利用科研思維開展理工類課程的教學(xué)方法

柯昌博，劉大勇，肖甫（南京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院/軟件學(xué)院，南京　210003）

利用科研思維開展理工類課程的教學(xué)方法

柯昌博，劉大勇，肖甫
（南京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院/軟件學(xué)院，南京210003）

0　引言

要達(dá)到創(chuàng)新教育的標(biāo)準(zhǔn)，高等教育有著主要的責(zé)任，從教學(xué)中積極引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識非常重要。因此本文討論了科研與創(chuàng)新思維在高等教育教學(xué)中的應(yīng)用，特別從理工類學(xué)科教學(xué)出發(fā)，并利用實(shí)例說明了創(chuàng)新教學(xué)的重要性。

1　科研思維的特征

科研思維就是創(chuàng)新思維，創(chuàng)新源于拉丁語，包含三導(dǎo)含義，即為“創(chuàng)造”、“更新”和“改變”。1912年，哈佛大學(xué)教授熊彼特Joseeph Alois Schumpeter首次提出創(chuàng)新概念。他認(rèn)為創(chuàng)新就是把生產(chǎn)要素和生產(chǎn)條件進(jìn)行組合引入生產(chǎn)的體系［5-7］。以“更新”為例，創(chuàng)新思維的過程包括三個(gè)階段：

首先，問題提出階段。對本領(lǐng)域已有工作進(jìn)行綜述，根據(jù)其存在的不足，找到存在此不足的原因。然后對其進(jìn)行抽象，提出相應(yīng)的科學(xué)問題；

其次，解決問題階段。根據(jù)存在問題的特征，選擇相應(yīng)的理論方法，提出解決問題的方案。解決問題的方法包括：理論證明，實(shí)證研究，實(shí)驗(yàn)分析，原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等。這要根據(jù)不同學(xué)科或研究方向的特征選取相應(yīng)的研究方法；

再次，對解決的問題的結(jié)果進(jìn)行分析階段。此階段主要討論解決方法的局限性、不足或者缺點(diǎn)。并將此作為下一步工作的重點(diǎn)。

因此，科研思維的特征［8-11］為：

①創(chuàng)新性。根據(jù)創(chuàng)新最初的定義可以分為三個(gè)層面，第一層面為原始創(chuàng)新，即所做的工作為首次提出，首次解決，首次分析；第二個(gè)層面為更新創(chuàng)新，即有同行在此領(lǐng)域做過類似工作，并得出了相應(yīng)的有意義結(jié)論。筆者根據(jù)已有工作進(jìn)行分析找到不足，并對不足部分進(jìn)行問題抽象和解決；第三個(gè)層面為改變創(chuàng)新，即雖然有同行做過同類工作，但他們的工作存在錯(cuò)誤或缺陷，根據(jù)相關(guān)的錯(cuò)誤或缺陷進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)證明或理論證明，從而改正此錯(cuò)誤或缺陷。

②批判性。同行科研工作者對已有工作進(jìn)行評價(jià)，并提出相應(yīng)的不足，對其不足的部分進(jìn)行問題抽象并解決，是創(chuàng)新性特征的另一個(gè)側(cè)面。

③延續(xù)性。任何一個(gè)科學(xué)問題都不是一次能解決完美的。因此，在解決任何一個(gè)科學(xué)問題時(shí)，都會產(chǎn)生相應(yīng)的其他問題，而這此問題又恰好是解決此問題的后續(xù)工作。例如，在計(jì)算機(jī)算法的研究過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)時(shí)間和空間的矛盾問題，往往也是研究的后續(xù)問題。線性表中依次討論順序表、單鏈表、雙向鏈表，就是一個(gè)問題的延續(xù)的結(jié)果。

2　理工類課程的特征

理工類課程通常是前科研工作者通過研究所得出的一般性結(jié)論。因此，理工類教材也是相應(yīng)科研工作者的科研成果，即所發(fā)表論文的有機(jī)結(jié)合。所以，理工類課程也最具有科研發(fā)展的規(guī)律學(xué)科。從提出問題到分析問題，再到解決問題，都體現(xiàn)了一個(gè)科研工作者的思維特征，也是科研工作的特征［12-15］。因此，理工類課程具有如下特征：

①具有創(chuàng)新思維的發(fā)展脈絡(luò)。理工類課程都是從提出問題，分析問題或者抽象問題，解決問題，再到分析結(jié)論，都有一個(gè)科研思維發(fā)展的完整過程。甚至章節(jié)之間的關(guān)系也是問題不斷更新，不斷完善的過程關(guān)系。如計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中的線性表，就是因?yàn)轫樞虮泶嬖诓荒軘U(kuò)充的不足，才產(chǎn)生鏈表，而單向鏈表僅僅只能從當(dāng)前結(jié)點(diǎn)找到其后繼結(jié)點(diǎn)，找前驅(qū)結(jié)點(diǎn)時(shí)，只能從第一個(gè)結(jié)點(diǎn)或頭結(jié)點(diǎn)開始查找，存在這樣的不足，所有出現(xiàn)雙向鏈表、循環(huán)鏈表，等。

②具有批判性，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維的特征。解決某個(gè)問題的方法都會討論此方法存在的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。后續(xù)解決會盡量發(fā)揚(yáng)優(yōu)點(diǎn)，而提出的方法往往彌補(bǔ)了前一種解決方法的不足。因此，可以培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維，讓他們大膽地想，大膽地批判，鼓勵(lì)提出自己的解決方案，從而獲取創(chuàng)新性思維。所以，此特征也是創(chuàng)新性思維的一個(gè)側(cè)面或者一個(gè)部分。

③解決問題的多樣性。通常不同章節(jié)只是討論了解決某一個(gè)問題的不同解決方法，每一種方法都有其內(nèi)在的優(yōu)勢和不足，相互形成了一個(gè)體系。如線性表中所有的方法都是解決數(shù)據(jù)的存儲問題。

3　科研思維與理工類課程的關(guān)系

科研思維的方法包括抽象和具體，而抽象通常在問題的分析和提出階段，如，理論證明、形式化方法等。而具體通常在問題的解決后的驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)或例證階段，如，模型驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)分析和實(shí)例研究等。而理工類課程的編排通過也是由抽象到具體，由提出問題到解決問題，再到分析問題的。因此，它們之間是相對應(yīng)的關(guān)系。

根據(jù)兩者之間的關(guān)系，利用科研思維教授理工類課程可以用一個(gè)二元組T=＜R，C＞表示，其中R表示研究思維Research，C表示采用實(shí)例講解相關(guān)的理論知識，Case Study。因此，我們在教授理工類課程時(shí)，可以有如下方法培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新素養(yǎng)，研究問題的一般規(guī)律，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性，并有利于學(xué)生更深層次的理解相應(yīng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題：

（1）以科研思維連串章節(jié)關(guān)系。在讓學(xué)生理解知識點(diǎn)的同時(shí)，讓他們了解科研工作者的研究思維，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。根據(jù)課程的發(fā)展脈絡(luò)，講清楚章節(jié)之間的關(guān)系，而這個(gè)關(guān)系恰好是科學(xué)研究的由淺入深，由表及里的創(chuàng)新思路，也是一個(gè)提出問題，分析問題，解決問題和評估解決方法的科研思維過程。從而提高學(xué)生對課程章節(jié)更深入層的理解，也培養(yǎng)了學(xué)生的科研興趣和素養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步理解問題甚至進(jìn)行創(chuàng)新的可能性。

（2）利用實(shí)例講解重點(diǎn)難點(diǎn)。對重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行實(shí)例化，讓學(xué)生在理解和消化知識的同時(shí)，學(xué)會科學(xué)研究的一般方法。由于科研研究中常用的方法有理論證明，實(shí)驗(yàn)分析和實(shí)例研究，而實(shí)例研究是一種將抽象問題實(shí)例化的過程，也是將復(fù)雜問題簡單化的過程，也是用個(gè)體實(shí)例說明一般理論合理性的一種方法。而對應(yīng)教學(xué)中，尤其對課程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，由于理論的證明或者理論過程的復(fù)雜性，導(dǎo)致學(xué)生難以理解和消化。這時(shí)，作為教師，如果對其進(jìn)行實(shí)例化，用我們?nèi)粘Ｉ钪械睦尤ソ忉屜鄳?yīng)的理論，這樣能夠幫助學(xué)生進(jìn)一步理解相應(yīng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。也可以學(xué)習(xí)到怎么去面對科學(xué)研究，怎么做研究，怎么將研究表達(dá)出來。

4　實(shí)例

以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中線性表的教授為例，重點(diǎn)討論利用實(shí)例來教授課程的優(yōu)點(diǎn)。首先，用電子商務(wù)購物的實(shí)例來教授單鏈表，實(shí)例的要點(diǎn)如下：

●Tom通過電子商務(wù)買了一個(gè)書包；

●電子商務(wù)的倉庫在北京；

●Tom的原地址：江蘇省南郵大；

●Tom的地址現(xiàn)修改為：江蘇省南京市南郵大；

●不提供退貨服務(wù)；

在此僅討論當(dāng)n-1＞i＞0時(shí)，插入結(jié)點(diǎn)的過程。因此，原過程如下：

圖1　單鏈表插入結(jié)點(diǎn)

假若將用戶的所購買的書包類比為單鏈表的數(shù)據(jù)域，地址類比為單鏈表的指針域，則原地址就為：江蘇省的下一站為南郵大，并且已知p指針為江蘇省，q指針為南京市，根據(jù)原地址可以將南郵大表示為：p-＞link。則原單鏈表可以表示為：

圖2　原地址對應(yīng)的鏈表

修改后的地址需要將南京市這個(gè)結(jié)點(diǎn)插入到江蘇省后，則可以表示為：

圖3　現(xiàn)地址對應(yīng)的鏈表

因此，根據(jù)圖3可知，江蘇省的下一站是南京市p-＞link=q，南京市的下一站是南郵大q-＞link=p-＞link；可以得到如下的插入過程：

圖4　單鏈表插入結(jié)點(diǎn)的實(shí)例

同理，可以將雙向鏈表用類似的實(shí)例進(jìn)行表示：

●Tom通過電子商務(wù)買了一個(gè)書包；

●電子商務(wù)的倉庫在北京；

●Tom的原地址：江蘇省南郵大；

●Tom的地址現(xiàn)修改為：江蘇省南京市南郵大；

●提供退貨服務(wù)。

可以將送貨過程為后繼鏈路，退貨過程為前驅(qū)鏈路。在此僅討論當(dāng)n-1＞i＞0時(shí)，插入結(jié)點(diǎn)的過程（原有的插入過程省略）。

與單鏈表類似，可得已知條件：p指針為江蘇省，q指針為南京市，根據(jù)原地址可以將南郵大表示為江蘇省的下上站：p-＞link。則插入過程如圖5所示：

由以上分析可知，利用學(xué)生日常生活中常用的例子來講解鏈表插入的過程，會更能讓學(xué)生理解并加深學(xué)生的學(xué)習(xí)印象，也會激發(fā)學(xué)習(xí)的科研興趣。我們將傳統(tǒng)的方法和基于科研思維的方法分別在兩個(gè)為35位學(xué)生的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重修班進(jìn)行實(shí)踐，并進(jìn)行對比，以理解、掌握和不理解為選項(xiàng)進(jìn)行問卷調(diào)查，如下表所示：

表1　不用實(shí)例和用實(shí)例講授的對比

由表1可知使用實(shí)例進(jìn)行講解和不用實(shí)例進(jìn)行講解相比，用實(shí)例進(jìn)行講解很大程度上提高了學(xué)生的理解率和掌握率，同時(shí)不理解率僅僅占總?cè)藬?shù)的5.7%，并加深了學(xué)生對知識點(diǎn)的理解。

圖5　雙鏈表插入結(jié)點(diǎn)的實(shí)例

［1］俞錚，周而捷，李惠子.新中國60年科學(xué)技術(shù)進(jìn)化論.新華網(wǎng)，2006/01/09.

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［12］劉仁坤.“學(xué)導(dǎo)結(jié)合”教學(xué)模式在理工類課程教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用.遠(yuǎn)程教育模式：理論與實(shí)踐，2009.

［13］劉仁坤.遠(yuǎn)程教育模式：理論與實(shí)踐.理工類學(xué)科的教學(xué)實(shí)施過程，2009.

［14］劉仁坤.理工類課程的教學(xué)實(shí)踐探索.遠(yuǎn)程教育模式：理論與實(shí)踐，2009.

［15］Raiskums，B.W.An analysis of the concept criticality in adult education［M］.Capella University，2008.

柯昌博（1984-），陜西安康人，博士，講師，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)方法、云計(jì)算中的隱私保護(hù)

劉大勇（1980-），男，黑龍江七臺河人，碩士，講師，研究方向?yàn)閷I(yè)課中的教學(xué)方法

肖甫（1980-），男，湖南邵陽人，博士，教授，研究方向?yàn)閭鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)

Higher Education；Science and Engineering Teaching；Scientific Thinking；Research Inertance

Method of Lecturing Science and Engineering Curriculums with Scientific Thinking

KE Chang-bo，LIU Da-yong，XIAO Fu
（School of Computer Science&Technology School of Software，Nanjing University of Posts and Telecom.，Nanjing 210003）

1007-1423（2015）27-0027-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.27.008

2015-07-21

2015-09-07

討論科研思維在高教理工類教學(xué)中的作用。首先，分析科研思維與理工類課程的特征；其次，討論科研思維與理工類課程之間的關(guān)系，并定義利用科研思維教授理工類課程的兩個(gè)維度；再次，以實(shí)例研究為例，說明實(shí)例教學(xué)在理工類課程教學(xué)中的重要性。

高等教育；理工類教學(xué)；科研思維；研究慣性

江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目（No.15KJD520001）、南京郵電大學(xué)引進(jìn)人才科研啟動(dòng)基金資助（No.NY214164）

Discusses the role of scientific research thinking in science and engineering specialty lecturing in colleges and universities.Firstly，analyzes the characteristics of scientific research thinking and science and engineering curriculums.Secondly，discusses the relationship of scientific research thinking and science and engineering curriculums，and defines two dimensions of lecturing science and engineering curriculums with scientific research thinking.In the end，as case study for example，illustrates the importance of case lecturing for science and engineering curriculums.