面向对象的计算机导论课程教学

薄树奎

摘要：内容宽泛是计算机导论课程教学中的难点。文章提出借助面向对象思想的优势，将计算机导论课程内容分成5个相互联系的对象，每个对象有各自的属性和行为，内容涵盖计算机导论课程的主要知识点。进一步阐述如何从逻辑上将教学内容组织起来，从人的认识规律入手讲解新知识，使大一新生易于接受，并能建立完整的学科知识体系。

关键词：计算机导论；课程教学；面向对象

计算机导论是计算机专业的入门课程，也是计算机专业完整知识体系的绪论。计算机导论课程的教学目的，是让大一新生了解计算机专业知识能解决什么问题，应该学什么、如何学，同时激发学生对计算机专业的兴趣，并帮助他们更好地步入后续专业课程的学习。

目前计算机导论相关的教材，大都是概括地讲授计算机学科主要课程的基本内容和应用，并介绍这些课程相互之间内在联系，使学生对计算机学科的理论基础、重要应用有一个基本的了解。国外教材的内容与我国教材差别较大，主要由于学生的背景和现状不同，并不适合目前大学生的实际情况。国内教材内容和课程的教学目的是吻合的，但普遍存在的一个问题是，大一新生在学习这门课的过程中，感觉教学内容过于分散，把握不住重点，很难理解老师讲的“是什么”；而且在学完这门课程后，也并没有明显的收获感，即使每节课都听瞳了，最后也像什么也没有学到一样。教学中存在这样的问题，一方面是和计算机导论这门课程的性质和特点相关，它本来就是介绍计算机学科整体课程体系的，知识点当然会很多，很分散，大学一年级的学生没有专业知识的基础，不能很好地把知识点联系起来，从而造成学习困难；另一方面，教师的教学方式也会产生一定的影响，如果按照传统的教材内容列表进行讲授，仍然摆脱不了每章就是对主干课程的简介这种教学模式，结果还是晦涩难懂。目前有许多关于计算机导论课程教学内容和教学方法的讨论，近年来还提出了以计算思维为导向的计算机导论课程教学内容改革，这些都推动了计算机导论课程教学的发展。

课程的性质和特点是先天的，可以改变的是教学思维和教学方式。从以往教材内容和相应的教学过程来看，计算机导论这门课往往缺乏逻辑性，因为其中的每一章对应一门或几门专业课程，在教学过程中常常是围绕后续课程讲解，即计算机专业有什么样的后续课程，计算机导论就有什么内容的章节，这样就难免把该课程讲成各门课程的简介。计算机导论课程是对计算机学科的介绍，不依赖于后续开设的课程，在逻辑关系上应该先有导论课程，后续课程要围绕导论课程展开，而不是相反。因此，需要对计算机导论的教学思维进行转换，这门课程是计算机“科学”的导论，而不是计算机“课程”的导论。

1.面向对象教学思想

面向对象是一种重要的分析方法，它将现实世界的事物抽象成对象，通过对现实世界的抽象与建模，帮助人们对复杂系统进行认知与理解。在面向对象思想中，世界是由各种具有自身运动规律和内部状态的对象所组成的，不同对象之间的相互作用和通讯构成了完整的现实世界。因此，应当按照现实世界的本来面貌理解世界，通过对象及其相互关系反映世界。采用人类在认识客观世界的过程中普遍运用的思维方法，可以直观、自然地描述客观世界中的事物，更符合人们的认识习惯和客观规律。

面向对象思想是人类自然的认识过程，针对计算机专业知识体系，通过自然的方式去了解相关的内容，是合适的选择。计算机导论是大学新生入学以来的一门新课程，面向对象分析方法符合人们认识新事物的规律，因此采用面向对象思想讲授计算机导论，符合新生认识“计算机科学”这一新事物的规律。首先，面向对象分析方法强调各个对象之间的关系，而不必了解对象内部运行机制，适合让学生了解计算机导论中各部分内容之间的逻辑关系，而不必深入了解其详细内容，符合计算机导论课程的教学特点。此外，将面向对象思想引入计算机导论中，还有助于培养学生的面向对象思维方式，为以后程序设计课程的学习奠定思维基础。

2.计算机导论课程中的对象

将面向对象思想引入计算机导论课程的教学，核心问题是如何将本课程的教学内容合理的划分为互相联系的对象，从而使学生能够更加容易理解计算机科学。为此，根据该课程的性质和特点，结合计算机学科“什么能被有效的自动计算”的根本问题，将计算机导论课程的教学内容抽象为以下几个对象：计算机学科，计算机，计算，数据与信息，网络。首先通过“计算机学科”介绍本专业的相关领域，然后介绍“计算机”是什么，怎么工作，进一步说明计算机如何“计算”，之后是计算机计算的对象——“数据与信息”及其相关的属性知识，最后是多个计算机的互联构成计算机“网络”对象，涉及网络相关知识。计算机导论课程内容对象关系如图1所示。

2.1计算机学科

从学科的高度对计算机科学进行介绍，让学生了解计算机专业研究领域，相关的核心课程，应用方向等。根据百度文库的解释，计算机学科是研究计算机的设计、制造和利用计算机进行信息获取、表示、存储、处理控制等的理论、方法和技术的学科。一级学科计算机科学与技术主要有以下几个研究方向：计算机科学理论，计算机体系结构，计算机软件，网络，人工智能，计算机应用，其中每个研究方向又有更详细的分类。针对每个研究方向，通过实例简单介绍研究内容和应用领域，使学生有一个大概的学科知识框架。根据具体面向的学生所学专业，将其划分到相应的学科方向，进一步明确本方向的研究领域和应用前景，激发学生的学习兴趣。引入计算机学科领域的典型问题，如汉诺塔游戏、哲学家共餐问题以及图灵测试问题等等，让学生感受到计算机学科的科学性和趣味性。另外，根据当前科学技术的发展，适当介绍学科领域前沿，比如当前芯片的集成密度、最高的网络速度、人工智能的发展水平等，更能促进大一新生对本学科发展的向往与探索。

2.2计算机

作为硬件实体，计算机的概念应该在教学开始阶段就要介绍清楚。计算机是个什么东西？首先，从概念上介绍计算机的诞生和发展简史，从简单的计算工具到电子计算机所经历的发展过程，以及计算机的发展趋势。然后解释计算机的类型，包括大型机、微型机、单片机、嵌入式系统等分类及其应用领域，并结合实际案例加以说明。

基于面向对象思想，确定现代计算机对象的属性和行为，其属性包括数学属性和物理属性；行为有自动运行、计算和处理数据。数学属性主要包括数制、算术和逻辑运算；物理属性指的是计算机的硬件基础，主要是元器件、逻辑门。通过硬件实现二进制的状态、二进制的逻辑和算术运算，进而实现存储数据和计算机指令控制。在这些数学和物理属性的基础上，引入存储程序和操作系统的概念，实现计算机的自动运行行为，进一步实现复杂的计算和数据处理。

在“计算机对象”内，将数学基础、硬件组成、工作原理、操作系统、程序和数据各部分内容有机地组合起来。在逻辑上将各个部分串起来有助于新生理解“计算机对象”的整体。计算机对象的这些构成里面，每个子对象又可以通过面向对象的思想作进一步的解剖，说明这些子对象的属性和行为，真正以符合认识规律的面向对象思想进行计算机知识的讲解。

2.3计算

在计算机科学领域，广义的计算概念也包括数据处理等方面，当然首先是要理解一般的算术运算过程。从计算机讲到计算是自然的事情，在“计算机对象”中已经有了计算的基础，即数学理论和硬件实现，而复杂的计算是如何实现的？理解“计算”对象，首先是计算的属性，包括所使用的语言和复杂度；其次是计算的行为，有计算过程和实现方法。围绕计算机如何进行“计算”的问题进行讲解，所涉及的知识点有程序设计、编程语言，算法、编译等。

计算的任务是人给出的，即要完成什么，怎样完成，这就需要人和计算机交流的“语言”——程序设计语言。程序设计语言又可以分为高级语言和低级语言，以及各自的进一步分类等等。为了解决复杂的计算，需要专门学习算法的知识，关系到计算的复杂性问题，并介绍典型的几个算法，如递归，循环等。采用某种高级语言编写的程序，可以告诉计算机干什么，而计算机对语言内容的理解和执行过程，涉及编译的知识。这样，就围绕“计算”这个对象，将语言、程序、算法、编译等知识点，有条理的展现在学生面前，而且让初学者对计算机的计算过程有个宏观的认识。

此外，让学生进一步加深理解计算机的计算过程，引入“计算思维”的概念，计算思维是以计算机解决问题的方式去思考，像计算机科学家一样考虑计算问题，这也是计算机科学领域从业者需要具备的思维方法。结合一些典型的数学运算如开方，来加深对计算机解题方法和计算思维的理解。

2.4数据与信息

在计算机中，数据是被计算的对象，也是初学者最容易想到和问到的问题，即计算机中“数据”是什么样子的？列举最常见的数据对象实例，并将现实世界中的数据分类为子对象，包括数字、字符、汉字，声音，图像，视频等。要对数据进行处理，首先得设法对它进行描述和表示，让计算机能够理解并加以处理。因此，首先要对数据对象及其子对象进行属性的描述，包括编码、采样、量化等，而无论什么数据对象，在计算机中都要转化成二进制，而且所有内容均保存在文件中，文件有各种类型和名称。结合不同的数据形式，让学生了解现实世界如何表示成二进制形式，是数据处理中首先要解决的问题。

在了解数据及其子对象属性的基础上，介绍数据对象的行为，包括存储组织和常用办公数据的处理。数据存储组织中一个重要的知识就是数据库，数据库也是数据的子对象，可以为学生解释众多数据管理系统中的数据去哪儿了。首先是数据库的基础理论，然后结合数据库实例展示一些主要的操作，使学生对数据库有个感性认识。进一步说明数据结构在数据库中的作用和重要性，着重强调数据结构的概念，以及程序、算法和数据结构的关系，对所学的知识做一个逻辑上的链接。常用办公软件如WPS或Office，是数据处理的实例，结合数据对象的概念，简单介绍其常用功能，并通过适当的实践练习提高计算机的应用能力。

2.5网络

网络对象是计算机对象的集合，即把多台计算机连接起来就组成了网络。网络对象的属性有类型、功能、组成和体系结构。而网络对象又可以包含两个子对象即局域网和互联网，介绍两者的区别和联系，让大家理解生活中常用的两个概念。网络既然是由多台计算机相互连接起来的，就要理解网络的连接方法，即网络的拓扑结构和接入方式。网络拓扑结构是实际的网络连接的一种抽象，除了介绍常见的几种拓扑结构外，这种抽象的方式也是计算机专业在解决问题的时候经常要用到的，结合实际的计算机网络及其采用的拓扑结构，使学生对将实际问题进行抽象的理解有个初步的印象。通过智能手机的网络连接体验，使学生了解各种网络接入方式。

网络对象的行为包括正常的行为和非正常的行为，正常的网络行为即各种网络应用，从网络通信和资源共享两个方面进行说明。其中网络通信涉及IP地址、域名等知识，结合生活中常见的网络应用，进一步说明网络通信的知识。资源共享则有数据传输服务、信息检索以及万维网等。此外，结合日常应用，列举出近年来新兴的网络应用，如电子商务、移动终端通信等等。而非正常的网络行为有非法入侵、恶意软件、网络攻击等，与之对应的网络安全知识有反病毒、反黑客、防火墙以及入侵检测技术等，还有数据加密、安全认证等相关的概念。通过介绍计算机网络对象的属性和行为，将网络相关的知识进行有逻辑的组织，使学生更好地理解和掌握相关的知识点。

3.结语

采用面向对象的计算机导论教学，并不是重新设计课程的教学内容，而是将原来的教学内容进行更加科学的归整，根据提出的几个“对象”将所有内容做一个重新分组，使这些教学内容都被包含在互相联系的几个“对象”中。这样大一新生就能首先掌握计算机科学所包含的几个大的部分，然后每个部分又有哪些细节内容，使他们能有一个总体的计算机学科框架知识。与计算机导论课程类似，其他学科也可能存在同样的问题，将学科自身的基本问题提炼成若干个典型的、互相联系的“对象”，有利于学生理清本学科基本知识的脉络。因此，基于面向对象思想的导论课程教学，对其他学科也有很好的借鉴意义。