大學計算機教學論文
大學計算機教學論文
隨著社會資訊化的縱深發展，各行各業的資訊化程序都在不斷加速。 用人單位對大學畢業生的計算機應用能力要求也隨之提高，計算機水平已經成為衡量大學生專業素質與能力的突出標誌。但高校的計算機教學效果並不理想，與社會的需求仍存在不小的差距。以下是小編整理的大學計算機教學論文，歡迎閱讀。
一、“大學計算機基礎”課程教學現狀
根據教育部高等院校計算機基礎教學指導委員會的指導意見，計算機基礎教學主要講授計算機技術的四大領域：系統平臺與計算環境、演算法基礎與程式設計、資料管理與資訊處理、系統開發與行業應用。重點掌握三方面的應用技能：計算機網路應用與資訊檢索方法、關係資料庫管理系統的基本使用方法和多媒體資訊處理工具的使用方法。“大學計算機基礎”課程需要講授的知識體系分解為知識單元和知識點，要求各學校對每一個知識點的內容、傳授的方式、檢驗是否掌握的方式都要制定相應的要求和標準。“大學計算機基礎”是大學本科生的第一門公共計算機基礎課，是計算機基礎教學的核心課程，培養目標基本是儘可能使非計算機專業的學生對計算機科學的主要領域有一個基本的瞭解，計算機是什麼、能做什麼、如何做，因此教學內容廣泛，知識點豐富且各種知識相互交叉，基本上是各領域基礎知識和基本技術的濃縮。在一本教材一門課程（約70學時）中，從教材到教學都是以名詞解釋為主，基本上對周以真教授提到的計算思維的特徵點都粗略地解釋了“它是什麼”，卻沒有進一步解釋“為什麼”，而“為什麼”中蘊含了豐富的計算思維。如何對非計算機專業的學生、在有限的學時內將“作業系統”單元中蘊含的計算思維清晰地展示給學生，首先應該按照計算思維的理念，對這部分知識中基本的最有價值的能在有限的學時內講清楚的知識進行取捨篩選。早期的大學計算機基礎教學主要是技能培養，之後是能力培養，對計算機的認知能力、應用計算機解決問題的能力、基於網路的學習能力、依託資訊科技的共處能力。現在在能力培養的基礎上，計算思維的培養作為計算機基礎教學的核心內容。我們重新審視“大學計算機基礎”課程的知識單元和知識點，把這些知識點中蘊含的計算思維的內容明確出來，在培養學生運用計算機技術能力的同時，培養計算思維。“作業系統”作為十分重要的一個知識單元，通常介紹作業系統的層次架構、資源管理、發展史及常見的作業系統。作為計算機系統資源的管理者，作業系統對CPU、記憶體、檔案、輸入輸出裝置進行管理，同時作業系統對計算機硬體進行抽象和分解，形成了程序、執行緒、虛擬記憶體、檔案系統、各種輸入輸出模式等作業系統構造的出現，以此方法來控制這個巨型龐雜系統的設計和運轉。透過預防、保護及冗餘、容錯、糾錯的方式保證作業系統本身的正確執行。雖然CPU、記憶體、磁碟、輸入輸出等裝置的形式和構造相差很大，但對它們進行管理採用的思維方法卻有很多相同點，集中體現在處理機管理、記憶體管理的方式方法中，充分展示計算機如何為事物抽象、分解、建模、並行處理的思維方法，在時間和空間之間、處理能力和儲存容量之間的進行折中的思維方法。總之，在作業系統中計算思維無處不在，是培養學生計算思維方法的絕佳園地。
二、在“作業系統”知識單元中挖掘計算思維方法
1、作業系統的層次架構。作業系統是一種層次管理機制，分為多個功能模組，按層次分解，每層的功能不同，下面一層只對上面一層負責，上面一層只對緊連的下一層進行控制。層次結構的思維方法使得作業系統的構造過程變得簡單易行。
2、程序模型，程序是為了在CPU上實現多道程式設計而出現的概念。任何時刻CPU上只能執行一條指令，所以任意時刻CPU只有一個程序在執行，由程式計數器確定執行哪條指令。從邏輯上看每個程序都可以執行，也可能掛起讓別的`程序執行，之後又接著執行。每個程序需要記住每次掛起時自己所處的位置，以保證下次執行時從此處開始。從時間上看，每個程序都在執行；從邏輯上看，多道程式併發執行；從CPU角度上看，程序經常切換。這就是程序模型。
3、程序管理，作業系統透過維護程序的一些資訊管理程序（透過管理事物的資訊來管理事物是一種管理思維方式）。建立程序時，作業系統為其建立程序控制塊，它採納的資料結構有線性表、連結串列和結構（struct）。程序管理要解決的問題是資源分配，既要公平又要高效地利用資源。程序可以併發執行，併發程序之間存在同步互斥的關係，這種關係被抽象成一個模型：生產者與消費者。 4、執行緒，程序在一個時間裡只能執行一件事，如果想做多件事就得使用“分身術”。執行緒是程序的分身，執行緒與程序擁有同樣的程式文字，但是執行緒的上下文不一致。執行緒是程序的一個執行序列，一個程序可以同時擁有多個執行序列，就像一個舞臺可以有多個演員同時出場一樣。執行緒使我們可以在軟體指令執行上併發。
5、閉鎖，程序/執行緒同步機制中閉鎖的實現有多種方法，以中斷啟用與禁止來實現鎖、用測試和設定指令來實現鎖、以非繁忙等待的中斷啟用與禁止來實現鎖、以最少繁忙等待的測試和設定指令來實現鎖。這一系列問題非常適合使用啟發式思維方法，依據知識點內在聯絡進行邏輯推理啟發教學，培養他們分析問題和解決問題的思維能力，同時調動學生積極性，激發他們的學習興趣。
6、虛擬記憶體管理。程式要執行必須先載入到記憶體。使用者對記憶體的要求是：大容量、高速度和永續性，而實際上卻是一個由快取、主存、磁碟組成的記憶體系統。記憶體管理就是使程式在任何一個層次上的存放對使用者來說都是一樣的，這就是虛擬記憶體管理，它對由快取、主存、磁碟組成的記憶體系統進行抽象思維，使使用者感覺擁有一個空間像磁碟那樣大、速度像快取那樣快的比物理記憶體空間大得多的地址空間。
7、記憶體空間分配。多道程式設計可以大幅提高CPU和記憶體的利用率，改善使用者響應時間，這些優勢的代價是作業系統的複雜程度。例如不能將程式載入到固定的記憶體空間，進而不能使用靜態地址重定位，必須使用動態地址重定位。多道程式數量的增加不是無限的，超過某個限度，多道程式之間的資源競爭反而會降低系統效率，需要在作業系統的複雜程度和CPU記憶體利用率之間進行折中。動態地址重定位增加了系統消耗，但提高了作業系統的靈活性。我們可以將程式載入到記憶體任何地方，可以方便實施地址保護，實現虛擬記憶體。
8、作業系統不知道一個程式會進行多少層巢狀呼叫，不知道程式執行會產生多少新資料，因而不能事先確定給一個程式分配多少記憶體空間。配置一個超大空間會造成記憶體資源浪費，配置小了程式無法繼續執行。當一個程式所佔空間不夠時，作業系統將它倒出到磁碟上，等待大片記憶體空間的出現，再載入到其中繼續執行，作業系統的這種管理方式稱為交換（swap）。如果程式的增長超過了物理記憶體空間的容量，作業系統使用的辦法是重疊（Overlay）。將程式分成功能相對完整的單元，一個單元執行後再執行下一個單元，條件是一旦執行下一個單元就不會再執行前面的單元，作業系統把後面的程式單元配置到前面的程式單元上，將其覆蓋，這樣就可以執行一個比物理記憶體大得多的程式。
9、分頁系統中頁面更換演算法。如果CPU訪問的頁面不存在，系統產生缺頁中斷，中斷服務程式負責把位於磁碟上的資料載入到物理記憶體中。磁碟的訪問速度遠遠慢於記憶體，頻繁的缺頁中斷的系統消耗是巨大的，因此要精心設計頁面更換演算法。演算法中蘊含了人類社會的處事哲學：追求公平，同時又希望自己能被區別對待。作業系統中到處都閃爍計算思維的光輝，執行緒通訊中的“管道”思維、“訊號”及“訊號量”、執行緒同步中競爭引起的死鎖的解決方案、哲學家就餐問題、銀行家演算法、處理器排程的排程演算法等。
三、計算思維能力的培養
在“大學計算機基礎”課程中，從理論上講授計算思維的同時，實驗教學也是學生掌握計算思維方法的重要一環。計算思維的培養是以計算能力的培養為基礎，只有接受過良好的計算機技術培訓，具備了應用計算機解決問題的能力，才能逐漸領悟計算機科學家在面對問題時所習慣採用的思維方法，否則計算思維只能停留在理論層面，對學生來說無異於紙上談兵。對非計算機專業的學生而言，計算機基礎課定位為基本概念、技術和方法，這種指導思想不利於計算思維的培養。對計算機有深刻理解才會汲取相應深刻的思維理念。計算機的高速與精確，使得計算思維是一種精確思維，在時間上以納秒為尺度，以量化的方式對資訊進行加工處理，使概略變得精確、使模糊變得清晰的思維方式，這與其他很多學科不同。相對於計算機的高速與精確，很多學科可以看做是粗放的技術，在邏輯思維上凸顯粗放的特點。在不遠的將來，這些學科可能會透過使用先進的計算技術和計算科學逐步由粗放到精確。“大學計算機基礎”課程的很多內容都含有明顯的計算思維方法，很多案例對計算思維提供了很好的詮釋，但是對培養計算思維能力還遠遠不夠，需要在知識結構上進一步調整，在教材中進一步挖掘，在教學中進一步探討，理清計算思維的基本要素、培養方法、實施途徑和評測規範。在現有學時少、師資弱的教學環境中，主動採取有效措施，從思想觀念、師資隊伍建設入手強化培養計算思維能力的意識。
計算思維的形成是一個長期的過程，它不是學一門課程就能掌握的。計算思維教學貫穿在所有的大學計算機基礎課程中，如程式設計、微機原理與介面技術、資料庫技術與應用、多媒體技術與應用等課程。當今社會計算機技術已經滲透到社會生活的方方面面，計算思維必將成為多數人必須具備的、最基礎的、不可缺少的思維方式。對於非計算機專業的學生來說，擁有計算思維能力，並能自覺地應用於日常的學習、工作中，是適應社會需求的必經之路。
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作者簡介：侯彥利（1966—），女，河北饒陽，副教授，學士，研究方向：人工智慧。