利用科研思维开展理工类课程的教学方法

柯昌博，刘大勇，肖甫（南京邮电大学计算机学院/软件学院，南京　210003）

利用科研思维开展理工类课程的教学方法

柯昌博，刘大勇，肖甫
（南京邮电大学计算机学院/软件学院，南京210003）

0　引言

要达到创新教育的标准，高等教育有着主要的责任，从教学中积极引导和培养学生的创新意识非常重要。因此本文讨论了科研与创新思维在高等教育教学中的应用，特别从理工类学科教学出发，并利用实例说明了创新教学的重要性。

1　科研思维的特征

科研思维就是创新思维，创新源于拉丁语，包含三导含义，即为“创造”、“更新”和“改变”。1912年，哈佛大学教授熊彼特Joseeph Alois Schumpeter首次提出创新概念。他认为创新就是把生产要素和生产条件进行组合引入生产的体系［5-7］。以“更新”为例，创新思维的过程包括三个阶段：

首先，问题提出阶段。对本领域已有工作进行综述，根据其存在的不足，找到存在此不足的原因。然后对其进行抽象，提出相应的科学问题；

其次，解决问题阶段。根据存在问题的特征，选择相应的理论方法，提出解决问题的方案。解决问题的方法包括：理论证明，实证研究，实验分析，原型系统实现等。这要根据不同学科或研究方向的特征选取相应的研究方法；

再次，对解决的问题的结果进行分析阶段。此阶段主要讨论解决方法的局限性、不足或者缺点。并将此作为下一步工作的重点。

因此，科研思维的特征［8-11］为：

①创新性。根据创新最初的定义可以分为三个层面，第一层面为原始创新，即所做的工作为首次提出，首次解决，首次分析；第二个层面为更新创新，即有同行在此领域做过类似工作，并得出了相应的有意义结论。笔者根据已有工作进行分析找到不足，并对不足部分进行问题抽象和解决；第三个层面为改变创新，即虽然有同行做过同类工作，但他们的工作存在错误或缺陷，根据相关的错误或缺陷进行分析，实验证明或理论证明，从而改正此错误或缺陷。

②批判性。同行科研工作者对已有工作进行评价，并提出相应的不足，对其不足的部分进行问题抽象并解决，是创新性特征的另一个侧面。

③延续性。任何一个科学问题都不是一次能解决完美的。因此，在解决任何一个科学问题时，都会产生相应的其他问题，而这此问题又恰好是解决此问题的后续工作。例如，在计算机算法的研究过程中，经常会出现时间和空间的矛盾问题，往往也是研究的后续问题。线性表中依次讨论顺序表、单链表、双向链表，就是一个问题的延续的结果。

2　理工类课程的特征

理工类课程通常是前科研工作者通过研究所得出的一般性结论。因此，理工类教材也是相应科研工作者的科研成果，即所发表论文的有机结合。所以，理工类课程也最具有科研发展的规律学科。从提出问题到分析问题，再到解决问题，都体现了一个科研工作者的思维特征，也是科研工作的特征［12-15］。因此，理工类课程具有如下特征：

①具有创新思维的发展脉络。理工类课程都是从提出问题，分析问题或者抽象问题，解决问题，再到分析结论，都有一个科研思维发展的完整过程。甚至章节之间的关系也是问题不断更新，不断完善的过程关系。如计算机中数据结构课程中的线性表，就是因为顺序表存在不能扩充的不足，才产生链表，而单向链表仅仅只能从当前结点找到其后继结点，找前驱结点时，只能从第一个结点或头结点开始查找，存在这样的不足，所有出现双向链表、循环链表，等。

②具有批判性，培养学生发散思维的特征。解决某个问题的方法都会讨论此方法存在的优点和缺点。后续解决会尽量发扬优点，而提出的方法往往弥补了前一种解决方法的不足。因此，可以培养学生的发散性思维，让他们大胆地想，大胆地批判，鼓励提出自己的解决方案，从而获取创新性思维。所以，此特征也是创新性思维的一个侧面或者一个部分。

③解决问题的多样性。通常不同章节只是讨论了解决某一个问题的不同解决方法，每一种方法都有其内在的优势和不足，相互形成了一个体系。如线性表中所有的方法都是解决数据的存储问题。

3　科研思维与理工类课程的关系

科研思维的方法包括抽象和具体，而抽象通常在问题的分析和提出阶段，如，理论证明、形式化方法等。而具体通常在问题的解决后的验证、实验或例证阶段，如，模型验证、实验分析和实例研究等。而理工类课程的编排通过也是由抽象到具体，由提出问题到解决问题，再到分析问题的。因此，它们之间是相对应的关系。

根据两者之间的关系，利用科研思维教授理工类课程可以用一个二元组T=＜R，C＞表示，其中R表示研究思维Research，C表示采用实例讲解相关的理论知识，Case Study。因此，我们在教授理工类课程时，可以有如下方法培养学生的科学创新素养，研究问题的一般规律，激发学生的创新性，并有利于学生更深层次的理解相应的重点和难点问题：

（1）以科研思维连串章节关系。在让学生理解知识点的同时，让他们了解科研工作者的研究思维，激发学生的创新能力。根据课程的发展脉络，讲清楚章节之间的关系，而这个关系恰好是科学研究的由浅入深，由表及里的创新思路，也是一个提出问题，分析问题，解决问题和评估解决方法的科研思维过程。从而提高学生对课程章节更深入层的理解，也培养了学生的科研兴趣和素养，激发学生进一步理解问题甚至进行创新的可能性。

（2）利用实例讲解重点难点。对重点和难点进行实例化，让学生在理解和消化知识的同时，学会科学研究的一般方法。由于科研研究中常用的方法有理论证明，实验分析和实例研究，而实例研究是一种将抽象问题实例化的过程，也是将复杂问题简单化的过程，也是用个体实例说明一般理论合理性的一种方法。而对应教学中，尤其对课程中的重点和难点，由于理论的证明或者理论过程的复杂性，导致学生难以理解和消化。这时，作为教师，如果对其进行实例化，用我们日常生活中的例子去解释相应的理论，这样能够帮助学生进一步理解相应的重点和难点问题。也可以学习到怎么去面对科学研究，怎么做研究，怎么将研究表达出来。

4　实例

以数据结构课程中线性表的教授为例，重点讨论利用实例来教授课程的优点。首先，用电子商务购物的实例来教授单链表，实例的要点如下：

●Tom通过电子商务买了一个书包；

●电子商务的仓库在北京；

●Tom的原地址：江苏省南邮大；

●Tom的地址现修改为：江苏省南京市南邮大；

●不提供退货服务；

在此仅讨论当n-1＞i＞0时，插入结点的过程。因此，原过程如下：

图1　单链表插入结点

假若将用户的所购买的书包类比为单链表的数据域，地址类比为单链表的指针域，则原地址就为：江苏省的下一站为南邮大，并且已知p指针为江苏省，q指针为南京市，根据原地址可以将南邮大表示为：p-＞link。则原单链表可以表示为：

图2　原地址对应的链表

修改后的地址需要将南京市这个结点插入到江苏省后，则可以表示为：

图3　现地址对应的链表

因此，根据图3可知，江苏省的下一站是南京市p-＞link=q，南京市的下一站是南邮大q-＞link=p-＞link；可以得到如下的插入过程：

图4　单链表插入结点的实例

同理，可以将双向链表用类似的实例进行表示：

●Tom通过电子商务买了一个书包；

●电子商务的仓库在北京；

●Tom的原地址：江苏省南邮大；

●Tom的地址现修改为：江苏省南京市南邮大；

●提供退货服务。

可以将送货过程为后继链路，退货过程为前驱链路。在此仅讨论当n-1＞i＞0时，插入结点的过程（原有的插入过程省略）。

与单链表类似，可得已知条件：p指针为江苏省，q指针为南京市，根据原地址可以将南邮大表示为江苏省的下上站：p-＞link。则插入过程如图5所示：

由以上分析可知，利用学生日常生活中常用的例子来讲解链表插入的过程，会更能让学生理解并加深学生的学习印象，也会激发学习的科研兴趣。我们将传统的方法和基于科研思维的方法分别在两个为35位学生的数据结构重修班进行实践，并进行对比，以理解、掌握和不理解为选项进行问卷调查，如下表所示：

表1　不用实例和用实例讲授的对比

由表1可知使用实例进行讲解和不用实例进行讲解相比，用实例进行讲解很大程度上提高了学生的理解率和掌握率，同时不理解率仅仅占总人数的5.7%，并加深了学生对知识点的理解。

图5　双链表插入结点的实例

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［11］张伟刚，张严昕，严铁毅.科研思维方式.专业技术人员科研方法与论文写作，2009.

［12］刘仁坤.“学导结合”教学模式在理工类课程教学实践中的应用.远程教育模式：理论与实践，2009.

［13］刘仁坤.远程教育模式：理论与实践.理工类学科的教学实施过程，2009.

［14］刘仁坤.理工类课程的教学实践探索.远程教育模式：理论与实践，2009.

［15］Raiskums，B.W.An analysis of the concept criticality in adult education［M］.Capella University，2008.

柯昌博（1984-），陕西安康人，博士，讲师，研究方向为数据结构教学方法、云计算中的隐私保护

刘大勇（1980-），男，黑龙江七台河人，硕士，讲师，研究方向为专业课中的教学方法

肖甫（1980-），男，湖南邵阳人，博士，教授，研究方向为传感器网络

Higher Education；Science and Engineering Teaching；Scientific Thinking；Research Inertance

Method of Lecturing Science and Engineering Curriculums with Scientific Thinking

KE Chang-bo，LIU Da-yong，XIAO Fu
（School of Computer Science&Technology School of Software，Nanjing University of Posts and Telecom.，Nanjing 210003）

1007-1423（2015）27-0027-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.27.008

2015-07-21

2015-09-07

讨论科研思维在高教理工类教学中的作用。首先，分析科研思维与理工类课程的特征；其次，讨论科研思维与理工类课程之间的关系，并定义利用科研思维教授理工类课程的两个维度；再次，以实例研究为例，说明实例教学在理工类课程教学中的重要性。

高等教育；理工类教学；科研思维；研究惯性

江苏省高校自然科学研究面上项目（No.15KJD520001）、南京邮电大学引进人才科研启动基金资助（No.NY214164）

Discusses the role of scientific research thinking in science and engineering specialty lecturing in colleges and universities.Firstly，analyzes the characteristics of scientific research thinking and science and engineering curriculums.Secondly，discusses the relationship of scientific research thinking and science and engineering curriculums，and defines two dimensions of lecturing science and engineering curriculums with scientific research thinking.In the end，as case study for example，illustrates the importance of case lecturing for science and engineering curriculums.