计算机及其教育应用

1、第三章计算机及其教育应用第三章计算机及其教育应用l计算机概述l计算机的硬件系统l计算机软件系统l计算机辅助教育第一节、计算机概述第一节、计算机概述l一、什么是计算机一、什么是计算机 ？l是一种能自动地、高速地进行科学计算和信息处理的电子装置。 “自动地”指的是计算机能按事先规定的步骤去处理事务。 “高速地”指的是计算机处理事务的速度很快。 l不仅可进行算术运算、还可进行逻辑推理，可从事人脑做的某些事情，又称之电脑。 l计算机最早是应用于计算，古代我国还有其它的计算工具，如算盘，与这些工具相比，计算机有着自已的特点。二、计算机的发展过程二、计算机的发展过程1、人类第一台计算机 1946年，美国宾

2、夕法尼亚大学研制了 ENIAC 2、计算机的发展趋势 1）巨型化：速度更快，容量更大，处理能力更强的方向。使之更能适应尖端技术领域。 2）微型化：对计算机的更多部件进行集成，使其体积更小，重量更轻，价格更便宜。如笔记本型，烟盒型。 3）网络化：计算机通过通信设备连成网，相互通迅，资源共享。如环球网，公共数据网。 4）多媒体化：集图形、图像、声音、文字于一体。 5）智能化：使计算机能模拟人的感觉、行为、思维过程，使之具有某些人的能力，来代替更多的人的脑力劳动。 3、计算机的发展 每隔数年，在逻辑器件、软件及应用方面就有一次重大的变化。按计算机逻辑元件的变化划分其发展阶段：按计算机逻辑元件的变化划

3、分其发展阶段：年份年份 逻辑元件逻辑元件存贮器材料存贮器材料软件软件运算速度运算速度应用应用第一代19461954电子管磁鼓、延迟线汇编语言、机器语言几千次几万次/秒科学计算第二代19551964晶体管磁芯、磁盘、磁带批量操作系统、FORTRAN、 COBOL几十万次/秒科学计算、数据处理、工业控制第三代19651974中、小规模集成电路半导体 分时操作系统、BASIC、 网络软件几十万次几百万次/秒 系统模拟、设计第四代 1974至今 大规模、超大规模集成电路半导体软件工程化、 程序设计自动化 几百万次上亿次尖端科学、军事工程、空间技术、微机应用第五代生物计算机（技术）、光子计算机（纳米技术

4、）和量子计算机（技术）三、计算机文化三、计算机文化1、什么是计算机文化？广义广义：是对计算机在人类文化领域中反映出的种种现象的概括和计算机在科学技术、经济生产、社会文明、以及人类未来发展中的深刻影响和重要地位的表述。狭义：狭义：属于在计算机学科教育知识领域，指普及性的计算机知识和技能，具有全民素质教育的内容特征。1981年第三次世界计算机教育会议上提出。计算机技术是产生信息革命、信息社会的物质基础之一。计算机技术和应用作为文化的基础内容都是不可缺少，起着无法替代的重要作用。因而计算机文化具有现代文化的特征，信息社会对计算机技术、计算机应用的依赖，决定了现代文化离不开计算机文化的充实。四、计算机

5、的特点四、计算机的特点l1 1、计算速度快、计算速度快 1946年，第一台计算机ENIAC，5000次/秒，速度在当时非常惊人。 现在， 几十万次，几百万次，上亿次，百亿次，千亿次。 这些高速计算机1秒钟的工作量可抵得上千百万人几天的工作量，比如预测24小时天气，人工算需一周，两周，甚至更长的时间，而计算机则需几分钟。 l2 2、运算过程自动化、运算过程自动化 自动化指的是计算机能按人们事先编好的程序中指定的步骤去处理事务。即是存贮程序控制思想。 l3 3、计算精度高、计算精度高 人工计算的值尽最大的努力只能精确到小数点后百位，而计算机可精确到小数点后千万位。 l4 4、通用性、通用性 （逻辑

6、判断）（逻辑判断）计算机不仅可进行数值运算，还可进行非数值处理（如图形、图像、声音、文字等）。 5 5、具有、具有“记忆记忆”功能，存储容量大功能，存储容量大五、计算机的分类五、计算机的分类 按计算机所具有的综合处理能力分： 1、巨型机：具有最大的处理能力，最高的运行速度，体积较大，较重，运算速度可达到亿次/秒，十亿次，百亿次，千亿次/秒。应用在尖端技术上（核武器试验、卫星发射等）。 2、大/中型机：具有很强的处理能力，速度可达到百万次、千万次/秒，应在一些部门，如银行、公司等，可用作主机，管理下属成千上万个终端设备。 3、小型机：体积小，重量轻，操作简单，维护方便，速度可达到百万次/秒，常用

7、于学校、科研单位科学计算。 4、微型机：体积小、重量轻、价格便宜、是一种普及型的计算机，广泛应用于生产和生活的各个邻域，也是这门课程的学习对象。 六、计算机的应用六、计算机的应用1、科学计算 2、数据/信息处理(办公自动化OA、管理信息系统MIS、决策支持系统DSS） 3、实时控制(Real_time Control )4、计算机辅助系统CAS (计算机辅助设计CAD、计算机辅助设计CAM、计算机辅助教育CAE）Computer Aided Design/Manufacture/Education5、人工智能 (Artificial Intelligence /AI)第二节计算机的硬件系统第二

8、节计算机的硬件系统计算机是由硬件系统和软件系统两部分组成。两者相辅相成，不可分割，硬件是软件使用的物质基础，软件没有硬件支持无法实现其功能，同样，硬件没有软件，不能工作。 硬件（Hardware）指计算机的实体设备 。如显示器 软件（Softwave）指使用计算机时所编的程序、使用的数据以及相关的技术资料。一、计算机硬件系统的组成一、计算机硬件系统的组成1、计算机的基本组成 五大组成 1946年，美籍匈牙利科学家冯.诺依曼提出计算机由运运算器、控制器、存贮器、输入设备、输出设备算器、控制器、存贮器、输入设备、输出设备组成。 计算机最早应用于计算，我国古代也使用算盘作为一种计算工具。人在使用算盘

9、的时候，首先把要计算的数据写在纸上，然后在大脑的控制下，在算盘中运算。最后把计算结果记录在纸上。这里纸起保存作用，大脑起控制作用，算盘起运算作用，笔起着书写运算数据和运算结果的作用。其实，使用计算机计算也是一样的。需要一个专门进行运算的部件，即运算器；也需要一个控制中心，控制器；保存数据的存贮器2、五大部件、五大部件1）输入设备）输入设备：将不同形式的信息转换成计算机能接受的信息形式（二进制形式），输入到计算机内部。如：健盘、鼠标、扫描仪、磁盘等。 2）输出设备）输出设备：将计算机内部处理的二进制数据转换成人或其它设备能接受的信息形式。如：显示器、打印机、绘图仪、磁盘等。 3）运算器：）运算器

10、：进行算术运算和逻辑运算的部件。 4）控制器：）控制器：是计算机的控制中心，控制其它部件工作。 5）存贮器：）存贮器：存放程序和数据的地方。3、计算机的工作过程、计算机的工作过程先把要计算的数据经过输入设备输入，保存在存贮器上，然后在控制器的控制下，从存贮器中取出运算数据到运算器中进行运算。最后把运算器中的运算结果保存在存贮器中，经输出设备输出。4、计算机的工作原理、计算机的工作原理 1946年，美籍匈牙利科学家冯.诺依曼最早提出了计算机的工作原理，它的基本思想是： 1）计算机由运算器、控制器、存贮器、输入设备、输出设备五个部分组成。 2）计算机内部处理二进制数。3）计算机的工作过程，是由存贮

11、程序控制的（核心内容）。 计算机技术有很大的发展，但没有脱离冯.诺依曼思想。5、几个重要概念、几个重要概念计算机硬件系统主机主机中央处理器（CPU：运算器、控制器）内存储器（RAM、ROM、Cache)I/O接口，系统总线BUS外部设备外部设备输入设备（键盘、鼠标、扫描仪等）输出设备（显示器、打印机等）外存储器（软、硬盘、光盘等）微处理器（微处理器（CPU芯片）芯片）1）CPU字长（芯片位数）：指一次能处理的二进制数的位数。字长越长，则一次能处理的数据量越多，处理的数据精度就越高，处理速度越快，也决定了寄存器，总线等的位数，决定了计算机的性能和档次，计算机的型号往往用CPU型号来表示。 如：I

12、NTEL4004，字长4位；INTEL8088，准16位； 80286，16位；80386，80486，32位；586则是64位。 2）CPU主频：CPU工作的时钟频率，即每秒钟能进行的运算次数。 l反映了计算机的速度，在保证计算机稳定的前提下，主频越高，速度越快。 l如： 型号 主频 l80386SX-33 33MHZ l80386DX-40 40MHZ l赛扬433 433MHZ lPIII 550 550MHZ 内存：内存：l速度快，容量小，可直接和CPU交换数据的存贮器。 RAM（随机存贮器）：存放正在运行的程序和数据。断电则信息消失。 ROM（只读存贮器）：只能读，不能写，存放不变信

13、息。如：保存BIOS程序。用电路结构表示信息，断电后能保存信息。 l外存（辅存）：必须与内存交换数据，再与CPU交换数据。如：磁盘、磁带等 接口电路：接口电路：lCPU和外设之间的连接缓冲装置。 l CPU和外设在工作速度、工作方式、信号类型 等方面存在很大的差异。包含适配器（显卡、声卡、网卡、多功能卡等）、专用芯片、辅助芯片和一些电路。 总线：信息传送通路。总线：信息传送通路。数据总线：CPU与其它设备传送程序和数据的双向通路。其位数取决于CPU位数。如8位、16位64位。 地址总线：CPU传给内存、接口电路等地址信息的单向通路。其寻址范围决定了其位数。如：16位，其地址数216;20位，其

14、地址数220。 控制总线：传送控制信号的。如：CPU传送到内存和接中电路的读写信号和中断信号，其它部件传给CPU 的时钟信号、中断申请信号、准备就绪信号等。外部设备外部设备 . 输入设备输入设备1）键盘：83、101、104等多种。 分主键区、扩展键区、小键盘区和功能键区。 主键区主键区：26个英文字母键，10个数字键，各种运算符，标点符号，空格键及控制键。 控制键的说明 “ENTER”（回车键）：输入一行命令和执行命令。 “-”（退格键）：按此键删除光标左边一个字符。 “DEL”（删除键）：按此键删除光标右边一个字符。 功能键区功能键区： 12个键，F1、F2、F3、F12，每个键的功能取决

15、于具体的软件。 小键盘区小键盘区： 又称之数字键区，是专门为从事数字录入的工作人员提供方便的。10个数字键，运算符键 ， 扩展键区扩展键区： “PRTSC”：打印屏幕键，把当前显示的内容全部打印出来。 “SCROLL LOCK“：滚动锁定键，停止屏幕滚动。 “PAUSE”：用来暂定或终止程序的执行。外部设备外部设备 . 输出设备输出设备1）显示器 其分类：按显示颜色分 ：单显和彩显。 按原理分 ：CRT 显示器和液晶显示器。 按分辨率分 ：低分辨率：300*200 中分辨率：600*350 高分辨率：640*480 ，800600、1024768显示器适配器： CGA：图形显示器。 EGA：增

16、强图形显示器。 VGA：视频图形显示器。 第三节计算机软件系统第三节计算机软件系统计算机软件系统内容非常丰富，按功能可分为系统程序和应用程序两大部分。一、系统软件一、系统软件 由计算机厂家提供的，用于自身管理、运算和维护的程序，以及对用户程序的翻译、装入、编辑和运行的程序。如：中文WINDOW95、汇编程序等。系统软件分为操作系统和程序设计与语言翻译系统两部分。l操作系统 用于管理计算机的硬件和软件资源，方便用户使用的系统软件。一般具有：CPU管理、内存管理、设备管理、作业管理、文件管理。 l程序设计语言（机器语言、汇编语言、高级语言）机器语言：是一种用二进制代码表示的，能够直接被计算机识别、

17、执行的语言。特点： 机器语言与计算机的逻辑结构相关，即机器语言因不同的计算机而异。 不易书写,可阅读性差,出错不易修改。 汇编语言：汇编语言：是一种将机器语言符号化的语言。即是用形象、直观、便于记忆的符号来代替数字编码的机器指令。 特点： A、汇编指令与机器指令一一对应，机器语言仍与计算机的逻辑结构密切相关，还是面向机器逻辑结构的语言。 B、在书写性、可阅读性和可修改性方面已经有了很大的进步。高级语言：高级语言：与具体的计算机的逻辑结构不相关的，表达方式接近于被描述问题的程序设计语言。如：COBOL（商业、银行等行业的事务处理）、FORTRAN（计算）、C语言、PASCAL（） LISP（人工

18、智能程序）。 特点： a、可书写性和可阅读性强。 b、可修改性强。 c、与机器逻辑结构无关。 d、运行高级语言程序，需要内存大，运行时间长 3、应用软件、应用软件 是为解决某个具体问题而编制的程序。 应用软件分通用软件和专用软件。如：一些医疗辅助诊断用的专家系统，把名大夫的经验总结出来放入计算机系统中，看病时，把病人的信息经化验设备输入或经人工输入，专家系统就会检索已保存的信息，通过推理和比较，找出合理的医疗诊断。机械加工自动化的加工零件软件；企业成本核算程序；仓库管理程序等。 第四节计算机辅助教育第四节计算机辅助教育一、概述1、计算机与教育1）计算机技术与教育之间的关系属于科学技术与教育的范

19、畴。在人类教育的历史上，教育的发展总是和科学技术的发现、发明、创造相互联系的。纵观教育发展史上的四次革命，凡是科学技术有了新的进步，教育也或迟或早地会发生相应的变革。第一次教育革命第一次教育革命是将教育的责任从家庭转移到专职教师和学校手中，它发生在原始生产方式解体、物质财富丰富到一些人足以离开物质生产过程之时期。第二次革命第二次革命以文字和书写工具的出现为前提，采用文字和书写作为与语言口授同样重要的教育手段。第三次革命第三次革命是普遍采用教科书作为教学的基本依据，发生于17、18世纪印刷技术和造纸技术兴起时期。第四次革命第四次革命是信息技术应用于教育。在这种应用中，最重要的内容之一是计算机技术

20、在教育中的应用。2）计算机被引入到教育活动中，服务于教育、教学的历计算机被引入到教育活动中，服务于教育、教学的历程大致可以分为四个阶段：程大致可以分为四个阶段：（1）把计算机作为学习的对象，专门开设计算机基本知识和技能课，强调“计算机程序设计是信息社会的第二文化”、“未来社会的文盲，将不是不识字的人，而是不懂得计算机的人”。（2）计算机服务于传统教学。随着计算机技术与教育理论的发展，人们逐渐认识到，信息社会需要大多数人会与计算机打交道，但并非一定会编写程序。计算机如果仅仅作为一门课程，而游离于各学科教学之外，它对教育教学的作用是非常有限的。于是人们转而强调在日常各学科教学中应用计算机。（3）计

21、算机与教育的整合。重视信息技术整合到教学中，成为教学的一个有机组成部分，而不是外加到教学中来。计算机在教育领域的应用称为计算机辅助教育(Computer Based Education，简称CBE)，主要为两个方面：计算机进入教育教学活动和计算机参与教育教学管理。（4）以信息技术（计算机作为核心）为基础的教育全面发展。信息技术与教育整合的最终目的是以信息技术为基础进行的教育全面发展，包括：教育目标、内容、方法和组织形式等方面的全方位变革，按照信息化社会和学习社会化的需求和规律等进行教育课程的规划、建设，构建全社会的人工智能化的教育设施和体系等。2、计算机进入教育教学活动、计算机进入教育教学活动

22、计算机辅助教育就是把计算机作为教学媒体，让它充当指导者、工具和学习者的角色，通过学生与计算机之间的双向交互，辅助学生更有效地学习。 （1）计算机指导学习。让计算机作为指导者，使计算机像辅导教师一样，根据学生的学习情况，进行个别指导，最终完成预定的学习目标。指导学习的计算机软件主要采用5种模式：操练与练习、指导或辅导、模拟、问题解决和游戏。指导学习的一般过程是由计算机呈现教学内容并提出问题，学生回答后，计算机做出判断，并反馈回应答正确与否和针对应答的辅导信息。（2）计算机作为学习工具。给学生提供各种软件工具，让学生经过自己的实践获得知识和技能，是计算机作为学习工具的目的。具体方法是规定学生应该完

23、成的任务，明确说明哪些软件工具能够完成任务，然后由学生实践。例如，用文字处理软件编辑和打印论文和报告，用多媒体工具制作动画片等。（3）计算机作为学习者。让计算机充当学习者，而让学生命令计算机完成给定的任务，是计算机作为学习者的目的。这种方式是让学生编写完成特定任务的计算机程序。为了达到既定目标，学生不仅要熟悉计算机语言的指令集，而且还必须在编程之前知道如何去解决问题，要求学生有较高的思维技巧和问题解决能力。3、计算机参与教育教学管理计算机参与教育教学管理计算机参与教育教学管理又称计算机管理教学(Computer Managed Instruction，简称CMI)。CMI是使用计算机对学校事务

24、、教务、学生信息等进行管理，以帮助教师提高教学效果及辅助行政领导做出正确决策。计算机管理教学在学校中的主要应用：1）学生成绩管理2）计算机辅助测验系统3）课堂信息处理系统利用计算机，对课堂教学中的信息进行收集处理，为教师提供有用信息，也是计算机管理教学的重要方面。课堂信息处理系统就是一种能采集和获取学生在课堂上的反应情况，然后对信息进行处理和分析，并把结果输出到显示器或打印机上，将反应的结果告诉4） 题库系统4、我国的情况、我国的情况我国计算机的教育应用主要有四个方面：知识技能教育、使用计算机辅助教学或使用计算机进行学习、教育信息处理、管理教育。 二、计算机辅助教学1、计算机辅助教学发展简史计

25、算机辅助教学（Computer Assisted Instruction，简称CAI）源于早期的程序教学活动。20世纪20年代，美国心理学教授锡德尼普莱西首先提出利用机器进行教学的思想。到了五十年代中期，美国著名的行为主义心理学家教授斯金纳根据从实验室中对动物实验引出的操作条件反射和积极强化的理论，论证了普莱西教学机器的心理学依据，提出了程序教学法，并且设计了新的教学机器。六十年代开始，美国一些著名的公司及大学，如著名的IBM公司和斯坦福大学逐渐利用计算机开发多种学科的教学系统。IBM公司还开发了专门为教学使用的程序设计语言，帮助简化交互式学习的计算机课件程序设计过程。 八十年代末，多媒体计算

26、机的出现被称为计算机的一场革命，同时，一些新的教育和心理学理论也在这一时期成为计算机辅助教学设计的指导思想（例如，建构主义），因而，极大地推动计算机辅助教学发展到一个新的阶段。随着计算机辅助教学的开发、实践和信息技术的发展，人们总结了以往计算机辅助教学存在的不足，提出了人工智能型计算机辅助教学（Intelligent Computer Assisted Instruction，简称ICAI）的设计方案。包括：在计算机辅助教学系统中建立学生模型和专家系统，计算机应该能够理解自然语言，作一个称职的“计算机导师”，要教给学生高级思维的技能等。2、计算机辅助教学（计算机辅助教学（CAI）的基本过程和特

27、点的基本过程和特点1） CAI的一般过程计算机辅助教学（CAI）是把计算机用作教学媒体，充当指导者、工具和学习者的角色，学生通过“人-机”间的交互活动进行学习。CAI的基本流程图：2） 计算机辅助教学计算机辅助教学CAI的基本特点的基本特点CAI具有如下特点：（1）大容量的非顺序式的信息呈现。（2）学生可以控制学习内容和学习进度。（3）实现因人施教的教学原则和及时反馈原则。（4）学生在CAI活动中处于一种积极、主动的精神状态。（5）对教师或软件开发者提供了教学决策支持。（6）网络技术使CAI可获得群体的支持。（7）CAI活动的效果受教师态度的影响。3、CAI课件课件（courseware)CA

28、I课件是计算机辅助教学系统中的核心，包括用于控制和进行教学活动的计算机程序，帮助开发维护和使用这些程序的文档资料以及与软件配合使用的课本课练习册等。课件分为：固定型、生成型及智能型三种。固定结构类型又称框面型固定结构类型又称框面型它将各种与教学活动有关的信息组织成一个个的框面，然后以框面为单位，通过控制转移的预定路径来实现教学活动。这种类型的课件具有结构清晰、教学过程方式明确、制作方便等优点。但最大的缺点却是提供的学习内容和教学过程过于单一和固定，使得学生只能按照一定的结构进行学习，缺乏主动性，易失去兴趣。生成型课件生成型课件 主要是根据教学活动中的有关信息为参数，形成教学内容，或是决定教学活

29、动的控制转移。这种类型的课件总是利用某种数据结构和预先安排的程序来生成不同的教学内容，富于变化，类型丰富，呈现的知识、问题等能够较好地适应学生的知识范围。这种课件的教学分支也是由一定的程序来产生的。学生的操作和反应决定着下一步的学习内容，当学生的执行结果达到目标要求时，就转到新的教学单元，否则就返回到原教学单元重新学习。智能型结构智能型结构智能型课件是利用人工智能技术实现计算机辅助教学的功能。一般说来，这种课件由能产生教学内容的知识库、可检测学生能力与知识状态的模型、可决定教学内容呈现次序与呈现方式的策略模块以及可对学生进行传授和引导等的人机界面组成。如图:三、计算机辅助教学的主要模式计算机辅

30、助教学的模式可以采用三种方式进行分类：教学活动形式、信息结构形式、运行形式。按照教学活动形式进行分类是最常用和比较成熟的方式。其主要模式有：训练与实习型、指导型、模拟型、游戏型、问题求解型。训练与实习（训练与实习（Drill and Practice）型课件型课件提供的教学方式是逐个或逐批地提出问题由学生来回答，当学生将回答输入给机器后，计算机判断其正确情况，并根据学生回答的情况给与相应的反馈，以促进学生掌握某种知识与技能技巧。这种联系形式类似于教师的提问，可帮助学生复习与巩固所学的知识。反复联系和反馈，使学生建立起问题与回答之间的牢固联系，从而理解与掌握该项知识与技能。在这种模式中，计算机提

31、供一种刺激/应答的环境，强化学生对刺激的反映。训练与实习是使学生获得知识、技能和解题技巧的有效方法之一。训练与实习的策略是多次重复，通过重复加强刺激，巩固记忆，提高技能和能力。实践表明，训练与实习对形成低层次技巧自动化必不可少，特别适合于外语、文字拼写等教学内容。训练与实习也是有区别的。训练是通过大量的术语与事实间的重复对比联系，帮助学生建立起有关事物和规律的联想记忆和快速回忆。实习则是为了获得一种生成型技能技巧。它通过一系列问题，让学生一方面建立知识间的联想联系，另一方面还要具有掌握如何应用知识、做出决定的能力，形成一种习惯性的过程性技能。训练与实习型课件的主要功能是不断地提问题，等待回答，

32、进行判断和给出反馈。通常是围绕一种需要巩固和掌握的知识与技巧组织成一批问题，有计划地逐步深入提高训练的效果，对于同一水平的内容的训练，则要有一定的随机性。采用训练与实习型模式的课件，应该注意如下问题：题量、重复时间、顺序。指导（指导（Tutorial）型课件型课件提供的教学方式是通过精心安排的人机对话，使学生处于一种被个别指导的教学环境中进行学习，来达到预期的学习目标。这种类型的课件将教学过程分为若干个小的教学单元，每个单元进行一项最基本的教学活动，如列举一个例子、叙述一个概念、说明一个公式等。课件把这些教学单元按照教学顺序和教学策略有机地组织成一系列有计划的教学活动，最终达到整个课件的教学目标。这种课件的作用是模