0 引 言
为了适应新工业革命对工程人才素质的要求，推动我国“中国制造 2025”“新一代人工智能发展规划”“互联网+”等重大国家战略的深入发展，自 2017 年以来教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，并发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》《关于推荐新工科研究与实践项目的通知》等系列文件，探索领跑全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设。为了培养能适应新经济和新兴产业的工程技术人才，新工科注重增强学生实践能力，培养工匠精神，践行知行合一，也明确了对人才思维能力的素质要求，强调不仅能运用所掌握的知识解决现有的问题，也有能力学习新知识、新技术去解决未来发展出现的问题，对未来技术和产业起到引领作用，最终目标是培养实践能力强、创新能力强、综合素质强的复合型人才。
PBL（ Project-based Learning ）教学法是基于真实情境，以项目为导向，以学生为主体，以教师为主导的教育模式，在教师的引导下，学生采用小组协作的方式，以问题为主线，独立收集资料、解决问题，能有效培养学生的实践动手能力、自主学习能力[1]。计算思维在当今智能化、信息化、网络化社会中扮演着极其重要的角色，不少学者已将计算思维的培养嵌入 PBL 教学模式，提出了面向计算思维培养的 PBL 教学模式[2]。通过对思维可视化不同图示法的特点进行梳理，对 PBL 教学各阶段的思维采用相应的图示进行可视化，融合思维可视化技术的 PBL 教学模式旨在增强学生的创新思维能力。
1 思维可视化技术
可视化指的是将抽象的、不可见的事物，通过可见的、具体的图像、图形、图表进行展示的过程，而思维可视化是指将原本看不见、摸不着、隐性的抽象思维用思维表征体系将其准确地显性化的过程。思维可视化有 4 种具体的表征形式，分别是图像表征、媒介表征、言语表征和肢体表征[3]，是一门以思维整合、思维创新为主旨的思维发展技术，能有效帮助学习者减少低阶认知负荷，更多地关注高阶认知加工。国外的学者主要集中在思维可视化工具的开发上，如开发出概念图、鱼骨图等思维可视化工具，为进一步研究提供了研究基础和理论指导。在国内的研究中，文献 [4] 中分析了教学中线性结构材料对高效思维的影响，并且提到了思维可视化，但并未对其进行正式的学术定义。“思维可视化”的正式定义出现在文献 [5] 中，明确了思维可视化的内涵、表现形式及应用方法，思维可视化被定义为将学习过程中的思考方法和路径通过图示技术呈现出来，其中思考方法包括逻辑思考的方法（抽象、概括、区分、推理、分析、综合等），也包括发散、聚合、递进、抽具象转化等思考方式，思考路径主要是指思考过程中的思维发展线索。文献 [6] 中运用元分析方法对国内思维可视化研究进行了回顾，据此提出已有的思维可视化研究多关注形式运算阶段的学生，应用评价研究稀缺，思维评价体系缺乏，长期的教学实际应用效果验证欠缺等。文献 [7] 中对思维可视化的三大典型工具的核心差异进行了分析，指出了在教学应用中的着力点，对思维训练中的“思维训练三阶段”概念进行了修正。
2 PBL 教学模式
PBL 教学法分为基于问题学习的 PBL 教学法[8]和基于项目的 PBL 教学法[9]，两者均以建构主义和情境学习为理论基础，即以问题或者项目为主线，教师将知识点嵌入到问题或者实际项目中，学生通过自主学习、协作探讨来解决问题或者实施项目，在解决问题或者项目实施的过程中学习到设定的知识，提高解决实际问题的能力[10]。
在 PBL 教学模式中，学生是认知主体，教师是主导，让学生充分参与问题解决过程或项目实施过程，以完成深度学习。教师围绕学习内容选择问题或项目，设定情境，完成学习内容的嵌入，构建学习资源，呈现问题或项目，引导学生分析，协助学生解决问题或者实施项目，最后进行总结评价；学生在教师的引导下理解问题或项目，制订计划，解决问题或实施项目，最后完成总结与评价。
3 融合思维可视化技术的 PBL 教学模式构建
计算机视觉是一门研究用计算机来实现人类视觉功能的学科，其研究目标是使计算机能够对目标进行分割、分类、识别、检测等，是人工智能领域的重要研究方向，包含的领域广，综合性强，涉及模式识别、计算机科学、统计学、神经生理学、认知科学等多门学科。其教学目标是使学生掌握图像处理、图像分类、图像识别等方面的知识和研究方向，并且能够自主拓展学习，运用所学知识解决相关的实际问题，具备一定的创新能力。从培养学生实际问题解决能力及创新能力的角度看，以实践教学为主线，学生为主体，注重思维能力培养的“情境教学”是比较理想的教学模式。PBL 教学法以构建主义为理论基础，强调在解决实际问题的过程中完成学习，该教学模式的特点是以问题为导向、以学生为中心，是基于现实世界的教学方法，在培养学生实践能力上已被广泛接受。
八大思维图示法、思维导图、概念图是思维可视化的三大核心工具。①八大思维图示法也叫思维地图（ Thinking Maps ），是一组思维可视化工具，包括8种图：圆圈图、括号图、流程图、树形图、气泡图、双气泡图、桥状图和复流程图，如图 1 所示。每一种图示都是具体思维方式和思维策略的有机结合，思维图示的选择意味着具体思维方式，通过思维可视化可以实现对特定思维方式上的聚焦，进而达到特定思维的精准训练，降低认知负荷。当问题比较复杂时，需要多种思维的共同作用才能对问题进行求解，可以灵活选择八大思维图示的组合对其中的思维进行可视化。②思维导图通过特定方式的处理，可以完成八大思维图示的可视化功能，但带来了图示理解上的歧义和模糊，是一种综合性、模糊性的思维可视化工具。③概念图是一种综合多种思维的精确表示方法。
首先对不同思维图示方法的特点进行梳理，见表 1，然后根据 PBL 教学模式的基本流程，以科研项目为驱动，开展融合思维可视化技术的 PBL 教学，如图 2 所示，目的是让学生在掌握相关理论知识、培养项目实践能力的同时，注重计算思维、创新思维等思维能力的培养。该模式将整个的教学过程分为 4 个阶段：场景创设和项目呈现、项目分析和计划制订、协作探究和项目实施、成果交流和总结评价。在各个阶段，教师扮演引导、技术支持和项目进度监督的角色，学生采取自主学习和协作探究的方式完成项目的实施，并对项目实施过程中的思维进行可视化。
4 融合思维可视化技术的PBL教学实践
以计算机视觉中“答题卡图像分割”问题为例，该部分的教学目标是让学生掌握数字图像处理中的几何校正、图像分割等相关知识点，掌握计算思维方法对问题的求解过程，能用相关思维方式以及掌握的技术解决实际的问题。
（1）创设场景、呈现问题。教师在课前可从以下 3 方面进行课前准备：①本课程的知识点、重点难点；②选择合适的问题，从知识点掌握熟练程度、思维能力、解决实际问题的能力等角度制订预期的效果；③问题引出方式设置，引导学生借助圆圈图，以头脑风暴的方式，对主题展开讨论，提高兴趣，培养发散思维，提升知识迁移及创新能力。
可以借助思维导图的方式对课程涉及的知识点进行可视化展示，如图 3 所示。学生在教师的引导下对问题、教学目标进行理解，理解常见思维可视化工具；以小组为单位参与头脑风暴，以圆圈图进行展示；采用计算思维中的关注点分离方法对问题进行分解，问题的求解大体可以分为图像的收集、模型构建、性能测试与对比几个过程。
（2）分析问题、制订计划。教师通过设置问题引导学生进行思考，如在信息区域分割模块中分割算法的选择上，可设定问题“基于直方图的阈值分割方法与基于分类思想的分割算法的相同点、不同点分别是什么”，引导学生利用双气泡图对两个算法的相同点和不同点进行可视化表达，深入分析待分割图像的特点，对问题进行拆分求解，并采用括号图进行可视化，重点培养学生计算思维中的分解、转化等思维能力；引导学生分组，协助每一个小组制订相应的计划。在教师的引导下学生要通过自主学习与合作探究的方式对问题进行深入分析，首先完成对问题的拆分与可视化表达，比如将答题卡图像分割问题分解为几何校正、上下区域裁切、信息区域分割 3 个子问题求解，信息区域分割可进一步拆分为信息区分割与答题区分割，可视化结果如图 4 所示；然后，进一步深入分析每一个子问题求解所需要的理论知识和技术，利用双气泡图对已有技术进行分析对比，根据应用的场景对算法准确率及效率的约束选择合适的算法；最后通过自由分组的方式完成项目小组的划分，制订相应的实施计划。
（3）协作研究、解决问题。在问题的求解过程中，教师扮演引导者、技术支持和监督的角色，引导学生自主学习和团队协作，积极主动利用计算思维对问题求解，并且将其思维过程进行可视化表征；为学生提供核心的参考资料，对其中的技术难点进行讲解；及时监督项目的进展，帮助学生完成对问题的求解。学生通过自主学习和团队协作的方式，查找相关文献资料，在相关知识的基础之上运用抽象、分解、自动化等思维方法，对每一个子问题求解，用流程图对其可视化（以几何校正子问题为例，如图 5 所示），最后编码实现。可以采用以下步骤对几何校正问题进行求解：二值化→形态滤波→区域划分并标记→区域筛选→ Hough 变换检测分割线→设置几何校正对应点→几何校正，利用流程图将算法可视化。最后通过整合每一个子问题的求解模型，得到答题卡图像分割问题的求解。
（4）成果展示、评价总结。在这一阶段，教师主要开展以下 4 项工作：①对问题求解的整体情况进行点评，圈出每一组的亮点进行表扬，激发学生在未来学习中的积极性；②从知识点掌握的情况、思维能力训练效果、算法效果、思维可视化作品等方面制订评价指标体系，以表格的形式进行展示，对每一组进行定量考评；③组织学生按照评价体系的标准进行小组互评；④对课程的效果进行总结与反思，及时调整教学的方法和策略。在这一阶段学生主要完成以下3方面的工作：①展示作品，包括问题求解模型的效果以及思维可视化作品，交流项目的心得体会；②根据教师制订的评价指标体系完成自评；③根据教师制订的评价指标体系完成互评。
5 结 语
PBL 教学模式是基于构建主义理论的教学法，以学生为主体，教师为主导，在实施项目的过程中通过自主学习和协作探究的方式完成新知识的学习，培养学生的实践动手能力。思维可视化技术将学生学习过程中的隐性思维以图示的方式外显具化，有利于对学生思维的精准训练。基于思维可视化技术的 PBL 教学模式将项目设计与实施各个环节中的思维可视化，通过实施该教学模式，有效提高了计算机视觉课程教学质量，培养学生自主学习、团队协作、实践动手能力的同时，也培养了学生的创新思维能力。
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基金项目：湖南省普通高等学校教学改革项目（HNJG-2021-1139，HNJG-2021-1138）。
第一作者简介：刘焕华，男，湖南财政经济学院讲师，研究方向为计算机视觉，liuhuanhua@hufe.edu.cn。
引文格式: 刘焕华, 喻咏豪, 王伟. 基于思维可视化的 PBL 教学模式探索——以计算机视觉课程为例[J]. 计算机教育, 2023(5): 76-80.
转自：“计算机教育”微信公众号
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