“算法設(shè)計(jì)與分析”“以賽勵(lì)教、以賽督學(xué)”教學(xué)模式探討

王金艷

摘 要：文章針對(duì)“算法設(shè)計(jì)與分析”課程中存在的學(xué)生熱情不高、利用算法解決實(shí)際問題能力欠缺、課程考試成績(jī)與實(shí)際水平不符等諸多問題，在程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽受到高度重視的背景下，從課堂教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、課程考核和課外活動(dòng)等方面進(jìn)行改革，建立“以賽勵(lì)教、以賽督學(xué)”的教學(xué)模式，激勵(lì)教師提升自身知識(shí)和教學(xué)能力，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力以及利用算法解決實(shí)際問題的能力，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的合作和表達(dá)能力。

關(guān)鍵詞：程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽；算法設(shè)計(jì)與分析；教學(xué)模式

算法被譽(yù)為計(jì)算機(jī)學(xué)科的靈魂，無論是計(jì)算科學(xué)還是計(jì)算實(shí)踐，算法都在其中扮演著重要角色[1-2]。算法是計(jì)算機(jī)科學(xué)研究的重要分支，更是支撐計(jì)算機(jī)科學(xué)大廈的核心和基石，沒有算法就沒有計(jì)算機(jī)程序，也就沒有現(xiàn)在蓬勃發(fā)展的信息技術(shù)[3]?！八惴ㄔO(shè)計(jì)與分析”課程是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，在國(guó)內(nèi)外各大高校計(jì)算機(jī)專業(yè)課中處于核心地位。該課程要求學(xué)生具備扎實(shí)的數(shù)學(xué)能力以及良好的程序設(shè)計(jì)語言和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，通過系統(tǒng)學(xué)習(xí)算法設(shè)計(jì)和分析的原理和方法，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)算法和正確分析算法計(jì)算復(fù)雜性的能力，從而提高學(xué)生用算法解決實(shí)際問題的能力，這為學(xué)生將來從事計(jì)算機(jī)相關(guān)行業(yè)的研究與開發(fā)工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。如何有效地激發(fā)學(xué)生的熱情，促進(jìn)學(xué)生對(duì)算法設(shè)計(jì)和分析方法的理解和掌握，提升學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，一直是“算法設(shè)計(jì)與分析”課程面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。

1 “算法設(shè)計(jì)與分析”課程教學(xué)中存在的問題

課堂教學(xué)活動(dòng)不僅是教師傳授知識(shí)的過程，也是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用算法設(shè)計(jì)的思想解決實(shí)際問題的過程。有效地組織課堂教學(xué)活動(dòng)，對(duì)提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，提升學(xué)生對(duì)知識(shí)的靈活運(yùn)用有重要的影響。但是目前我校計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院對(duì)“算法設(shè)計(jì)與分析”課程教學(xué)仍然采用以教師為中心的傳統(tǒng)教學(xué)結(jié)構(gòu)，因而存在諸多問題，具體表現(xiàn)如下。

1.1 教學(xué)方法落后，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情不高

目前“算法設(shè)計(jì)與分析”課程教學(xué)大多仍采取傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)方法，即使運(yùn)用了多媒體教學(xué)設(shè)備，也只是把理論知識(shí)進(jìn)行了演示，這種滿堂灌的教學(xué)手段導(dǎo)致學(xué)生上課不能積極思考，不能主動(dòng)參與到教學(xué)環(huán)節(jié)中來，學(xué)習(xí)的積極性不高。另外，在有限的實(shí)驗(yàn)課時(shí)中，只是實(shí)現(xiàn)已有的算法，很少考慮數(shù)據(jù)的規(guī)模和運(yùn)行的效率等問題，因此很難達(dá)到訓(xùn)練的效果。

1.2 不能靈活運(yùn)用算法解決實(shí)際問題

“算法設(shè)計(jì)與分析”課程內(nèi)容相對(duì)較散，設(shè)計(jì)方法之間聯(lián)系不大，學(xué)生很難較好地掌握每個(gè)方法的不同特點(diǎn)以及相互關(guān)系[4]，而且每個(gè)方法均以經(jīng)典問題來講解算法設(shè)計(jì)的基本思想，缺乏解決實(shí)際問題的訓(xùn)練。因此，學(xué)生能用算法解決書本上的問題，但是當(dāng)面對(duì)新的實(shí)際問題時(shí)，大部分學(xué)生通常毫無頭緒，不能靈活運(yùn)用算法進(jìn)行解決。

1.3 成績(jī)的評(píng)定不能較好地反映學(xué)生的實(shí)際能力

“算法設(shè)計(jì)與分析”課程成績(jī)的評(píng)定通常包含平時(shí)成績(jī)和期末考試成績(jī)兩部分，平時(shí)成績(jī)又包含布置作業(yè)和實(shí)驗(yàn)課的成績(jī)。由于缺乏監(jiān)管和有效的評(píng)價(jià)體系，部分學(xué)生盡管獲得了較好的課程成績(jī)，但是其動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題的能力仍然很弱。

1.4 程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽和課程教學(xué)缺乏融合

“算法設(shè)計(jì)與分析”是程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽的基礎(chǔ)課程，程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽是學(xué)生算法設(shè)計(jì)與分析能力的試驗(yàn)場(chǎng)。廣西師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院學(xué)生在程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽中已取得部分成果，2015～2018年學(xué)生參加藍(lán)橋杯全國(guó)軟件和信息技術(shù)專業(yè)人才大賽獲獎(jiǎng)情況如表1所示。從表1中可以看出，參與藍(lán)橋杯競(jìng)賽獲獎(jiǎng)的學(xué)生逐年增多，熱情高漲。程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽可為“算法設(shè)計(jì)與分析”課程的教學(xué)提供豐富的賽題和有效的實(shí)踐平臺(tái)，但是目前廣西師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院該課程的教學(xué)并未有效利用這些資源。

2 “以賽勵(lì)教、以賽督學(xué)”的教學(xué)模式

近年來，為了推動(dòng)軟件開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)軟件專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)，向軟件行業(yè)輸送具有創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的高端人才[5]，國(guó)際計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)、百度和谷歌等一些教育組織和知名企業(yè)舉辦了多種程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽，包括ACM國(guó)際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽、藍(lán)橋杯全國(guó)軟件和信息技術(shù)專業(yè)人才大賽、百度之星程序設(shè)計(jì)大賽等[6]，這些競(jìng)賽以程序設(shè)計(jì)語言為依托，以算法設(shè)計(jì)為重點(diǎn)，是政府、企業(yè)和協(xié)會(huì)聯(lián)手構(gòu)筑的人才培養(yǎng)和選拔平臺(tái)，表現(xiàn)優(yōu)秀的選手非常受微軟、谷歌和百度等IT巨頭青睞[7]。程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽全面考驗(yàn)學(xué)生的學(xué)科綜合技能，側(cè)重考查學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，能有效地培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、實(shí)踐探索、分析解決實(shí)際問題和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力，目前已受到高校的普遍重視，競(jìng)賽的門類和級(jí)別在不斷豐富，參與的學(xué)生不斷增加[8]。因此，借助程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽實(shí)施“算法設(shè)計(jì)與分析”課程教學(xué)改革，將程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽與課程教學(xué)有機(jī)融合，建立“以賽勵(lì)教、以賽督學(xué)”的教學(xué)模式，能夠有效地提高“算法設(shè)計(jì)與分析”課程的教學(xué)質(zhì)量。

程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽與“算法設(shè)計(jì)與分析”課程密切相關(guān)，作為該課程的教師，為了將競(jìng)賽和課堂教學(xué)的有機(jī)融合，除了掌握課程所涉及的知識(shí)點(diǎn)外，還需要努力學(xué)習(xí)和熟悉與程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽的相關(guān)的知識(shí)。不僅需要熟悉程序設(shè)計(jì)語言和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這些必需的知識(shí)，而且還要掌握離散數(shù)學(xué)、數(shù)論、數(shù)值計(jì)算、計(jì)算幾何、人工智能等相關(guān)知識(shí)，并能對(duì)其進(jìn)行綜合運(yùn)用。同時(shí)，為了熟悉競(jìng)賽機(jī)制和指導(dǎo)學(xué)生取得優(yōu)良的成績(jī)，教師必須花費(fèi)大量的時(shí)間和精力進(jìn)行賽題訓(xùn)練，以提高自身的專業(yè)水平。

2.1 理論教學(xué)改革：課堂講授和翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合

在教學(xué)過程中，從程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽試題中精選一些有趣味性的案例來吸引學(xué)生注意。比如動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法，該方法比較抽象難以理解?？梢砸胂嚓P(guān)的競(jìng)賽題目，并用程序演示動(dòng)態(tài)規(guī)劃法和其他方法的求解效率，從而引發(fā)同學(xué)的學(xué)習(xí)興趣和求知欲。然后通過循循善誘的啟發(fā)式方法，給出動(dòng)態(tài)規(guī)劃法的設(shè)計(jì)思想和問題的求解過程。

除課堂講授外，利用部分學(xué)時(shí)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂的研討式教學(xué)。給學(xué)生提供主題、視頻、在線課程及相關(guān)資料，利用團(tuán)隊(duì)參賽模式，讓學(xué)生組成小組，根據(jù)具體的問題進(jìn)行調(diào)研和討論，教師進(jìn)行啟發(fā)式引導(dǎo)。通過讓學(xué)生進(jìn)行研討匯報(bào)，自學(xué)能力得到提升，表達(dá)能力得到鍛煉，思維更加縝密，同時(shí)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神得到加強(qiáng)。

2.2 實(shí)踐教學(xué)改革：課堂競(jìng)賽和課后交流相結(jié)合

ACM競(jìng)賽經(jīng)過40多年的發(fā)展，涌現(xiàn)出很多優(yōu)秀的在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)，如OJ系統(tǒng)。OJ系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)評(píng)判、答題統(tǒng)計(jì)和排名等功能[9]。教師利用OJ系統(tǒng)設(shè)定好時(shí)間和實(shí)踐試題，讓學(xué)生在競(jìng)賽環(huán)境中實(shí)踐，將激發(fā)學(xué)生的斗志，以便充分發(fā)揮各自的潛力。

通常OJ系統(tǒng)提供在線交流功能，當(dāng)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遇到困難時(shí)，利用在線交流功能可以及時(shí)獲得解決方法，同時(shí)學(xué)生也可以將自己的學(xué)習(xí)心得和成果進(jìn)行共享，從而增加學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。

2.3 考核方式改革：重視實(shí)踐能力的考核

廣西師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院“算法設(shè)計(jì)與分析”課程的考核方式包含平時(shí)成績(jī)和期末筆試成績(jī)，該考核很難體現(xiàn)學(xué)生利用算法解決實(shí)際問題的能力，偏離“算法設(shè)計(jì)與分析”課程的教學(xué)目的。改革后的考核內(nèi)容應(yīng)包含課堂表現(xiàn)、手寫作業(yè)、實(shí)驗(yàn)課時(shí)安排的任務(wù)和課后上機(jī)作業(yè)的完成情況，以及期末的筆試和機(jī)試等。此外學(xué)生在程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽中的表現(xiàn)作為加分項(xiàng)（加分≤10分，總分≤100分）。

2.4 新增課外活動(dòng)：提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情

在學(xué)習(xí)“算法設(shè)計(jì)與分析”課程的學(xué)期，教師以競(jìng)賽的方式組織1～2次比賽活動(dòng)，表現(xiàn)優(yōu)異的同學(xué)可以適當(dāng)給予獎(jiǎng)勵(lì)。學(xué)院定期組織與程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽相關(guān)的活動(dòng)，邀請(qǐng)?jiān)贏CM競(jìng)賽中取得優(yōu)秀成績(jī)的高校指導(dǎo)老師、學(xué)生和參加工作的企業(yè)人員來學(xué)院講學(xué)，以激發(fā)學(xué)生學(xué)好專業(yè)知識(shí)、參與競(jìng)賽和提高實(shí)踐動(dòng)手能力的熱情。同時(shí)可以充分利用寒暑假的時(shí)間來進(jìn)行集中訓(xùn)練，只有多思多想、多做多練、多討論多交流，才能提高自身的能力。

3 結(jié)語

將程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽的內(nèi)容和模式引入“算法設(shè)計(jì)與分析”課程教學(xué)中，建立“以賽勵(lì)教、以賽督學(xué)”的教學(xué)模式，有助于充分調(diào)動(dòng)教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，拓寬教師的知識(shí)面，提高學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力。通過翻轉(zhuǎn)課堂的分組討論以及實(shí)踐訓(xùn)練和課外活動(dòng)，能夠增強(qiáng)學(xué)生的表達(dá)能力和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，從而形成良性的、相互促進(jìn)的學(xué)習(xí)氛圍。

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