可视化表达与互动组织在“计算机导论”课程教学中的应用分析

王 剑

（长江大学计算机学院，湖北 荆州 434023）

计算学科已经成为基础技术学科。 随着计算机和软件技术的发展， 继理论和实验后计算成为第三大科学研究范型， 从而使计算思维成为现代人类重要的思维方式之一。 学科基础知识被视为计算机专业类基础知识，培养学生计算思维、程序设计与实现、算法分析与设计、 系统能力等计算机类专业基本能力。 计算机导论是计算机学科的第一门基础课， 是学生承前启后，初步入门的重要课程。 学习好了该课程，会对学生建立计算机专业学习自信， 培养计算机类专业素养，了解计算机专业特征， 掌握计算机基础知识点， 明确计算机学科地图， 增加计算机视野具有较好的帮助和加成。

通过数年来对计算机导论课程的调研和一线教学、 实验活动， 我们发现目前计算机导论课程中入学新生的水平严重参差不齐， 通过调研可以发现， 我国广大的专业大一新生在入校以前正规学过的计算机课程普遍偏少甚至为零， 特别是目前高中培养模式下的非发达地区学子普遍是“0 基础”偏多，很多新生在入校以前的计算机专业课基本上属于放羊式的教学和学习， 这就使得授课老师产生了疑惑和压力， 学生无基础，如何能浅显易懂的教授计算机导论这门课程？

针对上述分析， 笔者提出了在传统理论课堂的教学基础上， 采用可视化表达与互动组织的计算机导论课程教学模式， 打好 “计算机导论与计算思维有效结合”与“积极融入可视化表达的通俗易懂阐述模式”两张牌， 良好的平衡了基础的教学内容与计算机发展的前沿技术之间的度， 清晰地给出计算机学科的学习地图，针对“0 基础或者薄弱基础”的学生提供了直观明了的可视化编程方法， 并详细分析多个计算机学科内的经典算法及其表达， 通俗易懂的全面讲解了当前计算机类的新兴技术， 帮助学生能快速， 全面的对计算机科学了解入门和掌握相关知识点。 互动组织活动主要从分组形式和规则， 内容的组织方法， 内容的设计形式和可视化技术及虚拟机的有效引入这些方面展开。

下面以授课中以计算机导论课程中的 “嵌入式系统设计与应用” 部分和算法思维部分讲解为例对课堂活动组织进行分析：

首先是分组，组员一般有4 人，分别是主讲人、幻灯片制作人、 提问人和回答人。 然后幻灯片的制作第一面至少应包含题目，小组成员姓名（任务分配)；形式可多样不限于文字，图片，图形或者其他，总数量不应少于15 张幻灯片，以更好的讲清楚指定指令为目标但应保持简洁明了的基本原则； 最后一张应为致谢。 两组讲解同一指令， 提问人负责对指定指令向另一组提问， 不少于2 个问题， 另一组指定回答人负责指定指令作答。 双方组长互评对方组的讲述及幻灯片制作环节等。 由授课老师负责评选最佳组（长）、最佳PPT 制作和最佳主讲人。 课程结束后应完成相应作业， 写在作业本上并上交，作业格式为：本组指令名称、指令格式及说明和指令举例说明。

内容的组织是个重要组成部分， 选择合适的问题展开辩论和学习有助于激发他们的学习兴趣， 扩展他们的学习视野。 比如可以有下列选题： 什么是嵌入式系统？ 什么是SWI 指令？什么是硬件抽象层OAL？什么是bootloader？ 简述基于x86 处理器和arm 处理器的系统调用方式的区别？ 嵌入式系统的特点是什么 ？简述嵌入式系统的总线 ？ 简述ARM9 处理器模式？ 什么是寄存器寻址方式 ？ 什么是SWP(Swap)指令？ 什么是嵌入式系统软件？ 什么是Linux 模块？试分析Boot Loader 的启动过程 ？什么是MMU？嵌入式系统的硬件有哪些组成？简述ARM9 异常处理过程？简述嵌入式系统存储器 ？ 什么是寄存器间接寻址方式？ ARM 转跳指令主要功能是什么? 这样的选题难度较低， 适合学生展开分析和讨论， 对于基础较好的学生， 应准备难度较大合作程度更高的题目进行辩论工作。

内容的设计方式应切合技术发展趋势， 从学生实际情况出发， 同时合理最大化运用现有软硬件资源，为学生的课程设计提供良好的平台。 LINUX 和嵌入式平台具有良好的可扩展性和可操作性。 针对上述平台展开合理的课设内容的设计能有效提高实习学生的嵌入式设计能力。 虚拟机VMWARE 的引入是重要环节。它能有效的避免对宿主机操作系统windows 的破坏。

由于部分学生对计算机类的嵌入式系统缺乏一定的理论基础， 在内容设计的提高阶段有一定的困难，对此授课教师需要将内容实行有效地分层化规划，在强调基础核心课设规划的基础上， 分层次设计课堂活动组织目标。

然后对算法思维进行介绍。 算法的讲解是计算机导论课程中的核心部分， 算法思维属于计算思维的一种具体化表达方式， 属于客观世界抽象后形成的计算机世界的表达， 算法和文档的有序组织， 才能形成有效的软件程序。 重视算法思维的教学， 是计算机类基础课和核心课教学的重要组成部分。 国内顶尖高校普遍重视在大学低年级阶段就展开算法思维的教学工作，由于这些高校生源基础好，学生普遍自学能力强，在入校前都有了一定的计算机类思维的培训甚至有项目经历， 因而对于这些学校不存在上述问题， 但是反过来说绝大部分高校由于种种原因， 对这一块的教学深化还有待加强。 目前在计算机导论课程中算法的讲解主要方法是流程图，N-S 图，伪代码，少部分还使用了当下最流行的python 语言作为算法分析语言。 针对“0 基础或者薄弱基础”的学生，可以采用可视化表达模式帮助他们迅速入门掌握相关知识点。

可视化是利用计算机图形和图像技术， 将数据或者程序转换成可视化表达模式进行显示和交互处理的方法和技术。 可视化表达的技术种类很多， 其宗旨是实现数据到显示的无缝连接。 在计算机导论课程中，可以采用scratch 技术或者app inventor 技术来实现对于算法等章节的描述表达。 前者应用在windows 的PC端，后者运用在Android 的移动终端。 可以根据学生的特点和兴趣来选择合适的编程软件。 把数据动起来，把程序显示出来， 把软件的过程化显示出来， 可以有效的帮助薄弱基础的学生增强信心和兴趣， 调动他们的积极性， 更快更好的入门和掌握知识点。 这里要说明的是， 虚拟机在此处应该有较大的作用发挥， 虚拟机指通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、 运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统。 虚拟系统通过生成现有OS 的全新虚拟镜像， 它具有真实操作系统完全一样的功能， 进入虚拟系统后， 所有操作都是在这个全新的独立的虚拟系统里面进行， 可以独立安装运行软件，保存数据，拥有自己的独立桌面，不会对真正的系统产生任何影响 ，而且具有能够在现有系统与虚拟镜像之间灵活切换的一类OS。

通过对计算机科学类新生的教学及实践活动，在采用了可视化表达与互动组织的计算机导论课程教学模式的班级与未采用该模式的参考班级对比情况下，使用了该模式的班级最终呈现的如期末成绩， 实验报告，作业、课堂反馈均好于参考班级，说明该模式具有一定的实用价值和参考意义。 接下来需要进一步总结经验继续积极有效的进行教学改革探索实践。