基于科學(xué)計(jì)算和實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的數(shù)值計(jì)算方法課程改革與實(shí)踐研究

王海軍+曹德欣+陳興同+胡建華+楊然

[摘 要]隨著計(jì)算科學(xué)的進(jìn)步和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，在許多學(xué)科的應(yīng)用中都滲透著計(jì)算科學(xué)的影子，新的、有效的數(shù)值方法不斷出現(xiàn)，形成了許多新型交叉學(xué)科。數(shù)值計(jì)算方法課程教學(xué)是高校理、工科相關(guān)專業(yè)教學(xué)工作中的重要組成部分，其重要性日趨增強(qiáng)。鑒于目前課程在課程體系、教材結(jié)構(gòu)、教學(xué)內(nèi)容、授課方式等方面存在的問題，通過對(duì)數(shù)值計(jì)算方法課程教學(xué)的實(shí)踐和探索，在學(xué)生的創(chuàng)造性、自我意識(shí)和實(shí)際能力的培養(yǎng)，在教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性，在師生共贏等方面取得了一些有實(shí)踐意義和推廣價(jià)值的成果，為后繼課程的進(jìn)一步優(yōu)化改革提供了良好的平臺(tái)。

[關(guān)鍵詞]研究生教育；公共基礎(chǔ)課程；改革與實(shí)踐

[中圖分類號(hào)] G643.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2016）08-0135-03

隨著計(jì)算科學(xué)的進(jìn)步和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，在許多學(xué)科的應(yīng)用中都滲透著計(jì)算科學(xué)的影子，新的、有效的數(shù)值方法不斷出現(xiàn)，形成了許多新型交叉學(xué)科。如：計(jì)算金融學(xué)、計(jì)算物理學(xué)、計(jì)算力學(xué)、計(jì)算化學(xué)等?？茖W(xué)計(jì)算已成為繼理論和試驗(yàn)方法之后的第三種科學(xué)研究手段，是人們進(jìn)行科學(xué)活動(dòng)必不可少的科學(xué)工具。所以在理工科專業(yè)學(xué)生中開展科學(xué)計(jì)算的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)既是時(shí)代的需求，也是提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的保障和要求。

數(shù)值計(jì)算方法課程是理工科研究生進(jìn)行專業(yè)學(xué)習(xí)、開展科學(xué)研究的重要基礎(chǔ)，是科學(xué)計(jì)算的核心和靈魂。其目的在于培養(yǎng)學(xué)生在科學(xué)計(jì)算和模型應(yīng)用方面的基本技能，使學(xué)生系統(tǒng)掌握數(shù)值計(jì)算的基本概念和基本方法，進(jìn)一步為掌握更復(fù)雜的現(xiàn)代科學(xué)計(jì)算方法打好基礎(chǔ)。它不僅為學(xué)生學(xué)習(xí)后繼課程和解決實(shí)際問題提供了必不可少的數(shù)值計(jì)算理論基礎(chǔ)與模型方法，而且也為培養(yǎng)學(xué)生在科學(xué)計(jì)算方面的思維能力、分析解決問題的實(shí)踐能力和今后的自學(xué)能力打下了必要的基礎(chǔ)。

一、現(xiàn)有課程教學(xué)體系存在的主要問題

《教育部關(guān)于改進(jìn)和加強(qiáng)研究生課程建設(shè)的意見》（教研[2014]5號(hào)文件）指出：“對(duì)研究生的培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)位要求必須完整貫徹，對(duì)研究生課程教學(xué)體系的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和整體優(yōu)化必須加強(qiáng)，構(gòu)建符合研究生培養(yǎng)需求的課程教學(xué)體系，堅(jiān)持把能力培養(yǎng)作為核心指標(biāo)，重點(diǎn)開展創(chuàng)新能力培養(yǎng)，注重知識(shí)基礎(chǔ)的拓寬，增加研究方法類、研討類和實(shí)踐類課程等?！苯陙韲?guó)內(nèi)各高校都十分重視規(guī)范和加強(qiáng)科學(xué)計(jì)算與實(shí)踐類課程的教學(xué)。通過對(duì)科學(xué)計(jì)算類課程改革的相關(guān)問題進(jìn)行深度調(diào)查，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的課程體系結(jié)構(gòu)、知識(shí)結(jié)構(gòu)已遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前的需求。如何進(jìn)一步加強(qiáng)課程體系內(nèi)容、方法和實(shí)踐創(chuàng)新環(huán)節(jié)的建設(shè)，需要根據(jù)現(xiàn)狀進(jìn)行深入的研究和探索。主要現(xiàn)狀如下：

（一）教師的教學(xué)要求和學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)之間存在不一致現(xiàn)象

由于教師和學(xué)生對(duì)課程所涉及專業(yè)知識(shí)的認(rèn)知和對(duì)課程體系設(shè)置等問題的理解不一致，導(dǎo)致學(xué)生與教師在對(duì)課程內(nèi)容體系設(shè)置的需求上出現(xiàn)差異，使教師和學(xué)生對(duì)課程的教學(xué)達(dá)標(biāo)要求和學(xué)習(xí)達(dá)標(biāo)要求之間的理解形成一定的偏差，教師的教學(xué)要求和學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)之間不能形成共鳴效應(yīng)，使教與學(xué)之間形成目標(biāo)鴻溝。

（二）課程教學(xué)內(nèi)容所要求的基礎(chǔ)和學(xué)生具有的知識(shí)基礎(chǔ)之間出現(xiàn)斷層現(xiàn)象

由于研究生學(xué)習(xí)階段的學(xué)生大都來自全國(guó)不同地區(qū)的各個(gè)高校，具有不完全相同的知識(shí)基礎(chǔ)和專業(yè)素養(yǎng)，致使同一個(gè)班學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)千差萬別。而依據(jù)學(xué)科要求和學(xué)校的相關(guān)需求設(shè)置的課程教學(xué)體系和內(nèi)容不可能完全適應(yīng)每一個(gè)同學(xué)，再加上目前“千人一面”的傳統(tǒng)教育模式，極易在課程教學(xué)內(nèi)容所要求的基礎(chǔ)和學(xué)生具有的知識(shí)基礎(chǔ)之間出現(xiàn)鴻溝，對(duì)學(xué)生的課程學(xué)習(xí)造成障礙。

（三）課程教學(xué)內(nèi)容和專業(yè)前沿知識(shí)之間存在一定的脫節(jié)現(xiàn)象

傳統(tǒng)教育模式的特點(diǎn)是：強(qiáng)調(diào)教學(xué)內(nèi)容正確性與教材體系的完整性，在教科書中盡量不涉及尚不完整、不成熟的理論和邏輯體系與存在爭(zhēng)議的知識(shí)。而前沿的學(xué)科問題，大都直接來自源于自然、社會(huì)的各個(gè)方面和人類的實(shí)際生活，是科學(xué)研究者對(duì)傳統(tǒng)的思想觀念和理論的突破和發(fā)展，其理論往往從不成熟到成熟需要幾代人甚至是十幾代人的努力，這個(gè)很長(zhǎng)的歷史過程在一定程度上勢(shì)必會(huì)造成傳統(tǒng)教育模式中的教學(xué)內(nèi)容和前沿知識(shí)之間的脫節(jié)，形成學(xué)生知識(shí)發(fā)展的斷層。

（四）課程教學(xué)體系和內(nèi)容的設(shè)置與實(shí)際應(yīng)用之間存在偏差的現(xiàn)象

知識(shí)來源于生產(chǎn)實(shí)踐，從實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)新問題→解決新問題→上升到理論階段，形成新的專門的知識(shí)體系，最后回歸于生產(chǎn)實(shí)際。知識(shí)從產(chǎn)生到最后形成成熟的知識(shí)體系需要很長(zhǎng)一段時(shí)間，而把這些新的知識(shí)反映到教材中又需要一定的時(shí)間。其次，根據(jù)理論知識(shí)自身發(fā)展的規(guī)律，新的知識(shí)不可能完全等同于生產(chǎn)實(shí)踐問題的原型，而是對(duì)原問題的高度概括和抽象，與實(shí)際問題之間存在著一定的差距。這樣，鑒于各種實(shí)際原因，目前的數(shù)值計(jì)算方法課程偏重于理論，缺乏理論知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用，致使所要求學(xué)習(xí)和掌握的專業(yè)知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中的要求出現(xiàn)偏差，造成課程教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用之間出現(xiàn)鴻溝的現(xiàn)象。

（五）教學(xué)方式簡(jiǎn)單機(jī)械，容易造成學(xué)生粗疏懶散的思維習(xí)慣

根據(jù)課程教學(xué)體系的要求，課堂教學(xué)過程的設(shè)計(jì)要遵循如下原則：重視課堂過程，講究傳授方法，知識(shí)與能力并重，正確處理情感與價(jià)值觀。但目前許多教師沒有重視教學(xué)方法、方式的轉(zhuǎn)變，主要表現(xiàn)在：沒有根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況制訂教學(xué)計(jì)劃，而是照搬原有教案和教參中的內(nèi)容；在課堂教學(xué)中不注重對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)，對(duì)課堂教學(xué)所處的地位和作用沒能去認(rèn)真思考，僅僅對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行羅列；教學(xué)過程中沒有注重知識(shí)的連貫和承接，使學(xué)生產(chǎn)生抵觸的學(xué)習(xí)情緒。

傳統(tǒng)教學(xué)模式一方面與當(dāng)前教育教學(xué)改革的潮流相脫節(jié)，另一方面沒有考慮到學(xué)生身心成長(zhǎng)的規(guī)律和特點(diǎn)，易使學(xué)生形成粗疏懶散的思維習(xí)慣，在一定程度上限制和阻礙了學(xué)生個(gè)性的發(fā)展、高素質(zhì)的形成。

綜上所述，教師應(yīng)在數(shù)值計(jì)算方法課程的教學(xué)過程中消除教與學(xué)目標(biāo)之間的不一致現(xiàn)象，填平教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生具有的知識(shí)基礎(chǔ)之間出現(xiàn)的斷層現(xiàn)象，縮短課程內(nèi)容和專業(yè)前沿知識(shí)、實(shí)際應(yīng)用之間存在脫節(jié)的現(xiàn)象。改變傳統(tǒng)的教育教學(xué)模式，鋪平學(xué)生知識(shí)應(yīng)用和發(fā)展的道路，這是課程主講教師面對(duì)的一個(gè)極富挑戰(zhàn)性的課題。對(duì)這些問題的有效解決，能夠極大提升課程的整體教學(xué)質(zhì)量。

二、數(shù)值計(jì)算方法課程教革的主要措施

（一）充分吸收國(guó)內(nèi)外最新研究成果，形成既有理論深度又有實(shí)踐適用性的課程體系

根據(jù)課程組多年來講授數(shù)值計(jì)算方法課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，依照理、工科類專業(yè)的特點(diǎn)，課程組充分吸收國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀教材的成果，增加科學(xué)計(jì)算中的一些新理論和新方法，形成了既有理論深度又有實(shí)踐適用性的課程體系。在理論闡述上力求簡(jiǎn)明扼要、深入淺出，用大量實(shí)例和算例來說明科學(xué)計(jì)算理論和方法的原理和應(yīng)用，努力突出科學(xué)計(jì)算思想的滲透和應(yīng)用，為工科研究生解決專業(yè)問題提供有力工具。

在課程的教與學(xué)中注重學(xué)科前沿知識(shí)與方法的引領(lǐng)和傳授。應(yīng)根據(jù)數(shù)值計(jì)算類學(xué)科發(fā)展的需求、人才市場(chǎng)對(duì)學(xué)生知識(shí)需求變化的形勢(shì)和課程的實(shí)際教學(xué)效果，及時(shí)對(duì)課程大綱和內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整和凝練，加強(qiáng)課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。在具體的教學(xué)活動(dòng)中，應(yīng)把一些經(jīng)典理論的構(gòu)建、關(guān)鍵問題的突破和前沿研究成果的進(jìn)展等內(nèi)容通過案例式教學(xué)展開研討，逐步強(qiáng)化學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐理念和能力。

（二）以“人”為本，更新理念，強(qiáng)化課堂教學(xué)藝術(shù)

根據(jù)學(xué)生個(gè)性化特征和需求，改變傳統(tǒng) “一言堂”的講授模式，采用“開放型”的教學(xué)模式，即教師通過對(duì)教材的認(rèn)真研究，將課程教學(xué)內(nèi)容分為三塊：教師課堂必須講授的內(nèi)容；學(xué)生通過研討學(xué)習(xí)掌握的內(nèi)容；學(xué)生通過自學(xué)、作業(yè)和答疑掌握的內(nèi)容。靈活的開展創(chuàng)造性學(xué)習(xí)，能激發(fā)與培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力。

（三）協(xié)調(diào)課程教與學(xué)的雙邊效應(yīng)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力

在課程的整體教學(xué)計(jì)劃和過程中，協(xié)調(diào)教與學(xué)的雙邊動(dòng)力是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高課程教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)高素質(zhì)人才的核心。按照動(dòng)力學(xué)理論的觀點(diǎn)，我們可以將課程的教與學(xué)看作是一個(gè)系統(tǒng)，其中由行為動(dòng)力、運(yùn)行動(dòng)力和外部推動(dòng)力相結(jié)合而形成了運(yùn)動(dòng)和發(fā)展的推動(dòng)力，具體如下圖：

學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性（行為動(dòng)力）是系統(tǒng)運(yùn)行的主要?jiǎng)恿?，在課程教學(xué)中應(yīng)積極提倡和推動(dòng)能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生積極參與、自主探索的學(xué)習(xí)方式，讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的真正主體。課程對(duì)學(xué)生的吸引力主要取決于課程教學(xué)內(nèi)容的整體設(shè)計(jì)，依據(jù)學(xué)生的知識(shí)水平和結(jié)構(gòu)、智力等實(shí)際情況進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，制訂合理的教學(xué)目標(biāo)，加強(qiáng)課程對(duì)學(xué)生的吸引力。在特定條件下系統(tǒng)運(yùn)行的外部推力（包括教師隊(duì)伍、課堂教學(xué)內(nèi)容和方法、教學(xué)管理等）會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生推動(dòng)的作用，通過協(xié)調(diào)課程教與學(xué)的雙邊效應(yīng)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。

（四）堅(jiān)持以創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)為核心

以研究生的培養(yǎng)目標(biāo)、社會(huì)需求和學(xué)位要求作為數(shù)值計(jì)算方法課程體系設(shè)計(jì)的根本依據(jù)，認(rèn)真貫徹課程的培養(yǎng)目標(biāo)和要求，結(jié)合社會(huì)需求對(duì)課程體系進(jìn)行系統(tǒng)化的優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加實(shí)際問題的研討和實(shí)踐，注重理論聯(lián)系實(shí)際的拓展，克服課程教學(xué)中“重理論輕應(yīng)用”的傾向。

三、課程教學(xué)體系改革的主要成效

（一）提升教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生綜合分析問題、解決問題的能力

通過教學(xué)改革，改善教學(xué)方式和手段，探索新的教學(xué)模式，提高課程的教學(xué)質(zhì)量。通過課程計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)軟件等資料的使用，使學(xué)生的學(xué)習(xí)渠道更加靈活，學(xué)習(xí)效率更高。這對(duì)于學(xué)生掌握科學(xué)計(jì)算知識(shí)，正確運(yùn)用方法和工具解決實(shí)際問題具有重要作用。

（二）提高任課教師的教學(xué)水平科研水平

通過課程的改革和實(shí)踐研究，不僅提高學(xué)生的科學(xué)計(jì)算和實(shí)踐創(chuàng)新能力，而且達(dá)到鍛煉和提高教師隊(duì)伍的目的，構(gòu)建師生共贏的創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系，使得課程主講教師對(duì)于學(xué)科前沿理論更加了解，對(duì)于課程的教學(xué)特點(diǎn)、教學(xué)方式有更加深刻的認(rèn)識(shí)和把握，有利于提高教學(xué)和科研水平。

（三）完善數(shù)值計(jì)算方法課程的軟、硬件設(shè)施

通過課程的改革和實(shí)踐研究，建立合理的課程教學(xué)體系。同時(shí)通過實(shí)例庫(kù)、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)和電子教案、課件等資源，促進(jìn)數(shù)值計(jì)算方法課程的軟件建設(shè)。通過計(jì)算機(jī)教學(xué)和科研網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，提高數(shù)值計(jì)算方法課程的硬件設(shè)施水平。

（四）提高數(shù)值計(jì)算方法課程的輻射力和影響力

通過對(duì)課程教學(xué)改革的實(shí)踐和探索，在完善數(shù)值計(jì)算方法課程體系的同時(shí)，進(jìn)一步提升了我校數(shù)值計(jì)算方法課程在兄弟院校的輻射力和影響力。

四、結(jié)束語

數(shù)值計(jì)算方法課程教學(xué)是高校理、工科相關(guān)專業(yè)教學(xué)工作中的重要組成部分，且其重要性日趨增強(qiáng)。鑒于目前課程在課程體系、教材結(jié)構(gòu)、教學(xué)內(nèi)容、授課方式等方面存在的問題，通過對(duì)數(shù)值計(jì)算方法課程教學(xué)的實(shí)踐和探索，在學(xué)生的創(chuàng)造性、自我意識(shí)和實(shí)際能力的培養(yǎng)，在教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性，在師生共贏等方面取得了一些有實(shí)踐意義和推廣價(jià)值的成果，為后繼課程的進(jìn)一步優(yōu)化、改革提供了良好的平臺(tái)。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[4] 謝治州.數(shù)值分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐與探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010（5）：133-136.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]