摘要：提出并阐述借助于可视化领域的“聚焦+上下文”方法，让学生沉浸在应用环境的上下文中，聚焦于课程内容的学习。
关键词：聚焦+上下文；程序设计；脚手架
作者简介：李昕，男，讲师，研究方向为可视分析、程序设计语言教学
1概述
计算机程序设计日益成为促进科技发展的重要技术，也是理工科院校的一门非常重要的计算机基础课。目前，许多高等院校对于这门课程的设置正在从教学型向应用型转变，这期间面临着众多挑战：一方面，程序设计课程的学时普遍较少；另一方面，就程序设计课程本身而言，从构建模型到实现算法，从简单的数学问题求解到复杂的工程实践，教学内容非常丰富。在现有教学条件下，教师无力扩展教学内容，如何在有限的课时内，既能完成课程本身的内容，又能交代清楚应用环境，为学生进一步面向自己专业构建大型项目打下良好基础，成为程序设计课程面临的重要挑战。
2“聚焦+上下文”方法介绍
“聚焦+上下文”方法是可视化领域的一种常用方法。它的基本想法是让用户看到重要的、感兴趣区域的全部细节，同时能够获知周围相关信息的整体印象，即上下文。例如，“鱼眼”技术[1]就是“聚焦+上下文”方法的一个典型代表，它将用户关注区域进行变形放大，周围相邻区域虽然相对减小，但是并不消失[2]，能使用户在相关上下文中，仔细观察重点区域的细节。“聚焦+上下文”方法主要用来解决有限资源和信息膨胀之间的矛盾。随着云时代的到来，信息量不断膨胀，但是对信息的浏览会受到资源规模的限制。例如，当需要查看一张高分辨率图像的局部细节时，就需要对图像进行放大，但由于显示器的空间有限,全局的放大只能显示关注的部分，丧失了上下文信息，这就是有限屏幕资源与庞大数据量之间的矛盾。“聚焦+上下文”方法可以较好地解决此类问题，它通常采用的方法是对关注区域进行线性或非线性的放大，同时保留或压缩背景区域，用户不仅可以看到感兴趣对象的局部细节，同时能得到其周围信息的一个整体印象。这种方法在许多可视化系统中都能得到应用[3]。
3“聚焦+上下文”方法与程序设计课程
为了解决丰富的教学内容和被压缩课时之间的矛盾，我们将“聚焦+上下文”方法引入到程序设计课程的教学中。面向初学者的程序设计课程所解决的问题规模通常比较小，纯粹针对课程内容的讲解就会与实际应用相脱离。如果将每个理论知识点都按照应用场景进行扩展，将会造成教学内容的大幅扩张，在有限的课时内无法完成教学大纲中规定的教学内容。按照“聚焦+上下文”方法提出的模式可以有效解决这个问题：首先根据理论教学内容选择一个合适的应用；然后搭建应用的框架，即构建应用的上下文环境，并将教学关注的部分建立一个接口，留给学生去实现；最后让学生沉浸在这样一种应用体验下，辅之以大量的相关练习，将教学关注的内容不断放大，实现聚焦。聚焦能使学生的学习目标清晰明确，上下文提供的应用场景能让学生有效地集成数字学习场景与真实世界，去除理论学习的枯燥性，获得更具适应性和活力的学习支持[4]。
4用上下文构建理论学习的脚手架
人类的理性思维与计算机的构造性思维之间存在一个割裂带，其中计算机的构造性思维也称为计算思维。从存储角度讲，日常生活采用十进制，计算机采用二进制，数制转换的原理决定了绝大多数十进制小数在计算机中无法精确存储；从物质角度讲，真实世界遵循物质守恒、能量守恒等物理定律，而计算机是虚拟的，自由落体和物体碰撞等现实生活中常见的现象必须通过特定的算法进行模拟；从思维角度讲，人类能从多个角度进行综合的、模糊的分析，而计算机的思维是单一的，只能从输入到输出，按照精确的方式进行计算。人类理性思维与计算思维之间的诸多不同形成了一道屏障，造成学生无法快速地将解决方案转换成程序输送给计算机，甚至少数学生迟迟不能入门。如何完成初学者从已知领域（人类思维）到未知领域（计算思维）的过渡，让学生更好地掌握程序设计这门课程呢？建构主义教学理论认为，知识不是通过教师传授得到的，而是学习者在一定的背景环境下，通过意义建构的方式而获得。教学设计应该以学习者为中心，提供支架式教学辅助环境。
建构主义的一个分支——支架理论，更是提出一个“最近发展区”zoneofproximaldevelopment（ZPD）的概念[5]。这个概念是俄国心理学家和哲学家维果茨基20世纪30年代提出的，主要体现在学习者现有水平与即将取得的潜在发展水平之间的距离，最近发展区就是处于已知领域和未知领域之间的过渡带。教师引导着教学，通过设计提供各种外部帮助，使学生掌握、建构和内化所学的知识技能，从而使他们能进行更高水平的认知活动。通过来自教师或同伴的支架，把管理学习的任务逐渐由教师转移给学生，最后撤去支架，使学生独立解决问题或独立进行同类型的学习。在支架理论的指导下，我们可以围绕程序设计课程的理论知识点，构建应用环境的上下文。学生真正聚焦的部分是课程内容，但应用环境上下文的建立形成一个从人类理性思维到计算思维的脚手架，完成从真实世界到程序设计之间的平滑过渡。最后撤离教师的脚手架，让学生对知识点进行整合，达到融会贯通的效果。应用环境上下文中ZPD的连续出现及解决，使得学生的所有发展领域发生动态变化，从而导致学习效果的质变[6]。这种教学方式对激发学生兴趣，扩大程序规模，掌握计算思维等各方面都能起到非常大的辅助作用。
5“聚焦+上下文”教学方法的设计
为了更好地将“聚焦+上下文”方法实施到课程中，程序设计课程将会被划分为3个阶段：预备阶段、实施阶段和脚手架撤离阶段。在预备阶段，要让学生掌握最简单的程序实现，了解程序的基本流程，并介绍函数接口的最基本概念，为形成脚手架做好理论储备；在实施阶段，教师针对性地建立上下文应用环境，抽离接口，让学生沉浸在上下文环境中，充分地掌握教学内容；在脚手架撤离阶段，教师不再提供辅助上下文，只提出教学任务，让学生针对任务选择掌握的知识点，为自己建立一个合适的上下文应用环境。列举了三个不同阶段的教学目标、教学内容和针对“聚焦+上下文”方法的教学策略。
6案例与效果评估
6.1教学案例
在讲解二维数组的时候，建立一个图像处理的应用环境，让学生聚焦于二维数组的处理过程。一个BMP图像的处理过程涉及程序设计中的大量知识点，如文件格式、文件读写、结构体和多文件处理等。由教师将整个过程全部实现，只针对图像处理部分设计一个函数接口，把图像数据的二维数组、长度和宽度信息提供给学生，让学生根据指定算法实现图像的通道抽离、灰度化和模糊等图像处理效果。学生只把注意力集中在二维数组的处理过程，但是在教师提供的辅助框架的帮助下，可以亲眼看到一个BMP图像在自己手中实现的各种效果，这样就能拉近理论知识和实际应用的距离。最后我们让学生针对二维数组的处理做一些相关练习，虽然这些练习可能只是未提供应用环境的抽象数学问题，但是学生已经了解了应用背景，会潜意识地告知自己，这些问题都是具有实际应用价值的。此外，同一个应用场景可以针对不同的教学内容做不同的接口剥离，上述例子可以在讲解文件处理内容部分，将文件的读写部分进行剥离，让学生去实现。如果应用实例选择得恰当合适，能够充分剥离每一个知识点，那么在脚手架撤离阶段，学生会很容易地将不同知识点部分剥离的内容进行整合，从而独立实现一个综合项目，达到程序规模的扩大化。
6.2效果评估
列出传统方法与“聚焦+上下文”方法的效果对比，2013级采用传统教育方法，2014级采用“聚焦+上下文”方法。题目数量一栏中列举了两个年级做题数量的平均值、最大值和最小值，三项数据都几乎增长了30%。编程累计行数TLOC（totallinesofcode）和单个程序的最大代码行数SLOC（sourcelinesofcode）是国际代码衡量标准体系包括两个重要的指标，被Stanford和UIUC等国际知名大学用作教学效果的量化指标。表中列举了TLOC的最大值和最小值，其中最大值增长了66%，最小值增长了42%。这说明“聚焦+上下文”方法激发了学生的兴趣，他们的编程总量大幅上升，对好的学生增幅效果更为明显。因为在“聚焦+上下文”方法下，学生有能力构建小型应用项目，所以SLOC这项指标更是有了巨幅提升。
7结语
“聚焦+上下文”方法能在有限的资源总量下，实现局部细节的放大。我们将这种方法应用于程序设计课堂的教学，通过构建理论知识的上下文应用环境，让学生从真实世界到计算机运行方式之间实现了平滑过渡，同时让他们关注主要的课程内容。这种方式改变了传统程序设计课程教学中沉寂的学习氛围，激发了学生的学习兴趣。学生编程练习的总量不但有较大提升，而且程序的规模也有大幅增长，这为其他相关课程的学习打下了良好的基础，有效地完成了程序设计语言作为计算机学习基础课的教学目标。
参考文献：
[1]FurnasG.Generalizedfisheyeviews[J].ProceedingsCHI,1986(2):16-23.
[2]LeungY,ApperleyMA.Areviewandtaxonomyofdistortionorientedpresentationtechniques[J].ACMTransactionsonComputerHumanInteraction,1994(5):126-160.
[3]AndyC,AmyK,BenjaminB.Areviewofoverview+detail,zooming,andfocus+contextinterfaces[C].ACMComput.Surv.2009(1):31.
[4]陈湘军,赵璐华,陈明霞.基于上下文感知的普适程序教学环境构建[J].实验室研究与探索,2014,33(9):111-115.
[5]麻彦坤,叶浩生.维果茨基最近发展区思想的当代发论文代理展[J].心理发展与教育,2004,20(2):89-93.
[6]俞芳,郭力平.对维果斯基“最近发展区”理论的重新解读:整合游戏背景与教学背景下ZPD[J].上海教育科研,2013(8):9-12.
作者：李昕 张学辉 郑立垠 钟敏 单位：中国石油大学（华东） 计算机与通信工程学院
