算法动画在高中算法教学中的应用研究 ——以“算法与程序设计”课程为例

论文摘要

算法是数学及其应用的重要组成部分,是计算科学的重要基础。在现代社会中,计算机已经成为人们日常生活和工作中不可或缺的工具,而算法是计算机解决任何问题的依据,因此算法思想已经成为现代人应该具备的一种数学素养。很多发达国家早已将算法纳入中学教学之中。2003年我国颁布了高中各学科的课程标准,《高中数学课程标准》将算法作为必修部分列入数学课程,算法作为具体的教学内容被纳入到中学数学的教科书,《高中信息技术课程标准》将“算法与程序设计”列入信息技术选修模块。但是算法的抽象性,使其一直是计算机科学教学中的难点,传统的粉笔加教科书的静态教学方式很难使学生真正的理解算法思想。算法动画(Algorithm Animation)作为一种可视化工具,以动态交互的图形化方式来形象的表示算法的执行过程,它的这些特征为多媒体教学提供了新的视角。自1981年Ronald M.Baecker在多伦多大学开发的"Sorting Out Sorting" (SOS)视频后,一系列的算法动画系统陆续地被开发出来,很多描述算法动画系统的论文也相继发表,有关算法动画和其在教学中进行应用的研究在世界各地开展起来,在计算机科学教育领域取得了一定的成果。本研究首先调查了当前我国高中阶段算法教学开展的状况,分析算法教学过程中存在的问题；通过文献调研,对算法动画及其在计算机科学教学中的应用实践进行系统的介绍,结合戴尔的经验之塔理论、认知负荷理论和教学设计理论等相关理论,从教学实践和理论两方面论证算法动画在促进高中生算法思维的培养和问题解决能力的提高方面的可行性和优势。本研究的另一个重点是研究如何将算法动画有效地应用于面向高中生这个初学者群体的算法教学中,即基于算法动画的高中算法教学设计问题。一方面,通过对国内外相关研究的分析,借鉴已有算法动画的设计经验和成功的教学应用经验,根据学习者的特征和算法的特点,尝试性的设计了针对我国高中算法教学的算法动画系统。另一方面,根据教育学、心理学和教学设计等方面的相关理论,在对已有的教学设计方面的研究成果进行借鉴的基础上,和一线师生一起探讨基于算法动画辅助教学软件的“算法与程序设计”课程的教学设计问题。然后给出了一个比较有示范作用的教学案例。在论文的最后,对研究进行了总结,指出了研究的创新点和不足,同时,对未来的工作进行了展望。通过在课堂中的实际应用,用访谈和观察的方法发现,利用本研究中开发的算法动画系统和设计的教学方案来开展算法教学,能够有效的激发学生的学习兴趣,有助于算法教学效果的提高。但是由于时间和经费等的限制,对教学效果没有进行系统化的长期的实证性的论证。教学实验是一个长期的、循环性的不断论证、改善的过程,这也是该研究者以后的努力方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 图目录
• 表目录
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 算法与程序设计在我国基础教育中的开展
• 1.1.2 算法与程序设计教学开展的现状
• 1.1.3 算法动画技术和算法可视化教学研究的开展
• 1.2 研究内容和意义
• 1.2.1 研究内容
• 1.2.2 研究意义
• 1.3 研究方法
• 1.4 研究思路和论文安排
• 2 研究基础
• 2.1 算法动画技术及其在计算机科学教学中的应用
• 2.1.1 算法动画技术
• 2.1.2 算法动画技术在计算机科学教学中的应用
• 2.2 理论基础
• 2.2.1 戴尔的"经验之塔"理论
• 2.2.2 认知负荷理论
• 2.2.3 加涅的教学系统设计理论
• 3 基于算法动画的教学设计
• 3.1 学习需要分析
• 3.1.1 学习需要分析的方法和步骤
• 3.1.2 学习需要分析应注意的问题
• 3.2 学习任务分析
• 3.3 学习者分析
• 3.3.1 起点能力分析
• 3.3.2 认知能力分析
• 3.3.3 学习动机分析
• 3.3.4 学习风格分析
• 3.4 教学目标设计
• 3.4.1 教学目标分类
• 3.4.2 教学目标设计的原则
• 3.4.3 教学目标设计的步骤
• 3.5 教学策略设计
• 3.6 教学媒体设计
• 3.6.1 教学媒体的特性和教学功能
• 3.6.2 教学媒体的开发步骤
• 3.6.3 算法动画系统设计
• 3.7 教学过程设计
• 3.7.1 学习方式设计
• 3.7.2 教学方法设计
• 3.7.3 教学模式设计
• 3.8 教学评价设计
• 4 教学案例
• 4.1 设计思路
• 4.2 学习者分析
• 4.3 教学目标设计
• 4.4 "对分查找"算法动画设计
• 4.5 教学过程
• 4.6 案例分析
• 5 小结与展望
• 5.1 研究成果和创新点
• 5.2 不足之处和下一步工作
• 参考文献
• 附录
• 附录1:高中算法教学开展现状的访谈提纲
• 附录2:算法动画教学应用效果的访谈提纲
• 致谢
• 攻读学位期间取得的研究成果