非计算机专业大学计算机课程的思维性教学改革实践

非计算机专业大学计算机课程的

思维性教学改革实践

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内容提要

•《大学计算机》的危机与产生原因

•知识与思维、可实现的思维

•《大学计算机》的思维性与课程定位

•《大学计算机》的教学内容设计

•《大学计算机》的实验内容设计

•《大学计算机》的教学方法

•结论

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《大学计算机》的发展回顾

•《大学计算机》是大学教育中“不可缺少”的独立课程。

大学计算机呼•教授计算思维-一大学生创造性思维培养的重要组成

•知识传授与素养培养贯穿于思维教学当中

•从多门课程多种软件中提炼出共性知识

4•教学以任务马区动，例如讲文章排版的素养而非Office,

计算机k

）讲程序的基本要素与程序设计而非流行程序设计语言等）

应用基础

•课堂教学（任务驱动的共性知识讲授）与实验教

学（流行软件产品应用技能训练）的分工

计算机•基本概念

文化基础

•流行软件产品的使用介绍学校数

量示意

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《大学计算机》的危机？

•普遍质疑：大学计算机有存在的必要吗?

一质疑不仅来自非计算机专业的学者，也来自于计算机专业的学者；

一“大学计算机”课程的核心价值是什么？

一面向各个专业的“大学计算机”，如何与各专业结合？

一计算思维是什么？计算能力怎样培养？

•将大量的历史文献数据聚集成

计算思维广计算能力库，开发辅助人们计算与分析

的工具(信息表示、数据采集、

/—、/应用计算数据输入、计算、分析、可视

支持各学、手段进行化输出)，人们可以利用这些工

科研究创］各学科研具去进行新药物、新材料等等

新的新型卜③和创数的研究和开发等。

计算手段/、一,

•1998年的诺贝尔奖便授予一个

工具的开发者：GAUSSIAN软

件的开发者-波普(JohnPople)□

当前的非计算机专业非计算机专业学生

计算机教学关注点的未来计算能力

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《大学计算机》的危机？(Cont.)

•矛盾1?(Cont.)

科学型人才、工程型人才和应用型人才培养的矛盾

一是否因想要培养10%的优秀学生，而使其他90%的学生去加深理论的学习？

计算思维=?理论=?数学思维(或算法思维)？

一是否因想要培养“应用技能”，而强调流行“产品”的应用和操作？

应用技能不需要计算思维？

一结论应该是否定的。

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《大学计算机》的危机？

•矛盾2?

学生入学时计算机基础“较好”和“较差”的矛盾?

一较好的：期望学得深入？较差的：期望能听明白？

一学什么，能使所有学生受益？

“知识膨胀”与“学时数压缩”的矛盾

一新知识、新技术和新软件层出不穷？“少讲多练”“基础与专业”的平衡结果是不

断压缩计算机课程的学时？

一如何选择内容？内容如何讲解？

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危机产生的原分析？

•新技术、新软件对课程定位的影响

一长期的以讲“软件及应用”为主，软件的时效,性等影响人们对课程的定位。

一“某某软件”在学生毕业后的工作中是否一定要使用呢？有多少人将要使用？

一“某某软件”不讲是否就不会用呢？而讲了是否就会用呢？

•教师对“学生”接受程度的判断

一讲思维（被认为是讲理论）学生接受不了？尤其是对一些二本或三本学校，是真的吗?

一入学分数的差别是否代表着计算机相关知识学习和接受能力的差别呢？

一学习某些方面的知识，必须有另外一些知识做基础，是这样吗？

•教师对“大学计算机”核心内容的认知

一是否与非计算机专业的专业教师期望的一致呢？

一所选择的内容就是“大学计算机”应该讲的内容吗？

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危机产生的原分析？(Cont.)

・大学计算机是否是各门课程的“前言性”章节?

一大学计算机是否是“微机原理”？

一大学计算机是否是“大学信息技术基础”？

一大学计算机是否就是要讲“计算机科学基础”(算法与计算理论)？

•如何由知识传授，转为基于知识的思维传授

一很早就有专家提出思维性教学，为什么没有落实下去呢？落实与执行的手段？

•对“思维”“知识”的理解影响了课程的定位

一”讲思维等同于讲理论、讲理论不实用、技能与操作实用”…是这样吗？

-注重所讲授内容的知识性，引发知识的有用性质疑：“知识”不讲行不行？

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内容提要

•《大学计算机》的危机与产生原因

•知识与思维、可实现的思维

•《大学计算机》的思维性与课程定位

•《大学计算机》的教学内容设计

•《大学计算机》的实验内容设计

•《大学计算机》的教学方法

•结论

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知识与思维、可实现的思维

知识？思维？

存点决是视野，唐港政变现I念,尺度杷握人女

—某广告词

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ran—

知识与甩维、(Cont.)

•（角度改变观念的）一个例子

■二进制与数制转换-■从知识的角度

76543210.-1-2

(11110101.01)-

=1x27+lx26+lx25+lx24+0x23+lx2:-r0x21

+Ix20-H)x2-1+Ix2-2=(245.25)十

N=…………<Jr

:12m

1尸'+"4/…r+4/+%r0+d]r+d;r+…+dlur

”T

=

t=*-m

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知识与甩维、(Cont.)

■0和1的思维一从思维的角度

■实现的思维而非实现的细节，可见可实现的思维而非抽象的思维

■思维的每一个环节都需要知识，基于一定的知识可理解每一个环节，通过贯通进而理解整

个思维。

芯片一复杂组合逻辑电路组合逻辑电路实现基本门电路

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知识与甩维、(Cont.)

・0和1的思维蕴含着…

一数值信息和非数值信息均可用0和1表示，均能够被计算。（信息表示）

一物理世界/语义信息”符号化“0和1（进位制与编码）”数字计算（算术运算，逻辑运算）“硬件

与软件实现。即：任何事物只要能表示成信息，也就能够表示成0和1,也就能够被计算，也

就能够被计算机所处理。（符号化数字化）。

一硬件系统是“用正确的、低复杂度的芯片电路组合形成高复杂度的芯片，逐渐组合、功能

越来越强”。（层次化构造化）。复杂的软件和复杂的系统是否也可借鉴这种思维呢？

一作为一种“思维”需要学习！将思维以可实现、可视化

的方式（而不是简单化概念化的方式）传授给学生，把知识贯穿于思维

的讲解与训练中！

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知识与甩维、(Cont.)

•另-个例子:键盘输入与屏幕显示

一作为“知识”不一定学习！

一作为“思维”可以学习：位置“电信号》编码“存取/ASCII"解码”字形

》显不。

八位0/1码绑定语义:

一个字母或数字

信息耒集：犍盘(通过按健

位置识别出所按的符号)

编码器将符号转

信息表列盟范标准:

换成ASCII码存储

ASCH码

/8位一■个字符

解码塞：读取文件8位

分隔一个字符将8位信息：ASCI®

信息显示/ASCII码转换成字符字0/1存储的文件

打印型码送显示器显示(Txt)

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知识与甩维、(Cont.)

■另一个例子键盘输入与屏幕显示（Cont.）

一汉字输入的例子

一也体现了：位置♦电信号”编码（外码）寸映射与存取（内码）》解码（字形码）

今字形今显不。

由内到外

由外到内口

0000001808000

00000000000000

汉字输入汉字字形000000

瘠阳

法软件处理软件000000

000000

000000100000000

00008100000000

0110100110000000

oolooocoo

0000100000

nmooolloooooll

000100000001

001000000000

用字母、符用。和1编110000000000

号编码汉字码汉字同。和打字行汉

字字形编码

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知识与甩维、(Cont.)

■键盘输入与屏幕显示蕴涵着…

-蕴含着一种普适的思维：物理对象通过采集设备采集相关信息（物理-信息映射）,

然后按一定的编码规则使用编码器进行编码及存储，再按编码规则使用解码器进

行解码，识别所需信息并进行显示。

-声音、视频、RFID等是否都体现了这一信息处理的思维呢？

（物理对象的）（物理对象的）

涪义绑定方法信息采集

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知识与甩维、可实现的思维(Cont.)

■计算机学科中体现了很多这样的思维：问题求解的思路与

方法（并不只是算法）。

一这些思路与方法对非计算机专业的学生是非常有用的，尤其是对其创新能力的

培养是有用的。比如借鉴计算机及相关系统，研制支持生物技术研究的计算平台

,研制支持材料技术研究的计算平台等。

■大学计算机就是要挖掘这样的思维，让同学不仅有“思

维”，更要使学生看见并确立这种“思维”

是能够实现的。知识

一不仅要讲知识，更要讲贯通这些知识的思维；可实现的思维:

-不仅要讲思维，更要讲思维是可实现的。若干知识的贯通

打通任脉督脉，内功威力无限.

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知识与甩维、(Cont.)

・大学生计算思维能力的培养

/分层次：1+x。基本思维的理解与问题求解能力的训练。

各专业计算类相关课程

专业结合

计算机专业类课程

能力

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知识与甩维、(Cont.)

■因此，蕴涵在计算机学科知识当中的、建立在可实现基础

上的思维教学是《大学计算机》课程的核心价值。

一“知识”随着“思维”的讲解而介绍，“思维”随着“知识”的贯通而形成,

能力随着思维的理解而提高。

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知识与甩维、(Cont.)

■需要说明的：

♦计算思维能力将成为21世纪中叶的每个人的基本能力［周以真］,即每个人都能

像计算机科学家一样思维：问题求解、设计系统、充分发展人与机器智能的能力。

♦这种计算思维是需要多课程多年的共同努力来完成的，而《大学计算

机》应是培养计算思维的一门重要课程，但不是唯一课程。

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知识与甩维、(Cont.)

■需要说明的：

♦《大学计算机》应侧重培养具有以下特征的计算思维：

A基于通用计算平台的思维：计算机是如何工作的；程序在计算机中是如何被

执行的等等蕴涵在计算平台中的基本思维对于计算思维的培养具有重要的作用。

»从多门课程中凝练出的共性思维：对非计算机专业，受限于学时数，应

将蕴涵在不同课程，如操作系统、数据库、计算机网络等课程中的具有普适意义的计算思

维凝练出来。

»将不同方面的知识贯通起来所形成的贯通性的思维：打通知识

间的屏障（如术语上的差异、抽象的不同层面等），对于提高计算思维能力很重要。

»可实现的，但非细节的思维:使同学既理解计算思维，又感觉这种思维是

可以实现的，但又不是实现的具体细节，而是这种实现的思维。

A为各学科计算手段的研发或应用奠定基础的思维：如关于问题

求解算法的思维、关于计算平台设计的思维、关于应用新型计算平台的思维等。

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内容提要

•《大学计算机》的危机与产生原因

•知识与思维、可实现的思维

•《大学计算机》的思维性与课程定位

•《大学计算机》的教学内容设计

•《大学计算机》的实验内容设计

•《大学计算机》的教学方法

•结论

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大学计算机的思维性与课程定位

•《大学计算机》课程应该具有・・・

■思维性

,计算学科的普适思维对各学科学生的创造性思维培养是重要的；

一复合型人才是离不开计算学科的手段的

,计算学科的普适思维是计算机的思维及应用计算机的思维；

■素养性与知识性

/相当的知识与素养是理解并真正建立起“思维”的必要条件；

,思维相关的知识。信息与信息处理的素养。

■技能性与实用性

/应用计算机的技能：利用计算机进行业务工作，而非掌握一种或几种软件。

/建议专设《大学计算机实验》来解决。

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大学计算机的思维性与课程定位

•计算学科的普适思维

■计算机的思维

/计算机技术发展路线图蕴涵的思维；

/关于。和1的思维；

/关于程序、指令及其执行的思维；

/关于计算机系统的思维；

/关于操作系统的思维；

,计算机语言发展路线图蕴涵的思维一语言、程序与编译器的思维;

/关于互联网计算的思维。

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大学计算机的思维性与课程定位

•计算学科的普适思维

■计算机的思维..

,计算机技术发展路线图蕴涵的思维

/关于。和1的思维：

,关于程序、指令及其执行的思维：

/关于计算机系统的思维:_____________________________

/关于操作系统的思维:_________________________

,计算机语言发展路线图蕴涵的思维:______________

/关于互联网计算的思维：

＞网络连接的基本思维：局域网连接、广域网连接及互联网连接

＞协议与分层转换思维：化复杂问题为简单的求解思维

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大学计算机的思维性与课程定位

•计算学科的普适思维（c°m.）

■应用计算机的思维

/关于信息处理的普适化思维一协议、编码器与解码器的思维；

/关于算法类问题求解的思维；

/关于系统类问题求解的思维；

/关于数据库的思维-聚合信息成库、基于数据库的信息分析；

/关于互联网计算的思维。

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大学计算机的思维性与课程定位

•计算学科的普适思维(Cont.)

■应用计算机的思维

/关于信息处理的普适化思维：

/关于算法类问题求解的思维：

/关于系统类问题求解的思维：

/关于数据库的思维：

/关于互联网计算的思维：

»信息搜索与信息发布

A虚拟世界与现实世界的交互

A网络化跨时空服务

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大学计算机的思维性与课程定位

•计算学科的素养

,计算机基本应用素养；

/程序设计与算法的基本素养；

/文章编#F的基本素养；

/信息搜索与信息发布的基本素养；

,信息安全的基本素养；

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大学计算机的思维性与课程定位

•大学计算机课程的定位

/非计算机专业大学生计算机教育的第一门课程，着力培养学生的计算思维及信息

素养，是一种通识性、素养性课程，而不是流行软件产品的使用培训课程。

/计算思维是计算机的思维和应用计算机的思维；

,计算思维是贯通计算学科知识的思维。从思维而非细节的角度，使学生对计算

机本身及其应用方式有一个全面的了解和理解。为其今后的创新活动打下坚实的基

础。।—

X门课程（训练）下

大学计算机

（基本思维与素养培养）

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内容提要

・大学计算机的危机与产生原因

•知识与思维、可实现的思维

•《大学计算机》的思维性与课程定位

•《大学计算机》的教学内容设计

•《大学计算机》的实验内容设计

•《大学计算机》的教学方法

•结论

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《大学计算机》的教学内容设计

・大学计算机课程内容的重构

教学单元1：引论

计

算教学单元2：计算原理

思

维计算机

及教学单元3：操作系统基础系统

其（硬件

牵教学单元4：问题求解框架系统/

引

的■软件

相教学单元5：算法描述与程序设计基础系统/

关网络

知系统/

识教学单元6：互联网计算基础

和一―数据库

基教学单元7：数据库系统基础系统）

本及其应

素用

养教学单元8：科技文章/文稿电子化制作、编排与发布

教学单元9：计算机安全与信息安全

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《大学计算机》的教学内容设计

•大学计算机课程教学单元及学时数分配

/9个教学单元;30（必选）+14（可选）个教学学时；

,思维牵引的知识讲授+基本素养需求

序号教学单元教学目标学时

1引论了解计算机技术发展路线图，理解其思维性的启示。4

2计算原理理解计算机的基本思维，了解和掌握计算机及系统的基本知识。6

3操作系统基础了解操作系统的基本知识，理解操作系统管理资源的基本思维。6

4问题求解框架理解算法类问题和系统类问题的求解框架。4

掌握程序设计语言的基本知识，掌握算法设计与程序设计的基本知识，训练学

5算法描述与程序设计基础8

生程序设计的思维。

了解互联网的计算思维，了解互联网相关的基础知识，掌握应用互联网进行工

6互联网计算基础6

作的知识和能力。

了解数据库的管理思维，了解数据库相关的基础知识，初步掌握应用数据库进

7数据库系统基础6

行信息管理的知识和能力。

8科技文章文稿电子化制作、编排与发布理解典型科技文章的编排要求及常用排版术语。掌握典型科技文章的编排技能。2

9计算机安全与信息安全理解计算机安全与信息安全问题，了解常见的安全威胁及应对方法。2

30-14

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《大学计算机》的教学内容设计(Cont.)

•大学计算机课程教学内容及其计算思维

序号教学单元教学内容基本的计算思维

1）计算历史与计算机历史：计算的历史；硬件的历史；软件的历史；网络的历史。

2）计算机应用：科学计算；人工智能；嵌入式系统；信息管理；G0X。

1引论计算机技术发展路线图蕴涵的思维

3）计算机发展趋势：高性能计算；移动计算；服务计算；生物计算；智能计算；全球

信息化等。

1）理解0和1:语义符号化；逻辑运算；进位制；编码,ASCII码।门电路；组合逻关于。和1的思维偌义符号化、数字化、数字计算、层

辑电路；集成电路。次化构造化）。

2）图灵机的思想与模型：基本动作及自动执行；指令与程序；输入输出及控制；图关于程序、指令及其执行的思维阍灵机.构造性内容徵

灵机模型。据、指令、程序及其执行）的数学表达方法9与移动函

3）冯诺依曼计算机：冯.诺依曼计算机结构；运算器、控制器与存储器；存储程序思数）：鸩.诺依曼计算机.从组成部件、程序与数据的分离

想；计算机硬件暨指令与程序的模拟执行过程。存储与自动执行，到机器程序的编制、存储及执行过程）。

2计算原理4）现代计算机系SE:硬件与软件；硬件系统构成与软件系跣构成；主机电路板与总关于计算机系统的思维（总缭耕1:分级存储体系）。

线；微处理器；存储体系；输入输出设备；系统软件；应用软件,操作系统；计算机计算机语言发展路线图基涵的思维赏法、语言与程序；

系统工作过程。机器语言到高级语言的发展；语言、程序与编译器的思

5）计算机语言：汇编语言与汇编程序；高级语言与编译器；面向对象程序设计语言।雄）。

第四代程序设计语言或称可视化构造性语言。关于信息处理的普适化思维（采样、量化、压缩编码、存

6）信息表示与处理：汉字信息表示与处理；图像信息表示与处理；音频视频信息表储、解压缩解码、显示；协议标准与编码器解码器执

示与处理，信息处理的一般性思维。行器；分离思维与分层思维）。

1）操作系统的概念和功能：操作系统,操作系统的功能；操作系统的分类。

2）竭与文件管理：磁盘上的文件存取思想；磁盘的物理结构；文件.目录与文件分

关于操作系统的用罐像件是硬件的扩展：文件、目录、

配表；磁盘的逻辑结构；操作系统对文件、目录及磁盘的基本操作。

文件分配表与磁盘簇；分层设备管理：设备无关操作与设

操作系统基3）外部设备管理：外部设备的分层管理思想；设备驱动程序；常见外设接口。

3备相关操作的分离；程序管理：磁盘上的程序文件内存

础4）程序与进程管理：程序'进程；应用程序的安装、运行与卸载。

中的进程驻留服务）。

5操作系毓的启动、运行与关闭。

6）操作系统的应用：命令行式操作系统使用（Linux1与图形界面式操作系统使用

（）

L"Windows®

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《大学计算机》的教学内容设计(Cont.)

•大学计算机课程教学内容及其计算思维

序号教学单元教学内容基本的计算思维

关于算法类问题求解的思维（数学建模及其求解；数据结

1）算法类问题求解框架：豆法；奴学建堂：莫法的例经构与受制经构：流程图；其

构、控制结构及算法描述方法；算法设计；算法实现（暨：

法也计；其法实现即程序设号：算法填期与分行：熨法复杂

问题求解框程序设计）；算法正确性与复杂性分析）.

42）系统类问题求解框架：系统的概念与琴在：非数学化堂堂：同雍域建理；较化域差

架关于系统类问题求解的思维（系统及系统工程思维；问题

«:软件集块、商住实现与过苣实现：软件填式与裳停住系结商:软信系统的可靠注,

域建模与软件域建模：软件构件、流程与系统；系统体系

安全性.

结构;系统可靠性与安全性）

1）程序设计过程及程序开发环境.

2）程序设计语言：基本蛆成要素（常量、变量.迳真符、表达式、程字塔句、函数与过

算法描述与程）：三科基本经他控制语句（顾生笠构、分支结构及僧讣茎构）；堂里系袋函数.

5程序设计基3）算法描述与程序设计：其法设计与程序设计：查词搜索算法殳实现：排生真法及实基本素养

础现;递归算法及实现.

4）事件驱动程序与可视化编程：基本恚想（意象、消息、事件及事件驱动）：图形年户

界应及事忙总动程？：使巨具型第四代程序没甘语言（如VisualBasic）组制海至三字，

1）网络的概念及组网连接：量域不、广域两、互息可、因特迟等可络的基本影念及其

组司总.空；网络曲议及分层同各彩议的基本亘慧与修定：