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1、基于知识背景的计算学科课程内容组织摘要：针对目前计算机课程教学内容只侧重知识点的现象，提出基于知识背景的计算机课程教学基本思想。教学内容的组织是保证课程教学效果的重要因素，将知识点与知识背景有机结合，利于学生全面掌握知识，提高学习兴趣。本文根据高校计算学科课程知识的特点，对计算学科课程知识背景的类型加以分析总结，阐述基于知识背景的高校计算学科课程内容的组织原则，并以离散数学结构课程为例，探究基于知识背景的高校计算机课程内容组织方法。关键词：计算学科；计算机课程；知识点；知识背景；课程教学自2007年国家将高等院校教学质量当做一项工程，并实施“高等学校本科教学质量与教学改革工程”以来，如何实施课
2、程改革，提高教学质量就成为各高校日常工作面临的一个重要课题。课程改革决定教学质量，而课程改革的核心是课程的实施。因而，有效实施课堂教学，使课程教学达到最优状态，从而实现课程改革的目标成为所有高校教育工作者的愿望。目前，在我国高等院校设置计算机专业的情况非常普遍，计算机课程教学成为高校培养信息技术人才的重要组成部分。通常的计算机课程内容组织都是以知识点为主，因此，知识的广度与深度和关联性难以得到充分体现，学生的专业素养难以得到有效培养。对此，有计算机教育工作者提出了基于知识背景的计算机课程教学思想1，并对基于知识背景的计算机课程教学展开了初步研究2。所谓基于知识背景的课程教学就是在课程内容的组织
3、和课堂教学过程中充分利用与知识点有关的背景知识，将两者有机组合，强调知识的来龙去脉与知识间的关联，帮助学生全面深入了解所学知识，提高学生的学习兴趣，这对提高课堂教学效果有非常积极的作用。本文以高校计算机课程为例，分析课程知识背景的类型，阐述基于知识背景的课程内容组织的原则，并探究基于知识背景的课程内容组织方法。1计算学科知识的特点计算机科学是以数学和电子科学为基础、理论与实践相结合的一门学科，它具有深厚的理论基础并涉及各类先进技术，综合性与实践性很强。计算学科知识有复杂严密性、广泛应用性、快速发展性、文化传播性等特点，由此造就了该学科领域独特的思维方式。深刻认识计算学科知识的特点，对于开展计算
4、机课程教学改革，提高计算机课程教学效果，保证计算机课程教学质量，具有十分重要的指导意义。复杂严密性：计算学科形成于20世纪30年代的后期，来源于对数理逻辑、计算模型、算法理论、自动计算机器等的研究，计算学科理论与技术的不断发展，使计算学科综合了多种不同学科的理论和方法。在计算学科中，无论是理论研究还是技术研究，最终目标都要体现在计算机软件产品的程序指令系统能机械、严格地按照程序指令执行，不能出错，计算机系统的这一客观属性和特点决定了计算机的设计、制造，以及各种软件系统开发都应该是严密的、精确无误的。广泛应用性：计算机作为一种工具，几乎在所有学科及一切社会领域中都被运用。其成熟技术(如网络技术、
5、电子商务等)在各行业的成功应用，特别是嵌入式系统的应用不仅体现了其广泛的应用性，也体现了其先进的技术性。计算学科的许多理论同时具有理论、技术、工程等多重属性，使得其许多理论、技术和工程的内容相互渗透、密不可分的。计算机的应用推动了社会发展，改变了生活状态，极大地提升了人们的生活质量，改善了人们的工作条件，使工业社会走向信息社会。快速发展性：计算学科知识的快速发展直接受计算机科学发展及应用的影响。在过去的几十年里，计算学科的发展日新月异，新知识、新技术、新理论不断涌现，在我们掌握一门新技术的同时就又有更新的技术产生，想要以最快的速度接受并利用新技术关键在于个人对计算机科学的把握程度。文化传播性：
6、从广义上来讲，文化是人类在社会历史实践过程中所创造的物质财富和精神财富的总和。而狭义的文化则指社会的精神文化，包括哲学、宗教、科学、技术、艺术、社会心理、风俗习惯，等等，是一个包含多层次、多方面内容的统一体。计算学科与其他学科在知识传承面上的文化功能是相似的。它们都无例外地担负着传授学科基本知识、学科一般逻辑的职责。它对学习者的教育功能应该不止是“计算机”的，更是“文化”的。计算学科课程的学习不应简单地归结于工具性、应用性，还应有广阔的社会文化背景。从计算学科知识的特点可以看出，仅仅从知识点出发是很难让学生全面深入了解和掌握相关知识的，更谈不上专业素养的培养。这就要求我们在课程教学的实施过程，
7、不仅要讲知识点，而且还要考虑知识的产生与发展状况，更要关注知识间的关联。2计算学科课程的知识背景当学习者接触到一个新的计算学科知识信息时，头脑中所有与此信息有关、并影响该信息加工过程的知识可以认为是该信息的主观知识背景，而客观存在或逐步形成的与该知识信息有关的知识可以认为是该信息的客观知识背景。计算学科课程的知识背景一般是指计算学科课程知识背后隐含的与知识点相关的知识信息，通常与知识的形成与发展、相关的人物、思想理念等密切关联，对计算学科课程知识背景的挖掘与计算科学思想史研究密切相关3。它主要是指在计算学科发展过程中一系列有助于学习者对计算学科知识的认识、理解、掌握和运用的知识背景，包括各种计
8、算学科新理论、新思想、新技术出现时的一些人物、事件、趣事等。计算学科课程的知识背景覆盖面极大，除了常见的人物背景、时间背景、事件背景、历史背景、社会背景等，还包括文化背景、相关学科知识背景、技术背景、应用背景，等等。计算学科课程的文化背景简单的理解就是每个地域的不同风俗习惯造成的文化差异。例如，由于中西方文化的不同，使得中西文的处理就有所区别。西文单词由多个英文字母组合而成，是一个整体，编辑时是不应该将一个单词拆分开来的，而中文是方块字，不存在拆分的问题，但由于历史文化的沿袭，常常需要进行竖排。因此，同一个文字处理软件，针对不同的国家和文化，就需要设计不同的功能。计算学科的课程涉及多门学科，如
9、数学、物理、各种工程应用等，因而需要有丰富的知识背景。计算机科学植根于数学，从而数学是必须掌握的基础知识，同时牢固的数学基础，也可使学生者的逻辑推理能力、抽象思维能力和形式化思维能力大大提高。例如，在计算机程序设计语言中常常涉及到数值计算、线性代数以及微积分等方面的知识，这就要求学习者必须具有这些方面的知识背景。再如计算机的设计制造与材料学、光电学、设计学等都有着密切的联系，同时由于计算机这种产品与一般工业产品不同，完整的计算机产品是“复合产品”，包括硬件、软件以及多种服务支援在内，而计算机的应用领域又十分广泛，计算机已经渗透到社会经济各个领域，并进入办公室和家庭，因而相关的知识背景对计算机的
10、设计和制造有着至关重要的意义。由于计算学科是集理论、技术、应用于一体的学科，其许多课程都有其复杂的技术背景。如数据挖掘就是从大量数据中获取有效的、新颖的、潜在有价值的知识的过程。它的提出以及被普遍接受是由于计算机及其相关技术的发展为其提供了研究和应用的技术基础。其技术支持归纳为数据库、数据仓库和Internet等信息技术的发展；计算机性能的提高和先进的体系结构的发展；统计学和人工智能等方法在数据分析中的研究和应用等。计算学科本身有着很强的应用价值，故其所有课程都有其特殊的应用背景。如随着Internet网和Web的出现，以及环球信息网WWW的快速增长，基于网络的企业应用要求软件平台具有开放性、
11、分布性和平台无关性。高效、可移植性的语言需求显得十分迫切。于是在1995年5月由SunMicrosystems公司推出了Java程序设计语言。用Java实现的HotJava浏览器实现了跨平台、动态的Web、Internet计算。从此，Java被广泛接受并推动了Web的迅速发展。3基于知识背景的计算学科课程内容组织的原则基于知识背景的计算学科课程内容组织，借助知识背景为计算学科课程注入知识性、趣味性内涵，不仅有利于学习者掌握新的知识，更有利于学习者对计算学科知识的来源、所处的位置、有何应用等有更深刻的认识，可起到帮助学习者深刻理解计算学科知识的内容和价值，从而尽快掌握计算学科知识的作用。但基于知
12、识背景的计算学科课程内容组织，必须遵循一定的原则。首先，必须满足顺序性原则。顺序性是指强调每一后继内容要以前面的内容为基础，同时又对有关内容加以更深入、广泛地开展。计算学科课程内容的组织可按直线式与螺旋式两种方式，既要将计算学科课程的内容根据计算学科本身的系统和内在的联系，组织成一条在逻辑上前后相联系的直线，前后内容基本上不重复，又要按照学习者的学习情况来组织，将课程内容与学习者校外经验有效地联系起来，以学习者的知识背景为基础组织课程内容，在不同阶段上使计算学科课程内容重复出现，在知识背景的基础上逐渐扩大范围和加深程度，从而使学习者的计算学科知识联结成一个网络。必须关心知识的应用而不只是知识的
13、形式，从而使计算学科课程内容的组织具有一定弹性。其次，必须满足整合性原则。整合性是指各种课程内容之间横向联系，以便有助于学习者获得一种统一的观点，并把自己的行为与所学的课程内容统一起来。计算学科课程内容的组织要打破学科的界限和传统的知识体系，采用灵活多变的组织方式，以使学习者有机会更好地将前面课程内容作为新课程的知识背景，整合到新的课程内容之中，并让学习者所学的内容对他们的学习、工作、生活具有重要意义，从而使学习者进一步认识到计算学科课程内容的现实意义。第三，必须满足开放性原则。开放性是指课程内容应不断更新，要及时反映计算学科的新知识、新技术、新方法，这是由计算学科的特点所决定的。计算学科课程
14、内容应及时地整合计算学科的最新成果，同时注重处理经典与现代的关系，充分体现计算学科内容新颖的特点，建立不断更新的机制，使课程内容体系保持知识与实践相结合，理论与应用相结合。4基于知识背景的计算学科课程内容组织的方法一般情况下，不同课程的知识点有所不同，因此知识背景也有所区别，但同一学科不同课程的知识背景往往又相互关联渗透。由于每个人的知识储备不同，接触同一个信息时的背景知识不同，对它的加工也会不同。同时，同一个人针对同一个信息的背景知识会变化，对它的加工也会发生变化。因此，根据不同人、不同专业、不同学习阶段、不同的知识内容，分析并充分利用知识背景才能更好地理解和掌握计算学科知识。下面以计算学科
15、课程离散数学结构为例，说明基于知识背景的课程内容组织的基本思想方法。离散数学结构是计算机专业的一门重要的专业基础课，它在计算机科学与技术及相关专业的诸多领域中有广泛的应用背景。许多计算机教育工作者对如何开展离散数学结构的教学进行了实践与探讨。如从教学内容与教学方法的选择方面探讨离散数学结构的教学实践活动4-5；现代教育理念与教学手段在离散数学结构教学过程中的应用6；结合计算机服务计算的特点，进行面向具体应用领域的离散数学结构课程教学改革与实践探索7；通过建立知识点间的衔接，引入抽象具体转换机制，提高学生学习兴趣来提高教学效果8，等等。方法和思想很多，但如何将离散数学结构丰富的知识背景融入离散数
16、学结构的课程教学，真正使学生通过学习能够对离散数学结构相关知识“知其然”又“知其所以然”，确有许多值得探讨的问题。我们以下列方法开展基于知识背景的课程教学。通过介绍相关学科的知识背景，加深学生对课程性质的总体了解。离散数学结构应该算是一门理论性和应用性都很强的课程，教师要帮助学习者认识到，计算科学中许多理论是用数学描述的，同样，许多技术也是用数学描述的。集合论和数理逻辑是离散数学结构的重要教学内容，也是数学基础的重要组成部分。在课程内容组织和教学过程中，如果能把人们对集合概念的认识过程、罗素悖论、康拓对集合论的贡献等背景知识融入其中，就可以帮助学生理解“集合”这一不加定义的原始而抽象的数学概念
17、。在数理逻辑的讲解过程中，如果能把数学推理形式系统的形成于发展、黑尔伯特计划、可判定性等有关的知识适当加以介绍，对学生理解和掌握命题演算和谓词演算会有很大的帮助。如果能够把递归论与模型论作一概念性的介绍，学生将会认识到集合论与数理逻辑在整个计算学科领域的地位。以课程知识应用为知识背景，培养学生的实践能力和创新意识。从科学计算到信息处理，从理论计算机科学到计算机应用技术，从计算机软件到计算机硬件，从人工智能到认知系统，无不与离散数学结构密切相关。离散数学结构课程十分抽象，其思想方法只有同“应用”联系在一起才会变得具体，才会让学生更好地理解和掌握。在离散数学结构课程教学中，教师可以运用与知识点应用
18、相关的实例，将离散数学结构的研究对象与实际问题的描述、表示和分析设计等有关元素产生关联，使学习者通过对“能行性”这个计算学科基本概念的认识，实现应用对象在计算机中的表示和处理。这样做不仅可以让学生认识到计算机科学与技术本质上是一门离散数学技术，还可以让学生从“小”到“大”逐步提高实践能力，不断增强创新意识。这对教师也提出了更高的要求，教师不仅要有丰富的实践经验，而且在教学过程还需要善于发现与综合，创造性地、以一种新的、更有效的方式将知识呈现出来。运用与知识点有关的人物与事件等知识背景，激发学生的学习兴趣。离散数学结构中各模块的学习，都会涉及有趣的人物、事件，这些人物与事件不仅与相关知识的形成与
19、发展密切相关，而且是重要思想与方法的来源。如康拓、笛卡尔、罗素、黑尔伯特、哥德尔、欧拉、哈密尔顿、彼得森等人物，以及“货郎担问题”、“格尼斯堡问题”、“罗素悖论引起的争论”、“哈密尔顿的得意之作”等事件，教师在教学中巧妙运用这些事件有助激发学习者的学习热情。运用知识的关联对知识背景整合，帮助学生全面掌握课程的结构体系。课程教学的主要目的之一是让学生从总体上理解课程的思想和方法，加深对所学知识的理解。离散数学结构由多部分内容组合而成，每一部分可以看成是一门独立的学科，它们从不同的角度出发，研究各种离散量之间数与形的关系。在教学过程中，教师应注意各部分内容的独立与联系，让知识在学习者意识里呈框架式
20、、系统性沉淀。通过课程教学，能够帮助学习者树立计算机思维，建立起计算机知识网络，将杂乱的知识重新构架成一个系统的框架。在具体教学过程中，教师可根据教学内容的不同，采用不同的背景知识。如离散数学结构中的数理逻辑与抽象代数模块，是计算科学最重要的两项数学基础，它们的研究思想和研究方法在计算科学许多有深度的领域得到了最广泛的应用，如可计算性与计算复杂性、形式语言与自动机理论、密码学、算法理论、数据表示理论、网络与通信理论等许多方面都离不开它们。在今天，数理逻辑与抽象代数在计算科学中最广泛的应用不仅仅解决了大量计算科学的问题，而且反映和融入了现代数学研究的主流。对这部分内容，教师如能从其应用背景、数学
21、知识背景等方面入手，注意学科交叉，及时把学科最新发展成果和教改教研究成果引入教学，强化学习者对知识应用方面的认识，并利用数学知识背景帮助学习者加深知识的理解，削弱其抽象程度，减少学习者的枯燥感，将会有效地提高教学效果。对离散数学结构中的集合论模块，必须强调集合论是现代数学的基础，是现代数学不可或缺的基本描述工具。可以说现代数学的“大厦”是建立在集合论的基础之上的，从而集合论也是计算科学的基础，它在编译原理、信息检索、形式语言、数据库与知识库、专家系统、CAD、人工智能等各个领域中有十分广泛的应用背景。另外，图论在电信网络、开关理论、编码理论、可靠性理论、计算机程序设计、故障诊断等计算科学的学科领域都有十分广泛的应用。5结语高等学校计算学科课程教学要达到理想的效果，需要广大教师和学习者对计算学科课程知识背景有足够的认识，要以宽厚的知识背景作支撑，只有这样才能更有效地反映学科知识进程和学科知识的意义，避免知识的神圣化与教条化，促进学习者进一步提高学科意识和学科素养。