計算工具與工科教學(xué)良態(tài)結(jié)合的策略研究

摘 要：為利用電腦軟件的計算和圖形功能，參與教學(xué)環(huán)節(jié)理論驗證和數(shù)據(jù)分析，根據(jù)實際教學(xué)經(jīng)驗，探討規(guī)劃選擇計算機(jī)軟件工具選擇與利用的基本原則，并通過實例說明計算機(jī)軟件與課堂教學(xué)內(nèi)容之間良好結(jié)合應(yīng)當(dāng)注意的問題。

關(guān)鍵詞：工科理論教學(xué) 結(jié)合 驗證 MATLAB

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）01（a）-0-02

工具軟件此處特指采用計算機(jī)等現(xiàn)代工具，為工程或者其他研究目的，利用前人所編寫的諸多成型或者半成型程序，完成直接在程序基礎(chǔ)上的計算或者進(jìn)行源程序基礎(chǔ)之上的二次開發(fā)，實現(xiàn)比較復(fù)雜的重復(fù)繁瑣計算過程工程應(yīng)用類工具軟件[1-2]。

實際經(jīng)驗證明，很多工科教學(xué)內(nèi)容經(jīng)合理安排，使用計算機(jī)或自編程序，能效率更高地完成理論驗證，同時，很多無法很好傳達(dá)的抽象概念，通過實際算例的驗證變得易于理解。工科教學(xué)面向工程實際的本質(zhì)使得高校專業(yè)課理論體系與工具軟件的開發(fā)初衷具有天然親和性。但市面上輔助解決實際工程問題的工具軟件較多，因此，需要探討計算機(jī)工具與工科專業(yè)課程教學(xué)過程結(jié)合的應(yīng)對策略，以及建立針對不同教學(xué)特點如何進(jìn)行工具軟件合理選擇的總體原則。

1 可行性與策略研究

目前工科高校課堂使用各種自編和商用計算軟件輔助教學(xué)實現(xiàn)理論的驗證、分析、實驗數(shù)據(jù)處理、結(jié)果圖形化表述等。很多高校從自身理論教學(xué)實踐過程出發(fā)，不斷地探索形成良性反饋過程，取得了出色的效果與經(jīng)驗總結(jié)[3-4]。但工具軟件畢竟是一種新興的教學(xué)手段，受計算機(jī)普及和硬件瓶頸所限，近十幾年才逐步進(jìn)入普通工程師的個人電腦，專業(yè)教學(xué)中應(yīng)用的時間則更短。但軟件對于專業(yè)教學(xué)的輔助作用已經(jīng)引起工科高校教師的重視，教學(xué)中根據(jù)課程基本特點尋找合適工具，并配套編寫具備教學(xué)演示特點的程序，逐步形成典型案例，在工科專業(yè)課程中尤其值得關(guān)注。從工科應(yīng)用角度來講，想在課堂教學(xué)過程中，既能夠利用軟件工具帶來的強力結(jié)論驗證能力，又想不失理論教學(xué)講述的本色，應(yīng)服從如下幾個原則：選擇對本課程而言合適的工具軟件、自頂而下安排調(diào)整專業(yè)和課程教學(xué)大綱并確定工具軟件所參與的角色、合理設(shè)計課堂理論教學(xué)結(jié)論驗證案例。

1.1 選擇合適于教學(xué)的工具軟件

如何選擇以及選擇何種工具軟件并無統(tǒng)一答案，往往因課程特色而異、因教師教學(xué)風(fēng)格偏好而異、因?qū)W生計算機(jī)整體實際操作水平而異，同時，如果對某一種工具理解足夠透徹，軟件間的差異性將不復(fù)存在。但在實際工科教學(xué)過程中，尤其是非計算機(jī)專業(yè)和不是以軟件開發(fā)作為主要目標(biāo)的課程教學(xué)，“用最對癥的工具最快地解決問題”依舊是課堂教學(xué)中值得提倡的做法，在此前提下，選擇軟件工具有三個基本原則可依循：

1）盡量選擇與專業(yè)內(nèi)容接軌的工具軟件

對非計算機(jī)專業(yè)的理論教學(xué)（非軟件開發(fā)），作為輔助工具的工具軟件，在課程或?qū)I(yè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)具備通用基礎(chǔ)模塊，不要讓每個實際教學(xué)問題的描述和結(jié)論驗證都需要自底層開始重頭編寫，這些通用模塊同時利于學(xué)生快速理解所驗證的教學(xué)理論，并在此基礎(chǔ)之上實現(xiàn)不同組合，對相似問題能舉一反三，完成從“他勵”到“自激”的躍遷。

2）盡量選擇過程清楚明了的工具軟件

在易用性、較強的二次開發(fā)能力、數(shù)據(jù)圖形交互能力幾個方面尋找平衡點。課堂上，使用軟件的主要目的不是圖省事實現(xiàn)結(jié)果，而是服務(wù)于教學(xué)大綱，對基本理論概念的表達(dá)、驗證和描述產(chǎn)生輔助效果，因此要具有一些必要的接口，能和電子教案、幻燈等多媒體手段之間形成良好的互補、協(xié)調(diào)促進(jìn)關(guān)系。

3）盡量選擇容易學(xué)習(xí)和普及面廣的工具軟件

教學(xué)背景下，應(yīng)注意專業(yè)問題并非只靠專業(yè)軟件完成，工具本身的通用性和便于操作更加重要。學(xué)生快速掌握使用軟件的方法，注意力才能集中在知識學(xué)習(xí)，而非放在代碼編寫上。例如工程計算和簡單的二維圖形展示，通過辦公軟件如：Office、金山spreadsheet就可完成，合適的軟件，很多時候并不曲高和寡。例如：水力學(xué)課程中，環(huán)狀管路的水力計算一直是教學(xué)難點，雖然計算思想并不復(fù)雜，只需整個環(huán)狀管路n個節(jié)點（管路匯交點）處流量和均為零，即：

由于分支節(jié)點流量數(shù)值需進(jìn)行疊加和方向判斷，需要給出初值并迭代[5]。這種小規(guī)模計算問題普遍出現(xiàn)在很多工科專業(yè)課程的教學(xué)過程中，特點是只需計算結(jié)果而不要求代碼過程，執(zhí)行效率忽略不計。

1.2 自頂而下安排調(diào)整專業(yè)和課程教學(xué)大綱

實際教學(xué)和工程實踐中所遇各種問題，其數(shù)學(xué)、力學(xué)解決手段具有高度趨同性和一致性，導(dǎo)致工具軟件更加集成化、模塊化、工具箱化，基礎(chǔ)模塊不斷增多，往往一個軟件覆蓋多門課程的學(xué)習(xí)。工具軟件的學(xué)習(xí)代價和教學(xué)項目預(yù)期之間能夠相輔相成還是相互矛盾，關(guān)鍵取決于從什么層次看待軟件在教學(xué)過程中的地位，一些通用或者公認(rèn)對于課堂教學(xué)具有正面作用的工具，應(yīng)從專業(yè)課程開始很久之前就及時普及，這不僅要求從本課程的大綱，而且要從本專業(yè)的大綱開始，自頂而下地完成課學(xué)時合理分配安排的布局。

1.3 合理設(shè)計課堂教學(xué)案例

課堂教學(xué)核心目標(biāo)是向?qū)W生傳達(dá)課程相關(guān)基礎(chǔ)理論知識，工具軟件是通過更加強大的計算與數(shù)據(jù)圖形處理手段強化完成這一目標(biāo)的能力[6]。如果過分依賴工具計算結(jié)果卻忽視對計算結(jié)果的定量分析，或者不恰當(dāng)?shù)乜浯蠊ぞ哕浖淖饔玫龋伎赡苁乖薪虒W(xué)內(nèi)容主次不分，更重要的是計算結(jié)果也變得毫無說服力。取材合理、帶有計算過程和結(jié)果分析的課堂教學(xué)案例，能令原本枯燥抽象的理論知識生動地展開；相反，繁瑣冗長、刻意炫耀軟件自身能力的實例，則喧賓奪主，把簡單問題弄得復(fù)雜混亂。忌諱過多利用工具導(dǎo)致主次不分；結(jié)果產(chǎn)生過程繁瑣，受眾對知識的新奇感和注意力集中程度隨等待時間延長急劇下降，基本理論也同時在暫態(tài)記憶區(qū)內(nèi)迅速淡忘。所以需要精心準(zhǔn)備和設(shè)計課堂案例，保持課堂教學(xué)重心始終在教材或工程實例內(nèi)容的分析和展開上。例如：控制工程基礎(chǔ)中講述二階系統(tǒng)時，在一張圖中繪制欠阻尼二階系統(tǒng)受阻尼比影響下的單位階躍響應(yīng)曲線族（圖1），課堂現(xiàn)場編程費時費力，可事先編好程序直接運行或者給出運行圖形[7]。學(xué)生注意力較容易集中在分析問題，而不是人為增加關(guān)于“軟件如何運行”、“代碼如何編寫”等各種與當(dāng)堂理論教學(xué)內(nèi)容并無直接關(guān)聯(lián)的枝節(jié)。

2 結(jié)語

引入工具軟件輔助是今后工科基礎(chǔ)和專業(yè)課堂教學(xué)中的趨勢，計算、數(shù)據(jù)處理和圖形表現(xiàn)能力出色的軟件工具，使得課堂教學(xué)出現(xiàn)革命性變化，它使得原來難以驗證或者無法實現(xiàn)驗證的結(jié)果，在短時間內(nèi)實現(xiàn)多組結(jié)果計算，利于分析比較，把原來抽象枯燥的理論用實際案例形象地表達(dá)。另一方面，很多軟件的開發(fā)初衷就是起始于課堂教學(xué)，這些工作從一定程度上反向促進(jìn)課堂教學(xué)的方式、手段和內(nèi)容向更深層次實現(xiàn)變革。對課堂中如何更合理地使用工具軟件來達(dá)到更加理想的教學(xué)效果，成為高校工科課程教學(xué)中受到師生普遍關(guān)注的問題。

教學(xué)過程和工具軟件形成深層次的良態(tài)結(jié)合模式，在使用工具軟件介入基礎(chǔ)理論的教學(xué)過程，應(yīng)當(dāng)注意使用適合教學(xué)、易用易學(xué)的工具軟件；在教學(xué)內(nèi)容開展之前對工具軟件進(jìn)行恰當(dāng)?shù)劁亯|；對工具軟件的學(xué)習(xí)代價和執(zhí)行代價進(jìn)行預(yù)判。

教學(xué)中，應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎地使用電算工具，使之不至于喧賓奪主，把內(nèi)容的驗證放在課外，由學(xué)生自主進(jìn)行驗證，以便更多地發(fā)揮學(xué)生本身的創(chuàng)造力和學(xué)習(xí)主動性；理論教學(xué)課堂不應(yīng)過多糾纏于工具本身的使用，應(yīng)當(dāng)從工學(xué)教學(xué)大綱的整體布局調(diào)整中自然完成工具使用的過渡。

參考文獻(xiàn)

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