面向ACM—ICPC競賽的計算機人才培養(yǎng)教學與實踐方法

梁冰+馮林

摘要：針對目前大學計算機學科教學與實踐在培養(yǎng)計算機人才上的不足，提出了以ACM-ICPC競賽為依托的計算機科學方向的理論教學內(nèi)容和實踐教學方法，引入ACM-ICPC競賽注重學生思維能力和計算機實現(xiàn)算法的考核方式，強化以賽代練的實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生的算法設(shè)計能力、編程技巧、邏輯思維能力以及良好的協(xié)作精神，實踐證明通過ACM-ICPC競賽的模式及其培訓能切實提升學生的程序設(shè)計和實現(xiàn)能力，培養(yǎng)社會真正需要的創(chuàng)新型計算機科學人才。

關(guān)鍵詞：計算機科學；ACM國際大學生競賽；教學方法

TP3-4；G652

一、引言

ACM國際大學生程序設(shè)計競賽（ACM International Collegiate Programming Contest，ACM-ICPC）是由美國計算機協(xié)會（ACM）主辦的，一項旨在展示大學生創(chuàng)新能力、團隊精神和在壓力下編寫程序、分析和解決問題能力的年度競賽。該項競賽從1970年舉辦至今已歷31屆，因歷屆競賽都薈萃了世界各大洲的頂尖計算機人才，競賽采取ACM/ICPC程序設(shè)計競賽評測系統(tǒng)pc2評判，實時發(fā)布各賽隊解題結(jié)果，避免人為的主觀因素的影響，ACM/ICPC競賽的公正性與公平性得到充分的肯定，備受國際上的知名大學和各著名信息技術(shù)公司如Microsoft （微軟公司）、GOOGLE、IBM 等的高度關(guān)注，成為世界各國大學生最具影響力的國際級計算機的賽事[1]。

創(chuàng)新實驗學院于2009年成立ACM實踐班，依托于校創(chuàng)新實踐基地，以培養(yǎng)創(chuàng)新人才為目標，近年來在省賽全國賽中獲得多項大獎，并于2012年獲得了我校首枚區(qū)域賽金牌[2]。目前，計算機人才培養(yǎng)的專業(yè)課程存在以下問題，專業(yè)課程廣度和深度都不夠，學生對算法理解的不深入。教學內(nèi)容理論性強，而缺乏實際應(yīng)用問題，內(nèi)容枯燥，學生缺乏學習興趣。實踐教學環(huán)節(jié)時間較少，形式不夠豐富，實踐活動不具有連貫性和持續(xù)性，學生的編程能力弱。

而面向ACM-ICPC競賽的計算機科學人才培養(yǎng)的教學與實踐方法能夠解決以上在計算機科學人才培養(yǎng)上存在的不足與弊端。ACM國際大學生程序設(shè)計競賽需要參賽隊員具備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、排序算法、搜索技術(shù)、數(shù)論、組合數(shù)學、搜索技術(shù)、動態(tài)規(guī)劃、計算幾何等多方面的知識。學生要想具備參加ACM-ICPC競賽的能力，需要學習大量的算法知識，而且ACM-ICPC競賽更要求算法的效率，因此學生對算法的理解更加深入。參賽學生需要要在國內(nèi)外的網(wǎng)站的OJ系統(tǒng)（online judge，OJ）上完成ACM競賽涉及到的多個專題的競賽題目，一個參加ACM競賽的合格學生在一年中的編寫代碼數(shù)量至少是計算機專業(yè)同學大學4年完成的平均編程量的數(shù)十倍數(shù)百倍的量[3]。因此，ACM實踐班培養(yǎng)出來的計算機人才具有編程基礎(chǔ)過硬、算法設(shè)計能力強、邏輯思維縝密和良好的合作精神，因此在就業(yè)和保研中有著優(yōu)異的表現(xiàn)，獲得了來及微軟、google等知名信息企業(yè)以及國內(nèi)各重點院校的青睞。

二、ACM-ICPC彌補計算機教學不足

目前，大學計算機專業(yè)的教學中存在著理論教學與實踐運用的嚴重脫節(jié)。一方面，理論教學內(nèi)容不能指導實踐的運用，學生掌握了理論，卻無法用計算機語言實現(xiàn)。計算機專業(yè)課程包括C語言程序設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法設(shè)計采用筆試的方式考核學生的知識掌握能力，考試能得高分的學生，，卻不能編寫一條簡單的程序，這完全背離的計算機專業(yè)對人才培養(yǎng)的目標。雖然，目前，國內(nèi)計算機專業(yè)的實踐環(huán)節(jié)已經(jīng)得到了強化，但是實驗課程中的程序設(shè)計題目單調(diào)枯燥，考察知識點單一，實際應(yīng)用意義不大，不利于學生對知識的深入理解和靈活應(yīng)用，更不利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。現(xiàn)在的實驗系統(tǒng)，老師對學生的編程結(jié)果的考核幾乎是不現(xiàn)實的，很難評價實驗課學生的編程結(jié)果，因此也不能保證學生的實驗課效果。引入ACM-ICPC競賽的PC2判題系統(tǒng)就可以解決以上問題，各大高校的OJ，如北大、杭電上的編程題目知識點綜合性很強，題目貼近生活且趣味性很強，同學們非常有興趣去做題，每道題目都由測試樣例，PC2系統(tǒng)可以自動評判程序的運行結(jié)果[4]。對程序的時間復雜度也有限制，同樣一道題目，只有效率最優(yōu)的算法才能滿足題目的時間復雜度要求，這樣思考問題，才能對知識深入理解并靈活運用，這樣的編程過程能有效的培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和實踐能力。但目前國內(nèi)的計算機專業(yè)的實踐課還尚未引入ACM-ICPC的PC2系統(tǒng)。

ACM-ICPC競賽內(nèi)容以大學計算機學科理論課程為基礎(chǔ)，內(nèi)容往往涉及離散數(shù)學，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法，高等數(shù)學，高等代數(shù)，組合數(shù)學，圖論，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與線性規(guī)劃，數(shù)論，計算幾何等多個領(lǐng)域，一些競賽題目是多個領(lǐng)域知識的結(jié)合，掌握的知識需要融會貫通，才能解答出來。目前，關(guān)于計算機課程的講授還是獨立的，沒能很好的結(jié)合起來，可以通過ACM-ICPC競賽和培訓模式將多門計算機理論課內(nèi)容融合起來并能夠運用于程序設(shè)計當中。

三、面向ACM-ICPC的教學實踐方法

1.ACM程序設(shè)計競賽實際問題的案例教學方法

在課程的理論教學中嵌入具有實際問題背景的ACM-ICPC賽題。ACM競賽題目涉及的知識面非常廣，如果按照知識點一一講授，二年的課程時間學習難以講授完，且傳統(tǒng)的教學方法，學生感覺課程枯燥，對算法理解不夠深入，在競賽中難以獲得好成績。

采用acm競賽題目的實際問題案例教學方法，通過計算機編程語言實現(xiàn)算法巧妙的解決生活中遇到的有趣且有一定難度的問題，首先這些案例問題都非常的引人入勝，比如旅行商問題、背包問題、圖著色問題，acm競賽中解決這些問題的算法復雜度要求都很高，因此解決這些問題算法都具有一定的數(shù)學思想和理論深度，在解決實際問題的同時，學生對算法和數(shù)學思想理解深度、掌握和運用的熟練程度都有了非常大的提升。而且在解決每一道實際問題過程中，遇到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法、數(shù)學的知識點有若干個，學生能夠在短時間內(nèi)吸收到大量的知識。

2.以賽代練的實踐教學方法

課程的實驗教學以程序設(shè)計競賽的形式實施，在實踐課環(huán)節(jié)通過在OJ系統(tǒng)上完成ACM的競賽題目。實ACM競賽對學生編程和算法的基本功要求非常高，對算法理解不深入、編程基礎(chǔ)不扎實、知識點不全面都難以在要求的時間復雜度下完成題目。因此，實踐教學部分至關(guān)重要，實踐教學需要全方位、各層次的組織，保證實踐教學的時間和深度，在實踐中提升學生的能力，發(fā)現(xiàn)自身知識結(jié)構(gòu)的欠缺，促使學生發(fā)揮自主學習精神，自學所需算法和相關(guān)知識。

實踐教學分一下幾個方面組織，日常訓練：根據(jù)課堂教學的內(nèi)容，為學生挑選acm競賽中相關(guān)的題目，加強訓練，真正掌握相關(guān)的知識點和擴展內(nèi)容。周賽：每周周末舉辦周賽，督促學生對算法的持續(xù)學習，提高學生的學習熱情，鞏固學生成果。校賽：每學期舉辦一次校賽，春季學期為個人賽，秋季學習為團隊賽，校賽考察學生知識點全面，提升學生競技狀態(tài)，團隊賽培養(yǎng)學生的團隊精神和配合。暑期集訓：暑期集訓是大幅度提升學生能力的關(guān)鍵時期，暑期時間集中，學生集中，學生學習效率高，學生學習氛圍濃厚。省賽、四省賽、區(qū)域賽：更高級別的acm-icpc競賽，與全國高校中的出類拔萃的計算機人才同場競技，也是為高級別的acm比賽選拔隊員。這樣高層次的比賽可以激發(fā)學生的潛能，在準備各級賽事的短時間內(nèi)，吸收、鞏固大量的知識。

實踐教學通過ACM/ICPC在線評判系統(tǒng)為教學實訓平臺，輔助完成日常訓練和模擬競賽，增加上機考核方式，實現(xiàn)對學生程序的自動運行和測試，增強學生的程序調(diào)試能力。并通過分析比賽結(jié)果，更加精細地評估學生對教學知識點的掌握程度，這些信息進一步反饋到課程的理論教學中，可以確定課程教學的實際難點和重點。

四、結(jié)語

大連理工大學創(chuàng)新實驗學院經(jīng)過多年培養(yǎng)面向ACM國際大學生競賽的學生發(fā)現(xiàn)，這部分學生的計算機專業(yè)素質(zhì)較高，表現(xiàn)在編程能力強、知識面廣、具有良好的團隊合作能力、創(chuàng)新能力和臨場應(yīng)變能力，因此在畢業(yè)時能獲得名校和名企的青睞。這主要與ACM-ICPC競賽的一些良好的競賽規(guī)則和競賽環(huán)境有關(guān)，本文提出了面向ACM-ICPC競賽的計算機人才培養(yǎng)教學與實踐方法提升計算機專業(yè)人才的素質(zhì)，包括以下幾個方面：1、理論課按專題講授，包括：圖、動態(tài)規(guī)劃、搜索、計算幾何、數(shù)論等案例教學；2、實踐課引入PC2自動判題系統(tǒng)，趣味綜合性題目選自國內(nèi)外著名OJ：3、周賽、月賽、校賽、省賽、區(qū)域賽培養(yǎng)學生綜合素質(zhì)、加深理論知識理解與實際運用能力。

參考文獻

[1] 趙 龍，李貝貝，王喜鳳ACM/ICPC競賽對培養(yǎng)大學生綜合能力的作用.安徽工業(yè)大學學報（社會科學版）.2013， 30（5）：110-111

[2] ACM/ICPC競賽人才培養(yǎng)模式的研究與實踐——以大連理工大學ACM/ICPC創(chuàng)新實踐班為例.內(nèi)蒙古師范大學學報（教育科學版）.2012，25（3）：141-144

[3] 郭嵩山，王磊，張子臻.ACM/ICPC 與創(chuàng)新性IT 人才的培養(yǎng)[J].實驗室研究與探索，2007，（12）6：181-185

[4] 韓建民，鐘發(fā)榮，趙相福.基于 ACM-ICPC 訓練模式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實踐教學探索. 計算機教育.2013，（10）： 103-107