計算機專業研究型課程教學模式與創新能力培養的探索

陳 越 何欽銘

摘要:本文針對傳統教學方法存在的問題,結合計算機專業課程建設經驗,探索研究型課程教學的三種教學模式:啟發式教學、引導式教學、探索式教學,并討論研究型課程教學的過程管理方法以及對高素質人才培養的意義。

關鍵詞:研究型教學;教學模式;創新性

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

傳統教學模式以知識傳授為核心,重點關注教師講什么。隨著近代教學改革的不斷推進,人們漸漸把關注點從教師轉移到學生,關注學生應該學什么及學生究竟能學到什么。如果教師只關注知識本身,其教學過程便不可避免地存在著灌輸的痕跡,學生也會因處于被動接受的狀態而缺乏學習興趣,用完成任務的心態去應付課程學習。

人類學習的原始動力來自對未知的好奇。人們為了找到答案而自發地進行探索,在取得階段性成功后,成就感會激發人們進一步深入研究的興趣。在這個過程中,對現狀的批判性思維是創新的重要因素。而研究型課程教學正是圍繞“探索”和“批判”這兩個關鍵因素培養學生的能力。

研究型課程教學關注的不僅僅是知識的傳授,更重要的是能力的培養,是培養學生主動獲取知識、并綜合已有知識去創造新知識的能力。本文結合作者在計算機專業課程建設中的實踐,從教學模式、實施方法到過程管理等方面對研究型課程教學進行探討。

筆者是“數據結構”、“數值分析”和“軟件工程”三門課程的主講教師,在此以這三門課程為例,探索研究型課程教學的三種教學模式:啟發式教學、引導式教學、探索式教學,并討論研究型課程教學過程管理方法及對高素質人才培養的意義。

1科學研究的一般方法

開展科學研究,一般有下列5個基本步驟:

(1) 發現問題——從生產、生活中發現具體問題,總結抽象出一類具有相同特征的問題,定義研究目標。

(2) 尋求方案——收集已有的知識和現成的解決問題的方法,試圖應用于待解決的問題,觀察解決效果。

(3) 發現不足——以批判的眼光分析現有的各種解決方法,發現其中的缺陷,針對其不足提出自己的創新見解。

(4) 設計實現——將自己的新思路加以設計、實現,大膽假設,小心求證,從理論上證明其效果。

(5) 驗證效果——通過設計合理的測試,用實際數據驗證自己見解的正確性與理論證明的一系列特征。

研究型課程教學的主要目的,就是要在實施的過程中訓練學生進行上述科學研究的能力。

2研究型課程教學模式的設計與實施

研究型課程教學對應不同層次的課程,應有不同側重的內容選擇與實施方法。根據研究型課程教學中教師的不同角色,可將教學模式分為啟發式教學、引導式教學和探索式教學等,并重點應用于學生學習的不同階段。

2.1啟發式教學

對于面向低年級學生的基礎課程,由于學生對專業領域知識和思維方法的理解還很有限,教師需要以知識點和基本方法的傳授為主,但是傳授的方式方法可以是啟發式的,選擇帶有探索性質的話題,引導學生通過一種類似于研究的過程獲得對知識的理解。

以“數據結構”中“堆”這個概念的介紹為例。

(1) 發現問題:教師可以先從操作系統對任務的處理這個實際案例出發,引出對“優先隊列”的需求。

(2) 尋求方案:帶領學生用已經掌握的知識試圖解決優先隊列問題,例如用簡單的數組、鏈表實現一個優先隊列,再用有序的數組、鏈表去實現等。

(3) 發現不足:引導學生分析這些方法的復雜度,思考它們各自的優缺點,給學生充分的想像空間,去設計自己覺得更好的數據結構;在學生充分發表自己見解的基礎上,介紹書上“堆”的概念和實現方法,同時,始終提醒學生存疑,即以批判性的思維方式去思考書上的方法是否真的如所說的那么好?

(4) 設計實現與驗證:給學生布置研究型課題,讓他們自己去做實驗,比較各種不同的實現優先隊列的方法,分析在什么情況下什么樣的解決方案最好,哪些方法在哪些指標上占優等。

教師并不需要在課堂上講得太多,學生也會對“堆”這個概念有充分深入的理解。

2.2引導式教學

高年級學生已經有了一定的基礎知識,在學習更高層次的專業課程時,研究型教學的重點就不再是知識點本身的傳授,而是在課堂講解的基礎上,引導學生應用科學研究方法理解和掌握一些知識模塊。

以“數值分析”中求解方程組的迭代法的介紹為例。

(1) 發現問題:教師從大型稀疏方程組求解的精度控制問題出發,引出對“迭代法”的需求。

(2) 尋求方案:帶領學生回顧前面學過的單個非線性方程求解的迭代法,引導學生考慮用相似的思路去研究方程組的問題。

(3) 大膽假設:引導學生自己推廣導出研究方向以及可能會得到的結論,例如收斂性、誤差控制等方面可能有跟單個非線性方程求解的迭代法很相似的結論。

(4) 小心求證:教師帶領學生共同證明猜想,并且通過布置相應的實驗題目,讓學生自己動手驗證結論。

在整個研究過程中,教師只扮演一個引路人的角色,在關鍵點給學生肯定或者否定的回答,引導學生通過正確的道路自己發現知識,而不是完全被動地等待教師灌輸知識。這樣的學習過程能讓學生獲得成就感和繼續研究的信心,激發他們進一步鉆研的興趣。

2.3探索式教學

為高年級學生開設的前沿性課程,特別是發展迅速、知識點更新很快的課程,更容易展開研究型教學。此時學生已經具備了較好的專業基礎,并具備了初步的專業資料查找和分析能力。在教學中,教師可以直接給出命題,讓學生通過查找資料和相互討論加以解決;也可以讓學生自己發現和解決問題。

例如“軟件工程”課程,該知識領域發展只有三十多年,內容還沒有完全固定,并且發展非常迅速,知識不斷翻新,所以,不能按照傳統的方式簡單地對書本上的知識點進行介紹。要獲得較好的教學效果,可以借鑒以下科學研究的基本步驟和思路。

(1) 發現問題:教師可以從歷史上一些經典的軟件失敗案例入手引發學生對于軟件開發問題的認識和思考,從而闡明研究“軟件工程”理論的必要性,進一步引申出軟件工程的基本概念,分析軟件開發的本質,從學科范疇上介紹軟件工程的知識體系。

(2) 質疑權威并尋求方案:在介紹教科書中各種軟件工程理論、技術、工具的同時,提出一個具體工程案例供學生實踐。隨時提醒學生根據自己對項目的理解及扮演的不同角色展開思考;引導學生對書本中的觀點提出質疑,甚至鼓勵他們去做反面的嘗試——如果不按照書本上的教條去做,結果會怎樣?同時介紹軟件工程領域研究的前沿動態,使學生在理解基本概念的同時激發對軟件工程理論研究的興趣,并鼓勵他們自己去搜索最新研究結果,尋找更適合的問題解決方案。

(3) 實踐、驗證與總結:通過組織一個較大規模的工程項目的實施,讓學生在實踐和課堂學習中不斷印證或修正他們自己思考得出的策略。通過各種渠道查找、閱讀相關資料,為自己的實踐經驗尋找正反兩面的理論依據,或抽象提取出方法和理論,最后總結成文。

探索式教學的重點,在于培養學生批判性創新的思維方式。而要做到批判,首先需要充分了解,而且了解的范圍必須超出課堂知識點覆蓋的范圍,緊跟研究發展的前沿,這樣學生才能得到探索真理的樂趣。

3研究型課程教學的過程管理

研究型課程教學要得到真正良好的效果,必須有一套有效的過程管理機制。沒有激勵機制,學生可能不會踴躍參與討論;沒有討論過程,只有學生最終研究報告,在互聯網如此發達的今天,可能達不到期望的效果。所以,管理的關鍵在于考查過程而不是結果。

例如,可將整個課程的知識點劃分為兩部分,即教師介紹部分和學生探索部分。根據班級容量將學生分為小組,再根據分組情況,設計一套課堂討論題目、一套課后研究題目。

課堂討論題目需要學生當堂討論,并且立刻給出結果,教師對各組結論進行點評和打分,這部分分數在課程總評中占20%左右的比例,這樣才能激勵學生努力思考和充分討論。

課后研究的題目則更有難度和深度,在一個學期內,使每組都有一次上臺報告的機會,這不僅能鍛煉學生的研究能力,也能鍛煉他們的表達能力,體驗與同行進行現場學術交流的氣氛。書面報告和現場演繹的表現都應在課程總評中占很大的比例(如30%~40%),以達到激勵作用。

至于考試,則相對占的比例較小,也可以嘗試“講1、做2、考3”,即布置學生做的研究性作業超過教師課上講授的范圍,而考試的范圍又超出學生的作業范圍,這需要學生平時做充分深入的研究,以便完成考卷上的題目。

要讓上述過程管理取得很好的效果,小班化教學是必要條件,所以研究型課程教學需要強大的師資力量做后盾。

4實踐效果

浙江大學計算機學院對于研究型教學的探索還處于起步、摸索階段,筆者就自己主講的課程進行了嘗試,取得了一定成效。

在“數據結構”課程中,特別強調通過提問引導學生的理解,為此我們設計了120個課堂討論題目,要求學生當堂解答;6道綜合性實驗題目,要求學生撰寫完整的書面報告;另外課堂提問、回答也計入總評。

在“數值分析”課程中,設計了36個課堂討論題目,要求學生當堂解答;18個研究性課題,要求學生分組進行課后研究,并在課上進行報告演講;8道綜合性實驗題目,要求學生獨立編程完成;另外,課堂提問、回答也計入總評。

在“軟件工程”課程中,我們設計了以實際金融項目為背景的大型課程實踐項目,學生以3～5人組隊的形式,全班共同完成一個大規模的系統。學生在一學期內完成兩份文檔、兩次課上報告演講、三個版本的系統驗收,并就項目管理、過程模型改進、設計模式等撰寫創新性論文。

“真切地感覺到了這門課對我的改變”、“我們學著去自主地解決一些開放性的問題,這對我們探索和表達能力的提高有十分大的幫助”、“關于研究性課題,難以想象一門數學課可以如此激發人的興趣(原文:About the research topics, no one could imagine that a mathematical course could reveal its interest by such a means)”……從學生熱烈的反饋意見中、自發地總結經驗撰寫的大量論文中以及任課教師獲得課程評估優秀的成績中,我們可以感到以上課程取得的良好效果。

5總結

大力提倡研究型課程教學,將研究型大學的科研力量轉化為教學力量,是現代化教育的需要,也是培養高素質人才的需要。通過推進研究型課程教學,我們希望學生能從知識、能力、素質三方面都得到提高。在知識方面,學生不僅學習到專業知識,還學到科學研究的基本概念和方法;在能力方面,學生不僅提高了專業能力,還提高了查找資料、質疑、發現缺陷、解決問題以及撰寫科研報告的能力;在素質方面,學生通過訓練,養成了科學嚴謹的態度,具備了創新意識的萌芽。

參考文獻:

[1] 教育部高等學校計算機科學與技術教學指導委員會. 高等學校計算機科學與技術專業實踐教學體系與規范[M]. 北京:清華大學出版社,2008.