网格计算课程本科阶段研究型教学实践

赵枫朝　王勇

摘要：从研究型教学的微观层面出发，以网格计算课程的本科教学实践为例，探讨研究型教学模式的特征和原则，介绍在网格计算课程中的教学实践，并总结经验。

关键词：研究型教学；教学模式；网格计算；本科教学

0.引言

研究型教学理念最初是为了创办以学术研究和培养研究生为主的研究型大学而提出的。大学，特别是研究型大学，承担着创造知识和传播知识的双重任务，研究型教学就是把大学的科研和教学联系起来。由于本科教学的基础性和重要性，研究型教学就作为一种人才培养模式和教学模式在本科教学中得以应用。1998年著名的博伊报告——《重视本科教育：美国研究型大学发展蓝图》中提出改变本科教育的10大途径的第一条就是“使得基于研究的学习成为标准”，即倡导在有条件的研究型大学的本科生教育中推行研究型学习和教学。

研究型教学理念既有宏观层面的体现——创办研究型大学，乃至形成崇尚研究、鼓励创新的学术风气；也有微观层面的体现——在具体的教学实践中采用研究型的教学模式，在传授学生专业知识的同时，培养学生的创新能力，并形成教师个人科研和教学的良性互动。研究型教学引入我国以来，许多学者开展了卓有成效的工作，既有宏观层面的研究和论述，也有微观层面的运用和实践。下面介绍笔者在网格计算课程教学实践中实施研究型教学模式的一些体会和经验。

1.研究型教学模式的特征和实施条件

研究型教学模式是指融合学习与研究于一体，由传统的教师为主导的单向知识灌输转变为教师引导学生发现问题、分析问题、解决问题、评估问题，最终获取知识、培养创新能力，乃至作出实际创新的教育模式。

笔者认为在一门课程的本科教学实践中采用研究型教学模式应该包含两个方面：一是课程已有知识体系的传授要遵循知识发现的过程和规律，引导学生以研究思维模式掌握已有知识体系；二是介绍课程的未来发展方向和热门研究方向，引导学生接触前沿研究问题，甚至作出实际创新。

1.1研究型教学模式的特征

研究型教学模式要求在课程教学实践的各个环节如教学方式、课堂内容的准备和组织、实践环节、考核方式以及教学方法、教学管理等方面进行全新规划和组织。

1.1.1教学环节方面的特征

从教学方式、课堂内容的准备和组织、实践环节和考核环节等4个方面阐述研究型教学模式在教学环节方面的特征。

笔者提出如下几种基于研究型教学模式的教学方式：

（1）基于问题的学习（Problem-basedLearning）：在教学实践中引导学生提出问题、分析问题、解决问题、评估问题（以期进一步改进），把学生的主动思考和学习融入到知识的讲解过程中。

（2）指导性设计（Guided Design）：确立能够覆盖课程知识面的设计课题，引导学生给出设计方案，并完成课题的实现和测试，最后再完成对设计方案的评估，锻炼学生运用课程的相关知识解决实际问题的能力。

（3）案例研究（Case Study in Science）：设计实际的情景或者问题，引导学生给出解决方案，建立课程知识与实际的联系。

（4）基于项目的学习（Project-basedLeaming）：介绍与课程紧密相关的科研项目的情况，最好是让优秀的学生参与实际的科研项目中，为项目作出贡献的同时学习知识、锻炼能力。

（5）论文研究（Research）：引导学生收集、阅读、整理论文资料，从中发现问题，并采用合适的方法解决问题，然后整理成论文的形式发表，直接为课程相关学科和研究方向的发展作出贡献。

（6）讨论班（Seminar）：讨论班的方式是随意的，可以是一名或者若干名同学主讲，也可以是有主题的针对性讨论或无主题的心得体会的交流；讨论内容也是灵活设立，可以是某一个问题、设计方案、案例解决方案、科研项目相关的内容或者论文的分析、论文新成果的讨论等。

在研究型教学实践中，可以根据课程不同内容的需要灵活采用上述教学方式，如已有知识体系的传授采用基于问题的学习方式，课程实践环节采用指导性设计方式，未来研究方向的介绍采用论文研究和讨论班的方式等。

课堂内容的组织和准备，需要根据内容性质的不同（如概念、原理、技术、规范等）选择合适的教学方式，然后按照所选择教学方式的要求对课堂内容进行组织和准备。

实践环节是锻炼学生应用课程相关知识解决实际问题的关键环节，任课教师需要精心设计实践课题，制定要求和范围，引导学生发挥主动性自主设计课题，完成方案设计、实现和评估的完整的实践环节，实践环节可以采用指导性设计或案例研究等教学方式。

传统单向灌输式教学模式的考核方式一般采用闭卷考试，重点考核学生对于课程知识体系的掌握程度（当然有部分题目考核学生对于知识的运用）。研究型教学模式教学过程的考核环节需要具有与研究型教学模式相适应的考核方式。在研究型教学模式中学生掌握课程已有知识体系不是唯一的目标，运用课程知识体系解决实际问题的能力、拓展课程知识体系的创新能力是具有研究型教学模式鲜明特色的另外两个重要目标，课程考核中应突出对这两种能力的考核。

1.1.2教学方法方面的特征

研究型教学不仅在教学过程的各个环节上区别于传统的单向灌输式教学模式，而且在各个教学环节的实践中采用的教学方法也有显著区别。研究型教学模式以教师为主导、学生为主体，在教学中尤其注重引导学生主观能动性的发挥。

研究型教学实践中各个环节可以采用不同的教学方法，如表1所示。需要说明的是，这些教学方法对于研究型教学模式来说并不是完备的，任课教师可以采用其他的教学方法或者自创新的教学方法。

1.2研究型教学模式的实施条件

实施研究型教学模式需要在教学所涉及的各个方面具备一定的条件：如课程、任课教师、学生和学风、学校管理等方面，这些条件不是绝对的，但是具备这些条件将更有利于研究型教学模式的实施：

（1）课程：课程所涉及的学科和研究方向已形成体系，并处于活跃的发展时期。

（2）任课教师：要求任课教师熟悉课程的已有知识体系以及科学研究的规律；在课程相关的学科具有实际的科研经验，形成任课教师科研和教学的良性互动。

（3）学生和学风：要求学生从被动的知识接受者转变为主动的知识获取者，学校要有提倡勤于钻研的学风。

（4）学校管理：学校在研究型教学实施的初期能够提出以提倡和鼓励为主的管理措施，在研究型教学的普遍实施阶段具有规范管理的措施。

2.网格计算课程的研究型教学模式实践

笔者在为计算机科学与技术专业本科生开设的选修课网格计算课程中，尝试实施研究型教学模式，取得了初步的效果。

2.1网格计算及网格计算课程

网格是一种新型的计算基础设施和计算技术，其基本思想是计算力能够像电力一样易于使用。19世纪90年代出现网格的具体实现形式——网格中间件Globus Toolkit（简写为GT）。网格计算是多种计算机技术融合的一门交叉学科，如计算机网络、分布式计算、软件体系结构、软件组件技术、面向对象程序设计、信息与网络安全等；并采用了多种实现技术，如Java语言、XML、Web服务等。网格计算经过几十年的发展，已经具备自己的知识体系，目前处于快速发展中。

网格计算课程旨在为计算机科学与技术专业高年级本科生介绍网格计算这一前沿技术，具有内容前沿、技术新颖、综合性强、研究性强等特点，着力培养学生的批判性思维、锻炼学生的创新能力和解决实际问题的能力、培养学生基本的科研素质等。此外，还在本科学生的培养中发挥以下作用：

（1）构建专业知识体系：一方面网格计算课程通过运用多门先导性课程知识，起到了夯实知识体系基础的作用；另一方面，通过掌握课程本身的知识，拓展了本科学生的知识体系，开拓了学生的眼界和视野。

（2）锻炼专业基本能力：在理论知识的讲解中注意锻炼学生的逻辑思维能力，而实践等环节可以锻炼学生软件系统的分析、设计和开发能力，以及解决实际问题的能力。

2.2网格计算课程的教学实践

2.2.1课堂教学内容的选择与组织

网格计算目前没有适合本科教学的成熟教材，这就需要按照本科教学的要求和网格计算课程的目标对网格计算的知识体系进行筛选，在课时要求内选出网格计算技术的最为主要的内容。

在筛选出主要内容以后，运用基于问题的学习这一教学方式，对课堂内容进行组织，把教学内容组织为一个个粒度各异的问题，按照背景介绍→提炼问题→分析问题→解决方案→方案评价的方式介绍课程内容。如在第一课概述部分，首先从企业计算的发展需求、科学计算的发展需求、计算技术本身的进步等多个方面介绍背景，得出共同的需求——计算要在更为宽广的范围内进行，从而得出网格计算的定义，即网格计算要解决的问题——“在广泛分布、动态、自治的网络环境中构建虚拟组织”。而后续各个章节的内容就是这个最大粒度的问题的解决方案，在后续章节的讲述中要注意呼应这个问题。最后一章——网格计算的研究方向则隐含了对这一问题解决方案的发展和评价，如在介绍Web服务资源框架，通过介绍以业界为主提出的Web服务存在的问题——无状态支持，得出“如何为Web服务提供状态支持”这一问题。然后介绍两种解决方案——开放网格服务基础架构和Web服务资源框架两种解决方案。最后对两种解决方案进行评估，指出Web服务资源框架方案的优势所在。

在WSRF服务的编程技术相关章节的教学中，主要采用了示例法：搭建网格的运行环境和编程环境，通过编写一个个具有代表性的WSRF实际程序，结合实例程序的代码讲解，并不断与Java程序设计、设计模式等课程中的知识点相联系，使学生掌握不同类型的WSRF服务的编写方法和流程。

在最后一章——网格计算的研究方向介绍时，主要采用了基于问题的教学方式，把各个研究方向要解决的问题交代清楚，给出网格计算领域的主要学术期刊和国际会议名称，供学有余力和有进一步研究兴趣的学生参考。

网格计算课程的课堂授课内容，以及所采用的教学方式方法如表2所示。

2.2.2实践环节设计

为锻炼学生的动手能力和解决实际问题的能力，安排了一个8学时的实践环节：

（1）实验内容：搭建网格的运行环境和编程环境；设计并实现一个WSRF服务。

（2）实验要求：①WSRF服务解决一个实际的问题；②完成问题确立、分析、设计、实现的全部过程，并在实验报告中体现；③具有较好的程序演示效果。

（3）教学方式：指导性设计。

2.2.3考核环节设计

采取了与研究型教学相适应的考核环节，课程的总成绩由两个部分考核成绩综合给出：一是实践环节的成绩，鼓励实验解决实际问题；二是布置学生阅读网格计算相关研究方向至少3篇研究论文，撰写评述性读后感，文章要求符合研究论文的格式，鼓励提出自己的见解。

2.2.4与网格计算相关的后续环节培养

凭借一门课程的力量培养学生解决实际问题的能力和创新能力是有限的，能力的培养是一个持续努力的过程。一门课程的有限能量在教学活动中可以通过两个途径得到弥补：一个途径是通过课程相关的课程群建设，尤其是后续课程的建设，继续加强相关技术的理解和运用；另一个途径就是通过课外环节和实践环节，吸引有兴趣的学生利用课外时间或毕业设计，开展对该技术的深入学习和研究。

在网格计算课程结课后，我们在如下3个后续环节加强了培养：毕业设计、创新学分和星火基金等。目前，我们已经在毕业设计环节设置网格计算技术相关的设计课题和研究性课题，进一步鼓励学生在网格计算领域作出创新，吸引有兴趣的学生参与网格计算方面的实际科研项目。

2.3网格计算方向科研与教学的互动

研究型教学模式对任课教师提出了更高的要求，要求任课教师不仅要熟练掌握课程已有知识体系，而且要掌握研究的方法，最好具备相关领域的研究经验。

笔者从2000年至今一直从事Web服务与网格计算领域的科研工作，先后参与了863计划、国家自然科学基金重大研究计划、教育部中国教学科研网格ChinaGrid等项目的科研工作，并主持了北京市教委网格计算方向的一些研究性项目。在Web服务运行环境，基于服务的网格中间件、服务组合、网格工作流等方向取得了一定的研究成果，发表相关学术论文40余篇。这些经历为网格计算课程研究型教学的实施打下了很好的基础。

3.结语

笔者在网格计算课程中实施研究型教学，收到了较好的效果。网格计算课程研究型教学模式在培养学生的批判思维、创新意识方面确实比传统单向灌输式教学模式具有优越性，但是研究型教学模式的实施，需要具备较多的客观和主观条件，其实际效果要或多或少地受到这些条件的影响。

（1）任课教师主导地位的发挥最终取决于教师个人科研水平和教学水平：授课内容的选择、基于问题的学习等教学方式的准备和教学内容的整理、课堂授课的实际效果等，决定了教师主导地位的高低。要实施好研究型教学模式，就要求任课教师加大科研和教学的投入，并形成科研和教学的良性互动。

（2）学生的投入热情和主观能动性的发挥直接决定研究型教学的实际效果。教师的主导地位是一方面，但是如果在教学环节中提炼的问题不能引导学生思考、实践环节和考核环节流于形式、学生对未来的研究方向不感兴趣，研究型教学模式就不会起到应有的效果。研究型教学模式的成功实施要求学生对技术和知识具有敏感性。

（3）研究型教学模式的成功实施还需要一个恰当的开设时机。网格计算课程开设需要先导性课程，如计算机网络、分布式计算、面向对象编程等，这些先导性课程有的在本科阶段没有开设，就会影响课程效果。

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（编辑：郭田珍）