基于CDIO模式的“計算機導論”課程教學研究

白魚秀

(榆林學院 信息工程學院， 榆林 719000)

0 引言

“計算機導論”課程是計算機專業的一門專業基礎課，也是該專業的導入課程。它不僅是連接高中與大學的橋梁，更負擔著指引學生專業入門、調動學生學習興趣的重任，使學生對整個大學四年的學習課程有一個系統概括性的認識。

但是，目前“計算機導論”課程教學中存在很多問題。(1) “計算機導論”課程涉及的知識面廣但不精[1]，傳統的計算機導論課程都是由一個老師講授所有課程內容，按照教材簡單介紹后續專業課程，因專業術語太多，理論太枯燥，不易理解，學生聽的云里霧里，對四年的專業課程沒有一個初步的認識，進而對課程不能產生強烈的興趣。(2) 學生高中教育環境不同，對計算機接觸的程度大不相同，水平參差不齊，學生在大一缺乏計算機背景的條件下，短時間內系統的理解計算機體系結構是一個相當艱巨的任務[2]。(3) 傳統的“計算機導論”課程教學中，理論和實踐相脫節，教師只是單純的講授理論課程，而學生幾乎沒有實踐，致使學生對所學的內容只是表面上了解，沒有深層次的理解。

CDIO是一種先進的工程教育理念和工程人才培養模式。代表構思、設計、實現和運作(Conceive-Design-Implement-Operate)[3]。它以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程[4]。

基于“計算機導論”課程的重要性，引入CDIO模式進行理論和實踐相結合的教學改革。進而更好地促進學生學習的主動性和積極性，并從中了解課程之間的有機聯系。

1 “計算機導論”課程內容設計

基于CDIO模式的教學改革，由單一教師講授改為多人擔當專業授課，每個老師講授自己所帶專業課程內容，這樣更容易把握每門課程的重點和難點，及如何切入學生的學習興趣點。“計算機導論”課程力圖幫學生構建一個初步的計算機專業知識體系框架[5]，計算機專業知識結構圖，如圖1所示。

它包含了大學四年所學的所有專業課程，單純給學生講授此圖，學生還是對課程體系之間的關聯無法理解。基于計算機知識體系結構，結合“計算機導論”課程內容和課時安排，將課程內容劃分為8個模塊，如表1所示。

每個模塊講授4個課時，每周講授一個模塊，這樣學生就有更多的時間去查找相關資料，進一步了解相應模塊的內容。

2 “計算機導論”課程改革實施

基于傳統“計算機導論”缺乏實踐性，學生水平參差不齊的弊端，該“計算機導論”課程改革主要以“漢諾塔”游戲為主線，從游戲構思、設計、實現到運作的每個環節貫穿在8個模塊中，通過學習專業核心課程全過程的CDIO項目，使得學生通過“做中學”，建立一個完整的計算機專業體系結構架構。并且采用任務驅動、合作討論的方式，學生之間互幫互助，鍛煉學生探究、創新和團隊合作能力。

漢諾塔問題是計算機程序中的經典問題[6]。漢諾塔問題：漢諾塔由A，B，C 3根桿子組成。A桿上由N個(N>1)圓盤，盤的尺寸大小不等，大盤在下，小盤在上。要求將A桿上所有圓盤移至C桿。但是每次只允許移動一個圓盤，在移動過程中始終要保持大盤在下，小盤在上。提示：在移動過程中可借助B桿臨時存放圓盤，也可將從A桿移出的圓盤重新移回A桿。

圖1 計算機專業知識結構圖

表1 “計算機導論”課程模塊劃分

課程之初，介紹計算機數學基礎課時，教師引入“漢諾塔”問題。首先從1-2個圓盤開始，然后提出3個圓盤，讓學生合作討論解決，進一步提出4個圓盤該如何解決。將學生的思維向“如何尋找最有效的序列”引導，優化移動步驟，將問題聚焦于不同的圓盤數完成操作最少需要的步數。啟發學生思考“第一環移動到哪個桿子上”更有利于解決漢諾塔問題，從而找出規律。從1～4依次進行探索，運用表格對“漢諾塔”問題進行記錄分析，為發現規律提供數據支持，培養學生抽象化實際問題的能力，進而指導學生找出規律，如表2所示。

表2 “漢諾塔”問題數學分析

課程之中，掌握“漢諾塔”問題的移動規律和操作步驟后，啟發學生思考如何用程序設計語言實現復雜數學問題，引入程序設計基礎內容。我們一般可以理解4個圓盤的移動規律，但是如果更多圓盤，5個或者以上的圓盤，我們解決問題就需要花費很多的時間，所以借助程序設計語言實現任意多個圓盤的移動規律。首先講解C語言基礎知識，了解C語言的基本語法規則及其使用后，指導學生用C語言實現移動1-2個圓盤的情形，進而思考如何實現任意多個圓盤的移動規律，引入數據結構和算法基礎。根據得到的“漢諾塔”移動規律，運用C語言遞歸實現任意多個圓盤的移動。如表3所示。

表3 “漢諾塔”問題C語言遞歸實現

若要實現漢諾塔網絡游戲，該如何設計友好的圖形化界面，如何設計數據庫存儲玩家昵稱、游戲時長，并展示玩家排行榜等信息。后續數據庫和軟件工程等模塊，引導學生互相探討實踐。最終，以小組為單位采用工程的方法合作整理“漢諾塔游戲”軟件工程設計文檔，完成整個“漢諾塔”游戲的設計與實現。

筆者依托本校2016，2017級計算機科學與技術專業學生，實踐了此“計算機導論”教學方法。實際跟蹤學生學習該課程發現，該方法極大的激發了學生的學習積極性，調動了學生的實踐動手能力，使得學生理論知識水平和實踐動手能力顯著提高，進而提高了學生對該課程的認可度。相對于傳統教學方法，采用該教學方法，學生上課更加積極認真，主動去探索、分析和解決問題，從而提高了教學效果。

3 總結

通過對“計算機導論”課程模塊的劃分，并由生動有趣的漢諾塔游戲入手，闡述清楚實際問題到計算機求解的過程和方法。強化了學生運用計算機解決和優化問題的能力。同時，學生在設計和實現游戲的過程中，了解了將在大學四年學習知識內容的框架思路和脈絡，為今后深入學習專業知識奠定了良好的基礎。