計算機導論課程教學內容的優化與整合

付燕寧

摘要：為解決不斷增長的知識與有限教學時數的矛盾，從知識面、知識層次、知識連貫性等方面闡述如何優化計算機導論課程的教學內容，分析相應的知識框架及課程教學內容。

關鍵詞：計算機導論；課程教學內容；有效知識；知識框架

引言

隨著計算機學科知識的增長，計算機導論課教學內容與教學時數之間的矛盾越來越突出，如何解決這個矛盾，確實應該引起計算機導論教育工作者的深思。

增加課程的教學時數是解決這個矛盾的一種途徑，但是，任何一門課程的內容和時數變動都會引起整個課程體系的連鎖反應。為此，在保持課程教學時數不變的前提下，只能通過科學合理地選擇和組織教學內容，提高有效知識占有量來解決這個矛盾。目前，計算機導論課程教學內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識上的不足或偏差，文獻將辦公軟件使用等操作內容納入課程教學當中，文獻建議加強對計算機發展簡史的介紹，這些內容與計算思維能力培養關系不大。此外，教學內容的選擇和更新的盲目性也增加了課程的知識量，盡管文獻提出教學內容要跟蹤最新計算機技術發展方向，但是并沒有指明要跟蹤哪些知識以及跟蹤的依據。從知識層次上看，由于對教學內容的深度還缺乏明確的規定，導致對知識層次把握的隨意性，即使是計算機導論教材，對各部分內容知識層次的把握也是不同的，個別內容甚至深入到了專業課教學的層面，這也增加了課程教學的知識量。從知識連貫性上看，由于教學內容的知識構成存在不合理之處，有些內容成為“知識孤島”，很難融合在一起，導致各部分內容之間缺乏一致性知識表達，干擾教學內容的落實和貫徹。這些問題的存在都會擠占有限的教學時數，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密切相關的知識總和，計算思維兩個核心要素是計算環境和問題求解，有效知識是以這兩個核心要素展開的內容。

1教學內容的優化

優化課程教學內容，要以穩定的知識結構為基礎，結合專業培養要求，從知識覆蓋面、知識層次和知識連貫性3個方面，統一籌劃課程的教學內容。

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，計算思維的教育理念統一了對課程目的和作用的認識，但是，如果沒有穩定的課程內容，有限的課時也無法應對不斷更新的技術。文獻以不同方式表達了反映學科核心思想和方法的內容，并且這些文獻很明確地將辦公軟件操作、計算機發展簡史等內容排除在課程教學之外。但是，有關計算理論方面的內容還沒有形成明確的一致意見，從知識本身來看，這部分內容與計算思維能力培養密切相關，但是從知識理解的角度來看，這部分內容學生難以理解和接受。當前計算機學科存在4個專業方向，每個專業方向的培養目標是各不相同的，對計算機導論課程教學內容的要求也不盡相同，計算理論內容的取舍要結合不同專業培養要求而定，計算機科學專業可以將這部分內容作為必選內容，而其他專業可以酌情考慮。有了穩定的課程內容作為基礎，面對計算機學科知識的不斷更新和發展，各個專業方向都可以根據各自的培養要求有目的、有選擇地選取和更新內容，避免教學內容選擇和更新的盲目性。

1.2知識層次

盡管計算機導論是專業引導性質的課程，但是對各部分內容也不能同等對待。因為不同高校有不同層次的培養目標，不同專業有不同的應用需求，應用需求不同，對各部分教學內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桿，教學內容的深淺要與專業培養要求結合起來，有針對性地把握各部分內容的知識層次。教學目的對教學內容的深度和寬度有明確具體的指導作用，因此，要根據專業培養要求來權衡各個單元的教學目的。比如，就編譯程序這部分內容而言，信息技術專業可以要求學生了解“編譯程序的作用”，而計算機科學專業可以要求學生了解“編譯程序的基本原理”，前者所界定的教學內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

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

2教學內容知識框架

程序是貫穿計算機學科各個知識領域的核心概念，利用程序這條主線，以程序的執行、程序的運行、程序設計與軟件開發、計算機網絡展開教學內容，這樣將教學內容分為4個模塊，如圖1所示。

2.1程序執行模塊

與程序執行相關的知識領域統稱為程序執行模塊。為了使學生了解計算機是如何執行指令的，所需要具備的基礎知識是指令編碼和計算機結構；為了使學生理解指令編碼，所需要了解的基礎知識是信息在計算機中的編碼；為了使學生理解計算機結構，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的知識領域稱為程序運行模塊。理解程序運行活動的基礎是計算機組成及工作原理，在此基礎上，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狀態時程序的存儲形式；二是程序處于動態運行狀態時，分別從單道和多道程序的運行，使學生理解操作系統是如何對程序進行存儲管理的；三是從多道程序的運行，使學生了解操作系統是如何管理CPU，實現程序并發運行活動的。

2.3程序設計與開發

與程序設計與開發相關的技術（含語言）和方法統稱為程序設計開發模塊。為了使學生了解程序設計語言，所涉及的主要知識是編譯程序；為了使學生理解什么是程序，以及程序是如何設計出來的，所涉及的知識是算法與數據結構；為了使學生掌握以數據處理為特征的軟件開發，所涉及的知識領域是數據庫管理系統；為了使學生了解大規模軟件是如何開發出來的，所涉及的知識領域是軟件工程。由此，該模塊包括程序設計語言與編譯程序、算法與數據結構、數據庫與數據庫管理系統和軟件工程方法。

2.4計算機網絡

該模塊包括網絡硬件系統、網絡系統軟件和WWW工作原理。網絡硬件系統以計算機組成為基礎，網絡系統軟件以操作系統和網絡硬件知識為基礎，Web程序設計所涉及主要基礎知識是程序設計基礎、數據庫系統和計算機網絡基礎，如果開發大型Web應用，還要求以軟件工程知識作為基礎。Web程序設計包括在WWW環境下與程序設計相關的技術、方法和開發環境，但是由于計算機導論是專業引導性質的課程，這個部分只須講授到WWW工作原理為止。

3課程教學內容

課程教學內容包括理論教學內容和實踐教學內容，理論教學內容由10個知識單元組成，實踐教學內容包括5項實踐內容。

3.1理論教學內容

教學目的是教學活動的預期結果，教學要求是達成教學目的的一系列教學活動。教學目的及要求實質上體現了知識構成以及知識之間的內在順序，因此可以利用教學目的及要求表達各個單元的知識體系。這里給出的教學目的及要求僅僅起示范作用，具體教學內容可根據不同專業的教學需要有所側重，有所取舍。

3.1.1信息的機器表示

使學生掌握信息在計算機中是如何表示的。要求學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換，掌握整數、小數和字符的機器表示，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

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

3.1.3計算機結構及其工作原理

使學生領會計算機是如何執行指令的。馮·諾依曼型計算機工作原理是理解指令執行過程的基礎，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系為前提，只有揭示出各個部件的內部結構，才能使學生理解各個部件之間的信號關系。因此，該單元教學要求如下：使學生了解計算機是由哪些部件組成，以及各個部件的作用，理解各個部件的內部結構，以及它們之間的信號關系，理解馮·諾伊曼型計算機的工作原理，了解計算機是如何執行指令的。

3.1.4操作系統的基本功能

使學生了解程序是如何在操作系統管理和控制下運行的。要求學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。操作系統是專業教育的難點，因此必須合理地設計教學過程，根據“程序由靜態轉化為動態”的過程組織和編排該單元內容。以“雙擊程序圖標之前，程序存放在何處”來導人文件管理內容；以“雙擊程序圖標之后，程序被調入到什么地方”來導入程序存儲管理內容；以“雙擊多個圖標意味著什么”導入處理器管理內容。

3.1.5高級語言與編譯程序

使學生了解高級語言基本知識及翻譯程序的作用。為了使學生了解編譯程序的基本工作過程，得使學生理解編譯程序的作用；欲使學生理解編譯程序的作用，得使學生了解高級語言與機器語言之間的區別。由此確定出該單元教學內容的順序是：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環境。

3.1.6算法與數據結構

使學生了解如何設計程序。要求學生了解算法與程序之間的關系，算法與數據組織之間的關系，掌握程序的基本結構。通過簡單計算問題的求解，使學生理解什么是算法，利用算法使學生明確程序的概念。利用簡單計算問題闡明線性表的兩種存儲結構，并基于這兩種存儲結構設計該問題的算法，說明算法與數據組織之間的關系，拓展和深化學生對算法和程序的理解。我們通過程序基本結構，使學生了解良好的程序靜態結構對保證程序動態運行的正確性認識。

3.1.7軟件工程方法

使學生了解如何開發軟件。首先使學生了解如果不采用工程方法指導軟件開發實踐會存在哪些危害，引出軟件危機的教學內容；既然存在這么嚴重的危害，那么如何利用工程方法來開發軟件呢，從而引出軟件開發過程的講述；在這個過程中要采用什么方法開發軟件呢，自然引出結構化方法和面對對象方法的內容。最后，如同其他產品一樣，需要對軟件產品的質量做出評價，從而給出軟件產品的評價標準。

3.1.8數據庫與數據庫系統

使學生了解面向數據處理領域的軟件開發的技術和方法。要求學生了解數據處理為什么需要數據庫（即文件與數據庫的區別與聯系），了解實體關系模型和關系模型，理解數據庫系統。從編程角度看，這部分內容包括兩部分：即程序處理的對象（即數據庫）和編程技術（即數據庫管理系統）。因此，通過引入恰當的實例說明什么是數據庫，通過實體關系模型和關系模型，講解如何建立數據庫；通過數據庫管理系統，介紹如何定義數據庫，如何對數據庫進行查詢、更新等操作，如何保證數據庫的安全性和完整性。

3.1.9計算機網絡系統

使學生了解網絡軟硬件環境及該環境下軟件開發的主流技術。要求學生了解計算機網絡硬件的組成以及作用，了解網絡拓撲結構，了解網絡操作系統與網絡協議的組成和作用，了解互聯網以及互聯網服務，初步理解www技術及其工作原理。因為www已經成為計算機網絡應用開發的主流技術，并且能很好地體現網絡環境下應用開發的特征，因此，將WWW及其工作原理作為該單元的主要內容之一。

為使核心教學內容得到更好的貫徹，在上述教學內容的基礎上，我們增設了“引論”教學單元，其教學目的是使學生獲得對計算機、計算機系統以及計算機學科的宏觀認識和總體了解。我們將計算機組成以及各部分的作用放置到該單元，以便使學生獲得對計算機的總體認識；通過計算機系統及其分層結構的教學，使學生獲得對計算機學科總體知識框架的了解；由計算機系統分層結構，解析出計算機學科知識體系，使學生了解知識體系與課程體系之間的對應關系，使學生了解計算機學科要學習哪些課程；通過基本知識和能力要求以及職業要求的教學，使學生了解通過專業教育要掌握哪些知識，具有什么能力，從業所需的職業操守及知識產權等知識。

3.2實踐教學內容

優化課程內容結構要解決的另外一個問題是使實踐教學與理論教學相融合，實現實踐教學促進理論教學的目的。為了加強學生對理論教學內容的理解，同時也為了加強學生應用實踐能力，分別在5個單元增設了5項實驗內容。

（1）開設“微型計算機結構與配置”實驗內容，主要目的是使學生直觀感知計算機硬件系統結構及各個主要部件。

（2）開設“建立文件和文件夾”，引導學生分別利用在兩種用戶界面下建立文件和文件夾，目的是使學生加深對文件系統層次結構的理解。

（3）開設“WTNDOWS任務管理器應用”，目的是使學生加深對程序和進程的理解，使學生了解進程與程序之間的區別，啟發和引導學生理解處理器管理功能。

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

（5）開設“建立學生信息表以及簡單操作”，通過建立簡單的數據表和簡單的操作，加深對數據庫和數據庫系統的認識和理解。

4結語

以計算思維能力培養為核心，利用程序這條主線組織教學內容，使教學內容與計算思維能力培養目標高度契合，實現了各領域知識的一致性表達，使整個教學內容變得“干凈和清潔”。該種教學內容構成模式達到了教學內容整體優化的目的，促進了以計算思維能力培養為核心的教學活動的開展，有利于實現教學模式的轉變，即“以概念講解驅動教學內容的展開”向“以知識傳授帶動概念理解”的轉變。此外，也可為計算機學科各專業的計算機導論課教學內容構建提供參考。