计算机专业研究型课程教学模式与创新能力培养的探索

陈 越 何钦铭

摘要:本文针对传统教学方法存在的问题,结合计算机专业课程建设经验,探索研究型课程教学的三种教学模式:启发式教学、引导式教学、探索式教学,并讨论研究型课程教学的过程管理方法以及对高素质人才培养的意义。

关键词:研究型教学;教学模式;创新性

中图分类号:G642 文献标识码:B

传统教学模式以知识传授为核心,重点关注教师讲什么。随着近代教学改革的不断推进,人们渐渐把关注点从教师转移到学生,关注学生应该学什么及学生究竟能学到什么。如果教师只关注知识本身,其教学过程便不可避免地存在着灌输的痕迹,学生也会因处于被动接受的状态而缺乏学习兴趣,用完成任务的心态去应付课程学习。

人类学习的原始动力来自对未知的好奇。人们为了找到答案而自发地进行探索,在取得阶段性成功后,成就感会激发人们进一步深入研究的兴趣。在这个过程中,对现状的批判性思维是创新的重要因素。而研究型课程教学正是围绕“探索”和“批判”这两个关键因素培养学生的能力。

研究型课程教学关注的不仅仅是知识的传授,更重要的是能力的培养,是培养学生主动获取知识、并综合已有知识去创造新知识的能力。本文结合作者在计算机专业课程建设中的实践,从教学模式、实施方法到过程管理等方面对研究型课程教学进行探讨。

笔者是“数据结构”、“数值分析”和“软件工程”三门课程的主讲教师,在此以这三门课程为例,探索研究型课程教学的三种教学模式:启发式教学、引导式教学、探索式教学,并讨论研究型课程教学过程管理方法及对高素质人才培养的意义。

1科学研究的一般方法

开展科学研究,一般有下列5个基本步骤:

(1) 发现问题——从生产、生活中发现具体问题,总结抽象出一类具有相同特征的问题,定义研究目标。

(2) 寻求方案——收集已有的知识和现成的解决问题的方法,试图应用于待解决的问题,观察解决效果。

(3) 发现不足——以批判的眼光分析现有的各种解决方法,发现其中的缺陷,针对其不足提出自己的创新见解。

(4) 设计实现——将自己的新思路加以设计、实现,大胆假设,小心求证,从理论上证明其效果。

(5) 验证效果——通过设计合理的测试,用实际数据验证自己见解的正确性与理论证明的一系列特征。

研究型课程教学的主要目的,就是要在实施的过程中训练学生进行上述科学研究的能力。

2研究型课程教学模式的设计与实施

研究型课程教学对应不同层次的课程,应有不同侧重的内容选择与实施方法。根据研究型课程教学中教师的不同角色,可将教学模式分为启发式教学、引导式教学和探索式教学等,并重点应用于学生学习的不同阶段。

2.1启发式教学

对于面向低年级学生的基础课程,由于学生对专业领域知识和思维方法的理解还很有限,教师需要以知识点和基本方法的传授为主,但是传授的方式方法可以是启发式的,选择带有探索性质的话题,引导学生通过一种类似于研究的过程获得对知识的理解。

以“数据结构”中“堆”这个概念的介绍为例。

(1) 发现问题:教师可以先从操作系统对任务的处理这个实际案例出发,引出对“优先队列”的需求。

(2) 寻求方案:带领学生用已经掌握的知识试图解决优先队列问题,例如用简单的数组、链表实现一个优先队列,再用有序的数组、链表去实现等。

(3) 发现不足:引导学生分析这些方法的复杂度,思考它们各自的优缺点,给学生充分的想像空间,去设计自己觉得更好的数据结构;在学生充分发表自己见解的基础上,介绍书上“堆”的概念和实现方法,同时,始终提醒学生存疑,即以批判性的思维方式去思考书上的方法是否真的如所说的那么好?

(4) 设计实现与验证:给学生布置研究型课题,让他们自己去做实验,比较各种不同的实现优先队列的方法,分析在什么情况下什么样的解决方案最好,哪些方法在哪些指标上占优等。

教师并不需要在课堂上讲得太多,学生也会对“堆”这个概念有充分深入的理解。

2.2引导式教学

高年级学生已经有了一定的基础知识,在学习更高层次的专业课程时,研究型教学的重点就不再是知识点本身的传授,而是在课堂讲解的基础上,引导学生应用科学研究方法理解和掌握一些知识模块。

以“数值分析”中求解方程组的迭代法的介绍为例。

(1) 发现问题:教师从大型稀疏方程组求解的精度控制问题出发,引出对“迭代法”的需求。

(2) 寻求方案:带领学生回顾前面学过的单个非线性方程求解的迭代法,引导学生考虑用相似的思路去研究方程组的问题。

(3) 大胆假设:引导学生自己推广导出研究方向以及可能会得到的结论,例如收敛性、误差控制等方面可能有跟单个非线性方程求解的迭代法很相似的结论。

(4) 小心求证:教师带领学生共同证明猜想,并且通过布置相应的实验题目,让学生自己动手验证结论。

在整个研究过程中,教师只扮演一个引路人的角色,在关键点给学生肯定或者否定的回答,引导学生通过正确的道路自己发现知识,而不是完全被动地等待教师灌输知识。这样的学习过程能让学生获得成就感和继续研究的信心,激发他们进一步钻研的兴趣。

2.3探索式教学

为高年级学生开设的前沿性课程,特别是发展迅速、知识点更新很快的课程,更容易展开研究型教学。此时学生已经具备了较好的专业基础,并具备了初步的专业资料查找和分析能力。在教学中,教师可以直接给出命题,让学生通过查找资料和相互讨论加以解决;也可以让学生自己发现和解决问题。

例如“软件工程”课程,该知识领域发展只有三十多年,内容还没有完全固定,并且发展非常迅速,知识不断翻新,所以,不能按照传统的方式简单地对书本上的知识点进行介绍。要获得较好的教学效果,可以借鉴以下科学研究的基本步骤和思路。

(1) 发现问题:教师可以从历史上一些经典的软件失败案例入手引发学生对于软件开发问题的认识和思考,从而阐明研究“软件工程”理论的必要性,进一步引申出软件工程的基本概念,分析软件开发的本质,从学科范畴上介绍软件工程的知识体系。

(2) 质疑权威并寻求方案:在介绍教科书中各种软件工程理论、技术、工具的同时,提出一个具体工程案例供学生实践。随时提醒学生根据自己对项目的理解及扮演的不同角色展开思考;引导学生对书本中的观点提出质疑,甚至鼓励他们去做反面的尝试——如果不按照书本上的教条去做,结果会怎样?同时介绍软件工程领域研究的前沿动态,使学生在理解基本概念的同时激发对软件工程理论研究的兴趣,并鼓励他们自己去搜索最新研究结果,寻找更适合的问题解决方案。

(3) 实践、验证与总结:通过组织一个较大规模的工程项目的实施,让学生在实践和课堂学习中不断印证或修正他们自己思考得出的策略。通过各种渠道查找、阅读相关资料,为自己的实践经验寻找正反两面的理论依据,或抽象提取出方法和理论,最后总结成文。

探索式教学的重点,在于培养学生批判性创新的思维方式。而要做到批判,首先需要充分了解,而且了解的范围必须超出课堂知识点覆盖的范围,紧跟研究发展的前沿,这样学生才能得到探索真理的乐趣。

3研究型课程教学的过程管理

研究型课程教学要得到真正良好的效果,必须有一套有效的过程管理机制。没有激励机制,学生可能不会踊跃参与讨论;没有讨论过程,只有学生最终研究报告,在互联网如此发达的今天,可能达不到期望的效果。所以,管理的关键在于考查过程而不是结果。

例如,可将整个课程的知识点划分为两部分,即教师介绍部分和学生探索部分。根据班级容量将学生分为小组,再根据分组情况,设计一套课堂讨论题目、一套课后研究题目。

课堂讨论题目需要学生当堂讨论,并且立刻给出结果,教师对各组结论进行点评和打分,这部分分数在课程总评中占20%左右的比例,这样才能激励学生努力思考和充分讨论。

课后研究的题目则更有难度和深度,在一个学期内,使每组都有一次上台报告的机会,这不仅能锻炼学生的研究能力,也能锻炼他们的表达能力,体验与同行进行现场学术交流的气氛。书面报告和现场演绎的表现都应在课程总评中占很大的比例(如30%~40%),以达到激励作用。

至于考试,则相对占的比例较小,也可以尝试“讲1、做2、考3”,即布置学生做的研究性作业超过教师课上讲授的范围,而考试的范围又超出学生的作业范围,这需要学生平时做充分深入的研究,以便完成考卷上的题目。

要让上述过程管理取得很好的效果,小班化教学是必要条件,所以研究型课程教学需要强大的师资力量做后盾。

4实践效果

浙江大学计算机学院对于研究型教学的探索还处于起步、摸索阶段,笔者就自己主讲的课程进行了尝试,取得了一定成效。

在“数据结构”课程中,特别强调通过提问引导学生的理解,为此我们设计了120个课堂讨论题目,要求学生当堂解答;6道综合性实验题目,要求学生撰写完整的书面报告;另外课堂提问、回答也计入总评。

在“数值分析”课程中,设计了36个课堂讨论题目,要求学生当堂解答;18个研究性课题,要求学生分组进行课后研究,并在课上进行报告演讲;8道综合性实验题目,要求学生独立编程完成;另外,课堂提问、回答也计入总评。

在“软件工程”课程中,我们设计了以实际金融项目为背景的大型课程实践项目,学生以3～5人组队的形式,全班共同完成一个大规模的系统。学生在一学期内完成两份文档、两次课上报告演讲、三个版本的系统验收,并就项目管理、过程模型改进、设计模式等撰写创新性论文。

“真切地感觉到了这门课对我的改变”、“我们学着去自主地解决一些开放性的问题,这对我们探索和表达能力的提高有十分大的帮助”、“关于研究性课题,难以想象一门数学课可以如此激发人的兴趣(原文:About the research topics, no one could imagine that a mathematical course could reveal its interest by such a means)”……从学生热烈的反馈意见中、自发地总结经验撰写的大量论文中以及任课教师获得课程评估优秀的成绩中,我们可以感到以上课程取得的良好效果。

5总结

大力提倡研究型课程教学,将研究型大学的科研力量转化为教学力量,是现代化教育的需要,也是培养高素质人才的需要。通过推进研究型课程教学,我们希望学生能从知识、能力、素质三方面都得到提高。在知识方面,学生不仅学习到专业知识,还学到科学研究的基本概念和方法;在能力方面,学生不仅提高了专业能力,还提高了查找资料、质疑、发现缺陷、解决问题以及撰写科研报告的能力;在素质方面,学生通过训练,养成了科学严谨的态度,具备了创新意识的萌芽。

参考文献:

[1] 教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会. 高等学校计算机科学与技术专业实践教学体系与规范[M]. 北京:清华大学出版社,2008.