計(jì)算機(jī)專業(yè)研究型課程教學(xué)模式與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探索

陳 越 何欽銘

摘要:本文針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方法存在的問題,結(jié)合計(jì)算機(jī)專業(yè)課程建設(shè)經(jīng)驗(yàn),探索研究型課程教學(xué)的三種教學(xué)模式:啟發(fā)式教學(xué)、引導(dǎo)式教學(xué)、探索式教學(xué),并討論研究型課程教學(xué)的過程管理方法以及對(duì)高素質(zhì)人才培養(yǎng)的意義。

關(guān)鍵詞:研究型教學(xué);教學(xué)模式;創(chuàng)新性

中圖分類號(hào):G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

傳統(tǒng)教學(xué)模式以知識(shí)傳授為核心,重點(diǎn)關(guān)注教師講什么。隨著近代教學(xué)改革的不斷推進(jìn),人們漸漸把關(guān)注點(diǎn)從教師轉(zhuǎn)移到學(xué)生,關(guān)注學(xué)生應(yīng)該學(xué)什么及學(xué)生究竟能學(xué)到什么。如果教師只關(guān)注知識(shí)本身,其教學(xué)過程便不可避免地存在著灌輸?shù)暮圹E,學(xué)生也會(huì)因處于被動(dòng)接受的狀態(tài)而缺乏學(xué)習(xí)興趣,用完成任務(wù)的心態(tài)去應(yīng)付課程學(xué)習(xí)。

人類學(xué)習(xí)的原始動(dòng)力來自對(duì)未知的好奇。人們?yōu)榱苏业酱鸢付园l(fā)地進(jìn)行探索,在取得階段性成功后,成就感會(huì)激發(fā)人們進(jìn)一步深入研究的興趣。在這個(gè)過程中,對(duì)現(xiàn)狀的批判性思維是創(chuàng)新的重要因素。而研究型課程教學(xué)正是圍繞“探索”和“批判”這兩個(gè)關(guān)鍵因素培養(yǎng)學(xué)生的能力。

研究型課程教學(xué)關(guān)注的不僅僅是知識(shí)的傳授,更重要的是能力的培養(yǎng),是培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)、并綜合已有知識(shí)去創(chuàng)造新知識(shí)的能力。本文結(jié)合作者在計(jì)算機(jī)專業(yè)課程建設(shè)中的實(shí)踐,從教學(xué)模式、實(shí)施方法到過程管理等方面對(duì)研究型課程教學(xué)進(jìn)行探討。

筆者是“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”、“數(shù)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(xué)的三種教學(xué)模式:啟發(fā)式教學(xué)、引導(dǎo)式教學(xué)、探索式教學(xué),并討論研究型課程教學(xué)過程管理方法及對(duì)高素質(zhì)人才培養(yǎng)的意義。

1科學(xué)研究的一般方法

開展科學(xué)研究,一般有下列5個(gè)基本步驟:

(1) 發(fā)現(xiàn)問題——從生產(chǎn)、生活中發(fā)現(xiàn)具體問題,總結(jié)抽象出一類具有相同特征的問題,定義研究目標(biāo)。

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

(3) 發(fā)現(xiàn)不足——以批判的眼光分析現(xiàn)有的各種解決方法,發(fā)現(xiàn)其中的缺陷,針對(duì)其不足提出自己的創(chuàng)新見解。

(4) 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)——將自己的新思路加以設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn),大膽假設(shè),小心求證,從理論上證明其效果。

(5) 驗(yàn)證效果——通過設(shè)計(jì)合理的測試,用實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)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(xué)的主要目的,就是要在實(shí)施的過程中訓(xùn)練學(xué)生進(jìn)行上述科學(xué)研究的能力。

2研究型課程教學(xué)模式的設(shè)計(jì)與實(shí)施

研究型課程教學(xué)對(duì)應(yīng)不同層次的課程,應(yīng)有不同側(cè)重的內(nèi)容選擇與實(shí)施方法。根據(jù)研究型課程教學(xué)中教師的不同角色,可將教學(xué)模式分為啟發(fā)式教學(xué)、引導(dǎo)式教學(xué)和探索式教學(xué)等,并重點(diǎn)應(yīng)用于學(xué)生學(xué)習(xí)的不同階段。

2.1啟發(fā)式教學(xué)

對(duì)于面向低年級(jí)學(xué)生的基礎(chǔ)課程,由于學(xué)生對(duì)專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)和思維方法的理解還很有限,教師需要以知識(shí)點(diǎn)和基本方法的傳授為主,但是傳授的方式方法可以是啟發(fā)式的,選擇帶有探索性質(zhì)的話題,引導(dǎo)學(xué)生通過一種類似于研究的過程獲得對(duì)知識(shí)的理解。

以“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”中“堆”這個(gè)概念的介紹為例。

(1) 發(fā)現(xiàn)問題:教師可以先從操作系統(tǒng)對(duì)任務(wù)的處理這個(gè)實(shí)際案例出發(fā),引出對(duì)“優(yōu)先隊(duì)列”的需求。

(2) 尋求方案:帶領(lǐng)學(xué)生用已經(jīng)掌握的知識(shí)試圖解決優(yōu)先隊(duì)列問題,例如用簡單的數(shù)組、鏈表實(shí)現(xiàn)一個(gè)優(yōu)先隊(duì)列,再用有序的數(shù)組、鏈表去實(shí)現(xiàn)等。

(3) 發(fā)現(xiàn)不足:引導(dǎo)學(xué)生分析這些方法的復(fù)雜度,思考它們各自的優(yōu)缺點(diǎn),給學(xué)生充分的想像空間,去設(shè)計(jì)自己覺得更好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);在學(xué)生充分發(fā)表自己見解的基礎(chǔ)上,介紹書上“堆”的概念和實(shí)現(xiàn)方法,同時(shí),始終提醒學(xué)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(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證:給學(xué)生布置研究型課題,讓他們自己去做實(shí)驗(yàn),比較各種不同的實(shí)現(xiàn)優(yōu)先隊(duì)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(biāo)上占優(yōu)等。

教師并不需要在課堂上講得太多,學(xué)生也會(huì)對(duì)“堆”這個(gè)概念有充分深入的理解。

2.2引導(dǎo)式教學(xué)

高年級(jí)學(xué)生已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)知識(shí),在學(xué)習(xí)更高層次的專業(yè)課程時(shí),研究型教學(xué)的重點(diǎn)就不再是知識(shí)點(diǎn)本身的傳授,而是在課堂講解的基礎(chǔ)上,引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用科學(xué)研究方法理解和掌握一些知識(shí)模塊。

以“數(shù)值分析”中求解方程組的迭代法的介紹為例。

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

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

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

(4) 小心求證:教師帶領(lǐng)學(xué)生共同證明猜想,并且通過布置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)題目,讓學(xué)生自己動(dòng)手驗(yàn)證結(jié)論。

在整個(gè)研究過程中,教師只扮演一個(gè)引路人的角色,在關(guān)鍵點(diǎn)給學(xué)生肯定或者否定的回答,引導(dǎo)學(xué)生通過正確的道路自己發(fā)現(xiàn)知識(shí),而不是完全被動(dòng)地等待教師灌輸知識(shí)。這樣的學(xué)習(xí)過程能讓學(xué)生獲得成就感和繼續(xù)研究的信心,激發(fā)他們進(jìn)一步鉆研的興趣。

2.3探索式教學(xué)

為高年級(jí)學(xué)生開設(shè)的前沿性課程,特別是發(fā)展迅速、知識(shí)點(diǎn)更新很快的課程,更容易展開研究型教學(xué)。此時(shí)學(xué)生已經(jīng)具備了較好的專業(yè)基礎(chǔ),并具備了初步的專業(yè)資料查找和分析能力。在教學(xué)中,教師可以直接給出命題,讓學(xué)生通過查找資料和相互討論加以解決;也可以讓學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)和解決問題。

例如“軟件工程”課程,該知識(shí)領(lǐng)域發(fā)展只有三十多年,內(nèi)容還沒有完全固定,并且發(fā)展非常迅速,知識(shí)不斷翻新,所以,不能按照傳統(tǒng)的方式簡單地對(duì)書本上的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行介紹。要獲得較好的教學(xué)效果,可以借鑒以下科學(xué)研究的基本步驟和思路。

(1) 發(fā)現(xiàn)問題:教師可以從歷史上一些經(jīng)典的軟件失敗案例入手引發(fā)學(xué)生對(duì)于軟件開發(fā)問題的認(rèn)識(shí)和思考,從而闡明研究“軟件工程”理論的必要性,進(jìn)一步引申出軟件工程的基本概念,分析軟件開發(fā)的本質(zhì),從學(xué)科范疇上介紹軟件工程的知識(shí)體系。

(2) 質(zhì)疑權(quán)威并尋求方案:在介紹教科書中各種軟件工程理論、技術(shù)、工具的同時(shí),提出一個(gè)具體工程案例供學(xué)生實(shí)踐。隨時(shí)提醒學(xué)生根據(jù)自己對(duì)項(xiàng)目的理解及扮演的不同角色展開思考;引導(dǎo)學(xué)生對(duì)書本中的觀點(diǎn)提出質(zhì)疑,甚至鼓勵(lì)他們?nèi)プ龇疵娴膰L試——如果不按照書本上的教條去做,結(jié)果會(huì)怎樣?同時(shí)介紹軟件工程領(lǐng)域研究的前沿動(dòng)態(tài),使學(xué)生在理解基本概念的同時(shí)激發(fā)對(duì)軟件工程理論研究的興趣,并鼓勵(lì)他們自己去搜索最新研究結(jié)果,尋找更適合的問題解決方案。

(3) 實(shí)踐、驗(yàn)證與總結(jié):通過組織一個(gè)較大規(guī)模的工程項(xiàng)目的實(shí)施,讓學(xué)生在實(shí)踐和課堂學(xué)習(xí)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(guān)資料,為自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)尋找正反兩面的理論依據(jù),或抽象提取出方法和理論,最后總結(jié)成文。

探索式教學(xué)的重點(diǎn),在于培養(yǎng)學(xué)生批判性創(chuàng)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(shí)點(diǎn)覆蓋的范圍,緊跟研究發(fā)展的前沿,這樣學(xué)生才能得到探索真理的樂趣。

3研究型課程教學(xué)的過程管理

研究型課程教學(xué)要得到真正良好的效果,必須有一套有效的過程管理機(jī)制。沒有激勵(lì)機(jī)制,學(xué)生可能不會(huì)踴躍參與討論;沒有討論過程,只有學(xué)生最終研究報(bào)告,在互聯(lián)網(wǎng)如此發(fā)達(dá)的今天,可能達(dá)不到期望的效果。所以,管理的關(guān)鍵在于考查過程而不是結(jié)果。

例如,可將整個(gè)課程的知識(shí)點(diǎn)劃分為兩部分,即教師介紹部分和學(xué)生探索部分。根據(jù)班級(jí)容量將學(xué)生分為小組,再根據(jù)分組情況,設(shè)計(jì)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(xué)生當(dāng)堂討論,并且立刻給出結(jié)果,教師對(duì)各組結(jié)論進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和打分,這部分分?jǐn)?shù)在課程總評(píng)中占20%左右的比例,這樣才能激勵(lì)學(xué)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(gè)學(xué)期內(nèi),使每組都有一次上臺(tái)報(bào)告的機(jī)會(huì),這不僅能鍛煉學(xué)生的研究能力,也能鍛煉他們的表達(dá)能力,體驗(yàn)與同行進(jìn)行現(xiàn)場學(xué)術(shù)交流的氣氛。書面報(bào)告和現(xiàn)場演繹的表現(xiàn)都應(yīng)在課程總評(píng)中占很大的比例(如30%~40%),以達(dá)到激勵(lì)作用。

至于考試,則相對(duì)占的比例較小,也可以嘗試“講1、做2、考3”,即布置學(xué)生做的研究性作業(yè)超過教師課上講授的范圍,而考試的范圍又超出學(xué)生的作業(yè)范圍,這需要學(xué)生平時(shí)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(xué)是必要條件,所以研究型課程教學(xué)需要強(qiáng)大的師資力量做后盾。

4實(shí)踐效果

浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院對(duì)于研究型教學(xué)的探索還處于起步、摸索階段,筆者就自己主講的課程進(jìn)行了嘗試,取得了一定成效。

在“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程中,特別強(qiáng)調(diào)通過提問引導(dǎo)學(xué)生的理解,為此我們?cè)O(shè)計(jì)了120個(gè)課堂討論題目,要求學(xué)生當(dāng)堂解答;6道綜合性實(shí)驗(yàn)題目,要求學(xué)生撰寫完整的書面報(bào)告;另外課堂提問、回答也計(jì)入總評(píng)。

在“數(shù)值分析”課程中,設(shè)計(jì)了36個(gè)課堂討論題目,要求學(xué)生當(dāng)堂解答;18個(gè)研究性課題,要求學(xué)生分組進(jìn)行課后研究,并在課上進(jìn)行報(bào)告演講;8道綜合性實(shí)驗(yàn)題目,要求學(xué)生獨(dú)立編程完成;另外,課堂提問、回答也計(jì)入總評(píng)。

在“軟件工程”課程中,我們?cè)O(shè)計(jì)了以實(shí)際金融項(xiàng)目為背景的大型課程實(shí)踐項(xiàng)目,學(xué)生以3～5人組隊(duì)的形式,全班共同完成一個(gè)大規(guī)模的系統(tǒng)。學(xué)生在一學(xué)期內(nèi)完成兩份文檔、兩次課上報(bào)告演講、三個(gè)版本的系統(tǒng)驗(yàn)收,并就項(xiàng)目管理、過程模型改進(jìn)、設(shè)計(jì)模式等撰寫創(chuàng)新性論文。

“真切地感覺到了這門課對(duì)我的改變”、“我們學(xué)著去自主地解決一些開放性的問題,這對(duì)我們探索和表達(dá)能力的提高有十分大的幫助”、“關(guān)于研究性課題,難以想象一門數(shù)學(xué)課可以如此激發(fā)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(xué)生熱烈的反饋意見中、自發(fā)地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)撰寫的大量論文中以及任課教師獲得課程評(píng)估優(yōu)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(jié)

大力提倡研究型課程教學(xué),將研究型大學(xué)的科研力量轉(zhuǎn)化為教學(xué)力量,是現(xiàn)代化教育的需要,也是培養(yǎng)高素質(zhì)人才的需要。通過推進(jìn)研究型課程教學(xué),我們希望學(xué)生能從知識(shí)、能力、素質(zhì)三方面都得到提高。在知識(shí)方面,學(xué)生不僅學(xué)習(xí)到專業(yè)知識(shí),還學(xué)到科學(xué)研究的基本概念和方法;在能力方面,學(xué)生不僅提高了專業(yè)能力,還提高了查找資料、質(zhì)疑、發(fā)現(xiàn)缺陷、解決問題以及撰寫科研報(bào)告的能力;在素質(zhì)方面,學(xué)生通過訓(xùn)練,養(yǎng)成了科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度,具備了創(chuàng)新意識(shí)的萌芽。

參考文獻(xiàn):

[1] 教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì). 高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系與規(guī)范[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2008.