《計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論》課程教學(xué)改革探究

崔曉松 劉德山 孫美喬

【摘要】本文主要闡述《計(jì)算機(jī)科學(xué)論》課程在計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)中所處的地位，介紹該課程的教學(xué)內(nèi)容，總結(jié)該課程的教學(xué)特點(diǎn)和目的。同時(shí)，結(jié)合《計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論》課程的教學(xué)目標(biāo)，分析了剛剛接觸計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)，提出了一種如何讓他們對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)產(chǎn)生興趣、如何讓他們認(rèn)識(shí)到數(shù)學(xué)在計(jì)算機(jī)專業(yè)中的作用、如何讓他們快速掌握5個(gè)學(xué)科形態(tài)的教學(xué)方法。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)導(dǎo)論；學(xué)科形態(tài)；核心概念；教學(xué)內(nèi)容

●引言

《計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論》是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生入學(xué)后接觸到的第一門專業(yè)課，也是該專業(yè)學(xué)生了解計(jì)算機(jī)科學(xué)內(nèi)容、發(fā)展及其學(xué)習(xí)方法的一門導(dǎo)引性課程。開(kāi)設(shè)這樣一門課程的目的是讓學(xué)生了解計(jì)算機(jī)學(xué)科的歷史淵源、學(xué)科的本質(zhì)特點(diǎn)、核心概念和學(xué)科知識(shí)體系等內(nèi)容，讓學(xué)生了解計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)發(fā)展所經(jīng)歷的曲折和困難，激發(fā)和增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)的興趣和積極性，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程和獻(xiàn)身計(jì)算機(jī)科學(xué)事業(yè)奠定基礎(chǔ)。

計(jì)算學(xué)科的認(rèn)知問(wèn)題是學(xué)術(shù)界長(zhǎng)期以來(lái)一直探討的問(wèn)題，反映在教學(xué)上就是“計(jì)算機(jī)導(dǎo)論”課程的構(gòu)建問(wèn)題。1989年，美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)攻關(guān)組提交了著名的“計(jì)算作為一門學(xué)科”的報(bào)告，該報(bào)告認(rèn)為，《計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論》課程應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)生面向?qū)W科的思維能力，使學(xué)生領(lǐng)會(huì)學(xué)科的力量，以及從事本學(xué)科工作的價(jià)值之所在。報(bào)告希望該課程能用類似于數(shù)學(xué)那樣嚴(yán)密的方式將學(xué)生引入到計(jì)算學(xué)科各個(gè)富有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域之中。由此可見(jiàn)，《計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論》課程肩負(fù)著如何讓剛步人大學(xué)的學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)產(chǎn)生興趣，進(jìn)而更好地在本專業(yè)有所建樹(shù)的重任。鑒于此，《計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論》課程的構(gòu)建問(wèn)題及如何粗線條、綱要式、科普性地講解計(jì)算學(xué)科的核心概念是本文所要論述的主要內(nèi)容。

●計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程教學(xué)內(nèi)容的現(xiàn)狀與問(wèn)題

目前，國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程的教學(xué)內(nèi)容主要有三種類型。

第一種類型是以計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)為主，理論教學(xué)著重于計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)，實(shí)踐環(huán)節(jié)要求學(xué)生熟練使用Windows操作系統(tǒng)，并掌握Office辦公軟件的使用方法。這種模式實(shí)際上只是借用了《計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論》的課程名稱，并沒(méi)有系統(tǒng)介紹計(jì)算機(jī)學(xué)科的本質(zhì)及其核心概念。

第二種類型是將計(jì)算機(jī)專業(yè)所學(xué)的主要專業(yè)課程加以濃縮，主要講授計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)軟件基礎(chǔ)以及算法等課程的基本概念與核心內(nèi)容。CC2005指出，該課程的關(guān)鍵是課程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題，現(xiàn)有的濃縮版顯然不是一種好的課程結(jié)構(gòu)。

第三種類型是通過(guò)引入大量學(xué)科基本問(wèn)題來(lái)闡述計(jì)算學(xué)科的本質(zhì)，以抽象、理論和設(shè)計(jì)3個(gè)學(xué)科形態(tài)揭示學(xué)科中各主領(lǐng)域發(fā)展的基本規(guī)律以及各主領(lǐng)域之間的內(nèi)在聯(lián)系，以高度概括的語(yǔ)言和豐富的實(shí)例介紹了計(jì)算學(xué)科中算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等核心概念，并著重介紹了計(jì)算思維方法中最為重要的數(shù)學(xué)方法。這樣授課，有助于學(xué)生開(kāi)闊思維、了解計(jì)算學(xué)科的本質(zhì)內(nèi)容，使他們認(rèn)識(shí)到數(shù)學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)方法在計(jì)算學(xué)科中的重要性，從而自主培養(yǎng)其計(jì)算思維。

綜上所述，第一種類型的教學(xué)內(nèi)容過(guò)于簡(jiǎn)單，但第三種類型的教學(xué)內(nèi)容過(guò)于抽象，因此，根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)，我們以第二種類型和第三種類型兼而有之的教學(xué)內(nèi)容來(lái)授課，既培養(yǎng)了學(xué)生計(jì)算學(xué)科的思維能力，又讓他們了解一些專業(yè)核心課的內(nèi)容，為新生學(xué)習(xí)將來(lái)的課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

●計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程的教學(xué)內(nèi)容

目前，剛剛步入大學(xué)的學(xué)生在中學(xué)階段也接觸到一些信息技術(shù)類課程，他們認(rèn)為選擇計(jì)算機(jī)專業(yè)就是學(xué)習(xí)編程序，或者是學(xué)習(xí)操作性和技術(shù)性的知識(shí)。鑒于此，我們根據(jù)這類學(xué)生的特點(diǎn)，并參照“計(jì)算作為一門學(xué)科”報(bào)告給出的計(jì)算學(xué)科二維定義矩陣的概念，制定了如下圖所示的教學(xué)內(nèi)容，共26學(xué)時(shí)。

其中，計(jì)算學(xué)科及其基本問(wèn)題、3個(gè)學(xué)科形態(tài)、學(xué)科中的數(shù)學(xué)方法與系統(tǒng)科學(xué)方法都屬于計(jì)算思維的本質(zhì)問(wèn)題，其他幾個(gè)部分屬于學(xué)科中的具體內(nèi)容介紹。這樣設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，便于學(xué)生理解該課程，容易對(duì)計(jì)算學(xué)科產(chǎn)生興趣。

●構(gòu)建以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)興

趙致琢教授曾認(rèn)為，該課程的教學(xué)任務(wù)和目的主要有兩個(gè)：一個(gè)是幫助初學(xué)者認(rèn)知——“授人以魚”；另一個(gè)是為初學(xué)者提供導(dǎo)學(xué)——“授人以漁”。筆者認(rèn)同上述觀點(diǎn)，為此，本文主要從以下3個(gè)方面來(lái)講述如何增加新生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)的興趣。

1培養(yǎng)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的興趣

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科最初來(lái)源于數(shù)學(xué)學(xué)科和電子學(xué)科，如今，數(shù)學(xué)技巧和形式化的數(shù)學(xué)推理已在該學(xué)科領(lǐng)域占有重要的地位，而且，數(shù)學(xué)提供了一組用于分析與驗(yàn)證的特殊工具，一個(gè)理解重要思想的理論框架。因此，要求計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生應(yīng)該具有良好的數(shù)學(xué)功底，諸如數(shù)學(xué)分析、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、微積分、高等代數(shù)、數(shù)學(xué)建模等。數(shù)學(xué)如此重要，那么，如何讓剛?cè)雽W(xué)的學(xué)生領(lǐng)悟呢?筆者認(rèn)為，只憑教師在課堂上說(shuō)數(shù)學(xué)重要并無(wú)濟(jì)于事，本文通過(guò)舉例，說(shuō)明數(shù)學(xué)在數(shù)字圖像處理中的簡(jiǎn)單應(yīng)用來(lái)引導(dǎo)初學(xué)者學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的興趣。

如下圖所示，一幅灰度圖像可以被定義為一個(gè)二維函數(shù)f(x，y)，其中x和y是空間(平面)坐標(biāo)，f任何坐標(biāo)點(diǎn)(x，y)處的振幅為圖像在該點(diǎn)的灰度(灰度是用來(lái)表示黑白圖像亮度的一個(gè)術(shù)語(yǔ))。圖像關(guān)于x和y坐標(biāo)以及振幅連續(xù)，要將這樣的一幅圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)形式以便于計(jì)算機(jī)處理，就要求數(shù)字化坐標(biāo)和振幅。將坐標(biāo)值數(shù)字化稱為取樣，將振幅數(shù)字化稱為量化，因此，當(dāng)f的x、y分量和振幅都是有限且離散的量時(shí)，稱該圖像為數(shù)字圖像。

取樣和量化的結(jié)果是一個(gè)實(shí)數(shù)矩陣。假設(shè)對(duì)一幅圖像f(x,y)取樣后，得到了一幅有著M行和N列的圖像，則稱這幅圖像的大小為M×N。坐標(biāo)(x,y)的值是離散量。這樣一幅數(shù)字圖像就可以很自然地表示成矩陣被計(jì)算機(jī)來(lái)處理。

接下來(lái)，計(jì)算機(jī)對(duì)圖像的處理就轉(zhuǎn)化為對(duì)矩陣的處理。例如要將圖1所示的圖像旋轉(zhuǎn)90°，可以通過(guò)求f的轉(zhuǎn)置來(lái)完成。這樣介紹完后，學(xué)生應(yīng)該大致地知道了數(shù)學(xué)在計(jì)算機(jī)中最淺顯的應(yīng)用。當(dāng)然，為了更好地處理圖像(例如圖像分割、邊緣檢測(cè)、特征提取)，可以從空間域轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行處理，最好的數(shù)學(xué)工具就是傅里葉變換。既然學(xué)生知道了數(shù)學(xué)的用武之地，也就增強(qiáng)了學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的興趣。

2培養(yǎng)學(xué)習(xí)3個(gè)學(xué)科形態(tài)的興趣

眾所周知，抽象、理論和設(shè)計(jì)3個(gè)學(xué)科形態(tài)是計(jì)算學(xué)科中較重要、同時(shí)又很抽象的概念，如果教師在授課時(shí)只是干巴巴地講這三個(gè)概念，學(xué)生可能會(huì)一頭霧水，倒不如舉例說(shuō)明。筆者以“學(xué)生選課”實(shí)例來(lái)進(jìn)行學(xué)科形態(tài)的劃分。

首先，將客觀世界抽象成信息世界。通過(guò)對(duì)實(shí)體、屬性、域等概念的介紹來(lái)建立概念模型，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為E-R模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)這一例子的感性認(rèn)識(shí)(抽象階段)。

其次，將概念模型轉(zhuǎn)換成機(jī)器世

界支持的數(shù)據(jù)模型，即關(guān)系模型。根據(jù)概念模型向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換規(guī)則，例子“學(xué)生選課”的E-R圖可以轉(zhuǎn)化為下面的關(guān)系模型(關(guān)系的碼用下劃線標(biāo)出)：學(xué)生(學(xué)號(hào)，姓名，年齡，性別)；課程(課程號(hào)，課程名)；學(xué)生選課(學(xué)號(hào)，課程號(hào)，成績(jī))。雖然從E-R圖轉(zhuǎn)換到關(guān)系模型已屬于對(duì)客觀世界的理性認(rèn)識(shí)，但當(dāng)在學(xué)生關(guān)系中增加系名、系主任等屬性時(shí)就會(huì)出現(xiàn)插入異常、刪除異常、數(shù)據(jù)冗余等問(wèn)題。要解決這樣的問(wèn)題，必須要滿足關(guān)系模式的形式化定義，因此，就例子而言，可以再劃分一個(gè)關(guān)系，即系(系號(hào)，系名，系主任名)，從而滿足關(guān)系模式規(guī)范化的要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)例子的理性認(rèn)識(shí)(理論階段)。

最后，還要根據(jù)具體的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(如Oracle、Informix、SyBase、SQL Server等)對(duì)該模型進(jìn)行定義，然后經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理，便可進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)的輸入、修改和查詢工作，這屬于該例子的實(shí)踐(設(shè)計(jì))階段。

以上“學(xué)生選課”管理系統(tǒng)的研制過(guò)程蘊(yùn)含了人們對(duì)客觀世界從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)，再由理性認(rèn)識(shí)回到實(shí)踐中來(lái)的科學(xué)思維方式。對(duì)“學(xué)生選課”這個(gè)簡(jiǎn)單例子的分析有助于新生理解計(jì)算學(xué)科中有關(guān)抽象、理論和設(shè)計(jì)3個(gè)學(xué)科形態(tài)的概念。

3培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)專業(yè)的興趣

為了更好地引導(dǎo)一年級(jí)新生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)、制定本科四年的學(xué)習(xí)計(jì)劃，在教學(xué)中還要進(jìn)行專業(yè)培養(yǎng)方向介紹。針對(duì)每個(gè)專業(yè)培養(yǎng)方向，介紹其課程體系、知識(shí)構(gòu)成、研究領(lǐng)域、研究方法、研究趨勢(shì)、就業(yè)方向與就業(yè)前景等問(wèn)題。對(duì)于每門具體課程，闡述課程特色、開(kāi)課時(shí)間與開(kāi)課模式、考核方式、實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)內(nèi)容，以及它在所屬培養(yǎng)方向中的地位和作用等。具體來(lái)講，就是給學(xué)生詳細(xì)介紹教學(xué)計(jì)劃。通過(guò)這些介紹，能夠使學(xué)生了解學(xué)校為他們規(guī)定的專業(yè)培養(yǎng)方向，有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)學(xué)科的興趣和提升他們對(duì)本專業(yè)發(fā)展與就業(yè)的信心。與此同時(shí)，學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性也將被最大程度地挖掘出來(lái)，他們可以選擇感興趣且適合自己的發(fā)展方向，從而盡早確定目標(biāo)并規(guī)劃好大學(xué)四年的學(xué)習(xí)和生活。

除此之外，學(xué)院每學(xué)期都邀請(qǐng)一些重點(diǎn)大學(xué)的知名人士來(lái)作學(xué)術(shù)報(bào)告，在《計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論》課的教學(xué)過(guò)程中，也會(huì)抽出一定的學(xué)時(shí)安排學(xué)院的資深教師作科普性的報(bào)告，以上做法都是為了讓初學(xué)者能夠與著名學(xué)術(shù)專家進(jìn)行近距離接觸，提前感受學(xué)術(shù)與應(yīng)用前沿，并以此來(lái)增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)專業(yè)的興趣。

●結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算學(xué)科畢業(yè)生的各種能力不能僅僅通過(guò)《計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論》課程的教學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)，也需要通過(guò)各種途徑、經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的培養(yǎng)過(guò)程去實(shí)現(xiàn)，尤其是專業(yè)能力的培養(yǎng)，更需要通過(guò)相應(yīng)的系列課程來(lái)完成?？沙掷m(xù)發(fā)展教育觀要求學(xué)生關(guān)心他人，強(qiáng)調(diào)協(xié)調(diào)，其核心是在知識(shí)和能力的基礎(chǔ)上強(qiáng)調(diào)素質(zhì)。計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程的教學(xué)應(yīng)該初步培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)能力，了解職業(yè)和道德責(zé)任。計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程的開(kāi)設(shè)會(huì)使大學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的初步感性認(rèn)識(shí)上升到一定的理性高度，為其學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)學(xué)科的后續(xù)課程做好鋪墊，為大學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)做好方法和工具上的準(zhǔn)備。