以科研項目為依托 培養(yǎng)創(chuàng)新型人才—以計算機通信與網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)為例

劉婷婷 王志明 李小平 劉化君

南京工程學(xué)院信息與通信工程學(xué)院 江蘇南京 211167

人們一直以來都很重視教育對下一代、對民族和對國家的重要影響。19世紀(jì)之后，教育經(jīng)歷了不斷變革，使得人類的文化得以保留和傳承。而如今，教育已不再是對以往文化的繼承，更多的是對文化的延伸和創(chuàng)新。這對教育者在教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力提出了新的要求。19世紀(jì)初，柏林大學(xué)在創(chuàng)立之初，洪堡就創(chuàng)造性地提出了教育和科研相融合的理念[1]。洪堡認為：大學(xué)教師必須堅持科學(xué)研究，只有投入科學(xué)研究中，才能找出教學(xué)的方向和切入點；只有堅持科學(xué)研究，教師才能時刻保持求知的狀態(tài)，提高教學(xué)水平；只有讓學(xué)生參與科學(xué)研究，才能促進他們進行有效的學(xué)習(xí)[2-5]。在洪堡提出這一觀點后，高等教育界就掀起了教學(xué)與科研相結(jié)合的討論熱潮，伯頓·克拉克、紐曼、博耶等著名高等教育專家都對教學(xué)和科研相結(jié)合闡述了各自獨特的觀點，有效推動了這一理念的繼續(xù)發(fā)展。

1 我國現(xiàn)有的科研教學(xué)相融合的方式

當(dāng)今社會，競爭越來越激烈，對創(chuàng)新型人才的需求也日益增加，對高校而言，人才培養(yǎng)的主要目的也轉(zhuǎn)變成培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的人才。為此，高校陸續(xù)開始探索科研和教學(xué)相融合的培養(yǎng)模式，通過改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，以教學(xué)促進科研，用科研帶動教學(xué)，讓學(xué)生參與科研中，用科研啟迪學(xué)生的思想，激發(fā)他們的創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。在實踐過程中，我國部分高校借鑒國外高校的模式，進行了初步探索，主要有以下幾種方式實現(xiàn)科研和教學(xué)的融合。

1.1 培養(yǎng)體系中增加科研訓(xùn)練模塊

2007年，教育部發(fā)布了《關(guān)于實施高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程的意見》，促進了大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃的實施，研究型大學(xué)普遍設(shè)立了大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目，設(shè)立專門經(jīng)費和展示平臺，讓學(xué)生參與到教師的科研項目中，使學(xué)生在早期就能夠接觸到科研，以傳、幫、帶的方式跟隨高年級學(xué)生初步接觸科研，這種方式在研究型大學(xué)比較常見。

1.2 教學(xué)方法上實現(xiàn)研究型教學(xué)

在教學(xué)方法上實現(xiàn)研究型教學(xué)并沒有一套穩(wěn)定的模式，本質(zhì)都是以學(xué)生為中心、以問題為導(dǎo)向、以求證為手段，進而獲取知識的一種方式。這種方式可以使用在課堂教學(xué)中，以“提出問題—討論問題—解決問題”為主要形式；還可以應(yīng)用在實驗教學(xué)中，教師從科研中提煉出實驗內(nèi)容，設(shè)置問題場景，通過特色實驗項目，實現(xiàn)對某一個知識點的探究性驗證，加深學(xué)生對某個知識點的理解和掌握。

1.3 高水平科研型教師走入課堂

高水平科研型教師一般都承擔(dān)過較多的高水平、高質(zhì)量科研項目，擁有大量優(yōu)秀的科研成果，且涉及學(xué)科較為廣泛，對知識融會貫通，且有獨特的見解。這類人才走入課堂，有助于發(fā)揮他們在教學(xué)中的創(chuàng)新作用。此外，科研型教師還可通過多種形式參與教學(xué)，除了課堂講授之外，還可采用課外指導(dǎo)、講座、討論會等多種形式，提高學(xué)生的參與度，讓學(xué)生近距離的接觸科研型教師。

1.4 教師的激勵機制中突出教學(xué)科研融合

學(xué)校的激勵機制對教師的工作具有較強的導(dǎo)向性。通過對教學(xué)和科研融合的相關(guān)工作加強激勵，可以有效地提高教師科研與教學(xué)融合的積極性，例如，可以采用崗位分類設(shè)置的方式，設(shè)置純教學(xué)崗位、純科研崗位以及教學(xué)科研并重的崗位；在職稱評審中，加大對科研教學(xué)融合的權(quán)重，要求參與職稱評審的教師指導(dǎo)過學(xué)生的科技創(chuàng)新活動并獲得獎項等；設(shè)置教學(xué)獎勵，通過增加經(jīng)費投入等方式對指導(dǎo)學(xué)生獲得各類獎項的指導(dǎo)教師進行獎勵。

2 計算機通信與網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)問題剖析

計算機通信與網(wǎng)絡(luò)是本科院校信息類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，在培養(yǎng)方案中占用重要的地位。在教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，這門課具有很強的邏輯性，主要圍繞著五層參考模型進行教學(xué)，從最低的物理層到最高的應(yīng)用層，層層遞進地講解了網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議與數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識等，內(nèi)容比較龐雜。授課過程主要采用課堂講授和實驗相結(jié)合的方式，較為抽象。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，容易對一些知識點認識不深，產(chǎn)生錯誤的理解[6,7]。目前這門課程教學(xué)中存在的問題，有以下幾個方面。

2.1 重理論 輕實踐

計算機通信與網(wǎng)絡(luò)課程具有較強的實踐性，理想的授課方式應(yīng)該是由教師帶領(lǐng)學(xué)生進行實際操作，同時配合講解。而大多數(shù)高校采用的教學(xué)形式是大部分教學(xué)時間在教室中完成，少部分時間讓學(xué)生做一些簡單的驗證性實驗。課程的考核也比較注重概念和計算，很少涉及實際操作方面的內(nèi)容。這種方式無法讓學(xué)生深刻理解計算機通信與網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)涵，更無法將所學(xué)用于實踐中。

2.2 實驗設(shè)施短缺

部分高校經(jīng)費有限，計算機通信與網(wǎng)絡(luò)課程所需的實驗設(shè)施不能滿足每一位學(xué)生的需要。有一些實驗項目甚至達到8～10人一組，例如“路由器的配置”和“DHCP服務(wù)器的配置”等實驗。學(xué)生在實驗過程中，因為同組的學(xué)生較多，產(chǎn)生了依賴心理，參與實驗的主動性大大降低。有的學(xué)生因為沒有進行實驗操作，有一些實驗步驟并不清楚，最終導(dǎo)致實驗不成功。

2.3 學(xué)生認知能力有差別

教師在計算機通信和網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對同一個知識點的掌握程度有很大差別。有的學(xué)生第一次講解就可以理解了，有的學(xué)生則需要舉一反三，從多個角度解讀，才能理解這個知識點。而所有的學(xué)生都接受同樣的教育，沒有差別對待。接受能力較強的學(xué)生在學(xué)習(xí)中會產(chǎn)生很多的疑問，他們很希望教師能解惑，但由于跟其他學(xué)生在同一個教室，從眾的心理使他們不愿意提出問題，逐漸也喪失了對問題追根問底的動力。

3 計算機通信與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中引入科研能力培養(yǎng)的措施

筆者在實際教學(xué)過程中嘗試使用多種培養(yǎng)措施，將科研與教學(xué)相融合，解決計算機通信與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中存在的問題。

3.1 問題導(dǎo)向型教學(xué)

學(xué)會質(zhì)疑、學(xué)會提問是科研人員具備的基本素質(zhì)，為了提高學(xué)生的科研能力，教師需要啟發(fā)學(xué)生去質(zhì)疑、去提問。例如在學(xué)習(xí)基帶調(diào)制部分的曼徹斯特編碼時，可以設(shè)置問題：為何曼徹斯特編碼在每個比特的中心處會產(chǎn)生跳變？這個跳變有什么作用？讓學(xué)生帶著問題聽課。接著，教師畫出一串連續(xù)的1，用不歸零制和曼徹斯特編碼兩種方式分別畫出編碼后的圖形，如圖1所示。從圖1中可以看出，當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)的1時，若接收方?jīng)]有準(zhǔn)確的時鐘，則無法識別出到底有多少個1，然而曼徹斯特編碼卻因為在每個比特周期中心位置存在一個跳變，使接收方容易識別出1的個數(shù)，由此讓學(xué)生自主總結(jié)出曼徹斯特編碼的優(yōu)點。問題導(dǎo)向型教學(xué)方式，可以激發(fā)學(xué)生的探索能力，但是對教師提出了更高的要求，需要教師在上課前充分準(zhǔn)備，不僅要準(zhǔn)備好問題，還需要對提出問題的時機精心設(shè)計。

圖1 用不歸零制和曼徹斯特編碼分別畫出連續(xù)的1

3.2 引入模擬仿真型實驗

模擬仿真是科研人員必須具備的基本素質(zhì)之一。此外，模擬仿真還可以有效彌補因資金有限帶來的實驗設(shè)施短缺問題。在講授計算機通信與網(wǎng)絡(luò)這門課程中，教師可以考慮在教學(xué)中結(jié)合模擬仿真，加深學(xué)生對某知識點的理解，也可以鍛煉學(xué)生模擬仿真等科研的基礎(chǔ)技能。

在實驗“路由器的配置”中，使用了華為的仿真平臺，讓學(xué)生配置出如圖2所示的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，設(shè)置每個網(wǎng)口的IP值。通過這個實驗，讓學(xué)生了解路由器的作用，熟悉路由器的配置方法、路由器靜態(tài)路由協(xié)議以及動態(tài)路由協(xié)議的工作過程。同時，也讓學(xué)生初步掌握模擬仿真的方法，鍛煉模擬仿真技能。

圖2 路由器的配置實驗拓撲圖

3.3 以科研項目為依托

教學(xué)和科研不是相互矛盾的，而是不可分割的整體。要培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的大學(xué)生，僅依靠講授書本的知識是遠遠不夠的，還要將教師的科研項目與教學(xué)相關(guān)內(nèi)容結(jié)合起來。

3.3.1 授課中結(jié)合科研項目

教師的授課內(nèi)容，從過去的傳授理論知識，轉(zhuǎn)變成既要傳授專業(yè)知識，又要引導(dǎo)科研實踐。例如在講授計算機通信與網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層中關(guān)于無線局域網(wǎng)知識時，可以結(jié)合國家自然科學(xué)基金項目“無線內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)中基于邊緣存儲技術(shù)的激勵機制與優(yōu)化方法的研究”的研究內(nèi)容，講解在無線局域網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸通道的概念、牽涉的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及設(shè)備參與數(shù)據(jù)傳輸需要消耗的網(wǎng)絡(luò)資源、網(wǎng)絡(luò)資源分屬的利益方及利益方存在的利益沖突。通過對整個數(shù)據(jù)傳輸過程的詳細剖析，一方面可以加深學(xué)生對數(shù)據(jù)通信的理解；另一方面又可以吸引接受能力較強的學(xué)生參與科學(xué)研究，提高學(xué)生的探索能力和創(chuàng)新能力。

3.3.2 科創(chuàng)結(jié)合科研項目

科技創(chuàng)新活動是學(xué)校加強本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的一項重要舉措。其主要針對低年級的學(xué)生，從剛?cè)胄ｉ_始，可以根據(jù)個人興趣，跟隨教師進行初步科研探索。教師也可以從低年級開始，長期培養(yǎng)學(xué)生的科研能力。例如筆者指導(dǎo)通信工程學(xué)院2014級學(xué)生做了一個二維雙向受控磁懸浮系統(tǒng)，制作這個系統(tǒng)，需要學(xué)生從最基礎(chǔ)的使用電壓表、電流表和示波器開始，了解每個元器件的性質(zhì)，掌握磁場和電場的轉(zhuǎn)換關(guān)系，進而手動完成繞圈、焊接等精細工作。在制作過程中，可以啟發(fā)學(xué)生去探索不同參數(shù)下系統(tǒng)的性能，讓學(xué)生深刻理解磁懸浮的關(guān)鍵技術(shù)。

3.3.3 畢業(yè)設(shè)計結(jié)合科研項目

畢業(yè)設(shè)計一般從前一年的11月左右開始，到第二年的6月完成，期間有7個月左右的時間，可以充分鍛煉學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。教師可以在科研項目的背景下，選取一小部分，由學(xué)生嘗試完成。例如在南京工程學(xué)院校級科研基金項目“基于隨機幾何理論的蜂窩網(wǎng)絡(luò)干擾建模與能效優(yōu)化研究”中，需要對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點進行隨機幾何布局，并獲得網(wǎng)絡(luò)覆蓋概率。這部分工作難度不高，可以由教師指導(dǎo)學(xué)生完成，當(dāng)學(xué)生有問題或者產(chǎn)生其他靈感時，及時與教師進行溝通和討論，在教師的引導(dǎo)下，完成科研工作。通過畢業(yè)設(shè)計完成短期高強度的訓(xùn)練，讓學(xué)生了解隨機幾何理論建模的方法，也讓學(xué)生初步體會到科研工作是如何進行的，激發(fā)了學(xué)生科研的熱情。

4 結(jié)語

科研與教學(xué)相融合是未來教學(xué)改革的主要方向。本文介紹了我國現(xiàn)有的科研與教學(xué)融合的方式，包括培養(yǎng)體系中增加科研訓(xùn)練模塊、教學(xué)方法上實現(xiàn)研究型教學(xué)、高水平科研型教師走入課堂以及教師的激勵機制中突出科研教學(xué)融合等方式；剖析了計算機通信與網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)中存在的問題，即存在重理論、輕實踐、實驗設(shè)施短缺，學(xué)生認知能力有差別等問題；提出了應(yīng)用于實際教學(xué)三種方式，重點探討了以科研項目為依托，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的方式。通過本文提出的教學(xué)方式，不僅為解決計算機通信與網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)中存在的問題提出了建議，也有意識地培養(yǎng)了學(xué)生的科研素質(zhì)，有助于提高學(xué)生的探索能力和培養(yǎng)創(chuàng)新意識。