系统科学方法论导论

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系统科学方法论导论范文第1篇

关键词:计算机导论;课程定位;教学内容改革

中图分类号:G642 文献标识码:B

1课程定位

“计算机导论”是学习计算机知识的入门课程,是计算机专业(包括计算机科学技术、软件工程、网络工程等专业)的核心课程之一,是计算机专业完整知识体系的绪论。通过本课程的学习,可以使学生对计算机的发展简史、计算机专业的基本知识及知识体系、计算机学科方法论及计算机专业人员应具备的能力素质和职业道德有一个基本的掌握,并了解计算机科学技术的最新进展和发展趋势。为大学四年的知识学习、能力提高、素质培养和日后的科学研究、技术开发、经营管理等工作奠定良好的知识和思维基础。

“计算机导论”教学由理论教学和实验教学组成,具有5个方面的作用:了解计算机的发展简史,激发学习兴趣和学习动力;掌握计算机的基本知识,构建专业知识体系框架;熟练掌握常用软件的操作技能并初步具备系统的组装与维护能力,提高计算机应用能力;跟踪计算机科学技术的最新进展及发展趋势,促进研究性学习;培养计算思维,强化创新意识和创新能力。

2传统教学内容的不足

近几年,大多数高校的计算机专业都开设了“计算机导论”课程,也出版了一批计算机导论教材。在内容选取和叙述上各有一定的特色,基本适应了不同学校的教学要求。但从计算机科学技术的快速发展和高素质计算机专业人才培养的需求来看,在教学内容的选取和叙述上也存在一些不足。

2.1计算机发展简史的介绍过于简单

介绍国内外计算机发展简史的目的是让学生了解计算机科学技术及软硬件产品的发展历程、生产厂商的经营策略和专家学者的重要贡献。作为计算机专业的学生,概括性地了解计算机科学技术及产品的历史发展是很有必要的,从成功的经验中启发思路,从失败的事件中汲取教训,从科学家工程师们献身科学技术的奋斗中获得力量,从而激发出学习计算机专业知识的兴趣和动力,如果这部分内容介绍过于简单,就难以达到预期目的。

2.2内容相对陈旧

“计算机导论”的教学,不但使学生了解计算机的历史发展,还应使学生跟踪到计算机科技术的最新进展和发展趋势,这对于提高教学质量和教学的有效性、提高学生的学习兴趣是非常必要的。否则,会使学生感觉教学内容落后于自己在实际生活中接触到的概念和产品,影响其学习积极性。把计算机科学技术和产品的最新进展及时融入到教学中,可以通过两个主要步骤来实现。一是教材的编写要尽可能吸收最新的内容,二是教师备课时把由于教材出版时间等因素一时不能及时写入的最新发展补充进来。

2.3不容易理解

对于计算机知识的介绍(如计算机基本组成、操作系统、计算机网络、数据库、软件工程、程序设计、数据结构、计算机安全等),有些内容介绍的太多太细太深入,而有些内容又介绍的太少太简单,各部分内容在层次和深度的把握上不平衡、在前后呼应上不协调。有的内容介绍成了相关课程的简单压缩版本,叙述方式上没有考虑大学新生的知识背景和理解能力,学生难以真正理解,不符合“计算机导论”的教学需要。这些容易使学生产生畏难情绪,影响其后续课程的学习。

3理论教学内容改革

作为计算机专业的入门性和绪论性课程,“计算机导论”的理论教学内容选取与叙述应体现6个字的特点:广、浅、新、易、趣、思。即知识面广、层次浅显、内容新颖、通俗易懂、激发兴趣和引导思考。

3.1知识面广

作为计算机专业的引导性课程,“计算机导论”要包括计算机专业知识体系和计算思维的各个主要方面。学生学完该课程,应初步具备计算机专业学生的知识素养和思维素养,对电视、互联网、报纸等日常媒体中常见的专业术语与产品有一定程度的理解或了解;初步建立起计算机专业知识体系的框架,在日后的学习逐渐丰富和完善这个框架,最后形成内容丰富翔实的完整知识体系。

基于对传统教学内容的分析,在借鉴有关文献中关于“计算机导论”内容选取的基础上,我们确定“计算机导论”教学内容包括9个部分:计算机发展简史、计算机专业知识体系、计算机组成知识、操作系统与网络知识、程序设计知识、软件开发知识、计算机系统安全知识与职业道德、计算机领域的典型问题和计算机学科方法论。这是一种全面系统的内容选取模式,每部分内容都有其独特的作用,能够较好地适应“计算机导论”的课程定位。

读史使人明智。学习计算机发展简史,可以从中吸取成功的经验和创业的启示。

计算机专业知识体系的介绍,使学生进入大学后尽快了解计算机专业学生应具备的知识结构和能力与素质要求,初步了解将要学习的主要专业课程的基本内容,重视操作技能、实践能力和创新能力的提高。

计算机组成、操作系统、计算机网络、程序设计、数据结构、编译原理、数据库、软件工程、计算机系统安全等是计算机专业的核心内容,通过对这些知识的概括性介绍,可以使学生初步建立起计算机专业知识体系的框架。

职业道德与有关计算机安全法律法规的介绍,使学生不仅要有保护自己所用计算机系统安全的意识,而且要遵守法律法规及职业道德,不做破坏他人计算机系统安全的事情。

通过对计算机领域典型问题的介绍和分析,能够使学生清楚所学课程的重要作用,了解计算机学科中一些重要问题的解决思路和方法。

学习计算机学科方法论,能够使学生更好地掌握计算机学科的本质,了解数学知识和系统科学知识在计算机学科中的重要作用,使其重视数学知识、系统科学知识的学习,有利于数学思维、系统观及计算思维的培养,既有利于大学阶段的专业知识学习和能力提高,也有利于日后从事计算机领域的相关工作。

3.2层次浅显

由于大多数刚进入大学的学生所掌握的计算机知识是非常有限的,对计算机知识的理解和思维方式还不适应,所以对每一部分内容的介绍应从宏观层面上进行,不宜深入,把握到高级科普的层次。作为导论课程,不可能把所有专业知识都讲深讲透,可以留给学生一些思考和想象的空间,这样有利于增加学生对后续课程的期待和学习兴趣。

对于计算机基本组成、操作系统、计算机网络、程序设计、数据结构、编译原理、数据库、软件工程、计算机安全等方面的知识,要结合现实应用以合适的切入点深入浅出地进行介绍,广度优先、控制难度和深度,使学生理解相关课程的基本知识及课程的作用即可,深入的、细节性的原理内容留待后续的相关课程中介绍。

基本知识的介绍要避免两种倾向,一是内容多且深入,二是内容虽少但深度不减。内容多且深入,或许是想把更多的内容告诉学生,但由于受教学时数及学生知识背景与理解能力的限制,难以达到预期效果,也没有必要,因为学生日后还要学习相关课程。内容虽少但深度不减,这或许是一种省事的做法,把相关课程的内容简单压缩后介绍给学生,最大的可能是把学生讲糊涂,还不如不开设导论课程。

3.3内容新颖

计算机科学技术的发展是迅速的,新的概念和术语不时在互联网、电视和广播等媒体中出现,新型电子产品不时推出并不断更新换代。“计算机导论”课程中介绍的内容要能反映计算机科学技术和产品的最新发展,使学生了解相关概念和术语的基本含义及新型电子产品的基本原理和功能。新颖的教学内容,才能激发学生的学习兴趣和探求原理的强烈愿望。

我们在计算机发展简史部分,从最初的手指记数一直介绍到目前世界上最先进的计算机――IBM公司研制的运算速度超过1000万亿次每秒的Roadrunner,对未来可能的生物计算机、量子计算机及光计算机也作了简要介绍。

在计算机专业知识体系部分,我们介绍了考研的最新规定。从2009年开始,计算机科学与技术一级学科(包括计算机应用技术、计算机软件与理论和计算机系统结构3个二级学科专业)的研究生入学考试,在原来政治、外语、数学全国统考的基础上,计算机学科专业基础综合也实行全国统考。计算机学科专业基础综合考试内容包括数据结构、计算机组成原理、操作系统和计算机网络。

在计算机网络部分,介绍了近几年流行的博客、网格、云计算、IP地址、域名、电子商务、电子政务、B2B、B2C、C2C等术语,并说明了Ipv6与Ipv4的主要区别。

计算机系统安全部分,在介绍计算机病毒知识的基础上,简明扼要地介绍了近几年比较流行的黑客、网络钓鱼、防火墙、入侵检测、数据加密、数字签名等术语和相关技术及产品。

其他部分也都介绍到了近几年的最新技术进展。如U盘、DDR内存、小体积大容量硬盘基于的巨磁阻效应、动画、虚拟现实、超线程技术、多核技术、Windows Vista、面向对象软件开发方法、面向对象程序设计、UML、分布式数据库、XML、数据仓库、数据挖掘、智能机器人等。

3.4通俗易懂

对教师来说,经过多年的专业知识学习和实践经验积累,“计算机导论”课程中的内容都会觉得容易理解。但是,如何才能使大学新生真正理解所介绍的内容?这需要教师对内容的叙述和讲解要深入浅出、形象生动、通俗易懂,要适合一年级大学生的知识背景和其对计算机知识的理解能力与思维方式,这是每一位教师需要思考解决的问题。教师对各部分专业知识的介绍,要以合适的角度切入,力戒成为相关课程的简单压缩(内容少而深度不减),否则学生是难以理解的,不仅导论课程的教学质量不能保证,还会使学生产生畏难情绪,影响后续相关课程的学习。

在计算机组成部分,我们简化了对计算机组成部件特性的介绍,充实或增加了一些新内容和宏观层面内容的介绍。如充实了对主板和总线功能的介绍;改写了对字符型数据及汉字的编码表示;对按层次组织文件的优点、删除文件的含义及文件恢复原理等进行了更为明晰的叙述等。

在程序设计知识部分,我们简化了对程序设计语言、数据结构、算法设计与分析和编译原理具体内容的介绍;强化了对程序设计语言发展的介绍,让学生了解机器语言、汇编语言、高级语言、结构化程序设计语言、面向对象程序设计语言、可视化程序设计语言、人工智能程序设计语言的不同特点及各自的适用领域;强化了对程序设计语言、数据结构、算法设计与分析和编译原理知识在培养程序设计能力上各自所起作用的介绍,为今后更好地学习掌握这些知识作出铺垫。

在软件开发知识部分,我们简化了对有数据库与软件工程具体内容的介绍,概括性地介绍数据库和软件工程的知识,使学生在刚入门计算机专业时,就认识到数据库技术在软件(特别是应用面最广的信息处理类软件)开发中的作用,认识到开发大型软件只有好的程序设计能力是不够的,要有科学的软件开发方法指导才能高效率地开发出高质量的中大规模软件。

3.5激发兴趣

“计算机导论”课程总的作用是把学生引入计算机科学技术的殿堂,即起引导入门的作用。如果通过本课程的学习,能够激发起学生对计算机专业知识的兴趣,该课程内容的选取和教学就是成功的,有了兴趣才能更主动地学习,才能把后续课程学好。一些学生报考计算机专业是出于自身的兴趣,但更多的学生可能是考虑到就业或受家长、亲友的影响才选学的计算机专业,通过计算机导论课程培养这些同学对计算机专业的兴趣尤为重要。

在计算机发展简史部分,我们介绍了计算机领域著名的公司和科学家,包括计算机之父――图灵和冯• 诺伊曼、ACM图灵奖获得者、IEEE-CS计算机先驱奖获得者及国内计算机领域的国家最高科学技术奖获得者。著名公司的发展历史及杰出科学家们的工作给有志于在计算机领域成就一番事业的计算机专业学生很好的激励作用。

各主要知识领域主要是介绍其发展历程一直到最新进展并与实际应用相联系,这也能很好地激发学生的学习兴趣。如操作系统的发展历史就是逐步想办法提高系统资源利用率的历史,软件开发方法就是在开发大型软件的实践过程中不断总结出来的,互联网的接入方式是随网络技术和产品的不断发展而变化的。

3.6引导思考

本课程不只是让学生学习了解一些基本的计算机专业知识,更重要的是引导学生思考一些问题,为学好后续课程奠定基础。大学学习生活的一个重要特点是研究性学习,研究性学习需要学生独立思考,自己找需要解决的问题,自己想解决问题的方法。在传统习题的基础上,设置一些思考题,引导学生进一步阅读有关文献,对一些问题进行较为深入的思考和探讨。

在计算机发展简史部分,无论是计算机软硬件产品的研制技术路线,还是公司的经营策略,都有成功的经验和失败的教训。在计算机领域的典型问题部分,我们特别指明了算法设计与分析的作用,一些理论上可行的算法在实际上可能是不可行的,需要设计出实际可行的代替算法;对于计算机智能,介绍了目前的各种主要的不同观点;在计算机学科方法论部分,我们讲解了学科的3个过程、12个核心概念以及数学方法与系统科学方法如何与后续课程的学习联系起来。以上这些问题都需要很好地思考。

4实验教学内容改革

“计算机导论”课程的5个要求之一是:熟练掌握常用软件的操作技能并初步具备系统的组装与维护能力,提高计算机应用能力。这个需要通过实验教学来实现。虽然可选的“计算机导论”理论教学教材比较多,但相对来说专门的“计算机导论”实验教材比较少,有些是把理论教学内容与实验教学内容安排在一本书中,有些是选用非计算机专业的计算机应用基础类实验教材。这样的实验教学偏重于常用软件(Windows、Word、Excel、PowerPoint等)的操作使用,而对计算机的基本组成、网络连接、病毒查杀、软件的安装与卸载等有关计算机系统的组装与维护内容的介绍比较少,甚至没有。课程学完以后,计算机专业学生所掌握的操作技能和非计算机专业学生没有什么明显的区别,体现不出计算机专业学生应具有的专业特点。

“计算机导论”的实验教学内容要突出专业特色,学生除熟练掌握常用软件的操作技能外,还要初步掌握计算机系统的组装和维护能力(真正打开机箱观察过计算机各组成部件的学生并不多),如计算机的拆卸与组装、网络连接、环境配置、软件的安装与卸载、计算机病毒的查杀等能力。除此之外,还可以安排一些有关程序设计、数据结构和数据库的实验题目,供学生在实验室的开放时间选做。通过实验教学,不仅能使学生熟练掌握常用软件的操作技能,初步具备计算机系统的组装与维护能力,还能加深对计算机组成、操作系统、计算机网络、计算机系统安全等相关理论知识的理解。

当然,也要注意计算机系统的组装与维护的实验内容的难度与深度,毕竟是刚入学的学生,以要求初步具备相关知识和技能为好,更深入的知识学习和技能练习可以在后续课程的学习或实践中逐渐要求其掌握。

5总结

本文在分析“计算机导论”的课程定位与传统教学内容的基础上,讨论了“计算机导论”的教学内容改革。“计算机导论”包括的内容是非常广泛的,几乎包括了计算机科学技术的各个主要方面,目的是使学生对计算机专业有一个总体性的了解和认识,建立一个基本的框架性的计算机专业知识体系,以后通过每门课程的深入学习逐渐丰富和充实这个体系。为符合刚入学大学生在计算机领域的知识背景和理解能力,对每部分内容的介绍要浅显,要适当掌握深度,着眼于基本内容的讲解,为以后的深入学习起一个引导和铺垫作用。各部分内容既要介绍历史由来,也要尽量介绍到最新发展,这样便于学生了解计算机科学技术的最新发展,激发其学习兴趣和创新意识。

参考文献:

[1] 中国计算机科学与技术学科教程2002研究组. 中国计算机科学与技术学科教程2002[M]. 北京:清华大学出版社,2002.

[2] 教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会. 高等学校计算机科学与技术专业发展战略研究报告暨专业规范(试行)[M]. 北京:高等教育出版社,2006.

[3] 董荣胜,古天龙. 计算机科学与技术方法论[M]. 北京:人民邮电出版社,2002.

[4] 袁方,王兵,李继民. 计算机导论[M]. 2版. 北京:清华大学出版社,2009.

系统科学方法论导论范文第2篇

关键词：计算机导论；计算思维；课程改革；自由文理；团队教学

0 引言

针对国内外计算机教育发展的新动向，教育部高等学校计算机专业教学指导分委员会联合中国计算机学会教育专业委员会、全国高等学校计算机教育研究会，特别就计算思维能力的培养问题形成几点认识。计算机专业教育应该在计算思维能力培养中做出表率，将系统化计算思维能力的培养贯穿在计算机专业的教育中。计算机导论是计算机专业的一门先导必修课程，是作为计算机专业学生进入大学后的第一门专业课程，其主要作用可以归纳为“五导”：导知识、导方法、导思维、导意识和导职业。我们认为“导思维”是首要的，也是最为核心的，同时也是最难做到的，“导思维”在引导培养学生计算思维能力的过程中，可以很好地、潜移默化地达到其他4项引导作用。

如何建立计算思维能力的培养要求、实施途径、评测规范与方法一直是当前计算机教育者从事计算思维研究的一项重要课题。我们结合教学团队多年的经验积累，依据计算思维的本质和特征及计算机导论课程的构建目的，从教学内容、教学理念、教学方法及教学评价等方面探讨如何在计算思维驱动下对计算机导论课程进行一系列的改革和探索。

1 计算思维与计算机导论

计算思维（Computational Thinking），笼统地讲，是指受过良好训练的计算机科学工作者面对问题所习惯采用的思维方法，体现为在过去半个多世纪以来成就计算机和信息技术辉煌发展过程中行之有效的若干分析问题与解决问题的典型手段与途径。其具体内涵在近年来发表的文献资料中均有丰富论述。而有关计算机导论课程的构建问题，在1989年ACM攻关组所提交的“计算作为一门学科”（Computing as a discipline）报告中认为，该课程要培养学生面向学科的思维能力，使学生领会学科的力量，以及从事本学科工作的价值所在。报告希望该课程能用类似于数学那样严密的方式将学生引入到计算学科各个富有挑战性的领域之中。

2008年6月在网上公布的ACM对CC2001（CS2001）进行的中期审查报告（CS2001 Imerim Review）（草案）中，开始将美国卡内基·梅隆大学计算机科学系教授周以真（Jeannette M.wing）倡导的“计算思维”与计算机导论课程绑定在一起，并明确要求该课程讲授计算思维的本质。

综上所述，计算机导论这门课程不是解决对计算机功能的工具性认识问题，而是要对学生进行专业引导和思维引导，应该以面向计算学科的思维能力，也即计算思维能力的培养为核心。学生如果有了良好的计算思维品质，不管环境、知识需求如何变化，都可以灵活应变，从而为今后的专业学习以及走上工作岗位打好坚实的基础。

2 计算思维驱动下的课程改革

2.1 学目标，灵活教学内容

美国卡内基·梅隆大学周以真教授认为：计算思维是运用计算机科学的基本概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为。它包括了涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。计算思维一大特征是数学和工程思维的互补与融合。计算机科学在本质上源自数学思维，其形式化基础建筑于数学之上。计算机科学又从本质上源自工程思维，基本计算设备的限制迫使计算机学家必须计算性地思考，不能只是数学性地思考。所以计算思维的研究存在多维性，它紧密地同数学、科学和工程结合在一起。另一方面，计算思维建立在计算过程的能力和限制之上，由人和机器去执行，在求解问题时必须从人的认知、心理、思维活动和学科发展角度去入手，故存在研究角度的多态性。

因此，计算思维多维、多态的复杂特征决定了计算机导论课程当前培养方案的多样性与差异性。当今计算机的理论和技术发展太快，新的知识大约每两年就会增长一倍，教材根本无法实现实时地对新知识、新技术进行跟进。因此，我们主张教材为辅，“导思维”为主的原则，在统一的数学目标指导下灵活课程的讲授内容，留给教师和学生最大的思考空间。没有了教材的“束缚”，教师有了更多的掌控空间，学生也不会因教科书而将概念固定化，更不会出现临考抱“教材”的现象。

我们确定计算机导论课程的教学目标是：在学生建立计算机专业学科知识体系框架的同时激发学生的学习兴趣及学习的主动性，培养学生的计算思维能力、洞察问题及解决问题的能力，为后续学习相关专业课程、参与创新课题等打下坚实的基础。在教学内容的划分和安排上，由于课时有限，我们主张理论教学内容在划分上尽可能地简单分明，前后知识可以很好地呼应起来，这样更有利于知识点的系统化，不会因为章节庞杂、知识点太多而导致学生难于消化。为此将课程的讲授内容简单划分成3大部分：

（1）介绍计算学科各领域的发展史及前沿，揭示各主要领域的基本规律及相互之间的内在联系；认识当前社会和职业问题等。

（2）介绍计算机学科中的经典科学问题，初步认识和理解抽象、理论和设计3种学科形态。

（3）讲解计算机学科中的核心概念（如算法、数据结构、程序、软件、硬件、信息表示等），探讨研究学科中的数学方法和系统科学方法，培养计算思维能力。

在讲授过程中，我们借助精心制作的多媒体课件，结合授课内容和计算思维的培养目标，随时有针对性地调整和丰富自己的讲授内容。例如，讲解计算机学科各领域的发展史时，通过引荐吴军老师的《浪潮之巅》，让学生对整个信息产业有个整体了解，明鉴信息技术之兴衰和发展；而王伟老师的《计算机科学前沿技术》则系统展示了计算机学科各领域中令人激动的前沿技术，揭示未来计算机的发展方向，很好地体现了计算思维及其重要性。

2.2 主张自由文理教育，突显学生主体

作为国家建设未来的栋梁，需要的不是仅有技能的人才，重要的是有思想、精神、独立思考能力和良好的身体。技能是容易学的，但一个人的素养和教养不是一蹴而就就能培养的。大学教育的目的应该在于培养学生终身学习的能力，比如阅读、写作、计算思维，而不是一时的某项职业技能。如果学生进入大学仅是为了将来的饭碗，那必然会羁绊他的头脑，抑制他的求知欲。所以大学的专业学习需从“学什么”（内容）转到“如何学”（过程），将“导思维”放置课程建设的首位。

我们主张自由文理（Liberal Arts）的教学理念，力争引导一种自由的环境，激起学生主动学习的欲望，成为真正热爱学习的人，即在没有外界利益驱使下仍然在学习的人。对于自由的学生，他们的时间，他们的大脑和心灵在学习的时刻才真正受他们自己所支配，这样的学习过程才可能专注且快乐。

在教学中，我们坚持以学生为本，打破传统的教师讲学生听的单向模式，在课堂上采用提问式教学，注意引发学生学习的动机；严格地遵循计算机学科的发展规律，定期给出具有一定挑战性的课题，通过分组合作的方式，以师生间讨论、辩论的形式，自律地学习获取知识的方法及分析问题的原则；利用平时的小论文，引导学生收集资料，增强自我学习的能力，建立抽象立体的概念；通过对科学大师的解读沉淀一种学者的尊严和对真理的敬重和向往，培养学生的社会责任心。

2.3 遵从螺旋式组织方式，提升学生思维

若将教学比作爬山，通常的教学习惯是一口气从山下直线攻顶，而布鲁纳在《教育过程》中所提出的螺旋式课程（Spiral curriculum）则是绕着山转，在相同的角度看到的风景虽然都一样，但每次绕回来时的高度不同，能看到的广度和深度都不一样。等到达山顶时学生不仅对山有具体认知，也能掌握四周环境全面性的关联知识。计算机导论课程几乎涵盖了计算机领域所有的理论、技术和研究课题，内容太过广泛，若前后不能很好地呼应起来，学生往往会因孤立地学习太多的知识点而导致前面学的内容到后面就忘记了，理解起来也相对困难。对于计算机科学这样一个有机的、庞大的学科体系，教师应该引发学生对计算机学科知识结构的理解，精熟其基本原则、原理，以此产生类化的能力，而不是零碎概念、知识点的描述。

我们在课程实施中，遵循螺旋式课程的组织方式。首先结合教学团队多年的教学经验和团队成员之间的合作讨论对课程知识进行合理的结构化；然后从学生认知发展角度出发，沿认知发展的动作表象、形象表象、符号表象3个阶段来组织课程内容。讲授内容如2.1节所述，知识点在组织安排上前后呼应，螺旋式地扩展和加深，直至复杂、抽象的现代知识领域；最后在教学过程中我们采用合理的教学方式和紧密相连的学习节目来配合教学过程。比如教学中我们注重学习情境的安排，在讲授算法时，注重引导学生感受其产生背景，摸索过程，走过什么道路，不同阶段产生什么改变，将来的发展趋势是什么，它还可以做什么改进等。引导学生主动参与学习活动，提供学生更多自行探索的机会，最终实现将“知识个人化”。为使学生站在同一角度看到更大的广度和深度，我们主张采用团队教学制。计算机学科发展迅速，应用领域广，学科交叉和渗透十分突出，而计算机学科教师掌握和积累知识的广度是有限的，往往限于个别研究方向，为了提高学生的学习兴趣，拓展学生的思维和视野，在不同的知识领域会组织邀请相应有所“专”的教师来讲授，这样可以发挥团队互补优势，实现对学生全方位的指导，收到良好的人本教育的效果。

2.4 采用分级评价手段，有效监管教学过程

计算思维能力的培养是一个长期的过程，学习和思维不是彼此独立的，是紧密而互补地联系在一起的。所以为了内化学生的计算思维能力，我们必须有效监管整个教学过程，对每个个体在不同的教学环节中的表现做出正确评价，这样才可以实施因材施教，兼顾那些因各种原因而落后的学生。

我们采用螺旋式教学法，非常注重引导学生课前进行预习。在讲授新内容之前，我们要求学生课前收集相应的材料加以了解，课堂上通过实施提问式教学，引导学生积极讨论，同时依据学生参与情况及时做出相应的评价，对未准备的学生要给予相应惩罚，并在下次课中加重对其进行考察。相应地，在平时作业中我们不会布置常识性的题目，而是根据授课内容布置一些能够引发思考、对计算机学科整体认知有帮助的题目，这样就避免了作业抄袭的现象，增加了学生主动思考的机会，教师也可及时捕获学生思维能力的变化，调整和改进后续的讲解内容。

我们所采用的团队教学制为实施团队合作式学习提供了很好的平台。在整个课程结束后，教学团队中的每个成员会给出一些具有挑战性和合作性的题目，学生根据自身对学科分支的理解和把握情况来挑选导师，在导师的牵头引领下开展以小组为单位的研究型学习。学生最终需按照要求提交论文或报告，并在小组内通过上台演讲的方式进行答辩，最终以个人和小组的共同表现综合给出评定。

期末考试是课程教学的最后环节，也是整个评价的最后一部分。为了与课程“导思维”的目的一致，我们与平时授课和作业结合起来，在大量减少客观性的、死记硬背式题目后，增加大量探讨性的、主观性题目，给予学生足够的思考空间。这样一方面在某种程度上减少考场作弊的机会，另一方面也能够更好地检验学生对计算机学科整体认识的程度。

系统科学方法论导论范文第3篇

关键词:复杂性科学;运动训练理论;思维

中图分类号:G808.1 文献标识码:A 文章编号 :1007-3612(2009)07-0141-04

Sports Training TheoryBased on ComplexityScience

DU ChangLiang1,LIShao dan2

(1.Department of Physical Education,Nanjing University of AeroNautics and Astronautics,Nanjing210016,Jiangsu China;

2.BeijingSportUniversity,Beijing100084, China)

Abstract: ComplexityScience changes people's mode of thinking with aNew theore tical framework and way of thinking. As aSubSystem ofSportScience,Sports t r aining theoryNeeds the knowledge of complexityScience toSolve problems inSpo rts training. This paperStates theSix important features of complexityByyzing the concepts and features of complexityScience, and carries out aNumberof propositional interpretations of classic examples inSports training theory r esearch through the complexityScience.

Key words: complexityScience;Sports training theory; thinking

复杂性科学兴起于20世纪80年代,因其对现实事物的深刻洞察和揭示,受到各国学者的重视 [1]。

运动训练学作为体育学科的一个子系统,其自身的复杂性要求运用复杂性科学的相关知识来 解决运动训练中的难题。当前运动训练理论最突出问题的核心是思维方式,其导致了运动训 练理论研究与运动训练实际存在严重脱节,尽管国家在理论研究中投入不菲,但在现实中出现的实践困惑现象依然存在。究其原因,我们认为与理论研究者对运动训练理论研究复杂性 的认识不够有直接关系。当运动训练领域出现用简单性思维方式无法解决的问题时,我们是否应该考虑思维方式本身出了问题,不妨尝试用新的思维方式去探寻摆脱困境的 出路。运动训练学本身即是复杂性思维的研究对象,而非独立于复杂性思维视野之外。运动 训练的发展,不仅需要我们以现实的训练实践为基础,也需要有一个新的观察、审视、思辨 、论解的角度。复杂性思维从“整体”或“系统”的角度,以全新的思维方式把握运动训练 、认识运动训练及反思运动训练,提供了新的理论依据与思维视角[2]。

1复杂性科学与其主要特征

1.1复杂性科学的词义解析

“复杂性”来源于形容词“复杂”,在《现代汉语词典》中,“复杂”一词的意思为“(事 物的种类、头绪等)多而杂”[3]。“复杂(complex)”的词义包括两个方面:一是 指事物的 组成杂而多;二是指难于理解和解释,不容易处理,不清楚。“复杂性(complexiyt)”则是 指“复杂”的性质或状态。“复杂性指事物的多层次性、多因素性、多变性,事物组成要素 之间及事物与环境之间的相互作用以及事物的整体行为和演化[4]。”

复杂性科学是一门研究复杂性和复杂系统的交叉学科,它以研究自然、社会的复杂性和复杂 系统为核心,并揭示其运作、演变规律的科学。复杂性科学并非自然科学中的一个新分支, 也不是与自然科学、社会科学等并列的另一门科学,而是作为科学演化系统的一种形态,昭 示着一种与未来相适应的思维方式。虽然复杂性科学自产生至今,在众多领域取得了快速发 展,但对于复杂性科学的概念、研究方法等问题的认识,还存在很大分歧,复杂性科学“如 此之新,其范围又如此之广,以至于还无人完全知晓如何确切地定义它,甚至还不知道它的 边界何在[5]。”

尽管准确定义“复杂性科学”比较困难,但纵观复杂性科学的研究实践会发现:复杂性科学表达一种全新的思维方式,它打破了以线性、简化、还原思维为主要代表的传统思维方式, 是思维方式的一次革命。复杂性问题具有多层次、多因素、多变性、相互作用等特征,复杂 性现象都是非线性现象,每个复杂性问题都拥有一个有许多自由度的元素相互作用的系统, 系统内部有多种多样的子系统,每个子系统都有相对独立的结构、功能和行为,各子系统之 间,以及系统与系统运行环境之间有着很强的祸合作用。

1.2复杂性科学的主要特征

1.2.1整体性

整体和部分具有多义性,在复杂性科学中,涉及最多的是具有组成结构的“整体和部分”。复杂性科学把系统看作是一个整体,整体大于各组成部分之和,即每个组成不能代替整体, 每个层次的局部不能说明整体,低层次的规律不能说明高层次的规律。系统各单元之间的联 系广泛而紧密,构成一个网络。每一个单元的变化都会受到其它单元的影响,并会引起其它 单元的变化。复杂性科学研究将复杂系统看作是一个整体,虽然为了分析的方便,有时也将 一个复杂系统分解成若干个功能子系统分别进行分析和研究,但认为对各因素、各层次的分 析研究不能取代对整体的研究,整体的性状也不会在整体中体现出来。复杂性科学并不将系 统整体看作是其各子系统性质的简单相加,而将整体看作是各功能子系统之间相互作用突现 的结果,系统整体的性质与各子系统的性质并不存在必然的因果关系。

1.2.2 非线性

线性和非线性最早是数学概念,具有明确的定义。所谓线性或非线性,在数学中表示的是一 种变量之间的关系,这种关系可表示为一种数学表达式或模型等。非线性是复杂系统演化的 外在特征,是与线性相对而言的。线性是指两个量之间所存在的正比关系,在直角坐标系上 呈直线,而非线性是指两个量不成正比关系,在直角坐标系中呈曲线。复杂系统由多要素、 多层次共同组成,且各要素彼此影响、相互祸合,一个变量的微小变化对其它变量乃至整个复杂系统都有着不成比例的、巨大的影响,而正是由于这些非线性问题的存在,才使得复杂 系统处理起来相当棘手。近代科学产生以来,人们受认识能力和认识手段的限制,在处理复 杂事物的时候,总是力求简化,或略去一些次要因素,或是把复杂系统分解为一些简单系统 ,以求得问题的近似解决,这种处理方法就是线性化。但是,随着科学研究的深入,当要求 更全面、准确地反映客观事物的时候,必须考虑更多的因素,线性方法就显露出其局限性, 非线性方法显得尤为重要。

1.2.3混沌性

混沌是指出现于确定性的非线性动力系统中的一种随机行为,这种随机性是非线性系统自身 固有的,不受外部随机因素的驱动。混沌现象的根本特征是系统的运动对初始状态具有敏感 性,初始状态的微小差异,可能导致完全不同的系统终态。复杂科学告诉我们,在组织运行 过程中,某些因素具有最初敏感性,这些因素随着组织的运行过程慢慢成长,不易为人们所 察觉,但很可能是组织系统崩溃的原因。许多现象都是非线性的,从传统意义上我们无法预测它们,因为任意小的影响都有可能导致巨大的、无法估量的后果。混沌效应来自它对初始 条件的极端敏感性,正是由于“蝴蝶效应”的存在,人类不但至今还无法做到更好地预测, 也无法终极地对这个混沌世界完全认识。

1.2.4 开放性

魏宏森教授认为:“从系统的构成和与环境的关系上来看,可分为封闭系统和开放系统。系 统与环境不发生物质、能量、信息交换的系统称为封闭系统,反之则为开放系统。”[6]。 开放系统不断地与外界进行物质、能量和信息交换,没有这种交换,系统的生存和发展是不 可能的。只有把自己保持在不断地与外界进行物质、能量、信息等交换的状态下,系统才具有保持自身动态稳定的能力,任何一种复杂系统,只有在开放的条件下才能形成,也只有在 开放的条件下才能维持和生存,封闭就是死亡。

1.2.5动态性

复杂性科学认为,复杂系统总是在不断运动变化的,动态性说明系统随着时间而变化,经过 系统内部及系统与环境的相互作用,不断适应、调节,通过自组织作用,经过不同阶段和不 同过程,向更高级的有序化发展,涌现独特的整体行为与特征。动态性是产生系统复杂性的主要原因之一。复杂系统总是从一种状态变化到另一种状态,其中稳定与平衡是运动的一种 趋势,而波动、不平衡、矛盾等才是运动的常态,系统在矛盾运动中表现出十分复杂的现象 。系统的变化不但受系统本身条件的限制和制约,还受到外部环境的影响和制约,随着不同 的时间、地点而变化,表现出不可还原的特性。

2运动训练理论的复杂性

运动训练和运动训练理论本身就具有复杂性。它们涉及到人与外部世界的关系,与社会、家 庭、自然、文化等各种各样的联系,也涉及到与内部的人的精神、思想的联系,这些要素及其联系在复杂性科学看来,都具有复杂性特点,且贯穿运动训练过程始终,从而影响运动训 练的实际效果。

运动训练是以“人”为主要核心的活动,人的发展是一个极其复杂的过程。在运动训练中,由于其多层次性、多因素性、多变性,使运动训练过程呈现出复杂的情景,这些复杂的情景 构成了运动训练的基本特点。运动训练及训练的主体(人)是一个整体,运动训练系统及训练 的主体(人)有着很强的自组织能力,运动训练系统内外物质、信息、能量交换的发生是复杂 的,运动训练本身也是复杂的社会现象。显然,运动训练本身是一个复杂性系统,“复杂性 的系统要用复杂性的方法来处理”,再沿袭线性、还原、封闭、静态的简单性思维方式显然 是不适宜的。运动训练新范式的形成,不仅需要我们以现实的运动训练为基础,更需要有一个新的观察、审视、思辨、诠解的角度[2]。

运动训练是一种较之其它领域、其它体育学科领域更为复杂的领域,运动训练理论的复杂性主要体现在:

2.1运动训练的非线性

运动训练是多维、交错、复杂的系统,包含着多种因素(或变量),是许多隐性因素与教练员 、运动员、训练计划等显性因素交织着的充满活力的复杂系统。这些因素(或变量)之间不是 简单的径直的因果关系,而是复杂的交互作用、双向甚至多向的构建方式。非线性思维还揭 示出,计算机和信息技术介入运动训练不可逆转,这是当今社会发展的时代特征在训练领域 内的投射,运动训练学将建立在新的技术平台上,会有更多新近发生的经典案例(博尔特) 被引入训练理论研究。

2.2运动训练的整体性

对于运动训练这个复杂系统而言,整体功能或是大于或是小于部分之和,而不会恰好等于部分之和。一味追求某个单项或局部的发展并使之最优化,认为一个问题解决了,其他的问题 会迎刃而解,这种错误的认识往往影响和损害其他问题的发展,造成系统的整体功能下滑。整体思维关注的并非“单项最佳”而是“整体最优”,运动训练不应该是“木桶理论”中最 短的一块木板。

2.3运动训练的系统性

复杂性视野中的运动训练研究应把训练视为一个系统,然后,归并到一种可供分析的更大系 统中去,从而给出在变化的环境下对训练的分析、理解和认识。训练决不是纯粹的训练问题 ,也不仅仅是各元素的简单堆积。我们应当把训练放到自然、教育、经济和社会的复杂系统中进行综合而系统的考察,分析它们的关系,在大背景下探索训练的规律、观点和方法。从复杂性思维视角来看,复杂系统中各部分的相互作用不是简单的加和关系,它们之间的因 果关系也不是单向的链条,而是复杂的因果关系之网。系统各部分间复杂的相互作用导致系 统整体的不确定性,甚至有可能出现意想不到的整体特性。面对训练现象的复杂性,任何 一个学科只能解决某一局部问题,只有多学科的深入研究才可能解决整体问题。因此,在进 行训练研究时,不仅要考虑实现主要目标的具体的、特定的措施,还要尽可能地考虑这些措 施对系统其他因素可能产生的影响,加强多学科的共同操作,包括训练学各相近学科:运动 生理、生化、解剖、遗传、组织、生物力学等;也包括教育学、文化学、社会学、人类学等学科,并注意适当借助、吸收自然科学中的某些方法,把多学科的协同研究有机地结合起来 ,形成多元整合的思维格局,将完整的复杂事物作为研究对象。

2.4运动训练的开放性

开放性思维从有机观点出发,强调系统与环境的有机联系,坚持个体只有在与环境、背景的关系中才能得以存在、定义、描述和认识。运动训练只有处在一个开放性的环境中,让训练对象在远离平衡态的状态下,有较大的自由想象空间,才能够自组织地形成高度有序的创新 结构。运动训练是一个开放的、远离平衡态的系统,时刻与其运行环境进行着物质、信息、 能量的交换。

2.5运动训练的生成性

运动训练是一个复杂的动态过程,处于不断的演化和创造中,这种演化和创造(而不是模仿与复制)使训练过程具有丰富的可能性,但可能性之丰富使得转化为现实的过程变得不可确 定。对于运动训练复杂系统而言,任何初始条件的微小变化通过叠加作用都会引起结果的巨 大不同,而且不可预测(蝴蝶效应)。运动训练同其他社会活动一样都无法排斥偶然、个案、情境,动态变化将成为训练的基本特征[2]。

2.6运动训练的动态性

动态性是指系统不是静止的,而是时时刻刻在运动着、发展着。运动训练系统包含了人员要 素(教练员、运动员)、训练内容要素、训练方法要素和训练环境要素等。其中虽然某些要素 呈现静态的性质,但是,其核心人员要素是动态的,从而导致整个训练系统呈现动态性。

3 应用复杂性科学方法对运动训练理论研究中一些经典命题的解释

3.1竞技状态的方法论认识

20世纪60年代初,前苏联学者马特维耶夫提出了训练周期理论。而训练周期理论最重要的支 撑依据就是竞技状态周期性阶段变化的规律,即竞技状态需经过“获得”、“保持”、“消 失”三个阶段,相应地把训练过程分为“准备期”、“比赛期”、“过渡期”与其相对应。 同时,马特维耶夫又针对不同时期的特点,提出了一整套训练目标、训练任务和训练内容的 具体要求。虽然,以后的哈雷、凯里舍夫、普拉托诺夫、葛欧瑟、博姆帕等均在他们的运动 训练学专著中,对训练周期以及竞技状态问题有过阐述,但是马特维耶夫的将竞技状态作为 训练周期划分的思想无疑是其中的经典之作。方法论意义上的简单性,也被称为简化。马特维耶夫对竞技状态理论的研究主要依赖的是简 单性思想,他将运动成绩发展过程中纷繁复杂的训练参数进行科学抽象,抓住影响运动成绩 变化主要的周期性特点、一般训练与专项训练关系、负荷量与负荷强度矛盾、竞技状态周期 性阶段变化规律与训练过程各时期的吻合,舍去次要的无关大局的细节,从而突出了训练周 期的本质。在训练周期理论成功地应用于训练实践的几十年中,充分显示出该理论对训练过 程的解释力与预言力的普适性规律,同时也实证了简单性范式方法论的有效性。

同时,从复杂性科学的视野对竞技状态方法论进行思考,目的不仅仅在于应对竞技状态理论 所面对的复杂性问题,而更在于揭示一个新的取向。因为复杂性科学带来的不仅是一种科学范式的改变,还影响着我们的思维范式。

如:竞技状态系统结构复杂性所表现出的构成要素的多样性,主要表现在其系统构成要素多 且具有多层次性和非均匀性。不同层次的要素不仅有各不相同的结构,而且有各不相同的特 征,同层次要素之间具有较强的相互作用,不同层次要素之间的相互作用的规律大不相同的 性状。多样性既是竞技状态各子系统要素间以及与其环境间复杂关系的体现,也是竞技状态 系统呈现多种状态的根本原因。多样性是复杂性存在的基础,同时复杂性也增加了多样性。 例如,构成竞技状态要素之一的灵敏性,不仅取决于判断和知觉因素,诸如,总体视觉判断 、预判、模式认知、环境整体认知等;而且还取决于变向速度,而变向速度又决定于脚的位 置、变速时的步伐调节、身体倾斜和姿势等技术因素,以及力量、功率、反应力量等腿部的 肌肉素质等。

3.2竞技能力的整体性理解

竞技能力是运动训练学的核心,竞技能力是一个非常复杂的系统,对其结构和功能的研究一 直是热点问题,在运动员竞技能力结构研究方面,目前主要有木桶理论、合金理论、积木理 论、竞技能力非衡结构及其补偿理论、竞技能力时空变化理论、胶泥理论、复合素质理论、 双子模型和竞技能力三层次结构理论。

我们先用还原方法来理解:

竞技能力是运动员参加训练和比赛所必须具备的本领,由具有不同表现形式和不同作用的体 能、技能、战术能力、运动智能和心理能力所构成。在竞技能力系统中,5大要素分别又包 含诸多要素,每一个要素下面又有许多子要素,而且每一层要素之间相互关联、相互作用。比如体能包含身体形态、身体机能、运动素质和健康水平4个要素;战术能力则包含战术 观念、战术指导思想、战术意识、战术知识、战术形式和战术行动6个要素。

系统的整体性告诉我们,系统是由若干要素组成的具有一定功能的有机整体。虽然都是依托于人体运动而存在的不同系统,但是属性是不相同的。所以,竞技能力也是一个复杂系统,竞技能力复杂结构中各子系统的发展普遍存在着非衡性,各个子系统所占有的空间份额是不 相等的;竞技能力结构的功能主要取决于系统的复杂度,功能的大小与系统复杂度的大小相关。因此,我们会明显发现“木桶理论”等的解释是机械化的竞技能力结构。这也说明还原 是一种完善的研究方法,研究各组分的关系足以推导、解释整体的性质。但这并不是说还原主义总是必要的。对训练学的研究,必须充分重视整体性。

复杂系统是有人参与的系统,具有自然系统与人造系统的双重特点。作为自然系统,系统具有内部的自组织现象;作为人造系统,外界可以对其实施有目的的调节管理活动。这种遵从 一定准则的、有目的的调节活动就是复合系统的协调,是围绕系统的发展目标对子系统之间 或组成要素之间的相互联系加以调节,使系统结构内部有机和谐地结合,促使功能达到最大 化。一般而言,复杂系统的不协调是绝对的,协调是相对的。所以,要使竞技能力功能发挥最大,必须使复合度达到最大值,才能使结构内外协调一致。在竞技能力系统中,首先存在着组织与自组织现象。比如体能子系统各组成要素既具有自然 系统的自组织特性,又具有人工系统的组织作用;既存在着身体形态、身体机能和运动素质 的自然增长和提高,也存在着人为促进其发展的可能,其中人为改善和提高可能性是训练的 前提;其次,竞技能力系统中各个子系统在属性、功能等方面具有差异性,这种差异性导致 各子系统之间某种功能相互融合和互补,并且相互关联耦合成一种全新的整体效应,即竞技 能力内部各子系统的要素相互作用、相互影响,使整个系统的功能超出各要素功能总和。训练复杂系统的多层面性,决定了单一运用其一种方法的研究是非常有局限性的。当前,理 论研究大部分依然停留在还原论层面,忽视体育外部多因素的交互作用、相互锁定、动态转 换、共同生成,没有把训练作为一个复杂的活动整体去认识和研究。这种研究体现出来的思维方式的明显缺陷在于忽略了复杂系统的若干重要特征和特征变量,完全排除了随机因素、 次要因素和非本质因素对体育系统的影响,从而导致了理论与复杂的现象的分离。因此,复 杂性思维视野下的训练研究强调在研究方法上做到定性判断与定量计算相结合,微观分析与 宏 观分析相结合,科学推理与哲学思辨相结合。总而言之,一定要倡导还原论与整体论的有机 结合[2]。

3.3 生物科学的介入

随着运动生理、生化、解剖、遗传、组织、生物力学等基础理论与应用学科切入、融合到运动训练的微观层面与中、宏观操作实践层面,去解释、阐明、影响与作用于运动训练,体育 生物科学也就随之形成和发展起来。

生物科学是典型的复杂性科学,生物体的每一个层次都拥有特定的行为或性质。这类行为或 性质不存在于构成它的组成成分里,而是由组成成分间的相互作用所形成。它的特征十分明 显,比如整体比它的部分之和更大(研究复杂性系统的科学家把这种现象称为“涌现”)。 生 物科学的涌现是属于非线性的,即不能通过简单地叠加构成成分的行为推导出系统的行为。 此外,系统组成部分的微小改变常常会被迅速放大并导致系统状态的改变。

人体生物学的适应理论指出:人体不仅有肌肉骨骼,而且还有器官、内分泌、神经系统等,其运动技能的形成十分复杂。分析运动员在世界大赛上的得失,仅仅从训练时间、运动量、乳酸能等一些局部的物理量指标来检查训练效果,或仅从教练员的主观经验及逻辑推演的角 度来总结运动员的表现是远远不够的。不少研究者和教练至今没有认识到,长期困扰我们的”训练与实战脱节”的顽症,其深层次问题就在于此。大量的实践和教训告诉我们,在训练 过程中把神经系统的训练与肌肉骨骼的训练截然分开,是导致训练质量和效益低下的重要原 因[7]。

4 结束语

复杂性科学作为一个新兴的科学,本身涵盖的内容相当广泛,它的理论体系还有待于进一步 完善,因此我们只是在较为浅显的层次上对复杂性科学与运动训练相关的方面进行粗线条的探讨,希望能因此借助复杂性科学,为提高运动训练实效提供新视角。关于复杂性科学在运动训练理论与实践中的运用,还需要今后继续努力研究与探讨。

参考文献:

[1] 戴汝为.关于“复杂性”的研究――一门21世纪的科学、前沿与未来[M ].北京:科学出版社,1998:182-207.

[2] 杜长亮.复杂视角中的运动训练理论[J]. 山东体育学院学报,2009(2):30-34.

[3] 冯契.哲学大词典(修订本)[M].上海:上海辞书出版社,2001:344.

[4] 成思危.复杂性科学探索[M].北京:民主与建设出版社,1999:142.

[5] 霍根著,孙雍军,等译.科学的终结[M].北京:远方出版社,1997:287.