研究生《科學(xué)計(jì)算與工具軟件》課程開設(shè)與教學(xué)探索

尚雷敏 戴朝成 田麗霞

（東華理工大學(xué)，江西 南昌 330013）

0 引言

研究生階段強(qiáng)調(diào)素質(zhì)和能力的培養(yǎng)，研究生教學(xué)要面向現(xiàn)代化，面向世界，面向未來。這是判斷是否有利學(xué)生的總原則，它也為課程的教學(xué)和改革指明了正確的方向。因此，首先要把最新的科學(xué)計(jì)算技術(shù)引入課程教學(xué)；同時(shí)也得使課程能夠確實(shí)解決飛速發(fā)展的科研需要；計(jì)算與理論及實(shí)驗(yàn)一起已成為當(dāng)今世界科學(xué)活動(dòng)的主要方式。許多重大的科學(xué)技術(shù)問題無法求得理論解，也難以應(yīng)用實(shí)驗(yàn)手段，但卻可以進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算工具大大增強(qiáng)了人們從事科學(xué)研究的能力，加速了把科技轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的進(jìn)程，深刻地改變著人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界的方法和途徑[1]?？茖W(xué)計(jì)算主要包括建立數(shù)學(xué)模型、建立求解的計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)三個(gè)階段。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)包括編制程序、調(diào)試、運(yùn)算和分析結(jié)果等一系列步驟。隨著軟件技術(shù)的不斷發(fā)展,工具軟件為科學(xué)計(jì)算提供了合適的程序語言和其他軟件工具,使工作效率和可靠性大為提高。科學(xué)計(jì)算與工具軟件是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，過去該門課程教學(xué)內(nèi)容以教室指定軟件為主，較為單一且未能跟上最新軟件進(jìn)展；教學(xué)方法上和本科生類似，主要以教師課堂傳授式為主，而研究生的自主學(xué)習(xí)和調(diào)研能力得不到提高；考核方式評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是論文和課后作業(yè)，存在學(xué)生抄襲現(xiàn)象、考核評(píng)價(jià)難于區(qū)分學(xué)生的真實(shí)學(xué)習(xí)能力等問題。為了提高課程教學(xué)效果和培養(yǎng)研究生的科研素質(zhì)和能力，對(duì)該門課程在授課對(duì)象、授課形式、課程內(nèi)容及考核方式等方面進(jìn)行了新的探索，經(jīng)過近2年的實(shí)踐，取得了較好的效果。

1 高校科學(xué)計(jì)算工具國內(nèi)外概況

從20世紀(jì)70年代初期開始，逐漸出現(xiàn)了各種科學(xué)計(jì)算的軟件產(chǎn)品。它們基本分為兩類：一類是面向數(shù)學(xué)問題的數(shù)學(xué)軟件，如求解線性代數(shù)方程組、常微分方程等；另一類是面向應(yīng)用問題的工程應(yīng)用軟件，如結(jié)構(gòu)分析、信號(hào)處理，大規(guī)模集成電路輔助設(shè)計(jì)等。對(duì)于前者，復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算借助相關(guān)的計(jì)算軟件，可以大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和興趣。比如，美國的線性代數(shù)教育從1990年就開始了一次大的改革，先組成了線性代數(shù)課程研究組 (Linear Algebra Curriculum Study Group-LACSG)。同年8月，在美國國家科學(xué)基金會(huì)(NSF)資助下，他們和工程界的代表組織了一次大會(huì)，共同提出了幾條重要的建議，簡稱為LACSG Recommendations。1992年NSF又資助了一個(gè)ATLAST計(jì)劃，由于實(shí)施了這些措施，他們的線性代數(shù)教材普遍引入了計(jì)算技術(shù)，減少了抽象性，大大減輕學(xué)生計(jì)算的壓力，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和提高了學(xué)習(xí)效率。同時(shí)，從1990年起就在《數(shù)字信號(hào)處理》采用當(dāng)時(shí)新出現(xiàn)的科學(xué)計(jì)算語言。1994年出版了由信號(hào)處理界的權(quán)威奧本海姆(A.V.Oppenheim)等六人合寫的 “基于MATLAB的數(shù)字信號(hào)處理習(xí)題”，并作為教材在大學(xué)課程中使用，提高了學(xué)生從事科學(xué)研究的能力[2]。

而在國內(nèi)，像線性代數(shù)書這樣的基礎(chǔ)性學(xué)科書，教學(xué)內(nèi)容基本上與30年前一樣，學(xué)生完全靠手工計(jì)算，學(xué)生學(xué)了一大堆理論，實(shí)際運(yùn)算能力卻沒又提高。絕大部分學(xué)生不會(huì)計(jì)算語言和計(jì)算軟件，造成已經(jīng)學(xué)會(huì)的只是用不了，長久不用還得去查詢教科書；此外，學(xué)生無法把現(xiàn)實(shí)問題抽象化、數(shù)學(xué)化，遇到復(fù)雜的問題更是無從下手。雖然在國外文獻(xiàn)“Digital Signal Processing Using MATLAB”出版一年多后，國內(nèi)翻譯出版了此文獻(xiàn)，書名為“數(shù)字信號(hào)處理及其MATLAB實(shí)現(xiàn)”，但這是第一本用MATLAB的中文信號(hào)處理教材，以后有些教材也開始部分用MATLAB?，F(xiàn)階段大部分高校都開設(shè)了像MATLAB這樣的基礎(chǔ)課，但也僅僅浮于教材，學(xué)生計(jì)算機(jī)語言基礎(chǔ)薄弱、參與性不強(qiáng)并且積極性不高[2]。

2 授課對(duì)象

《科學(xué)計(jì)算與工具軟件》目前在我校只針對(duì)核科學(xué)與技術(shù)專業(yè)碩士研究生進(jìn)行教學(xué)。但是筆者認(rèn)為此課程的開設(shè)對(duì)大學(xué)理工科本科生、研究生及博士生都是十分必要的，也是不可或缺的。因?yàn)槲覀冮_設(shè)本門課程的宗旨是讓同學(xué)們借助科學(xué)計(jì)算工具軟件，動(dòng)手解決實(shí)際遇到的科研問題，從而培養(yǎng)研究生的科研素質(zhì)和能力，為將來開展的科研工作打下良好的基礎(chǔ)。

3 授課形式和課程內(nèi)容

本門課程為研究生學(xué)位課，在授課形式和程程內(nèi)容上有別于本科生的學(xué)位課。在充分考慮研究生具有良好的自學(xué)能力和理解能力的基礎(chǔ)上，我們決定將本門課程的課時(shí)設(shè)置為40個(gè)學(xué)時(shí)，主要以學(xué)生自主講授為主，教師為輔,授課形式如圖1所示。教師主要講授本門課程的目的、要求以及科學(xué)計(jì)算軟件在今后科研工作的重要性。每個(gè)學(xué)生自主選擇一款和自身研究方向相關(guān)的科學(xué)計(jì)算軟件，比如以數(shù)值計(jì)算和信號(hào)處理為主的MATLAB軟件，以計(jì)算機(jī)代數(shù)為主的Mathematica、Maple等，以O(shè)rigin、Sigmaplot等為主數(shù)據(jù)可視化畫圖軟件等等，自己安裝調(diào)試，并結(jié)合本專業(yè)的具體實(shí)際問題，進(jìn)行課堂講解和演示，并與老師和其他同學(xué)進(jìn)行課堂討論，從而加深對(duì)該工具軟件的了解，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，增強(qiáng)了研究生的實(shí)踐操作能力。這樣下來，通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅對(duì)當(dāng)前和本專業(yè)相關(guān)的科學(xué)計(jì)算工具軟件有個(gè)全面的了解，同時(shí)可以借助這些功能強(qiáng)大的科學(xué)軟件，為將來的科研工作提供極大的便利。

圖1 科學(xué)計(jì)算與工具軟件課程教學(xué)模式

4 考核評(píng)價(jià)方式

對(duì)教學(xué)過程進(jìn)行合理的監(jiān)督和評(píng)價(jià)是保證研究生教學(xué)質(zhì)量的重要措施。建立合理的課程考核評(píng)價(jià)機(jī)制非常重要。目前，國外從多方位評(píng)價(jià)學(xué)生的研究和實(shí)踐能力，常見的考核方式包括考試和作業(yè)?？荚噺膫魇谥R(shí)的角度講具有一定的優(yōu)勢，學(xué)生可以比較牢固地掌握基本概念、基本方法等，但是卻很難充分反映學(xué)生的能力[3]。

本課程所采用的考核方式是由軟件調(diào)研情況及課堂ppt、課堂討論、調(diào)研文稿組成。通過對(duì)軟件的課堂講解和演示，考察研究生系統(tǒng)調(diào)研科學(xué)計(jì)算工具軟件的能力；課堂討論表現(xiàn)考察研究生聽課學(xué)習(xí)及交流討論分析能力；調(diào)研文稿考察研究生對(duì)課程內(nèi)容了解程度以及查閱文獻(xiàn)跟蹤科學(xué)計(jì)算工具軟件前沿進(jìn)行綜述的能力。課程成績分配如下：成績=軟件講解及演示（60%）+課堂表現(xiàn)（20%）+調(diào)研文稿（20%）

5 結(jié)語

上述教學(xué)探索圍繞增強(qiáng)研究生調(diào)研前沿工具軟件能力、實(shí)踐操作能力，讓學(xué)生學(xué)有所用，有利于研究生在以后的科研道路上的探索。

通過幾年的教學(xué)實(shí)踐效果和學(xué)生的反饋信息來看，通過上述幾個(gè)方面的教學(xué)改革，確實(shí)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓寬了學(xué)生的視野，提高了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，基本達(dá)到了本門課程開設(shè)的目的。今后需要根據(jù)先進(jìn)教學(xué)方法，不斷修改教學(xué)內(nèi)容，以滿足培養(yǎng)綜合素質(zhì)高、實(shí)踐能力強(qiáng)的人才的需要。

[1]陳懷琛.2005年5月在南京精品課程研討會(huì)上的發(fā)言.大學(xué)理工科要把“科學(xué)計(jì)算能力”當(dāng)作一個(gè)重要培養(yǎng)目標(biāo)[R].

[2]陳懷琛.國內(nèi)外在大學(xué)科學(xué)計(jì)算工具上的差距：論科學(xué)計(jì)算與教學(xué)質(zhì)量的關(guān)系[J].中國電子教育,2008(1).

[3]劉廷章，鄭祺.專業(yè)學(xué)位研究生課程教學(xué)的團(tuán)隊(duì)探究方法研究[J].學(xué)位與研究生教育，2011(1).