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摘 要：针对我国大学教学主要关注传授专业知识的现状，研究了在高校专业课教学中融入科学思维训练以有效地培养学生能力素质的问题。提出了基于科学思维的教学法模型，设计了“预习-课堂讨论-实验验证-网上讨论”的训练环节，研究了处理课程知识点和探究性问题关系以及利用技术手段对课程进行全过程管理等问题。教学实践表明，计算机网络课程的科学思维训练的确能够激发学生的学习热情和创新精神。
关键词：计算机网络；科学思维；课程；教学法
高校学习的主要形式是课程学习，课程学习是学生在教师指导下高效系统地理解和掌握已有知识的过程，课程学习为在新领域或更高层次探究新知识奠定了良好基础。传授知识与培养科学思维能力相结合，才能提高人才的素质。因此在课程教学中，要以培养学生科学思维能力为目的，实现在思维训练中学习知识，在学习知识中挖掘科学思维本身，将科学思维训练融合在高校专业课教学的各个环节，才能有效地提高受教育者的能力和素质。
一、基于科学思维的教学法
科学思维有四大要素：科学知识、科学思想、科学精神和科学方法[1]。科学知识是科学思维的基础，科学思想是科学思维的灵魂，科学精神是科学思维的动力，科学方法是科学思维的工具。
简单地说，科学思维就是一种基于实证的思维方式，是一种建立在事实和逻辑基础上的理性思考。科学思维要求尊重事实和遵循逻辑，它包括以下内涵：（1）相信客观知识的存在，并愿意通过自己的探究活动去认识客观世界。（2）对于未知的事物会做出猜想，并知道主观的猜想是需要客观事实来证明的。（3）相信事实，只有在全面地考察事实之后才会做出结论。（4）通过对事实进行合乎逻辑的推理而得出结论——任何结论都是暂时性的，结论也可能被新的事实所推翻。为了培养学生的科学思维能力，我们认为应当注重三个关键性的实践要点：对问题猜想，用事实验证和能理性思考。
我们将基于科学思维的教学法定义为“课程知识点”、“探究性问题”、“师生互动”和“注重科学精神”这些要素的综合作用。
从宏观上讲，要完成好一门课程的教学任务，使学生系统地理解和掌握该课程的知识点是必须的，因此“课程知识点”是任何一门课程的公共要素。设置的“探究性问题”，使学生有机会在教学中多次实践科学思维和科学方法。“师生互动”也是任何课程所必需的，只是不同课程的互动形式和程度不同而已，好的教师都非常注重与学生交互，以设法吸引学生注意力，激发学生学习热情。不过在基于科学思维模式的教学中，围绕知识的发现、验证和思考过程却需要精心设计师生的交互。“注重科学精神”要求在课程中要弘扬科学精神，在教学过程激励学生发现问题并用科学精神克服学习中困难。
二、课程设计：基于科学思维的教学法应用于计算机网络课程
计算机网络是现代社会的基础设施之一，上网操作已经成为现代人必备的能力，开设对应课程尤为必要。计算机网络（原理）课程（以下简称“网络课”）是一门各高校、各信息类和相关专业普遍开设的专业基础课或专业课。“网络课”学生受众广泛，该课程的教学改革每年将使超过80万的高校学生受益，收效显著。网络技术的飞速发展为在“网络课”教学中进行科学思维训练提供了丰富的内容，“网络课”内容快速更新使得从技术发明到进入课堂的周期往往不到两年，这为以发现知识的方式传授专业知识提供了可能。
在实践中，在“网络课”实施基于科学思维的教学法可以用猜想、验证和思考三个步骤实施。在预习环节，让学生进行猜想；在课堂环节，通过讲授知识点和用实验培养能力进行验证；在课后环节，启发学生深入思考。其中有许多问题需要研究解决。
1.“课程知识点”与“探究性问题”的关系。让学生掌握好该课程的知识点仍是第一位的。“网络课”中的知识点很多，不可能每个都用作科学思维训练，否则无法保证教学秩序。为此，我们在每章选择一个核心知识点用做科学思维训练，这样探究性问题的数量大致为5～6个。这在课堂上可以数次重复使用科学方法来进行科学思维训练。探究性学习对象的选择非常重要，教师根据教学目标围绕课程中的某个知识点展开。所提出的问题要有启发性、要能引起学生的深入思考，这是探究性学习能否取得效果乃至成败的关键，这类问题必须由教师提出。
2.“师生互动”是关键。基于科学思维的教学法既要重视发挥教师在教学过程中的主导作用，也要充分发挥学生在教学过程中的主体地位。这就要求学生在教师的指导下，通过对选定的核心知识点进行自主学习、深入探究并以小组形式合作交流，以较好地达到认知目标与情感目标要求统一的要求。围绕探究性问题教师和学生的互动越频繁、有效，知识迁移和能力扩展就可能越主动和高效[2]。
良好的师生互动，能够鼓励学生主动参与教学活动全过程，真正将课堂还给学生。其中设计的“预习-课堂讨论-实验验证-网上讨论”的训练环节，激励学生自主学习，保证科学思维训练有效展开。预习环节要求学生针对特定问题进行思考，并将思考结果写成预习作业。课堂讨论环节要求每个学习小组进行讨论后派代表发言。实验环节要求每名学生都要用实验验证并撰写报告。网上讨论环节是选项，为学生（特别是优秀学生）提供更多深入思考并发表个人见解的机会。
教师必须对探究过程进行精心设计，为学生个人（或学习小组）进行探究的过程提供多方面的帮助与指导，包括探究所必需的资料、软件和系统等相关教学资源。否则将会挫伤学生们的学习信心与学习积极性，使学习效果打折扣，甚至完全落空。每次探究过程完成后，先由学生（或学习小组）做总结。但学生毕竟是初学者，总结难免有片面甚至错误之处，通过全班的讨论交流，集思广益、取长补短，在一定程度上可以克服这些片面甚至错误之处；教师的高屋建瓴的能力，才能对所学的知识点从感性认识上升至理性认识[3]。
为了保证教学效果一致性和强化学生沟通协作的能力，可以让3～5名学生成立一个学习小组，以交流协作和相互督促的方式从事预习、准备课堂讨论发言、收集网络资料、讨论学习重难点和交流学习方法等活动。在此过程中，学生们的主动性、积极性乃至创造性都能普遍地得到比较充分的发挥。因而这种教学模式不仅可以较深入地达到对知识技能的理解与掌握，更有利于创新思维与创新能力的形成与发展，即有利于创新人才的培养。 3.在课程中注重弘扬科学精神。结合知识点的探究式学习，回顾科学家探索网络知识的过程，向学生宣讲他们的理性怀疑、实践求真、开拓进取和团结协作的精神。思想得到升华，科学思维才能更为主动和积极。在教学设计上，对每个猜想都要通过实验进行验证，这也提高了学生实践能力和实验技能。
4.用先进的技术手段对课程进行全过程管理。教师能够胜任并支持课程改革，是教学改革成功的前提。同时，教学改革不能以教师超负荷投入和挤占学生其他课程时间为代价，这就需要高效率、可持续发展的教学改革工作方式。解决这一问题的关键，在于提供一套能够支持基于科学思维教学法的教学支撑平台。借助于该平台，教师们能够迅速掌握先进的教学方法和理念，提升自己的能力与教学水平，引导学生按设计的流程进行课程教学活动，保证教学改革的质量。
上述教学支撑平台基于网络信息技术，支持对课程教学实施全程管理。平台集成了对教学模式改革的成果，将课程知识教学与训练学生的科学思维有机结合，并在课前猜想、课中研讨/实验验证、课后论坛提高各个环节进行固化。平台集成了先进的课程过程计分方式，引导学生主动参与教学的各个过程，给积极参与的学生以奖励。例如，计分规则应当考虑如下教学环节因素：课堂与网络讨论、预习、实验、作业和理论（闭卷考试）。平台提供优质教学资源和交流平台，便于教师提升课程教学水平和定制个性化的教学模式。
三、教学案例
下面以“网络课”中教学难点“路由选择协议”为例，介绍“预习-课堂讨论-实验验证-网上讨论”各个训练环节对学生进行科学思维训练的过程。
1.预习环节。在上课前2周布置预习作业并提供一些参考资料，要求学生思考如下图所示的网络场景。设想自己和其他同学是图中的某个路由器，若自己只知道与自己相邻的网络，并且自己能与邻居互相交流信息。你能否最终知道该网络的所有情况，从而能选择一条到达目的地的最短路径？如果你能够知道整个网络的连接情况，是否可以用其他方法得到到达目的地的最短路径？除了每名同学作预习作业外，每个学习小组在课前还要提交一份供课堂讨论用的PPT课件。
路由选择教学场景图
2.课堂讨论。教师挑选2～3份有代表性的课件，安排学生在课堂宣讲，然后请学生自由发言。因为事先作了准备，学生们会提出很多不同方案，例如，对于只知道与相邻网络的情况，学生给出了如下方案：通过不断与邻居交流信息来得知所有的网络，用洪泛法发送路径发现分组来发现路径。讨论时，教师一方面要肯定学生的大胆猜想，鼓励进行发散思维和创新思维，让他们敢于将想到的东西讲出来；另一方面，要对学生所提方案中的利弊加以分析，让他们发现自己方案的不足，引导学生自己得出正确结论。为使讨论更加充分，课前让其他学习小组研究发言小组的观点，准备一些有深度的问题。实践表明，课堂讨论能够激发学生学习热情，使他们较好地掌握网络选路这个教学难点。同时，又把如何将选路扩展到更大规模网络环境这个问题，作为了一个新的思考点。
3.实验验证。我们基于思科公司的网络仿真工具PacketTracer设计了一组路由选择协议实验，要求学生配置路由器的RIP和OSPF协议，并观察路由选择协议的工作过程，记录报文交换的内容，观察链路状态变化后两种协议收敛的过程，从而验证了理论学习的知识，增强了学以致用的能力。
4.网上讨论。我们留给学生的课后思考题是：用水平分割来解决无穷计数问题是否还存在问题？原因是什么？从路由器间通告报文上考虑如何能解决该问题？这些有一定深度的思考题对于提升优秀学生思维能力尤为重要，我们鼓励学有余力的学生通过网上课程BBS进行开放式交流研讨，教师可以加以适当引导，使得优等生进一步受到更多的科学思维训练。
参考文献：
[1] 鲍健强. 科学思维与科学方法[M]. 贵阳：贵州科技出版社，2002.
[2] 何克抗，吴娟. 信息技术与课程整合的教学模式研究之三——“探究性”教学模式[J]. 现代教育技术，2008（9）.
[3] 牟琴，谭良. 基于计算思维的探究教学模式研究[J]. 中国远程教育，2010（11）.
[本文得到科技部创新方法工作专项项目“基于科学思维模式的计算机网络课程的建设与创新”资助]
[责任编辑：余大品]
关键词：计算机网络；科学思维；课程；教学法
高校学习的主要形式是课程学习，课程学习是学生在教师指导下高效系统地理解和掌握已有知识的过程，课程学习为在新领域或更高层次探究新知识奠定了良好基础。传授知识与培养科学思维能力相结合，才能提高人才的素质。因此在课程教学中，要以培养学生科学思维能力为目的，实现在思维训练中学习知识，在学习知识中挖掘科学思维本身，将科学思维训练融合在高校专业课教学的各个环节，才能有效地提高受教育者的能力和素质。
一、基于科学思维的教学法
科学思维有四大要素：科学知识、科学思想、科学精神和科学方法[1]。科学知识是科学思维的基础，科学思想是科学思维的灵魂，科学精神是科学思维的动力，科学方法是科学思维的工具。
简单地说，科学思维就是一种基于实证的思维方式，是一种建立在事实和逻辑基础上的理性思考。科学思维要求尊重事实和遵循逻辑，它包括以下内涵：（1）相信客观知识的存在，并愿意通过自己的探究活动去认识客观世界。（2）对于未知的事物会做出猜想，并知道主观的猜想是需要客观事实来证明的。（3）相信事实，只有在全面地考察事实之后才会做出结论。（4）通过对事实进行合乎逻辑的推理而得出结论——任何结论都是暂时性的，结论也可能被新的事实所推翻。为了培养学生的科学思维能力，我们认为应当注重三个关键性的实践要点：对问题猜想，用事实验证和能理性思考。
我们将基于科学思维的教学法定义为“课程知识点”、“探究性问题”、“师生互动”和“注重科学精神”这些要素的综合作用。
从宏观上讲，要完成好一门课程的教学任务，使学生系统地理解和掌握该课程的知识点是必须的，因此“课程知识点”是任何一门课程的公共要素。设置的“探究性问题”，使学生有机会在教学中多次实践科学思维和科学方法。“师生互动”也是任何课程所必需的，只是不同课程的互动形式和程度不同而已，好的教师都非常注重与学生交互，以设法吸引学生注意力，激发学生学习热情。不过在基于科学思维模式的教学中，围绕知识的发现、验证和思考过程却需要精心设计师生的交互。“注重科学精神”要求在课程中要弘扬科学精神，在教学过程激励学生发现问题并用科学精神克服学习中困难。
二、课程设计：基于科学思维的教学法应用于计算机网络课程
计算机网络是现代社会的基础设施之一，上网操作已经成为现代人必备的能力，开设对应课程尤为必要。计算机网络（原理）课程（以下简称“网络课”）是一门各高校、各信息类和相关专业普遍开设的专业基础课或专业课。“网络课”学生受众广泛，该课程的教学改革每年将使超过80万的高校学生受益，收效显著。网络技术的飞速发展为在“网络课”教学中进行科学思维训练提供了丰富的内容，“网络课”内容快速更新使得从技术发明到进入课堂的周期往往不到两年，这为以发现知识的方式传授专业知识提供了可能。
在实践中，在“网络课”实施基于科学思维的教学法可以用猜想、验证和思考三个步骤实施。在预习环节，让学生进行猜想；在课堂环节，通过讲授知识点和用实验培养能力进行验证；在课后环节，启发学生深入思考。其中有许多问题需要研究解决。
1.“课程知识点”与“探究性问题”的关系。让学生掌握好该课程的知识点仍是第一位的。“网络课”中的知识点很多，不可能每个都用作科学思维训练，否则无法保证教学秩序。为此，我们在每章选择一个核心知识点用做科学思维训练，这样探究性问题的数量大致为5～6个。这在课堂上可以数次重复使用科学方法来进行科学思维训练。探究性学习对象的选择非常重要，教师根据教学目标围绕课程中的某个知识点展开。所提出的问题要有启发性、要能引起学生的深入思考，这是探究性学习能否取得效果乃至成败的关键，这类问题必须由教师提出。
2.“师生互动”是关键。基于科学思维的教学法既要重视发挥教师在教学过程中的主导作用，也要充分发挥学生在教学过程中的主体地位。这就要求学生在教师的指导下，通过对选定的核心知识点进行自主学习、深入探究并以小组形式合作交流，以较好地达到认知目标与情感目标要求统一的要求。围绕探究性问题教师和学生的互动越频繁、有效，知识迁移和能力扩展就可能越主动和高效[2]。
良好的师生互动，能够鼓励学生主动参与教学活动全过程，真正将课堂还给学生。其中设计的“预习-课堂讨论-实验验证-网上讨论”的训练环节，激励学生自主学习，保证科学思维训练有效展开。预习环节要求学生针对特定问题进行思考，并将思考结果写成预习作业。课堂讨论环节要求每个学习小组进行讨论后派代表发言。实验环节要求每名学生都要用实验验证并撰写报告。网上讨论环节是选项，为学生（特别是优秀学生）提供更多深入思考并发表个人见解的机会。
教师必须对探究过程进行精心设计，为学生个人（或学习小组）进行探究的过程提供多方面的帮助与指导，包括探究所必需的资料、软件和系统等相关教学资源。否则将会挫伤学生们的学习信心与学习积极性，使学习效果打折扣，甚至完全落空。每次探究过程完成后，先由学生（或学习小组）做总结。但学生毕竟是初学者，总结难免有片面甚至错误之处，通过全班的讨论交流，集思广益、取长补短，在一定程度上可以克服这些片面甚至错误之处；教师的高屋建瓴的能力，才能对所学的知识点从感性认识上升至理性认识[3]。
为了保证教学效果一致性和强化学生沟通协作的能力，可以让3～5名学生成立一个学习小组，以交流协作和相互督促的方式从事预习、准备课堂讨论发言、收集网络资料、讨论学习重难点和交流学习方法等活动。在此过程中，学生们的主动性、积极性乃至创造性都能普遍地得到比较充分的发挥。因而这种教学模式不仅可以较深入地达到对知识技能的理解与掌握，更有利于创新思维与创新能力的形成与发展，即有利于创新人才的培养。 3.在课程中注重弘扬科学精神。结合知识点的探究式学习，回顾科学家探索网络知识的过程，向学生宣讲他们的理性怀疑、实践求真、开拓进取和团结协作的精神。思想得到升华，科学思维才能更为主动和积极。在教学设计上，对每个猜想都要通过实验进行验证，这也提高了学生实践能力和实验技能。
4.用先进的技术手段对课程进行全过程管理。教师能够胜任并支持课程改革，是教学改革成功的前提。同时，教学改革不能以教师超负荷投入和挤占学生其他课程时间为代价，这就需要高效率、可持续发展的教学改革工作方式。解决这一问题的关键，在于提供一套能够支持基于科学思维教学法的教学支撑平台。借助于该平台，教师们能够迅速掌握先进的教学方法和理念，提升自己的能力与教学水平，引导学生按设计的流程进行课程教学活动，保证教学改革的质量。
上述教学支撑平台基于网络信息技术，支持对课程教学实施全程管理。平台集成了对教学模式改革的成果，将课程知识教学与训练学生的科学思维有机结合，并在课前猜想、课中研讨/实验验证、课后论坛提高各个环节进行固化。平台集成了先进的课程过程计分方式，引导学生主动参与教学的各个过程，给积极参与的学生以奖励。例如，计分规则应当考虑如下教学环节因素：课堂与网络讨论、预习、实验、作业和理论（闭卷考试）。平台提供优质教学资源和交流平台，便于教师提升课程教学水平和定制个性化的教学模式。
三、教学案例
下面以“网络课”中教学难点“路由选择协议”为例，介绍“预习-课堂讨论-实验验证-网上讨论”各个训练环节对学生进行科学思维训练的过程。
1.预习环节。在上课前2周布置预习作业并提供一些参考资料，要求学生思考如下图所示的网络场景。设想自己和其他同学是图中的某个路由器，若自己只知道与自己相邻的网络，并且自己能与邻居互相交流信息。你能否最终知道该网络的所有情况，从而能选择一条到达目的地的最短路径？如果你能够知道整个网络的连接情况，是否可以用其他方法得到到达目的地的最短路径？除了每名同学作预习作业外，每个学习小组在课前还要提交一份供课堂讨论用的PPT课件。
路由选择教学场景图
2.课堂讨论。教师挑选2～3份有代表性的课件，安排学生在课堂宣讲，然后请学生自由发言。因为事先作了准备，学生们会提出很多不同方案，例如，对于只知道与相邻网络的情况，学生给出了如下方案：通过不断与邻居交流信息来得知所有的网络，用洪泛法发送路径发现分组来发现路径。讨论时，教师一方面要肯定学生的大胆猜想，鼓励进行发散思维和创新思维，让他们敢于将想到的东西讲出来；另一方面，要对学生所提方案中的利弊加以分析，让他们发现自己方案的不足，引导学生自己得出正确结论。为使讨论更加充分，课前让其他学习小组研究发言小组的观点，准备一些有深度的问题。实践表明，课堂讨论能够激发学生学习热情，使他们较好地掌握网络选路这个教学难点。同时，又把如何将选路扩展到更大规模网络环境这个问题，作为了一个新的思考点。
3.实验验证。我们基于思科公司的网络仿真工具PacketTracer设计了一组路由选择协议实验，要求学生配置路由器的RIP和OSPF协议，并观察路由选择协议的工作过程，记录报文交换的内容，观察链路状态变化后两种协议收敛的过程，从而验证了理论学习的知识，增强了学以致用的能力。
4.网上讨论。我们留给学生的课后思考题是：用水平分割来解决无穷计数问题是否还存在问题？原因是什么？从路由器间通告报文上考虑如何能解决该问题？这些有一定深度的思考题对于提升优秀学生思维能力尤为重要，我们鼓励学有余力的学生通过网上课程BBS进行开放式交流研讨，教师可以加以适当引导，使得优等生进一步受到更多的科学思维训练。
参考文献：
[1] 鲍健强. 科学思维与科学方法[M]. 贵阳：贵州科技出版社，2002.
[2] 何克抗，吴娟. 信息技术与课程整合的教学模式研究之三——“探究性”教学模式[J]. 现代教育技术，2008（9）.
[3] 牟琴，谭良. 基于计算思维的探究教学模式研究[J]. 中国远程教育，2010（11）.
[本文得到科技部创新方法工作专项项目“基于科学思维模式的计算机网络课程的建设与创新”资助]
[责任编辑：余大品]