以創(chuàng)新意識培養(yǎng)為主線的算法設(shè)計(jì)與分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

王淋 朱紅 馬金鳳 張昌明 左海維

摘要：《算法設(shè)計(jì)與分析》是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心修課程?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式過多關(guān)注書本知識，嚴(yán)重忽略了創(chuàng)新意識能力培養(yǎng)。該文以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為主線，以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，以教師為主導(dǎo)，探索算法設(shè)計(jì)與分析課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革模式。通過融入新算法、新問題，鼓勵(lì)學(xué)生參與教師科研課題，設(shè)置層次化實(shí)驗(yàn)案例，融入思政元素等手段提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。同時(shí)，設(shè)置多樣化考核方式，強(qiáng)化過程性評價(jià)，進(jìn)而達(dá)到提高學(xué)生創(chuàng)意能力培養(yǎng)的目的。

關(guān)鍵詞：算法設(shè)計(jì)與分析;創(chuàng)意意識;自主學(xué)習(xí);教學(xué)手段;考核方式

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）12-0153-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 引言

《算法設(shè)計(jì)與分析》是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心修課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)和分析算法的能力，邏輯思維能力和抽象思維能力。該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性、廣泛性和綜合性，是培養(yǎng)具有較強(qiáng)軟件系統(tǒng)開發(fā)能力的重要途徑[1]。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式過于注重書本知識的傳授和練習(xí)，嚴(yán)重忽視了興趣和技能培養(yǎng)，主要存在的問題包括：（1）學(xué)生實(shí)驗(yàn)知識體系構(gòu)建困難，學(xué)生算法設(shè)計(jì)能力基礎(chǔ)薄弱，缺乏計(jì)算思維能力，實(shí)踐和理論知識的銜接不夠緊密，編程能力堪憂;（2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式仍然停留在應(yīng)試教育模式，尚未形成有效的科研科創(chuàng)體系，缺乏科學(xué)思維能力訓(xùn)練，與科技創(chuàng)新及一線科研脫節(jié)。培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是我國堅(jiān)持走創(chuàng)新型發(fā)展之路的關(guān)鍵，也是教育工作者肩負(fù)的神圣的歷史責(zé)任。構(gòu)建以學(xué)生為中心，注重學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式成為高等教育的必然選擇[2]。在心理學(xué)教育中，培養(yǎng)濃厚的學(xué)習(xí)興趣是推動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的有效途徑之一。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，要先建立學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課學(xué)習(xí)的興趣，讓學(xué)生充分認(rèn)識到算法設(shè)計(jì)的魅力和價(jià)值。只有以學(xué)生為中心，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的主動學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新意識，才能真正做到將理論應(yīng)用到實(shí)踐，這也正是該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中面臨的難點(diǎn)之一[3-5]。

為此，本文以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為主線，以培養(yǎng)目標(biāo)為依據(jù)，以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，以教師引導(dǎo)為輔助，探索算法設(shè)計(jì)與分析課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革模式。在學(xué)生已經(jīng)形成扎實(shí)的知識體系的基礎(chǔ)上，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的主動性，培養(yǎng)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)，設(shè)置多樣化考核方式評價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)效果，同時(shí)不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。

2 教學(xué)手段豐富化

（1）融入新算法、新問題

在講解理論知識時(shí)，從算法設(shè)計(jì)思想、算法框架入手，由淺入深，循序漸進(jìn)地講解經(jīng)典問題，為實(shí)驗(yàn)課打了扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。同時(shí)，密切關(guān)注計(jì)算機(jī)領(lǐng)域新的研究方向和課題，充分利用互聯(lián)網(wǎng)信息資源，跟蹤算法的最新發(fā)展動態(tài)，將新算法融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，同時(shí)提出新的問題，并引導(dǎo)學(xué)生自主解決[6]。將新算法融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，充分讓學(xué)生體會到現(xiàn)實(shí)生活中的問題其實(shí)可以采用算法進(jìn)行有效的解決，產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣和熱情，進(jìn)而達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新能力的目的。學(xué)生通過對知識點(diǎn)的逐漸消化和吸收，不斷鍛煉自己的編程能力，真正掌握算法思想，這正是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程教改的關(guān)鍵所在。

（2）學(xué)生參與教師的科研項(xiàng)目

筆者承擔(dān)多項(xiàng)計(jì)算機(jī)輔助醫(yī)療相關(guān)的研究性課題。在課余時(shí)間，與學(xué)生交流自己研究方向的研究現(xiàn)狀及意義，分享科研中碰到的難題及解決思路。部分學(xué)生產(chǎn)生了好奇和濃厚的興趣。在課題組召開討論會的時(shí)候，邀請這些感興趣的同學(xué)旁聽，并允許他們提出問題。通過幾輪討論會，學(xué)生主動提出加入老師的科研項(xiàng)目。老師會根據(jù)學(xué)生已有知識認(rèn)知，給分派部分相關(guān)的子課題。采用問題解決模式和自主研究模式相結(jié)合，按照“教師拋出課題擬解決的關(guān)鍵問題→學(xué)生主動思考→探求解題方法→自主合作→解決問題”的思路，讓學(xué)生在自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)。這樣，以小組為單位，學(xué)生負(fù)責(zé)科研項(xiàng)目中部分內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證，使得學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目需求主動探索并學(xué)習(xí)，以此調(diào)動學(xué)生的積極主動性和創(chuàng)造性。此外，增設(shè)學(xué)生走上講臺講解自己小組取得成果的環(huán)節(jié)。如此一來，學(xué)生成為課堂的主人，教師成為服務(wù)者、引導(dǎo)者。這樣不僅可以了解學(xué)生對知識點(diǎn)的消化吸收情況，而且可以提高學(xué)生的語言表達(dá)能力。最終，學(xué)生在參與課題的過程中，學(xué)會了獨(dú)立思考，對一些問題也有了深入的思考，甚至有些學(xué)生會主動提出申報(bào)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，成為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。

（3）設(shè)置層次化實(shí)驗(yàn)案例

實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容注重與理論知識的銜接，將實(shí)驗(yàn)案例進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，難度由小到大以此設(shè)置為：驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)[7]。驗(yàn)證型實(shí)踐主要選自教材中的基礎(chǔ)算法的驗(yàn)證。如冒泡排序、簡單選擇排序、0/1背包問題、活動安排問題等。這些問題在理論課程學(xué)習(xí)中會演示，學(xué)生在課后做驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)即可。設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的難度適當(dāng)加大，多為書本中經(jīng)典問題的變形題，比如0/1背包問題的變形，完全背包問題，混合背包問題，分組背包問題，二維費(fèi)用背包問題等。通過教師引導(dǎo)和啟發(fā)，小組討論，學(xué)生自主思考設(shè)計(jì)算法，完成實(shí)驗(yàn)。綜合應(yīng)用型題目一般為近年來國內(nèi)外著名IT企業(yè)的面試筆試題和競賽題，以培養(yǎng)ACM程序設(shè)計(jì)競賽、 “挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽、全國大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)競賽、“藍(lán)橋杯”大賽等培養(yǎng)種子選手。同時(shí)，為大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目做準(zhǔn)備，培養(yǎng)學(xué)生算法設(shè)計(jì)、分析能力。如此，學(xué)生通過對算法策略的反復(fù)應(yīng)用掌握其核心原理，并舉一反三，融會貫通，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)算法的熱情。

（4）融入思政元素，讓算法與生活同頻共振

結(jié)合教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)大綱，充分發(fā)揮課堂主渠道的作用，無縫融入思政元素[8]，使得學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)的過程中，樹立正確的世界觀、人生觀、價(jià)值觀。實(shí)驗(yàn)課程中，小組成員共同完成實(shí)驗(yàn)，自愿合作，協(xié)同努力，互相激勵(lì)，取長補(bǔ)短，共同建設(shè)了具有凝聚力并且高效的團(tuán)隊(duì)。如在學(xué)生練習(xí)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)漢諾塔的遞歸算法中，告誡學(xué)生人生的遞歸只有遞歸前進(jìn)，沒有遞歸返回，一定要珍惜時(shí)間。在分治法實(shí)驗(yàn)練習(xí)中，讓學(xué)生體會在平常的學(xué)習(xí)和生活中，遇到棘手的問題，可以嘗試采用“分而治之”的思想，從煩瑣到簡單，將復(fù)雜的問題分解成若干個(gè)小問題，逐個(gè)求解，再將小問題的解合并成整個(gè)問題的解。在貪心法實(shí)驗(yàn)中，告誡學(xué)生慎用貪心法，要嘗試跳出人生局部最優(yōu)點(diǎn)，從而尋找人生整體最優(yōu)點(diǎn)。

3 實(shí)驗(yàn)考核多樣化

傳統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)與分析課程考核大多采用筆試方式，編程能力的考核多體現(xiàn)在試卷上，一場考試定輸贏，無法全面考查學(xué)生綜合能力和素養(yǎng)[9-10]。為此，對傳統(tǒng)考核方式進(jìn)行完善，提升過程性評價(jià)的比重，從實(shí)驗(yàn)小組討論，實(shí)驗(yàn)講解，科研，綜合實(shí)驗(yàn)隨堂測試四個(gè)方面進(jìn)行綜合考核。新的實(shí)驗(yàn)評價(jià)機(jī)制將多過程和多元化結(jié)合，構(gòu)成為：實(shí)驗(yàn)小組討論（20%）+實(shí)驗(yàn)講解（20%） +科研（20%）+綜合實(shí)驗(yàn)隨堂測試（40%）構(gòu)成。在理論知識點(diǎn)講授完布置實(shí)驗(yàn)課題，讓學(xué)生以小組為單位進(jìn)行討論，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)講解。在科研環(huán)節(jié)中，采用教師提供選題和學(xué)生自擬題目相結(jié)合的方式，邀請5名高年級科研能力強(qiáng)的學(xué)生組成評審小組，參加評價(jià)學(xué)生系統(tǒng)搭建、程序運(yùn)行等情況。綜合實(shí)驗(yàn)隨堂測試安排在實(shí)驗(yàn)課的最后一次課，以學(xué)習(xí)通平臺發(fā)布，真實(shí)考查學(xué)生的上機(jī)編程能力。綜合實(shí)驗(yàn)隨堂測試題型以自主設(shè)計(jì)型題目為主，同時(shí)將綜合型實(shí)驗(yàn)作為加分題，以滿足編程能力較強(qiáng)的學(xué)生。此外，還設(shè)置了學(xué)生互助模式，允許編程能力強(qiáng)的學(xué)生在完成測試后主動幫助基礎(chǔ)不好的學(xué)生完成測試。教師記錄幫助者及被幫助者，在評定的過程中作為評分參考。通過這種多樣化的考核，逐漸加大對算法設(shè)計(jì)和程序開發(fā)能力的考核力度，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力和系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主訓(xùn)練的興趣和熱情。

4 結(jié)束語

本文針對現(xiàn)有算法設(shè)計(jì)與分析實(shí)驗(yàn)課程存在的不足，將本領(lǐng)域的新算法引入教學(xué)，指導(dǎo)學(xué)生參與教師科研子課題，并設(shè)置層次化實(shí)驗(yàn)案例，同時(shí)融入思政元素培養(yǎng)學(xué)生爭取的三觀，進(jìn)而提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。通過設(shè)置多樣化考核方式，強(qiáng)化過程性評價(jià)，提高學(xué)生創(chuàng)意能力培養(yǎng)。從學(xué)生考核成績和學(xué)生滿意度調(diào)查結(jié)果來看，學(xué)生在課程理論接受程度，創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)助能力均取得了不錯(cuò)的效果。在以后的教學(xué)中仍要進(jìn)一步優(yōu)化注入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的領(lǐng)域內(nèi)新成果，不斷提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 季曉慧，姚國清，張玉清，等.計(jì)算思維與實(shí)踐編程能力培養(yǎng)并重的算法設(shè)計(jì)與分析教學(xué)[J].電腦知識與技術(shù)，2020，16（4）：70-71.

[2] 谷平，諶靜，李培麗.大學(xué)“光纖通信系統(tǒng)”課堂教學(xué)的學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)研究[J].無線互聯(lián)科技，2020，17（17）：111-113.

[3] 王鋒，孫艷宏.“以學(xué)生為中心”的醫(yī)學(xué)院校本科教育教學(xué)改革[J].繼續(xù)醫(yī)學(xué)教育，2019，33（8）：11-13.

[4] 張雁，呂丹桔，張晴暉，等.新工科背景下實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探索與實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代，2019（6）：102-105.

[5] 江家寶，鄭尚志.算法設(shè)計(jì)與分析課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的研究[J].廣西教育，2011（24）：82-83.

[6] 魏青松，李繼康，閆春澤，等.“新工科”下3D打印前沿學(xué)科三位一體多維度教學(xué)模式研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2020，37（9）：10-14.

[7] 趙占西，田松亞，宋亓寧，等.課程思政——育人的主渠道[J].教師，2019（8）：8-9.

[8] 李露，羅曉燕，劉博，等.面向新工科的“多元交叉”實(shí)踐教學(xué)改革研究[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2021，19（1）：53-58.

[9] 趙緒營，姜建錦，王志強(qiáng)，等.研究生算法課程的分層次多樣化教學(xué)研究[J].計(jì)算機(jī)教育，2018（4）：94-97.

[10] 束德勤，范昊.算法設(shè)計(jì)與分析課程教學(xué)方法研究[J].山東農(nóng)業(yè)教育，2019（2）：24-27.

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