可視化表達(dá)與互動(dòng)組織在“計(jì)算機(jī)導(dǎo)論”課程教學(xué)中的應(yīng)用分析

王 劍

（長(zhǎng)江大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 荊州 434023）

計(jì)算學(xué)科已經(jīng)成為基礎(chǔ)技術(shù)學(xué)科。 隨著計(jì)算機(jī)和軟件技術(shù)的發(fā)展， 繼理論和實(shí)驗(yàn)后計(jì)算成為第三大科學(xué)研究范型， 從而使計(jì)算思維成為現(xiàn)代人類重要的思維方式之一。 學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)被視為計(jì)算機(jī)專業(yè)類基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維、程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、算法分析與設(shè)計(jì)、 系統(tǒng)能力等計(jì)算機(jī)類專業(yè)基本能力。 計(jì)算機(jī)導(dǎo)論是計(jì)算機(jī)學(xué)科的第一門(mén)基礎(chǔ)課， 是學(xué)生承前啟后，初步入門(mén)的重要課程。 學(xué)習(xí)好了該課程，會(huì)對(duì)學(xué)生建立計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)習(xí)自信， 培養(yǎng)計(jì)算機(jī)類專業(yè)素養(yǎng)，了解計(jì)算機(jī)專業(yè)特征， 掌握計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)， 明確計(jì)算機(jī)學(xué)科地圖， 增加計(jì)算機(jī)視野具有較好的幫助和加成。

通過(guò)數(shù)年來(lái)對(duì)計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程的調(diào)研和一線教學(xué)、 實(shí)驗(yàn)活動(dòng)， 我們發(fā)現(xiàn)目前計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程中入學(xué)新生的水平嚴(yán)重參差不齊， 通過(guò)調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)， 我國(guó)廣大的專業(yè)大一新生在入校以前正規(guī)學(xué)過(guò)的計(jì)算機(jī)課程普遍偏少甚至為零， 特別是目前高中培養(yǎng)模式下的非發(fā)達(dá)地區(qū)學(xué)子普遍是“0 基礎(chǔ)”偏多，很多新生在入校以前的計(jì)算機(jī)專業(yè)課基本上屬于放羊式的教學(xué)和學(xué)習(xí)， 這就使得授課老師產(chǎn)生了疑惑和壓力， 學(xué)生無(wú)基礎(chǔ)，如何能淺顯易懂的教授計(jì)算機(jī)導(dǎo)論這門(mén)課程？

針對(duì)上述分析， 筆者提出了在傳統(tǒng)理論課堂的教學(xué)基礎(chǔ)上， 采用可視化表達(dá)與互動(dòng)組織的計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程教學(xué)模式， 打好 “計(jì)算機(jī)導(dǎo)論與計(jì)算思維有效結(jié)合”與“積極融入可視化表達(dá)的通俗易懂闡述模式”兩張牌， 良好的平衡了基礎(chǔ)的教學(xué)內(nèi)容與計(jì)算機(jī)發(fā)展的前沿技術(shù)之間的度， 清晰地給出計(jì)算機(jī)學(xué)科的學(xué)習(xí)地圖，針對(duì)“0 基礎(chǔ)或者薄弱基礎(chǔ)”的學(xué)生提供了直觀明了的可視化編程方法， 并詳細(xì)分析多個(gè)計(jì)算機(jī)學(xué)科內(nèi)的經(jīng)典算法及其表達(dá)， 通俗易懂的全面講解了當(dāng)前計(jì)算機(jī)類的新興技術(shù)， 幫助學(xué)生能快速， 全面的對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)了解入門(mén)和掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。 互動(dòng)組織活動(dòng)主要從分組形式和規(guī)則， 內(nèi)容的組織方法， 內(nèi)容的設(shè)計(jì)形式和可視化技術(shù)及虛擬機(jī)的有效引入這些方面展開(kāi)。

下面以授課中以計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程中的 “嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用” 部分和算法思維部分講解為例對(duì)課堂活動(dòng)組織進(jìn)行分析：

首先是分組，組員一般有4 人，分別是主講人、幻燈片制作人、 提問(wèn)人和回答人。 然后幻燈片的制作第一面至少應(yīng)包含題目，小組成員姓名（任務(wù)分配)；形式可多樣不限于文字，圖片，圖形或者其他，總數(shù)量不應(yīng)少于15 張幻燈片，以更好的講清楚指定指令為目標(biāo)但應(yīng)保持簡(jiǎn)潔明了的基本原則； 最后一張應(yīng)為致謝。 兩組講解同一指令， 提問(wèn)人負(fù)責(zé)對(duì)指定指令向另一組提問(wèn)， 不少于2 個(gè)問(wèn)題， 另一組指定回答人負(fù)責(zé)指定指令作答。 雙方組長(zhǎng)互評(píng)對(duì)方組的講述及幻燈片制作環(huán)節(jié)等。 由授課老師負(fù)責(zé)評(píng)選最佳組（長(zhǎng)）、最佳PPT 制作和最佳主講人。 課程結(jié)束后應(yīng)完成相應(yīng)作業(yè)， 寫(xiě)在作業(yè)本上并上交，作業(yè)格式為：本組指令名稱、指令格式及說(shuō)明和指令舉例說(shuō)明。

內(nèi)容的組織是個(gè)重要組成部分， 選擇合適的問(wèn)題展開(kāi)辯論和學(xué)習(xí)有助于激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣， 擴(kuò)展他們的學(xué)習(xí)視野。 比如可以有下列選題： 什么是嵌入式系統(tǒng)？ 什么是SWI 指令？什么是硬件抽象層OAL？什么是bootloader？ 簡(jiǎn)述基于x86 處理器和arm 處理器的系統(tǒng)調(diào)用方式的區(qū)別？ 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)是什么 ？簡(jiǎn)述嵌入式系統(tǒng)的總線 ？ 簡(jiǎn)述ARM9 處理器模式？ 什么是寄存器尋址方式 ？ 什么是SWP(Swap)指令？ 什么是嵌入式系統(tǒng)軟件？ 什么是Linux 模塊？試分析Boot Loader 的啟動(dòng)過(guò)程 ？什么是MMU？嵌入式系統(tǒng)的硬件有哪些組成？簡(jiǎn)述ARM9 異常處理過(guò)程？簡(jiǎn)述嵌入式系統(tǒng)存儲(chǔ)器 ？ 什么是寄存器間接尋址方式？ ARM 轉(zhuǎn)跳指令主要功能是什么? 這樣的選題難度較低， 適合學(xué)生展開(kāi)分析和討論， 對(duì)于基礎(chǔ)較好的學(xué)生， 應(yīng)準(zhǔn)備難度較大合作程度更高的題目進(jìn)行辯論工作。

內(nèi)容的設(shè)計(jì)方式應(yīng)切合技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)， 從學(xué)生實(shí)際情況出發(fā)， 同時(shí)合理最大化運(yùn)用現(xiàn)有軟硬件資源，為學(xué)生的課程設(shè)計(jì)提供良好的平臺(tái)。 LINUX 和嵌入式平臺(tái)具有良好的可擴(kuò)展性和可操作性。 針對(duì)上述平臺(tái)展開(kāi)合理的課設(shè)內(nèi)容的設(shè)計(jì)能有效提高實(shí)習(xí)學(xué)生的嵌入式設(shè)計(jì)能力。 虛擬機(jī)VMWARE 的引入是重要環(huán)節(jié)。它能有效的避免對(duì)宿主機(jī)操作系統(tǒng)windows 的破壞。

由于部分學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)類的嵌入式系統(tǒng)缺乏一定的理論基礎(chǔ)， 在內(nèi)容設(shè)計(jì)的提高階段有一定的困難，對(duì)此授課教師需要將內(nèi)容實(shí)行有效地分層化規(guī)劃，在強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)核心課設(shè)規(guī)劃的基礎(chǔ)上， 分層次設(shè)計(jì)課堂活動(dòng)組織目標(biāo)。

然后對(duì)算法思維進(jìn)行介紹。 算法的講解是計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程中的核心部分， 算法思維屬于計(jì)算思維的一種具體化表達(dá)方式， 屬于客觀世界抽象后形成的計(jì)算機(jī)世界的表達(dá)， 算法和文檔的有序組織， 才能形成有效的軟件程序。 重視算法思維的教學(xué)， 是計(jì)算機(jī)類基礎(chǔ)課和核心課教學(xué)的重要組成部分。 國(guó)內(nèi)頂尖高校普遍重視在大學(xué)低年級(jí)階段就展開(kāi)算法思維的教學(xué)工作，由于這些高校生源基礎(chǔ)好，學(xué)生普遍自學(xué)能力強(qiáng)，在入校前都有了一定的計(jì)算機(jī)類思維的培訓(xùn)甚至有項(xiàng)目經(jīng)歷， 因而對(duì)于這些學(xué)校不存在上述問(wèn)題， 但是反過(guò)來(lái)說(shuō)絕大部分高校由于種種原因， 對(duì)這一塊的教學(xué)深化還有待加強(qiáng)。 目前在計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程中算法的講解主要方法是流程圖，N-S 圖，偽代碼，少部分還使用了當(dāng)下最流行的python 語(yǔ)言作為算法分析語(yǔ)言。 針對(duì)“0 基礎(chǔ)或者薄弱基礎(chǔ)”的學(xué)生，可以采用可視化表達(dá)模式幫助他們迅速入門(mén)掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

可視化是利用計(jì)算機(jī)圖形和圖像技術(shù)， 將數(shù)據(jù)或者程序轉(zhuǎn)換成可視化表達(dá)模式進(jìn)行顯示和交互處理的方法和技術(shù)。 可視化表達(dá)的技術(shù)種類很多， 其宗旨是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)到顯示的無(wú)縫連接。 在計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程中，可以采用scratch 技術(shù)或者app inventor 技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于算法等章節(jié)的描述表達(dá)。 前者應(yīng)用在windows 的PC端，后者運(yùn)用在Android 的移動(dòng)終端。 可以根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)和興趣來(lái)選擇合適的編程軟件。 把數(shù)據(jù)動(dòng)起來(lái)，把程序顯示出來(lái)， 把軟件的過(guò)程化顯示出來(lái)， 可以有效的幫助薄弱基礎(chǔ)的學(xué)生增強(qiáng)信心和興趣， 調(diào)動(dòng)他們的積極性， 更快更好的入門(mén)和掌握知識(shí)點(diǎn)。 這里要說(shuō)明的是， 虛擬機(jī)在此處應(yīng)該有較大的作用發(fā)揮， 虛擬機(jī)指通過(guò)軟件模擬的具有完整硬件系統(tǒng)功能的、 運(yùn)行在一個(gè)完全隔離環(huán)境中的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 虛擬系統(tǒng)通過(guò)生成現(xiàn)有OS 的全新虛擬鏡像， 它具有真實(shí)操作系統(tǒng)完全一樣的功能， 進(jìn)入虛擬系統(tǒng)后， 所有操作都是在這個(gè)全新的獨(dú)立的虛擬系統(tǒng)里面進(jìn)行， 可以獨(dú)立安裝運(yùn)行軟件，保存數(shù)據(jù)，擁有自己的獨(dú)立桌面，不會(huì)對(duì)真正的系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響 ，而且具有能夠在現(xiàn)有系統(tǒng)與虛擬鏡像之間靈活切換的一類OS。

通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)類新生的教學(xué)及實(shí)踐活動(dòng)，在采用了可視化表達(dá)與互動(dòng)組織的計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程教學(xué)模式的班級(jí)與未采用該模式的參考班級(jí)對(duì)比情況下，使用了該模式的班級(jí)最終呈現(xiàn)的如期末成績(jī)， 實(shí)驗(yàn)報(bào)告，作業(yè)、課堂反饋均好于參考班級(jí)，說(shuō)明該模式具有一定的實(shí)用價(jià)值和參考意義。 接下來(lái)需要進(jìn)一步總結(jié)經(jīng)驗(yàn)繼續(xù)積極有效的進(jìn)行教學(xué)改革探索實(shí)踐。