面向智能科学与技术专业的计算方法课程教学改革实践

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摘要：计算方法是高校计算机专业学生必修的计算机基础课程。针对大连海事大学智能科学与技术专业在计算方法课程教学中存在的问题，结合教学实际与学生学习和就业需求，提出计算方法教学改革方案和新的教学大纲，以激发学生学习兴趣，培养学生分析问题、解决问题及化算法为代码的能力，提升教学效果，提高教学效率。

关键词：智能科学与技术；计算方法；教学；改革

1 教学现状及存在问题

计算方法又称数值分析或科学计算，是计算机应用的重要领域，主要研究利用计算机解决数值计算的理论和最先进有效的算法。计算方法是高等学校计算机科学与技术、软件工程、智能科学与技术等专业学生必修的一门专业基础课。其先修课程是高等数学、线性代数和程序设计语言（一般是C语言）。课程内容包括算法与误差分析、插值问题、线性方程组的直接解法和迭代法、数值积分和常微分方程的解法。课程内容决定了计算方法的教学不仅介绍各种数值算法的数学原理，而且强调借助程序设计语言实现算法。计算方法课程意在培养学生用计算机解决各种数学问题的能力。

1.1 理论教学环节存在的问题

第一，学生缺乏学习热情。计算方法主要介绍各种数值算法的数学原理，不可避免地要进行理论探讨。实际教学中，学生们普遍对理论教学缺乏学习热情。加之理论探讨过多，与应用存在距离，缺少对学生工程能力的训练，学生普遍认为不会从事工程计算类工作，因此不知道这门课程能干什么，更增加了冷漠情绪。

第二，数学内容多。学生在学习高等数学、线性代数等课程中，由于对数学类课程难度有了认识，产生了一定逆反心理，认为与数学有关的都难、烦，不喜欢学数学、不喜欢学计算方法。

第三，计算方法课程依循传统教学法进行讲授。教师讲，学生听。这种教学模式很难激发学生学习探究的兴趣。现在理论授课多以PowerPoint演示授课，只有少量内容进行板书。学生几乎不记笔记，上课带个耳朵听，课后把课件拷贝走。这样的学习过程能记住乃至掌握多少课程内容，很难预料。

1.2 实验教学环节存在的问题

首先，理论与实践结合不紧密。由于学生几乎不复习，实验课上机时，部分学生几乎已经将理论课内容和上机练习内容忘记殆尽，只是随同学复制代码，运行程序，并没有真正去思考和动手解决问题，这根本无法达到实验课培养工程实践能力的目的，使实验上机成了走过场。

其次，我们选择以c++语言为工具进行程序设计。学生学过C，但没有学过C++语言，无法准确分辨C和C++语言的异同和优劣，更无法应用自如。学生普遍将C++语言当成C语言使用，这使学生产生疑惑，为什么要用C++，甚至有这样的疑问：C++和c有什么不一样？另一方面，因为不理解面向对象程序设计方法，当在c++程序中遇到面向对象的程序时，就会更加不解。C++语言没有给学生学习计算方法带来促进作用，反而在一定程度上扰乱了学生的思路。

如何在已有课时内，调整教学思路、更新教学大纲、改进教学方法，激发学生的学习、探究兴趣，促使学生掌握计算方法的基本思想，学会利用数值算法解决问题，能进行误差分析，能上机编程计算，提高学生工程应用能力，是我们必须正视并着力解决的问题。

2 教学改革措施

针对上述问题，采取以下改革措施完成课程教学，提高教学质量。

2.1 理论教学改革措施

要求学生树立正确观念，客观认识计算方法课程，做好迎难而上的心理准备。具体而言，引导学生认识以下几点：

（1）构造算法和对每个算法进行理论分析是计算方法课程的基本任务，要主动适应“公式多”“讲理论”的特点。

（2）理解每个算法建立的数学背景、数学原理和基本线索。

（3）从各种算法的理论分析中学习推理证明方法，提高推理证明能力。

（4）对于每一个算法，要将数学模型、算法公式、计算步骤及算法流程图作为一个整体来理解，这是计算方法课程的学习模式。

2.2 实验教学改革措施

（1）认真进行数值计算的训练，尤其是编程计算的训练，将流程图看作连接算法与程序的不可缺少的重要环节，养成按流程图或算法伪码编程的良好习惯。

（2）将程序设计语言更改为MATLAB。培养学生使用专业工具进行科学计算。

2.3 教学方法改革措施

加强教学法研究和教学经验的交流，重视教学改革，积极采用现代化教学手段，不断提高课堂教学效率和教学质量；提倡教师站在本课程全局的高度，用“系统论的方法”来研究本课程各知识点之间的内在逻辑联系。争取用简洁的语言、清晰的思路、最少的学时向学生传授最多的知识和技能；注重学生自学能力的培养，引导学生独立完成课外作业。

教师在开学前精心备课，组织试讲，交流讲课内容、风格，并进行改进提高。课堂上，以学生为中心，以问题为起点，以知识点为主线，以案例和启发式教学为主，贯穿教学模式于整个教学过程中。

3 教学大纲

3.1 理论教学

根据教学改革思路和教学改革措施，制订新的教学大纲。新的教学大纲体现了目前微型计算机应甩日益普遍，计算机语言向多极发展的特色，将重点放在算法的构造和原理上，每一算法又围绕数学模型、算法原理、计算步骤和算法流程图展开。通过该课程的学习，学生应该了解和掌握各种算法的数学模型、计算公式和计算步骤，能画出各种算法的流程图，‘并能根据各种算法的流程图编程上机求解相应的数学问题，掌握差商、差分的性质并能推导和证明，掌握插值和数值积分、微分各种算法的基本理论和误差分析及3种三角分解公式的简单推导。

新教学大纲中，课程内容是以知识点为基础的体系架构，包括概念、知识点、原理、方法、应用、案例。教学要求由深入到一般共分为3个层次：掌握、理解、了解。以插值方法理论教学要求为例，如表1所示。

每个教学环节都有符合教学要求难易适中的例题作为课后作业留给学生，促使学生复习，巩固记忆，加强课堂教学效果。

实验根据实验出勤、态度、程序设计、实验报告等评定实验成绩。要求学生以以下几个实验环节做足准备。

（1）实验预习。预先编写相应程序，能正确回答指导教师提出的相关问题。

（2）实验操作。实验操作方法正确，算法设计正确，能独立解决实验中出现的一般问题，而且实验结果正确。

（3）实验报告。内容全面，字迹清晰工整，数据记录、处理正确，对实验中出现的问题分析正确。

3.3 考核方式

课程考核采用开卷考试，成绩由理论考试成绩和实验成绩组成。

3.2 实验教学

实验教学着眼于提高学生工程实践能力，掌握解决问题的技能。为学生的就业竞争和未来职业发展储备能量。以插值方法实验教学要求为例，如表2所示。

（1）理论成绩，占总成绩的80%，主要考查学生数值算法基础、算法原理、数学模型、算法流程图及误差分析等的掌握程度。

（2）实验成绩，占总成绩的20%，主要考查学生编程能力，要求完成从数学模型、公式、计算步骤、算法流程图、编写代码、调试到撰写实验报告的整个过程。

4 结语

计算方法课程的教学改革是一项长期任务，需要长期的努力、研究、实践、反馈，要有针对性地调整和优化教学计划、课程设置和教学方法，提高教学质量和教学效果。笔者从讲授计算方法课程中遇到的一些实际问题发出，具体分析问题在教和学两方面的成因，有针对性地提出教学改革方案，并提出新的教学大纲。通过在教学思路、教学内容设置、教学方法几个方面进行革新，激发学生探究兴趣，培养学生分析解决问题的意识、方法和能力。