關(guān)于理科生計算能力培養(yǎng)的探討

祖力++張廷桂

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

關(guān)鍵詞：科學計算；教學改革；課程體系；運算能力

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

信息與計算科學專業(yè)一般是培養(yǎng)具有良好數(shù)學知識，掌握計算機軟件和計算科學的基本理論和方法，具有基本的算法分析、設計能力和較強的編程能力，并運用數(shù)學和計算機技能（包括常用語言、工具及一些專用軟件）解決實際問題的專門人才。這一培養(yǎng)目標體現(xiàn)了科學計算能力的重要性，它包含數(shù)學計算，計算機應用能力，相關(guān)領(lǐng)域知識應用能力等，是復合型創(chuàng)新型人才必備的基本能力。目前，對于教學過程中學生計算能力的培養(yǎng)，國外已經(jīng)進行廣泛研究并取得一些成果[1]。美國卡內(nèi)基.梅隆大學在程序設計課程教學時調(diào)整教學模式，強調(diào)對學生計算能力和計算機素質(zhì)的培養(yǎng)。教學過程分三個階段進行：首先用較短時間進行程序語言基礎(chǔ)知識的教學，再通過大量初級訓練提高學生對于語言基本知識的掌握程度，在學生熟練掌握語言基本應用的情況下，最后用較長的實踐課時引導學生進行課程設計，并通過完成一個或多個項目，鍛煉學生使用程序設計語言解決實際應用問題的能力。國內(nèi)也有很多高校嘗試各種提高學生科學計算能力的方法，并取得了一定的成果。可以說，除了“理論”和“實驗”之外，“計算”已成為與其并列的第三種科學方法。本文以信息與計算科學專業(yè)的改革為例，提出關(guān)于學生計算能力培養(yǎng)的一些建議。

一、教學內(nèi)容、教學方法改革應注重學生計算能力培養(yǎng)

在全國招生的情況下，學生來自不同地區(qū)、不同院校，在科學計算方面的素質(zhì)和能力差異較大，這也對學生培養(yǎng)造成較大難度。教師應注意教學環(huán)節(jié)的安排，做到科學合理。應將強計算能力的培養(yǎng)作為課程教學一個重要目標，這也是符合信息化時代對人才綜合素質(zhì)的要求，順應課程的發(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)，學生學習起來會缺乏目的性，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)學史的知識抓住學生的興奮點，讓學生先對課堂內(nèi)容感興趣。在教師講解內(nèi)容時應注意語言的嚴密和簡練，力爭用最通俗易懂的語言準確描述抽象的數(shù)學定義和定理。只有學生理解最基本的理論，才能運用其解決問題，再通過練習題的跟進，最終達到提高學生的計算能力的目的。

隨著網(wǎng)絡技術(shù)的飛速發(fā)展，各類好的網(wǎng)絡資源不斷出現(xiàn)。近年來慕課（MOOC），“翻轉(zhuǎn)課堂”以及微課程等概念的出現(xiàn)，使人們對教學方法和手段的使用有了新的認識。教師應合理利用這些資源，根據(jù)教學內(nèi)容的特點，合理采用多種教學手段，充分調(diào)動學生的課上、課下學習的積極性，提高學生自主學習能力，鼓勵學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)和親自動手活動的教學環(huán)境。在翻轉(zhuǎn)課堂中，典型的課堂講解時間由實驗和課內(nèi)討論等活動代替，而課堂講解則以視頻等其他媒介形式由學生在課外活動時間完成[5-6]。而慕課（MOOC）是信息技術(shù)與課程教學高度融合，是最具代表性的教育技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。教師應該更好的發(fā)揮網(wǎng)絡、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，多引入實際例子和處理問題的方式方法，擴大學生的知識面。每節(jié)課應根據(jù)實際情況安排2-3道課堂練習讓學生完成，教師通過觀察學生完成情況了解學生解題中存在的問題，以便及時糾正，并通過練習增加學生的計算量，提高計算準確性。課后應布置適當?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)中較難的問題進行深入的研究，從中發(fā)現(xiàn)錯誤，有利于學生深入理解問題

二、課程體系改革中深化計算能力培養(yǎng)

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

良好的數(shù)學基礎(chǔ)是培養(yǎng)科學計算能力的先決條件。應通過學科基礎(chǔ)課程模塊的開設為學生奠定堅實的基礎(chǔ)，其中數(shù)學分析，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)學生的邏輯思維能力和理論推導能力，并掌握數(shù)學中一些基本的理論和方法。

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

專業(yè)拓展課程模塊設置選修課程，主要開設數(shù)學軟件和應用軟件的后續(xù)課程，其中Java語言是應用非常廣泛的一門軟件類語言，可開設理論與實驗課比例為1：1。操作系統(tǒng)，計算機網(wǎng)絡，網(wǎng)頁設計等均開設一定學時的上機課程。

實踐教學模塊主要包括應用軟件類的高級語言程序設計，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程實習，以及數(shù)學軟件類的數(shù)值逼近課程實習和數(shù)據(jù)分析課程實習，均為2周。這些實習是在相應課程開設的學期末設置的，教師可以安排適當?shù)恼n題，課題應具有一定的創(chuàng)新性，每人一題或每小組一題，安排好每名學生完成哪項內(nèi)容，學生可以查閱書籍，搜索網(wǎng)絡最終獨立完成或合作完成這些課題。

參考文獻：

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