研究生《科学计算与工具软件》课程开设与教学探索

尚雷敏 戴朝成 田丽霞

（东华理工大学，江西 南昌 330013）

0 引言

研究生阶段强调素质和能力的培养，研究生教学要面向现代化，面向世界，面向未来。这是判断是否有利学生的总原则，它也为课程的教学和改革指明了正确的方向。因此，首先要把最新的科学计算技术引入课程教学；同时也得使课程能够确实解决飞速发展的科研需要；计算与理论及实验一起已成为当今世界科学活动的主要方式。许多重大的科学技术问题无法求得理论解，也难以应用实验手段，但却可以进行计算。计算工具大大增强了人们从事科学研究的能力，加速了把科技转化为生产力的进程，深刻地改变着人类认识世界和改造世界的方法和途径[1]。科学计算主要包括建立数学模型、建立求解的计算方法和计算机实现三个阶段。计算机实现包括编制程序、调试、运算和分析结果等一系列步骤。随着软件技术的不断发展,工具软件为科学计算提供了合适的程序语言和其他软件工具,使工作效率和可靠性大为提高。科学计算与工具软件是一门实践性很强的课程，过去该门课程教学内容以教室指定软件为主，较为单一且未能跟上最新软件进展；教学方法上和本科生类似，主要以教师课堂传授式为主，而研究生的自主学习和调研能力得不到提高；考核方式评判标准是论文和课后作业，存在学生抄袭现象、考核评价难于区分学生的真实学习能力等问题。为了提高课程教学效果和培养研究生的科研素质和能力，对该门课程在授课对象、授课形式、课程内容及考核方式等方面进行了新的探索，经过近2年的实践，取得了较好的效果。

1 高校科学计算工具国内外概况

从20世纪70年代初期开始，逐渐出现了各种科学计算的软件产品。它们基本分为两类：一类是面向数学问题的数学软件，如求解线性代数方程组、常微分方程等；另一类是面向应用问题的工程应用软件，如结构分析、信号处理，大规模集成电路辅助设计等。对于前者，复杂的数学运算借助相关的计算软件，可以大大提高学生的学习效率和兴趣。比如，美国的线性代数教育从1990年就开始了一次大的改革，先组成了线性代数课程研究组 (Linear Algebra Curriculum Study Group-LACSG)。同年8月，在美国国家科学基金会(NSF)资助下，他们和工程界的代表组织了一次大会，共同提出了几条重要的建议，简称为LACSG Recommendations。1992年NSF又资助了一个ATLAST计划，由于实施了这些措施，他们的线性代数教材普遍引入了计算技术，减少了抽象性，大大减轻学生计算的压力，激发了学生的学习热情和提高了学习效率。同时，从1990年起就在《数字信号处理》采用当时新出现的科学计算语言。1994年出版了由信号处理界的权威奥本海姆(A.V.Oppenheim)等六人合写的 “基于MATLAB的数字信号处理习题”，并作为教材在大学课程中使用，提高了学生从事科学研究的能力[2]。

而在国内，像线性代数书这样的基础性学科书，教学内容基本上与30年前一样，学生完全靠手工计算，学生学了一大堆理论，实际运算能力却没又提高。绝大部分学生不会计算语言和计算软件，造成已经学会的只是用不了，长久不用还得去查询教科书；此外，学生无法把现实问题抽象化、数学化，遇到复杂的问题更是无从下手。虽然在国外文献“Digital Signal Processing Using MATLAB”出版一年多后，国内翻译出版了此文献，书名为“数字信号处理及其MATLAB实现”，但这是第一本用MATLAB的中文信号处理教材，以后有些教材也开始部分用MATLAB。现阶段大部分高校都开设了像MATLAB这样的基础课，但也仅仅浮于教材，学生计算机语言基础薄弱、参与性不强并且积极性不高[2]。

2 授课对象

《科学计算与工具软件》目前在我校只针对核科学与技术专业硕士研究生进行教学。但是笔者认为此课程的开设对大学理工科本科生、研究生及博士生都是十分必要的，也是不可或缺的。因为我们开设本门课程的宗旨是让同学们借助科学计算工具软件，动手解决实际遇到的科研问题，从而培养研究生的科研素质和能力，为将来开展的科研工作打下良好的基础。

3 授课形式和课程内容

本门课程为研究生学位课，在授课形式和程程内容上有别于本科生的学位课。在充分考虑研究生具有良好的自学能力和理解能力的基础上，我们决定将本门课程的课时设置为40个学时，主要以学生自主讲授为主，教师为辅,授课形式如图1所示。教师主要讲授本门课程的目的、要求以及科学计算软件在今后科研工作的重要性。每个学生自主选择一款和自身研究方向相关的科学计算软件，比如以数值计算和信号处理为主的MATLAB软件，以计算机代数为主的Mathematica、Maple等，以Origin、Sigmaplot等为主数据可视化画图软件等等，自己安装调试，并结合本专业的具体实际问题，进行课堂讲解和演示，并与老师和其他同学进行课堂讨论，从而加深对该工具软件的了解，实现理论与实践的有机结合，增强了研究生的实践操作能力。这样下来，通过本课程的学习，学生不仅对当前和本专业相关的科学计算工具软件有个全面的了解，同时可以借助这些功能强大的科学软件，为将来的科研工作提供极大的便利。

图1 科学计算与工具软件课程教学模式

4 考核评价方式

对教学过程进行合理的监督和评价是保证研究生教学质量的重要措施。建立合理的课程考核评价机制非常重要。目前，国外从多方位评价学生的研究和实践能力，常见的考核方式包括考试和作业。考试从传授知识的角度讲具有一定的优势，学生可以比较牢固地掌握基本概念、基本方法等，但是却很难充分反映学生的能力[3]。

本课程所采用的考核方式是由软件调研情况及课堂ppt、课堂讨论、调研文稿组成。通过对软件的课堂讲解和演示，考察研究生系统调研科学计算工具软件的能力；课堂讨论表现考察研究生听课学习及交流讨论分析能力；调研文稿考察研究生对课程内容了解程度以及查阅文献跟踪科学计算工具软件前沿进行综述的能力。课程成绩分配如下：成绩=软件讲解及演示（60%）+课堂表现（20%）+调研文稿（20%）

5 结语

上述教学探索围绕增强研究生调研前沿工具软件能力、实践操作能力，让学生学有所用，有利于研究生在以后的科研道路上的探索。

通过几年的教学实践效果和学生的反馈信息来看，通过上述几个方面的教学改革，确实激发了学生的学习兴趣，拓宽了学生的视野，提高了学生的动手实践能力，基本达到了本门课程开设的目的。今后需要根据先进教学方法，不断修改教学内容，以满足培养综合素质高、实践能力强的人才的需要。

[1]陈怀琛.2005年5月在南京精品课程研讨会上的发言.大学理工科要把“科学计算能力”当作一个重要培养目标[R].

[2]陈怀琛.国内外在大学科学计算工具上的差距：论科学计算与教学质量的关系[J].中国电子教育,2008(1).

[3]刘廷章，郑祺.专业学位研究生课程教学的团队探究方法研究[J].学位与研究生教育，2011(1).