計算機導(dǎo)論課程教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化與整合

付燕寧

摘要：為解決不斷增長的知識與有限教學(xué)時數(shù)的矛盾，從知識面、知識層次、知識連貫性等方面闡述如何優(yōu)化計算機導(dǎo)論課程的教學(xué)內(nèi)容，分析相應(yīng)的知識框架及課程教學(xué)內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：計算機導(dǎo)論；課程教學(xué)內(nèi)容；有效知識；知識框架

引言

隨著計算機學(xué)科知識的增長，計算機導(dǎo)論課教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)時數(shù)之間的矛盾越來越突出，如何解決這個矛盾，確實應(yīng)該引起計算機導(dǎo)論教育工作者的深思。

增加課程的教學(xué)時數(shù)是解決這個矛盾的一種途徑，但是，任何一門課程的內(nèi)容和時數(shù)變動都會引起整個課程體系的連鎖反應(yīng)。為此，在保持課程教學(xué)時數(shù)不變的前提下，只能通過科學(xué)合理地選擇和組織教學(xué)內(nèi)容，提高有效知識占有量來解決這個矛盾。目前，計算機導(dǎo)論課程教學(xué)內(nèi)容存在的問題主要有以下3點：知識覆蓋面不合理，知識層次把握不準(zhǔn)確，知識融合不夠。從知識覆蓋面上看，由于對課程的作用和目的認(rèn)識上的不足或偏差，文獻將辦公軟件使用等操作內(nèi)容納入課程教學(xué)當(dāng)中，文獻建議加強對計算機發(fā)展簡史的介紹，這些內(nèi)容與計算思維能力培養(yǎng)關(guān)系不大。此外，教學(xué)內(nèi)容的選擇和更新的盲目性也增加了課程的知識量，盡管文獻提出教學(xué)內(nèi)容要跟蹤最新計算機技術(shù)發(fā)展方向，但是并沒有指明要跟蹤哪些知識以及跟蹤的依據(jù)。從知識層次上看，由于對教學(xué)內(nèi)容的深度還缺乏明確的規(guī)定，導(dǎo)致對知識層次把握的隨意性，即使是計算機導(dǎo)論教材，對各部分內(nèi)容知識層次的把握也是不同的，個別內(nèi)容甚至深入到了專業(yè)課教學(xué)的層面，這也增加了課程教學(xué)的知識量。從知識連貫性上看，由于教學(xué)內(nèi)容的知識構(gòu)成存在不合理之處，有些內(nèi)容成為“知識孤島”，很難融合在一起，導(dǎo)致各部分內(nèi)容之間缺乏一致性知識表達，干擾教學(xué)內(nèi)容的落實和貫徹。這些問題的存在都會擠占有限的教學(xué)時數(shù)，造成課程有效知識占有量的不足。所謂有效知識是指與計算思維能力培養(yǎng)密切相關(guān)的知識總和，計算思維兩個核心要素是計算環(huán)境和問題求解，有效知識是以這兩個核心要素展開的內(nèi)容。

1教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化

優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容，要以穩(wěn)定的知識結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)要求，從知識覆蓋面、知識層次和知識連貫性3個方面，統(tǒng)一籌劃課程的教學(xué)內(nèi)容。

1.1知識覆蓋面

確定課程的知識面必須以課程的目的和作用為基礎(chǔ)，計算思維的教育理念統(tǒng)一了對課程目的和作用的認(rèn)識，但是，如果沒有穩(wěn)定的課程內(nèi)容，有限的課時也無法應(yīng)對不斷更新的技術(shù)。文獻以不同方式表達了反映學(xué)科核心思想和方法的內(nèi)容，并且這些文獻很明確地將辦公軟件操作、計算機發(fā)展簡史等內(nèi)容排除在課程教學(xué)之外。但是，有關(guān)計算理論方面的內(nèi)容還沒有形成明確的一致意見，從知識本身來看，這部分內(nèi)容與計算思維能力培養(yǎng)密切相關(guān)，但是從知識理解的角度來看，這部分內(nèi)容學(xué)生難以理解和接受。當(dāng)前計算機學(xué)科存在4個專業(yè)方向，每個專業(yè)方向的培養(yǎng)目標(biāo)是各不相同的，對計算機導(dǎo)論課程教學(xué)內(nèi)容的要求也不盡相同，計算理論內(nèi)容的取舍要結(jié)合不同專業(yè)培養(yǎng)要求而定，計算機科學(xué)專業(yè)可以將這部分內(nèi)容作為必選內(nèi)容，而其他專業(yè)可以酌情考慮。有了穩(wěn)定的課程內(nèi)容作為基礎(chǔ)，面對計算機學(xué)科知識的不斷更新和發(fā)展，各個專業(yè)方向都可以根據(jù)各自的培養(yǎng)要求有目的、有選擇地選取和更新內(nèi)容，避免教學(xué)內(nèi)容選擇和更新的盲目性。

1.2知識層次

盡管計算機導(dǎo)論是專業(yè)引導(dǎo)性質(zhì)的課程，但是對各部分內(nèi)容也不能同等對待。因為不同高校有不同層次的培養(yǎng)目標(biāo)，不同專業(yè)有不同的應(yīng)用需求，應(yīng)用需求不同，對各部分教學(xué)內(nèi)容的輕重要求也是不同的。因此，對知識層次的把握不能用一個標(biāo)桿，教學(xué)內(nèi)容的深淺要與專業(yè)培養(yǎng)要求結(jié)合起來，有針對性地把握各部分內(nèi)容的知識層次。教學(xué)目的對教學(xué)內(nèi)容的深度和寬度有明確具體的指導(dǎo)作用，因此，要根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)要求來權(quán)衡各個單元的教學(xué)目的。比如，就編譯程序這部分內(nèi)容而言，信息技術(shù)專業(yè)可以要求學(xué)生了解“編譯程序的作用”，而計算機科學(xué)專業(yè)可以要求學(xué)生了解“編譯程序的基本原理”，前者所界定的教學(xué)內(nèi)容是機器語言和高級語言各自的特點及編譯程序的作用，后者還要求在此基礎(chǔ)上包括編譯程序的基本工作過程。

1.3知識連貫性

盡管計算機導(dǎo)論課程涉及的知識領(lǐng)域繁多，但是這些知識領(lǐng)域之間卻隱藏著內(nèi)在聯(lián)系?？v觀整個課程內(nèi)容，它所涵蓋的內(nèi)容無非是硬件構(gòu)成到運行機理、系統(tǒng)軟件作用到工作機理、程序設(shè)計到軟件開發(fā)。每個部分都與程序密切相關(guān)，從硬件系統(tǒng)上看，它支持程序的自動執(zhí)行；從系統(tǒng)軟件上看（操作系統(tǒng)），它管理程序的運行活動；而程序設(shè)計和軟件開發(fā)，不言而喻，就是以程序為核心的內(nèi)容。由此可見，程序貫穿各個知識領(lǐng)域的核心概念。因此，各個部分可以以程序為核心展開教學(xué)，硬件系統(tǒng)部分以理解程序的執(zhí)行為教學(xué)目的，軟件系統(tǒng)部分以理解程序的運行活動為目的，程序設(shè)計與軟件開發(fā)部分以初步掌握程序設(shè)計和開發(fā)技術(shù)與方法為目的，這樣整個教學(xué)內(nèi)容就以程序為核心，形成了一致性的知識構(gòu)成，使各部分內(nèi)容更加“干凈”。

2教學(xué)內(nèi)容知識框架

程序是貫穿計算機學(xué)科各個知識領(lǐng)域的核心概念，利用程序這條主線，以程序的執(zhí)行、程序的運行、程序設(shè)計與軟件開發(fā)、計算機網(wǎng)絡(luò)展開教學(xué)內(nèi)容，這樣將教學(xué)內(nèi)容分為4個模塊，如圖1所示。

2.1程序執(zhí)行模塊

與程序執(zhí)行相關(guān)的知識領(lǐng)域統(tǒng)稱為程序執(zhí)行模塊。為了使學(xué)生了解計算機是如何執(zhí)行指令的，所需要具備的基礎(chǔ)知識是指令編碼和計算機結(jié)構(gòu)；為了使學(xué)生理解指令編碼，所需要了解的基礎(chǔ)知識是信息在計算機中的編碼；為了使學(xué)生理解計算機結(jié)構(gòu)，必須要了解信息在計算機中是如何存儲和運算的。由此，該模塊包括3個知識單元，分別是信息的機器表示、信息的存儲和運算以及計算機組成及工作原理。

2.2程序運行模塊

與管理程序運行活動相關(guān)的知識領(lǐng)域稱為程序運行模塊。理解程序運行活動的基礎(chǔ)是計算機組成及工作原理，在此基礎(chǔ)上，分3個方面理解程序的運行活動，一是程序沒有運行之前處于靜態(tài)狀態(tài)時程序的存儲形式；二是程序處于動態(tài)運行狀態(tài)時，分別從單道和多道程序的運行，使學(xué)生理解操作系統(tǒng)是如何對程序進行存儲管理的；三是從多道程序的運行，使學(xué)生了解操作系統(tǒng)是如何管理CPU，實現(xiàn)程序并發(fā)運行活動的。

2.3程序設(shè)計與開發(fā)

與程序設(shè)計與開發(fā)相關(guān)的技術(shù)（含語言）和方法統(tǒng)稱為程序設(shè)計開發(fā)模塊。為了使學(xué)生了解程序設(shè)計語言，所涉及的主要知識是編譯程序；為了使學(xué)生理解什么是程序，以及程序是如何設(shè)計出來的，所涉及的知識是算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；為了使學(xué)生掌握以數(shù)據(jù)處理為特征的軟件開發(fā)，所涉及的知識領(lǐng)域是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)；為了使學(xué)生了解大規(guī)模軟件是如何開發(fā)出來的，所涉及的知識領(lǐng)域是軟件工程。由此，該模塊包括程序設(shè)計語言與編譯程序、算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和軟件工程方法。

2.4計算機網(wǎng)絡(luò)

該模塊包括網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件和WWW工作原理。網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)以計算機組成為基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件以操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)硬件知識為基礎(chǔ)，Web程序設(shè)計所涉及主要基礎(chǔ)知識是程序設(shè)計基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，如果開發(fā)大型Web應(yīng)用，還要求以軟件工程知識作為基礎(chǔ)。Web程序設(shè)計包括在WWW環(huán)境下與程序設(shè)計相關(guān)的技術(shù)、方法和開發(fā)環(huán)境，但是由于計算機導(dǎo)論是專業(yè)引導(dǎo)性質(zhì)的課程，這個部分只須講授到WWW工作原理為止。

3課程教學(xué)內(nèi)容

課程教學(xué)內(nèi)容包括理論教學(xué)內(nèi)容和實踐教學(xué)內(nèi)容，理論教學(xué)內(nèi)容由10個知識單元組成，實踐教學(xué)內(nèi)容包括5項實踐內(nèi)容。

3.1理論教學(xué)內(nèi)容

教學(xué)目的是教學(xué)活動的預(yù)期結(jié)果，教學(xué)要求是達成教學(xué)目的的一系列教學(xué)活動。教學(xué)目的及要求實質(zhì)上體現(xiàn)了知識構(gòu)成以及知識之間的內(nèi)在順序，因此可以利用教學(xué)目的及要求表達各個單元的知識體系。這里給出的教學(xué)目的及要求僅僅起示范作用，具體教學(xué)內(nèi)容可根據(jù)不同專業(yè)的教學(xué)需要有所側(cè)重，有所取舍。

3.1.1信息的機器表示

使學(xué)生掌握信息在計算機中是如何表示的。要求學(xué)生了解計算機為什么采用二進制，掌握二進制與其他進制之間的轉(zhuǎn)換，掌握整數(shù)、小數(shù)和字符的機器表示，了解漢字的機器表示，理解指令的編碼格式。

3.1.2信息的機器存儲與運算

使學(xué)生理解信息在計算機中是如何存儲和運算的。欲使學(xué)生理解信息存儲和運算，必須得首先使學(xué)生掌握與門、或門、非門、與非門、或非門和異或門的功能。因此，教學(xué)要求是使學(xué)生掌握基本邏輯門的功能，理解RS鎖存器、全加器的結(jié)構(gòu)及其工作原理。

3.1.3計算機結(jié)構(gòu)及其工作原理

使學(xué)生領(lǐng)會計算機是如何執(zhí)行指令的。馮·諾依曼型計算機工作原理是理解指令執(zhí)行過程的基礎(chǔ)，理解計算機工作原理要以計算機組成部件，以及各組成部件之間的關(guān)系為前提，只有揭示出各個部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，才能使學(xué)生理解各個部件之間的信號關(guān)系。因此，該單元教學(xué)要求如下：使學(xué)生了解計算機是由哪些部件組成，以及各個部件的作用，理解各個部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以及它們之間的信號關(guān)系，理解馮·諾伊曼型計算機的工作原理，了解計算機是如何執(zhí)行指令的。

3.1.4操作系統(tǒng)的基本功能

使學(xué)生了解程序是如何在操作系統(tǒng)管理和控制下運行的。要求學(xué)生從程序的角度了解文件管理功能，了解存儲管理功能，了解處理器管理（進程管理）功能。操作系統(tǒng)是專業(yè)教育的難點，因此必須合理地設(shè)計教學(xué)過程，根據(jù)“程序由靜態(tài)轉(zhuǎn)化為動態(tài)”的過程組織和編排該單元內(nèi)容。以“雙擊程序圖標(biāo)之前，程序存放在何處”來導(dǎo)人文件管理內(nèi)容；以“雙擊程序圖標(biāo)之后，程序被調(diào)入到什么地方”來導(dǎo)入程序存儲管理內(nèi)容；以“雙擊多個圖標(biāo)意味著什么”導(dǎo)入處理器管理內(nèi)容。

3.1.5高級語言與編譯程序

使學(xué)生了解高級語言基本知識及翻譯程序的作用。為了使學(xué)生了解編譯程序的基本工作過程，得使學(xué)生理解編譯程序的作用；欲使學(xué)生理解編譯程序的作用，得使學(xué)生了解高級語言與機器語言之間的區(qū)別。由此確定出該單元教學(xué)內(nèi)容的順序是：高級語言簡介一機器語言與高級語言各自的特點一編譯程序的作用及其基本工作過程一交互式集成開發(fā)環(huán)境。

3.1.6算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

使學(xué)生了解如何設(shè)計程序。要求學(xué)生了解算法與程序之間的關(guān)系，算法與數(shù)據(jù)組織之間的關(guān)系，掌握程序的基本結(jié)構(gòu)。通過簡單計算問題的求解，使學(xué)生理解什么是算法，利用算法使學(xué)生明確程序的概念。利用簡單計算問題闡明線性表的兩種存儲結(jié)構(gòu)，并基于這兩種存儲結(jié)構(gòu)設(shè)計該問題的算法，說明算法與數(shù)據(jù)組織之間的關(guān)系，拓展和深化學(xué)生對算法和程序的理解。我們通過程序基本結(jié)構(gòu)，使學(xué)生了解良好的程序靜態(tài)結(jié)構(gòu)對保證程序動態(tài)運行的正確性認(rèn)識。

3.1.7軟件工程方法

使學(xué)生了解如何開發(fā)軟件。首先使學(xué)生了解如果不采用工程方法指導(dǎo)軟件開發(fā)實踐會存在哪些危害，引出軟件危機的教學(xué)內(nèi)容；既然存在這么嚴(yán)重的危害，那么如何利用工程方法來開發(fā)軟件呢，從而引出軟件開發(fā)過程的講述；在這個過程中要采用什么方法開發(fā)軟件呢，自然引出結(jié)構(gòu)化方法和面對對象方法的內(nèi)容。最后，如同其他產(chǎn)品一樣，需要對軟件產(chǎn)品的質(zhì)量做出評價，從而給出軟件產(chǎn)品的評價標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.8數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

使學(xué)生了解面向數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域的軟件開發(fā)的技術(shù)和方法。要求學(xué)生了解數(shù)據(jù)處理為什么需要數(shù)據(jù)庫（即文件與數(shù)據(jù)庫的區(qū)別與聯(lián)系），了解實體關(guān)系模型和關(guān)系模型，理解數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。從編程角度看，這部分內(nèi)容包括兩部分：即程序處理的對象（即數(shù)據(jù)庫）和編程技術(shù)（即數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)）。因此，通過引入恰當(dāng)?shù)膶嵗f明什么是數(shù)據(jù)庫，通過實體關(guān)系模型和關(guān)系模型，講解如何建立數(shù)據(jù)庫；通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，介紹如何定義數(shù)據(jù)庫，如何對數(shù)據(jù)庫進行查詢、更新等操作，如何保證數(shù)據(jù)庫的安全性和完整性。

3.1.9計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

使學(xué)生了解網(wǎng)絡(luò)軟硬件環(huán)境及該環(huán)境下軟件開發(fā)的主流技術(shù)。要求學(xué)生了解計算機網(wǎng)絡(luò)硬件的組成以及作用，了解網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，了解網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的組成和作用，了解互聯(lián)網(wǎng)以及互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，初步理解www技術(shù)及其工作原理。因為www已經(jīng)成為計算機網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)的主流技術(shù)，并且能很好地體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下應(yīng)用開發(fā)的特征，因此，將WWW及其工作原理作為該單元的主要內(nèi)容之一。

為使核心教學(xué)內(nèi)容得到更好的貫徹，在上述教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，我們增設(shè)了“引論”教學(xué)單元，其教學(xué)目的是使學(xué)生獲得對計算機、計算機系統(tǒng)以及計算機學(xué)科的宏觀認(rèn)識和總體了解。我們將計算機組成以及各部分的作用放置到該單元，以便使學(xué)生獲得對計算機的總體認(rèn)識；通過計算機系統(tǒng)及其分層結(jié)構(gòu)的教學(xué)，使學(xué)生獲得對計算機學(xué)科總體知識框架的了解；由計算機系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)，解析出計算機學(xué)科知識體系，使學(xué)生了解知識體系與課程體系之間的對應(yīng)關(guān)系，使學(xué)生了解計算機學(xué)科要學(xué)習(xí)哪些課程；通過基本知識和能力要求以及職業(yè)要求的教學(xué)，使學(xué)生了解通過專業(yè)教育要掌握哪些知識，具有什么能力，從業(yè)所需的職業(yè)操守及知識產(chǎn)權(quán)等知識。

3.2實踐教學(xué)內(nèi)容

優(yōu)化課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)要解決的另外一個問題是使實踐教學(xué)與理論教學(xué)相融合，實現(xiàn)實踐教學(xué)促進理論教學(xué)的目的。為了加強學(xué)生對理論教學(xué)內(nèi)容的理解，同時也為了加強學(xué)生應(yīng)用實踐能力，分別在5個單元增設(shè)了5項實驗內(nèi)容。

（1）開設(shè)“微型計算機結(jié)構(gòu)與配置”實驗內(nèi)容，主要目的是使學(xué)生直觀感知計算機硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各個主要部件。

（2）開設(shè)“建立文件和文件夾”，引導(dǎo)學(xué)生分別利用在兩種用戶界面下建立文件和文件夾，目的是使學(xué)生加深對文件系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的理解。

（3）開設(shè)“WTNDOWS任務(wù)管理器應(yīng)用”，目的是使學(xué)生加深對程序和進程的理解，使學(xué)生了解進程與程序之間的區(qū)別，啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生理解處理器管理功能。

（4）開設(shè)“程序集成開發(fā)環(huán)境”，使學(xué)生了解源程序、目標(biāo)程序等概念，從而加深對編譯程序作用的理解，熟悉編程環(huán)境以及編程步驟。

（5）開設(shè)“建立學(xué)生信息表以及簡單操作”，通過建立簡單的數(shù)據(jù)表和簡單的操作，加深對數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的認(rèn)識和理解。

4結(jié)語

以計算思維能力培養(yǎng)為核心，利用程序這條主線組織教學(xué)內(nèi)容，使教學(xué)內(nèi)容與計算思維能力培養(yǎng)目標(biāo)高度契合，實現(xiàn)了各領(lǐng)域知識的一致性表達，使整個教學(xué)內(nèi)容變得“干凈和清潔”。該種教學(xué)內(nèi)容構(gòu)成模式達到了教學(xué)內(nèi)容整體優(yōu)化的目的，促進了以計算思維能力培養(yǎng)為核心的教學(xué)活動的開展，有利于實現(xiàn)教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變，即“以概念講解驅(qū)動教學(xué)內(nèi)容的展開”向“以知識傳授帶動概念理解”的轉(zhuǎn)變。此外，也可為計算機學(xué)科各專業(yè)的計算機導(dǎo)論課教學(xué)內(nèi)容構(gòu)建提供參考。