算法設(shè)計(jì)與分析課程教學(xué)改革

李其申　黃華　張永

【摘 要】 針對(duì)目前算法設(shè)計(jì)與分析課程教學(xué)中存在的不足，文章從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式等方面進(jìn)行改革。優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、采用階段式多元化教學(xué)方法、加強(qiáng)過(guò)程考核、建立課外創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)“以賽促教”，目的是提高教學(xué)效果、提升學(xué)生運(yùn)用知識(shí)能力和綜合素質(zhì)能力。

【關(guān)鍵詞】 算法設(shè)計(jì)與分析 ?教學(xué)改革 ?以賽促教

引言

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，在當(dāng)今大數(shù)據(jù)與“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代，大學(xué)生更需要堅(jiān)實(shí)的專業(yè)知識(shí)才能跟上科技的腳步。而算法設(shè)計(jì)作為計(jì)算機(jī)專業(yè)課程更加凸顯其重要性。從事與算法相關(guān)的軟件開(kāi)發(fā)、維護(hù)和運(yùn)營(yíng)是當(dāng)前高校計(jì)算機(jī)畢業(yè)生的一個(gè)就業(yè)熱點(diǎn)，如何使算法設(shè)計(jì)與分析課程建設(shè)更適合于計(jì)算機(jī)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需求是一個(gè)重要的問(wèn)題?；诖?，針對(duì)算法設(shè)計(jì)與分析課程存在的問(wèn)題及現(xiàn)狀，就算法設(shè)計(jì)與分析課程教學(xué)方法、網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)、考核機(jī)制以及實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)問(wèn)題，提出了相應(yīng)的教學(xué)改革措施和策略，并按照“分級(jí)遞進(jìn)、逐步提高、綜合應(yīng)用”原則設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)，使學(xué)生能夠達(dá)到新工科背景下計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求及就業(yè)需求。

計(jì)算機(jī)編寫程序解決問(wèn)題，先要設(shè)計(jì)出解決問(wèn)題的算法，因此算法是程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)?！端惴ㄔO(shè)計(jì)與分析》是計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)工程、軟件工程、信息安全等專業(yè)的一門重要專業(yè)課。通過(guò)課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠理解并掌握常用的算法設(shè)計(jì)技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法，培養(yǎng)學(xué)生分析算法復(fù)雜度的能力，并引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)問(wèn)題建立數(shù)學(xué)模型、進(jìn)行算法設(shè)計(jì)和復(fù)雜度分析，增強(qiáng)其解決工程和生活中實(shí)際問(wèn)題的能力。為順利對(duì)口就業(yè)奠定基礎(chǔ)。

1. 存在的問(wèn)題

算法設(shè)計(jì)與分析課程是一門理論與實(shí)踐并重的課程，主要依靠理解與實(shí)踐，并加以靈活應(yīng)用。但在教學(xué)過(guò)程中學(xué)生對(duì)課程掌握的情況不理想，一方面源于學(xué)生知識(shí)學(xué)習(xí)深度不夠，另一方面源于教師缺乏有效的教學(xué)方法和手段。

大多高校對(duì)該課程仍以理論講授為主，一般是給出一些典型的問(wèn)題，采用經(jīng)典的算法求解。這些典型問(wèn)題大部分偏理論，過(guò)少甚至缺失算法編程實(shí)踐，與實(shí)際生產(chǎn)中的問(wèn)題有距離，且難度較大，學(xué)生會(huì)有畏難情緒，影響學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，被動(dòng)接受知識(shí)，缺乏獨(dú)立思考，一定程度上影響了教學(xué)效果。在該課程的教學(xué)過(guò)程中，如何使學(xué)生具備更強(qiáng)的獨(dú)立探求新技術(shù)和新方法的能力、創(chuàng)新能力和適應(yīng)能力是當(dāng)前該課程教學(xué)所面臨的重要問(wèn)題。針對(duì)課程特點(diǎn)和教學(xué)中存在的問(wèn)題，采取了以下的方式和方法改進(jìn)教學(xué)。

2. 改進(jìn)措施

2.1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

本課程主要講授算法的設(shè)計(jì)技術(shù)和分析方法，包括基礎(chǔ)知識(shí)、有代表性的算法設(shè)計(jì)技術(shù)、算法分析與問(wèn)題的計(jì)算復(fù)雜度、NP完全性理論等。內(nèi)容可分三部分：第一部分算法分析基礎(chǔ);第二部分是算法設(shè)計(jì)策略;第三部分算法能力的極限，主要是求解困難問(wèn)題。內(nèi)容組織上本著“設(shè)計(jì)與分析并重、理論與實(shí)踐應(yīng)用結(jié)合、經(jīng)典與現(xiàn)代互補(bǔ)”的原則，同時(shí)擴(kuò)展介紹本學(xué)科領(lǐng)域的前沿知識(shí)，增加有關(guān)大數(shù)據(jù)挖掘的算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)、并行編程技術(shù)等，內(nèi)容體現(xiàn)“經(jīng)典性”、“前沿性”、“創(chuàng)新性”特點(diǎn)。

結(jié)合競(jìng)賽和教師科研內(nèi)容去融入教學(xué)中，尤其是在講解蠻力算法問(wèn)題時(shí)，通過(guò)科研項(xiàng)目案例幫助學(xué)生理解后續(xù)算法的完備性;講解線性規(guī)劃、近似算法和隨機(jī)算法，這些是實(shí)用性較強(qiáng)的算法，教學(xué)重點(diǎn)如何運(yùn)用這些實(shí)用算法去解決實(shí)際生活中的問(wèn)題，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生感到學(xué)有所用，即培養(yǎng)學(xué)生對(duì)所學(xué)算法的實(shí)際應(yīng)用能力。最終達(dá)到使學(xué)生可以用基本理論去解決實(shí)際問(wèn)題的目標(biāo)。

2.2. 階段式多元化教學(xué)法

以學(xué)生為中心，在教學(xué)任務(wù)的不同階段靈活運(yùn)用多元化教學(xué)法。該教學(xué)法是將教學(xué)任務(wù)劃分為多個(gè)階段，有步驟有計(jì)劃有明確目標(biāo)地進(jìn)行，根據(jù)各階段教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)融合多種教學(xué)法實(shí)施教學(xué)。

第一部分算法分析基礎(chǔ)階段主要采用案例教學(xué)法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法。建立網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，將章節(jié)視頻、案例視頻、教學(xué)課件、作業(yè)任務(wù)、練習(xí)庫(kù)等相關(guān)教學(xué)資料內(nèi)容放置到教學(xué)平臺(tái)，輔助課程教學(xué)，將課堂教學(xué)延伸到課外，供學(xué)生自主學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)。

第二部分是算法設(shè)計(jì)策略學(xué)習(xí)階段，主要采用啟發(fā)教學(xué)法、案例教學(xué)法、分組討論法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法。例如在講解線性規(guī)劃模型時(shí)，可以通過(guò)銀行理財(cái)?shù)陌咐龁l(fā)教學(xué)，同時(shí)采用分組討論如何利用不同的算法在理財(cái)時(shí)達(dá)到收益最大化，以現(xiàn)實(shí)生活熱點(diǎn)案例學(xué)習(xí)討論激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;例如背包問(wèn)題、資源分配問(wèn)題等，采用不同的策略求解，分析比較各種策略的優(yōu)缺點(diǎn)，使學(xué)生理解各種算法策略的特點(diǎn)、學(xué)生通過(guò)編寫程序?qū)崿F(xiàn)，理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)習(xí)在求解實(shí)際問(wèn)題中，如何合理地選擇所需要的策略，幫助學(xué)生加深對(duì)算法的理解。

第三部分算法能力的極限學(xué)習(xí)階段，主要是求解困難問(wèn)題。該階段屬于拓展學(xué)習(xí)階段，主要采用基于問(wèn)題的教學(xué)法、案例教學(xué)法、項(xiàng)目教學(xué)法。這個(gè)學(xué)習(xí)階段可先通過(guò)經(jīng)典、有趣的實(shí)例來(lái)說(shuō)明，使學(xué)生了解的大致解決思想，然后再通過(guò)閱讀相關(guān)科技文獻(xiàn)的方法加深對(duì)算法的理解。這樣不僅可以讓學(xué)生較容易地掌握相關(guān)算法，還可以讓其了解相關(guān)領(lǐng)域的研究狀況。

2.3 考核方式改革

算法設(shè)計(jì)與分析課程除了期末考試以外，應(yīng)該考核方式多樣化，增加平時(shí)考核和過(guò)程考核。注重評(píng)判學(xué)生平時(shí)課堂上的積極性，作業(yè)的完成效果，學(xué)生的創(chuàng)新能力，即注重對(duì)學(xué)生的過(guò)程性考核。為了激發(fā)學(xué)生參加學(xué)習(xí)的興趣，教師對(duì)學(xué)生參加校“三小”項(xiàng)目、老師的科研項(xiàng)目、藍(lán)橋杯等類似的程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽的積極表現(xiàn)和獲獎(jiǎng)應(yīng)該給予“加分”激勵(lì)。利用過(guò)程性考核和最終的理論測(cè)試考核相結(jié)合的方式來(lái)綜合評(píng)價(jià)學(xué)生。課程總成績(jī)分三方面考核（1）理論知識(shí)考核，包括算法知識(shí)點(diǎn)理解記憶，同時(shí)也包括代碼的編寫能力與風(fēng)格以及設(shè)計(jì)模式的應(yīng)用，此部分采用筆試，占50% ;（2）平時(shí)的課堂參與度與課堂習(xí)題完成情況認(rèn)定，占20% ;（3）實(shí)踐考核，上機(jī)實(shí)踐及實(shí)踐能力考核（其中包括由學(xué)生參賽、參與科研情況及已獲得的成果）占30%。

2.4 創(chuàng)建課外創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)加強(qiáng)實(shí)踐改革

依靠課內(nèi)學(xué)時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的算法設(shè)計(jì)、分析和創(chuàng)新能力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還要將實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)與各種程序設(shè)計(jì)大賽相結(jié)合，鼓勵(lì)學(xué)有余力的學(xué)生積極參與相關(guān)比賽的訓(xùn)練或?qū)嵺`團(tuán)隊(duì)[1]。這些競(jìng)賽以程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言為依托，以算法設(shè)計(jì)為重點(diǎn)，考察學(xué)生綜合實(shí)踐應(yīng)用能力。

創(chuàng)建學(xué)生課外創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，在本科生導(dǎo)師制的基礎(chǔ)上，成立由各年級(jí)學(xué)生自愿參加的學(xué)生創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，并為團(tuán)隊(duì)命名，以凝聚吸引力和合作精神。團(tuán)隊(duì)包括大一、二、三年級(jí)學(xué)生，主要以大二、三年級(jí)學(xué)生為主的“以老帶新”的梯隊(duì)建設(shè)原則，由專業(yè)的專任教師進(jìn)行計(jì)劃性、系統(tǒng)性地課外教學(xué)和實(shí)踐指導(dǎo)。教師鼓勵(lì)學(xué)生參加科研項(xiàng)目、藍(lán)橋杯、ACM-ICPC等各項(xiàng)競(jìng)賽，側(cè)重考查學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，能較好地培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、分析解決實(shí)際問(wèn)題及團(tuán)隊(duì)合作的能力。作者指導(dǎo)學(xué)生的作品在第十四屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽江西賽區(qū)決賽獲科技發(fā)明B類一等獎(jiǎng)（本科組）。指導(dǎo)學(xué)生參加中國(guó)高校計(jì)算機(jī)大賽-團(tuán)體程序設(shè)計(jì)天梯賽獲總決賽團(tuán)一等獎(jiǎng)。指導(dǎo)學(xué)生參加國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“基于STM32的校園快遞自助收發(fā)終端”、“面向發(fā)電裝備的工況數(shù)據(jù)模擬試驗(yàn)臺(tái)性能測(cè)試”等項(xiàng)目均獲獎(jiǎng)。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，如何培養(yǎng)學(xué)生善于學(xué)習(xí)新知識(shí)和運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力， 對(duì)教師的教學(xué)活動(dòng)是很大的挑戰(zhàn)。要培養(yǎng)高素質(zhì)、具有創(chuàng)新能力的學(xué)生，還必須建設(shè)高水平的教師隊(duì)伍。在以后的教學(xué)工作中，將進(jìn)一步加強(qiáng)課程建設(shè)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)算法學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生獨(dú)立分析問(wèn)題及解決問(wèn)題的實(shí)際動(dòng)手能力。

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*基金項(xiàng)目：南昌航空大學(xué)第四批校級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課程培育項(xiàng)目“算法設(shè)計(jì)與分析”

作者簡(jiǎn)介：李其申（1975-） 博士學(xué)位，副教授，主要研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、算法設(shè)計(jì)與分析