大學計算機教學論文
隨著社會信息化的縱深發(fā)展，各行各業(yè)的信息化進程都在不斷加速。 用人單位對大學畢業(yè)生的計算機應用能力要求也隨之提高，計算機水平已經(jīng)成為衡量大學生專業(yè)素質(zhì)與能力的突出標志。但高校的計算機教學效果并不理想，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(xiàn)狀
根據(jù)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(tǒng)平臺與計算環(huán)境、算法基礎與程序設計、數(shù)據(jù)管理與信息處理、系統(tǒng)開發(fā)與行業(yè)應用。重點掌握三方面的應用技能：計算機網(wǎng)絡應用與信息檢索方法、關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的基本使用方法和多媒體信息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(nèi)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�！按髮W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(yǎng)目標基本是盡可能使非計算機專業(yè)的學生對計算機科學的主要領域有一個基本的了解，計算機是什么、能做什么、如何做，因此教學內(nèi)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征點都粗略地解釋了“它是什么”，卻沒有進一步解釋“為什么”，而“為什么”中蘊含了豐富的計算思維。如何對非計算機專業(yè)的學生、在有限的學時內(nèi)將“操作系統(tǒng)”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(nèi)講清楚的知識進行取舍篩選。早期的大學計算機基礎教學主要是技能培養(yǎng)，之后是能力培養(yǎng)，對計算機的認知能力、應用計算機解決問題的能力、基于網(wǎng)絡的學習能力、依托信息技術的共處能力�，F(xiàn)在在能力培養(yǎng)的基礎上，計算思維的培養(yǎng)作為計算機基礎教學的核心內(nèi)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(nèi)容明確出來，在培養(yǎng)學生運用計算機技術能力的同時，培養(yǎng)計算思維�！安僮飨到y(tǒng)”作為十分重要的一個知識單元，通常介紹操作系統(tǒng)的層次架構、資源管理、發(fā)展史及常見的操作系統(tǒng)。作為計算機系統(tǒng)資源的管理者，操作系統(tǒng)對CPU、內(nèi)存、文件、輸入輸出設備進行管理，同時操作系統(tǒng)對計算機硬件進行抽象和分解，形成了進程、線程、虛擬內(nèi)存、文件系統(tǒng)、各種輸入輸出模式等操作系統(tǒng)構造的出現(xiàn)，以此方法來控制這個巨型龐雜系統(tǒng)的設計和運轉(zhuǎn)。通過預防、保護及冗余、容錯、糾錯的方式保證操作系統(tǒng)本身的正確運行。雖然CPU、內(nèi)存、磁盤、輸入輸出等設備的形式和構造相差很大，但對它們進行管理采用的思維方法卻有很多相同點，集中體現(xiàn)在處理機管理、內(nèi)存管理的方式方法中，充分展示計算機如何為事物抽象、分解、建模、并行處理的思維方法，在時間和空間之間、處理能力和存儲容量之間的進行折中的思維方法�？傊�，在操作系統(tǒng)中計算思維無處不在，是培養(yǎng)學生計算思維方法的絕佳園地。
二、在“操作系統(tǒng)”知識單元中挖掘計算思維方法
1、操作系統(tǒng)的層次架構。操作系統(tǒng)是一種層次管理機制，分為多個功能模塊，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操作系統(tǒng)的構造過程變得簡單易行。
2、進程模型，進程是為了在CPU上實現(xiàn)多道編程而出現(xiàn)的概念。任何時刻CPU上只能執(zhí)行一條指令，所以任意時刻CPU只有一個進程在執(zhí)行，由程序計數(shù)器確定執(zhí)行哪條指令。從邏輯上看每個進程都可以執(zhí)行，也可能掛起讓別的`進程執(zhí)行，之后又接著執(zhí)行。每個進程需要記住每次掛起時自己所處的位置，以保證下次執(zhí)行時從此處開始。從時間上看，每個進程都在執(zhí)行；從邏輯上看，多道程序并發(fā)執(zhí)行；從CPU角度上看，進程經(jīng)常切換。這就是進程模型。
3、進程管理，操作系統(tǒng)通過維護進程的一些信息管理進程（通過管理事物的信息來管理事物是一種管理思維方式）。創(chuàng)建進程時，操作系統(tǒng)為其建立進程控制塊，它采納的數(shù)據(jù)結構有線性表、鏈表和結構（struct）。進程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。進程可以并發(fā)執(zhí)行，并發(fā)進程之間存在同步互斥的關系，這種關系被抽象成一個模型：生產(chǎn)者與消費者。 4、線程，進程在一個時間里只能執(zhí)行一件事，如果想做多件事就得使用“分身術”。線程是進程的分身，線程與進程擁有同樣的程序文本，但是線程的上下文不一致。線程是進程的一個執(zhí)行序列，一個進程可以同時擁有多個執(zhí)行序列，就像一個舞臺可以有多個演員同時出場一樣。線程使我們可以在軟件指令執(zhí)行上并發(fā)。
5、閉鎖，進程/線程同步機制中閉鎖的實現(xiàn)有多種方法，以中斷啟用與禁止來實現(xiàn)鎖、用測試和設置指令來實現(xiàn)鎖、以非繁忙等待的中斷啟用與禁止來實現(xiàn)鎖、以最少繁忙等待的測試和設置指令來實現(xiàn)鎖。這一系列問題非常適合使用啟發(fā)式思維方法，依據(jù)知識點內(nèi)在聯(lián)系進行邏輯推理啟發(fā)教學，培養(yǎng)他們分析問題和解決問題的思維能力，同時調(diào)動學生積極性，激發(fā)他們的學習興趣。
6、虛擬內(nèi)存管理。程序要運行必須先加載到內(nèi)存。用戶對內(nèi)存的要求是：大容量、高速度和持久性，而實際上卻是一個由緩存、主存、磁盤組成的內(nèi)存系統(tǒng)。內(nèi)存管理就是使程序在任何一個層次上的存放對用戶來說都是一樣的，這就是虛擬內(nèi)存管理，它對由緩存、主存、磁盤組成的內(nèi)存系統(tǒng)進行抽象思維，使用戶感覺擁有一個空間像磁盤那樣大、速度像緩存那樣快的比物理內(nèi)存空間大得多的地址空間。
7、內(nèi)存空間分配。多道編程可以大幅提高CPU和內(nèi)存的利用率，改善用戶響應時間，這些優(yōu)勢的代價是操作系統(tǒng)的復雜程度。例如不能將程序加載到固定的內(nèi)存空間，進而不能使用靜態(tài)地址重定位，必須使用動態(tài)地址重定位。多道程序數(shù)量的增加不是無限的，超過某個限度，多道程序之間的資源競爭反而會降低系統(tǒng)效率，需要在操作系統(tǒng)的復雜程度和CPU內(nèi)存利用率之間進行折中。動態(tài)地址重定位增加了系統(tǒng)消耗，但提高了操作系統(tǒng)的靈活性。我們可以將程序加載到內(nèi)存任何地方，可以方便實施地址保護，實現(xiàn)虛擬內(nèi)存。
8、操作系統(tǒng)不知道一個程序會進行多少層嵌套調(diào)用，不知道程序運行會產(chǎn)生多少新數(shù)據(jù)，因而不能事先確定給一個程序分配多少內(nèi)存空間。配置一個超大空間會造成內(nèi)存資源浪費，配置小了程序無法繼續(xù)執(zhí)行。當一個程序所占空間不夠時，操作系統(tǒng)將它倒出到磁盤上，等待大片內(nèi)存空間的出現(xiàn)，再加載到其中繼續(xù)執(zhí)行，操作系統(tǒng)的這種管理方式稱為交換（swap）。如果程序的增長超過了物理內(nèi)存空間的容量，操作系統(tǒng)使用的辦法是重疊（Overlay）。將程序分成功能相對完整的單元，一個單元執(zhí)行后再執(zhí)行下一個單元，條件是一旦執(zhí)行下一個單元就不會再執(zhí)行前面的單元，操作系統(tǒng)把后面的程序單元配置到前面的程序單元上，將其覆蓋，這樣就可以執(zhí)行一個比物理內(nèi)存大得多的程序。
9、分頁系統(tǒng)中頁面更換算法。如果CPU訪問的頁面不存在，系統(tǒng)產(chǎn)生缺頁中斷，中斷服務程序負責把位于磁盤上的數(shù)據(jù)加載到物理內(nèi)存中。磁盤的訪問速度遠遠慢于內(nèi)存，頻繁的缺頁中斷的系統(tǒng)消耗是巨大的，因此要精心設計頁面更換算法。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(qū)別對待。操作系統(tǒng)中到處都閃爍計算思維的光輝，線程通信中的“管道”思維、“信號”及“信號量”、線程同步中競爭引起的死鎖的解決方案、哲學家就餐問題、銀行家算法、處理器調(diào)度的調(diào)度算法等。
三、計算思維能力的培養(yǎng)
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(huán)。計算思維的培養(yǎng)是以計算能力的培養(yǎng)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采用的思維方法，否則計算思維只能停留在理論層面，對學生來說無異于紙上談兵。對非計算機專業(yè)的學生而言，計算機基礎課定位為基本概念、技術和方法，這種指導思想不利于計算思維的培養(yǎng)。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，以量化的方式對信息進行加工處理，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。相對于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，這些學科可能會通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(nèi)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(yǎng)計算思維能力還遠遠不夠，需要在知識結構上進一步調(diào)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(yǎng)方法、實施途徑和評測規(guī)范。在現(xiàn)有學時少、師資弱的教學環(huán)境中，主動采取有效措施，從思想觀念、師資隊伍建設入手強化培養(yǎng)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，如程序設計、微機原理與接口技術、數(shù)據(jù)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(jīng)滲透到社會生活的方方面面，計算思維必將成為多數(shù)人必須具備的、最基礎的、不可缺少的思維方式。對于非計算機專業(yè)的學生來說，擁有計算思維能力，并能自覺地應用于日常的學習、工作中，是適應社會需求的必經(jīng)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：人工智能。
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