網格計算課程本科階段研究型教學實踐

趙楓朝　王勇

摘要：從研究型教學的微觀層面出發，以網格計算課程的本科教學實踐為例，探討研究型教學模式的特征和原則，介紹在網格計算課程中的教學實踐，并總結經驗。

關鍵詞：研究型教學；教學模式；網格計算；本科教學

0.引言

研究型教學理念最初是為了創辦以學術研究和培養研究生為主的研究型大學而提出的。大學，特別是研究型大學，承擔著創造知識和傳播知識的雙重任務，研究型教學就是把大學的科研和教學聯系起來。由于本科教學的基礎性和重要性，研究型教學就作為一種人才培養模式和教學模式在本科教學中得以應用。1998年著名的博伊報告——《重視本科教育：美國研究型大學發展藍圖》中提出改變本科教育的10大途徑的第一條就是“使得基于研究的學習成為標準”，即倡導在有條件的研究型大學的本科生教育中推行研究型學習和教學。

研究型教學理念既有宏觀層面的體現——創辦研究型大學，乃至形成崇尚研究、鼓勵創新的學術風氣；也有微觀層面的體現——在具體的教學實踐中采用研究型的教學模式，在傳授學生專業知識的同時，培養學生的創新能力，并形成教師個人科研和教學的良性互動。研究型教學引入我國以來，許多學者開展了卓有成效的工作，既有宏觀層面的研究和論述，也有微觀層面的運用和實踐。下面介紹筆者在網格計算課程教學實踐中實施研究型教學模式的一些體會和經驗。

1.研究型教學模式的特征和實施條件

研究型教學模式是指融合學習與研究于一體，由傳統的教師為主導的單向知識灌輸轉變為教師引導學生發現問題、分析問題、解決問題、評估問題，最終獲取知識、培養創新能力，乃至作出實際創新的教育模式。

筆者認為在一門課程的本科教學實踐中采用研究型教學模式應該包含兩個方面：一是課程已有知識體系的傳授要遵循知識發現的過程和規律，引導學生以研究思維模式掌握已有知識體系；二是介紹課程的未來發展方向和熱門研究方向，引導學生接觸前沿研究問題，甚至作出實際創新。

1.1研究型教學模式的特征

研究型教學模式要求在課程教學實踐的各個環節如教學方式、課堂內容的準備和組織、實踐環節、考核方式以及教學方法、教學管理等方面進行全新規劃和組織。

1.1.1教學環節方面的特征

從教學方式、課堂內容的準備和組織、實踐環節和考核環節等4個方面闡述研究型教學模式在教學環節方面的特征。

筆者提出如下幾種基于研究型教學模式的教學方式：

（1）基于問題的學習（Problem-basedLearning）：在教學實踐中引導學生提出問題、分析問題、解決問題、評估問題（以期進一步改進），把學生的主動思考和學習融入到知識的講解過程中。

（2）指導性設計（Guided Design）：確立能夠覆蓋課程知識面的設計課題，引導學生給出設計方案，并完成課題的實現和測試，最后再完成對設計方案的評估，鍛煉學生運用課程的相關知識解決實際問題的能力。

（3）案例研究（Case Study in Science）：設計實際的情景或者問題，引導學生給出解決方案，建立課程知識與實際的聯系。

（4）基于項目的學習（Project-basedLeaming）：介紹與課程緊密相關的科研項目的情況，最好是讓優秀的學生參與實際的科研項目中，為項目作出貢獻的同時學習知識、鍛煉能力。

（5）論文研究（Research）：引導學生收集、閱讀、整理論文資料，從中發現問題，并采用合適的方法解決問題，然后整理成論文的形式發表，直接為課程相關學科和研究方向的發展作出貢獻。

（6）討論班（Seminar）：討論班的方式是隨意的，可以是一名或者若干名同學主講，也可以是有主題的針對性討論或無主題的心得體會的交流；討論內容也是靈活設立，可以是某一個問題、設計方案、案例解決方案、科研項目相關的內容或者論文的分析、論文新成果的討論等。

在研究型教學實踐中，可以根據課程不同內容的需要靈活采用上述教學方式，如已有知識體系的傳授采用基于問題的學習方式，課程實踐環節采用指導性設計方式，未來研究方向的介紹采用論文研究和討論班的方式等。

課堂內容的組織和準備，需要根據內容性質的不同（如概念、原理、技術、規范等）選擇合適的教學方式，然后按照所選擇教學方式的要求對課堂內容進行組織和準備。

實踐環節是鍛煉學生應用課程相關知識解決實際問題的關鍵環節，任課教師需要精心設計實踐課題，制定要求和范圍，引導學生發揮主動性自主設計課題，完成方案設計、實現和評估的完整的實踐環節，實踐環節可以采用指導性設計或案例研究等教學方式。

傳統單向灌輸式教學模式的考核方式一般采用閉卷考試，重點考核學生對于課程知識體系的掌握程度（當然有部分題目考核學生對于知識的運用）。研究型教學模式教學過程的考核環節需要具有與研究型教學模式相適應的考核方式。在研究型教學模式中學生掌握課程已有知識體系不是唯一的目標，運用課程知識體系解決實際問題的能力、拓展課程知識體系的創新能力是具有研究型教學模式鮮明特色的另外兩個重要目標，課程考核中應突出對這兩種能力的考核。

1.1.2教學方法方面的特征

研究型教學不僅在教學過程的各個環節上區別于傳統的單向灌輸式教學模式，而且在各個教學環節的實踐中采用的教學方法也有顯著區別。研究型教學模式以教師為主導、學生為主體，在教學中尤其注重引導學生主觀能動性的發揮。

研究型教學實踐中各個環節可以采用不同的教學方法，如表1所示。需要說明的是，這些教學方法對于研究型教學模式來說并不是完備的，任課教師可以采用其他的教學方法或者自創新的教學方法。

1.2研究型教學模式的實施條件

實施研究型教學模式需要在教學所涉及的各個方面具備一定的條件：如課程、任課教師、學生和學風、學校管理等方面，這些條件不是絕對的，但是具備這些條件將更有利于研究型教學模式的實施：

（1）課程：課程所涉及的學科和研究方向已形成體系，并處于活躍的發展時期。

（2）任課教師：要求任課教師熟悉課程的已有知識體系以及科學研究的規律；在課程相關的學科具有實際的科研經驗，形成任課教師科研和教學的良性互動。

（3）學生和學風：要求學生從被動的知識接受者轉變為主動的知識獲取者，學校要有提倡勤于鉆研的學風。

（4）學校管理：學校在研究型教學實施的初期能夠提出以提倡和鼓勵為主的管理措施，在研究型教學的普遍實施階段具有規范管理的措施。

2.網格計算課程的研究型教學模式實踐

筆者在為計算機科學與技術專業本科生開設的選修課網格計算課程中，嘗試實施研究型教學模式，取得了初步的效果。

2.1網格計算及網格計算課程

網格是一種新型的計算基礎設施和計算技術，其基本思想是計算力能夠像電力一樣易于使用。19世紀90年代出現網格的具體實現形式——網格中間件Globus Toolkit（簡寫為GT）。網格計算是多種計算機技術融合的一門交叉學科，如計算機網絡、分布式計算、軟件體系結構、軟件組件技術、面向對象程序設計、信息與網絡安全等；并采用了多種實現技術，如Java語言、XML、Web服務等。網格計算經過幾十年的發展，已經具備自己的知識體系，目前處于快速發展中。

網格計算課程旨在為計算機科學與技術專業高年級本科生介紹網格計算這一前沿技術，具有內容前沿、技術新穎、綜合性強、研究性強等特點，著力培養學生的批判性思維、鍛煉學生的創新能力和解決實際問題的能力、培養學生基本的科研素質等。此外，還在本科學生的培養中發揮以下作用：

（1）構建專業知識體系：一方面網格計算課程通過運用多門先導性課程知識，起到了夯實知識體系基礎的作用；另一方面，通過掌握課程本身的知識，拓展了本科學生的知識體系，開拓了學生的眼界和視野。

（2）鍛煉專業基本能力：在理論知識的講解中注意鍛煉學生的邏輯思維能力，而實踐等環節可以鍛煉學生軟件系統的分析、設計和開發能力，以及解決實際問題的能力。

2.2網格計算課程的教學實踐

2.2.1課堂教學內容的選擇與組織

網格計算目前沒有適合本科教學的成熟教材，這就需要按照本科教學的要求和網格計算課程的目標對網格計算的知識體系進行篩選，在課時要求內選出網格計算技術的最為主要的內容。

在篩選出主要內容以后，運用基于問題的學習這一教學方式，對課堂內容進行組織，把教學內容組織為一個個粒度各異的問題，按照背景介紹→提煉問題→分析問題→解決方案→方案評價的方式介紹課程內容。如在第一課概述部分，首先從企業計算的發展需求、科學計算的發展需求、計算技術本身的進步等多個方面介紹背景，得出共同的需求——計算要在更為寬廣的范圍內進行，從而得出網格計算的定義，即網格計算要解決的問題——“在廣泛分布、動態、自治的網絡環境中構建虛擬組織”。而后續各個章節的內容就是這個最大粒度的問題的解決方案，在后續章節的講述中要注意呼應這個問題。最后一章——網格計算的研究方向則隱含了對這一問題解決方案的發展和評價，如在介紹Web服務資源框架，通過介紹以業界為主提出的Web服務存在的問題——無狀態支持，得出“如何為Web服務提供狀態支持”這一問題。然后介紹兩種解決方案——開放網格服務基礎架構和Web服務資源框架兩種解決方案。最后對兩種解決方案進行評估，指出Web服務資源框架方案的優勢所在。

在WSRF服務的編程技術相關章節的教學中，主要采用了示例法：搭建網格的運行環境和編程環境，通過編寫一個個具有代表性的WSRF實際程序，結合實例程序的代碼講解，并不斷與Java程序設計、設計模式等課程中的知識點相聯系，使學生掌握不同類型的WSRF服務的編寫方法和流程。

在最后一章——網格計算的研究方向介紹時，主要采用了基于問題的教學方式，把各個研究方向要解決的問題交代清楚，給出網格計算領域的主要學術期刊和國際會議名稱，供學有余力和有進一步研究興趣的學生參考。

網格計算課程的課堂授課內容，以及所采用的教學方式方法如表2所示。

2.2.2實踐環節設計

為鍛煉學生的動手能力和解決實際問題的能力，安排了一個8學時的實踐環節：

（1）實驗內容：搭建網格的運行環境和編程環境；設計并實現一個WSRF服務。

（2）實驗要求：①WSRF服務解決一個實際的問題；②完成問題確立、分析、設計、實現的全部過程，并在實驗報告中體現；③具有較好的程序演示效果。

（3）教學方式：指導性設計。

2.2.3考核環節設計

采取了與研究型教學相適應的考核環節，課程的總成績由兩個部分考核成績綜合給出：一是實踐環節的成績，鼓勵實驗解決實際問題；二是布置學生閱讀網格計算相關研究方向至少3篇研究論文，撰寫評述性讀后感，文章要求符合研究論文的格式，鼓勵提出自己的見解。

2.2.4與網格計算相關的后續環節培養

憑借一門課程的力量培養學生解決實際問題的能力和創新能力是有限的，能力的培養是一個持續努力的過程。一門課程的有限能量在教學活動中可以通過兩個途徑得到彌補：一個途徑是通過課程相關的課程群建設，尤其是后續課程的建設，繼續加強相關技術的理解和運用；另一個途徑就是通過課外環節和實踐環節，吸引有興趣的學生利用課外時間或畢業設計，開展對該技術的深入學習和研究。

在網格計算課程結課后，我們在如下3個后續環節加強了培養：畢業設計、創新學分和星火基金等。目前，我們已經在畢業設計環節設置網格計算技術相關的設計課題和研究性課題，進一步鼓勵學生在網格計算領域作出創新，吸引有興趣的學生參與網格計算方面的實際科研項目。

2.3網格計算方向科研與教學的互動

研究型教學模式對任課教師提出了更高的要求，要求任課教師不僅要熟練掌握課程已有知識體系，而且要掌握研究的方法，最好具備相關領域的研究經驗。

筆者從2000年至今一直從事Web服務與網格計算領域的科研工作，先后參與了863計劃、國家自然科學基金重大研究計劃、教育部中國教學科研網格ChinaGrid等項目的科研工作，并主持了北京市教委網格計算方向的一些研究性項目。在Web服務運行環境，基于服務的網格中間件、服務組合、網格工作流等方向取得了一定的研究成果，發表相關學術論文40余篇。這些經歷為網格計算課程研究型教學的實施打下了很好的基礎。

3.結語

筆者在網格計算課程中實施研究型教學，收到了較好的效果。網格計算課程研究型教學模式在培養學生的批判思維、創新意識方面確實比傳統單向灌輸式教學模式具有優越性，但是研究型教學模式的實施，需要具備較多的客觀和主觀條件，其實際效果要或多或少地受到這些條件的影響。

（1）任課教師主導地位的發揮最終取決于教師個人科研水平和教學水平：授課內容的選擇、基于問題的學習等教學方式的準備和教學內容的整理、課堂授課的實際效果等，決定了教師主導地位的高低。要實施好研究型教學模式，就要求任課教師加大科研和教學的投入，并形成科研和教學的良性互動。

（2）學生的投入熱情和主觀能動性的發揮直接決定研究型教學的實際效果。教師的主導地位是一方面，但是如果在教學環節中提煉的問題不能引導學生思考、實踐環節和考核環節流于形式、學生對未來的研究方向不感興趣，研究型教學模式就不會起到應有的效果。研究型教學模式的成功實施要求學生對技術和知識具有敏感性。

（3）研究型教學模式的成功實施還需要一個恰當的開設時機。網格計算課程開設需要先導性課程，如計算機網絡、分布式計算、面向對象編程等，這些先導性課程有的在本科階段沒有開設，就會影響課程效果。

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（編輯：郭田珍）