大学计算机教学论文

2021-03-28 论文

　　随着社会信息化的纵深发展，各行各业的信息化进程都在不断加速。用人单位对大学毕业生的计算机应用能力要求也随之提高，计算机水平已经成为衡量大学生专业素质与能力的突出标志。但高校的计算机教学效果并不理想，与社会的需求仍存在不小的差距。以下是小编整理的大学计算机教学论文，欢迎阅读。

　　一、“大学计算机基础”课程教学现状

　　根据教育部高等院校计算机基础教学指导委员会的指导意见，计算机基础教学主要讲授计算机技术的四大领域：系统平台与计算环境、算法基础与程序设计、数据管理与信息处理、系统开发与行业应用。重点掌握三方面的应用技能：计算机网络应用与信息检索方法、关系数据库管理系统的基本使用方法和多媒体信息处理工具的使用方法。“大学计算机基础”课程需要讲授的知识体系分解为知识单元和知识点，要求各学校对每一个知识点的内容、传授的方式、检验是否掌握的方式都要制定相应的要求和标准。“大学计算机基础”是大学本科生的第一门公共计算机基础课，是计算机基础教学的核心课程，培养目标基本是尽可能使非计算机专业的学生对计算机科学的主要领域有一个基本的了解，计算机是什么、能做什么、如何做，因此教学内容广泛，知识点丰富且各种知识相互交叉，基本上是各领域基础知识和基本技术的浓缩。在一本教材一门课程（约70学时）中，从教材到教学都是以名词解释为主，基本上对周以真教授提到的计算思维的特征点都粗略地解释了“它是什么”，却没有进一步解释“为什么”，而“为什么”中蕴含了丰富的计算思维。如何对非计算机专业的学生、在有限的学时内将“操作系统”单元中蕴含的计算思维清晰地展示给学生，首先应该按照计算思维的理念，对这部分知识中基本的最有价值的能在有限的学时内讲清楚的知识进行取舍筛选。早期的大学计算机基础教学主要是技能培养，之后是能力培养，对计算机的认知能力、应用计算机解决问题的能力、基于网络的学习能力、依托信息技术的共处能力。现在在能力培养的基础上，计算思维的培养作为计算机基础教学的核心内容。我们重新审视“大学计算机基础”课程的知识单元和知识点，把这些知识点中蕴含的计算思维的内容明确出来，在培养学生运用计算机技术能力的同时，培养计算思维。“操作系统”作为十分重要的一个知识单元，通常介绍操作系统的层次架构、资源管理、发展史及常见的操作系统。作为计算机系统资源的管理者，操作系统对CPU、内存、文件、输入输出设备进行管理，同时操作系统对计算机硬件进行抽象和分解，形成了进程、线程、虚拟内存、文件系统、各种输入输出模式等操作系统构造的出现，以此方法来控制这个巨型庞杂系统的设计和运转。通过预防、保护及冗余、容错、纠错的方式保证操作系统本身的正确运行。虽然CPU、内存、磁盘、输入输出等设备的形式和构造相差很大，但对它们进行管理采用的思维方法却有很多相同点，集中体现在处理机管理、内存管理的方式方法中，充分展示计算机如何为事物抽象、分解、建模、并行处理的思维方法，在时间和空间之间、处理能力和存储容量之间的进行折中的思维方法。总之，在操作系统中计算思维无处不在，是培养学生计算思维方法的绝佳园地。

　　二、在“操作系统”知识单元中挖掘计算思维方法

　　1、操作系统的层次架构。操作系统是一种层次管理机制，分为多个功能模块，按层次分解，每层的功能不同，下面一层只对上面一层负责，上面一层只对紧连的下一层进行控制。层次结构的思维方法使得操作系统的构造过程变得简单易行。

　　2、进程模型，进程是为了在CPU上实现多道编程而出现的概念。任何时刻CPU上只能执行一条指令，所以任意时刻CPU只有一个进程在执行，由程序计数器确定执行哪条指令。从逻辑上看每个进程都可以执行，也可能挂起让别的进程执行，之后又接着执行。每个进程需要记住每次挂起时自己所处的位置，以保证下次执行时从此处开始。从时间上看，每个进程都在执行；从逻辑上看，多道程序并发执行；从CPU角度上看，进程经常切换。这就是进程模型。

　　3、进程管理，操作系统通过维护进程的一些信息管理进程（通过管理事物的信息来管理事物是一种管理思维方式）。创建进程时，操作系统为其建立进程控制块，它采纳的数据结构有线性表、链表和结构（struct）。进程管理要解决的问题是资源分配，既要公平又要高效地利用资源。进程可以并发执行，并发进程之间存在同步互斥的关系，这种关系被抽象成一个模型：生产者与消费者。 4、线程，进程在一个时间里只能执行一件事，如果想做多件事就得使用“分身术”。线程是进程的分身，线程与进程拥有同样的程序文本，但是线程的上下文不一致。线程是进程的一个执行序列，一个进程可以同时拥有多个执行序列，就像一个舞台可以有多个演员同时出场一样。线程使我们可以在软件指令执行上并发。

　　5、闭锁，进程/线程同步机制中闭锁的实现有多种方法，以中断启用与禁止来实现锁、用测试和设置指令来实现锁、以非繁忙等待的中断启用与禁止来实现锁、以最少繁忙等待的测试和设置指令来实现锁。这一系列问题非常适合使用启发式思维方法，依据知识点内在联系进行逻辑推理启发教学，培养他们分析问题和解决问题的思维能力，同时调动学生积极性，激发他们的学习兴趣。

　　6、虚拟内存管理。程序要运行必须先加载到内存。用户对内存的要求是：大容量、高速度和持久性，而实际上却是一个由缓存、主存、磁盘组成的内存系统。内存管理就是使程序在任何一个层次上的存放对用户来说都是一样的，这就是虚拟内存管理，它对由缓存、主存、磁盘组成的内存系统进行抽象思维，使用户感觉拥有一个空间像磁盘那样大、速度像缓存那样快的比物理内存空间大得多的地址空间。

　　7、内存空间分配。多道编程可以大幅提高CPU和内存的利用率，改善用户响应时间，这些优势的代价是操作系统的复杂程度。例如不能将程序加载到固定的内存空间，进而不能使用静态地址重定位，必须使用动态地址重定位。多道程序数量的增加不是无限的，超过某个限度，多道程序之间的资源竞争反而会降低系统效率，需要在操作系统的复杂程度和CPU内存利用率之间进行折中。动态地址重定位增加了系统消耗，但提高了操作系统的灵活性。我们可以将程序加载到内存任何地方，可以方便实施地址保护，实现虚拟内存。

　　8、操作系统不知道一个程序会进行多少层嵌套调用，不知道程序运行会产生多少新数据，因而不能事先确定给一个程序分配多少内存空间。配置一个超大空间会造成内存资源浪费，配置小了程序无法继续执行。当一个程序所占空间不够时，操作系统将它倒出到磁盘上，等待大片内存空间的出现，再加载到其中继续执行，操作系统的这种管理方式称为交换（swap）。如果程序的增长超过了物理内存空间的容量，操作系统使用的办法是重叠（Overlay）。将程序分成功能相对完整的单元，一个单元执行后再执行下一个单元，条件是一旦执行下一个单元就不会再执行前面的单元，操作系统把后面的程序单元配置到前面的程序单元上，将其覆盖，这样就可以执行一个比物理内存大得多的程序。

　　9、分页系统中页面更换算法。如果CPU访问的页面不存在，系统产生缺页中断，中断服务程序负责把位于磁盘上的数据加载到物理内存中。磁盘的访问速度远远慢于内存，频繁的缺页中断的系统消耗是巨大的，因此要精心设计页面更换算法。算法中蕴含了人类社会的处事哲学：追求公平，同时又希望自己能被区别对待。操作系统中到处都闪烁计算思维的光辉，线程通信中的“管道”思维、“信号”及“信号量”、线程同步中竞争引起的死锁的解决方案、哲学家就餐问题、银行家算法、处理器调度的调度算法等。

　　三、计算思维能力的培养

　　在“大学计算机基础”课程中，从理论上讲授计算思维的同时，实验教学也是学生掌握计算思维方法的重要一环。计算思维的培养是以计算能力的培养为基础，只有接受过良好的计算机技术培训，具备了应用计算机解决问题的`能力，才能逐渐领悟计算机科学家在面对问题时所习惯采用的思维方法，否则计算思维只能停留在理论层面，对学生来说无异于纸上谈兵。对非计算机专业的学生而言，计算机基础课定位为基本概念、技术和方法，这种指导思想不利于计算思维的培养。对计算机有深刻理解才会汲取相应深刻的思维理念。计算机的高速与精确，使得计算思维是一种精确思维，在时间上以纳秒为尺度，以量化的方式对信息进行加工处理，使概略变得精确、使模糊变得清晰的思维方式，这与其他很多学科不同。相对于计算机的高速与精确，很多学科可以看做是粗放的技术，在逻辑思维上凸显粗放的特点。在不远的将来，这些学科可能会通过使用先进的计算技术和计算科学逐步由粗放到精确。“大学计算机基础”课程的很多内容都含有明显的计算思维方法，很多案例对计算思维提供了很好的诠释，但是对培养计算思维能力还远远不够，需要在知识结构上进一步调整，在教材中进一步挖掘，在教学中进一步探讨，理清计算思维的基本要素、培养方法、实施途径和评测规范。在现有学时少、师资弱的教学环境中，主动采取有效措施，从思想观念、师资队伍建设入手强化培养计算思维能力的意识。

　　计算思维的形成是一个长期的过程，它不是学一门课程就能掌握的。计算思维教学贯穿在所有的大学计算机基础课程中，如程序设计、微机原理与接口技术、数据库技术与应用、多媒体技术与应用等课程。当今社会计算机技术已经渗透到社会生活的方方面面，计算思维必将成为多数人必须具备的、最基础的、不可缺少的思维方式。对于非计算机专业的学生来说，拥有计算思维能力，并能自觉地应用于日常的学习、工作中，是适应社会需求的必经之路。

　　参考文献：

　　[1]陈国良，董荣胜、计算思维与大学计算机基础教育[J]、中国大学教学，2011，（1）。

　　[2]陆汉权，何钦铭，徐镜春、基于计算思维的“大学计算机基础”课程教学内容设计[J]、中国大学教学，2012，（9）。

　　[3]龚沛曾，杨志强、大学计算机基础教学中的计算思维培养[J]、中国大学教学，2012，（5）。

　　[4]李廉、计算思维——念与挑战[J]。中国大学教学，2012，（1）。

　　[5]董荣胜，古天龙、计算思维与计算机方法论[J]、计算机科学，2009，（1）。

　　[6]何钦铭，陆汉权，冯博琴、计算机基础教学的核心任务是计算思维能力的培养——九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》解读[J]、中国大学教学，2010，（9）。

　　[7]邹恒明、操作系统之哲学原理[M]、北京：机械工业出版社，2012。

　　作者简介：侯彦利（1966—），女，河北饶阳，副教授，学士，研究方向：人工智能。