祖力++張廷桂

摘要：科學(xué)計(jì)算能力是利用現(xiàn)代計(jì)算工具與方法解決實(shí)際應(yīng)用中相關(guān)計(jì)算問題的能力，是培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)與能力的重要環(huán)節(jié)。本文以信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)為例，通過對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、課程體系等方面改革的嘗試，提出本科生科學(xué)計(jì)算能力培養(yǎng)的有效途徑和方法。

關(guān)鍵詞：科學(xué)計(jì)算；教學(xué)改革；課程體系；運(yùn)算能力

Abstract：Scientific computing power is the ability to solve computational problems in the practical application by using of modern computational tools and methods，and is the important link to cultivate students' comprehensive quality.Based on the information and computing science，through the reform on the teaching contents，teaching methods and course system，etc，we put forward some effective ways and methods on improving the scientific computing power.

Key words：scientific computing，teaching reform，curriculum system，operation ability.

引言

信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)一般是培養(yǎng)具有良好數(shù)學(xué)知識，掌握計(jì)算機(jī)軟件和計(jì)算科學(xué)的基本理論和方法，具有基本的算法分析、設(shè)計(jì)能力和較強(qiáng)的編程能力，并運(yùn)用數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)技能（包括常用語言、工具及一些專用軟件）解決實(shí)際問題的專門人才。這一培養(yǎng)目標(biāo)體現(xiàn)了科學(xué)計(jì)算能力的重要性，它包含數(shù)學(xué)計(jì)算，計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，相關(guān)領(lǐng)域知識應(yīng)用能力等，是復(fù)合型創(chuàng)新型人才必備的基本能力。目前，對于教學(xué)過程中學(xué)生計(jì)算能力的培養(yǎng)，國外已經(jīng)進(jìn)行廣泛研究并取得一些成果[1]。美國卡內(nèi)基.梅隆大學(xué)在程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)時(shí)調(diào)整教學(xué)模式，強(qiáng)調(diào)對學(xué)生計(jì)算能力和計(jì)算機(jī)素質(zhì)的培養(yǎng)。教學(xué)過程分三個(gè)階段進(jìn)行：首先用較短時(shí)間進(jìn)行程序語言基礎(chǔ)知識的教學(xué)，再通過大量初級訓(xùn)練提高學(xué)生對于語言基本知識的掌握程度，在學(xué)生熟練掌握語言基本應(yīng)用的情況下，最后用較長的實(shí)踐課時(shí)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，并通過完成一個(gè)或多個(gè)項(xiàng)目，鍛煉學(xué)生使用程序設(shè)計(jì)語言解決實(shí)際應(yīng)用問題的能力。國內(nèi)也有很多高校嘗試各種提高學(xué)生科學(xué)計(jì)算能力的方法，并取得了一定的成果?？梢哉f，除了“理論”和“實(shí)驗(yàn)”之外，“計(jì)算”已成為與其并列的第三種科學(xué)方法。本文以信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)的改革為例，提出關(guān)于學(xué)生計(jì)算能力培養(yǎng)的一些建議。

一、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法改革應(yīng)注重學(xué)生計(jì)算能力培養(yǎng)

在全國招生的情況下，學(xué)生來自不同地區(qū)、不同院校，在科學(xué)計(jì)算方面的素質(zhì)和能力差異較大，這也對學(xué)生培養(yǎng)造成較大難度。教師應(yīng)注意教學(xué)環(huán)節(jié)的安排，做到科學(xué)合理。應(yīng)將強(qiáng)計(jì)算能力的培養(yǎng)作為課程教學(xué)一個(gè)重要目標(biāo)，這也是符合信息化時(shí)代對人才綜合素質(zhì)的要求，順應(yīng)課程的發(fā)展形勢的重要舉措[2-4]。課程的引入非常關(guān)鍵，如果教師忽略了這一環(huán)節(jié)，學(xué)生學(xué)習(xí)起來會缺乏目的性，不知道一節(jié)課老師究竟要講什么，怎么講，講的內(nèi)容可以用來解決什么問題等，這些問題都可以在課程引入過程中說清楚，并可通過數(shù)學(xué)史的知識抓住學(xué)生的興奮點(diǎn)，讓學(xué)生先對課堂內(nèi)容感興趣。在教師講解內(nèi)容時(shí)應(yīng)注意語言的嚴(yán)密和簡練，力爭用最通俗易懂的語言準(zhǔn)確描述抽象的數(shù)學(xué)定義和定理。只有學(xué)生理解最基本的理論，才能運(yùn)用其解決問題，再通過練習(xí)題的跟進(jìn)，最終達(dá)到提高學(xué)生的計(jì)算能力的目的。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，各類好的網(wǎng)絡(luò)資源不斷出現(xiàn)。近年來慕課（MOOC），“翻轉(zhuǎn)課堂”以及微課程等概念的出現(xiàn)，使人們對教學(xué)方法和手段的使用有了新的認(rèn)識。教師應(yīng)合理利用這些資源，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)，合理采用多種教學(xué)手段，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的課上、課下學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，鼓勵(lì)學(xué)生提出問題并解決問題。“翻轉(zhuǎn)課堂”（Fipped classroom 或 Invertedroom）是一種混合使用技術(shù)和親自動(dòng)手活動(dòng)的教學(xué)環(huán)境。在翻轉(zhuǎn)課堂中，典型的課堂講解時(shí)間由實(shí)驗(yàn)和課內(nèi)討論等活動(dòng)代替，而課堂講解則以視頻等其他媒介形式由學(xué)生在課外活動(dòng)時(shí)間完成[5-6]。而慕課（MOOC）是信息技術(shù)與課程教學(xué)高度融合，是最具代表性的教育技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。教師應(yīng)該更好的發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、圖形圖像技術(shù)、嵌入式軟件和多媒體的優(yōu)勢，多引入實(shí)際例子和處理問題的方式方法，擴(kuò)大學(xué)生的知識面。每節(jié)課應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況安排2-3道課堂練習(xí)讓學(xué)生完成，教師通過觀察學(xué)生完成情況了解學(xué)生解題中存在的問題，以便及時(shí)糾正，并通過練習(xí)增加學(xué)生的計(jì)算量，提高計(jì)算準(zhǔn)確性。課后應(yīng)布置適當(dāng)?shù)淖鳂I(yè)，作業(yè)可以小組討論的方式完成，討論有助于小組成員對作業(yè)中較難的問題進(jìn)行深入的研究，從中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，有利于學(xué)生深入理解問題

二、課程體系改革中深化計(jì)算能力培養(yǎng)

信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)課程體系改革是很多高校一直探討的問題，力求在學(xué)生掌握數(shù)學(xué)基本理論的前提下，提高課程的實(shí)踐性和應(yīng)用性，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)計(jì)算能力、應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力等。各類課程可分模塊開設(shè)，例如學(xué)科基礎(chǔ)課程模塊，專業(yè)核心課程模塊，專業(yè)拓展課程模塊和實(shí)踐教學(xué)模塊等。

良好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是培養(yǎng)科學(xué)計(jì)算能力的先決條件。應(yīng)通過學(xué)科基礎(chǔ)課程模塊的開設(shè)為學(xué)生奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，其中數(shù)學(xué)分析，高等代數(shù)和解析幾何非常重要，通過這些課程中的證明和推理培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力和理論推導(dǎo)能力，并掌握數(shù)學(xué)中一些基本的理論和方法。

專業(yè)核心課程模塊為必修課，一般可分為應(yīng)用軟件和數(shù)學(xué)軟件兩個(gè)方向，此模塊設(shè)置的情況直接影響學(xué)生邏輯思維和計(jì)算能力的培養(yǎng)。其中離散數(shù)學(xué)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法是應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)課程，數(shù)值逼近，微分方程數(shù)值解為利用數(shù)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算提供了基本理論方法。為了提高學(xué)生的計(jì)算能力，一些課程可開設(shè)較多學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課，例如，數(shù)值代數(shù)72學(xué)時(shí)，理論課與實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)各占一半；微分方程數(shù)值解課開設(shè)18學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)。這些課程主要利用Matlab或Mathematica等數(shù)學(xué)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算和分析，在教學(xué)過程中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生對Matlab或Mathematica的原代碼進(jìn)行系統(tǒng)研究，了解命令的內(nèi)部計(jì)算過程和編程方法技巧等，從而實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的求解計(jì)算結(jié)果。而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法，可開設(shè)20學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課，主要開設(shè)c語言。在上述這些課程的基礎(chǔ)上開設(shè)的數(shù)學(xué)建模是一門將數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)軟件基本理論知識應(yīng)用到解決各類實(shí)際問題的課程，并鼓勵(lì)學(xué)生參加全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽。通過對課程中實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的加強(qiáng)，學(xué)生的計(jì)算能力由此得到了顯著的提高，實(shí)現(xiàn)了遇到一些實(shí)際問題時(shí)能夠深入地分析問題，編寫算法，最終解決問題。

專業(yè)拓展課程模塊設(shè)置選修課程，主要開設(shè)數(shù)學(xué)軟件和應(yīng)用軟件的后續(xù)課程，其中Java語言是應(yīng)用非常廣泛的一門軟件類語言，可開設(shè)理論與實(shí)驗(yàn)課比例為1：1。操作系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)頁設(shè)計(jì)等均開設(shè)一定學(xué)時(shí)的上機(jī)課程。

實(shí)踐教學(xué)模塊主要包括應(yīng)用軟件類的高級語言程序設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程實(shí)習(xí)，以及數(shù)學(xué)軟件類的數(shù)值逼近課程實(shí)習(xí)和數(shù)據(jù)分析課程實(shí)習(xí)，均為2周。這些實(shí)習(xí)是在相應(yīng)課程開設(shè)的學(xué)期末設(shè)置的，教師可以安排適當(dāng)?shù)恼n題，課題應(yīng)具有一定的創(chuàng)新性，每人一題或每小組一題，安排好每名學(xué)生完成哪項(xiàng)內(nèi)容，學(xué)生可以查閱書籍，搜索網(wǎng)絡(luò)最終獨(dú)立完成或合作完成這些課題。

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