教学研究与课程资源优化设计-教授

1、教学研究与 课程资源优化设计李凤霞 2013.11.2大学计算机课程的基础性需求虚拟实验设计与实践教改体会报告内容大学计算机课程的基础性需求计算机基础教育面临的挑战课程如何体现基础性特征计算思维落地的瓶颈分析九十五、大学外语九十六、大学数学九十七、大学物理九十八、大学化学九十九、大学生物学一、大学计算机一一、力学基础一二、机械基础 新一届教指委分类的变化：计算机基础教育面临的挑战 历史使命计算机基础教育面临的挑战教育部强调的“四个着力”： 一要着力推动教育理念转变，确立科学的人才培养质量观； 二要着力研究制定国家标准，推动建立具有中国特色、世界水平的本科人才培养质量标准体系。 非计算机专业的计

2、算机教育是中国特色 -面向98%的本科生服务 什么是我们的人才培养质量标准体系？ -这个标准能具备世界水平两个值得关注的问题：大学计算机课程的历史使命-公共基础计算机基础教育面临的挑战 发展动态计算机专业：重拾计算机科学-系统能力计算机基础：计算思维导向-基础性建设计算机的专业设置：计算机科学与技术计算机应用计算机软件与理论软件工程-被冷落.发展动态：从南京大学陈道蓄教授的4课合一的贯通型课程研究到北航的系统能力培养，关注了计算机科学本身的研究和教学投入： 课群建设；系统级教学；工程方法计算机基础教育面临的挑战 发展动态计算机基础：计算思维导向-基础性建设计算机公共教学历经了-三次浪潮技术推动

3、的计算机普及教育大发展-确立了计算机基础教学的基础课程地位需求牵引的计算机教学改革深入发展-白皮书：确立了教学内容和知识结构的总体构架计算引领的时代推动计算机教育内涵发展-C9联合声明，计算思维宣言，以计算思维为引导的计算机基础教学改革的内涵发展计算机基础教育面临的挑战计算引领的时代推动了计算机教育内涵发展特征：迅速的响应，积极的参与。 正当我们为计算机基础教育的基础性所困扰的时候，计算思维使我们有了柳暗花明的感觉。值得思考的问题： 什么是计算机基础教育的内涵？如何体现课程的基础性？理念、思维、原理、技术、知识？9 亿用户，250亿图像1.4亿用户，3.4亿/天2亿用户图像文本视频40亿Vie

4、w， 40亿上传/天5100 万用户，60亿图像5亿用户，1亿/天需求天翻地覆的变化技术充满无限的诱惑技术充满无限的诱惑我拿什么奉献给你-我的学生计算机基础教育面临的挑战 教师的困惑爆炸性的知识扩充难于割舍用选修课的学时完成基础课的任务实用性需求诱导教学偏离基础轨道各种社会活动成为教学工具化的导向教学院长的态度让我们伤心学生的评价让我们惊讶“没什么用”让我们心虚计算机基础教育面临的挑战 教师的困惑我们有必要问自己：计算机知识在增加，需求在扩大，学生的期待在升温。可是我们的课时却在减少（我们变成了全能教师）；我们的学生满怀期待而始，却心存遗憾而终。这其中有一系列需要我们付出代价去探究和解决的问题

5、。我们必须回答： 拿什么支持我们的人才培养目标？ 拿什么制定我们的国际标准？ 拿什么站在（MOOC）国际大讲堂？课程如何体现基础性特征能力导向：思维能力、创新能力、面向专业应用解决问题的能力；关于应用能力的几个词语：实践能力、动手能力、操作能力，面向专业应用解决问题的能力教学内容：基础性、原理性、知识性，能让学生长期受益的内容，了解基于计算机的问题求解的内在支持、限制、方法；课程如何体现基础性特征问题：讲计算还是计算机 计算：可以是数学方法，也可以是计算机方法，我们讲计算机方法，应该是用计算机技术解决计算问题讲计算机的什么：讲原理、讲思路、讲本质便于深刻理解，利用它解决问题，进行系统设计，人类

6、行为理解基于计算机的计算思维：例如：天气预报，计算模型并不复杂，但需要高性能计算支持 核试验全球禁止，只能模拟课程如何体现基础性特征服务对象：面向专业应用实施细节层面的分类教学，这个分类不仅是案例的结合，而是专业对计算机的需求表现。 “领域的进化远远大于课程的进化。”发展在推动，需求在牵引，非计算机基础教育最终要为多学科交叉融合、复合型人才培养作出贡献。（例） 著名的计算机大师预言：我们所使用的工具影响着我们的思维方式和思维习惯，从而也将深刻的影响着我们的思维能力。那么我们应该体现：这个工具哪些知识将有如此影响？ 让更有价值的东西占有你非常有限的课堂！ 什么是更有价值？计算思维落地的瓶颈分析基

7、本认识计算思维是增强课程基础性的一个具有前瞻性的理念，并且符合大多数学生新的培养目标。计算思维的落地取决于内容，内容大于形式，也大于方法。因为计算思维的表达需要适合的知识做载体，否则会牵强或者形式化。内容的调整会使课程发生较大变化，要做充分的资源建设工作计算思维落地的瓶颈分析 计算思维的落地问题以大基课为例认识基本完成，重在落地。关于落地的瓶颈：-内容学时限制了基础性内容的展开 例如：信息在计算机内的表示讲数制？还是溢出？有效位？精度？讲数制内容简单且重复了（中小学的教学大纲）溢出？有效位？精度太难讲了，学时少，讲不清后果：丢了核心！我们强调的是基于计算机的计算思维，是问题求解、系统设计、人类

8、行为理解计算思维落地的瓶颈分析认识误区限制了内容布局例如：网络讲什么？目前：讲网络通讯概念、结构、协议、传输介质；主要是Internet的功能、使用“讲太深没用 ”“有用” 的内容其实可以自学计算思维落地的瓶颈分析网络两学时：讲5大网络1学时：卫星通讯无线电技术移动通讯PSTN公共交换实时频分技术有线电视下发Internet自主请求讲5层结构和路由（数据包）-1学时 画一个大饼，讲设计理念和原理，使学生初步认知基本轮廓和系统方法，便于自主学习。计算思维落地的瓶颈分析教师的惯性限制了内容纳新例如：仿真很重要，但以前没有；关于多媒体、数据库，一般讲现成软件多，讲原理少，而软件很难更多体现思维能力的

9、培养计算思维落地的瓶颈分析实验体系不健全造成内容偏离大纲例如：Office目前大基内容10大块5组： 概述、信息表示、计算机组成； 操作系统； Office； 网络、多媒体、数据库（信息处理）； 程序设计。计算思维落地的瓶颈分析实践环节： 硬件认识 Windows基本操作 Word使用 Excel使用 PowerPoint使用 电子邮件使用 搜索引擎使用 数据库软件使用 考核： 40% 60% 80% 100%Office有那么重要吗？但是强调动手能力？课程缺少自己的实验体系用实践代替实验计算思维落地的瓶颈分析资源的继承性限制了内容裁剪建设了丰富的资源，形式多样，机制完善。舍弃难！教育需要创新

10、 人类的教育经历了教育方式上巨大变化，从填鸭式到启发式做了一个相当长时期的努力。 而今“以学生为主体”的“自控式教育”实质上应该是一场思维和教育的革命。因为它不仅是教育方式的问题，更重要的是从方法到内容、从理念到制度的革新。计算思维落地的瓶颈分析美国的欧内斯特博耶是20世纪伟大的教育家, 他1990年的著作重新考虑学术成就推广了“教学乃学术活动”的观点。对教师而言，不仅是因为是学术活动，而是因为这种学术活动能为人才智力发展做出有意义的贡献。德国教育家第斯多惠说“教学艺术的本质不在于传授的本领，而在于唤醒、激励、鼓舞”人的 创造力。 教师需要长期的持之以恒的教学研究和破旧立新二、虚拟实验设计与实

11、践教改体会教改背景设计思想虚拟实验实施效果 研究背景：-计算思维的提出-985经费的支持 “研究型课程”，支持一些有特点的、有影响的、覆盖面宽的课程做一些教学研究工作，目的在于“探索研究型大学的培养途径”。 我们的项目名称：以计算思维为导向的大学计算机基础课程改革，这是继教指委北京计算思维会议之后的一个想法，目的在于： 实践计算思维与计算机公共课的结合； 探索大学计算机基础课程的实验体系。教改背景设计思路将一些概念性、原理性、表达计算思维的内容进行验证性交互性实验设计，通过实验重点强调；将一些不易表达和理解的内容进行演示性实验设计，增强学生理解；将一些反映新技术的内容进行交互性实验设计，以拓展

12、学生的知识面，引导自主学习；例如一条指令的执行过程、数据溢出、文件管理、路由、虚拟机、仿真之类的内容，受学时所限都不会深入展开，但都能比较好的体现计算思维的能力培养，理解计算机如何实现自动化设计思路虚拟实验虚拟实验目录实验1 图灵机模型与计算机硬件系统虚拟拆装实验实验2 计算机中的数据表示与计算实验3 字符编码与信息交换实验4 一条指令的执行过程实验5 进程管理与虚拟机实验6 文件管理与磁盘恢复实验7 广域网通讯与邮件传输实验8 云计算与虚拟服务实验9 图像表示与图像处理实验10 计算机动画原理与制作实验11 文字处理与文档编排实验12 数据处理与图表制作实验13 报告处理与幻灯制作实验14

13、数据管理与数据库操作实验15 用计算机解题算法实验16 一小时学Python实验17 仿真计算与MATLAB实验18 计算机病毒与防火墙实验1 图灵机模型与计算机硬件系统虚拟拆装实验实验2 计算机中的数据表示与计算实验3 字符编码与信息交换实验4 一条指令的执行过程实验5 进程管理与虚拟机实验6 文件管理与磁盘恢复实验7 广域网通讯与邮件传输实验8 云计算与虚拟服务实验9 图像表示与图像处理预备知识基础操作系统网络多媒体实验10 计算机动画原理与制作实验11 文字处理与文档编排实验12 数据处理与图表制作实验13 报告处理与幻灯制作实验14 数据管理与数据库操作实验15 用计算机解题算法实验1

14、6 一小时学Python实验17 仿真计算与MATLAB实验18 计算机病毒与防火墙多媒体office数据与程序网络虚拟实验内容可以覆盖高校现行教学大纲的内容-可与所有教材配套实验内容图灵机模型动画演示；冯.诺依曼计算机体系结构动画演示；观察计算机的启动过程，查看本机的硬件配置；微型计算机虚拟拆装演示；（1）观察虚拟拆卸过程演示，了解其拆卸顺序；（2）观察虚拟组装过程演示，了解其组装顺序；（3）认识各个部件和外部设备，掌握其外形特征，了解其功能。计算机硬件系统虚拟组装；扩展内存虚拟实验；更换显示卡虚拟实验。实验设计案例实验一、图灵机模型与计算机硬件系统虚拟拆装（演示型）实验设计案例实验一、图灵

15、机模型与计算机硬件系统虚拟拆装实验内容：难点解析1数值型数据在计算机中的二进制表示；2不同数据与二进制数据的转换；3数的原码、反码和补码的表示；4二进制算术运算与数据溢出；5浮点数的精度、有效位和表示范围。实验设计案例二、信息在计算机中的存储与计算（验证型实验）实验设计案例二、信息在计算机中的存储与计算实验设计案例实验报告设计正十进制数负十进制数原码原码反码反码补码补码操作数一操作数二运算符是否溢出实验结果正确结果溢出对结果产生了什么影响？实验报告表2-4 二进制算术运算实验记录表实验报告表2-3 数据的原码、补码和反码表示实验记录表实验设计案例实验报告设计问题简要回答什么时候出现溢出情况？实

16、验报告表2-5溢出实验记录表实验设计案例思考题1.如果一个有符号数占有n位，那么它的最大值和最小值是多少？2.如果一个无符号数占有n位，那么它的最大值是多少？3.计算机内部使用八进制和十六进制吗？4.为什么要使用原码、反码和补码？所有计算机都什么情况下采用补码计算5.补码数的表示范围与原码有何不同？为什么？6.浮点机和浮点数是不是一回事？为什么？7.如果n为能够表示2n个不同的数，为什么最大的无符号数是2n-1而不是2n？8.什么是溢出？溢出对二进制的运算有什么影响？9.给定一个二进制数，怎样能够快速地判断出其十进制等值数是奇数还是10.计算机中的数据一定是精确的吗？为什么？11.什么是有效位

17、？如何增加有效位？实验设计案例实验三、字符编码与信息交换 （验证型实验）实验七 广域网通讯与邮件传输（交互型实验）实验设计案例实验十八、计算机病毒与防火墙实验目的：通过交互性实验，了解系统建模与仿真的基本概念及模型优化与验证思想，理解离散系统仿真原理与应用意义。以往没有针对不同专业的计算机基础实验。实验内容：实现水箱系统的仿真计算域模型优化（实验17 ）完成蚁群算法的分析与应用（实验17 ）以MATLAB下的两个仿真程序为例，观察并参与典型实际系统的仿真演示（实验17 ）实验设计案例个性化实验设计：实验十七、仿真计算与MATLAB一、沙龙主题：大学计算机课程实验改革研讨三、会议时间：2013年11月23日上午9点下午4点四、沙龙地点：北京理工大学计算机学院，北京市海淀区中关村南大街5号， 国际交流中心邮箱： 联系电话： 史树敏 李仲君 赵三元 实验设计案例实践体会改