第36卷  第12期 福  建  电  脑 Vol. 36  No.12
2020年12月
Journal of Fujian Computer
Dec. 2020
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本文得到重庆市高等教育教学改革研究项目(No. 203443)资助。吴元斌(通信作者)，男，1965年生，主要研究领域为程序设计语言、计算机基础教育。E-mail:****************。阮玲英，女，1977年生，主要研究领域为数据及信息处理、计算机基础教育。E-mail:****************。朱丙丽，女，1980年生，主要研究领域为数字图像处理、计算机基础教育。E-mail:****************。余红宴，男，1971年生，主要研究领域为工程教育、计算机基础教育。E-mail:****************。
改革大学计算机基础教学内容的措施
吴元斌 阮玲英 朱丙丽 余红宴
(重庆三峡学院计算机科学与工程学院 重庆 404000)
摘  要 大学计算机基础课程的主要任务是让学生理解计算学科的基本知识和方法、掌握计算机应用能力，提高计算思维能力与信息素养。本文分析了大学计算机基础课程的基本特点、现今教学中存在的主要问题，提出了改革教学内容的几点具体措施。这些措施可以有效地改善教学效果，对于提高课程教学质量具有较好的促进作用。 关键词 大学计算机基础；创新能力；计算思维；信息素养 中图法分类号 TP3-4  G642  DOI:10.16707/jki.fjpc.2020.12.051
The Measures to Reform the Teaching Content of the College Computer Basis
Course
WU Yuanbin, RUAN Lingying, ZHU Bingli, YU Hongyan
(Department of Computer Science and Engineering, Chongqing Three Gorges College, Chongqing, China, 404000)
Abstract  The main object of the college basic computing course is to enable students to understand the basic knowledge and methods of computing discipline, master the computer application ability, and improve the computational thinking ability and information literacy. The basic characteristics of college basic computing course and the main problems existing in the teaching are analyzed, and so
me specific measures to reform the teaching content are gave. These measures can effectively improve the teaching effect and help to improve the teaching quality.
Keywords  The College Basic Computing Course; Innovative Ability; Computational Thinking; Information Literacy
ubuntu使用入门教程1 引言
大学计算机基础是一门公共基础课程，也是一门复杂的课程。其复杂性至少包含以下几个方面：（1）涉及所有非计算机专业，不同专业的信息技术需求存在一定差异，即使同一个专业、班级，学生来自不同地区，学生信息技术基础差别也很大。（2）涵盖的计算学科内容较广，包括信息的数字化表示、计算机组成原理、操作系统、计算机网络、程序设计、数据库等，既包括理论知识的学习，又包括计算机应用实践。（3）教学目标要求高。大学
生通过学习该课程应能够理解计算学科的基本知
识和方法，掌握基本的计算机应用能力，同时具备一定的计算思维能力和信息素养[1]。（4）学时数少。由于种种原因，课程的学时数一再被压缩，学时少、内容多的矛盾越来越突出。（5）教学内容变化快。随着信息新技术的不断引入（如物联网、大数据、云计算、人工智能等）、新时代大学生信息
技术基础的不断提高以及高等教育本身的不断发展，课程的教学内容和教学方法必须持续更新和改革。
为了适应大学计算机基础课程的复杂性，在长期的教学中，持续努力提高教学质量，如编写教材、教学过程化改革、实行在线考试等[2-4]。但是目前教
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学中仍然存在不少问题，至少包括下面几点：（1）
理论教学方面，对学生的信息计数基础和个性需求
了解不全面，教学内容缺乏吸引力和计算思维训
练，教学效果较差。（2）实验教学方面，不少学生
只是按步骤完成操作过程，缺乏对相关概念、原理
的学习与思考，实验教学与理论教学缺乏良好互
动。（3）实验项目质量方面，不少学生实验项目没有综合运用所学知识，项目作品完成质量不高、不
规范，缺乏奇特的创意、精心的设计和持续的修改。（4）课程期末考试方面，实验考试成绩分布正常，但理论考试成绩却较差，主要原因是理论考试不像实验考试那样严格规定，学生平时对理论知识的学习和练习不足，对期末考试中计算较复杂、灵活性大和综合性强的题目无能为力。
为综合解决上述教学存在的问题，最直接的办法是改革课程教学内容，用精心设计的案例、经典的插图、动画等手段，贯穿于课堂、实验、习题等教学环节，在有限时间内有效完成课程总体目标。
2 改革教学内容的具体措施
（1）真正掌握数字化基础
现代计算机存储和处理的信息以二值信息表示，这些微不足道的二进制数字，形成数据革命的基础。信息的数字化包括数值、字符以及声音、图形、图像、视频等多媒体信息的数值化表示，多媒体信息数字化通常经过采集、获取、压缩/解压缩、编辑、存储等加工处理过程。
这部分知识是考核的一个重点，也是不少学生学习的一个难点，主要教学方法是用精选的示例来说明进位计数制（十进制、二进制、八进制、十六进制）的表示及转换、整数的机器表示（原码、反码、补码）与补码加减运算方法。进制转换过程可以用动画演示帮助有困难的学生理解。浮点数的IEEE754标准则让学有余力的学生自主学习。
通过具体实验学习、体验数字化编码。如：利用Windows计算器的程序员模式验证进制转换。利用MS Office中插入字符可以查看字符编码（ASCII 码、GBK、Unicode等），如图1所示。利用DEBUG （DOS、Windows实模式下的程序调试工具）命令展示机器指令、地址、寄存器及机器指令的调试过程，如图2所示。其中，地址、指令与数值都是十六进制形式，但实际上计算机内采用二进制形式，可以让学生写出这三条机器指令及其二进制形式。图1 Office查看字符编码图2 DEBUG调试程序（2）深入理解计算机硬件组成
学习和理解冯·诺依曼(John V on Neumann)计算机的存储程序原理是课程的重要目标。在教学过程中精心选择经典文献中的现代计算机硬件组成插图[5]，如图3所示，它提供了以专业视角来观察现代计算机内部的硬件组成结构，通过此图深入理解相关计算机组成的技术概念（如CPU、ALU、主存储器、接口、系统总线、I/O总线、图形适配器等）。理解程序通常是从外存空间（如Windows桌面）调入主存储器（内存）来运行的。
现代计算机存储结构不是单一的，而是采用如图4所示的金字塔结构以获得较好的性价比[5]。理解其中的术语（如寄存器、SRAM、DRAM、L1 缓存等）很必要，特别是程序局部性原理及缓存（Cache）的概念，缓存是重要的计算思维方法[1,6]。
图3典型计算机的硬件组成
图4存储器的多层次结构及其关系
除了利用可视化辅助工具外，还通过典型计算
示例来理解计算机组成的基本概念，如：主频、时
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钟周期、机器字长、存储字长、存储器容量、具有Cache的平均访问访存时间等。
在实验教学过程中，利用Windows的任务管理器、鲁大师、CPU-Z、systeminfo等工具和命令行命令来查看、分析现代计算机的硬件性能指标，还要求学生写出自己计算机的主要性能指标。在课后书面作业中，让学生画图（如图3、图4）来进一步理解计算机组成结构受到学生肯定。
（3）掌握操作系统核心概念和抽象机制
在课堂上讲述如何通过GUI（图形用户界面）操作计算机的具体步骤与细节的时代已经过去，现在应
引入专业的观点来让学生理解操作系统。操作系统最核心的概念是进程，它是对正在运行程序的抽象，其他所有内容都是围绕进程展开的[7]。通过典型图示来理解进程状态之间的转换，如图5所示。在一些操作系统中，一个进程实际上可以由多个线程的执行单元组成。每个线程都运行在进程的上下文中，共享同样的代码和全局数据。在Windows 系统中可以用任务管理器来查看和管理进程和线程，如图6所示。
除了进程、线程外，操作系统还提供了虚拟内存、文件、文件夹等抽象概念，要让学生理解这些概念和操作系统的主要功能（包括进程管理、存储管理、设备管理、文件管理、用户接口等）。
图5 进程的状态转换
图6 Windows任务管理器管理进程
实际上，普通用户只是使用现代操作系统（如Windows、Ubuntu等）的GUI接口来操作和管理计算机，其中桌面、窗口、任务栏、开始菜单等是基本概念。Windows操作系统的桌面其实对应于硬盘上的一个文件夹，桌面上的程序要调入内存才能运行。这些观点，不少人存在错误认识。
（4）真正懂得办公软件
办公软件是常用的应用软件，理应成为学习、工作的利器，也是实验考试（机考）的重要内容。这些
软件看似人人都会，其实真正规范应用则绝非易事[8-9]。使用这些软件进行文档编辑排版、数据管理与处理、设计制作演示文稿的同时，应理解它们是经历了精心设计和开发并持续改进的过程，并感受其不断创新带来的新体验。
实际上，不少人对Office软件中的基本概念并不清楚，熟练应用也就不太可能。如Word中的样式、分节，Excel中的工作簿、工作表、单元格引用、公式、函数，PowerPoint中的版式、模板、主题等等。因此在教学中强调这些基本概念是必要的，同时更重要的是向学生示范什么是真正规范应用，还要强调独特的创意、精心的设计与制作、持续改进对规范文档的重要性。在实验教学过程中，及时发现并纠正存在的各种问题，并示范学生的优秀实验作品以激发全体学生不断进步。
（5）理解网络概念与协议
21世纪是一个以网络为核心的信息时代，学习和掌握计算机网络及其相关概念是本课程的重要学习和考核内容。这部分内容概念较多且较抽象，如服务器、网卡、传输介质、路由器、浏览器等。更抽象的是网络体系结构OSI参考模型和TCP/IP 参考模型，如图7显示了它们之间的关系[10]，主要学习解决复杂问题的分层思想。还有一些网络协议需要了解，如IP、TCP、SMTP、FTP、HTTP等。
FTP、IP可以通过具体实验（第一部分实验）来进一步理解和掌握，图8所示是具体计算机IPv4地址、子网掩码表示、设置和计算。在实验中，可以学会Ping、ipconfig等命令的使用，以及局域网内文件共
享、桌面远程连接的具体方法。
图7 OSI与TCP/IP的层次比较图8 因特网属性设置
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信息素养是创新人才的基本素质，使他们自主去不断充实并重构自己的知识体系[11]。Tim Berners-Lee发明的万维网在英特网的基础上开启信息时代新纪元。课程要求掌握万维网的基本概念和术语，如超文本、超连接、URI、HTTP、HTTPS、HTML等。更重要的是掌握利用万维网获取、分析、评价和发布信息的能力。
第二部分网络实验的基本目的包括：（1）初步掌握利用HTML语言、JavaScript脚本和Dreamweaver网页设计软件进行网页设计的能力。（2）掌握利用百度学术、中国知网等学术资源查阅、分析文献。（3）通过“分析DoS攻击、体验对称加密和非对称加密”网络安全实验让学生具有信息安全意识，遵循信息社会的行为与道德规范。
（6）利用Python体验编程思维
随着人工智能的兴起，学习Python语言成为时尚。受学时限制，理论课堂不能系统介绍Python 语言，主要通过一些判断闰年、判断成绩等级、九九乘法表、判断素数、猜数游戏等典型示例来快速学习和体验Python的特点和语法基础，感受编程思维，如IPO(Input、Process、Output)、迭代等。
在实验过程中，首先让学生自己输入并运行典型示例、实验内容中的程序和问题来体验编程过程和理解编程方法，通过自己编写程序初步学会基本的编程方法，并感受编程带来的快乐。
教学内容也包括较深入的Python语言知识和应用问题，如数据类型的整型、浮点型、复数类型、字符串、列表、元组、字典、集合等，函数定义与递归调用，类定义及类继承等，典型应用问题包括汉诺塔问题、Koch曲线绘制、中英文词频统计、网络爬虫等[12]。这些内容主要提供给对Python语言有更多需求的学生自主学习。
（7）掌握信息社会的基石
数据库是现代信息社会的基石。在当今的生活中数据库已是每一项业务的基础[13]。人们经常在不知不觉地间接访问数据库，事实上，当利用百度搜索信息时，实际上就间接在访问网络数据库。
在理论教学方面，主要内容包括：①关系数据库的基本概念，如：关系、元组、属性、关键字、外部
关键字、关系模式等。②专门的关系运算：投影、选择和连接。③学习SQL基础，理解基本的SQL查询操作。
在实验教学方面，主要内容包括：①在Access 数据库中利用Excel外部数据导入建立数据表并设置表的关键字，注意Excel工作表与数据库表的区别。②建立数据表之间的关联关系，并实施参照完整性。③利用设计视图建立查询，并在SQL视图中查看对应的SQL语句。
3 结束语
本文强调用专业的观点来学习和理解知识与方法、以典型的示例和图示引导思维、在实践中规范应用提升能力和素养。本学期尽管受到疫情影响，但仍然采用多种措施推进教学内容的改革，如：利用学习通平台提供新的理论与实验教学资源、针对典型问题组织在线讨论、围绕重点教学内容布置多种类型的课外习题、学生参与批改作业（互评）、加强教学过程考核、提前布置实验作业等。将上学期与本学期大学计算机基础课程的学期成绩进行对比，前后两学期学生平均成绩、及格率依次为：70.39、83.02%；73.3、94.59%。前后两学期学生评教分数依次为：90.52、94.60。这三组数据表明，教学内容改革实践具有初步成效。
参考文献
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[12] 嵩天，礼欣，黄天羽. Python语言程序设计基础.第2版.北京：高等教育
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