ACM競賽驅(qū)動的程序設(shè)計類課程教學(xué)改革研究

陶小梅++黎辛?xí)?/p>

摘 要：為培養(yǎng)學(xué)生較高水平的程序設(shè)計能力和創(chuàng)新能力，該文探討了將ACM競賽引入程序設(shè)計類課程教學(xué)的方法，以ACM賽題為案例，驅(qū)動理論課講授，培養(yǎng)學(xué)生的抽象建模思維和邏輯思維，通過使用ACM在線評判系統(tǒng)OJ，將教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)從實(shí)驗(yàn)課堂延伸到課外，加強(qiáng)學(xué)生在綜合運(yùn)用知識解決實(shí)際應(yīng)用問題方面的編程訓(xùn)練。

關(guān)鍵詞：ACM競賽 程序設(shè)計 教學(xué)教改

中圖分類號：TP3-4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）05（a）-0146-02

程序設(shè)計類課程是計算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)計劃中一系列與程序設(shè)計相關(guān)的核心課程，主要有C語言程序設(shè)計、C++面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計、Java程序設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法設(shè)計與分析等，一般以專業(yè)基礎(chǔ)課或?qū)I(yè)課的形式開設(shè)。程序設(shè)計類課程的教學(xué)效果，直接影響了人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，在一定程度上決定了所培養(yǎng)的專業(yè)人才素質(zhì)水平的高低，因此，各個學(xué)校普遍都很重視程序設(shè)計類課程的教學(xué)和教學(xué)建設(shè)。

然而，程序設(shè)計類課程由于理論性和實(shí)踐性都比較強(qiáng)、學(xué)習(xí)難度大等特點(diǎn)，使得在教學(xué)過程中一直存在著較多的問題。一方面，程序設(shè)計教材偏重于語法和小型例題講解，使得學(xué)生在根據(jù)實(shí)際問題建立模型和設(shè)計算法方面的抽象思維訓(xùn)練不夠，很多學(xué)生能掌握程序設(shè)計的基本方法，但程序設(shè)計的水平并不高。另一方面，模塊式實(shí)驗(yàn)項目的實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置，使學(xué)生在綜合運(yùn)用知識解決實(shí)際問題方面的鍛煉不足，加上實(shí)驗(yàn)課時的限制，因練習(xí)和投入時間的不夠，也影響了學(xué)生程序設(shè)計能力的培養(yǎng)和提高。

在程序設(shè)計類課程教學(xué)中引入ACM競賽模式，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方式的這些不足，促進(jìn)學(xué)生程序設(shè)計能力和創(chuàng)新能力的提高。

ACM / ICPC （Association for Computing Machinery / International Collegiate Programming Contest）國際大學(xué)生程序設(shè)計競賽，由計算機(jī)界具有悠久歷史的權(quán)威性組織機(jī)構(gòu)ACM學(xué)會主辦，是世界上公認(rèn)的規(guī)模最大、水平最高、參與人數(shù)最多的大學(xué)生程序設(shè)計類競賽[1]。

1 以ACM競賽題目驅(qū)動理論教學(xué)

首先，教師在課堂上將ACM賽事活動推介給學(xué)生。通過對競賽的了解、練習(xí)和參與，讓學(xué)生體會到學(xué)習(xí)的成就感，激發(fā)學(xué)生對程序設(shè)計的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動機(jī)，并且更明確課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)，以高水平的程序設(shè)計能力標(biāo)準(zhǔn)要求自己。

其次，教師在理論課授課時，引入ACM競賽內(nèi)容，可以挑選與授課內(nèi)容知識點(diǎn)相關(guān)的典型競賽題作為案例驅(qū)動教學(xué)，進(jìn)行教學(xué)設(shè)計。ACM的賽題，題目類型廣泛，涉及的知識面相對較廣，一般是針對實(shí)際應(yīng)用問題而設(shè)計[2]，有一定的問題背景描述，對算法和程序的要求隱藏在背景中，因此，需要對實(shí)際問題進(jìn)行分析建模，才能明確問題和梳理出算法思路。通過賽題的分析和算法設(shè)計過程的講解，引導(dǎo)學(xué)生在抽象思維方面的訓(xùn)練，使學(xué)生把程序設(shè)計學(xué)習(xí)的重點(diǎn)更多地放在分析問題、抽象建模和算法設(shè)計等方面，而不是僅僅關(guān)注語法的學(xué)習(xí)。

通過將典型競賽題目嵌入到理論教學(xué)，既帶動相關(guān)語法的講解，也引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行抽象建模和邏輯思維方面的鍛煉。同時，以有實(shí)際問題背景的ACM賽題做授課案例，讓學(xué)生看到通過編程得到了實(shí)際問題的解決結(jié)果，看到了程序設(shè)計的廣闊應(yīng)用前景，增強(qiáng)了學(xué)生對它的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動力，變被動學(xué)習(xí)為發(fā)自內(nèi)心的渴望求知的主動學(xué)習(xí)。

在作為教學(xué)案例的賽題選取上，一方面注重賽題的有趣性和實(shí)用性；另一方面，要注意題目對知識點(diǎn)的覆蓋，以及難度適中。應(yīng)當(dāng)選取中等難度或難度稍微偏上的例子，以此向?qū)W生展示，相對復(fù)雜問題的分析建模和算法設(shè)計過程，既強(qiáng)化學(xué)生在程序設(shè)計思維方面的訓(xùn)練，也激發(fā)學(xué)生的好奇心和挑戰(zhàn)困難的學(xué)習(xí)興趣。

除了抽象思維和邏輯思維方面的訓(xùn)練，也注意引導(dǎo)學(xué)生在猜想與驗(yàn)證和逆向思維方面的訓(xùn)練。每道ACM賽題都有嚴(yán)格的題目形式，包括問題描述、輸入樣例和輸出樣例[2]。詳細(xì)的題目輸出樣例，方便用于向?qū)W生展示逆向思維的問題求解分析方法，引導(dǎo)學(xué)生可以根據(jù)輸出結(jié)果要求，逆向推理及猜想可能的算法，并對設(shè)計的算法進(jìn)行靜態(tài)運(yùn)行的結(jié)果驗(yàn)證。這些都是高水平程序設(shè)計者需要鍛煉和培養(yǎng)的基本能力和素質(zhì)，要在這方面對學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)和認(rèn)識上的意識強(qiáng)化。

2 以ACM在線系統(tǒng)競驅(qū)動實(shí)踐教學(xué)

程序設(shè)計類課程是實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，一般都包括了一定學(xué)時的實(shí)驗(yàn)課時。但傳統(tǒng)的基于單元知識點(diǎn)設(shè)計的實(shí)驗(yàn)題目，在實(shí)際應(yīng)用價值、難度及綜合性等方面往往不夠，滿足不了一些基礎(chǔ)和水平較好的學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，影響了學(xué)生在實(shí)踐環(huán)節(jié)高水平程序設(shè)計能力培養(yǎng)方面的鍛煉?？梢詮腁CM題庫中選取難度各異、知識點(diǎn)相關(guān)的、有一定實(shí)際應(yīng)用價值的題目，讓學(xué)生上機(jī)時完成，以適應(yīng)不同層次水平的學(xué)生的需求。

再者，傳統(tǒng)模式的實(shí)驗(yàn)課，學(xué)生練習(xí)成果的檢查對教師是個問題。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課中，教師主要靠查看程序運(yùn)行結(jié)果和閱讀程序的方式檢查學(xué)生程序設(shè)計的正確性，不僅花費(fèi)時間大，而且由于思維慣性，容易導(dǎo)致誤判與參考答案不同的程序設(shè)計算法。針對這些問題，可以在實(shí)踐環(huán)節(jié)引入ACM的在線評判系統(tǒng)做實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺。

ACM競賽經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)外出現(xiàn)了很多優(yōu)秀的Online Judge（簡稱OJ）系統(tǒng)。國內(nèi)比較知名的OJ系統(tǒng)有北京大學(xué)的POJ、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的HOJ、浙江大學(xué)ZOJ等；國外比較知名的系統(tǒng)有OJ SGU、UVa Online Judge等。OJ系統(tǒng)集成實(shí)時評判、答題統(tǒng)計、排名等功能[3]。

教師要求每個學(xué)生在OJ系統(tǒng)上注冊自己的賬號，上課時，讓學(xué)生登錄系統(tǒng)，在規(guī)定的時間內(nèi)完成指定范圍內(nèi)的題目，并提交結(jié)果。OJ對提交程序的實(shí)時評判，包括程序結(jié)果的正確性、運(yùn)行時間、占用內(nèi)存資源和輸出格式的判別。學(xué)生可以通過OJ系統(tǒng)，查看評判結(jié)果以及程序運(yùn)行效率，以及根據(jù)這些反饋信息對程序進(jìn)一步改進(jìn)。教師也可以通過OJ系統(tǒng)查看學(xué)生做題數(shù)量和正確率，以了解學(xué)生的學(xué)習(xí)掌握程度。同時，通過ACM在線系統(tǒng)，可以將課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)從課堂延伸到課外，鼓勵學(xué)生利用課余時間，多做競賽題目練習(xí)。

ACM在線系統(tǒng)還提供了針對賽題的討論交流功能，學(xué)生可以在上面找到對編程興趣愛好濃厚的“志同道合”者，對練習(xí)過程中碰到的難題能及時地交流和討論，或參考借鑒別人程序的思路，在一定程度上，降低了學(xué)習(xí)的難度。通過在程序愛好者中的交流與分享自己的學(xué)習(xí)成果，也讓學(xué)生收獲了成就感，增強(qiáng)了學(xué)生的信心，激發(fā)更濃厚的學(xué)習(xí)興趣。ACM在線系統(tǒng)的運(yùn)用，也解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)由于課時少，學(xué)生人數(shù)多，問題多，學(xué)生碰到難題被卡住時，不能及時得到老師指導(dǎo)的問題。

通過加入ACM競賽內(nèi)容的實(shí)踐環(huán)節(jié)訓(xùn)練，使學(xué)生具備扎實(shí)的編程基礎(chǔ)和較高水平的編程能力，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的IT人才培養(yǎng)目標(biāo)，在以后工作的實(shí)際應(yīng)用中，碰到大型復(fù)雜程序設(shè)計問題時，能厚積薄發(fā)，自如地將所學(xué)專業(yè)知識綜合運(yùn)用發(fā)揮，快速的解決問題，適應(yīng)專業(yè)的工作需要。

3 結(jié)語

在程序設(shè)計類課程中引入ACM競賽內(nèi)容，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)。以ACM賽題驅(qū)動理論課講授和實(shí)踐環(huán)節(jié)，可改變傳統(tǒng)講授方式中對學(xué)生在抽象建模和邏輯思維方面訓(xùn)練引導(dǎo)不足的問題。大量的賽題練習(xí)，促使學(xué)生打下扎實(shí)的編程基礎(chǔ)，對高水平的程序設(shè)計人才的培養(yǎng)有積極的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 于世華，王榮芝.ACM競賽探討與技能型人才的培養(yǎng)[J].大學(xué)教育，2015（2）：113-117.

[2] 朱月秀.基于ACM競賽的C++程序設(shè)計課程教學(xué)改革[J].漳州師范學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2012（1）：113-117.

[3] 李環(huán).基于ACM 競賽的程序設(shè)計類課程教學(xué)改革研究[J].計算機(jī)教育，2016（3）：115-117.