基于ACM-ICPC模式的算法分析與設計課程的建設

◎張文達

針對算法分析與設計課程的教學實際，文章分析了該課程教學模式的局限性和傳統(tǒng)的實踐教學中存在的問題，提出將ACM-ICPC競賽模式引入該課程教學的觀點，開發(fā)了一個基于ACM-ICPC模式的程序測評系統(tǒng)，并應用在算法分析與設計課程的實踐教學中，取得了良好的教學效果。

一、引言

算法分析與設計是面向設計的計算機專業(yè)核心課程，主要通過對經(jīng)典算法的學習和研究，使學生掌握算法的設計策略和算法復雜度的分析方法，培養(yǎng)學生分析和解決實際問題的能力。該課程教學內(nèi)容繁多，涉及的知識面很廣，主要內(nèi)容包括算法分析方法、遞歸算法、分治算法、貪心算法、動態(tài)規(guī)劃、回溯算法、分支限界、近似算法、概率算法等經(jīng)典的算法，覆蓋了多項式、數(shù)論、矩陣、集合、圖論、幾何、模式匹配等數(shù)值和非數(shù)值計算問題。

目前，各高校該課程分配的課時普遍較少，教學方法也都是以講解為主，即使設置了實驗課，在實踐環(huán)節(jié)通常也只是一味地對算法進行驗證，很少考慮到算法的運行效率分析、測試數(shù)據(jù)的規(guī)模以及實際的應用場景。而且，在傳統(tǒng)實踐教學中，學生抄襲代碼的情況嚴重，不能有效提高學生的實踐能力，無法體現(xiàn)實踐教學的真正作用。在這種教學模式下，學生缺乏對實際問題進行抽象和分析的能力，思維創(chuàng)新和實踐能力難以得到有效提高。本文結(jié)合我校實際教學情況，將ACM-ICPC競賽模式與算法分析與設計課程的建設相結(jié)合，達到了良好的教學效果。

二、課程現(xiàn)狀

該課程的開設是面向計算機科學與技術(shù)專業(yè)大三的學生，學生在學習該課程之前，已經(jīng)學習了C／C++程序設計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、Java程序設計、高等數(shù)學和離散數(shù)學等課程，但是由于學生欠缺良好的計算思維，邏輯分析能力相對不足，編程實踐能力仍然比較弱，學生在學習該課程時倍感吃力。目前我校在算法分析與設計課程信息化建設方面有許多不足，主要體現(xiàn)在以下幾點：

1.課程之間的聯(lián)系不夠緊密。算法分析與設計課程與其他課程的關(guān)系是很密切的，如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它們之間相互作用，從而提高計算機專業(yè)學生的實踐能力，為學院培養(yǎng)高素質(zhì)的應用型人才。

2.教學資源不足。當前課程并沒有信息化系統(tǒng)的支持。學生只能通過網(wǎng)絡搜索所需的資源，獲取教師的P跗也只能通過教師，教學資源沒有實現(xiàn)整合和共享。

3.編程競賽平臺不多。在參加或舉辦程序設計類競賽方面，學生只參與了國內(nèi)的"藍橋杯"這一個程序設計類競賽，學院內(nèi)部并沒有開展此類競賽活動。

三、ACM-lCPC模式下的課程建設

1.ACM-ICPC在課程中的作用。

ACM國際大學生程序設計競賽（ACM-ICPC）是由國計算機協(xié)會（ACM）主辦的，是一項旨在展示大學生創(chuàng)新能力、團隊精神和在壓力下編寫程序、分析和解決問題能力的年度競賽。經(jīng)過40多年的發(fā)展，ACM-ICPC已經(jīng)發(fā)展成為最具影響力的大學生計算機競賽。競賽時間為5個小時，重點考察選手的算法和程序設計能力。選手通過網(wǎng)絡提交程序，評委負責將結(jié)果（正確或出錯的類型）通過網(wǎng)絡盡快返回給選手。

將ACM-ICPC競賽模式引入算法分析與設計的教學中，可以激發(fā)學生的主動學習積極性，鼓勵學生勤思考、多實踐。相對于傳統(tǒng)的實踐教學具有以下幾方面的優(yōu)勢：（1）在網(wǎng)上進行實踐教學，沒有時間和空間的局限性。教師可以在測評系統(tǒng)中對同一個實驗項目布置多個難度各異的題目，學生可以根據(jù)自己的掌握情況。從易到難選擇合適的時間完成訓練題目。（2）對創(chuàng)造校園的學術(shù)交流氛圍有良好的促進作用。學生在課余時間通過在網(wǎng)上提交自己編寫的程序源代碼，自主進行算法和程序的交流，有利于培養(yǎng)學生的學術(shù)修養(yǎng)。實現(xiàn)學生與教師、學生與學生之間的交流和互動。（3）減輕教師實踐教學時的指導負擔。傳統(tǒng)的實踐教學在機房進行，教師需要在整個機房進行巡視，為有疑問的同學進行解答。而ACM-ICPC競賽模式的在線測評系統(tǒng)可以對學生提交的作業(yè)進行評測，大大減輕了教師的負擔。

2.測評系統(tǒng)的設計與開發(fā)。

該系統(tǒng)基于Java EE，是一個程序在線評判、程序設計競賽和交流的平臺?？刹粩鄶U展題庫供學生進行程序設計練習，系統(tǒng)自動對提交的程序源代碼進行編譯、運行并評判程序的正確性。系統(tǒng)可供課程日常訓練和網(wǎng)上實時競賽使用，也具備站內(nèi)交流和站內(nèi)全文檢索功能。系統(tǒng)有兩個版本的評判模塊，一個基于純Java，另一個基于C++，兩者均可在Windows平臺下運行。學生在系統(tǒng)提交程序后，系統(tǒng)先將程序保存至數(shù)據(jù)庫，再寫入評判隊列，由系統(tǒng)評判內(nèi)核進行編譯、運行并返回結(jié)果。返回的結(jié)果類型有AC、WA、Rr砸、TLE、PE、MLE、CE。每個題目可能有多個測試數(shù)據(jù)，內(nèi)核在讀取主系統(tǒng)傳遞給它的參數(shù)后，編譯程序，生成可執(zhí)行文件，之后對于每個測試數(shù)據(jù)運行一次"驗證測試數(shù)據(jù)"的操作。

系統(tǒng)用戶分為四種：普通用戶、高級用戶、論壇版主及系統(tǒng)管理員。任何學生都可注冊成為普通用戶。普通用戶可以做練習題，提交程序并得到系統(tǒng)的評判和結(jié)果反饋；可以根據(jù)程序提交情況參與用戶排名：擁有并可使用自己的站內(nèi)信箱；可以查看、保存和管理自己提交的源代碼；可以在論壇發(fā)帖，參與問題討論；可以參加程序設計競賽，并查看比賽結(jié)果和統(tǒng)計數(shù)據(jù)。任何解答題目超過20道的普通用戶?？勺詣由墳楦呒売脩?。高級用戶擁有普通用戶的所有權(quán)限。還可以上傳題目和測試數(shù)據(jù)，并可對自己上傳的題目進行管理、修改等。高級用戶上傳的題目，經(jīng)管理員確認后，便可加入系統(tǒng)的正式題庫。系統(tǒng)在題目信息中記錄上傳題目者的相關(guān)信息。論壇版主為系統(tǒng)管理員授予，擁有普通用戶的所有權(quán)限，同時對相應的論壇板塊擁有管理權(quán)。系統(tǒng)管理員管理系統(tǒng)的日常運行，擁有所有的管理權(quán)限，需要對題目和測試數(shù)據(jù)進行篩選，檢查系統(tǒng)運行情況，組織程序設計競賽。

3.課程設置。結(jié)合我校實際情況，我們在算法分析與設計課程的實踐教學內(nèi)容上設計了遞歸算法、分治算法、動態(tài)規(guī)劃算法、貪心算法、回溯算法、分支界限算法共6個經(jīng)典算法的實驗項目。由于實踐教學課時有限，傳統(tǒng)的教學方式每個實驗項目只能設計2-3道題目。引入ACM-ICPC模式之后，學生可以利用課余時間通過網(wǎng)絡完成程序設計，每個實驗項目題量增加到6-8個，題目難度各異，學生可以根據(jù)自己的知識掌握程度和能力選擇合適的時間完成。較容易的題目可以先完成，具有一定的綜合性、難度較大的題目，可以在有相當?shù)挠柧毩恐笸瓿?。這種循序漸進的訓練方式，更有利于學生對算法原理的理解和掌握，也更有利于形成由淺入深的思維模式，有效提高學生的分析問題、解決問題的能力。

四、課程建設實踐成果

實施ACM-ICPC競賽模式的程序在線測評系統(tǒng)以后，學生的學習積極性得到了較大的提高。學生對經(jīng)典算法的掌握程度和實踐能力也大大提高了。學生在各種全國性考試和比賽中取得了較好的成績。學生的自主學習能力有所提高，教師在實驗課上的空閑率由原來的0.4%增長33.3%，學生對教師的依賴程度大大降低。

結(jié)語：基于ACM-ICPC模式的算法分析與設計課程將理論學習與實際操作相結(jié)合，注重培養(yǎng)和提高學生分析和解決實際問題的能力，以公平、公正、公開的競爭形式帶動學生的自主學習，調(diào)動學生交流和研究的積極性，為課程的開展提供了良好的氛圍。在后續(xù)的研究和開發(fā)中，我們將把基于ACM-ICPC模式的程序測評系統(tǒng)擴展到全系范圍內(nèi)的更多的程序設計類課程。