基于知識背景的計算學科課程內容組織

　　摘要：針對目前計算機課程教學內容只側重知識點的現象，提出基于知識背景的計算機課程教學基本思想。教學內容的組織是保證課程教學效果的重要因素，將知識點與知識背景有機結合，利于學生全面掌握知識，提高學習興趣。本文根據高校計算學科課程知識的特點，對計算學科課程知識背景的類型加以分析總結，闡述基于知識背景的高校計算學科課程內容的組織原則，并以離散數學結構課程為例，探究基于知識背景的高校計算機課程內容組織方法。
　　關鍵詞：計算學科；計算機課程；知識點；知識背景；課程教學
　　
　　自2007年國家將高等院校教學質量當做一項工程，并實施“高等學校本科教學質量與教學改革工程”以來，如何實施課程改革，提高教學質量就成為各高校日常工作面臨的一個重要課題。課程改革決定教學質量，而課程改革的核心是課程的實施。因而，有效實施課堂教學，使課程教學達到最優狀態，從而實現課程改革的目標成為所有高校教育工作者的愿望。
　　目前，在我國高等院校設置計算機專業的情況非常普遍，計算機課程教學成為高校培養信息技術人才的重要組成部分。通常的計算機課程內容組織都是以知識點為主，因此，知識的廣度與深度和關聯性難以得到充分體現，學生的專業素養難以得到有效培養。對此，有計算機教育工作者提出了基于知識背景的計算機課程教學思想[1]，并對基于知識背景的計算機課程教學展開了初步研究[2]。所謂基于知識背景的課程教學就是在課程內容的組織和課堂教學過程中充分利用與知識點有關的背景知識，將兩者有機組合，強調知識的來龍去脈與知識間的關聯，幫助學生全面深入了解所學知識，提高學生的學習興趣，這對提高課堂教學效果有非常積極的作用。本文以高校計算機課程為例，分析課程知識背景的類型，闡述基于知識背景的課程內容組織的原則，并探究基于知識背景的課程內容組織方法。
　　1計算學科知識的特點
　　計算機科學是以數學和電子科學為基礎、理論與實踐相結合的一門學科，它具有深厚的理論基礎并涉及各類先進技術，綜合性與實踐性很強。計算學科知識有復雜嚴密性、廣泛應用性、快速發展性、文化傳播性等特點，由此造就了該學科領域獨特的思維方式。深刻認識計算學科知識的特點，對于開展計算機課程教學改革，提高計算機課程教學效果，保證計算機課程教學質量，具有十分重要的指導意義。
　　復雜嚴密性：計算學科形成于20世紀30年代的后期，來源于對數理邏輯、計算模型、算法理論、自動計算機器等的研究，計算學科理論與技術的不斷發展，使計算學科綜合了多種不同學科的理論和方法。在計算學科中，無論是理論研究還是技術研究，最終目標都要體現在計算機軟件產品的程序指令系統能機械、嚴格地按照程序指令執行，不能出錯，計算機系統的這一客觀屬性和特點決定了計算機的設計、制造，以及各種軟件系統開發都應該是嚴密的、精確無誤的。
　　廣泛應用性：計算機作為一種工具，幾乎在所有學科及一切社會領域中都被運用。其成熟技術(如網絡技術、電子商務等)在各行業的成功應用，特別是嵌入式系統的應用不僅體現了其廣泛的應用性，也體現了其先進的技術性。計算學科的許多理論同時具有理論、技術、工程等多重屬性，使得其許多理論、技術和工程的內容相互滲透、密不可分的。計算機的應用推動了社會發展，改變了生活狀態，極大地提升了人們的生活質量，改善了人們的工作條件，使工業社會走向信息社會。
　　快速發展性：計算學科知識的快速發展直接受計算機科學發展及應用的影響。在過去的幾十年里，計算學科的發展日新月異，新知識、新技術、新理論不斷涌現，在我們掌握一門新技術的同時就又有更新的技術產生，想要以最快的速度接受并利用新技術關鍵在于個人對計算機科學的把握程度。
　　文化傳播性：從廣義上來講，文化是人類在社會歷史實踐過程中所創造的物質財富和精神財富的總和。而狹義的文化則指社會的精神文化，包括哲學、宗教、科學、技術、藝術、社會心理、風俗習慣，等等，是一個包含多層次、多方面內容的統一體。計算學科與其他學科在知識傳承面上的文化功能是相似的。它們都無例外地擔負著傳授學科基本知識、學科一般邏輯的職責。它對學習者的教育功能應該不止是“計算機”的，更是“文化”的。計算學科課程的學習不應簡單地歸結于工具性、應用性，還應有廣闊的社會文化背景。
　　從計算學科知識的特點可以看出，僅僅從知識點出發是很難讓學生全面深入了解和掌握相關知識的，更談不上專業素養的培養。這就要求我們在課程教學的實施過程，不僅要講知識點，而且還要考慮知識的產生與發展狀況，更要關注知識間的關聯。
　　2計算學科課程的知識背景
　　當學習者接觸到一個新的計算學科知識信息時，頭腦中所有與此信息有關、并影響該信息加工過程的知識可以認為是該信息的主觀知識背景，而客觀存在或逐步形成的與該知識信息有關的知識可以認為是該信息的客觀知識背景。計算學科課程的知識背景一般是指計算學科課程知識背后隱含的與知識點相關的知識信息，通常與知識的形成與發展、相關的人物、思想理念等密切關聯，對計算學科課程知識背景的挖掘與計算科學思想史研究密切相關[3]。它主要是指在計算學科發展過程中一系列有助于學習者對計算學科知識的認識、理解、掌握和運用的知識背景，包括各種計算學科新理論、新思想、新技術出現時的一些人物、事件、趣事等。
　　計算學科課程的知識背景覆蓋面極大，除了常見的人物背景、時間背景、事件背景、歷史背景、社會背景等，還包括文化背景、相關學科知識背景、技術背景、應用背景，等等。
　　計算學科課程的文化背景簡單的理解就是每個地域的不同風俗習慣造成的文化差異。例如，由于中西方文化的不同，使得中西文的處理就有所區別。西文單詞由多個英文字母組合而成，是一個整體，編輯時是不應該將一個單詞拆分開來的，而中文是方塊字，不存在拆分的問題，但由于歷史文化的沿襲，常常需要進行豎排。因此，同一個文字處理軟件，針對不同的國家和文化，就需要設計不同的功能。
　　計算學科的課程涉及多門學科，如數學、物理、各種工程應用等，因而需要有豐富的知識背景。計算機科學植根于數學，從而數學是必須掌握的基礎知識，同時牢固的數學基礎，也可使學生者的邏輯推理能力、抽象思維能力和形式化思維能力大大提高。例如，在計算機程序設計語言中常常涉及到數值計算、線性代數以及微積分等方面的知識，這就要求學習者必須具有這些方面的知識背景。再如計算機的設計制造與材料學、光電學、設計學等都有著密切的聯系，同時由于計算機這種產品與一般工業產品不同，完整的計算機產品是“復合產品”，包括硬件、軟件以及多種服務支援在內，而計算機的應用領域又十分廣泛，計算機已經滲透到社會經濟各個領域，并進入辦公室和家庭，因而相關的知識背景對計算機的設計和制造有著至關重要的意義。
　　由于計算學科是集理論、技術、應用于一體的學科，其許多課程都有其復雜的技術背景。如數據挖掘就是從大量數據中獲取有效的、新穎的、潛在有價值的知識的過程。它的提出以及被普遍接受是由于計算機及其相關技術的發展為其提供了研究和應用的技術基礎。其技術支持歸納為數據庫、數據倉庫和Internet等信息技術的發展；計算機性能的提高和先進的體系結構的發展；統計學和人工智能等方法在數據分析中的研究和應用等。
　　計算學科本身有著很強的應用價值，故其所有課程都有其特殊的應用背景。如隨著Internet網和Web的出現，以及環球信息網WWW的快速增長，基于網絡的企業應用要求軟件平臺具有開放性、分布性和平臺無關性。高效、可移植性的語言需求顯得十分迫切。于是在1995年5月由Sun Microsystems公司推出了Java程序設計語言。用Java實現的HotJava瀏覽器實現了跨平臺、動態的Web、Internet計算。從此，Java被廣泛接受并推動了Web的迅速發展。
　　
　　3基于知識背景的計算學科課程內容組織的原則
　　基于知識背景的計算學科課程內容組織，借助知識背景為計算學科課程注入知識性、趣味性內涵，不僅有利于學習者掌握新的知識，更有利于學習者對計算學科知識的來源、所處的位置、有何應用等有更深刻的認識，可起到幫助學習者深刻理解計算學科知識的內容和價值，從而盡快掌握計算學科知識的作用。但基于知識背景的計算學科課程內容組織，必須遵循一定的原則。
　　首先，必須滿足順序性原則。順序性是指強調每一后繼內容要以前面的內容為基礎，同時又對有關內容加以更深入、廣泛地開展。計算學科課程內容的組織可按直線式與螺旋式兩種方式，既要將計算學科課程的內容根據計算學科本身的系統和內在的聯系，組織成一條在邏輯上前后相聯系的直線，前后內容基本上不重復，又要按照學習者的學習情況來組織，將課程內容與學習者校外經驗有效地聯系起來，以學習者的知識背景為基礎組織課程內容，在不同階段上使計算學科課程內容重復出現，在知識背景的基礎上逐漸擴大范圍和加深程度，從而使學習者的計算學科知識聯結成一個網絡。必須關心知識的應用而不只是知識的形式，從而使計算學科課程內容的組織具有一定彈性。
　　其次，必須滿足整合性原則。整合性是指各種課程內容之間橫向聯系，以便有助于學習者獲得一種統一的觀點，并把自己的行為與所學的課程內容統一起來。計算學科課程內容的組織要打破學科的界限和傳統的知識體系，采用靈活多變的組織方式，以使學習者有機會更好地將前面課程內容作為新課程的知識背景，整合到新的課程內容之中，并讓學習者所學的內容對他們的學習、工作、生活具有重要意義，從而使學習者進一步認識到計算學科課程內容的現實意義。
　　第三，必須滿足開放性原則。開放性是指課程內容應不斷更新，要及時反映計算學科的新知識、新技術、新方法，這是由計算學科的特點所決定的。計算學科課程內容應及時地整合計算學科的最新成果，同時注重處理經典與現代的關系，充分體現計算學科內容新穎的特點，建立不斷更新的機制，使課程內容體系保持知識與實踐相結合，理論與應用相結合。
　　4基于知識背景的計算學科課程內容組織的方法
　　一般情況下，不同課程的知識點有所不同，因此知識背景也有所區別，但同一學科不同課程的知識背景往往又相互關聯滲透。由于每個人的知識儲備不同，接觸同一個信息時的背景知識不同，對它的加工也會不同。同時，同一個人針對同一個信息的背景知識會變化，對它的加工也會發生變化。因此，根據不同人、不同專業、不同學習階段、不同的知識內容，分析并充分利用知識背景才能更好地理解和掌握計算學科知識。下面以計算學科課程離散數學結構為例，說明基于知識背景的課程內容組織的基本思想方法。
　　離散數學結構是計算機專業的一門重要的專業基礎課，它在計算機科學與技術及相關專業的諸多領域中有廣泛的應用背景。許多計算機教育工作者對如何開展離散數學結構的教學進行了實踐與探討。如從教學內容與教學方法的選擇方面探討離散數學結構的教學實踐活動[4-5]；現代教育理念與教學手段在離散數學結構教學過程中的應用[6]；結合計算機服務計算的特點，進行面向具體應用領域的離散數學結構課程教學改革與實踐探索[7]；通過建立知識點間的銜接，引入抽象具體轉換機制，提高學生學習興趣來提高教學效果[8] ，等等。方法和思想很多，但如何將離散數學結構豐富的知識背景融入離散數學結構的課程教學，真正使學生通過學習能夠對離散數學結構相關知識“知其然”又“知其所以然”，確有許多值得探討的問題。我們以下列方法開展基于知識背景的課程教學。
　　1) 通過介紹相關學科的知識背景，加深學生對課程性質的總體了解。
　　離散數學結構應該算是一門理論性和應用性都很強的課程，教師要幫助學習者認識到，計算科學中許多理論是用數學描述的，同樣，許多技術也是用數學描述的。集合論和數理邏輯是離散數學結構的重要教學內容，也是數學基礎的重要組成部分。在課程內容組織和教學過程中，如果能把人們對集合概念的認識過程、羅素悖論、康拓對集合論的貢獻等背景知識融入其中，就可以幫助學生理解“集合”這一不加定義的原始而抽象的數學概念。在數理邏輯的講解過程中，如果能把數學推理形式系統的形成于發展、黑爾伯特計劃、可判定性等有關的知識適當加以介紹，對學生理解和掌握命題演算和謂詞演算會有很大的幫助。如果能夠把遞歸論與模型論作一概念性的介紹，學生將會認識到集合論與數理邏輯在整個計算學科領域的地位。
　　2) 以課程知識應用為知識背景，培養學生的實踐能力和創新意識。
　　從科學計算到信息處理，從理論計算機科學到計算機應用技術，從計算機軟件到計算機硬件，從人工智能到認知系統，無不與離散數學結構密切相關。離散數學結構課程十分抽象，其思想方法只有同“應用”聯系在一起才會變得具體，才會讓學生更好地理解和掌握。在離散數學結構課程教學中，教師可以運用與知識點應用相關的實例，將離散數學結構的研究對象與實際問題的描述、表示和分析設計等有關元素產生關聯，使學習者通過對“能行性”這個計算學科基本概念的認識，實現應用對象在計算機中的表示和處理。這樣做不僅可以讓學生認識到計算機科學與技術本質上是一門離散數學技術，還可以讓學生從“小”到“大”逐步提高實踐能力，不斷增強創新意識。這對教師也提出了更高的要求，教師不僅要有豐富的實踐經驗，而且在教學過程還需要善于發現與綜合，創造性地、以一種新的、更有效的方式將知識呈現出來。
　　3) 運用與知識點有關的人物與事件等知識背景，激發學生的學習興趣。
　　離散數學結構中各模塊的學習，都會涉及有趣的人物、事件，這些人物與事件不僅與相關知識的形成與發展密切相關，而且是重要思想與方法的來源。如康拓、笛卡爾、羅素、黑爾伯特、哥德爾、歐拉、哈密爾頓、彼得森等人物，以及“貨郎擔問題”、“格尼斯堡問題”、“羅素悖論引起的爭論”、“哈密爾頓的得意之作”等事件，教師在教學中巧妙運用這些事件有助激發學習者的學習熱情。
　　4) 運用知識的關聯對知識背景整合，幫助學生全面掌握課程的結構體系。
　　課程教學的主要目的之一是讓學生從總體上理解課程的思想和方法，加深對所學知識的理解。離散數學結構由多部分內容組合而成，每一部分可以看成是一門獨立的學科，它們從不同的角度出發，研究各種離散量之間數與形的關系。在教學過程中，教師應注意各部分內容的獨立與聯系，讓知識在學習者意識里呈框架式、系統性沉淀。通過課程教學，能夠幫助學習者樹立計算機思維，建立起計算機知識網絡，將雜亂的知識重新構架成一個系統的框架。在具體教學過程中，教師可根據教學內容的不同，采用不同的背景知識。如離散數學結構中的數理邏輯與抽象代數模塊，是計算科學最重要的兩項數學基礎，它們的研究思想和研究方法在計算科學許多有深度的領域得到了最廣泛的應用，如可計算性與計算復雜性、形式語言與自動機理論、密碼學、算法理論、數據表示理論、網絡與通信理論等許多方面都離不開它們。在今天，數理邏輯與抽象代數在計算科學中最廣泛的應用不僅僅解決了大量計算科學的問題，而且反映和融入了現代數學研究的主流。對這部分內容，教師如能從其應用背景、數學知識背景等方面入手，注意學科交叉，及時把學科最新發展成果和教改教研究成果引入教學，強化學習者對知識應用方面的認識，并利用數學知識背景幫助學習者加深知識的理解，削弱其抽象程度，減少學習者的枯燥感，將會有效地提高教學效果。對離散數學結構中的集合論模塊，必須強調集合論是現代數學的基礎，是現代數學不可或缺的基本描述工具?？梢哉f現代數學的“大廈”是建立在集合論的基礎之上的，從而集合論也是計算科學的基礎，它在編譯原理、信息檢索、形式語言、數據庫與知識庫、專家系統、CAD、人工智能等各個領域中有十分廣泛的應用背景。另外，圖論在電信網絡、開關理論、編碼理論、可靠性理論、計算機程序設計、故障診斷等計算科學的學科領域都有十分廣泛的應用。
　　
　　5結語
　　高等學校計算學科課程教學要達到理想的效果，需要廣大教師和學習者對計算學科課程知識背景有足夠的認識，要以寬厚的知識背景作支撐，只有這樣才能更有效地反映學科知識進程和學科知識的意義，避免知識的神圣化與教條化，促進學習者進一步提高學科意識和學科素養。
　　
　　參考文獻：
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