关于理科生计算能力培养的探讨

祖力++张廷桂

摘要：科学计算能力是利用现代计算工具与方法解决实际应用中相关计算问题的能力，是培养学生综合素质与能力的重要环节。本文以信息与计算科学专业为例，通过对教学内容、教学方法、课程体系等方面改革的尝试，提出本科生科学计算能力培养的有效途径和方法。

关键词：科学计算；教学改革；课程体系；运算能力

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

信息与计算科学专业一般是培养具有良好数学知识，掌握计算机软件和计算科学的基本理论和方法，具有基本的算法分析、设计能力和较强的编程能力，并运用数学和计算机技能（包括常用语言、工具及一些专用软件）解决实际问题的专门人才。这一培养目标体现了科学计算能力的重要性，它包含数学计算，计算机应用能力，相关领域知识应用能力等，是复合型创新型人才必备的基本能力。目前，对于教学过程中学生计算能力的培养，国外已经进行广泛研究并取得一些成果[1]。美国卡内基.梅隆大学在程序设计课程教学时调整教学模式，强调对学生计算能力和计算机素质的培养。教学过程分三个阶段进行：首先用较短时间进行程序语言基础知识的教学，再通过大量初级训练提高学生对于语言基本知识的掌握程度，在学生熟练掌握语言基本应用的情况下，最后用较长的实践课时引导学生进行课程设计，并通过完成一个或多个项目，锻炼学生使用程序设计语言解决实际应用问题的能力。国内也有很多高校尝试各种提高学生科学计算能力的方法，并取得了一定的成果。可以说，除了“理论”和“实验”之外，“计算”已成为与其并列的第三种科学方法。本文以信息与计算科学专业的改革为例，提出关于学生计算能力培养的一些建议。

一、教学内容、教学方法改革应注重学生计算能力培养

在全国招生的情况下，学生来自不同地区、不同院校，在科学计算方面的素质和能力差异较大，这也对学生培养造成较大难度。教师应注意教学环节的安排，做到科学合理。应将强计算能力的培养作为课程教学一个重要目标，这也是符合信息化时代对人才综合素质的要求，顺应课程的发展形势的重要举措[2-4]。课程的引入非常关键，如果教师忽略了这一环节，学生学习起来会缺乏目的性，不知道一节课老师究竟要讲什么，怎么讲，讲的内容可以用来解决什么问题等，这些问题都可以在课程引入过程中说清楚，并可通过数学史的知识抓住学生的兴奋点，让学生先对课堂内容感兴趣。在教师讲解内容时应注意语言的严密和简练，力争用最通俗易懂的语言准确描述抽象的数学定义和定理。只有学生理解最基本的理论，才能运用其解决问题，再通过练习题的跟进，最终达到提高学生的计算能力的目的。

随着网络技术的飞速发展，各类好的网络资源不断出现。近年来慕课（MOOC），“翻转课堂”以及微课程等概念的出现，使人们对教学方法和手段的使用有了新的认识。教师应合理利用这些资源，根据教学内容的特点，合理采用多种教学手段，充分调动学生的课上、课下学习的积极性，提高学生自主学习能力，鼓励学生提出问题并解决问题。“翻转课堂”（Fipped classroom 或 Invertedroom）是一种混合使用技术和亲自动手活动的教学环境。在翻转课堂中，典型的课堂讲解时间由实验和课内讨论等活动代替，而课堂讲解则以视频等其他媒介形式由学生在课外活动时间完成[5-6]。而慕课（MOOC）是信息技术与课程教学高度融合，是最具代表性的教育技术发展的产物。教师应该更好的发挥网络、数据库、图形图像技术、嵌入式软件和多媒体的优势，多引入实际例子和处理问题的方式方法，扩大学生的知识面。每节课应根据实际情况安排2-3道课堂练习让学生完成，教师通过观察学生完成情况了解学生解题中存在的问题，以便及时纠正，并通过练习增加学生的计算量，提高计算准确性。课后应布置适当的作业，作业可以小组讨论的方式完成，讨论有助于小组成员对作业中较难的问题进行深入的研究，从中发现错误，有利于学生深入理解问题

二、课程体系改革中深化计算能力培养

信息与计算科学专业课程体系改革是很多高校一直探讨的问题，力求在学生掌握数学基本理论的前提下，提高课程的实践性和应用性，侧重培养学生的科学计算能力、应用能力和创新能力等。各类课程可分模块开设，例如学科基础课程模块，专业核心课程模块，专业拓展课程模块和实践教学模块等。

良好的数学基础是培养科学计算能力的先决条件。应通过学科基础课程模块的开设为学生奠定坚实的基础，其中数学分析，高等代数和解析几何非常重要，通过这些课程中的证明和推理培养学生的逻辑思维能力和理论推导能力，并掌握数学中一些基本的理论和方法。

专业核心课程模块为必修课，一般可分为应用软件和数学软件两个方向，此模块设置的情况直接影响学生逻辑思维和计算能力的培养。其中离散数学，数据结构与算法是应用软件的基础课程，数值逼近，微分方程数值解为利用数学软件进行数值计算提供了基本理论方法。为了提高学生的计算能力，一些课程可开设较多学时的实验课，例如，数值代数72学时，理论课与实验课学时各占一半；微分方程数值解课开设18学时实验。这些课程主要利用Matlab或Mathematica等数学软件实现数值计算和分析，在教学过程中，教师应引导学生对Matlab或Mathematica的原代码进行系统研究，了解命令的内部计算过程和编程方法技巧等，从而实现高效、准确的求解计算结果。而数据结构与算法，可开设20学时的实验课，主要开设c语言。在上述这些课程的基础上开设的数学建模是一门将数学和计算机软件基本理论知识应用到解决各类实际问题的课程，并鼓励学生参加全国大学生数学建模竞赛。通过对课程中实验环节的加强，学生的计算能力由此得到了显著的提高，实现了遇到一些实际问题时能够深入地分析问题，编写算法，最终解决问题。

专业拓展课程模块设置选修课程，主要开设数学软件和应用软件的后续课程，其中Java语言是应用非常广泛的一门软件类语言，可开设理论与实验课比例为1：1。操作系统，计算机网络，网页设计等均开设一定学时的上机课程。

实践教学模块主要包括应用软件类的高级语言程序设计，数据结构课程实习，以及数学软件类的数值逼近课程实习和数据分析课程实习，均为2周。这些实习是在相应课程开设的学期末设置的，教师可以安排适当的课题，课题应具有一定的创新性，每人一题或每小组一题，安排好每名学生完成哪项内容，学生可以查阅书籍，搜索网络最终独立完成或合作完成这些课题。

参考文献：

[1]刘君瑞，姜学锋，杜承烈.基于强计算能力培养的软件技术实践教学模式研究[J].计算机教育，2013，2：32-34.

[2]青海.不可忽视大学生科学计算能力的培养[J].中国电子教育，2005，（4）：46-54.

[3]邹北骥，理工类计算机基础教育应面向工程计算能力培养[J].学科建设与教学研究，2009，16：109-111.

[4]苏东宁，赵 珅，宋方臻.MATLAB 教学应重视科学计算能力的培养[J].中国现代教育装备，2009，5：73-75.

[5]钟晓流，宋述强，焦丽珍.信息化环境中基于翻转课堂理念的教学设计研究[J].开放教育研究，2013，19（1）：58-63.

[6]李曼丽.MOOCs的特征及其教学设计原理探析[J].清华大学教育研究，2013，34（4）： 13-21.