基于ACM-ICPC的計(jì)算機(jī)高質(zhì)量人才的培養(yǎng)與實(shí)踐

韓麗霞 畢方明 張艷群

摘 ? ?要：不斷地提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力是本科工程教育的基本定位。文章針對(duì)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)存在知識(shí)橫向封裝、教師“滿(mǎn)堂灌”、學(xué)生實(shí)踐能力不足等問(wèn)題，以計(jì)算機(jī)學(xué)科競(jìng)賽ACM-ICPC為抓手，提出以“計(jì)算機(jī)問(wèn)題解決”為主線、以賽促改，以學(xué)生為中心、以賽促教，兼顧整體培養(yǎng)與個(gè)性實(shí)訓(xùn)、以賽促學(xué)的方法，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和創(chuàng)新能力，提高實(shí)踐能力和動(dòng)手能力。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜工程問(wèn)題;以學(xué)生為中心;教學(xué)改革;學(xué)科競(jìng)賽

中圖分類(lèi)號(hào)：G640 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1002-4107（2021）12-0003-03

當(dāng)前我國(guó)高等教育正處于深度變革的關(guān)鍵時(shí)期。教育部高等教育司吳巖司長(zhǎng)指出，要堅(jiān)持“以本為本”，推進(jìn)“四個(gè)回歸”，深化課程結(jié)構(gòu)改革，讓教學(xué)活起來(lái)，讓學(xué)生忙起來(lái)，全面振興本科教育，進(jìn)一步提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量，聚焦“雙一流”，集中力量加快新工科建設(shè)。

針對(duì)計(jì)算機(jī)學(xué)科培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的定位[1]，國(guó)內(nèi)外很多著名的高校均進(jìn)行了一系列的改革和實(shí)踐[2]。麻省理工學(xué)院實(shí)施了以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式，旨在培養(yǎng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的應(yīng)用能力;北京大學(xué)針對(duì)計(jì)算機(jī)核心課程設(shè)置了實(shí)驗(yàn)班，采用“大班授課+小班討論”的模式，致力于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力;南京大學(xué)對(duì)拔尖實(shí)驗(yàn)班課程體系進(jìn)行了“大刀闊斧”的變革，將“計(jì)算機(jī)導(dǎo)論”“離散數(shù)學(xué)”“程序設(shè)計(jì)”“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”“算法設(shè)計(jì)”課程建設(shè)為跨度為4個(gè)學(xué)期的“計(jì)算機(jī)問(wèn)題求解”課程，培養(yǎng)學(xué)生的自我探究和個(gè)性化學(xué)習(xí)能力;上海交通大學(xué)注重個(gè)性化培養(yǎng)，設(shè)立ACM實(shí)驗(yàn)班，取得了傲人的成績(jī)。

ACM-ICPC是由國(guó)際計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)（ACM）主辦的國(guó)際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽，要求學(xué)生在時(shí)間有限的高壓下，靈活運(yùn)用所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)分析問(wèn)題、凝練問(wèn)題、通過(guò)編程解決問(wèn)題[3]，對(duì)于計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)高質(zhì)量人才培養(yǎng)、創(chuàng)新人才選拔均具有極其重要的指導(dǎo)意義[4]。

近幾年來(lái)，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)以計(jì)算機(jī)學(xué)科競(jìng)賽ACM-ICPC為依托，兼顧計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)和學(xué)生個(gè)性化培養(yǎng)的目標(biāo)，對(duì)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)課程進(jìn)行了大膽的深化改革，取得了良好的課堂效果和競(jìng)賽成績(jī)。

一、以賽促改，以“計(jì)算機(jī)問(wèn)題解決”為主線，構(gòu)建面向ACM-ICPC的課程群

ACM-ICPC以C、C++、Java等語(yǔ)言作為編程工具，主要涵蓋“離散數(shù)學(xué)”“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”“算法設(shè)計(jì)與分析”等專(zhuān)業(yè)課程。在傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程中，各門(mén)課程按照內(nèi)容橫向組織，彼此相互獨(dú)立，割裂了知識(shí)點(diǎn)之間的內(nèi)在聯(lián)系，導(dǎo)致知識(shí)完整性缺失;“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”和“算法設(shè)計(jì)與分析”的上機(jī)實(shí)驗(yàn)課程對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)只限于在單門(mén)課程的局部范圍內(nèi)進(jìn)行練習(xí)，而這些練習(xí)的內(nèi)在聯(lián)系和意義很難被學(xué)生完全體會(huì)，不利于計(jì)算思維的養(yǎng)成，難以實(shí)現(xiàn)“復(fù)雜工程問(wèn)題求解”綜合能力培養(yǎng)的目標(biāo)。

（一）以“計(jì)算機(jī)問(wèn)題解決”為主線，實(shí)現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)之間的有效串聯(lián)

以“離散數(shù)學(xué)”“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”“算法設(shè)計(jì)與分析”三門(mén)課程的知識(shí)點(diǎn)為載體，改變現(xiàn)有專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課“橫向封裝”的模式，遞進(jìn)課程之間的縱向關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)的“串一串”，引導(dǎo)學(xué)生形成“模型抽象—數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)—算法設(shè)計(jì)—編程實(shí)現(xiàn)—復(fù)雜性分析—持續(xù)改進(jìn)”的計(jì)算思維，即“計(jì)算機(jī)問(wèn)題解決”的主線，構(gòu)建完整的“復(fù)雜工程問(wèn)題求解”的知識(shí)體系，將能力培養(yǎng)貫穿于計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的整個(gè)過(guò)程，主要框架如下。

1.選擇計(jì)算機(jī)科學(xué)或工程中的經(jīng)典問(wèn)題作為離散數(shù)學(xué)中重要知識(shí)點(diǎn)的導(dǎo)入，找出其中所有的操作對(duì)象及操作對(duì)象之間的關(guān)系并用數(shù)學(xué)語(yǔ)言加以描述， 即離散數(shù)學(xué)模型。

2.針對(duì)問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型，分析數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，進(jìn)而為其選擇最為恰當(dāng)?shù)奈锢泶鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)，使學(xué)生初步具備分析研究計(jì)算機(jī)加工數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特性的能力，即數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

3.根據(jù)問(wèn)題的特性和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，選擇至少一種有效的算法求解問(wèn)題，即算法設(shè)計(jì)。

4.采用C、C++或Java等語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)算法，對(duì)算法所消耗的計(jì)算機(jī)資源進(jìn)行復(fù)雜性分析并嘗試提出改進(jìn)的新算法。

（二）搭建ACM的在線測(cè)評(píng)OJ（Online Judge）系統(tǒng)，理論指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐反哺理論

將“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”“算法設(shè)計(jì)與分析”的實(shí)驗(yàn)課程與理論課程緊密結(jié)合，從OJ系統(tǒng)中篩選合適的實(shí)驗(yàn)題目，學(xué)生需要系統(tǒng)地運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，對(duì)具體的問(wèn)題進(jìn)行獨(dú)立分析，考慮程序的時(shí)間復(fù)雜性和空間復(fù)雜性，編寫(xiě)代碼并進(jìn)行在線提交。對(duì)于計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人才，理論課程和上機(jī)實(shí)踐具有同等重要的地位，只有熟練地掌握了理論知識(shí)，才能高效地指導(dǎo)上機(jī)實(shí)驗(yàn);反過(guò)來(lái)，實(shí)踐具有鞏固理論知識(shí)、加深理解程度和升華學(xué)習(xí)內(nèi)容的作用，反哺于理論。這樣做，有利于達(dá)到實(shí)踐課程與理論知識(shí)相互哺育、相輔相成、事半功倍的效果，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生“復(fù)雜工程問(wèn)題求解”能力。表1給出了“最小生成樹(shù)問(wèn)題”的案例。

從表1可以看出，通過(guò)天然氣管道搭建引入問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生利用圖論知識(shí)，確定圖當(dāng)中的點(diǎn)、邊和權(quán)，將問(wèn)題抽象為最小生成樹(shù)問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生具體問(wèn)題的模型抽象能力;針對(duì)問(wèn)題的特征，確定適合問(wèn)題特征的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題的能力;靈活運(yùn)用貪心算法求解問(wèn)題，鍛煉學(xué)生算法設(shè)計(jì)的能力;編寫(xiě)程序并在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行以獲得結(jié)果，切實(shí)提高學(xué)生的實(shí)踐能力;通過(guò)復(fù)雜性分析，嘗試對(duì)算法提出改進(jìn)的策略，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

以“計(jì)算機(jī)問(wèn)題解決”作為主線，將所涉及課程進(jìn)行有機(jī)融合，構(gòu)建了面向ACM-ICPC的課程群，實(shí)現(xiàn)知識(shí)之間的互通和遷移，形成完整的學(xué)科認(rèn)知體系。本次改革強(qiáng)調(diào)從傳遞和繼承知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行У亟M織知識(shí)來(lái)解決復(fù)雜工程問(wèn)題，一氣呵成地培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的能力， 有利于激發(fā)學(xué)生專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)的興趣和熱情，培養(yǎng)學(xué)生“學(xué)而優(yōu)則用，用而優(yōu)則創(chuàng)”的能力。

二、以賽促教，以學(xué)生為中心，實(shí)現(xiàn)師生之間有效的雙向互動(dòng)

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，教師處于教學(xué)的主導(dǎo)地位，強(qiáng)調(diào)知識(shí)與理論的傳授;學(xué)生被動(dòng)地接收知識(shí)，課程教學(xué)多在“滿(mǎn)堂灌”的單向傳遞下完成的，忽視了學(xué)生的主體地位，難以充分發(fā)揮課程育人的作用，更不利于學(xué)生的綜合能力培養(yǎng)。在符合學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷的情況下，以賽促教聚焦學(xué)生的能力培養(yǎng)，需要做到以下幾方面。

（一）學(xué)生是知識(shí)的“應(yīng)用者+創(chuàng)造者”，而不是知識(shí)的“接受者+繼承人”

作為工程專(zhuān)業(yè)教育認(rèn)證的核心理念之一，“以學(xué)生為中心”突出了學(xué)生在教學(xué)過(guò)程中的主體地位，這就要求教師要實(shí)現(xiàn)“以教為中心”向“以學(xué)為中心”的深刻轉(zhuǎn)變，從知識(shí)的傳授者向引導(dǎo)者和促進(jìn)者的角色轉(zhuǎn)換。在教學(xué)過(guò)程中，教師要結(jié)合學(xué)生的專(zhuān)業(yè)特征和興趣，引入具體的問(wèn)題激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立思考。教師可采用啟發(fā)式、研討式、案例式等多元化的教學(xué)方式，鼓勵(lì)學(xué)生深化理論知識(shí)、分析問(wèn)題、凝練問(wèn)題、解決問(wèn)題，促進(jìn)其計(jì)算思維的養(yǎng)成，提高學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力、實(shí)踐能力和綜合能力，達(dá)到舉一反三、觸類(lèi)旁通的實(shí)效;倡導(dǎo)學(xué)生多角度、多種類(lèi)的思維啟迪，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和“主人翁”意識(shí)，突出學(xué)生的主體性，讓學(xué)生真正成為知識(shí)的“應(yīng)用者+創(chuàng)造者”。

（二）構(gòu)建和諧的師生互動(dòng)、生生互動(dòng)教學(xué)氛圍，形成教學(xué)共振

作為教學(xué)中的共同體，教師要尊重學(xué)生的主體地位，圍繞教學(xué)案例多角度、分層次、遞進(jìn)式地引導(dǎo)學(xué)生敞開(kāi)思想、獨(dú)立思考，避免超認(rèn)知負(fù)荷引起學(xué)生的生理疲勞;要尊重學(xué)生的地域差異和個(gè)性化發(fā)展，實(shí)時(shí)掌握每位學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況和困難，因地制宜地進(jìn)行指導(dǎo)，避免學(xué)生出現(xiàn)畏難、厭學(xué)等心理，關(guān)注個(gè)體的多元化發(fā)展，產(chǎn)生師生的情感共鳴，形成和諧、活潑、積極向上的教學(xué)氛圍，實(shí)現(xiàn)師生思維共振和教學(xué)相長(zhǎng)。

學(xué)生需要在教師的啟發(fā)下，根據(jù)自己的認(rèn)知和自身經(jīng)驗(yàn)，有效地自由探索，積極地表達(dá)見(jiàn)解，通過(guò)師生之間、同學(xué)之間的互動(dòng)實(shí)現(xiàn)鞏固、解惑、升華的學(xué)習(xí)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的自我內(nèi)在消化和吸收，構(gòu)建多階段、完整的知識(shí)架構(gòu);通過(guò)分組討論、案例分析的形式，鼓勵(lì)學(xué)生站在個(gè)人的角度將疑惑、模糊的問(wèn)題和盤(pán)托出，小組成員之間取長(zhǎng)補(bǔ)短、集思廣益，讓“真理越辯越明”，打消個(gè)體的疑慮或提煉問(wèn)題，進(jìn)一步開(kāi)展師生互動(dòng)、生生互動(dòng)，形成多邊的、動(dòng)態(tài)的、頭腦風(fēng)暴式的學(xué)習(xí)氛圍，讓學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主人。

以學(xué)生為中心的教學(xué)方式改革，需要教師和學(xué)生之間的相互配合、相輔相成，才能達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果。教師要改變“一言堂”的講授模式，將能力培養(yǎng)貫徹于教學(xué)過(guò)程的始終，啟迪、引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行高效的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)協(xié)作意識(shí)和團(tuán)隊(duì)精神;學(xué)生要主動(dòng)參與課堂教學(xué)，發(fā)揮主觀能動(dòng)性，變消極學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，拓寬、拓深自我認(rèn)知，能夠?qū)⒗碚撝R(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際問(wèn)題的求解，具有大膽的創(chuàng)新意識(shí)，逐步培養(yǎng)創(chuàng)新思想。自此，教與學(xué)的因素形成了有機(jī)的整體，師生之間、生生之間及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，有效地解決問(wèn)題，同學(xué)習(xí)、共啟迪， 發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)師生之間的有效雙向互動(dòng)，真正發(fā)揮課程育人功效。

三、以賽促學(xué)，設(shè)置“階梯性”實(shí)驗(yàn)題目，兼顧整體培養(yǎng)和個(gè)性實(shí)訓(xùn)

本科教學(xué)的定位是復(fù)雜工程問(wèn)題的解決，對(duì)于計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)，應(yīng)杜絕“重知識(shí)傳遞，輕實(shí)踐培養(yǎng)”的錯(cuò)誤觀念，摒棄“紙上談兵”“畫(huà)餅充饑”的教育理念。

（一）以小組為單位進(jìn)行問(wèn)題導(dǎo)向?qū)W習(xí)（Problem Based Learning，PBL），培養(yǎng)協(xié)作精神和團(tuán)隊(duì)意識(shí)

以具體問(wèn)題引入，采用小組討論的模式，引導(dǎo)學(xué)生在自我知識(shí)結(jié)構(gòu)上發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、嘗試解決問(wèn)題，鼓勵(lì)獨(dú)立思考、各抒己見(jiàn)，實(shí)時(shí)分享個(gè)體的領(lǐng)悟，多視角、多維度地領(lǐng)悟理論知識(shí)，實(shí)現(xiàn)自我認(rèn)知的內(nèi)在消化、自由擴(kuò)張，進(jìn)行自律學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí);通過(guò)互相提問(wèn)、解答的形式，在合作學(xué)習(xí)中揚(yáng)長(zhǎng)避短、深化知識(shí)理解，培養(yǎng)“計(jì)算機(jī)問(wèn)題解決”的綜合素質(zhì)能力和自我創(chuàng)新能力，從而提高計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人才的個(gè)體水平和整體水平。

（二）利用OJ系統(tǒng)設(shè)置“階梯性”實(shí)驗(yàn)題目，兼顧整體培養(yǎng)和個(gè)性實(shí)訓(xùn)，切實(shí)提高實(shí)踐能力

OJ實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)置了不同難度的練習(xí)題目。其中，基礎(chǔ)題通常是對(duì)理論知識(shí)、方法的驗(yàn)證性題目，旨在鞏固和加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解程度;提高性題目為面向具體問(wèn)題的算法設(shè)計(jì)，致力于增強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的靈活應(yīng)用，舉一反三、觸類(lèi)旁通;綜合題是從ACM-ICPC中遴選的競(jìng)賽題目，學(xué)生需要根據(jù)“計(jì)算機(jī)問(wèn)題解決”主線，循序漸進(jìn)地解決問(wèn)題;對(duì)于接受能力較強(qiáng)、具有潛力的學(xué)生，從第一課堂延伸到第二課堂，進(jìn)入ACM實(shí)踐基地進(jìn)行系統(tǒng)的競(jìng)賽實(shí)訓(xùn)，這為高質(zhì)量人才的選取奠定基礎(chǔ)。 不同難度的實(shí)驗(yàn)題目設(shè)置，避免了“一刀切”的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，滿(mǎn)足了學(xué)生多元化自由發(fā)展訴求，建立了整體培養(yǎng)和個(gè)性實(shí)訓(xùn)之間的橋梁，兼顧了計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和個(gè)性化的培養(yǎng)目標(biāo)。

OJ實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中對(duì)每道題目設(shè)置了“近乎苛刻”的測(cè)試數(shù)據(jù)，這就要求學(xué)生在“真環(huán)境”“真問(wèn)題”下解決問(wèn)題。這樣做鼓勵(lì)學(xué)生“自建”知識(shí)系統(tǒng)而非傳統(tǒng)的知識(shí)“移植”，有利于培養(yǎng)學(xué)生“面面俱到”的編程思維，提高學(xué)生靈活應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決具體問(wèn)題的能力，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行深入的思考并學(xué)以致用，培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)學(xué)生建立持續(xù)追求“更快、更優(yōu)”算法的創(chuàng)新意識(shí)。

四、ACM-ICPC高質(zhì)量人才培養(yǎng)取得的效果

經(jīng)過(guò)5年的改革和實(shí)踐，基于ACM-ICPC的高質(zhì)量人才的培養(yǎng)取得了不俗的成績(jī)。

（一）專(zhuān)業(yè)人才整體能力顯著提高

表2給出了“算法設(shè)計(jì)與分析實(shí)驗(yàn)”課程對(duì)應(yīng)的畢業(yè)指標(biāo)點(diǎn)和達(dá)成情況。從表2可以清楚地看到，各指標(biāo)點(diǎn)的達(dá)成度均顯示向好的趨勢(shì)。其中，指標(biāo)點(diǎn)3.2考查對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的解決能力，從2017年的0.4821到2018年的0.6235，再到2019年的0.7540，充分說(shuō)明了學(xué)生整體能力有顯著提高。

（二）競(jìng)賽成績(jī)斐然

截至目前，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)獲得省級(jí)及以上競(jìng)賽獎(jiǎng)項(xiàng)300多項(xiàng)，連續(xù)多年承辦了工信部組織的“藍(lán)橋杯”軟件大賽江蘇賽區(qū)賽點(diǎn)，連續(xù)2年承辦了國(guó)際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽亞洲區(qū)域賽（徐州），并于2020年晉級(jí)世界總決賽。

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編輯∕李夢(mèng)迪

作者簡(jiǎn)介：韓麗霞（1980—），女，山東威海人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院講師，博士，研究方向：最優(yōu)化算法設(shè)計(jì)。

基金項(xiàng)目：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革與建設(shè)項(xiàng)目“以賽促改，以賽促教，以賽促學(xué)——以ACM-ICPC為依托”（2019YB22）;中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院教改項(xiàng)目“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”（JG201705）