面向?qū)ο蟮挠嬎銠C導論課程教學

薄樹奎

摘要：內(nèi)容寬泛是計算機導論課程教學中的難點。文章提出借助面向?qū)ο笏枷氲膬?yōu)勢，將計算機導論課程內(nèi)容分成5個相互聯(lián)系的對象，每個對象有各自的屬性和行為，內(nèi)容涵蓋計算機導論課程的主要知識點。進一步闡述如何從邏輯上將教學內(nèi)容組織起來，從人的認識規(guī)律入手講解新知識，使大一新生易于接受，并能建立完整的學科知識體系。

關(guān)鍵詞：計算機導論；課程教學；面向?qū)ο?/p>

計算機導論是計算機專業(yè)的入門課程，也是計算機專業(yè)完整知識體系的緒論。計算機導論課程的教學目的，是讓大一新生了解計算機專業(yè)知識能解決什么問題，應(yīng)該學什么、如何學，同時激發(fā)學生對計算機專業(yè)的興趣，并幫助他們更好地步入后續(xù)專業(yè)課程的學習。

目前計算機導論相關(guān)的教材，大都是概括地講授計算機學科主要課程的基本內(nèi)容和應(yīng)用，并介紹這些課程相互之間內(nèi)在聯(lián)系，使學生對計算機學科的理論基礎(chǔ)、重要應(yīng)用有一個基本的了解。國外教材的內(nèi)容與我國教材差別較大，主要由于學生的背景和現(xiàn)狀不同，并不適合目前大學生的實際情況。國內(nèi)教材內(nèi)容和課程的教學目的是吻合的，但普遍存在的一個問題是，大一新生在學習這門課的過程中，感覺教學內(nèi)容過于分散，把握不住重點，很難理解老師講的“是什么”；而且在學完這門課程后，也并沒有明顯的收獲感，即使每節(jié)課都聽瞳了，最后也像什么也沒有學到一樣。教學中存在這樣的問題，一方面是和計算機導論這門課程的性質(zhì)和特點相關(guān)，它本來就是介紹計算機學科整體課程體系的，知識點當然會很多，很分散，大學一年級的學生沒有專業(yè)知識的基礎(chǔ)，不能很好地把知識點聯(lián)系起來，從而造成學習困難；另一方面，教師的教學方式也會產(chǎn)生一定的影響，如果按照傳統(tǒng)的教材內(nèi)容列表進行講授，仍然擺脫不了每章就是對主干課程的簡介這種教學模式，結(jié)果還是晦澀難懂。目前有許多關(guān)于計算機導論課程教學內(nèi)容和教學方法的討論，近年來還提出了以計算思維為導向的計算機導論課程教學內(nèi)容改革，這些都推動了計算機導論課程教學的發(fā)展。

課程的性質(zhì)和特點是先天的，可以改變的是教學思維和教學方式。從以往教材內(nèi)容和相應(yīng)的教學過程來看，計算機導論這門課往往缺乏邏輯性，因為其中的每一章對應(yīng)一門或幾門專業(yè)課程，在教學過程中常常是圍繞后續(xù)課程講解，即計算機專業(yè)有什么樣的后續(xù)課程，計算機導論就有什么內(nèi)容的章節(jié)，這樣就難免把該課程講成各門課程的簡介。計算機導論課程是對計算機學科的介紹，不依賴于后續(xù)開設(shè)的課程，在邏輯關(guān)系上應(yīng)該先有導論課程，后續(xù)課程要圍繞導論課程展開，而不是相反。因此，需要對計算機導論的教學思維進行轉(zhuǎn)換，這門課程是計算機“科學”的導論，而不是計算機“課程”的導論。

1.面向?qū)ο蠼虒W思想

面向?qū)ο笫且环N重要的分析方法，它將現(xiàn)實世界的事物抽象成對象，通過對現(xiàn)實世界的抽象與建模，幫助人們對復雜系統(tǒng)進行認知與理解。在面向?qū)ο笏枷胫校澜缡怯筛鞣N具有自身運動規(guī)律和內(nèi)部狀態(tài)的對象所組成的，不同對象之間的相互作用和通訊構(gòu)成了完整的現(xiàn)實世界。因此，應(yīng)當按照現(xiàn)實世界的本來面貌理解世界，通過對象及其相互關(guān)系反映世界。采用人類在認識客觀世界的過程中普遍運用的思維方法，可以直觀、自然地描述客觀世界中的事物，更符合人們的認識習慣和客觀規(guī)律。

面向?qū)ο笏枷胧侨祟愖匀坏恼J識過程，針對計算機專業(yè)知識體系，通過自然的方式去了解相關(guān)的內(nèi)容，是合適的選擇。計算機導論是大學新生入學以來的一門新課程，面向?qū)ο蠓治龇椒ǚ先藗冋J識新事物的規(guī)律，因此采用面向?qū)ο笏枷胫v授計算機導論，符合新生認識“計算機科學”這一新事物的規(guī)律。首先，面向?qū)ο蠓治龇椒◤娬{(diào)各個對象之間的關(guān)系，而不必了解對象內(nèi)部運行機制，適合讓學生了解計算機導論中各部分內(nèi)容之間的邏輯關(guān)系，而不必深入了解其詳細內(nèi)容，符合計算機導論課程的教學特點。此外，將面向?qū)ο笏枷胍胗嬎銠C導論中，還有助于培養(yǎng)學生的面向?qū)ο笏季S方式，為以后程序設(shè)計課程的學習奠定思維基礎(chǔ)。

2.計算機導論課程中的對象

將面向?qū)ο笏枷胍胗嬎銠C導論課程的教學，核心問題是如何將本課程的教學內(nèi)容合理的劃分為互相聯(lián)系的對象，從而使學生能夠更加容易理解計算機科學。為此，根據(jù)該課程的性質(zhì)和特點，結(jié)合計算機學科“什么能被有效的自動計算”的根本問題，將計算機導論課程的教學內(nèi)容抽象為以下幾個對象：計算機學科，計算機，計算，數(shù)據(jù)與信息，網(wǎng)絡(luò)。首先通過“計算機學科”介紹本專業(yè)的相關(guān)領(lǐng)域，然后介紹“計算機”是什么，怎么工作，進一步說明計算機如何“計算”，之后是計算機計算的對象——“數(shù)據(jù)與信息”及其相關(guān)的屬性知識，最后是多個計算機的互聯(lián)構(gòu)成計算機“網(wǎng)絡(luò)”對象，涉及網(wǎng)絡(luò)相關(guān)知識。計算機導論課程內(nèi)容對象關(guān)系如圖1所示。

2.1計算機學科

從學科的高度對計算機科學進行介紹，讓學生了解計算機專業(yè)研究領(lǐng)域，相關(guān)的核心課程，應(yīng)用方向等。根據(jù)百度文庫的解釋，計算機學科是研究計算機的設(shè)計、制造和利用計算機進行信息獲取、表示、存儲、處理控制等的理論、方法和技術(shù)的學科。一級學科計算機科學與技術(shù)主要有以下幾個研究方向：計算機科學理論，計算機體系結(jié)構(gòu)，計算機軟件，網(wǎng)絡(luò)，人工智能，計算機應(yīng)用，其中每個研究方向又有更詳細的分類。針對每個研究方向，通過實例簡單介紹研究內(nèi)容和應(yīng)用領(lǐng)域，使學生有一個大概的學科知識框架。根據(jù)具體面向的學生所學專業(yè)，將其劃分到相應(yīng)的學科方向，進一步明確本方向的研究領(lǐng)域和應(yīng)用前景，激發(fā)學生的學習興趣。引入計算機學科領(lǐng)域的典型問題，如漢諾塔游戲、哲學家共餐問題以及圖靈測試問題等等，讓學生感受到計算機學科的科學性和趣味性。另外，根據(jù)當前科學技術(shù)的發(fā)展，適當介紹學科領(lǐng)域前沿，比如當前芯片的集成密度、最高的網(wǎng)絡(luò)速度、人工智能的發(fā)展水平等，更能促進大一新生對本學科發(fā)展的向往與探索。

2.2計算機

作為硬件實體，計算機的概念應(yīng)該在教學開始階段就要介紹清楚。計算機是個什么東西？首先，從概念上介紹計算機的誕生和發(fā)展簡史，從簡單的計算工具到電子計算機所經(jīng)歷的發(fā)展過程，以及計算機的發(fā)展趨勢。然后解釋計算機的類型，包括大型機、微型機、單片機、嵌入式系統(tǒng)等分類及其應(yīng)用領(lǐng)域，并結(jié)合實際案例加以說明。

基于面向?qū)ο笏枷耄_定現(xiàn)代計算機對象的屬性和行為，其屬性包括數(shù)學屬性和物理屬性；行為有自動運行、計算和處理數(shù)據(jù)。數(shù)學屬性主要包括數(shù)制、算術(shù)和邏輯運算；物理屬性指的是計算機的硬件基礎(chǔ)，主要是元器件、邏輯門。通過硬件實現(xiàn)二進制的狀態(tài)、二進制的邏輯和算術(shù)運算，進而實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)和計算機指令控制。在這些數(shù)學和物理屬性的基礎(chǔ)上，引入存儲程序和操作系統(tǒng)的概念，實現(xiàn)計算機的自動運行行為，進一步實現(xiàn)復雜的計算和數(shù)據(jù)處理。

在“計算機對象”內(nèi)，將數(shù)學基礎(chǔ)、硬件組成、工作原理、操作系統(tǒng)、程序和數(shù)據(jù)各部分內(nèi)容有機地組合起來。在邏輯上將各個部分串起來有助于新生理解“計算機對象”的整體。計算機對象的這些構(gòu)成里面，每個子對象又可以通過面向?qū)ο蟮乃枷胱鬟M一步的解剖，說明這些子對象的屬性和行為，真正以符合認識規(guī)律的面向?qū)ο笏枷脒M行計算機知識的講解。

2.3計算

在計算機科學領(lǐng)域，廣義的計算概念也包括數(shù)據(jù)處理等方面，當然首先是要理解一般的算術(shù)運算過程。從計算機講到計算是自然的事情，在“計算機對象”中已經(jīng)有了計算的基礎(chǔ)，即數(shù)學理論和硬件實現(xiàn)，而復雜的計算是如何實現(xiàn)的？理解“計算”對象，首先是計算的屬性，包括所使用的語言和復雜度；其次是計算的行為，有計算過程和實現(xiàn)方法。圍繞計算機如何進行“計算”的問題進行講解，所涉及的知識點有程序設(shè)計、編程語言，算法、編譯等。

計算的任務(wù)是人給出的，即要完成什么，怎樣完成，這就需要人和計算機交流的“語言”——程序設(shè)計語言。程序設(shè)計語言又可以分為高級語言和低級語言，以及各自的進一步分類等等。為了解決復雜的計算，需要專門學習算法的知識，關(guān)系到計算的復雜性問題，并介紹典型的幾個算法，如遞歸，循環(huán)等。采用某種高級語言編寫的程序，可以告訴計算機干什么，而計算機對語言內(nèi)容的理解和執(zhí)行過程，涉及編譯的知識。這樣，就圍繞“計算”這個對象，將語言、程序、算法、編譯等知識點，有條理的展現(xiàn)在學生面前，而且讓初學者對計算機的計算過程有個宏觀的認識。

此外，讓學生進一步加深理解計算機的計算過程，引入“計算思維”的概念，計算思維是以計算機解決問題的方式去思考，像計算機科學家一樣考慮計算問題，這也是計算機科學領(lǐng)域從業(yè)者需要具備的思維方法。結(jié)合一些典型的數(shù)學運算如開方，來加深對計算機解題方法和計算思維的理解。

2.4數(shù)據(jù)與信息

在計算機中，數(shù)據(jù)是被計算的對象，也是初學者最容易想到和問到的問題，即計算機中“數(shù)據(jù)”是什么樣子的？列舉最常見的數(shù)據(jù)對象實例，并將現(xiàn)實世界中的數(shù)據(jù)分類為子對象，包括數(shù)字、字符、漢字，聲音，圖像，視頻等。要對數(shù)據(jù)進行處理，首先得設(shè)法對它進行描述和表示，讓計算機能夠理解并加以處理。因此，首先要對數(shù)據(jù)對象及其子對象進行屬性的描述，包括編碼、采樣、量化等，而無論什么數(shù)據(jù)對象，在計算機中都要轉(zhuǎn)化成二進制，而且所有內(nèi)容均保存在文件中，文件有各種類型和名稱。結(jié)合不同的數(shù)據(jù)形式，讓學生了解現(xiàn)實世界如何表示成二進制形式，是數(shù)據(jù)處理中首先要解決的問題。

在了解數(shù)據(jù)及其子對象屬性的基礎(chǔ)上，介紹數(shù)據(jù)對象的行為，包括存儲組織和常用辦公數(shù)據(jù)的處理。數(shù)據(jù)存儲組織中一個重要的知識就是數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫也是數(shù)據(jù)的子對象，可以為學生解釋眾多數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)去哪兒了。首先是數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)理論，然后結(jié)合數(shù)據(jù)庫實例展示一些主要的操作，使學生對數(shù)據(jù)庫有個感性認識。進一步說明數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)庫中的作用和重要性，著重強調(diào)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的概念，以及程序、算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，對所學的知識做一個邏輯上的鏈接。常用辦公軟件如WPS或Office，是數(shù)據(jù)處理的實例，結(jié)合數(shù)據(jù)對象的概念，簡單介紹其常用功能，并通過適當?shù)膶嵺`練習提高計算機的應(yīng)用能力。

2.5網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)對象是計算機對象的集合，即把多臺計算機連接起來就組成了網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)對象的屬性有類型、功能、組成和體系結(jié)構(gòu)。而網(wǎng)絡(luò)對象又可以包含兩個子對象即局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，介紹兩者的區(qū)別和聯(lián)系，讓大家理解生活中常用的兩個概念。網(wǎng)絡(luò)既然是由多臺計算機相互連接起來的，就要理解網(wǎng)絡(luò)的連接方法，即網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)和接入方式。網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是實際的網(wǎng)絡(luò)連接的一種抽象，除了介紹常見的幾種拓撲結(jié)構(gòu)外，這種抽象的方式也是計算機專業(yè)在解決問題的時候經(jīng)常要用到的，結(jié)合實際的計算機網(wǎng)絡(luò)及其采用的拓撲結(jié)構(gòu)，使學生對將實際問題進行抽象的理解有個初步的印象。通過智能手機的網(wǎng)絡(luò)連接體驗，使學生了解各種網(wǎng)絡(luò)接入方式。

網(wǎng)絡(luò)對象的行為包括正常的行為和非正常的行為，正常的網(wǎng)絡(luò)行為即各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，從網(wǎng)絡(luò)通信和資源共享兩個方面進行說明。其中網(wǎng)絡(luò)通信涉及IP地址、域名等知識，結(jié)合生活中常見的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，進一步說明網(wǎng)絡(luò)通信的知識。資源共享則有數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)、信息檢索以及萬維網(wǎng)等。此外，結(jié)合日常應(yīng)用，列舉出近年來新興的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，如電子商務(wù)、移動終端通信等等。而非正常的網(wǎng)絡(luò)行為有非法入侵、惡意軟件、網(wǎng)絡(luò)攻擊等，與之對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)安全知識有反病毒、反黑客、防火墻以及入侵檢測技術(shù)等，還有數(shù)據(jù)加密、安全認證等相關(guān)的概念。通過介紹計算機網(wǎng)絡(luò)對象的屬性和行為，將網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的知識進行有邏輯的組織，使學生更好地理解和掌握相關(guān)的知識點。

3.結(jié)語

采用面向?qū)ο蟮挠嬎銠C導論教學，并不是重新設(shè)計課程的教學內(nèi)容，而是將原來的教學內(nèi)容進行更加科學的歸整，根據(jù)提出的幾個“對象”將所有內(nèi)容做一個重新分組，使這些教學內(nèi)容都被包含在互相聯(lián)系的幾個“對象”中。這樣大一新生就能首先掌握計算機科學所包含的幾個大的部分，然后每個部分又有哪些細節(jié)內(nèi)容，使他們能有一個總體的計算機學科框架知識。與計算機導論課程類似，其他學科也可能存在同樣的問題，將學科自身的基本問題提煉成若干個典型的、互相聯(lián)系的“對象”，有利于學生理清本學科基本知識的脈絡(luò)。因此，基于面向?qū)ο笏枷氲膶д撜n程教學，對其他學科也有很好的借鑒意義。