赵 霞1，李凤霞2，蔡 强1，李海生1，张珣1
（1．北京工商大学计算机与信息工程学院，北京100048；2．北京理工大学计算机学院，北京100081）
摘要：从计算机专业导论课程的需求与定位入手，全面分析课程的现状与需要解决的问题；提出以虚拟实验方法辅助“教”和“学”的课程改革方案，阐述现阶段计算机专业导论课程的改革思路；以“字符编码与信息交换”虚拟实验教学为例，详细介绍如何用虚拟实验方法解决课程中的重点难点内容的教学问题，探索培养学生计算思维、系统思维能力的有效途径；针对虚拟实验方法助力计算机专业导论课程教学实践，总结出进一步深化课程教学改革的设想。
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关键词 ：计算机导论；课程改革；虚拟实验；字符编码；计算思维；能力培养
第一作者简介：赵霞，女，副教授，北京工商大学计算机与信息工程学院计算机系系主任，研究方向为大数据处理系统与算法、高效能系统软件、智能终端软件等，zhaox@btbu.edu.cn。
1 背景
近年来，随着计算机技术与社会快速发展变革，高校对学生的基础能力培养，对创新型人才的要求更加关注。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》将“提高人才培养质量”作为高等学校本科生培养的重要目标，并“支持学生参与科学研究”。为此，一些创新型、科研导向人才培养的探索在国内很多高校以各种形式开展。如何把创新思维培养和计算机导论课程结合起来，是计算机专业教学的重要问题。计算机导论课程是学生走进大学后认识自己所学专业的第一门课，将对学生后续相关课程的学习产生深远影响。课程宗旨是：使学生从宏观到微观迅速且全面了解这个专业的精髓及魅力，既要阐述学科专业概貌，又要展示未来发展；既要关注计算思维能力培养，又要启发对专业的兴趣爱好。而课程目前的实际情况是：教师讲得费劲，学生听得懵懂，以似懂非懂结课。课程的教学效果和教学目标要求相差较远。
以计算思维为切入点开展新一轮教学改革，这是近年来大学计算机教育工作者所达成的重要共识，也为计算机专业教学改革提供了思路。国内一些知名教授通过各种形式探索计算思维概念的落地问题，为大学计算机教育发展起到了重要的推动作用。虚拟实验思路为计算机思维的落地和课程教学内容、教学方法的改革提供了有效的途径，也为大学计算机专业导论课程提供了教学实施方案。
2 计算机专业导论课程面临的问题分析
2.1 生源参差不齐与教学统一要求的矛盾
地域差别使得学生对计算机基础的掌握程度远不如数学、物理甚至外语那样统一。据不完全统计，大一新生正规学过的计算机课程从0学时到200学时不等。如此参差不齐的生源如何面对统一要求的教学大纲，这是计算机专业导论课程必须首先解决的问题。
2.2 专业导论课程与学生兴趣导向的矛盾
目前我国的大学生在填报志愿时并不完全是以兴趣为导向。在我们的调查中，近几年因为兴趣而选择计算机专业的学生其比例还不到50%。就工商院校而言，有20%的新生对计算机专业缺乏了解，有畏难心理；有近50%的新生只对金融商科等专业兴趣浓厚。如何通过计算机导论课让本专业的新生对所学的专业充满兴趣，感受快乐，对学习结果满怀期待？这是计算机专业教育教学方面的难题。
2.3 基础的教学内容与发展的前沿技术间的矛盾
教学规律是“按纲执行”，而高校的教学大纲差不多4年才调整一次，这对于日新月异的计算机专业来说，无疑产生教学内容与技术发展严重的不协调。就目前的计算机导论课程而言，尽管没有统一规定的教学大纲和教材，但从所开设该课程的实际情况看，大都采用两种课程教学内容方案：一是国外的“计算机科学导论”方案，主要讲数字系统、数据存储、数据运算、计算机组成、计算机网络、操作系统、算法、计算机语言、数据结构、软件工程、数据库等，说“大拼盘”应该不过分；二是国内基于非计算机专业的计算机基础教学内容演化的课程体系，主要涉及计算机数字基础、计算机硬件、软件、网络、实用软件、数据库、多媒体、程序设计基础等方面的内容，让学生感觉到是中学IT课程的内容再现。无论这两种方案的哪一种，都无法满足快速发展的计算机科学前沿技术的要求。
导论课程除了介绍专业的历史、现状之外，还要为新生全面展示专业地图。如果把大学比作迷宫，大一新生就是刚刚站在迷宫人口整装待发的竞赛者。如果导论课程能俯瞰迷宫最新全貌，并能在竞赛者探索的路上及时给予指引，创新思维便会从这里开始。
2.4 单一的教学方法与超前的教育技术间的矛盾
目前，大多数高校对计算机导论课程的配置都是：讲课（或讲座）+实验（实际上就是软件操作练习），前者是满堂灌，后者是自己练；再加上“大拼盘”的知识堆积。一学期下来，当学生面对期末不俗的成绩，便得到了两个错误的结论：①大学不过如此！②计算机专业就是计算机应用！
3 以虚拟实验方法辅助“教”和“学”
基于以上分析，计算机专业导论课程改革任重道远，需要从体系、内容、方法和模式上进行全方位改革。
3.1 “课程+虚拟实验方法”的教学方案
笔者从2013年开始，连续两年选用了北京理工大学的“课程+虚拟实验方法”的教学方案。方案包括一套面向计算思维培养的教材、一款面向重点难点教学内容的虚拟实验软件、一个配套教学的数字化教学资源包。教材采用了“基础概念+计算平台+先进技术”的内容结构，实验配套了具有交互性、验证性和演示性于一体的18个虚拟实验，资源包提供教学需要的素材，形成了一套基础性和先进性共存的课程教学体系。北京工商大学计算机与信息工程学院结合教学实际情况，选取以下16个虚拟实验：
·实验一图灵机模型与计算机硬件系统虚拟拆装
·实验二计算机中的数据表示与计算
·实验三字符编码与信息交换
·实验四一条指令的执行过程
·实验五进程管理与虚拟机
·实验七广域网通信与邮件传输
·实验八云计算与虚拟服务
·实验十计算机动画原理与制作
·实验十一文字处理与文档编排
·实验十二表格处理与图表制作
·实验十三报告处理与幻灯制作
·实验十四数据管理与数据库操作
·实验十五用计算机解题——算法
·实验十六一小时学Python——面向对象方法
·实验十七仿真计算与MATLAB
·实验十八计算机病毒与防火墙
16个实验涉及教学中的重点难点，如“一条指令的执行过程”“云计算与虚拟服务”，等等。这些内容通常在教学中会被简单化，不是因为不重要，而是因为课时少，内容抽象，难于在课堂规定时间讲明白，而虚拟实验正好弥补了这些不足，它以实时的交互、形象的演示、严谨的验证方式呈现这些内容。
从实验形式设计可以看出，大多数实验采用了“XXX与XXX”这样的结构。不难看出其中“与”前面是实验所要强调的重要理论概念，需要验证；而“与”的后面则是这个概念和知识点的落地实践。例如：“进程管理与虚拟机”“广域网通信与邮件传输”“仿真计算与MATLAB”等，其中“进程管理”“广域网通信”和“仿真计算”都是抽象概念和重要知识点，需要学生通过实验方法去思考掌握，而“虚拟机”“邮件传输”“MATLAB”则是这些理论和概念的具体应用，通过这些应用，学生加深理解概念，融会贯通。
同时，虚拟实验可以辅助课堂教学。例如笔者在讲授课程中使用前面4个虚拟实验，课堂讲授效果显著提升。特别是在介绍图灵机模型、计算机硬件系统结构、处理器执行指令的过程、计算机中数据表示与编码等内容时，相关知识点以往都是教学中的难点，新生理解起来非常困难，但虚拟实验中演示的交互过程可把抽象概念变成具体的画面，把文字描述变成可视化的动态过程，起到传授知识和激发兴趣的作用。
3.2 虚拟实验教学过程举例
信息在计算机中的流动涉及对数字化方法、计算机硬件结构、计算机算法执行等重要的概念和知识点的理解和应用。信息在计算机中的流动是看不见摸不着的，是教学中的难点。例如，一个汉字从键盘输入到屏幕显示要经历如图1所示的信息转换过程，需要相关的编码规则、信息转换方法和软硬件的系统配合。通常因为编码种类较多、过程不可视等，影响了学生对这些知识点的深入理解。
通过“字符编码与信息交换”虚拟实验，学生非常容易地掌握了这一信息转换过程和相关的编码规则。例如，图2所示的“字符编码与信息交换”虚拟实验中，实验设计了虚拟键盘（如图左上角所示），通过人机交互输入汉字拼音码，虚拟展示了汉字机内码到国标码的转换及信息流动过程（如图右上角所示），虚拟汉字库（图右下角）详细演示了汉字查找及显示过程。教师先在课堂简单演示虚拟实验，说明汉字信息的编码体系和计算机的处理流程；然后将其留作学生自主学习的内容，可以独立完成，也可以协作讨论；在完成这个实验过程的同时，学生需要完成两个实验报告——《汉字显示过程编码记录表》和《不同字体的字型码》。通过这一系列教学环节，学生对“字模”“字库”“字形”以及各种编码之间的对应关系有了更直观、更深刻的理解。
3.3 虚拟实验方法教学效果调查
采用了这套完整的虚拟实验体系后，我们将大多数实验安排为寒假期间的自主学习过程。我们利用Blackboard网络教学管理平台进行实验教学管理，教师只要保持在线回答学生在实验中遇到的问题，一切便可以在一个宽松愉快的氛围中进行。教师要避免直接给出问题答案，尽量让学生充分地思考和进行研究性学习，锻炼能力。很多学生在实验报告和总结中分享了学习的感受，下面是部分同学的反馈。
“寒假期间我做完了11个实验，对我启发很大，如广域网通信和邮件运输实验，在按照教材上的自主学习指导做题，收获超过预期，懂与会还是差别很大的。”
“做实验最大的心得就是要有耐心，前期要了解很多知识，这激发了我对专业知识的兴趣，让我更加了解了计算机的神奇。自主做实验让我感受到自学过程的酸甜苦辣，有被问题困住的焦灼，也有豁然开朗的喜悦。通过实验我明白了老师的良苦用心，实验过程也是引导我们自主学习的过程，自己学的知识总是比别人灌输的要印象深刻。”
4 总结与展望
虚拟实验体系是对计算机导论课程教学体系的一个优化和补充，特别是用可视化方法诠释计算机的基本原理、知识点中的难点重点内容，化繁为简，化难为易，化抽象为具体；对于帮助新生认识和理解计算思维的本质和计算机系统内部结构原理，提供了有力的支持；对提高计算机专业导论课程的教学效果，引导学生自主学习，培养其抽象思维和系统思维能力有巨大的帮助。
接下来我们要在实验基础上开展问题驱动的拓展学习，增加课程的深度和广度，引导启发学生的探索求知欲，训练学生的思维，培养学生抓住本质、解决问题的实践动手能力。
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（编辑：彭远红）