树立精品意识,注重教学积累,建设优秀教材

众所周知,教材作为教与学双边活动的基本依据,应该能够体现了教学内容、教学基本要求和教学方法等;作为教学的基本工具之一,应该能够给教师和学生研究、学习相关问题提供最基本参考;教材和一般的书籍(包括科技书籍)的基本定位不同,应该适应教育对象的教育基本要求。所以,在教学活动和教学改革中,教材占有重要的地位,是提高教学质量的重要保证,必须充分认识到建设优秀的教材重要性。

1建设优秀教材的基本要求

1.1树立精品教材意识

近几年来,随着高等教育规模的迅速扩大,教材出版之势头异常迅猛,各种各样的教材大批涌现,让人目不暇接,为我国高等教育的发展做出了巨大贡献。尤其是计算机科学与技术专业教育规模的超高速发展,使得计算机类的教材,无论从品种还是从数量上来说,都非常大。

近几年来在国家推行的高等教育质量工程中,把优秀教材的建设放到了一个非常重要的地位。例如,教育部既组织了国家级的规划教材(如国家“十一五规划教材”),还从每年出版的规划教材中评选“普通高等教育精品教材”。北京市也在高等教育优秀教材的建设上作了很大的投入,既有一年一度的“北京市精品教材立项”,还有一年一度的“北京市精品教材”评审。这些都在大规模教材建设的基础上有力地促进了优秀教材的建设。使得高等教育的教材,特别是一些重要基础课程和专业基础课程的教材的质量大幅度提高。这种优秀教材的建设战略,大大提高了作者、读者、出版社等各个方面的优秀教材建设意识,也为保证更多的优秀教材的不断涌现打下了坚实的基础。

1.2作者要有深厚的积累

优秀作者是优秀教材的基础,要建设优秀的教材,必须从优秀作者的培育抓起,要以对教育负责的精神去鼓励、发现、动员、选拔优秀作者,并且有意识地培育优秀作者。

首先,作为一本(套)教材的作者,起码要有严肃认真的态度,要知道自己肩上承担的责任,而不是简单的“成果”。一般来讲,教材和一般的“书”不一样,其目的首先是为某门课程的教学服务,而教学有着自身的规律,它与科学研究、工程开发、企业生产与管理等存在很大的不同,这就是现代的(高等)教育,如果一样了,就不用开办大学了,更不要区分教授、研究员、工程师了。所以,教材作者除了要有实际的经验外,还必须具有丰富的教学经验。作为以表现新技术、新系统的选修课程的教材,由于发展较快,作者中至少应该有相应课程两轮的教学经验,同时有多年的高校教学经验积累,而且在教学过程中能够对教学、课程和相关领域有深入的研究,并有独特的见解,至少能够用自己的语言按照教学的要求组织和叙述相关内容,基本上能够做到恰当的例题、习题随手拈来。当然,对一般的作者来说,要想出一本真正的精品,恐怕需要在相应课程的教学与研究上有10年甚至更长的“修炼”。我们也许可以将教学分为以下4个层次,处于不同层次的作者,大体上会创造出不同水平的教材。

(1) 掌握课程内容,能够脱稿讲授;问题、习题难以随手拈来;

(2) 开展启发式教学:熟练掌握课程内容体系,研究学生,较自由地安排讲授;可以较自由地提出问题,自由地修改习题;

(3) 开展研究型教学:掌握课程体系、学科方法论、培养目标及相关课程内容,能讲出问题来龙去脉,将课堂变成师生共同研究场所;问题自然淌出,自由编写习题,能编著特色教材;

(4) 融教育于教学,寓教于乐;了解哲学、教育学,掌握学科及其教育的特点、精髓;问题、经典随手拈来,编著经典教材。

1.3心目中想着读者

学生是教材最重要的读者。对这类读者,要注意到:第一,作为初学者,他们需要叙述清晰易懂,语言流畅,深入浅出,有吸引力而不是晦涩的。杜绝自身习惯的说法和陌生名词的突然出现和使用,专用名词在第一次出现时必须给予解释,至少应给出它的大体含义,以免成为读者往下看的障碍。第二要追求描述的准确性,初学者一旦建立了错误的概念,可能将是贻害无穷的。有些说法在课堂上因为有“上下文”和及时的解释可能不会引起误解,但写在教材中可能是难以理解的,甚至是错的。要强调用词和描述的准确性、一致性、语言表达的清晰性和叙述的完整性。第三,不同类型的学生有不同的关注点。

除此之外,再考虑适合其他读者的阅读需要。例如,各种序言、适当的小结、索引、参考文献应该尽可能齐全。

1.4想着为教学服务

首先,每门课程都需要为整个专业培养目标的实现服务,教材作为课程教学最重要的支撑材料,必须有所体现。在大众化教育下,更强调准确的培养目标定位。不同类型的人才的培养,由不同的要求和需要。如果我们将其分为科学、工程、应用三大类,那么,对应这三类不同人才培养,同一门课程的教材应该是不一样的。他们需要关注、强调不同的内容。这种不同不仅仅限于理解力,更是考虑擅长和需要。

其次,要符合认知规律,引导“思考”,富有启发性,便于学习,有利于激发学习兴趣及创新能力培养,而不是知识的简单罗列;要考虑课堂的容量,符合人才培养目标及本课程教学内容的要求,取材合适、深度适宜、份量适中、举例应用恰当丰富;课堂讲授的组织,层次分明、条理清楚,教材体系能反映内容的内在联系及本专业特有的思维方式;要有丰富的习题,适当的思考题;一些必要的配套实验设计;要对重点、难点的解决提供支撑。另外,还可以适当地考虑作为资料使用者的其它需求。

2《形式语言与自动机理论》的建设

《形式语言与自动机理论》是作者编著的第3套教材,于2003年由清华大学出版社出版,有配套的《形式语言与自动机理论教学参考书》和相应的电子讲稿。先后印刷了5次,成为该课程覆盖率极高的教材。曾获北京市精品教材称号和北京市(高等教育)教学成果一等奖。该书的新版式《形式语言与自动机理论(第2版)》2007年继续由清华大学出版社出版,含配套的《形式语言与自动机理论教学参考书(第2版)》,是国家“十一五”规划教材,并被评为国家级的精品教材。

这套教材的第1版是以作者16年教学形成的教案为基础,辅以深受学生欢迎的形式语言与自动机理论和编译原理课的教学经验,以及10余年对教育教学的研究撰写而成,强调易懂性和能力培养。2003年一出版就被多所院校选为教材,是国内该课程教材发行量最大的,缓解了长期存在的困难,并提高了课堂效果,强化了理论教学及能力培养。第2版在第1版的基础上,进一步融进作者面向工程应用型学生培养的经验、近些年来对计算机科学与技术专业教育研究的新成果,以及作者在教材建设中获得的新经验和新想法等,使教材的水平进一步提高。主要特色如下。

(1) 满足国内外对课程的最新要求

满足CC2005(ACM,IEEE/CS)和《高等学校计算机科学与技术专业发展战略研究报告及专业规范(试行)》(教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会)等规定的知识体系和课程大纲的要求,并且结合国内学校本科生和研究生教学的基本状况组织内容,既能作为本科生的教材,又能满足今后若干年内研究生教学的要求。

(2) 适合国情,强化能力培养

与国外教材相比,首先根据计算机科学与技术学科人才能力培养的需要,按照作者提出并引起共鸣的研究型教学的要求,以知识为载体,除了传授知识,还通过对模型建立、构造、等价变换、证明的方法与思路的探讨,引导读者挖掘知识背后的内容,富有启发性,强化了计算思维等学科基本能力和创新能力的培养,而这种能力是最重要、最难培养的。将枯燥、抽象的内容变得更有“意思”、更吸引人。其次,考虑了本专业理工兼有的特征,既有构造,又有严格证明,适应理、工科学校的需要。另外,本教材先讲文法,更符合人们的思维习惯。

(3) 体现学科基本教育原理

通过多个模型的建立、等价变换、性质分析,使读者逐渐熟悉模型计算。层次分明、条理清楚,顺序渐进,符合认知规律,很好地体现该学科“抽象第一”的基本教育原理和培养学生系统能力的要求。

(4) 配套建设

编写积20余年教学经验和第1版教材的编写经验,配套出版了主教材和教学参考书,通过教学参考书进一步归纳内容、阐述思路;独特的教学设计曾在哈工大计算机学院当作范例,后获该校一等奖,丰富后纳入教材,在参考书中又被充实。电子教案便于教师备课。构成国内本课程唯一的配套教材。

(5) 化解深奥

化抽象深奥为通俗易懂。保持基本内容抽象和形式化特征,设计引导思路的图,通过直观可视化,更清晰地表达思路,并使得内容更易理解。例如,教材中的图1-5、图1-6、图1-7关于语言和“计算思维”的理解,TM(图灵机)的构造思路图等。语言流畅,叙述深入浅出,把握内容体系及知识点的联系,安排铺垫,分散难点,突出重点,便于学生自学。

(6) 内容组织合理

取材合适,叙述强调反映本学科特有思想方法,满足进行计算思维能力培养的需求。不简单追求内容的全面,按照教学的需要,删除了生僻内容,深度适宜。

结构严谨。先简要介绍基础知识,然后用文法给出语言描述与分类。再从易到难,逐一研究3型语言、2型语言的等价描述模型和性质,有基础后,给出一般的计算模型——0型语言的识别器TM。最后给出1型语言的识别器——LBA。

(7) 习题丰富恰当

每章都附有大量习题。由于国内外的教材比较少,而且内容难度很大,要求习题既不能伤害读者的信心,又能促进读者对课程知识和课程深层内容的理解,并锻炼相关的能力。编写了难度适当、前后呼应、富有启发性的习题,既有宏观的,也有微观的,而且尽量结合专业课中的问题。

(8) 其它

附有缩写符号、词汇索引、参考文献,给出了关键词的英文。

3注意创新

教材通常都是叙述一些成熟的知识、方法和技术,如何创新是一个不大不小的问题。作者认为,教材的创新主要应该瞄准对教学需要的满足,对读者需要的满足上。包括内容选择、内容组织、叙述方法、表达形式等多个方面。《形式语言与自动机理论》和《形式语言与自动机理论(第2版)》两套教材的创新性表现在以下几个方面。

3.1独特的教学设计

教学设计是教师在把握课程内容、课程在人才培养中的地位和作用的基础上,根据课堂容量、学生情况等,对教学进行安排。针对此课程形成时间短、师资欠缺问题,作者根据自己的研究和教学经验,通过教学设计,使读者对性质、特点、教学目的、如何教、如何学等更清楚,从而更有意识地学习深层内容。据了解,在工科教材中还没见到过,且很有特色、很有用。主要内容有,课程内容体系(基本描述,教学定位,各章的知识点与学时分配);课程讲授(各章的重点、难点、讲授提示,讲授中应该注意的方法问题);作业安排(指导思想,关于大作业和实验);考试与成绩评定(成绩评定,考题设计)。

这个教学设计被用于教育部高等理工教育教学改革与实践项目“高等学校计算机科学与技术专业核心课程教学实施方案”的研究,针对计算机科学与技术专业科学型、工程型、应用型人才培养的需求,给出离散数学、程序设计、算法与数据结构、操作系统、数据库系统、计算机组成、软件工程、计算机网络共8门课程的教学实施方案。研究成果将以《高等学校计算机科学与技术专业核心课程教学实施方案》出版,目前已经进入编辑加工阶段。

3.2突出能力培养

知识、能力、素质是高等教育的三个方面。对学生,不仅要打下坚实的知识基础(坚实、宽广的理论知识和系统、深入的专门知识),还要着力培养学生的专业能力,提高学生的基本素质。教材在这个方面也需要做出努力。

教材为解决抽象、形式化所带来的枯燥和难理解问题,并能保证不失抽象和形式化特征,达到培养学生计算思维能力之目的,首先是用准确、流畅、易懂的语言描述知识,其次是力求讲解问题的求解思路和方法,尽可能让读者感受大师的思维,支持研究型教学,既免去了抽象内容的枯燥和深奥,使其通俗易懂,又培养了学生形式化描述、抽象思维、逻辑思维能力和创新能力。通过在适当的地方插入课程深层意义,鼓励读者学好此课程。例如,NFA到DFA的转化过程中状态的设置与状态转换的模拟,RG和FA等价变换的基本思路,PDA与CFG等价变换中语法变量的设置。

这种重视能力培养的思想,也得到了扩展。目前作者正开展计算机科学与技术专业能力培养的研究,该研究以作者提出的该专业4大基本能力为基础,细化出83种能力点,探讨他们的内涵以及与核心课程教学的关系。

3.3化解难点强调重点

安排铺垫,突出重点,将一些难点问题分开,提醒容易出错之处。例如在第一章特意安排递归定义,为突破第2章的文法构造做准备;安排归纳证明的概要介绍和适当习题,为本书后面用得较多的模型之间的等价变换及其等价性证明、语言有关性质的证明做准备。再如,第4章的Myhill定理是最难理解的,作者将其拆分成4个定义、两个命题和一个定理讲述,将难点分开,使得更容易理解。而且还在第2章中对语法变量A定义set(A),在第3章中对FA的状态q定义set(q)。

3.4内容更完整更易理解

(1) 构建配套的ID描述

一般只定义PDA和TM的ID,作为一个系列的描述模型,本书补充FA的ID,使得0、1、2、3型语言的识别模型都有ID外,更重要的是使学生能够顺序渐进地掌握用ID来描述这些识别器的行为。讲清├、├n、├*、├+等的实际意义后,将它们定义为ID上的二元关系,使得知识更加系统,促进了读者对内容的理解。

(2) 构建TM构造思路图

设计出如图2所示的TM构造思路图,通过对抽象的东西直观可视处理,更加便于读者梳理、表达设计思路,从而更好地进行TM的设计。这种表示明显比用形如δ(qi, a)=(qj, X, R)的一系列式子表达更具总体性,更易表达思路。

(3)DG和SDG

为了更好地表达CFL的文法特征,并且考虑读者的易理解性,先定义可派生性图表示(DG),通过此图来判定CFG定义的语言是否有穷。然后进一步将其简化为“简化的可派生性图表示”(SDG),并给出了相应的判定算法。该处理方式包括两个定义、两个定理、一个算法。

(4) 用适当的符号表达思路

例如,为了进一步表达出FA状态的有穷存储功能,除了使用习惯的qk类符号表示状态外,明确提出使用文法变量A类符号来表示状态,以与相应的语法范畴相对应,用q[a1,a2,…,an]类符号表示记忆了a1,a2,…,an等。

(5) 用等价转换思路图总结RL描述模型

除了每章的小结外,以图4-23和参考书中的图4-23(a)总结RL的5个描述模型之间的等价变换基本思想,使之更系统。

(6) 与《离散数学》紧密联系

有意识地深化学生对《离散数学》有关内容的理解,从而可以更好地激发学生学好离散数学,协助解决学生初期难以认识到离散数学的重要性问题。例如,集合的可数无穷、二元关系、等价关系和等价类、树等相关问题。这样也有利于将学生的思维带到“计算模型”的层面上来,实现学生模型计算能力的培养。

4追求广泛应用

教材的建设目标不仅在于采用,而且在于发挥更广泛的作用。

据出版社2006年统计,我国开设“形式语言与自动机理论”相关课程的学校大多数采用本书的第一版做教材,其他学校基本上都将其作为主要参考书,所以该书的发行量是同类书中最大的。而且还有不少学校还将此书作为研究生、博士生的考试参考书,有的还作为“编译原理”课程的参考书。还有一些读者曾经在网上说:“书很好,作为计算理论的基础课本不错,比我原来看的几本书好”,“朋友介绍才知道这本书,果然很好。值得推荐”,“SO GOOD!赶快充货吧”。

第2版进一步受到好评,即使与国外出的教材比,也被网友认为是要好一些。如xiaodaoren发表的评论说, Peter Linz(美)的形式语言与自动机导论(原书第3版)“内容很浅,入门书,不如看蒋宗礼的那本!”网友雷厉风在其“2007计算机教材之美”中作为推荐的本课程唯一的本土教材,称“这是比较优秀的本土原创教材,而且还有配套辅导书和教学指导书。”

作者用此教材为研究生和本科生开设出效果很好的课程。

学生认为用此教材学习“收获颇丰”,认为“重点突出,化难为易,将深奥的知识讲解的普通化”,“很具启发性”,“感到了思考的快乐”,“有层次,有深度,非常棒”,授课富有激情。有人反映,已将有关知识直接用于研究,也有博士生和教师参加学习。课程被评为最好的课程之一。

后续课教师认为教材反映了作者的丰富经验和深厚功底,对学生抽象思维能力的培养非常有效,知识准备很到位。

一批知名专家也认为 “这样的书,没有长期的教学研究经验是写不出来的。在我的印象中,过去二十来年来,由中国人写的这方面的教材应该是寥寥可数,近几年更少看到”。“本书作者在计算机理论方面有深厚的功底,作为本课程教材的作者和主讲人,写作生动,贯穿了教学研究中许多新的内容,使本来深奥抽象的课程变得易于理解,加强了对学生能力的培养。……是一本十分难得的优秀教材”。“注重模型建立和构造思路的探讨,引导读者探索知识背后的内容。……是一本非常优秀的教材”。内容取舍得当,组织合理,条理清楚,重点突出,适合本科和现阶段研究生教学。通过知识传授方法和思想,给人良好启迪,实现能力培养。将抽象难懂的内容变得通俗易懂,引人深思,易于自学。习题丰富、难易适中、富有启发和引导性。解决了国内计算机专业教学长期以来对学生形式化方法培养不足的困难。是国内本课程最新最好、影响最大、第一个配套齐全的优秀教材,整套书填补了国内的空白。学生普遍反映受益匪浅。参考书和电子教案提高了课程的整体效果,将促进计算机专业计算基础理论的教育。首次看到的课程设计很有特色、很有用。