信息化技術(shù)在排序算法課堂設(shè)計(jì)中的重構(gòu)與融合

趙永梅 拓明福 謝鵬 王瓊

摘 要：排序算法是計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)這門課程的重點(diǎn)內(nèi)容，也是難點(diǎn)內(nèi)容之一。從以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)來看，學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時(shí)通常出現(xiàn)算法思想理解不透徹，算法轉(zhuǎn)換為程序困難等問題，最終導(dǎo)致怕學(xué)、不學(xué)的學(xué)習(xí)態(tài)度。文中詳細(xì)討論信息化技術(shù)在教學(xué)方法、教學(xué)手段、評(píng)價(jià)體系、教學(xué)體系等方面重構(gòu)與融合的方法，以實(shí)現(xiàn)突出重點(diǎn)、突破難點(diǎn)的目的，使學(xué)生在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)展創(chuàng)新思維、培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：排序算法;課程設(shè)計(jì);信息化技術(shù);教學(xué)方法;程序設(shè)計(jì);計(jì)算機(jī)教學(xué)

中圖分類號(hào)：TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）04-0-03

0 引 言

信息技術(shù)及課程的重構(gòu)與融合作為深化課程改革的有效途徑，正經(jīng)歷著從全面整合到信息技術(shù)文化中的第四個(gè)改革階段[1]。課程信息化是信息技術(shù)文化中課程發(fā)展或者變革的過程，將信息資源、信息技術(shù)和信息方法融入到課程設(shè)計(jì)和課程實(shí)踐中，是信息技術(shù)與課程融合發(fā)展的重要目標(biāo)[2-3]。排序的重要性眾所周知、不言而喻，排序決定了百度搜索的結(jié)果，新浪微博展示的話題，優(yōu)酷推薦的電影，以及QQ對(duì)話窗彈出的橫幅廣告等。不僅如此，在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)中，排序也舉足輕重。例如，不同兵種部隊(duì)通過關(guān)卡的先后順序問題，飛機(jī)進(jìn)入機(jī)場(chǎng)的交通管制問題，單個(gè)無人機(jī)轟炸目標(biāo)順序問題等。所以掌握好排序算法不僅是學(xué)好計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的關(guān)鍵之一，更具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此，利用動(dòng)畫、視頻、網(wǎng)絡(luò)課程等信息化技術(shù)，本文對(duì)這門課程中重要的知識(shí)點(diǎn)—排序算法的各個(gè)要素和環(huán)節(jié)經(jīng)過重構(gòu)、組合和相互融合，在整體上實(shí)現(xiàn)信息化。

1 教學(xué)分析

1.1 課程概述

計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程是我校為理工類本科一年級(jí)學(xué)生開設(shè)的一門公共基礎(chǔ)課，是大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)系列中的核心課程之一，同時(shí)也是計(jì)算機(jī)及信息類專業(yè)本科生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。它的教學(xué)目標(biāo)不僅是使學(xué)生掌握基于C語言的編程能力和基本的算法設(shè)計(jì)能力，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生獲取信息、加工信息、處理信息的能力，并且能用自身所學(xué)知識(shí)解決生活中的實(shí)際問題，從而最終實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1.2 教學(xué)內(nèi)容

該課程計(jì)劃課時(shí)為2個(gè)學(xué)時(shí)，包括1個(gè)學(xué)時(shí)理論教學(xué)和1個(gè)學(xué)時(shí)上機(jī)實(shí)踐。重點(diǎn)講解冒泡排序算法的思想及其編程實(shí)現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步啟發(fā)思維，講解對(duì)該算法的優(yōu)化，然后對(duì)比冒泡排序講解選擇排序算法的思想及其編程實(shí)現(xiàn)過程。

1.3 教學(xué)目標(biāo)

在知識(shí)層面上，使學(xué)生掌握采用循環(huán)結(jié)構(gòu)處理一維數(shù)組的方法，總結(jié)出一般規(guī)律;在能力層面上，通過冒泡排序、選擇排序等算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生程序設(shè)計(jì)能力和計(jì)算思維能力;在素質(zhì)層面上，通過算法的分析與優(yōu)化，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)準(zhǔn)確、精益求精的科學(xué)精神。

1.4 學(xué)情分析

通過前幾個(gè)章節(jié)的學(xué)習(xí)與實(shí)踐，學(xué)生雖然已經(jīng)具備了一定的編程和調(diào)試能力，為本節(jié)教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)提供了良好的基礎(chǔ)，但是學(xué)生也是剛剛開始接觸編程。從以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)來看，學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容時(shí)通常出現(xiàn)算法思想理解不透徹，算法轉(zhuǎn)換為程序困難等問題，最終導(dǎo)致怕學(xué)、不學(xué)的學(xué)習(xí)態(tài)度。

2 教學(xué)設(shè)計(jì)

教學(xué)設(shè)計(jì)的目的是突出重點(diǎn)、突破難點(diǎn)，喚起學(xué)生的求知欲，激發(fā)創(chuàng)新內(nèi)動(dòng)力。顯然傳統(tǒng)的教學(xué)方法已經(jīng)不能滿足教學(xué)需求，將課內(nèi)學(xué)習(xí)和課外探索相結(jié)合，情商培育和智商訓(xùn)練相結(jié)合，教師主導(dǎo)和學(xué)生主體相結(jié)合，改變傳統(tǒng)的“要我學(xué)”為“我要學(xué)”。

2.1 教學(xué)資源與手段

課前準(zhǔn)備：利用網(wǎng)絡(luò)教材、微課、動(dòng)畫等形象生動(dòng)的教學(xué)資源，學(xué)生可自主規(guī)劃學(xué)習(xí)方案，在線學(xué)習(xí)，使學(xué)生由課前的怕學(xué)、不學(xué)的學(xué)習(xí)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)。

課堂實(shí)施：將實(shí)際游戲轉(zhuǎn)化為視頻資源，由慢鏡頭分解使得遞進(jìn)式教學(xué)法更加具體、形象。

課后提升：教師下達(dá)任務(wù)，依托網(wǎng)絡(luò)教材，學(xué)生可舉一反三，完成從一種排序算法拓展到多種排序算法，從單一的數(shù)據(jù)處理到結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)處理的過渡。教學(xué)資源及手段如圖1所示。

其中，網(wǎng)絡(luò)教材由教學(xué)團(tuán)隊(duì)精心制作，內(nèi)容主要包括網(wǎng)絡(luò)教材、內(nèi)容講授、講授課件、上機(jī)實(shí)踐、編程訓(xùn)練、綜合應(yīng)用、學(xué)習(xí)園地和程序人生八個(gè)模塊，涵蓋了理論學(xué)習(xí)、實(shí)踐教學(xué)、作業(yè)練習(xí)、輔導(dǎo)答疑、課程考核和課外拓展等各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。自制網(wǎng)絡(luò)課程如圖2所示。

在動(dòng)畫實(shí)施環(huán)節(jié)上，采用舞動(dòng)的排序動(dòng)畫，使學(xué)生在課前對(duì)排序算法形成初步印象。而在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中，采用走動(dòng)的排序動(dòng)畫，使學(xué)生深刻理解排序的思想。課后通過滾動(dòng)的排序動(dòng)畫，使學(xué)生熟練掌握隱藏在數(shù)據(jù)排序背后的規(guī)律。動(dòng)畫實(shí)施策略如圖3所示。

2.2 課堂教學(xué)方法

問題牽引的漸進(jìn)式教學(xué)法是在實(shí)際教學(xué)中把案例教學(xué)法和啟發(fā)式教學(xué)法結(jié)合起來提出的一種教學(xué)法。實(shí)施過程為：首先選擇一個(gè)生活中的例子引入課題，激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在教授過程中，通過打比方、作類比等方法使得抽象的概念具體化，復(fù)雜的算法原理簡(jiǎn)單化，并盡可能通過同一案例的不斷演化，層層布設(shè)問題，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，最終達(dá)到激發(fā)興趣、啟發(fā)思維、通俗易懂的效果。

2.3 上機(jī)實(shí)踐教學(xué)方法

在上機(jī)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，將任務(wù)分級(jí)部署，分為基本任務(wù)和拓展任務(wù)兩級(jí)，從而滿足不同程度學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，改變傳統(tǒng)“一刀切、齊步走”的教學(xué)模式。

3 教學(xué)過程

學(xué)生在課前和課后利用校園網(wǎng)在線學(xué)習(xí)，計(jì)算機(jī)愛好者可以加入計(jì)算機(jī)軟件俱樂部，更深入地學(xué)習(xí)和參加計(jì)算機(jī)學(xué)科競(jìng)賽，解決課堂學(xué)時(shí)偏少，學(xué)生“吃不飽”的問題。課堂實(shí)施混合教學(xué)和分層教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)學(xué)生“自學(xué)-互學(xué)-群學(xué)”，提高學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。

（1）創(chuàng)設(shè)情景，引出課題

設(shè)置游戲：讓一名學(xué)生給五名學(xué)生排隊(duì)，從低到高，且至少進(jìn)行兩次。游戲的過程中，讓學(xué)生仔細(xì)觀察。

然后討論：每次排隊(duì)步驟是怎樣的，使用的方法是否相同。

最后教師引導(dǎo)：這個(gè)世界不是缺少問題，而是缺少發(fā)現(xiàn)，其實(shí)在每次排隊(duì)的過程背后，都隱含一個(gè)經(jīng)典的排序算法。

（2）問題化解，類比得出鄰位比較法

將排序問題化解，先討論如何將個(gè)子最高的隊(duì)員作為隊(duì)尾隊(duì)員，也就是求最大值的過程。

第二次做游戲，重復(fù)排隊(duì)的過程，用慢鏡頭動(dòng)畫仔細(xì)分析。

利用動(dòng)畫，實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維的轉(zhuǎn)變，達(dá)到突破。

難點(diǎn)一：算法思想的深刻理解，如圖4所示。

（3）歸納總結(jié)，遞推出排序算法

（4）布設(shè)問題，思考對(duì)算法的改進(jìn)

通過動(dòng)畫進(jìn)一步演示，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，對(duì)冒泡排序從待排范圍以及比較趟數(shù)方面進(jìn)行優(yōu)化。

（5）舉一反三，通過編程實(shí)現(xiàn)選擇排序，并比較兩種算法的區(qū)別。

（6）上機(jī)實(shí)踐，拓展應(yīng)用

在該環(huán)節(jié)，學(xué)生根據(jù)自身學(xué)習(xí)情況，除了完成基本任務(wù)冒泡排序和選擇排序，還可完成：

拓展一：其他排序算法，如快排、遞歸排序等。

拓展二：緊貼實(shí)戰(zhàn)，完成單個(gè)無人機(jī)轟炸目標(biāo)排序問題。

上機(jī)過程中，學(xué)生可自主混合編成小組，組內(nèi)學(xué)生分工合作，研討關(guān)鍵難點(diǎn)，教員參與討論，引導(dǎo)學(xué)生規(guī)范問題解決方案。

4 教學(xué)效果與特色

以培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力為目標(biāo)，不斷適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代知識(shí)獲取手段多樣化的需要，從教學(xué)體系、教學(xué)模式、教學(xué)理念、教學(xué)方法、考核方式、資源建設(shè)等各方面進(jìn)行創(chuàng)新。

4.1 體系特色

在傳統(tǒng)的“課堂教學(xué)+課程考試”教學(xué)體系基礎(chǔ)上，提出“課堂教學(xué)+在線學(xué)習(xí)+綜合考核+學(xué)科競(jìng)賽”四位一體的教學(xué)體系。

4.2 模式特色

改變傳統(tǒng)“滿堂灌/填鴨式”教學(xué)模式，充分利用學(xué)習(xí)資源，在教學(xué)過程中實(shí)施混合式教學(xué)、分層教學(xué)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、自主性，使成績(jī)好的學(xué)生飛得更遠(yuǎn)，成績(jī)差的學(xué)生走得扎實(shí)。

4.3 教學(xué)理念

整個(gè)教學(xué)過程中，以學(xué)生為主體，教員引導(dǎo)學(xué)生讀中學(xué)、論中學(xué)、用中學(xué)、練中學(xué)，達(dá)到由怕學(xué)、不學(xué)到樂學(xué)、會(huì)學(xué)、善學(xué)、志學(xué)的學(xué)習(xí)態(tài)度的轉(zhuǎn)變。

4.4 教法特色

通過線下學(xué)習(xí)，用“亮功夫”展示學(xué)習(xí)成果，線上通過“興趣話題、問題游戲”等用“找金子”展示學(xué)習(xí)效果，課堂上通過打比方、作類比等方法使得抽象的概念具體化，復(fù)雜的算法原理簡(jiǎn)單化，并盡可能通過同一案例的不斷演化，層層布設(shè)問題引導(dǎo)學(xué)生積極思考，并結(jié)合教師點(diǎn)評(píng)與答疑“解疑惑”，促進(jìn)師生互學(xué)、群學(xué)，真正讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立鉆研、協(xié)作探究，使他們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐活動(dòng)中發(fā)展創(chuàng)新思維，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

4.5 考核特色

考核由原來單一的筆試轉(zhuǎn)變?yōu)椤熬€上學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)+學(xué)生互評(píng)+課堂研討+課后作業(yè)+自動(dòng)化機(jī)試”相結(jié)合的綜合性考核。

4.6 資源特色

筆者根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，制作了大量原創(chuàng)性的教學(xué)資源，包括講課視頻、多媒體課件、微課程、題庫(kù)等，并結(jié)合知識(shí)特點(diǎn)精心設(shè)計(jì)多媒體資源在課堂上的呈現(xiàn)方式。具體應(yīng)用情況見表1所列。

5 結(jié) 語

信息化技術(shù)的發(fā)展對(duì)教學(xué)手段、教學(xué)方法、教學(xué)評(píng)價(jià)體系等提出了新的更高要求。如何針對(duì)課程中的每一知識(shí)點(diǎn)，運(yùn)用信息化技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)的模式改革，是目前大學(xué)課堂教育研究熱點(diǎn)之一。本文從課堂理論講授到上機(jī)實(shí)踐、從教學(xué)方法到教學(xué)手段，從課程體系到課程考核對(duì)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)中排序算法的課程設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入、詳細(xì)的闡述。通過對(duì)學(xué)生課堂表現(xiàn)和課后知識(shí)掌握情況的考察，發(fā)現(xiàn)新的教學(xué)設(shè)計(jì)，極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，改變傳統(tǒng)的“要我學(xué)”為“我要學(xué)”。

參 考 文 獻(xiàn)

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