網(wǎng)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(fā)，以網(wǎng)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(wǎng)格計算課程中的教學實踐，并總結(jié)經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：研究型教學；教學模式；網(wǎng)格計算；本科教學

0.引言

研究型教學理念最初是為了創(chuàng)辦以學術(shù)研究和培養(yǎng)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(chuàng)造知識和傳播知識的雙重任務(wù)，研究型教學就是把大學的科研和教學聯(lián)系起來。由于本科教學的基礎(chǔ)性和重要性，研究型教學就作為一種人才培養(yǎng)模式和教學模式在本科教學中得以應(yīng)用。1998年著名的博伊報告——《重視本科教育：美國研究型大學發(fā)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(dǎo)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(xiàn)——創(chuàng)辦研究型大學，乃至形成崇尚研究、鼓勵創(chuàng)新的學術(shù)風氣；也有微觀層面的體現(xiàn)——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(yè)知識的同時，培養(yǎng)學生的創(chuàng)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(wǎng)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(jīng)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(tǒng)的教師為主導(dǎo)的單向知識灌輸轉(zhuǎn)變?yōu)榻處熞龑?dǎo)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題、評估問題，最終獲取知識、培養(yǎng)創(chuàng)新能力，乃至作出實際創(chuàng)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(yīng)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(fā)現(xiàn)的過程和規(guī)律，引導(dǎo)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(fā)展方向和熱門研究方向，引導(dǎo)學生接觸前沿研究問題，甚至作出實際創(chuàng)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(huán)節(jié)如教學方式、課堂內(nèi)容的準備和組織、實踐環(huán)節(jié)、考核方式以及教學方法、教學管理等方面進行全新規(guī)劃和組織。

1.1.1教學環(huán)節(jié)方面的特征

從教學方式、課堂內(nèi)容的準備和組織、實踐環(huán)節(jié)和考核環(huán)節(jié)等4個方面闡述研究型教學模式在教學環(huán)節(jié)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(dǎo)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(dǎo)性設(shè)計（Guided Design）：確立能夠覆蓋課程知識面的設(shè)計課題，引導(dǎo)學生給出設(shè)計方案，并完成課題的實現(xiàn)和測試，最后再完成對設(shè)計方案的評估，鍛煉學生運用課程的相關(guān)知識解決實際問題的能力。

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

（4）基于項目的學習（Project-basedLeaming）：介紹與課程緊密相關(guān)的科研項目的情況，最好是讓優(yōu)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(dǎo)學生收集、閱讀、整理論文資料，從中發(fā)現(xiàn)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(fā)表，直接為課程相關(guān)學科和研究方向的發(fā)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(nèi)容也是靈活設(shè)立，可以是某一個問題、設(shè)計方案、案例解決方案、科研項目相關(guān)的內(nèi)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(jù)課程不同內(nèi)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(huán)節(jié)采用指導(dǎo)性設(shè)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(nèi)容的組織和準備，需要根據(jù)內(nèi)容性質(zhì)的不同（如概念、原理、技術(shù)、規(guī)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(nèi)容進行組織和準備。

實踐環(huán)節(jié)是鍛煉學生應(yīng)用課程相關(guān)知識解決實際問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，任課教師需要精心設(shè)計實踐課題，制定要求和范圍，引導(dǎo)學生發(fā)揮主動性自主設(shè)計課題，完成方案設(shè)計、實現(xiàn)和評估的完整的實踐環(huán)節(jié)，實踐環(huán)節(jié)可以采用指導(dǎo)性設(shè)計或案例研究等教學方式。

傳統(tǒng)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(huán)節(jié)需要具有與研究型教學模式相適應(yīng)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(chuàng)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(yīng)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(huán)節(jié)上區(qū)別于傳統(tǒng)的單向灌輸式教學模式，而且在各個教學環(huán)節(jié)的實踐中采用的教學方法也有顯著區(qū)別。研究型教學模式以教師為主導(dǎo)、學生為主體，在教學中尤其注重引導(dǎo)學生主觀能動性的發(fā)揮。

研究型教學實踐中各個環(huán)節(jié)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(chuàng)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(fā)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(guī)律；在課程相關(guān)的學科具有實際的科研經(jīng)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(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥闹R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(guī)范管理的措施。

2.網(wǎng)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(shù)專業(yè)本科生開設(shè)的選修課網(wǎng)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(wǎng)格計算及網(wǎng)格計算課程

網(wǎng)格是一種新型的計算基礎(chǔ)設(shè)施和計算技術(shù)，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(xiàn)網(wǎng)格的具體實現(xiàn)形式——網(wǎng)格中間件Globus Toolkit（簡寫為GT）。網(wǎng)格計算是多種計算機技術(shù)融合的一門交叉學科，如計算機網(wǎng)絡(luò)、分布式計算、軟件體系結(jié)構(gòu)、軟件組件技術(shù)、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計、信息與網(wǎng)絡(luò)安全等；并采用了多種實現(xiàn)技術(shù)，如Java語言、XML、Web服務(wù)等。網(wǎng)格計算經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)具備自己的知識體系，目前處于快速發(fā)展中。

網(wǎng)格計算課程旨在為計算機科學與技術(shù)專業(yè)高年級本科生介紹網(wǎng)格計算這一前沿技術(shù)，具有內(nèi)容前沿、技術(shù)新穎、綜合性強、研究性強等特點，著力培養(yǎng)學生的批判性思維、鍛煉學生的創(chuàng)新能力和解決實際問題的能力、培養(yǎng)學生基本的科研素質(zhì)等。此外，還在本科學生的培養(yǎng)中發(fā)揮以下作用：

（1）構(gòu)建專業(yè)知識體系：一方面網(wǎng)格計算課程通過運用多門先導(dǎo)性課程知識，起到了夯實知識體系基礎(chǔ)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(yè)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(huán)節(jié)可以鍛煉學生軟件系統(tǒng)的分析、設(shè)計和開發(fā)能力，以及解決實際問題的能力。

2.2網(wǎng)格計算課程的教學實踐

2.2.1課堂教學內(nèi)容的選擇與組織

網(wǎng)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(wǎng)格計算課程的目標對網(wǎng)格計算的知識體系進行篩選，在課時要求內(nèi)選出網(wǎng)格計算技術(shù)的最為主要的內(nèi)容。

在篩選出主要內(nèi)容以后，運用基于問題的學習這一教學方式，對課堂內(nèi)容進行組織，把教學內(nèi)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(nèi)容。如在第一課概述部分，首先從企業(yè)計算的發(fā)展需求、科學計算的發(fā)展需求、計算技術(shù)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(nèi)進行，從而得出網(wǎng)格計算的定義，即網(wǎng)格計算要解決的問題——“在廣泛分布、動態(tài)、自治的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中構(gòu)建虛擬組織”。而后續(xù)各個章節(jié)的內(nèi)容就是這個最大粒度的問題的解決方案，在后續(xù)章節(jié)的講述中要注意呼應(yīng)這個問題。最后一章——網(wǎng)格計算的研究方向則隱含了對這一問題解決方案的發(fā)展和評價，如在介紹Web服務(wù)資源框架，通過介紹以業(yè)界為主提出的Web服務(wù)存在的問題——無狀態(tài)支持，得出“如何為Web服務(wù)提供狀態(tài)支持”這一問題。然后介紹兩種解決方案——開放網(wǎng)格服務(wù)基礎(chǔ)架構(gòu)和Web服務(wù)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(wù)資源框架方案的優(yōu)勢所在。

在WSRF服務(wù)的編程技術(shù)相關(guān)章節(jié)的教學中，主要采用了示例法：搭建網(wǎng)格的運行環(huán)境和編程環(huán)境，通過編寫一個個具有代表性的WSRF實際程序，結(jié)合實例程序的代碼講解，并不斷與Java程序設(shè)計、設(shè)計模式等課程中的知識點相聯(lián)系，使學生掌握不同類型的WSRF服務(wù)的編寫方法和流程。

在最后一章——網(wǎng)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(wǎng)格計算領(lǐng)域的主要學術(shù)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(wǎng)格計算課程的課堂授課內(nèi)容，以及所采用的教學方式方法如表2所示。

2.2.2實踐環(huán)節(jié)設(shè)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(huán)節(jié)：

（1）實驗內(nèi)容：搭建網(wǎng)格的運行環(huán)境和編程環(huán)境；設(shè)計并實現(xiàn)一個WSRF服務(wù)。

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

（3）教學方式：指導(dǎo)性設(shè)計。

2.2.3考核環(huán)節(jié)設(shè)計

采取了與研究型教學相適應(yīng)的考核環(huán)節(jié)，課程的總成績由兩個部分考核成績綜合給出：一是實踐環(huán)節(jié)的成績，鼓勵實驗解決實際問題；二是布置學生閱讀網(wǎng)格計算相關(guān)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(wǎng)格計算相關(guān)的后續(xù)環(huán)節(jié)培養(yǎng)

憑借一門課程的力量培養(yǎng)學生解決實際問題的能力和創(chuàng)新能力是有限的，能力的培養(yǎng)是一個持續(xù)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(guān)的課程群建設(shè)，尤其是后續(xù)課程的建設(shè)，繼續(xù)加強相關(guān)技術(shù)的理解和運用；另一個途徑就是通過課外環(huán)節(jié)和實踐環(huán)節(jié)，吸引有興趣的學生利用課外時間或畢業(yè)設(shè)計，開展對該技術(shù)的深入學習和研究。

在網(wǎng)格計算課程結(jié)課后，我們在如下3個后續(xù)環(huán)節(jié)加強了培養(yǎng)：畢業(yè)設(shè)計、創(chuàng)新學分和星火基金等。目前，我們已經(jīng)在畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)設(shè)置網(wǎng)格計算技術(shù)相關(guān)的設(shè)計課題和研究性課題，進一步鼓勵學生在網(wǎng)格計算領(lǐng)域作出創(chuàng)新，吸引有興趣的學生參與網(wǎng)格計算方面的實際科研項目。

2.3網(wǎng)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(guān)領(lǐng)域的研究經(jīng)驗。

筆者從2000年至今一直從事Web服務(wù)與網(wǎng)格計算領(lǐng)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(wǎng)格ChinaGrid等項目的科研工作，并主持了北京市教委網(wǎng)格計算方向的一些研究性項目。在Web服務(wù)運行環(huán)境，基于服務(wù)的網(wǎng)格中間件、服務(wù)組合、網(wǎng)格工作流等方向取得了一定的研究成果，發(fā)表相關(guān)學術(shù)論文40余篇。這些經(jīng)歷為網(wǎng)格計算課程研究型教學的實施打下了很好的基礎(chǔ)。

3.結(jié)語

筆者在網(wǎng)格計算課程中實施研究型教學，收到了較好的效果。網(wǎng)格計算課程研究型教學模式在培養(yǎng)學生的批判思維、創(chuàng)新意識方面確實比傳統(tǒng)單向灌輸式教學模式具有優(yōu)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(dǎo)地位的發(fā)揮最終取決于教師個人科研水平和教學水平：授課內(nèi)容的選擇、基于問題的學習等教學方式的準備和教學內(nèi)容的整理、課堂授課的實際效果等，決定了教師主導(dǎo)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(fā)揮直接決定研究型教學的實際效果。教師的主導(dǎo)地位是一方面，但是如果在教學環(huán)節(jié)中提煉的問題不能引導(dǎo)學生思考、實踐環(huán)節(jié)和考核環(huán)節(jié)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(yīng)有的效果。研究型教學模式的成功實施要求學生對技術(shù)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?shù)拈_設(shè)時機。網(wǎng)格計算課程開設(shè)需要先導(dǎo)性課程，如計算機網(wǎng)絡(luò)、分布式計算、面向?qū)ο缶幊痰?，這些先導(dǎo)性課程有的在本科階段沒有開設(shè)，就會影響課程效果。

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（編輯：郭田珍）