行创设教学情境时经常会出现一些误区，主要表　现为在以下三个方面　Ｊ：　第一，教学情境创设的方式与教学目标不一　致。尤其是多媒体技术成为创设教学情境的主要　手段之后，过分依赖仅能展示文本和静态图片功　能的多媒课件，或者简单使用游离于教学过程之　外的硬件或设施播放资料视频等直接代替人际互　动、取代直接体验的情况非常普遍，这样的情境教　学容易使学生没有亲历思维过程便完成了思维跳　跃，造成学生对知识缺乏实质性的把握。因此，创　设教学情境必须把教学目标放在第一位，情境教　学案例的设计除了能引起学生学习兴趣的同时还　必须有利于培养学生的问题意识，实现知识迁移。　第二，过于注重教学形式，容易忽视教学内　容。教学情境的创设要使学生在提升学习的兴趣　的同时，能够较容易地找寻到情境中的学习内容。　而在实际的情境教学中，过于注重教学情境的表　现形式，忽视教学内容的现象很常见。不少教师　过于追求课件华丽的表现形式，从而忽视了情境　对教学内容的承载功能，直接导致教学情境与教　学内容的之间缺乏实质性的联系。　第三，处理好教学情境的预设性与生成性关　系，注重学生的能动性。传统理念下，人们都过于　强调情境的预设性，忽视了对教学情境生成性的　认识，使得情境教学过于呆板、僵化，完全忽视了　学生的能动性。现代教育理论强调情境的生成　性，主张体现课堂教学的丰富性、多变性和开放　性，激发师生的创造性和智慧潜能。但过分强调　教学情境生成性也容易出现情境创设的无序性和　偏离教学主题情况。正确的做法是，科学处理好　情境的预设性与生成性，使教学情境的创设在不　偏离主题预的前提下体现其生成性，二者相辅相　成，缺一不可。　３．２数据结构情境教学设计的有效性评价　教学情境创设的误区的存在，从另一个方面　反映了教学情境创设好坏标准的缺失。虽然人们　在这方面的研究并不少见，但到目前为此还没有　一是有意义的，培养学生主动学习的热情。因此，在　情境教学设计中要注意选择贴近生活实际的情　境，创造需要学生用知识进行解决的生活问题，并　个公认的标准来对教学情境进行科学的测评。　为此，我们立足本校学生的实际，在有针对性地参　考相关成果的基础上，结合三年来对数据结构情　设置诱导性问题，使学生参与到整个教学活动中，　变被动学习为主动学习。　境教学实践的探究，总结出了以下几条教学情境　创设的有效性评价策略：　（１）有利于学生理解并掌握抽象知识的内涵　和实质。　对于一些概念性的知识，通过创设贴近学生　生活的教学情境可将抽象的知识具体化、形象化，　促进学生感性知识的形成，进一步实现从形象的　感性认知达到抽象的理性的顿悟。根据具体问题　设置具体情境，将静态的课程学习变成动态的形　象学习，平面的单调展示变为立体的精彩体验，让　学生全面、透彻、快捷地感知、理解教学内容，不仅　能有效地传授了基本知识与技能，而且还有助于　学生理解问题的实质，把握知识的内涵。　（２）有利于引导学生进行知识的迁移。　能否进行知识的迁移，是评价一个教学情境　设计优劣的重要标准。一个好的教学情境必须和　学生需要学习的知识紧密相关。使学生能够从教　学情境迁移到所要学习的概念知识或者程序性知　识之中，帮助学生从学习的情境中学到的技巧迁　移到一个新的情境中实践应用。　（３）有利于激发学生的学习兴趣及培养学生　的创新思维。　心理学家皮亚杰说过：“一切有效的工作必　须以某些兴趣为先决条件。”激发学生的学习兴　趣并培养创新思维能力是数据结构课程教学的一　个重要目标。在情境教学课堂中，教师根据课程　内容设置一定情境激发学生兴趣，引导学生由浅　人深，层层质疑直到问题解决，这既是思维的过　程，又是思维的结果。　（４）教学情境要能向学生提供学习的意义，　培养学生主动学习的热情。　一个好的教学情境应该能够让学生知道学习　（５）有助于学生形成良好的情感和价值观。　由于教学情境来源的多元化及其真实性，合　理教学情境的创设能有效地帮助学生形成良好的　情感、态度、价值观。　４数据结构教学情境创设模式　的改进思路　总体来说，基于动画技术的数据结构教学情　境创设模式在提高教学质量和教育效率，培养学　生的创新思维能力等方面还是比较受师生认可　的。但还是存在一些有待改进的地方：　（１）在前面加入一个学生学习心理和认知风　格的调查分析环节，为后面的工作提供心理学方　面的参考，使所创设的教学情境更能引起学生情　感和心理的共鸣。　（２）根据不同学生的心理特征创设适合学生　接受的情境，充分考虑各种水平学生的可接受性。　（３）教学情境的生成性还有待进一步提高。　参考文献：　［１］于秀彬．试论形象思维与抽象思维的协同性［Ｊ］．社会　科学战线，２００８（１）：１３９—３４２．　［２］张振新，吴庆麟．情境学习理论研究综述［Ｊ］．心理科　学，２００５（０１）：１２５—１２７．　［３］严蔚敏，吴伟民．数据结构（ｃ语言描述）［Ｍ］．北京：　清华大学出版社，１９９７：５０—５２．　［４］张广斌．教学情境研究：反思与评价［Ｊ］．当代教育科　学，２０１１（２０）：２１—２４．　［５］陈幸友．衡量教学情境好坏的有效标准［Ｊ］．现代教　育科学，２０１１（１）：２２—２３．　［责任编辑：雍进军］　一２３—