立足特色專業建設的科學計算課程群改革探索

摘要：立足信息與計算科學專業的全國特色專業建設點平臺，對科學計算課程群進行深化改革，以建設精品課程為主線，采取優化整合課程群體系與內容，改革教學模式、方法與手段，構建教學資源庫，建設高水平教學團隊、特色教材、保障制度等措施，獲得專業課程的整體教學優勢和改革成果，提高了教學質量，提升了學生的專業水平和就業競爭力。

關鍵詞：科學計算；課程群；精品課程；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）21-0050-03

隨著信息技術和計算機技術的迅速發展，成都信息工程學院信息與計算科學專業為適應經濟社會發展對人才的需求，致力于科學計算方向的應用型人才培養。近年來該專業發展迅速，2010年被評為全國第六批特色專業建設點。

科學計算課程群是信息與計算科學專業的核心課程群，它包括微分方程數值解、數值分析、數據分析、大型稀疏矩陣數值方法和數學實驗等5門課程。該課程群對培養學生的應用能力、科學計算能力和創新實踐能力有著舉足輕重的作用。2008年立項組成課程群建設以來，教學團隊對5門課程進行重新規劃和整合構建，解決了單門課程課時不足、教學內容和教學資源交叉重復等問題。特別是2010年以來，以特色專業建設為契機，圍繞精品課程建設，深化科學計算課程群改革。在課程群優化整合，教學模式、方法、手段更新，教學資源庫建設，教材建設，教學團隊建設，制度建設等方面進行研究與探索，取得了一些改革成果，以此帶動其他課程群改革，促進了特色專業的良性發展。

一、科學計算課程群改革思路

科學計算課程群改革思路定位于立足特色專業建設，以人才培養質量為目標，以建設精品課程為主線，引導課程體系、教學方法改革；引領教學內容、教學手段更新；加強教學研究與科學研究，探索教學創新；倡導團隊合作，培育團隊協作精神。注重課程群改革內涵發展，融知識傳授、能力培養、素質教育為一體，將教學改革設計與課程教學實施有效結合起來，按計劃分階段逐步把5門課程建設成精品課程。通過深化科學計算課程群改革，切實提高教學質量。

二、科學計算課程群改革措施

著力于信息與計算科學專業的應用型人才培養和科學研究需求，采取“系統規劃，梯級建設，重點培育，綜合改革”策略，改革科學計算課程群教學，按大課程框架進行建設，以此獲得專業課程的整體優勢，打造學科優勢，推動特色專業建設。

1.優化整合課程群體系和內容，切實提高教學成效

遵循科學性、先進性原則，引進學科發展新的思想方法，在“數學基礎、數學建模、計算方法、算法設計、程序設計”的大課程框架下，打破傳統課程界限，整合課程群體系，按確定性問題、隨機問題、基礎應用三大模塊優化更新課程內容，以適應隨著計算機快速發展而產生的更高效的科學計算方法的學習和研究，凸顯科學計算課程間的關聯性、系統性、有效性和創新性，使改革后的課程群教學體系和內容更有利于知識結構的循序漸進，更有利于課程間教學內容的融會貫通，更有利于提高教學成效。

（1）確定性問題。專業課程微分方程數值解和數值分析研究確定性問題的數值方法，現有教材以理論研究為主，理論體系嚴謹。課程群改革后，教學內容側重數值方法的構造與典型問題的應用，并緊隨科學技術的發展而優化更新。微分方程數值解作為數值分析的后續課程整合建設，避免了單門課程建設時迭代法的重復和教學資源的重復，使課程間由原來的相互隔離轉變為互為貫通，由原來的相互重疊轉變為互為補充。[1]這兩門課程教學內容的整合處理和側重方法的教學改革，使課程內容更加豐富，知識面更加廣闊，教學資源配置更加合理，符合專業發展的時代特征，適應學科發展新趨勢，是課程群改革的關鍵所在，重點在于建立科學計算的思想方法，激發學生學習潛能，體現思維模式與創新意識的建立過程。

大型稀疏矩陣數值方法是結合學科發展，在新的培養方案中增設的專業課程，主要研究基于海量數據的計算方法、存儲方法和最優化算法。教學內容側重算法和程序的分析與設計，并通過計算機實現高效求解，與微分方程數值解、數值分析兩門課程相輔相成，體現科學計算基礎與計算機科學的交叉融合。

（2）隨機問題。專業課程數據分析研究隨機問題，涉及的內容多、知識面廣，針對相應實際問題有確定的數學模型。課程群改革將解決什么樣的問題、如何解決問題作為重點，教學內容側重基本原理的應用和結論的分析來組織和提煉。根據課程實用性強的特點，實驗教學課時比例增加到總課時的四分之一，讓學生更多地去實踐和體會數學方法的應用和解決問題的全過程，激發學生學習興趣，體現理論與實踐的有機結合。

（3）基礎應用。學科基礎課程數學實驗利用數學軟件，通過計算機編程求解數學問題。教學內容結合數學基本理論和大量簡單實際問題，引入數學建模思想，引導學生初步學習數學知識的應用，為微分方程數值解、數值分析、數據分析、大型稀疏矩陣數值方法等4門課程奠定基礎。根據加強實驗教學的指導思想，實驗教學課時比例調整到總課時的三分之二，綜合設計性實驗課時增加到總課時的四分之一。加大實驗教學課時比例，讓學生更好地掌握現代計算工具，實現與后續課程的良好銜接，體現數學知識與數學軟件和計算機技術的有效結合。

2.建設精品課程，提高整體教學水平和質量

遵循開放性、優質性原則，科學計算課程群改革以建設精品課程為主線，在“數學基礎、數學建模、計算方法、算法設計、程序設計”的大課程框架下，實行“系統規劃，梯級建設，重點培育，綜合改革”。率先打造課程條件、師資條件、教學效果等方面基礎較好，理論性較強的微分方程數值解，2010年該課程晉升為省精品課程；重點建設應用性較強的數據分析，2011年該課程晉升為校精品課程；其他3門課程借鑒已建成的精品課程模式，結合課程特點，分階段漸進式推進精品課程建設，2011年數值分析與數學實驗評為校優秀課程，大型稀疏矩陣數值方法立項為校優秀建設課程?？茖W計算課程群全面開展綜合改革，優化配置教學資源，強化專業課程的整體優勢發展，促進整體教學水平和教學質量提高。

（1）理工融合的教學模式改革。在特色專業建設的系統工程下，教學模式的改革對培養應用型人才起到關鍵作用?？茖W計算課程群教學以科學計算理論與方法為基礎，以計算機技術為手段，以數學軟件為工具，依托學校的工科背景，實施“以理為主，理工融合”的教學模式改革。充分發揮理科的邏輯思維優勢，工科的技術特點，注重引導和啟發學生思考；注重尋求解決問題的途徑；注重創新意識和創新思維的培養；注重把教學改革的最新成果引進課堂，把學科發展的前沿問題以及未來變化趨勢及時介紹給學生，[2]將知識、能力、素質教育融為一體，使教學更富有時代特征，推動課程群改革內涵發展。彌補了以往傳統教學重理論、輕應用，培養的學生社會適應性差，就業競爭力弱的不足。

（2）多元化的教學方法改革。結合課程性質，實施多元化的教學方法改革。微分方程數值解、數值分析、大型稀疏矩陣數值方法等3門課程理論性較強，以啟發教學為主，輔以研究型教學。通常采用探究式、問題-模型-科學計算的自主開放式教學方法，培養學生的邏輯思維能力、科學計算能力和數學素養。改變以往教師講，學生聽的被動學習局面，促進學生去思考、分析和探究，變被動學習為主動學習，鍛煉獨立思考能力，增強創新意識，形成良好學習氛圍，提高學生綜合素質。數據分析應用性較強，以問題驅動為導向，采取案例式，研討式為主的教學方法，教與學良好互動，充分發揮教師的主導作用和學生的主體作用，激發學生的學習積極性和主動性。數學實驗以學生動手操作為主，理論教學課時少，涉及的基礎知識廣而雜，采取精講與示范操作相結合的教學方法，要求教師除數學基礎扎實外，還要熟悉計算機軟件及其操作，能夠應對實驗過程中出現的各種問題。實驗中加強對學生動手能力、應用能力訓練，以教促學，教學相長。

（3）立體化的教學手段改革。根據科學計算課程群信息量大、計算復雜等特點，采取傳統教學手段與現代教學技術相結合的方法，恰當運用現代教學技術，進行立體化的教學手段改革，探索最適合的形式反映教學內容。課堂教學理論推導采用傳統板書書寫，以呈現邏輯思維過程，幫助學生更好地理解抽象內容；基本概念采用形式多樣的多媒體技術，以豐富多彩的形式展現教學內容，幫助學生生動形象地認識新概念；復雜繁瑣的計算通過計算機演示，展示動態的計算過程，幫助學生直觀地理解科學計算原理。課后利用課程網輔助教學，學生可以通過課程網教學平臺自主查閱相關教學資源，了解課程性質、內容、要求和教學動態；學習更多的擴展性知識；實現課程教學網上交流、討論、答疑等，拓寬學生學習途徑、學習時間和空間，使教與學更加方便、靈活。立體化的教學手段改革的實施，讓學生通過各種形式的學習，從多渠道、多方位、多側面、多領域獲取和吸收相關知識，綜合了解課程內容，達到基本知識的全面掌握，[3]學習能力的逐步提升，綜合素質的拓展培養，教學效果顯著。

（4）教學資源庫的建設與利用。依據科學計算課程群教學資源的相關性，構建教學資源庫，以利于各門課程能夠充分利用資源庫中的教學資源。首先建設微分方程數值解教學資源庫，按精品課程網上資源模塊設計，通過文本、圖形、圖像、動畫、視頻、軟件等多種現代化教學形式和手段，最大限度優化整合教學資源，組織提煉教學信息，展現立體化的電子教學內容，達到開放、交互、高效、共享的教學效果。其他4門課程沿用微分方程數值解教學資源庫構架，借鑒其精品資源，根據不同課程自身特點整合、擴充、拓展相關資源，構建教學資源庫。比如學習園地模塊，微分方程數值解教學資源庫已介紹了數學建模的相關知識、微分方程模型與實際問題的應用，其他4個資源庫的學習園地模塊只需增加符合課程內容的數學模型介紹及其應用，重心放在創建和提煉精品，提升資源質量上。[4]資源庫的交互構建，既避免了重復建設，又充分利用了相關資源，實現優質資源共享，為專業課程教學達建了整體精品平臺，為培養信息與科學計算類人才提供了強有力的教學保障，突出了特色專業建設的整體教學優勢。

（5）特色教材建設。特色教材建設是課程群改革的一項重要內容，也是實現應用型人才培養的基本保證?？紤]到信息與計算科學專業的實踐教學環節較理論教學薄弱，著力加強學生動手能力與創新實踐能力培養。從理論與實際聯系最為緊密的數學實驗課程入手，結合CDIO（構思、設計、實施、運行）國際工程教育教學理念，融入數學建模思想，編寫具有本專業特色且反映最新技術發展態勢的教材，充實和更新相對落后的數學實驗內容，以適應學科的發展。[5]教材突出三大特點，其一是實驗內容的選取結合專業培養方向，源于簡單工程背景和生活實際，內容闡述主要反映數學本質的重要思想，通過建立數學模型，實現計算工具解決實際問題的作用。其二是理論聯系實際，啟發思維，調動學生學習積極性，教給學生應用所學知識的方法，培養學生自主學習的能力。其三是借助計算機軟件，通過循序漸進的實驗演示，引導學生動手操作，逐步熟悉數學理論通過計算機完成的過程。特別是采用大量的圖形結果，利用幾何圖形的直觀生成過程，幫助學生進一步深入理解抽象的理論知識；有限近似代替無限的計算過程的逐步實現，幫助學生重新認識復雜繁瑣的計算公式的實際意義。通過教材的實驗操作，學生能夠掌握現代計算工具解決數學問題的基本方法，提高動手能力；通過解決實際問題的探索過程，逐步形成新的思想和方法，引領學生去感悟解決實際問題的思維途徑，提高創新實踐能力，提升學習能力。

（6）高水平的教學團隊建設。高水平的教學團隊建設是提高教學質量的關鍵?？茖W計算課程群教學團隊建設以提高人才培養質量為宗旨，緊緊圍繞特色專業建設，打造創新意識強、教學水平高、協作精神好的高水平教學團隊。主要突出兩方面的積極作用：一方面，由教授、教學名師領銜帶頭，引領課程群追求高品質教學，探索創新，建設精品課程，發揮示范作用。另一方面，兩個堅持，突出團隊協作精神培育。堅持教研科研與教學緊密結合，積極開展教學研究，申報教改項目，定期進行教學研討，促進教學技能、教學經驗交流，促使多學科知識相互融合，啟迪思維，產生創新性知識，[6]協作探索教學改革，追求教學創新；加強支撐本學科發展的科學研究，將最新的科研成果融入課堂，以科研促教學。堅持教學梯隊建設和傳幫帶，提高青年教師教學能力，鼓勵他們繼續深造，提升理論水平和科研能力；充分發揮他們熟練運用現代教學技術的特長，開發教學資源，建設課程網，使他們能夠逐步勝任本學科的科研與課程群的教學，為特色專業建設儲備可持續發展的后備人才。通過團隊協作，培育團隊精神，增強整體意識，優勢互補，拓展思維，協同發展，全面提高教學團隊整體素質和教學水平。

（7）強化制度管理。建立規范有效的管理制度，為課程群改革提供保障支持。科學計算課程群改革實施課程群和課程二級管理，課程群負責人由學術造詣深，教學水平高的教授擔任，負責課程群改革的總體規劃、統籌協調，科學管理，并領銜講授三門課程。課程負責人由教授、副教授擔任，負責在課程群體系模塊下規劃符合專業建設，且科學合理、切實可行的課程改革方案，協調管理課程模塊內的教學和改革，一般能勝任三門以上的課程教學。骨干教師和青年教師協助負責人設計規劃改革方案，承擔兩門以上的課程教學。建立有課程群改革評價、激勵機制，強化制度管理。一方面，定期檢查課程群改革組織實施情況，按照改革設計方案進行階段性評估，并及時反饋、溝通、充實和整改薄弱環節，注重實效。另一方面，配合學校政策，對取得教學成果和教學效果好的教師給予獎勵和表彰，弘揚敬業精神，共享改革成果。通過強化管理，有效監督，保證課程群改革良好運行，穩步推進，直至目標實現。

三、結束語

科學計算課程群改革取得了良好教學效果和教學成果。近幾年，獲得的標志性成果有省精品課程1門，校精品課程1門，校優秀課程2門，校優秀建設課程1門，校教學名師1名，校教學成果三等獎1項。學生專業水平明顯提升，麥克斯數據顯示，2012屆本專業畢業生就業競爭力位居全校第六，較以往有大幅提升。為進一步深化科學計算課程群改革，2013年“基于特色專業建設的科學計算課程群改革”立項為校教改項目。隨著項目的實施和推進，需要進一步明確目標，理清思路，更新觀念，建設配套教材，加強實踐教學，研究擴充教學模式，擴展培養學生能力的途徑，完善相關制度和評價、激勵機制，以確保課程群改革持續良好發展，培養的人才更具有競爭力，推動特色專業建設更上一個新臺階。

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（責任編輯：王意琴）