算法設計與分析課程教學改革探討

紀穎

摘要：算法設計與分析是計算機科學的一門核心課程，是一門理論性與實踐性相結合的課程。針對計算機專業算法設計與分析課程教學中存在的問題。基于實際教學工作中的體會和教學經驗，從教學內容、教學方法、教學手段、考核方式等方面對算法設計與分析課程教學改革進行初步探索，以期做到理論與實際并重，培養學生的創新能力和實踐能力，提高其社會競爭力。

關鍵詞：算法設計與分析；教學問題；教學改革

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1001-7836（2014）08-0042-02

一、教學內容

教學內容是教學過程的基本要素之一，是教師與學生雙向交流的中介和紐帶。作為專業基礎課的教師，要不斷提高自己的專業素質，隨時跟蹤學科發展動態。改革教學內容不僅要選用新版、內容較豐富的教材，更要對教學內容進行精選，注意把經典問題算法的最新研究進展、多學科知識交叉與滲透的動向反映到教學內容中來。由于算法設計與分析課程涉及較多數學和理論的知識，在教學內容的組織上要做到內容難度適中，選擇適合學生的內容來授課。結合實際問題和相關專業知識來講解算法設計技巧及算法分析方法，使學生既能理解，又能拓展創新。在內容組織上應該體現理論與實際應用并重的原則。

算法設計與分析所涉及的領域非常廣泛，通常包括下面幾方面的內容：（1）各種基本和經典的算法，如排序、搜索、圖的算法、組合算法和大量的數值計算算法；（2）關于算法分析和算法設計策略、可計算性理論和問題復雜性等方面的理論研究，如計算模型、NP完全問題和問題復雜度等理論；（3）近年來在并行算法、隨機算法、近似算法、加密算法、智能優化算法、模式識別算法、神經網絡算法、遺傳算法以及其他算法領域方面的最新研究成果。

經過多年的教學實踐，筆者認為教學內容應由四部分構成：算法基礎知識、算法設計策略、算法分析技術、并行算法設計技術及本學科領域的最新進展。算法基礎知識包括算法的概念、基本要素、問題求解步驟等。算法設計策略主要包括迭代法、蠻力法、分治法、貪婪法和動態規劃。算法分析技術主要包括算法分析的評價體系、算法的時間復雜性和空間復雜性。在講授這門課時，切忌講授太深奧的純理論知識，教師要講清楚算法的基本概念與思想方法，理論聯系實際，用實際項目激發學生學習算法的興趣。另一方面，教材選擇、學時安排要合理，基礎理論以必需、夠用為度，適當突出實踐教學。堅持“實踐、實際、實用”的原則，堅持實戰教學，培養學生的實踐能力和創新能力。

二、教學方法

在教學過程中，教師應該始終貫穿“以問題為中心，以求解為目標”的指導思想來闡述算法設計過程。一般來說，問題求解是從問題分析到算法設計，再到算法分析的邏輯思維過程。第一步是“問題分析”。針對問題的現實領域，認真分析并確認問題的邏輯結構和基本功能，進而建立數學模型，這是從具體到抽象的過程。第二步是“算法設計”。根據求解問題域的特點和數學模型，選擇合適的數據結構，進行算法設計和實現，這是從抽象到具體的過程。第三步“算法分析”是對算法的時空復雜度等性質的評價與總結。在講授算法實例時，可以分五個步驟，即問題分析、數學建模、算法設計、算法說明與算法分析。這樣有助于學生理解算法的基本方法，掌握算法的思想精髓，從而提高學生分析和解決問題的能力。本課程可以采用多種教學方法，充分發揮各種教學方法的優勢，使學生能夠更好地理解和掌握算法設計。

1啟發式教學

傳統的教學過程中，教師采用以授課為主的教學方式，教師與學生之間缺少必要的交流和互動。教師應該以算法應用場景為驅動，采用啟發式教學，實現教與學的互動，引導學生學習的積極性和主動性，教師通過精心設計的啟發式教學，誘導學生深入理解算法設計方法的基本思想、適用條件和基本解題步驟。從而引導學生在遇到類似問題時如何選擇算法設計方法，如何設計解題步驟。如貪婪法的思想很簡單，可以用于處理最優化問題，但是由于用此方法解決問題時優化測度要根據具體的問題自己選取，故用此方法設計算法時對于解決不同問題其具體實現方式也是不同的。為了讓學生對此設計技術有完整的認識，引導學生思考對于不同問題應如何選取優化測度，如數錢問題，背包問題，單源最小路徑問題等解決時到達最優化時其優化測度各不相同。這種教學方式讓學生帶著問題學習，可以提高他們學習的興趣，更重要的是可以培養他們發現問題、分析問題及解決問題的意識和能力。

2研究式教學

研究式教學以解決科學問題為中心，關注學生的獨立活動，著眼于培養學生的創新思維能力。將學生分成若干小組，每組選擇教師給定的題目，讓學生進行研究、探討，提出解決問題的思路和方法，這樣有利于培養學生的創造性思維，增強編程能力和技巧，充分展示自己的能力。

3理論分析和實際應用相結合

計算機科學強調理論聯系實際，算法本身相對來說比較枯燥，如果能拓展教材中的內容，在加強理論說明的同時，與實際應用聯系起來，可以使學生學起來更有興趣。

4強化習題討論教學環節

針對理論課教學中一些尚未理解透徹，容易出錯的問題，在習題課中進行分析討論。選題要有代表性，不選難題繁題，但是要有討論引申之內容。通過一題多解和分析，加深學生對基本理論知識的理解而起到舉一反三，觸類旁通的作用，有助于學生結合實際進行具體應用。討論問題的同時，學生又會提出新問題。在討論問題、解決問題過程中，使學生獨立思考能力得到培養和鍛煉。在講授遞歸方程解法時，以漢諾塔問題的遞歸方程為例，可以采用三種解法中任一個求解，同時可以聯系時間復雜性分析其時間耗費，從而引導學生思考三種求解方法各自的適用范圍及其優缺點。

三、教學手段

現代教學和傳統教學手段各有利弊，應根據教學內容，揚長避短，將傳統教學方法與現代化教學手段相結合，這也是教學改革的舉措之一。傳統教學具有受限小、靈活性高、既能較好地發揮學生的課堂能動性，又能充分發揮教師基本功的優勢。對于算法復雜性分析和算法解決問題的推導過程，適合采用傳統的黑板板書教學方式。因為學生經歷了板書從無到有，思路從疑惑到逐漸清晰的過程。為了在有限的教學時間內，增加單位時間的信息含量，把抽象難以理解的內容直觀形象地展現，在課程教學中，可引入多媒體教學手段，制作課件，開展計算機輔助教學。計算機輔助教學的特點是將算法設計中較抽象的設計思想以動畫形式演示出來，既可以節省教師在課堂上的板書時間，也可以將算法設計的一系列步驟直觀展示在學生面前。如利用貪婪法解決單源的最短路徑問題時，利用課件可以讓學生更清楚了解求解指定頂點到其他頂點最短路徑的過程以及最終求解結果，更好掌握貪婪法的設計思想。這種教學方式可以更好地發揮學生能動性，提高學生學習興趣。此外，可以把課件在相應網站發布，學生可以上網察看，方便課后復習。必要時，也可以制作一些論壇，方便學生與教師的交流，學生不明白的問題可以在論壇中提出，教師也可以利用論壇針對學生有代表性的問題及時做出回答。這樣增加了師生間的互動，使學生在良好環境下，輕松學習新知識。

四、考核方式

考試的主要作用是對學生所學的知識進行評價反饋、檢測教學效果并督促學生認真學習、鞏固所學知識，同時也有利于教師發現教學中的問題。不斷地改進教學工作。傳統的考核方式比較單一，僅根據期末考試的成績來對學生好壞進行衡量，不利于反映學生真實的學習效果。與外國學生相比，中國學生理論基礎扎實，從教師和教材吸取的知識較多，對講授的內容掌握牢靠。但創新能力較差，不善于發現問題、提出問題，缺乏實際解決問題的能力。這種現象的根源在于考試制度，包括考核形式與評分標準。目前，算法設計與分析這門課程的成績大多按兩部分計算：一部分是平時作業等情況的考核，占總成績的30%～40%；另一部分是閉卷考試，占總成績的60%～70%。這樣，大部分學生只重視閉卷考試部分，不重視平時學習，更不會挖掘潛力進行創新研究。因此，考試形式和評分標準的改革是中國教育體制改革的重中之重。就“算法設計與分析”這門課程而言，筆者認為在平時考核中應突出動手能力和團隊合作能力。[JP2]這樣更注重學生學習過程中的表現情況，有利于促進學生積極。因此，本課程考核方式主要從以下兩個方面做出改革和新嘗試。[JP]

一是學生成績由平時成績、期末成績兩部分組成其中平時成績占30%，期末成績占70%。學生的平時成績包括：課堂出勤率，30%；作業完成情況，40%；團隊項目中所發揮的作用，40%。

二是期末成績采用多種方式的考核。期末考試的形式包括：理論試卷、上機測試。這種考核模式有效提高了學生學習的積極性，并實現了與企業需求接軌的教學目標。

五、結束語

算法設計與分析課程是一門非常重要的計算機科學與技術專業的課程.具有理論與實踐并重、設計與分析并重的特點，是保證學生校內所學知識與企業需求相互匹配的關鍵課程。如何根據企業需求調整該課程的教學目標、教學內容、教學方法及考核方式，是新一輪課程改革的目標。本文就前面四個方面的教改提出了見解和策略，并將在以后的教學過程中將這些理論應用于實踐，以幫助學生盡快適應社會發展的需要，提高他們在社會上的競爭能力。

參考文獻：

[1]王曉東.算法設計與分析[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2]孫紅麗.淺談算法設計與分析課程的教學改革[J].太原教育學院學報，2005，（4）.

[3]劉波.算法分析與設計教學探討[J].高等理科教育，2007，（4）.