“算法設(shè)計(jì)與分析”課程教學(xué)改革探索

摘要：“算法設(shè)計(jì)與分析”屬于難度較大的課程，需要學(xué)生具備良好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。針對“算法設(shè)計(jì)與分析”課程的教學(xué)實(shí)際，分析教學(xué)過程中存在的問題，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段等方面進(jìn)行了探討，并提出了進(jìn)一步改革的方向和措施。

關(guān)鍵詞：算法設(shè)計(jì)與分析；教學(xué)內(nèi)容改革；教學(xué)方法改革；教學(xué)手段改革

作者簡介：姜楓（1980-），男，江蘇泰州人，南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，講師。（江蘇 泰州 225300）

基金項(xiàng)目：本文系江蘇省‘青藍(lán)工程’資助、中央電化教育館課題（課題編號(hào)：116230341）、南京理工大學(xué)課題（課題編號(hào)：2011-C91）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）26-0068-02

“算法設(shè)計(jì)與分析”（以下簡稱“算法”）是計(jì)算機(jī)學(xué)科的核心課程，被認(rèn)為是計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域最重要的基石。在由美國計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)ACM和電氣與電子工程師協(xié)會(huì)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)IEEE-CS于2005年發(fā)布的CC2005（Computing Curricula 2005）中，[1]將算法列為計(jì)算學(xué)科十一個(gè)重要領(lǐng)域中的第一位，在教育部計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)編寫的《高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告暨專業(yè)規(guī)范（試行）》中也將算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程列為計(jì)算機(jī)學(xué)科最重要的核心課程之一。[2]此外隨著ACM國際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競賽在國內(nèi)的知名度與參與度的逐步提升，國內(nèi)各大高校的計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)對算法課程的重視程度越來越高。

算法課程邏輯性強(qiáng)、內(nèi)容抽象、實(shí)踐要求高，學(xué)生們在學(xué)習(xí)時(shí)，普遍認(rèn)為難度偏大。因此，在教學(xué)過程中如何上好這門課程，使學(xué)生既熟練掌握課程的知識(shí)點(diǎn)，又提高實(shí)踐動(dòng)手能力和培養(yǎng)創(chuàng)新思維，對教師提出了很高的要求。本文結(jié)合筆者多年的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段等幾方面進(jìn)行探討。

一、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

在計(jì)算機(jī)學(xué)科眾多專業(yè)課中，算法屬于難度較大的課程，需要學(xué)生具備良好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、抽象思維能力以及程序設(shè)計(jì)技巧。多數(shù)學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程初時(shí)還有些興趣，但隨著課程的深入，難度越來越大，容易產(chǎn)生厭學(xué)情緒，甚至產(chǎn)生放棄的想法。為了緩解學(xué)生的畏難情緒，幫助他們學(xué)好這門課程，就需要科學(xué)、合理地選擇教學(xué)內(nèi)容。

1.精選經(jīng)典算法

如前所述，算法作為計(jì)算機(jī)學(xué)科的核心課程之一，對學(xué)生邏輯思維能力、數(shù)學(xué)建模和分析能力、程序設(shè)計(jì)能力都起到很好的鍛煉。因此在選擇這門課程的內(nèi)容時(shí)，必須將一些經(jīng)典算法，如分治法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、貪心法、回溯法等，作為重點(diǎn)做全面系統(tǒng)的分析和講解。在講解這些知識(shí)點(diǎn)時(shí)，可以多聯(lián)系相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，如講到用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法解決0/1背包問題時(shí)，讓學(xué)生思考如何使用貪心法、回溯法來解決該問題。這樣通過同一問題的不同解題方法的思考和比較，一方面加深學(xué)生對于幾種不同策略算法的理解，另一方面也鍛煉學(xué)生分析、思考、解決問題的能力。

2.引入業(yè)界最新成果

近年來，算法研究的聚焦點(diǎn)包括隨機(jī)算法、近似計(jì)算、并行計(jì)算、人工智能算法等，這些算法與學(xué)生的生活更為貼近，容易激發(fā)學(xué)生的共鳴，調(diào)動(dòng)其興趣點(diǎn)，喚起學(xué)習(xí)熱情。因此在講解經(jīng)典算法之余，也要有選擇地介紹一些學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界研究的最新成果，一方面使學(xué)生感覺自己距離學(xué)科最前沿并不遙遠(yuǎn)，樹立能學(xué)好算法課程的信心；另一方面，在講解這些算法討論的過程中能夠開拓師生的思路，挖掘一些有主見、會(huì)思考、有創(chuàng)新意識(shí)的學(xué)生。

3.處理好與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的關(guān)系

學(xué)習(xí)算法課程需要先修“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程。這兩門課程的知識(shí)點(diǎn)有一定交叉，如圖的遍歷、最短路徑等，因此在選擇課程內(nèi)容時(shí)需要加以考慮，既能讓學(xué)生全面地掌握算法設(shè)計(jì)思想與算法性能分析方法，又避免使學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)內(nèi)容與之前課程重復(fù)的感覺。這就要求在教學(xué)大綱的制定上科學(xué)地處理兩門課程之間的關(guān)系，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，重點(diǎn)講解靜態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義和表示，以算法為輔讓數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)運(yùn)行起來；而在算法課程中，則需要借助數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的已有基礎(chǔ)，教學(xué)重點(diǎn)放在引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)某種具體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，并分析和比較各種算法性能。

二、改革教學(xué)方法

1.以學(xué)生為中心，創(chuàng)新教學(xué)方法

在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中，教學(xué)的雙方是教師與學(xué)生，教師根據(jù)教學(xué)大綱的要求選擇教材，組織教學(xué)內(nèi)容，再將知識(shí)傳授給學(xué)生，學(xué)生很大程度上只是順著教師的思維，被動(dòng)地接受知識(shí)，很少能夠主動(dòng)思考，形成自己的思路。而算法課程的教學(xué)目標(biāo)中很重要的一條就是要培養(yǎng)學(xué)生算法分析設(shè)計(jì)的能力，這就和這種教學(xué)模式有很大的矛盾。

學(xué)生在算法領(lǐng)域幾乎是一塊“白紙”，思考問題時(shí)沒有條條框框的限制，而且青年人思維活躍，往往能想出與教材不同，甚至是教師都未曾想過的思路。因此在課堂上，教師要改變角色，主動(dòng)思變，變知識(shí)的傳授者為知識(shí)獲取的向?qū)В寣W(xué)生成為課堂的主角。教師的任務(wù)是多設(shè)立情景、拋出問題，根據(jù)實(shí)際情況，適當(dāng)?shù)亟o予提示，采取啟發(fā)式、討論式、合作式等方式，精講多練，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

2.大力推進(jìn)研究性教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、思考和實(shí)驗(yàn)

研究性教學(xué)將師生合作創(chuàng)造知識(shí)視為教學(xué)的本質(zhì)，把教學(xué)內(nèi)容視為研究對象，將教學(xué)本身視為研究過程。研究性教學(xué)方法主要包括三種模式：問題解決模式、自主研究模式和課題參與模式。[3]根據(jù)算法課程的特點(diǎn)，主要采取第一種，即問題解決模式。具體的流程為：教師創(chuàng)設(shè)問題情境→學(xué)生提出問題→搜集科學(xué)事實(shí)→探求解題方法→得出科學(xué)結(jié)論→運(yùn)用新知識(shí)。如在講解回溯法時(shí)，以體彩雙色球?yàn)槔榻B雙色球的玩法規(guī)則，要求學(xué)生用計(jì)算機(jī)輸出紅球的所有組合方式。先引導(dǎo)學(xué)生使用窮舉的方法列舉出所有可能的解，然后介紹回溯法的思路，即盡可能壓縮搜索空間，接著讓學(xué)生根據(jù)該思路設(shè)計(jì)算法并用一種計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并與窮舉法的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行比較，最后得出結(jié)論，并將這種方法應(yīng)用到如8皇后或著色問題的求解上。

3.改革評價(jià)方式和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采取多過程多元化相結(jié)合評價(jià)

傳統(tǒng)的教學(xué)中，學(xué)生從老師和教材吸取的知識(shí)較多， 能較好地掌握課堂講授的內(nèi)容；但學(xué)生創(chuàng)新能力差，不善于發(fā)現(xiàn)問題、提出問題， 缺乏實(shí)際解決問題的能力。導(dǎo)致這種現(xiàn)象發(fā)生的原因之一在于課程評價(jià)方式，即以閉卷考試為主要形式的導(dǎo)向促使學(xué)生更能接受應(yīng)試教育的學(xué)習(xí)方式。因此，考試形式和評分標(biāo)準(zhǔn)的改革也是教學(xué)方法改革的一個(gè)重要組成部分，在算法課程評價(jià)方面的改革措施如下。

評價(jià)方式改革：過程考核和結(jié)果考核并重，過程考核包括課堂表現(xiàn)、作業(yè)情況、實(shí)驗(yàn)完成情況；結(jié)果考核主要包括期中和期末考試。

評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)改革：在卷面考試中，更多地看重學(xué)生在解題過程中是否有思路、思路有無創(chuàng)新性等，而不僅僅局限看考生的答案是否和標(biāo)準(zhǔn)答案一致。

三、豐富教學(xué)手段

教學(xué)手段是師生教學(xué)相互傳遞信息的工具、媒體或設(shè)備。隨著科技的發(fā)展，教學(xué)手段經(jīng)歷了口頭語言、文字和書籍、印刷教材、電子視聽設(shè)備和多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等五個(gè)使用階段。

1.網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)作為課堂教學(xué)的補(bǔ)充

當(dāng)今世界，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)飛速發(fā)展，基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)新模式作為傳統(tǒng)的基于行為主義和認(rèn)知主義學(xué)習(xí)理論的教學(xué)模式的有效補(bǔ)充，越來越為人們所關(guān)注。算法課程利用Claroline開源平臺(tái)建立了網(wǎng)絡(luò)課程，設(shè)置了課程簡介、課程計(jì)劃、課程講義、課程聯(lián)系、學(xué)習(xí)路徑、作業(yè)、學(xué)習(xí)討論、協(xié)作資源等模塊，為學(xué)生開辟了除課堂教學(xué)以外的“第二戰(zhàn)場”，突破了時(shí)間、空間的限制， 實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)和授課的全新理念。

2.板書與多媒體優(yōu)勢互補(bǔ)

板書和多媒體課件的使用在教學(xué)中各有優(yōu)勢。板書靈活性強(qiáng)，與教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)緊密銜接， 并能有效地掌控課堂節(jié)奏，教師可以隨機(jī)應(yīng)變；而多媒體則能提供更為豐富的視聽環(huán)境， 使教學(xué)內(nèi)容更形象直觀、美觀活潑。

在算法課程中，使用了板書為主、多媒體課件為輔的方式，按照教學(xué)思路用板書反映大部分教學(xué)主要內(nèi)容，以多媒體課件呈現(xiàn)教學(xué)輔助材料，如：圖的最短路徑搜索、圖的遍歷、各種排序等問題的抽象求解過程。用多媒體展示教師的思考過程和算法的形成過程，便于學(xué)生直觀地理解這些復(fù)雜算法，提升課堂教學(xué)效果。

四、結(jié)語

教學(xué)的研究與探索是永無止境的過程，在今后在教學(xué)過程中，一方面要繼續(xù)關(guān)注“算法設(shè)計(jì)與分析”的基本理論和方法，讓學(xué)生通過掌握這些算法的同時(shí)提高分析問題、解決問題甚至是提出問題的能力。還要通過算法的實(shí)現(xiàn)過程強(qiáng)化學(xué)生的編程應(yīng)用能力，這就需要教師能夠不斷地研究課程教學(xué)的諸多環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。另一方面，算法課程涉及的應(yīng)用領(lǐng)域較廣，知識(shí)更新周期短，這對教師的學(xué)術(shù)水平提出了較高要求，這就需要教師跟蹤學(xué)術(shù)前沿，涉獵最新學(xué)術(shù)成果，不斷研究消化并反哺教學(xué)，使得算法課程的教學(xué)效果逐步提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]The Joint ACM/IEEE-CS Task Force on Computing Curricula.Computing Curricula 2005-the Overview Report[R]. New Jersey：ACM and IEEE Computer Society，2005.

[2]教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì).高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告暨專業(yè)規(guī)范（試行）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]曹娟.關(guān)于高校實(shí)施研究性教學(xué)的理性思考[J].現(xiàn)代大學(xué)教育，

2002，（6）：111-112.

（責(zé)任編輯：王意琴）