面向信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)的算法設(shè)計(jì)與分析課程建設(shè)

唐敏，鄧國(guó)強(qiáng)

（桂林電子科技大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引 言

桂林電子科技大學(xué)是以培養(yǎng)電子信息人才為核心目標(biāo)的理工類(lèi)高校。數(shù)學(xué)與計(jì)算科學(xué)學(xué)院承擔(dān)了該校的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程，擁有國(guó)家級(jí)特色專業(yè)——信息與計(jì)算科學(xué)，在信息處理、大數(shù)據(jù)分析、網(wǎng)絡(luò)安全等研究方面具有鮮明特色，既注重?cái)?shù)學(xué)基礎(chǔ)和科學(xué)研究，又注重實(shí)踐應(yīng)用。信息時(shí)代的“新工科”建設(shè)對(duì)高等院校的人才培養(yǎng)提出了新的要求，高校教學(xué)改革的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)各種新興產(chǎn)業(yè)，成為具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的人才。

1 新工科背景下的人才培養(yǎng)

2017 年2 月，教育部發(fā)布了《關(guān)于開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的通知》?！锻ㄖ分忻鞔_指出：新工科建設(shè)以互聯(lián)網(wǎng)和智能為核心，以人工智能、云計(jì)算、機(jī)器人、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等用于傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級(jí)改造，相對(duì)于傳統(tǒng)的人才，未來(lái)新興產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)需要實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才。如何根據(jù)新工科背景下的人才導(dǎo)向，最大限度地利用算法設(shè)計(jì)與分析課程培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)各種新興產(chǎn)業(yè)，成為具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的人才，是高校教學(xué)改革中面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。

2 信息類(lèi)人才培養(yǎng)中存在的問(wèn)題

2.1 傳統(tǒng)教學(xué)手段使學(xué)生喪失學(xué)習(xí)興趣與主動(dòng)性，新興教學(xué)手段實(shí)施效果不佳

當(dāng)前，除基礎(chǔ)理論課程（如高等數(shù)學(xué)）需要采用黑板進(jìn)行公式的推導(dǎo)和計(jì)算過(guò)程的演算之外，大部分教師都是采用課件，很多同學(xué)感到老師是在念“PPT”，學(xué)習(xí)熱情不高，非常被動(dòng)。雨課堂等教學(xué)手段的使用（比如隨機(jī)抽查、發(fā)表評(píng)論等）可以引起學(xué)生短暫的學(xué)習(xí)興趣，但是缺少持續(xù)學(xué)習(xí)和內(nèi)在學(xué)習(xí)的動(dòng)力，學(xué)生易將注意力轉(zhuǎn)移到電子設(shè)備上，不自覺(jué)地打開(kāi)其他應(yīng)用軟件，雨課堂、智慧教室反而給了他們使用電子設(shè)備的借口。如何從根本上調(diào)動(dòng)學(xué)生課堂積極性，至今是教學(xué)改革的難點(diǎn)。

2.2 教學(xué)內(nèi)容選擇與組織不合理，經(jīng)典算法偏多，現(xiàn)代優(yōu)化智能算法偏少

算法設(shè)計(jì)與分析課程一般講授算法基本設(shè)計(jì)策略，針對(duì)每種策略給出若干求解問(wèn)題。每種算法和求解問(wèn)題的思想是獨(dú)立而分散的，不像其他課程章節(jié)之間具有內(nèi)在聯(lián)系?，F(xiàn)有的大部分教材還是以確定性的算法為主，沒(méi)有把握目前很多主流算法的特點(diǎn)，比如動(dòng)態(tài)規(guī)劃法求解背包問(wèn)題等。事實(shí)上，求解這類(lèi)NP 問(wèn)題已不再采用這些確定性算法，而是采用現(xiàn)代優(yōu)化計(jì)算方法，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、蟻群算法等?？偟膩?lái)說(shuō)，適用新工科發(fā)展的并行算法、隨機(jī)算法、近似算法、加密算法、智能優(yōu)化算法介紹較少。不優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容及合理組織，就無(wú)法與當(dāng)前社會(huì)的實(shí)際問(wèn)題相聯(lián)系。

2.3 習(xí)題和實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容缺乏現(xiàn)代應(yīng)用元素，使學(xué)生喪失學(xué)習(xí)動(dòng)力

目前，有部分高校教師常年講授一門(mén)課程，課件、習(xí)題、授課內(nèi)容基本不變或變化不大，實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)題目也常年不變，與智能科學(xué)、通信、控制、信息技術(shù)、通信技術(shù)等新工科內(nèi)容聯(lián)系不緊密［1］。而計(jì)算機(jī)信息類(lèi)學(xué)科是日新月異的，若不緊跟時(shí)代需求，造成的后果是學(xué)習(xí)的知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用有一定脫節(jié)，無(wú)論是面向考研課程的復(fù)習(xí)，還是面向工作的刷題訓(xùn)練，都有無(wú)從下手的困惑。不進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)改革，更新教學(xué)內(nèi)容，改變知識(shí)陳舊的局面，就無(wú)法掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、人工智能等信息時(shí)代的新技術(shù)和新技能。

2.4 課程考核方式不完善，考核對(duì)學(xué)生正確的引導(dǎo)力喪失

課程的期末理論考核以筆試方式進(jìn)行，學(xué)生一般只需掌握幾個(gè)經(jīng)典算法的流程和基本概念就可通過(guò)考試，缺乏課堂討論以及項(xiàng)目成員間互動(dòng)學(xué)習(xí)等過(guò)程性考核。由于教學(xué)計(jì)劃不能輕易改動(dòng)，因而作業(yè)內(nèi)容也是常年一樣，完全忽略了面向新工科的新型信息、互聯(lián)網(wǎng)、智能等內(nèi)容的設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)，并且由于程序冗長(zhǎng)不易檢查，很多學(xué)生都是復(fù)制代碼，完全缺少創(chuàng)造性思維。

3 圍繞新工科建設(shè)進(jìn)行教學(xué)改革

3.1 線上學(xué)習(xí)與課堂講授、研討式相結(jié)合的混合式教學(xué)模式

在新工科背景下，理工科學(xué)生學(xué)習(xí)算法的目的不僅僅是理解算法理論，而且還要運(yùn)用算法設(shè)計(jì)策略解決自身所學(xué)專業(yè)中遇到的問(wèn)題。新工科建設(shè)必須不拘束于傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容，在學(xué)習(xí)新知識(shí)、了解新算法的基礎(chǔ)上促進(jìn)多學(xué)科交叉和深度融合。教師在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)始終貫穿這條主線，做到重點(diǎn)突出、統(tǒng)籌兼顧。在傳統(tǒng)的基本算法技術(shù)（比如貪婪算法、分治策略、樹(shù)搜索策略、動(dòng)態(tài)規(guī)劃等）教學(xué)過(guò)程中積極引進(jìn)當(dāng)前的熱點(diǎn)問(wèn)題，務(wù)必保證計(jì)算機(jī)算法課程緊跟時(shí)代，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。采用預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)的線上學(xué)習(xí)、課堂環(huán)節(jié)的講授與研討式相結(jié)合、課后多元化作業(yè)的混合式教學(xué)模式，給予學(xué)生更多的參與和任務(wù)，可以培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維［2-4］。教師給學(xué)生預(yù)設(shè)可以發(fā)揮學(xué)科綜合優(yōu)勢(shì)、面向未來(lái)新技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)發(fā)展、推動(dòng)學(xué)科交叉融合和跨界整合的主題。

3.2 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，突出問(wèn)題驅(qū)動(dòng)，兼顧經(jīng)典算法與現(xiàn)代優(yōu)化計(jì)算方法

根據(jù)新工科人才培養(yǎng)要求，結(jié)合新興專業(yè)和行業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r，精選教學(xué)內(nèi)容，突出重點(diǎn)、難點(diǎn)，簡(jiǎn)化抽象理論知識(shí)，突出問(wèn)題驅(qū)動(dòng)、工程案例教學(xué)，理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，對(duì)課程體系進(jìn)行整體優(yōu)化和融合。在具體的操作上，可以設(shè)定一些可用多種方法解決的問(wèn)題，同時(shí)要求自學(xué)一到兩個(gè)新工科背景下的算法和技術(shù)，比如模式識(shí)別算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、遺傳算法、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、云計(jì)算等。讓學(xué)生組成小組，實(shí)現(xiàn)具體問(wèn)題的求解，每組的算法、編程環(huán)境或者硬件實(shí)現(xiàn)環(huán)境不同，從而從不同角度比較算法的優(yōu)劣，比如三個(gè)不同的算法的比較，同一算法采用三種不同的編程語(yǔ)言，時(shí)間復(fù)雜度高的算法運(yùn)行在好的機(jī)器上，而時(shí)間復(fù)雜度低的算法運(yùn)行在差的機(jī)器上。

以算法分析與設(shè)計(jì)課程中經(jīng)典算法與問(wèn)題為核心，精選課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，結(jié)合移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、定位導(dǎo)航、軟件開(kāi)發(fā)等設(shè)置多學(xué)科交叉融合的項(xiàng)目，嚴(yán)格控制選題人數(shù)（每課題3～ 4 組，每組2～ 3人），保證小組之間的競(jìng)爭(zhēng)與交流合作。讓教師成為“導(dǎo)師”，讓課本成為“文獻(xiàn)”和“參考書(shū)”，提高學(xué)生適應(yīng)變化能力與工程創(chuàng)新能力。例如，結(jié)合“Voronoi 圖的構(gòu)造”和新工科內(nèi)容，設(shè)置課題：基于Voronoi 圖的近鄰優(yōu)化聚類(lèi)算法、基于Voronoi 圖的3D 打印輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、基于Voronoi 圖與博弈策略的多無(wú)人機(jī)軌跡規(guī)劃等。再例如，與云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)的求解無(wú)向帶權(quán)圖的最小割隱私保護(hù)問(wèn)題、求解TSP 問(wèn)題的量子計(jì)算算法設(shè)計(jì)、物聯(lián)網(wǎng)下大數(shù)據(jù)隱私保護(hù)等。

3.3 建立研究型實(shí)踐教學(xué)模式，開(kāi)展持續(xù)性創(chuàng)新活動(dòng)

大數(shù)據(jù)和AI 時(shí)代的到來(lái)，僅僅了解一些基本算法是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。更新優(yōu)化實(shí)踐環(huán)境和內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生了解智能時(shí)代和信息時(shí)代的流行技術(shù)，研究信息領(lǐng)域的前沿問(wèn)題很有必要。設(shè)置多樣化課題，學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生在理解現(xiàn)有算法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際，設(shè)計(jì)算法、解決復(fù)雜問(wèn)題。采用優(yōu)秀學(xué)生的典型工作展示，經(jīng)驗(yàn)共享，鼓勵(lì)學(xué)生利用PPT、動(dòng)畫(huà)、錄屏等方式向同學(xué)們展示自己的研究實(shí)踐成果。學(xué)科競(jìng)賽對(duì)提高學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)學(xué)生潛能發(fā)揮著重要作用［5］，在競(jìng)賽和等級(jí)考試中不僅能充分體現(xiàn)學(xué)生的實(shí)踐能力，而且目標(biāo)更明確，同時(shí)有實(shí)際的利益驅(qū)動(dòng)，學(xué)生更樂(lè)于參加這一類(lèi)實(shí)踐活動(dòng)。

新工科背景下，要求學(xué)生在畢業(yè)時(shí)掌握全面深入的專業(yè)知識(shí)以適應(yīng)人才市場(chǎng)的需要，持續(xù)性創(chuàng)新活動(dòng)是保證學(xué)生具有較強(qiáng)的處理復(fù)雜問(wèn)題能力的根本途徑和方法。從本學(xué)院創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，延續(xù)到算法課程設(shè)計(jì)，鼓勵(lì)優(yōu)秀學(xué)生申報(bào)大創(chuàng)項(xiàng)目、互聯(lián)網(wǎng)+，參加軟件大賽、數(shù)模競(jìng)賽，發(fā)掘具有科研潛質(zhì)的學(xué)生進(jìn)行科教協(xié)同項(xiàng)目，進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)［6］，撰寫(xiě)科技論文，最終在畢業(yè)論文中精化升華。

3.4 多元化作業(yè)任務(wù)

預(yù)習(xí)作業(yè)：布置學(xué)生了解算法課程的多個(gè)主題背景，了解數(shù)學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家的傳記，對(duì)算法做出過(guò)的重要貢獻(xiàn)等。課前列出本節(jié)的關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)和結(jié)論。課后作業(yè)：鞏固算法基本知識(shí)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，每周布置一次課后作業(yè)，采用比分級(jí)制更客觀的百分制批閱方式。計(jì)算機(jī)作業(yè)：布置計(jì)算機(jī)課題，學(xué)習(xí)Maple 符號(hào)計(jì)算軟件，編寫(xiě)程序，完成計(jì)算和探索性的問(wèn)題。寫(xiě)作課題：完成一次寫(xiě)作課題，需要學(xué)生查找原始資料，參考數(shù)學(xué)文獻(xiàn)，把數(shù)學(xué)概念和寫(xiě)作過(guò)程結(jié)合起來(lái)，幫助學(xué)生面對(duì)未來(lái)可能的研究領(lǐng)域。

3.5 完善考核方式，培養(yǎng)學(xué)生綜合能力

傳統(tǒng)考核通常以期末卷面成績(jī)?yōu)橹?，結(jié)合考勤和課后作業(yè)，由于算法課程沒(méi)法在最后的期末考試中考查學(xué)生的實(shí)踐能力，大多還是以記憶性題目為主，學(xué)生缺少算法設(shè)計(jì)能力和思考創(chuàng)造能力也一樣可以過(guò)關(guān)。為全面考核學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，需調(diào)整期末考試成績(jī)和平時(shí)過(guò)程性考核的比例，讓學(xué)生更重視平時(shí)的學(xué)習(xí)和積累，不要產(chǎn)生大學(xué)考試都是最后突擊的想法。比如出勤率、回答問(wèn)題、閱讀文獻(xiàn)、論文綜述、編程作業(yè)、競(jìng)賽等都可以作為過(guò)程性考核的內(nèi)容。通過(guò)學(xué)術(shù)論文翻譯大作業(yè)、算法設(shè)計(jì)問(wèn)題程序設(shè)計(jì)大作業(yè)、視頻報(bào)告等方式展示學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。

3.6 課程形成性評(píng)價(jià)

加強(qiáng)教學(xué)過(guò)程管理，深化課程考核方式、方法改革，科學(xué)評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)效果，引導(dǎo)學(xué)生從以知識(shí)學(xué)習(xí)為主向能力、素質(zhì)為主的方向轉(zhuǎn)變。全面了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，及時(shí)給學(xué)生反饋，注重平時(shí)的學(xué)習(xí)和積累，對(duì)學(xué)生客觀地進(jìn)行過(guò)程性評(píng)價(jià)。

具體來(lái)說(shuō)，為了解學(xué)生的知識(shí)學(xué)習(xí)情況，設(shè)計(jì)平時(shí)作業(yè)，可以采取問(wèn)答題、簡(jiǎn)述題、小論文、研究報(bào)告等多種形式。為了及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，在單元結(jié)束后開(kāi)展階段性的學(xué)習(xí)測(cè)驗(yàn)，可以采取期中考試、單元測(cè)試或隨堂考試等。為調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，幫助學(xué)生多角度理解、運(yùn)用知識(shí)，積極思考和解決問(wèn)題，加強(qiáng)學(xué)生的綜合思維分析能力，可以根據(jù)課程教學(xué)安排專門(mén)設(shè)計(jì)的綜合性大作業(yè)，由于課程性質(zhì)的不同，綜合性大作業(yè)可以采取專題學(xué)術(shù)論文、專題調(diào)研報(bào)告、案例分析等多種形式。為關(guān)注學(xué)生課堂上的精神狀態(tài)、專注度、互動(dòng)性、積極性，可以對(duì)課程的重點(diǎn)難點(diǎn)進(jìn)行課堂討論或課堂提問(wèn)。為培養(yǎng)學(xué)生的溝通表達(dá)合作能力，將學(xué)生組成若干個(gè)學(xué)習(xí)小組，設(shè)定學(xué)習(xí)任務(wù)，小組成員互相合作完成學(xué)習(xí)任務(wù)。為加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和運(yùn)用，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容組織學(xué)生開(kāi)展課內(nèi)外實(shí)踐活動(dòng)，教師根據(jù)學(xué)生在活動(dòng)中的綜合表現(xiàn)、知識(shí)掌握情況、知識(shí)運(yùn)用程度及動(dòng)手能力等進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定。

注重課上和課下的教學(xué)過(guò)程考核，根據(jù)算法設(shè)計(jì)與分析課程的特點(diǎn)，采取多樣化的過(guò)程性考核，包括線下作業(yè)、隨堂算法設(shè)計(jì)、算法實(shí)踐大作業(yè)、團(tuán)隊(duì)形式的人工智能問(wèn)題求解、科技報(bào)告等。關(guān)注個(gè)體差異性，及時(shí)調(diào)整策略，幫助和促進(jìn)學(xué)生更好地學(xué)習(xí)。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)實(shí)施本項(xiàng)目，研究信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)算法設(shè)計(jì)及分析的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)新模式和新內(nèi)容，提高教學(xué)質(zhì)量，盡可能地發(fā)揮算法課程在新工科人才培養(yǎng)過(guò)程中的基礎(chǔ)作用。通過(guò)將算法分析、設(shè)計(jì)課程內(nèi)容與創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)相結(jié)合，利用信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)扎實(shí)等優(yōu)勢(shì)，培養(yǎng)學(xué)生自主抽象問(wèn)題、解決問(wèn)題、掌握新方法、學(xué)習(xí)新技術(shù)的能力，使其成為新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)復(fù)合型人才。