摘要：对非计算机专业研究生计算机教学中遇到的一些问题提出建设性意见，并总结出新的非计算机专业研究生计算机教学的基本要求与课程框架，从课程内容、教学方法和教学环节等方面提出计算机教学改革的思路和方法。
关键词：非计算机专业；计算机教学；课程体系
非计算机专业研究生计算机教育是一个复杂和具有挑战性的问题。各学科研究生的计算机教学要求是什么？基本知识、素质和能力是什么？培养计划是什么？这些问题是必须明确回答的，只有这样才能够制定出实用的研究生计算机教学规划。
1现状及存在问题
1.1开课情况分析
目前，我校面向全校研究生(列入公共课课程目录)开课，与计算机或信息技术有关的课程共15门，包括微机控制系统及其应用、计算机网络与通信技术、嵌入式系统及其设计、软件工程专题、神经网络导论、神经网络理论及应用、微机控制系统及应用、计算机通信与网络、Internet原理与技术、数据库系统原理与应用、面向对象技术、软件开发、计算方法(A)、计算方法(B)、有限元方法及其程序设计。
软件开发课程开设于1994年，由冯博琴教授发起，面向全校的研究生，采用了西安交通大学出版社出版的、冯博琴教授等编写的《软件开发》这本书。自1996年起，李波老师担任该课程的主讲教师。该课每学年上一次，1996-2007年，该课的学生人数在70～90人之间，2007-2010年，该课的学生人数稳定在40～50人之间。选此课的主要为电气、电信、能动、机械、材料等学院的学生。该课的学生以硕士生为主，每学期有5名左右的博士生选修。自1996年起，教师采用自己编写讲课幻灯并布置阅读清单的方式开展教学。
1.2国内研究综述
国内学者普遍认为，非计算机专业研究生不应从计算机应用基础起步。富春岩等[1]针对非计算机专业文史类、理工类、师范类和医学类硕士研究生的计算机教学方法，提出改革方案——“四个层次”的课程设置模式。即第一层次为计算机基础知识和基本操作，第二层次为高级语言程序设计，第三层次为计算机软硬件新知识学习，第四层次为结合专业需要开设应用课程。根据信息技术发展的要求和信息检索课的现状，研究生计算机信息检索课程的教学内容设计、教学方法设计以及教学模式设计要进行改革，要适应信息化、网络化要求。
在工科院校的研究生中开设计算机应用课程，是时代发展的需要。国内高校根据专业特色，为非计算机专业的学生开设了计算机课程，如中国科技大学的神经生物学专业就开设了计算机在生物学中的应用这门课，热能工程专业开设了利用Matlab建筑传热建模这门课。上海交通大学机械制造及其自动化专业开设了计算机图形学等课程。这些课程为学生在本专业的研究提供了方便的工具，打下了坚实的基础。国内大学对于非计算机专业计算机教育的改革是不遗余力的，不过目前还处于初级阶段，课程体系还不够成熟，普及率也不高。大部分学校的课程还局限在选修计算机网络、软件工程等传统课程，存在课程与本专业联系不够紧密的问题，学生反映上课与实用脱节。
国外理工科大学的研究生计算机教育为学生提供与研究方向密切相关的课程，学生每学期至多选3门课。课程要求严格，作业量大。比如，MIT的航空航天系开设了设计及最优化计算课程，人口与环境科学系开设了计算机及工程问题解决导论课程。这类课程的共同点是计算机是专业研究的辅助工具。学生在完成课程作业过程中，需要用到编程等计算机知识时，一般采用自学或旁听的方式。系统建模与仿真、软件工程、算法基础是其他工科专业开设最多的课程。国外大学为学生提供配置齐全的计算机实验室、模拟实验室或仿真实验室等，实验室有计算机专业的老师进行辅导，对全校师生开放，方便大家实现自己的想法或者作业。以我国目前的教学模式和师资情况来看，不适合实行这样的开放式教学。而把非计算机专业的计算机教育改革着眼于为学生提供与本专业相关的计算机知识、基础实验，更符合当前的实际情况。
1.3研究生计算机应用能力现状
1999年，中国开始进入高等教育的大发展阶段，中国高等教育一举从精英型变成了大众型。目前，本科生、硕士生教育规模居世界第一位，博士生教育规模在2008年已超过美国，居世界第一位。西安交通大学现有全日制在校生30 126人，其中博士、硕士研究生13 044人。本科专业并没有多大变化，本科人数的增加主要是合校的结果，在此期间主要进行的是研究生的扩招。在计算机能力和素质方面，普遍存在学生编程能力不强，信息技术和方法应用能力不足的情况，在导师课题中不能发挥应有作用，远不能适应专业应用的需要。目前，我们在本科阶段实施“质量工程”，各研究型大学应高瞻远瞩，及早在研究生教学阶段重视计算机教学工作。
1.4计算思维及非计算机专业研究生教学面临的挑战
2006年，美国卡内基•梅隆大学计算机科学前系主任周以真(Jeannette M.Wing)教授在美国计算机权威杂志ACM会刊上提出，计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。她将计算思维与工程问题的联系给出了更清晰的描述：通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个看来困难的问题重新阐释成一个我们知道问题怎样解决的思维方法；是一种递归思维，是一种并行处理，是一种把代码译成数据又能把数据译成代码，是一种多维分析推广的类型检查方法；是一种采用抽象和分解来控制庞杂的任务或进行巨大复杂系统设计的方法，是基于关注分离的方法(SoC方法)；是一种选择合适的方式去陈述一个问题，或对一个问题的相关方面建模，使其易于处理的思维方法；是按照预防、保护及通过冗余、容错、纠错的方式，并从最坏情况进行系统恢复的一种思维方法；是利用启发式推理寻求解答，也即在不确定情况下的规划、学习和调度的思维方法；是利用海量数据来加快计算，在时间和空间之间，在处理能力和存储容量之间进行折中的思维方法[3-4]。计算思维既向我们计算教育提出了挑战又指明了方向，如何在教学过程中贯彻计算思维的基本原则，是目前和未来亟待解决的一个问题。
在计算机学科(计算学科)教育方面，最有代表性和影响力的工作依然是IEEE-CS/ACM组织的Computing Curricula研究工作。CC2005报告认为，计算概念在过去的十年中发生了巨大变化，这种变化对教学计划的设计和教育方法会产生深刻影响。21世纪的计算包含许多富有生命力的学科，它们有着自己的完整性和教育学特色。研究者将报告分为5个独立的卷出版，它们分别是计算机科学卷(Computer Science—CS)、计算机工程卷(Computer Engineering—CE)、软件工程卷(Software Engineering—SE)和信息系统卷(Information System—IS)、信息技术卷(Information Technology—IT)。计算所包含的内容在深度和广度上有了巨大的增加，如何在规定的学分及学时内完成对巨量的与计算有关的基本知识传授，如何选择和抽取基本的核心的内容，是对教学工作提出的严峻挑战。
信息技术的发展对各个学科的研究与发展起到了推动作用。主要体现在如下方面：
应用数学和应用物理学的发展，使复杂自然和工程现象可用数理方程描述，用并行算法求解；传感器技术的发展，使人们所观察到的自然和工程现象的信息实现数字化；通信技术和先进网络的发展，使人们可以在任何时间、任何地点、以任何方式获取和交互信息；高性能芯片、并行计算机和软件技术的发展，使自然和工程现象实现数字化模拟和可视化，工程现象可以进行实时数字化控制，从而优化了产品质量，缩短了研发周期，提高了生产效率[2]。
如何针对科学技术的进步，尤其是信息技术的发展，培养新一代适应信息化社会的高端人才，是中国研究生教育的一个重大战略问题。
1.5结论
从以上文献和各校的实际情况可以得知，目前，非计算机专业研究生计算机教学处于各自为政的非规范化状态。虽然研究生的计算机教学和本科生不一样，不必提出统一的要求和内容，各校可独立发展出自己特色的教学体系，但目前还未见一个大学在此方面有系统的、能说得出特点的方法。
综上所述，我们认为当前的研究生计算机教育存在以下问题：
1) 在全校层面重视不够，没有开展此方面的统筹和规划工作。
2) 研究型大学的研究生计算机教学研究工作尤其薄弱，没有回答出研究生计算机教学的目的、要求、基本内容、教学方法等核心问题。
3) 目前实行的计算机课程难以说清体系，教学目标也欠清晰。
4) 由于对“计算”的概念理解不到位，造成对计算机教育的认识有偏差。
因此，我们有必要号召骨干教师和教学管理人员对以上问题引起重视，共同解决。
2教学改革思路
为响应国家提出的“知识创新工程”的号召，适应时代发展的需要，创建研究型大学成为我国重点高等院校发展的主要方向。研究型大学主要具有如下特征：1)能够培养出具有世界一流水平的人才。2)能够取得高水平的科研成果。3)教师队伍强大，拥有一批世界公认的学术权威和知名学者。4)学科门类齐全，基础学科具有明显的优势，同时具有强大的工科，作为学校发展的支柱。5)办学具有国际性，招收众多的外国留学生和访问学者。6)拥有一流的实验室。
为了创办研究型大学，我们提出以下几点想法和建议。
2.1计算机教育的目标定位
我们认为，在我国目前的研究型大学研究生教育中，计算机教育应该继续作为所有专业学生的培养内容并予以高度重视，应该进一步结合各专业教学改革与发展，不断强化计算机教学。为此，各大学要有明确的机构负责并实施全校研究生的计算机基础教学，提出实验室建设及加强师资队伍建设的要求。
作为计算机教学的依据和目标，研究型大学的研究生计算机知识与能力应该达到什么水平？研究型大学的核心是知识创新，对各个学科而言，应用数学和计算是从事各学科学习和科研工作的方法和工具。如何建立自然现象的数学模型，如何处理自然界的随机现象和复杂现象，如何考虑模型中典型参数的渐近行为，以及如何针对具体问题设计数值格式并进行数值分析，已经成为当代应用数学与计算领域的基本问题与基本模式。我们还知道，应用数学的方法只有通过计算机进行工具化，才能变成科学研究的锐利武器，否则会导致方法没有支持、工具缺乏内容的现象发生。若在此方面对研究生进行高水平的训练，必然会推动其科学研究手段的进步。我们认为，研究生计算机基础教学应紧密围绕提高学生采纳数学方法、使用计算机工具的能力培养上来。
有关研究生计算机基础教学的目标定位，在前提假定学生掌握了教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会基础课程分委员会在2009年8月提出的计算机基础课程教学基本要求后，我们认为新的课程要求可以归纳为以下几个方面：
1) 计算机软硬件基础知识，主要掌握软件技术、体系结构及网络。具备专业领域中应用系统的集成与软硬件开发能力。
2) 掌握数学模型方法。
3) 新计算模型及新算法。
4) 掌握数值计算及数值分析方法及工具。
2.2变“传授型教学”为“研究型教学”
研究型教学的特点是：1)教师不能只满足于依照一成不变的教材一般化地“完成”教学任务，而要通过继续学习、终身学习，不断更新自己的知识结构，使自己处于学科前沿。2)教师要担负一定的具有创新性的研究课题，力争成为本学科的学术骨干乃至学术带头人。3)教师要把研究与教学有机地结合起来，在向学生传授基本知识和新知识的同时，提高学生的综合素质，帮助学生完成一些较小的研究课题，使学生具备一定的研究和创新能力。
美国麻洲大学(The University of Massachusetts)的Jim Kurose教授长期从事计算机网络的教学和研究工作，曾担任IEEE Transactions on Communications和IEEE/ACM Transactions on Networking期刊的主编。他写的计算机网络教科书被全世界300多个大学采用，此书最显著的特点是将自己的研究结果编辑成书，别人的成果自己也经过实验进行了论证。他无疑是“研究型教学”的楷模。
以往，高校本科的计算机教学分为计算机专业的计算机教学和非计算机专业的计算机教学，由于两者的教学对象不同，所以教学目标和教学内容也不同。各校大多形成了一支专门从事计算机基础教学的师资队伍，许多高校计算机专业与非计算机专业的计算机教学基本处于分离状态。这种状态是不适合研究生的培养，肯定是没有生命力的。
目前，研究型大学都有较好的计算机学科和应用数学学科。特别是经过“211”和行动计划建设，各校的学科水平得到进一步加强。各校应依托和发挥计算机学科和应用数学学科优势，统筹学校的研究生计算机教学，只有这样才能真正地变“传授型教学”为“研究型教学”。
2.3将计算机与应用数学紧密结合
计算机应用是一个范畴很大的应用领域。广义地说，凡是与计算机使用相关联的领域，都可纳入计算机应用的范畴。但对于计算机应用技术学科而言，应将计算机应用于各个行业的计算机具体应用与研究计算机应用与具体领域的共性理论、方法和技术的学问区分开来。前者叫计算机具体应用，它们应该划入具体应用领域的学科，后者称为计算机应用或计算机基本应用技术，这是计算机应用技术学科的范畴。
计算机应用技术是一门发展中的前沿学科，计算机应用技术已渗透到国民经济的各个领域，并占有相当重要的地位。该学科是其他技术或学科研究的基础，对其他技术或学科的发展具有一定的支撑作用。同时，作为一门独立的学科体系，它具有其他学科所不具备的辐射渗透作用，和其他学科相互融合，带动和促进了其他学科的发展。
计算机应用技术着重研究计算机用于各个领域所涉及的共性原理、方法与技术。学科研究范围包括人工智能、计算机图形学与CAD、图像处理与模式识别、计算机视觉、多媒体应用技术、人机交互技术、计算机模拟技术、基于网络的计算机应用技术、智能控制与机器人学、管理信息系统等。
应用数学是五个数学二级学科(基础数学、计算数学、概率论与数理统计、应用数学、运筹学与控制论)中尤为重要的一个二级学科，是联系数学与自然科学、工程技术以及信息、管理、经济、金融、社会和人文科学的重要桥梁。由于它涉及的学科与专业面广，而且地位突出，在数学学科中的地位显得越来越重要。特别的，通过建立数学模型，借助于高性能计算机，使得应用数学在科学与工程技术领域中取得了令人瞩目的成就，越来越多的应用数学方法被越来越多的科学技术研究工作者所重视。
另一方面，应用数学也是数学新问题的重要来源。应用数学的研究范围非常广泛，包括建立实际对象的数学模型、利用数学方法解决实际问题、研究具有实际背景和应用前景的数学理论等。同时应用数学的发展丰富了数学学科的内涵，扩大了其外延，使数学学科不断和其他学科相互交叉和融合，产生了许多极具生命力的交叉学科和新兴学科。
作为研究型大学，应该充分发挥多学科优势，深入挖掘数学学科对工程技术、生命科学、社会科学等学科的支撑作用，以先进的数学理论和方法提升其他学科科学研究的水平。
从以上分析可以看出，研究型大学要出高水平的成果和培养高层次的人才，应建设高水平的计算机应用技术和应用数学学科，并将两学科的学术优势变为向全校师生提供高质量的教育服务及资源，从而成为研究型大学研究生计算机基础教育的根本保障。
3课程参考
研究型大学在应用数学和计算机学科中开设了大量的课程，应用数学的主要课程有微分方程稳定性理论及应用、线性控制理论、最优化方法及应用、数理统计学导论、可靠性数学理论、多元统计分析、数值代数、特殊矩阵与新型算法、矩阵谱论、模糊数学基础、计量经济学、数理经济学、模糊逻辑与神经网络。计算机应用的主要课程有人工智能导论、模式识别、数字图像处理、多媒体技术基础及应用、计算机图形学基础、计算机实时图形和动画技术、虚拟现实、现代控制技术、信息检索、电子商务平台及核心技术、数据挖掘。
从以上内容可以看出，课程纷繁复杂，让学生摸不着头绪，也没有一个教研室能开设全部的课程。为此，有必要分层次设计研究生计算机教学，便于学生学习和组织教学。以上课程主要面向本学科的学生设计，对于非本专业的学生，只能在学习了一个基本内容后，结合自己的研究方向选修以上课程。因此，必须要分析各个学科对应用数学和计算机学科的要求现状，找出基本的和共性的要求和内容，作为公共基础类课程，制订一定明确的培养要求，向全校研究生开设。
根据计算思维的观点，并结合英国SouthBank大学的Centre for Applied Methods经验，我们建议计算机公共基础类的课程分成3个层次：计算思维类、硬软件技术类、计算方法类。计算思维类的核心课程有计算思维、计算原理等。硬软件技术类的核心课程有软件技术、体系结构、计算机网络与数字系统。计算方法类的核心课程有数学模型方法、科学计算、数值分析、新算法。
计算思维、计算原理主要讲授计算的核心概念及应用方式。软件技术包括面向对象程序设计、软件开发方法学、分布式计算，力图使学生熟练地掌握面向对象的开发方式，为今后从事研究工作的数字实验及开发本领域的系统打下基础。除此之外，学生可选修一些学科的专题课程，例如嵌入式软件的开发、可视计算等。体系结构、计算机网络与数字系统包括计算机、网络、数字系统的工作原理、系统构建方式等。数学模型方法包括形式化方法(逻辑、代数、可计算函数)，可视化方法及方法对应的工具软件。科学计算包括矩阵计算、符号计算、数值常微分方程、数值偏微分方程、有限元法、矩阵演算。数值分析包括数值分析方法及工具，是计算机处理科学研究和工程技术研究的重要内容，而对于理、工、经济、管理、医学等学科，精确的数值分析技术是提高科研水平的重
要基础。新算法包括遗传及进化计算、神经网络、统计学习算法等新型计算和优化方法。
课程应遵循以数学方法为体，计算工具为用这一指导原则。通过以上课程的学习，学生可以建立系统工程的思想，掌握基本的数学方法，熟练使用数学软件工具，独立地研究自己专用的算法或数学软件工具。
4结语
总之，非计算机专业学生的计算机教学应结合特定专业具体案例，这样学习效果更好，学生更容易接受。理工科专业研究生对数值计算、数值分析方法及工具等课程很感兴趣，而经济、管理以及少量法学专业的学生选择经济统计与分析软件应用课程，这就对课程案例设计提出了很高的要求。对于同一课程，不同学科有不同的能力要求，因此在制定知识体系、课程指引、能力要求报告时，都必须参考各科具体情况，体现学科特性。在此基础上寻找学科共性，培养学生的计算思维，通过教学案例使学生学会常用工具，并学会用计算思维解决工程问题。
参考文献：
[1] 富春岩. 非计算机专业研究生计算机教学的研究[J]. 计算机教育,2006(6):38-40.
[2] 李未. 对新形势下我国计算机教育发展的思考[R]. 福州:第四届全国计算机教育论坛,2008.
[3] 董荣胜,古天龙. 计算思维与计算机方法论[J]. 计算机科学,2009(1):1-4.
[4] 周以真. 计算思维[C]//中国科学技术协会学会学术部. 新观点新学说学术沙龙文集⑦教育创新与创新人才培养. 北京:中国科学技术出版社,2007:83-85.
Study of Computer Learning Problems
——Aiming at Non-computer Major Graduates in Research Universities
LI Bo, FENG Boqin, HAN Lina
(School of Electronic & Information Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 711049, China)
Abstract: The authors present some issues and recommendations to the status and development of computer teaching about non-computer major graduate students, then propose some new basic requirements of computer teaching and curriculum framework for non-computer major graduate students. These views can be used as reference of future computer teaching reform about non-computer major post-graduate.
Key words: non-computer major; computer teaching; curricular system
(编辑：张玥)
相关热词搜索： 探讨 研究生 计算机教学
