利用科研思維開展理工類課程的教學方法

柯昌博，劉大勇，肖甫（南京郵電大學計算機學院/軟件學院，南京　210003）

利用科研思維開展理工類課程的教學方法

柯昌博，劉大勇，肖甫
（南京郵電大學計算機學院/軟件學院，南京210003）

0　引言

要達到創新教育的標準，高等教育有著主要的責任，從教學中積極引導和培養學生的創新意識非常重要。因此本文討論了科研與創新思維在高等教育教學中的應用，特別從理工類學科教學出發，并利用實例說明了創新教學的重要性。

1　科研思維的特征

科研思維就是創新思維，創新源于拉丁語，包含三導含義，即為“創造”、“更新”和“改變”。1912年，哈佛大學教授熊彼特Joseeph Alois Schumpeter首次提出創新概念。他認為創新就是把生產要素和生產條件進行組合引入生產的體系［5-7］。以“更新”為例，創新思維的過程包括三個階段：

首先，問題提出階段。對本領域已有工作進行綜述，根據其存在的不足，找到存在此不足的原因。然后對其進行抽象，提出相應的科學問題；

其次，解決問題階段。根據存在問題的特征，選擇相應的理論方法，提出解決問題的方案。解決問題的方法包括：理論證明，實證研究，實驗分析，原型系統實現等。這要根據不同學科或研究方向的特征選取相應的研究方法；

再次，對解決的問題的結果進行分析階段。此階段主要討論解決方法的局限性、不足或者缺點。并將此作為下一步工作的重點。

因此，科研思維的特征［8-11］為：

①創新性。根據創新最初的定義可以分為三個層面，第一層面為原始創新，即所做的工作為首次提出，首次解決，首次分析；第二個層面為更新創新，即有同行在此領域做過類似工作，并得出了相應的有意義結論。筆者根據已有工作進行分析找到不足，并對不足部分進行問題抽象和解決；第三個層面為改變創新，即雖然有同行做過同類工作，但他們的工作存在錯誤或缺陷，根據相關的錯誤或缺陷進行分析，實驗證明或理論證明，從而改正此錯誤或缺陷。

②批判性。同行科研工作者對已有工作進行評價，并提出相應的不足，對其不足的部分進行問題抽象并解決，是創新性特征的另一個側面。

③延續性。任何一個科學問題都不是一次能解決完美的。因此，在解決任何一個科學問題時，都會產生相應的其他問題，而這此問題又恰好是解決此問題的后續工作。例如，在計算機算法的研究過程中，經常會出現時間和空間的矛盾問題，往往也是研究的后續問題。線性表中依次討論順序表、單鏈表、雙向鏈表，就是一個問題的延續的結果。

2　理工類課程的特征

理工類課程通常是前科研工作者通過研究所得出的一般性結論。因此，理工類教材也是相應科研工作者的科研成果，即所發表論文的有機結合。所以，理工類課程也最具有科研發展的規律學科。從提出問題到分析問題，再到解決問題，都體現了一個科研工作者的思維特征，也是科研工作的特征［12-15］。因此，理工類課程具有如下特征：

①具有創新思維的發展脈絡。理工類課程都是從提出問題，分析問題或者抽象問題，解決問題，再到分析結論，都有一個科研思維發展的完整過程。甚至章節之間的關系也是問題不斷更新，不斷完善的過程關系。如計算機中數據結構課程中的線性表，就是因為順序表存在不能擴充的不足，才產生鏈表，而單向鏈表僅僅只能從當前結點找到其后繼結點，找前驅結點時，只能從第一個結點或頭結點開始查找，存在這樣的不足，所有出現雙向鏈表、循環鏈表，等。

②具有批判性，培養學生發散思維的特征。解決某個問題的方法都會討論此方法存在的優點和缺點。后續解決會盡量發揚優點，而提出的方法往往彌補了前一種解決方法的不足。因此，可以培養學生的發散性思維，讓他們大膽地想，大膽地批判，鼓勵提出自己的解決方案，從而獲取創新性思維。所以，此特征也是創新性思維的一個側面或者一個部分。

③解決問題的多樣性。通常不同章節只是討論了解決某一個問題的不同解決方法，每一種方法都有其內在的優勢和不足，相互形成了一個體系。如線性表中所有的方法都是解決數據的存儲問題。

3　科研思維與理工類課程的關系

科研思維的方法包括抽象和具體，而抽象通常在問題的分析和提出階段，如，理論證明、形式化方法等。而具體通常在問題的解決后的驗證、實驗或例證階段，如，模型驗證、實驗分析和實例研究等。而理工類課程的編排通過也是由抽象到具體，由提出問題到解決問題，再到分析問題的。因此，它們之間是相對應的關系。

根據兩者之間的關系，利用科研思維教授理工類課程可以用一個二元組T=＜R，C＞表示，其中R表示研究思維Research，C表示采用實例講解相關的理論知識，Case Study。因此，我們在教授理工類課程時，可以有如下方法培養學生的科學創新素養，研究問題的一般規律，激發學生的創新性，并有利于學生更深層次的理解相應的重點和難點問題：

（1）以科研思維連串章節關系。在讓學生理解知識點的同時，讓他們了解科研工作者的研究思維，激發學生的創新能力。根據課程的發展脈絡，講清楚章節之間的關系，而這個關系恰好是科學研究的由淺入深，由表及里的創新思路，也是一個提出問題，分析問題，解決問題和評估解決方法的科研思維過程。從而提高學生對課程章節更深入層的理解，也培養了學生的科研興趣和素養，激發學生進一步理解問題甚至進行創新的可能性。

（2）利用實例講解重點難點。對重點和難點進行實例化，讓學生在理解和消化知識的同時，學會科學研究的一般方法。由于科研研究中常用的方法有理論證明，實驗分析和實例研究，而實例研究是一種將抽象問題實例化的過程，也是將復雜問題簡單化的過程，也是用個體實例說明一般理論合理性的一種方法。而對應教學中，尤其對課程中的重點和難點，由于理論的證明或者理論過程的復雜性，導致學生難以理解和消化。這時，作為教師，如果對其進行實例化，用我們日常生活中的例子去解釋相應的理論，這樣能夠幫助學生進一步理解相應的重點和難點問題。也可以學習到怎么去面對科學研究，怎么做研究，怎么將研究表達出來。

4　實例

以數據結構課程中線性表的教授為例，重點討論利用實例來教授課程的優點。首先，用電子商務購物的實例來教授單鏈表，實例的要點如下：

●Tom通過電子商務買了一個書包；

●電子商務的倉庫在北京；

●Tom的原地址：江蘇省南郵大；

●Tom的地址現修改為：江蘇省南京市南郵大；

●不提供退貨服務；

在此僅討論當n-1＞i＞0時，插入結點的過程。因此，原過程如下：

圖1　單鏈表插入結點

假若將用戶的所購買的書包類比為單鏈表的數據域，地址類比為單鏈表的指針域，則原地址就為：江蘇省的下一站為南郵大，并且已知p指針為江蘇省，q指針為南京市，根據原地址可以將南郵大表示為：p-＞link。則原單鏈表可以表示為：

圖2　原地址對應的鏈表

修改后的地址需要將南京市這個結點插入到江蘇省后，則可以表示為：

圖3　現地址對應的鏈表

因此，根據圖3可知，江蘇省的下一站是南京市p-＞link=q，南京市的下一站是南郵大q-＞link=p-＞link；可以得到如下的插入過程：

圖4　單鏈表插入結點的實例

同理，可以將雙向鏈表用類似的實例進行表示：

●Tom通過電子商務買了一個書包；

●電子商務的倉庫在北京；

●Tom的原地址：江蘇省南郵大；

●Tom的地址現修改為：江蘇省南京市南郵大；

●提供退貨服務。

可以將送貨過程為后繼鏈路，退貨過程為前驅鏈路。在此僅討論當n-1＞i＞0時，插入結點的過程（原有的插入過程省略）。

與單鏈表類似，可得已知條件：p指針為江蘇省，q指針為南京市，根據原地址可以將南郵大表示為江蘇省的下上站：p-＞link。則插入過程如圖5所示：

由以上分析可知，利用學生日常生活中常用的例子來講解鏈表插入的過程，會更能讓學生理解并加深學生的學習印象，也會激發學習的科研興趣。我們將傳統的方法和基于科研思維的方法分別在兩個為35位學生的數據結構重修班進行實踐，并進行對比，以理解、掌握和不理解為選項進行問卷調查，如下表所示：

表1　不用實例和用實例講授的對比

由表1可知使用實例進行講解和不用實例進行講解相比，用實例進行講解很大程度上提高了學生的理解率和掌握率，同時不理解率僅僅占總人數的5.7%，并加深了學生對知識點的理解。

圖5　雙鏈表插入結點的實例

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柯昌博（1984-），陜西安康人，博士，講師，研究方向為數據結構教學方法、云計算中的隱私保護

劉大勇（1980-），男，黑龍江七臺河人，碩士，講師，研究方向為專業課中的教學方法

肖甫（1980-），男，湖南邵陽人，博士，教授，研究方向為傳感器網絡

Higher Education；Science and Engineering Teaching；Scientific Thinking；Research Inertance

Method of Lecturing Science and Engineering Curriculums with Scientific Thinking

KE Chang-bo，LIU Da-yong，XIAO Fu
（School of Computer Science&Technology School of Software，Nanjing University of Posts and Telecom.，Nanjing 210003）

1007-1423（2015）27-0027-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.27.008

2015-07-21

2015-09-07

討論科研思維在高教理工類教學中的作用。首先，分析科研思維與理工類課程的特征；其次，討論科研思維與理工類課程之間的關系，并定義利用科研思維教授理工類課程的兩個維度；再次，以實例研究為例，說明實例教學在理工類課程教學中的重要性。

高等教育；理工類教學；科研思維；研究慣性

江蘇省高校自然科學研究面上項目（No.15KJD520001）、南京郵電大學引進人才科研啟動基金資助（No.NY214164）

Discusses the role of scientific research thinking in science and engineering specialty lecturing in colleges and universities.Firstly，analyzes the characteristics of scientific research thinking and science and engineering curriculums.Secondly，discusses the relationship of scientific research thinking and science and engineering curriculums，and defines two dimensions of lecturing science and engineering curriculums with scientific research thinking.In the end，as case study for example，illustrates the importance of case lecturing for science and engineering curriculums.