计算机导论课程教学内容的优化与整合
时间：2021-04-06 08:05:42 来源：达达文档网 本文已影响 人 
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摘要：为解决不断增长的知识与有限教学时数的矛盾，从知识面、知识层次、知识连贯性等方面阐述如何优化计算机导论课程的教学内容，分析相应的知识框架及课程教学内容。
关键词：计算机导论；课程教学内容；有效知识；知识框架
引言
随着计算机学科知识的增长，计算机导论课教学内容与教学时数之间的矛盾越来越突出，如何解决这个矛盾，确实应该引起计算机导论教育工作者的深思。
增加课程的教学时数是解决这个矛盾的一种途径，但是，任何一门课程的内容和时数变动都会引起整个课程体系的连锁反应。为此，在保持课程教学时数不变的前提下，只能通过科学合理地选择和组织教学内容，提高有效知识占有量来解决这个矛盾。目前，计算机导论课程教学内容存在的问题主要有以下3点：知识覆盖面不合理，知识层次把握不准确，知识融合不够。从知识覆盖面上看，由于对课程的作用和目的认识上的不足或偏差，文献将办公软件使用等操作内容纳入课程教学当中，文献建议加强对计算机发展简史的介绍，这些内容与计算思维能力培养关系不大。此外，教学内容的选择和更新的盲目性也增加了课程的知识量，尽管文献提出教学内容要跟踪最新计算机技术发展方向，但是并没有指明要跟踪哪些知识以及跟踪的依据。从知识层次上看，由于对教学内容的深度还缺乏明确的规定，导致对知识层次把握的随意性，即使是计算机导论教材，对各部分内容知识层次的把握也是不同的，个别内容甚至深入到了专业课教学的层面，这也增加了课程教学的知识量。从知识连贯性上看，由于教学内容的知识构成存在不合理之处，有些内容成为“知识孤岛”，很难融合在一起，导致各部分内容之间缺乏一致性知识表达，干扰教学内容的落实和贯彻。这些问题的存在都会挤占有限的教学时数，造成课程有效知识占有量的不足。所谓有效知识是指与计算思维能力培养密切相关的知识总和，计算思维两个核心要素是计算环境和问题求解，有效知识是以这两个核心要素展开的内容。
1教学内容的优化
优化课程教学内容，要以稳定的知识结构为基础，结合专业培养要求，从知识覆盖面、知识层次和知识连贯性3个方面，统一筹划课程的教学内容。
1.1知识覆盖面
确定课程的知识面必须以课程的目的和作用为基础，计算思维的教育理念统一了对课程目的和作用的认识，但是，如果没有稳定的课程内容，有限的课时也无法应对不断更新的技术。文献以不同方式表达了反映学科核心思想和方法的内容，并且这些文献很明确地将办公软件操作、计算机发展简史等内容排除在课程教学之外。但是，有关计算理论方面的内容还没有形成明确的一致意见，从知识本身来看，这部分内容与计算思维能力培养密切相关，但是从知识理解的角度来看，这部分内容学生难以理解和接受。当前计算机学科存在4个专业方向，每个专业方向的培养目标是各不相同的，对计算机导论课程教学内容的要求也不尽相同，计算理论内容的取舍要结合不同专业培养要求而定，计算机科学专业可以将这部分内容作为必选内容，而其他专业可以酌情考虑。有了稳定的课程内容作为基础，面对计算机学科知识的不断更新和发展，各个专业方向都可以根据各自的培养要求有目的、有选择地选取和更新内容，避免教学内容选择和更新的盲目性。
1.2知识层次
尽管计算机导论是专业引导性质的课程，但是对各部分内容也不能同等对待。因为不同高校有不同层次的培养目标，不同专业有不同的应用需求，应用需求不同，对各部分教学内容的轻重要求也是不同的。因此，对知识层次的把握不能用一个标杆，教学内容的深浅要与专业培养要求结合起来，有针对性地把握各部分内容的知识层次。教学目的对教学内容的深度和宽度有明确具体的指导作用，因此，要根据专业培养要求来权衡各个单元的教学目的。比如，就编译程序这部分内容而言，信息技术专业可以要求学生了解“编译程序的作用”，而计算机科学专业可以要求学生了解“编译程序的基本原理”，前者所界定的教学内容是机器语言和高级语言各自的特点及编译程序的作用，后者还要求在此基础上包括编译程序的基本工作过程。
1.3知识连贯性
尽管计算机导论课程涉及的知识领域繁多，但是这些知识领域之间却隐藏着内在联系。纵观整个课程内容，它所涵盖的内容无非是硬件构成到运行机理、系统软件作用到工作机理、程序设计到软件开发。每个部分都与程序密切相关，从硬件系统上看，它支持程序的自动执行；从系统软件上看（操作系统），它管理程序的运行活动；而程序设计和软件开发，不言而喻，就是以程序为核心的内容。由此可见，程序贯穿各个知识领域的核心概念。因此，各个部分可以以程序为核心展开教学，硬件系统部分以理解程序的执行为教学目的，软件系统部分以理解程序的运行活动为目的，程序设计与软件开发部分以初步掌握程序设计和开发技术与方法为目的，这样整个教学内容就以程序为核心，形成了一致性的知识构成，使各部分内容更加“干净”。
2教学内容知识框架
程序是贯穿计算机学科各个知识领域的核心概念，利用程序这条主线，以程序的执行、程序的运行、程序设计与软件开发、计算机网络展开教学内容，这样将教学内容分为4个模块，如图1所示。
2.1程序执行模块
与程序执行相关的知识领域统称为程序执行模块。为了使学生了解计算机是如何执行指令的，所需要具备的基础知识是指令编码和计算机结构；为了使学生理解指令编码，所需要了解的基础知识是信息在计算机中的编码；为了使学生理解计算机结构，必须要了解信息在计算机中是如何存储和运算的。由此，该模块包括3个知识单元，分别是信息的机器表示、信息的存储和运算以及计算机组成及工作原理。
2.2程序运行模块
与管理程序运行活动相关的知识领域称为程序运行模块。理解程序运行活动的基础是计算机组成及工作原理，在此基础上，分3个方面理解程序的运行活动，一是程序没有运行之前处于静态状态时程序的存储形式；二是程序处于动态运行状态时，分别从单道和多道程序的运行，使学生理解操作系统是如何对程序进行存储管理的；三是从多道程序的运行，使学生了解操作系统是如何管理CPU，实现程序并发运行活动的。
2.3程序设计与开发
与程序设计与开发相关的技术（含语言）和方法统称为程序设计开发模块。为了使学生了解程序设计语言，所涉及的主要知识是编译程序；为了使学生理解什么是程序，以及程序是如何设计出来的，所涉及的知识是算法与数据结构；为了使学生掌握以数据处理为特征的软件开发，所涉及的知识领域是数据库管理系统；为了使学生了解大规模软件是如何开发出来的，所涉及的知识领域是软件工程。由此，该模块包括程序设计语言与编译程序、算法与数据结构、数据库与数据库管理系统和软件工程方法。
2.4计算机网络
该模块包括网络硬件系统、网络系统软件和WWW工作原理。网络硬件系统以计算机组成为基础，网络系统软件以操作系统和网络硬件知识为基础，Web程序设计所涉及主要基础知识是程序设计基础、数据库系统和计算机网络基础，如果开发大型Web应用，还要求以软件工程知识作为基础。Web程序设计包括在WWW环境下与程序设计相关的技术、方法和开发环境，但是由于计算机导论是专业引导性质的课程，这个部分只须讲授到WWW工作原理为止。
3课程教学内容
课程教学内容包括理论教学内容和实践教学内容，理论教学内容由10个知识单元组成，实践教学内容包括5项实践内容。
3.1理论教学内容
教学目的是教学活动的预期结果，教学要求是达成教学目的的一系列教学活动。教学目的及要求实质上体现了知识构成以及知识之间的内在顺序，因此可以利用教学目的及要求表达各个单元的知识体系。这里给出的教学目的及要求仅仅起示范作用，具体教学内容可根据不同专业的教学需要有所侧重，有所取舍。
3.1.1信息的机器表示
使学生掌握信息在计算机中是如何表示的。要求学生了解计算机为什么采用二进制，掌握二进制与其他进制之间的转换，掌握整数、小数和字符的机器表示，了解汉字的机器表示，理解指令的编码格式。
3.1.2信息的机器存储与运算
使学生理解信息在计算机中是如何存储和运算的。欲使学生理解信息存储和运算，必须得首先使学生掌握与门、或门、非门、与非门、或非门和异或门的功能。因此，教学要求是使学生掌握基本逻辑门的功能，理解RS锁存器、全加器的结构及其工作原理。
3.1.3计算机结构及其工作原理
使学生领会计算机是如何执行指令的。冯·诺依曼型计算机工作原理是理解指令执行过程的基础，理解计算机工作原理要以计算机组成部件，以及各组成部件之间的关系为前提，只有揭示出各个部件的内部结构，才能使学生理解各个部件之间的信号关系。因此，该单元教学要求如下：使学生了解计算机是由哪些部件组成，以及各个部件的作用，理解各个部件的内部结构，以及它们之间的信号关系，理解冯·诺伊曼型计算机的工作原理，了解计算机是如何执行指令的。
3.1.4操作系统的基本功能
使学生了解程序是如何在操作系统管理和控制下运行的。要求学生从程序的角度了解文件管理功能，了解存储管理功能，了解处理器管理（进程管理）功能。操作系统是专业教育的难点，因此必须合理地设计教学过程，根据“程序由静态转化为动态”的过程组织和编排该单元内容。以“双击程序图标之前，程序存放在何处”来导人文件管理内容；以“双击程序图标之后，程序被调入到什么地方”来导入程序存储管理内容；以“双击多个图标意味着什么”导入处理器管理内容。
3.1.5高级语言与编译程序
使学生了解高级语言基本知识及翻译程序的作用。为了使学生了解编译程序的基本工作过程，得使学生理解编译程序的作用；欲使学生理解编译程序的作用，得使学生了解高级语言与机器语言之间的区别。由此确定出该单元教学内容的顺序是：高级语言简介一机器语言与高级语言各自的特点一编译程序的作用及其基本工作过程一交互式集成开发环境。
3.1.6算法与数据结构
使学生了解如何设计程序。要求学生了解算法与程序之间的关系，算法与数据组织之间的关系，掌握程序的基本结构。通过简单计算问题的求解，使学生理解什么是算法，利用算法使学生明确程序的概念。利用简单计算问题阐明线性表的两种存储结构，并基于这两种存储结构设计该问题的算法，说明算法与数据组织之间的关系，拓展和深化学生对算法和程序的理解。我们通过程序基本结构，使学生了解良好的程序静态结构对保证程序动态运行的正确性认识。
3.1.7软件工程方法
使学生了解如何开发软件。首先使学生了解如果不采用工程方法指导软件开发实践会存在哪些危害，引出软件危机的教学内容；既然存在这么严重的危害，那么如何利用工程方法来开发软件呢，从而引出软件开发过程的讲述；在这个过程中要采用什么方法开发软件呢，自然引出结构化方法和面对对象方法的内容。最后，如同其他产品一样，需要对软件产品的质量做出评价，从而给出软件产品的评价标准。
3.1.8数据库与数据库系统
使学生了解面向数据处理领域的软件开发的技术和方法。要求学生了解数据处理为什么需要数据库（即文件与数据库的区别与联系），了解实体关系模型和关系模型，理解数据库系统。从编程角度看，这部分内容包括两部分：即程序处理的对象（即数据库）和编程技术（即数据库管理系统）。因此，通过引入恰当的实例说明什么是数据库，通过实体关系模型和关系模型，讲解如何建立数据库；通过数据库管理系统，介绍如何定义数据库，如何对数据库进行查询、更新等操作，如何保证数据库的安全性和完整性。
3.1.9计算机网络系统
使学生了解网络软硬件环境及该环境下软件开发的主流技术。要求学生了解计算机网络硬件的组成以及作用，了解网络拓扑结构，了解网络操作系统与网络协议的组成和作用，了解互联网以及互联网服务，初步理解www技术及其工作原理。因为www已经成为计算机网络应用开发的主流技术，并且能很好地体现网络环境下应用开发的特征，因此，将WWW及其工作原理作为该单元的主要内容之一。
为使核心教学内容得到更好的贯彻，在上述教学内容的基础上，我们增设了“引论”教学单元，其教学目的是使学生获得对计算机、计算机系统以及计算机学科的宏观认识和总体了解。我们将计算机组成以及各部分的作用放置到该单元，以便使学生获得对计算机的总体认识；通过计算机系统及其分层结构的教学，使学生获得对计算机学科总体知识框架的了解；由计算机系统分层结构，解析出计算机学科知识体系，使学生了解知识体系与课程体系之间的对应关系，使学生了解计算机学科要学习哪些课程；通过基本知识和能力要求以及职业要求的教学，使学生了解通过专业教育要掌握哪些知识，具有什么能力，从业所需的职业操守及知识产权等知识。
3.2实践教学内容
优化课程内容结构要解决的另外一个问题是使实践教学与理论教学相融合，实现实践教学促进理论教学的目的。为了加强学生对理论教学内容的理解，同时也为了加强学生应用实践能力，分别在5个单元增设了5项实验内容。
（1）开设“微型计算机结构与配置”实验内容，主要目的是使学生直观感知计算机硬件系统结构及各个主要部件。
（2）开设“建立文件和文件夹”，引导学生分别利用在两种用户界面下建立文件和文件夹，目的是使学生加深对文件系统层次结构的理解。
（3）开设“WTNDOWS任务管理器应用”，目的是使学生加深对程序和进程的理解，使学生了解进程与程序之间的区别，启发和引导学生理解处理器管理功能。
（4）开设“程序集成开发环境”，使学生了解源程序、目标程序等概念，从而加深对编译程序作用的理解，熟悉编程环境以及编程步骤。
（5）开设“建立学生信息表以及简单操作”，通过建立简单的数据表和简单的操作，加深对数据库和数据库系统的认识和理解。
4结语
以计算思维能力培养为核心，利用程序这条主线组织教学内容，使教学内容与计算思维能力培养目标高度契合，实现了各领域知识的一致性表达，使整个教学内容变得“干净和清洁”。该种教学内容构成模式达到了教学内容整体优化的目的，促进了以计算思维能力培养为核心的教学活动的开展，有利于实现教学模式的转变，即“以概念讲解驱动教学内容的展开”向“以知识传授带动概念理解”的转变。此外，也可为计算机学科各专业的计算机导论课教学内容构建提供参考。
