計算機導(dǎo)論課程的教學(xué)改革探索

1、 計算機導(dǎo)論課程的教學(xué)改革探索 趙 霞1，李鳳霞2，蔡 強1，李海生1，張珣1（1北京工商大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院，北京100048；2北京理工大學(xué)計算機學(xué)院，北京100081）Reference：從計算機專業(yè)導(dǎo)論課程的需求與定位入手，全面分析課程的現(xiàn)狀與需要解決的問題；提出以虛擬實驗方法輔助“教”和“學(xué)”的課程改革方案，闡述現(xiàn)階段計算機專業(yè)導(dǎo)論課程的改革思路；以“字符編碼與信息交換”虛擬實驗教學(xué)為例，詳細介紹如何用虛擬實驗方法解決課程中的重點難點內(nèi)容的教學(xué)問題，探索培養(yǎng)學(xué)生計算思維、系統(tǒng)思維能力的有效途徑；針對虛擬實驗方法助力計算機專業(yè)導(dǎo)論課程教學(xué)實踐，總結(jié)出進一步深化課程教學(xué)改革的設(shè)想。K

2、eys：計算機導(dǎo)論；課程改革；虛擬實驗；字符編碼；計算思維；能力培養(yǎng)第一作者簡介：趙霞，女，副教授，北京工商大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院計算機系系主任，研究方向為大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與算法、高效能系統(tǒng)軟件、智能終端軟件等，。1 背景近年來，隨著計算機技術(shù)與社會快速發(fā)展變革，高校對學(xué)生的基礎(chǔ)能力培養(yǎng)，對創(chuàng)新型人才的要求更加關(guān)注。國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）將“提高人才培養(yǎng)質(zhì)量”作為高等學(xué)校本科生培養(yǎng)的重要目標，并“支持學(xué)生參與科學(xué)研究”。為此，一些創(chuàng)新型、科研導(dǎo)向人才培養(yǎng)的探索在國內(nèi)很多高校以各種形式開展。如何把創(chuàng)新思維培養(yǎng)和計算機導(dǎo)論課程結(jié)合起來，是計算機專業(yè)教學(xué)的重要問題。

3、計算機導(dǎo)論課程是學(xué)生走進大學(xué)后認識自己所學(xué)專業(yè)的第一門課，將對學(xué)生后續(xù)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生深遠影響。課程宗旨是：使學(xué)生從宏觀到微觀迅速且全面了解這個專業(yè)的精髓及魅力，既要闡述學(xué)科專業(yè)概貌，又要展示未來發(fā)展；既要關(guān)注計算思維能力培養(yǎng)，又要啟發(fā)對專業(yè)的興趣愛好。而課程目前的實際情況是：教師講得費勁，學(xué)生聽得懵懂，以似懂非懂結(jié)課。課程的教學(xué)效果和教學(xué)目標要求相差較遠。以計算思維為切入點開展新一輪教學(xué)改革，這是近年來大學(xué)計算機教育工作者所達成的重要共識，也為計算機專業(yè)教學(xué)改革提供了思路。國內(nèi)一些知名教授通過各種形式探索計算思維概念的落地問題，為大學(xué)計算機教育發(fā)展起到了重要的推動作用。虛擬實驗思路為計算機

4、思維的落地和課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法的改革提供了有效的途徑，也為大學(xué)計算機專業(yè)導(dǎo)論課程提供了教學(xué)實施方案。2 計算機專業(yè)導(dǎo)論課程面臨的問題分析2.1 生源參差不齊與教學(xué)統(tǒng)一要求的矛盾地域差別使得學(xué)生對計算機基礎(chǔ)的掌握程度遠不如數(shù)學(xué)、物理甚至外語那樣統(tǒng)一。據(jù)不完全統(tǒng)計，大一新生正規(guī)學(xué)過的計算機課程從0學(xué)時到200學(xué)時不等。如此參差不齊的生源如何面對統(tǒng)一要求的教學(xué)大綱，這是計算機專業(yè)導(dǎo)論課程必須首先解決的問題。2.2 專業(yè)導(dǎo)論課程與學(xué)生興趣導(dǎo)向的矛盾目前我國的大學(xué)生在填報志愿時并不完全是以興趣為導(dǎo)向。在我們的調(diào)查中，近幾年因為興趣而選擇計算機專業(yè)的學(xué)生其比例還不到50%。就工商院校而言，有20%的新

5、生對計算機專業(yè)缺乏了解，有畏難心理；有近50%的新生只對金融商科等專業(yè)興趣濃厚。如何通過計算機導(dǎo)論課讓本專業(yè)的新生對所學(xué)的專業(yè)充滿興趣，感受快樂，對學(xué)習(xí)結(jié)果滿懷期待？這是計算機專業(yè)教育教學(xué)方面的難題。2.3 基礎(chǔ)的教學(xué)內(nèi)容與發(fā)展的前沿技術(shù)間的矛盾教學(xué)規(guī)律是“按綱執(zhí)行”，而高校的教學(xué)大綱差不多4年才調(diào)整一次，這對于日新月異的計算機專業(yè)來說，無疑產(chǎn)生教學(xué)內(nèi)容與技術(shù)發(fā)展嚴重的不協(xié)調(diào)。就目前的計算機導(dǎo)論課程而言，盡管沒有統(tǒng)一規(guī)定的教學(xué)大綱和教材，但從所開設(shè)該課程的實際情況看，大都采用兩種課程教學(xué)內(nèi)容方案：一是國外的“計算機科學(xué)導(dǎo)論”方案，主要講數(shù)字系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)運算、計算機組成、計算機網(wǎng)絡(luò)、操作

6、系統(tǒng)、算法、計算機語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、軟件工程、數(shù)據(jù)庫等，說“大拼盤”應(yīng)該不過分；二是國內(nèi)基于非計算機專業(yè)的計算機基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容演化的課程體系，主要涉及計算機數(shù)字基礎(chǔ)、計算機硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)、實用軟件、數(shù)據(jù)庫、多媒體、程序設(shè)計基礎(chǔ)等方面的內(nèi)容，讓學(xué)生感覺到是中學(xué)IT課程的內(nèi)容再現(xiàn)。無論這兩種方案的哪一種，都無法滿足快速發(fā)展的計算機科學(xué)前沿技術(shù)的要求。導(dǎo)論課程除了介紹專業(yè)的歷史、現(xiàn)狀之外，還要為新生全面展示專業(yè)地圖。如果把大學(xué)比作迷宮，大一新生就是剛剛站在迷宮人口整裝待發(fā)的競賽者。如果導(dǎo)論課程能俯瞰迷宮最新全貌，并能在競賽者探索的路上及時給予指引，創(chuàng)新思維便會從這里開始。2.4 單一的教學(xué)方法與超前的

7、教育技術(shù)間的矛盾目前，大多數(shù)高校對計算機導(dǎo)論課程的配置都是：講課（或講座）+實驗（實際上就是軟件操作練習(xí)），前者是滿堂灌，后者是自己練；再加上“大拼盤”的知識堆積。一學(xué)期下來，當學(xué)生面對期末不俗的成績，便得到了兩個錯誤的結(jié)論：大學(xué)不過如此！計算機專業(yè)就是計算機應(yīng)用！3 以虛擬實驗方法輔助“教”和“學(xué)”基于以上分析，計算機專業(yè)導(dǎo)論課程改革任重道遠，需要從體系、內(nèi)容、方法和模式上進行全方位改革。3.1 “課程+虛擬實驗方法”的教學(xué)方案筆者從2013年開始，連續(xù)兩年選用了北京理工大學(xué)的“課程+虛擬實驗方法”的教學(xué)方案。方案包括一套面向計算思維培養(yǎng)的教材、一款面向重點難點教學(xué)內(nèi)容的虛擬實驗軟件、一個配

8、套教學(xué)的數(shù)字化教學(xué)資源包。教材采用了“基礎(chǔ)概念+計算平臺+先進技術(shù)”的內(nèi)容結(jié)構(gòu)，實驗配套了具有交互性、驗證性和演示性于一體的18個虛擬實驗，資源包提供教學(xué)需要的素材，形成了一套基礎(chǔ)性和先進性共存的課程教學(xué)體系。北京工商大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院結(jié)合教學(xué)實際情況，選取以下16個虛擬實驗：實驗一圖靈機模型與計算機硬件系統(tǒng)虛擬拆裝實驗二計算機中的數(shù)據(jù)表示與計算實驗三字符編碼與信息交換實驗四一條指令的執(zhí)行過程實驗五進程管理與虛擬機實驗七廣域網(wǎng)通信與郵件傳輸實驗八云計算與虛擬服務(wù)實驗十計算機動畫原理與制作實驗十一文字處理與文檔編排實驗十二表格處理與圖表制作實驗十三報告處理與幻燈制作實驗十四數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)庫

9、操作實驗十五用計算機解題算法實驗十六一小時學(xué)Python面向?qū)ο蠓椒▽嶒炇叻抡嬗嬎闩cMATLAB實驗十八計算機病毒與防火墻16個實驗涉及教學(xué)中的重點難點，如“一條指令的執(zhí)行過程”“云計算與虛擬服務(wù)”，等等。這些內(nèi)容通常在教學(xué)中會被簡單化，不是因為不重要，而是因為課時少，內(nèi)容抽象，難于在課堂規(guī)定時間講明白，而虛擬實驗正好彌補了這些不足，它以實時的交互、形象的演示、嚴謹?shù)尿炞C方式呈現(xiàn)這些內(nèi)容。從實驗形式設(shè)計可以看出，大多數(shù)實驗采用了“XXX與XXX”這樣的結(jié)構(gòu)。不難看出其中“與”前面是實驗所要強調(diào)的重要理論概念，需要驗證；而“與”的后面則是這個概念和知識點的落地實踐。例如：“進程管理與虛擬機”“

10、廣域網(wǎng)通信與郵件傳輸”“仿真計算與MATLAB”等，其中“進程管理”“廣域網(wǎng)通信”和“仿真計算”都是抽象概念和重要知識點，需要學(xué)生通過實驗方法去思考掌握，而“虛擬機”“郵件傳輸”“MATLAB”則是這些理論和概念的具體應(yīng)用，通過這些應(yīng)用，學(xué)生加深理解概念，融會貫通。同時，虛擬實驗可以輔助課堂教學(xué)。例如筆者在講授課程中使用前面4個虛擬實驗，課堂講授效果顯著提升。特別是在介紹圖靈機模型、計算機硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、處理器執(zhí)行指令的過程、計算機中數(shù)據(jù)表示與編碼等內(nèi)容時，相關(guān)知識點以往都是教學(xué)中的難點，新生理解起來非常困難，但虛擬實驗中演示的交互過程可把抽象概念變成具體的畫面，把文字描述變成可視化的動態(tài)過程，

11、起到傳授知識和激發(fā)興趣的作用。3.2 虛擬實驗教學(xué)過程舉例信息在計算機中的流動涉及對數(shù)字化方法、計算機硬件結(jié)構(gòu)、計算機算法執(zhí)行等重要的概念和知識點的理解和應(yīng)用。信息在計算機中的流動是看不見摸不著的，是教學(xué)中的難點。例如，一個漢字從鍵盤輸入到屏幕顯示要經(jīng)歷如圖1所示的信息轉(zhuǎn)換過程，需要相關(guān)的編碼規(guī)則、信息轉(zhuǎn)換方法和軟硬件的系統(tǒng)配合。通常因為編碼種類較多、過程不可視等，影響了學(xué)生對這些知識點的深入理解。通過“字符編碼與信息交換”虛擬實驗，學(xué)生非常容易地掌握了這一信息轉(zhuǎn)換過程和相關(guān)的編碼規(guī)則。例如，圖2所示的“字符編碼與信息交換”虛擬實驗中，實驗設(shè)計了虛擬鍵盤（如圖左上角所示），通過人機交互輸入漢字

12、拼音碼，虛擬展示了漢字機內(nèi)碼到國標碼的轉(zhuǎn)換及信息流動過程（如圖右上角所示），虛擬漢字庫（圖右下角）詳細演示了漢字查找及顯示過程。教師先在課堂簡單演示虛擬實驗，說明漢字信息的編碼體系和計算機的處理流程；然后將其留作學(xué)生自主學(xué)習(xí)的內(nèi)容，可以獨立完成，也可以協(xié)作討論；在完成這個實驗過程的同時，學(xué)生需要完成兩個實驗報告漢字顯示過程編碼記錄表和不同字體的字型碼。通過這一系列教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生對“字?！薄白謳臁薄白中巍币约案鞣N編碼之間的對應(yīng)關(guān)系有了更直觀、更深刻的理解。3.3 虛擬實驗方法教學(xué)效果調(diào)查采用了這套完整的虛擬實驗體系后，我們將大多數(shù)實驗安排為寒假期間的自主學(xué)習(xí)過程。我們利用Blackboard網(wǎng)絡(luò)

13、教學(xué)管理平臺進行實驗教學(xué)管理，教師只要保持在線回答學(xué)生在實驗中遇到的問題，一切便可以在一個寬松愉快的氛圍中進行。教師要避免直接給出問題答案，盡量讓學(xué)生充分地思考和進行研究性學(xué)習(xí)，鍛煉能力。很多學(xué)生在實驗報告和總結(jié)中分享了學(xué)習(xí)的感受，下面是部分同學(xué)的反饋。“寒假期間我做完了11個實驗，對我啟發(fā)很大，如廣域網(wǎng)通信和郵件運輸實驗，在按照教材上的自主學(xué)習(xí)指導(dǎo)做題，收獲超過預(yù)期，懂與會還是差別很大的?！薄白鰧嶒炞畲蟮男牡镁褪且心托?，前期要了解很多知識，這激發(fā)了我對專業(yè)知識的興趣，讓我更加了解了計算機的神奇。自主做實驗讓我感受到自學(xué)過程的酸甜苦辣，有被問題困住的焦灼，也有豁然開朗的喜悅。通過實驗我明白了

14、老師的良苦用心，實驗過程也是引導(dǎo)我們自主學(xué)習(xí)的過程，自己學(xué)的知識總是比別人灌輸?shù)囊∠笊羁獭！? 總結(jié)與展望虛擬實驗體系是對計算機導(dǎo)論課程教學(xué)體系的一個優(yōu)化和補充，特別是用可視化方法詮釋計算機的基本原理、知識點中的難點重點內(nèi)容，化繁為簡，化難為易，化抽象為具體；對于幫助新生認識和理解計算思維的本質(zhì)和計算機系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理，提供了有力的支持；對提高計算機專業(yè)導(dǎo)論課程的教學(xué)效果，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)其抽象思維和系統(tǒng)思維能力有巨大的幫助。接下來我們要在實驗基礎(chǔ)上開展問題驅(qū)動的拓展學(xué)習(xí)，增加課程的深度和廣度，引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生的探索求知欲，訓(xùn)練學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生抓住本質(zhì)、解決問題的實踐動手能力。Reference：1陳國良，董榮勝計算思維與大學(xué)計算機教育J中國大學(xué)教學(xué)，2011(1): 7-11.2李廉計算思維：概念與挑戰(zhàn)J