曹岳輝　劉衛(wèi)國

摘 要：《科學計算與MATLAB語言》是高等學校一門重要且實用的課程。為了更好地將教學內(nèi)容與專業(yè)相結(jié)合，學以致用，將計算思維能力的培養(yǎng)貫穿整個教學過程，采取分層次、項目驅(qū)動引導學生學習。同時改革考試方法，綜合考核學生的學習效果，達到提高學習積極性，提高教學效果的目的。

關鍵詞：計算思維；層次教學；項目驅(qū)動；教學改革

DOI：10.11907/rjdk.171573

中圖分類號：G433 文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）009-0219-03

Abstract：Scientific computing with MATLAB language is an important and practical courses in universities. In order that using their knowledge with professional， we will develop the ability of computational thinking throughout the entire teaching process. In the process， we take a hierarchical and project-driven to lead the students to study，and reform the examination method. It can be a comprehensive assessment of students learning effect， enhance the enthusiasm of students， and achieved good results.

Key Words：computational thinking； reform of teaching； hierarchical teaching； project-driven

0 引言

隨著現(xiàn)代科學技術的迅猛發(fā)展，社會對高素質(zhì)專業(yè)人才的需求也在不斷發(fā)生變化。MATLAB是數(shù)學、工程和科學理論課程的重要計算工具，也是科學研究、工程開發(fā)的重要計算工具，《科學計算與MATLAB語言》課程教學是提高大學生綜合應用能力的重要環(huán)節(jié)。不斷進行教學改革探索，將課程的基礎知識與專業(yè)學科緊密結(jié)合，特別是將計算思維能力培養(yǎng)作為課程教學的重要任務，激發(fā)學生的學習興趣，改革教學方法，提高學生的學習熱情和學習質(zhì)量，增強學生動手能力和理論聯(lián)系實際的能力培養(yǎng)，才能不斷適應科學技術發(fā)展的新趨勢，培養(yǎng)社會需要的人才。

1 計算思維概念

計算思維就是運用計算機科學理念去解答問題、設計系統(tǒng)和理解人類的行為，包括計算機科學的一系列思維活動[1]。計算思維理念于2006年3月由美國卡內(nèi)基·梅隆大學計算機科學系主任周以真（Jeannette M Wing）教授在美國計算機權威期刊《Communications of the ACM》上提出[2]。計算思維提出了面向問題求解的系列觀點和方法，這些觀點和方法可幫助人們更加深刻地理解計算的本質(zhì)和計算機求解問題的核心思想。

實質(zhì)上，計算機科學源自數(shù)學思維與工程思維，并且建筑在數(shù)學思維之上。計算機系統(tǒng)是一個機器設備與人類現(xiàn)實世界互動的系統(tǒng)。計算思維就是建立在人類的計算過程能力和限制之上，由人和機器共同執(zhí)行完成的一系列思維活動。有了計算思維，人類就敢于并能夠去處理那些原本無法由個人獨自完成的問題求解和系統(tǒng)設計。計算思維將人類與計算機相比“誰做得更好”、“好在哪里”等問題，轉(zhuǎn)化“為什么是可計算”的這一基本問題。

計算思維的提出對計算機教學工作提出了挑戰(zhàn)，如何理解計算思維，從計算思維獲取新穎和豐富的教學內(nèi)容；從計算機學科的本質(zhì)和特點出發(fā)組織教學，圍繞計算思維改進《科學計算與MATLAB語言》教學。

2 MATLAB教學改革思路

《科學計算與MATLAB語言》課程涉及理工類各專業(yè)學生，通過問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)：選修這門課程的同學有的希望了解在控制系統(tǒng)中的分析與應用；有的希望掌握在數(shù)學建摸中的應用；有的希望了解在力學及工程結(jié)構分析中的應用；有的希望了解在優(yōu)化設計中的應用。鑒于上述情況，對課程的教學內(nèi)容、教學方法、教學手段等進行了研究與改革。

2.1 分層次、按專業(yè)需求訓練計算思維

計算能力培養(yǎng)到計算思維訓練的轉(zhuǎn)變要循序漸進，要與學生的接受能力和教學定位結(jié)合，不可一蹴而就，也不可一刀切?！胺謱哟巍苯虒W思想源于孔子的“因材施教”。分層次教學就是在班級授課制下，根據(jù)教學總體目標，將教學過程分成不同的教學階段，再根據(jù)不同的教學對象，按相關影響因素分成若干不同的教學層次，針對不同的教學層次提出相應的教學目標和要求，采用不同的教學手段、訓練方法和評測方法，力求高效完成教學目標。原蘇聯(lián)教育學家贊可夫在《教學與發(fā)展》中提出“使包括后進生在內(nèi)的全體學生都得到一般發(fā)展”的原則?！胺謱哟巍苯虒W是尊重學生個性，促進包括后進生在內(nèi)的所有學生發(fā)展的有效措施。

在課程教學過程中，根據(jù)學生的專業(yè)需求、自身興趣以及方便討論原則，由學生自由組合，教師微調(diào)，每3～5人分成一個小組，根據(jù)每組的具體情況布置不同的學習內(nèi)容，將專業(yè)和所學內(nèi)容結(jié)合，完成相關教學目標。

例如，在講授MATLAB數(shù)值計算中的微分方程求解時，結(jié)合專業(yè)學習給出拋射體質(zhì)心飛射軌跡問題，要求學生利用MATLAB建立一階微分方程組進行數(shù)值求解，并繪出拋射體運動軌跡；在講解數(shù)據(jù)插值法時，給出化學實驗中溶解度問題，可在已測試數(shù)據(jù)下，采用數(shù)據(jù)插值法，求取未測試的某一溫度下該化學物質(zhì)的溶解度，并通過實驗驗證。

采用“分層次”教學法，教師事先針對各層次學生設計不同的教學目標與練習，避免了部分學生在課堂上完成作業(yè)后無所事事；教師備課事先估計各層次可能出現(xiàn)的問題，做好充分準備，施教更有的放矢、目的明確、針對性強，加大了課堂教學容量。endprint

2.2 以應用和項目驅(qū)動為基礎培養(yǎng)計算思維

計算思維培養(yǎng)是以計算能力培養(yǎng)為基礎的?！犊茖W計算與MATLAB語言》課程教學，不僅是教會學生編寫程序，更要教會學生評價程序、優(yōu)化程序。美國項目管理專家約翰賓認為：項目是要在一定時間里，在預算規(guī)定范圍內(nèi)達到預定質(zhì)量水平的一項任務。項目教學法實質(zhì)上就是通過實施一個完整的項目而進行的教學活動，目的是在課堂教學中把理論與實踐教學有機結(jié)合起來，充分挖掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，提高學生解決實際問題的綜合能力。

教師的主導作用和學生的主體作用是相互的。教師要根據(jù)學生的層次設計合理的項目、環(huán)環(huán)相扣的教學過程，推動學生發(fā)揮主體作用，主動完成項目。學生的主體作用被充分發(fā)揮時，就會發(fā)現(xiàn)更多問題，學生自己無法解決這些問題時，會求助于教師及同學。主導推動主體，主體促進主導，直至完成整個教學。

項目作為師生互動的中介，推動整個課堂教學進行。由于學生、教師的共同作用，項目也會發(fā)生一些不可預知的變化，發(fā)生更深層次的拓展。“項目驅(qū)動”教學過程是教師、學生、項目三者的積極互動，教學流程如圖1所示。

圖1中，首先由學生或教師選取一個項目，學生分組對項目進行討論，并寫出各自的計劃書；接著正式實施項目；然后演示項目結(jié)果，由學生闡述設計思想和構造機理；最后由教師對學生作品進行評價。通過以上步驟，可以充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，培養(yǎng)和提高其動手能力、分析能力和綜合能力。

優(yōu)化設計是用數(shù)學規(guī)劃理論和計算機自動探優(yōu)技術結(jié)合求解最優(yōu)化問題。以優(yōu)化設計為例，首先引導學生將工程問題轉(zhuǎn)化成數(shù)學模型；然后按照數(shù)學模型的特點選擇合適的優(yōu)化方法和計算程序，運用計算機求解，以獲得最優(yōu)設計方案；最后要求學生從可靠性和有效性兩方面分析優(yōu)化方法和計算程序的優(yōu)劣。有效性表現(xiàn)在解題成功率高、能適應多變量和各種函數(shù)形態(tài)的數(shù)學模型的優(yōu)化方法。

2.3 投資決策問題教學案例

某企業(yè)有n個項目可供投資選擇，至少要對其中一個項目投資。已知該企業(yè)擁有總資金A元，投資于第i個項目需花資金ai元，預計可收益bi元，試選擇最佳投資方案。

在實施項目教學法時，應重視項目選擇、項目過程實施、具體成果展示、教師評估總結(jié)、利用現(xiàn)代化教學與實驗手段等，這些都是搞好項目教學法的關鍵。

2.4 創(chuàng)新教學手段，改進實驗教學方法

以往的課堂教學都是采用多媒體投影方法，學生學習積極性得不到充分調(diào)動，缺乏動力。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、智能手機的普及與應用，基于微課的翻轉(zhuǎn)課堂教學模式應用于教學。針對48學時的教學時數(shù)，將教學中重點、難點、疑點內(nèi)容碎片化，設計成10周的學習內(nèi)容，并制作成小視頻，每個視頻控制在10分鐘左右，每周提供給學生3～6個視頻，視頻內(nèi)容涵蓋課前復習、新課導入、知識理解、練習鞏固、小結(jié)拓展，一周開展一個主題討論。學生主動參與各項討論，運用科學的方法對問題進行研究，在研究過程中獲得創(chuàng)新實踐能力及思維提高。學生通過獨立的分析、探索、實踐、質(zhì)疑、創(chuàng)造等方法來實現(xiàn)學習目標。

為鞏固課堂教學，在每個教學環(huán)節(jié)都設置實驗教學。根據(jù)學生情況，將實驗內(nèi)容分為基本部分、提高部分和創(chuàng)新部分。基礎部分是課堂講授內(nèi)容，所有學生必做；提高部分是綜合練習，一般要求至少完成一半；創(chuàng)新部分則要求有能力的學生與專業(yè)掛鉤，自己設計內(nèi)容完成。通過課堂抽查，課后提交實驗報告，掌握學生學習情況，調(diào)整教學進度及實驗內(nèi)容。

2.5 改革考核方式，全面考評學生

以往的考核方式是考試成績（70%）+平時成績（30%）。傳統(tǒng)的試卷考試方式使得學生動手能力缺失，學生的綜合能力培養(yǎng)不夠。對考核方式進行調(diào)整，增大實驗環(huán)節(jié)比重。項目實驗部分，要求學生編寫1～2個簡單的仿真程序，相當于一個簡單的課程設計。將考核方式改為：筆試（46%）+機試（14%）+項目實驗（10%）+平時成績（30%）。筆試依然采用以往的考試方式，難易程度、考試范圍不變；上機考試考核內(nèi)容由一線教師統(tǒng)一命題，組織多套試卷，學生分卷分批考核；項目實驗則在課程學習結(jié)束時結(jié)合專業(yè)布置若干綜合題，由學生選擇其中1～2題完成，要求提交作品和報告，報告內(nèi)容需闡述設計思想和構造機理；作品的詳細分析過程、解題步驟。

隨著教學質(zhì)量的提高，考核方式也不斷得到完善。不論采取什么樣的組織形式，都要將操作題或主觀題的比例加大，真正體現(xiàn)重視應用的教學思路。

3 結(jié)語

教學改革實施發(fā)展了學生智力，培養(yǎng)了學生的計算能力，訓練了學生的思維能力。綜合測評時要求學生至少完成一道定性分析方案設計題目，這種題目要在知識全面掌握的情況下才能很好地完成。分析方案既可以系統(tǒng)分析，也可以分別分析，是一種理論聯(lián)系實際應用的題目。這要求學生對本課程進行系統(tǒng)總結(jié)，全面復習，并與專業(yè)知識結(jié)合。學生邊設計方案，邊用實驗驗證，提高了理論聯(lián)系實際的能力及實事求是的科學態(tài)度。師生共同討論，氣氛活躍，創(chuàng)造了一種生動活潑的學習局面。學生在分析歸納能力、靈活運用知識解決實際問題能力等方面都得到很大提高。

參考文獻：

[1] JAN CUNY， LARRY SNYDER， JEANNETTE M. Demystifying CT for non-computer scientists[M]. Work in progress， 2010.

[2] JEANNETTE M. Computational thinking[J]. Communications of the ACM， 2006， 49（3）：33-35.

[3] JEANNETTE M. Computational thinking and thinking about computing philosophical transactions[J]. Series a， 2008（7）：245-248.

[4] 微課程同步在線學習[EB/OL]. http：//www.tbkt.cn/.

[5] 張一春. 微課建設研究與思考[J].中國教育，2013（10）：45-48.

（責任編輯：杜能鋼）endprint