ACM競賽引導的工科創新思維教學改革

吳濤，劉宇欣，張立敏

（1.嶺南師范學院信息工程學院，湛江 524048；2.廣東高校數字化學習工程技術開發中心，湛江 524048）

0 引言

近年來，社會經濟快速發展需要大量應用型人才作為支撐，也正因此，應用型人才培養是高校、特別是地方高校的合理選擇[1]。嶺南師范學院是地處粵西的地方應用性本科院校，學校發展定位是“兩性兩型”，即師范性、地方性、教學型、應用型。信息類專業，甚至應用型工科專業學生，因主客觀多方面原因，學生個體在理論知識、實踐技能、專業素質和創新能力等方面存在較大差距。雖然所培養的歷屆畢業生中專業水平高、綜合素質強的學生也不少，但實事求是地說，這類學生人數所占比例并不足夠高；就學生個體而言，有的基礎理論知識不夠扎實，有的實踐動手能力不強，更多的則是綜合素質和創新能力尚存在改善空間。具體表現在以下幾個方面：

（1）學習積極性低，創新養成動機缺乏。部分學生自身基礎差，而專業課程多、難度大，因此學習效果不理想；學生學習積極性低，有的受各種外界因素影響，急功近利、思想浮躁，不能安心于學業，對于各種常態化學習任務都難于完成，創新養成動機當然更加無從談起。

（2）學習形式單一，創新自主能力不強。沒有建立科學的信息類專業創新能力人才培養模式，有的學生只是被動地接受學習任務，習慣于傳統的應試教育模式，不能發揮自身的主觀能動性，學習形式和思維較單一，缺乏總結和吸收專業知識的敏感性。

（3）學習參與度不足，創新激勵機制缺乏。信息類專業的各級各類比賽雖然較多，學校也會根據比賽安排宣傳組織學生參加，但一定程度上僅僅是為了比賽而比賽，缺乏規模化的傳幫帶和可持續性機制。盡管有一定的物質獎勵和精神激勵，但僅限于極少數參賽獲獎學生，學生整體學習參與度不足，未能對整個專業其他學生起到足夠的促進作用。

另外，高校教學與社會需求之間存在某種程度上的不協調、不一致，導致了大量信息類專業畢業生不能直接進入社會創造實際價值，需要到培訓機構回爐再造[2]。創新教育意在培育高校大學生的創新精神、創新意識、創新能力，是一種側重創新思維培養和創新能力鍛煉的實用教育[3]。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》中就明確強調了高校要提高人才培養質量，要創新人才培養模式，增強高校的社會服務能力。因此，在當前“大眾創業、萬眾創新”的深化高等教育改革新形勢下，如何在互聯網+信息大數據時代有效推進信息類大學生的工科創新思維能力培養顯得尤為關鍵[4]。

ACM國際大學生程序設計競賽（簡稱ACM）是由國際計算機界歷史悠久、頗具權威性的組織ACM學會主辦，是世界上公認的規模最大、水平最高的國際大學生程序設計競賽，其目的旨在使大學生充分展示自己運用計算機分析和解決問題的能力。該項賽事受到國際社會各方的高度重視，已經成為世界上最具影響力的國際級計算機大賽之一[5]。ACM賽事不僅能培養參賽者的程序開發能力和創造能力，更能培養團隊合作精神以及解決問題的創新思維，某種程度上還能測試參賽選手的抗壓能力。

在這樣的背景下，作為普通應用型地方本科高校，以ACM競賽為導引，融入創新思維教育，探索與實踐新的計算機工科專業創新思維教育及人才培養模式，不僅對于學生個人、而且對于學科專業、對于高等學校，甚至對于整個社會都具有重要的意義。

1 ACM創新思維引導教學的作用

ACM不僅強調學科基礎，更強調全面素質和能力的培養，除了要求扎實的專業水平，更要具備創新思維。以ACM競賽為導引，強化創新思維教育，研究與實踐ACM競賽引導的個性化新工科創新思維教學改革，通過對學生創新思維、學習能力和團隊協作能力等綜合素質的培養，堅持“學生中心、成果導向、持續改進”的理念，能夠激發學生的學習興趣、拓展學生的思維模式、提升學生的綜合能力，有利于全面推動學生高質量發展，深入提升人才培養質量。

（1）ACM創新思維有助于激發學生的學習興趣

對于信息類學生而言，程序設計能力無疑是衡量他們基本專業素養的重要指標之一[6]。在傳統教育的影響下，學生在遇到難題時往往會試圖尋求“標準答案”，而ACM程序設計是沒有標準答案的。因此，培養學生的ACM創新思維，鼓勵學生從不同的角度思考問題，逐步找到可接受的、更優的解決方法，能夠增強學生的自信心，進而體會到程序設計的魅力所在，重拾編程的樂趣，由此提高學生學習的積極性，激發學生的學習興趣，促進學習良性循環的形成。

（2）ACM創新思維有助于拓展學生的思維模式

創新教育是素質教育的具象化，幫助學生樹立創新意識，具有針對性強、可操作性強等特點；創新思維是聯想的、發散的、逆向的、組合的、立體的，具有突破性、新穎性、靈活性、求異性等特點[7]。培養學生的ACM創新思維，在教學中有意識地引導學生進行聯想、從不同角度分析問題、嘗試反向思考、跳出限制組合問題立體地分析問題，讓學生從被動地接受知識向主動獲取知識并進行聯想、發散、逆向、組合等多種思維活動轉變，拓展學生的思維模式。

（3）ACM創新思維有助于提升學生的綜合能力

ACM競賽的目的在于讓大學生運用計算機充分展示自己分析和解決問題的能力。與其他程序設計類課程相比，ACM競賽的難度高、涉及知識面廣、需要一定的數學及英語基礎、強調算法的高效性，且許多問題并無現成的算法。創新思維要求學生從多角度出發獨立思考，找到解決問題的突破口，綜合運用已有的知識、信息、技能和方法，幫助學生探索新的算法或改進現有算法，提出解決問題的新方法、新觀點[8]。另外，ACM競賽中飽含了競爭性，對學生抗壓能力的訓練具有一定的積極意義，塑造學生良好的心理素質。此外，ACM組隊參賽的形式對分工協作、默契配合和現場應變能力都提出了較高的要求，可以培養學生的溝通能力和團隊協作能力。

2 ACM競賽引導的創新思維教學改革措施

2.1 ACM 競賽引導的教學內容改革

ACM競賽引導的工科創新思維教學所涉及的課程包括高級語言程序設計、面向對象程序設計、數據結構以及算法設計與分析等，覆蓋了大學本科階段前兩年的學習內容，也是學生打好基礎的關鍵時期。針對地方本科師范院校學生的特點，教學團隊撰寫了專門的教材《ACM程序設計基礎》[9]，初稿在2013年至2017年多次試用，共約2500名本科生使用并提出了很多寶貴的意見。自2018年4月由中國水利水電出版社正式出版后，供相關專業本科生課堂講授時使用。具體的教學內容，包括三大部分，十個章節，正如書名一樣突出“基”，強調筑牢基層面、夯實基礎端、穩住基本盤。

第一部分是基層面，包括兩個章節。第1章概述，主要介紹與ACM競賽有關的各類賽事，包括國際ACM競賽、廣東GDCPC競賽、全國藍橋杯大賽、中國計算機學會軟件能力認證、國際青少年信息學奧林匹克競賽等。第2章入門基礎，主要介紹數據的輸入輸出格式、基本編程環境與方法、在線系統的使用、常見錯誤及其對策、字符串處理等。

第二部分是基礎端，包括四個章節。第4章數學問題，主要闡明與ACM程序設計最密切的一個專題，重點展開了數論、計算幾何、組合、概率等具體數學問題。第6章高精度計算與模擬法，主要講解ACM程序設計中、也是實際生活中經常使用的大數高精度計算問題，并以此引出一種模擬法的求解問題思路。第7章排序與查找，這是計算機科學中的兩個經典問題，在很多ACM程序設計中都有具體應用，舉例闡明這些問題的求解策略及其應用。第10章并查集，介紹了一個特殊高效的數據結構及其使用。

第三部分是基本盤，包括四個章節。第3章蠻力法，主要介紹蠻力法這種最典型、最直接的問題求解方法，包括基本思想、實例分析、程序優化策略等。第5章分治、遞歸與遞推，主要闡釋最常用的分治遞歸以及遞推策略，通過實例剖析遞歸與遞推的關系，以及相互之間的轉換。第8章貪心法、第9章動態規劃法，作為問題求解的兩個常用算法，介紹了其基本概念、核心思想、一般步驟，通過經典問題并配以若干實例分析問題求解策略。

2.2 ACM 競賽引導的教學模式改革

（1）仿照ACM競賽機制轉變教學形式

ACM程序設計通常是以團隊的形式參賽，三人一隊，且每個隊伍共用一臺計算機，隊員需要合力編寫并調試程序。因此，在教學中也以團隊的形式進行分組，教學活動以小組為單位，組內交流討論、分工合作，組間相互評比、取長補短。這種輕松活躍的教學氛圍促進了學生間的交流，激發學生的創新能力，培養學生的團隊合作意識、競爭意識，在潛移默化中強化了學生的創新思維。

（2）借助ACM經典賽題訓練思維模式

ACM程序設計與相關專業課程，如高級語言程序設計類、離散數學、數據結構、人工智能、算法分析與設計等直接關聯，ACM賽題涉及知識面廣、難度高，解題思路更是靈活多變。解決問題往往需要隊員們集思廣益，激發潛在智慧。實際教學中通過聯想、發散、逆向等思維模式探索新的算法，在原有算法的基礎上進行類比、組合、改進，這對培養學生的創新思維模式是大有裨益的。

（3）服務ACM競賽機制開展混合教學

從2013級開始一直用學者網開展線上線下混合教學，訪問地址：http://www.scholat.com/course/ACMer，覆蓋面廣、輻射性強。據統計，截止到2020年7月29日，網站頁面點擊量為63750人次，服務學生逾1000人，視頻課件資源51個，作業139個。同時，通過學者網的線上線下混合式教學可以7×24小時隨時隨地師生互動交流。相比QQ、微信群聊，形式清晰，問答明了，不會刷屏。相比私聊，優點是針對全部學生可見，同一個問題不需要多次回復，學生也可以互相交流。有別于閑聊，真正凸顯學術性、專業性。

（4）夯實ACM競賽技能搭建實踐平臺

基于已有的開源ACM在線評測系統（Online Judge，OJ），建立了一整套功能強大的程序設計學習實踐平臺，并與評測系統進行深度融合。包括在開源的ACM俱樂部上建立了官方在線練習平臺，在酷噠網設有競賽和作業平臺，在本地部署兩級OJ等，僅內網訪問的OJ用于校內選拔和課程考試，外網可訪問的OJ用于學生公開網絡賽和平時練習，學生社團嶺南師范學院計算機協會也專門成立了ACM部門，逐步建立了以學生為主體的組織和培訓體系，整體呈現穩步向前的態勢。總體上已經構建了一體化實踐教學平臺，為學生提供技能創新實踐，依托ACM系列競賽有針對性地設計課程、組織教學“以賽促學，以賽促教”的教學模式，將所有的實踐環節有機融合，不僅能夠滿足學生自學的需求，而且能夠運用于課堂教學生態，實現競教無縫銜接，進一步激發了學生學習課程知識的興趣，提高學生的分析能力、動手能力、團隊協作能力和創新能力。

（5）組建ACM競賽團隊提高綜合素質

因ACM競賽的國際影響力，目前ACM競賽依然是國內高校計算機方面的一個熱點，是培養全面發展優秀人才的一項重要活動，嶺南師范學院也不例外，從2008年開始每年都會組織學生進行ACM程序設計大賽，每年至少組織三輪選拔賽挑選學生參加廣東GDCPC競賽。實踐表明，組建ACM競賽團隊，鼓勵學生參加ACM大賽，有效地促進了學生程序設計能力、算法創新思維的不斷提升，不僅有助于專業知識技能水平的提升，還能夠提高學生的團隊協作意識、創新精神、心理素質等綜合素質。

2.3 ACM 競賽引導的評價模式改革

（1）引入ACM競賽機制的過程評價

利用學者網分析了學生的在線活躍行為，如圖1所示，可以發現有相當數量的學生開展了較高頻度的互動，線上活躍度高。但是，仍然很多學生的線上互動活躍度不高，互動次數不超過10次，嚴重依賴于傳統的課后提問或QQ微信答疑，而且經常只是一對一問老師。這樣導致至少兩個方面的不利：一是缺乏有效的過程記錄，沒有足夠的創新思維過程；二是缺乏足夠的生生互動，沒有理想的朋輩創新思維分享。發現這樣的趨勢后，及時改進了平時成績評定方式。將學者網互動活躍度納入平時成績，引導學生積極開展師生、生生互動，分享創新思維訓練過程。

圖1 學生互動活躍情況圖

（2）引入ACM競賽機制的作業評價

利用杭州電子科技大學OJ、浙江大學OJ等開放平臺，挑選和課堂教學密切相關的問題集，注重形成性考核。在課程教學中，作業分為必做和選做兩類，均為針對性的專題作業，其中必做為基本練習，是課堂教學效果的檢驗，選做一般更加綜合、有一定的難度，供學有余力者完成。在每次作業后，公布AC結果、累計用時和作業排名，引導學生良性競爭。同時，鼓勵有能力的學生自主提供問題建立問題庫（problem set），在OJ系統上自動組卷成作業題，由其他同學完成。每次作業均要求學生至少任選一個問題按照模板提供詳細的解題報告，包括問題描述、輸入輸出、樣例輸入、樣例輸出、問題分析、程序代碼、測試示例、結果截圖、解題備注等，特別鼓勵學生舉一反三、深化拓展，撰寫一些經驗、心得，歸納規律、規則、方法和解題中注意事項等。

（3）引入ACM競賽機制的考試評價

考慮到傳統筆試不利于程序設計類課程對學生核心能力的測試，作為應用型工科教學改革的手段之一，計算機類相關專業從2013級開始，吸取、借鑒了ACM競賽機制的重要意義和優勢，逐步采用本地OJ平臺，實現程序設計課程群的在線考試，注重考試過程評價，包括錯誤嘗試次數、解題時間等，目前已涵蓋了ACM創新思維、C語言程序設計、C++程序設計、數據結構、算法分析與設計等課程。考試成績的評定以OJ排名為序，成績實時公開，以學生AC完成一定數量的題量為及格基本要求。同時，學生通過ACM省賽選拔，相關課程可以申請免修直接獲得學分，按照不同的競賽成績，獲得相應的績點。

3 ACM競賽引導的創新思維教學改革成效

經過若干周期的運行，ACM競賽引導的創新思維教學改革取得了初步的成效，主要包括：

（1）全方位建立了ACM競賽引導的學生創新活動制度保障

建立起涵蓋培養模式、資金來源、實驗場所、激勵措施等在內的全方位學生ACM創新制度保障。全面實施了本科生導師制，開展面向ACM競賽的大學生科研項目訓練和創新項目訓練，由專業導師和企業導師全程負責指導項目組的課外科技活動。設立創新活動學分互認機制，激勵學生積極參與課外創新活動。

（2）多角度實施了ACM競賽引導的常規化學生科技創新活動

以能力素質提升為導向，廣泛開展了內容豐富的ACM競賽相關科技創新活動。組建ACM創新項目團隊，開展經常性科技創新活動。主要有廣東高校數字化學習工程技術開發中心的卓越工程師團隊和廣東宏康科技有限公司項目研發團隊等，吸引了學生的積極廣泛參與，把專業理論學習、專業技能訓練和課外科技實踐融合在一起，成為課外科技文化生活的重要形式和載體。

（3）立體化開展了各級銜接的ACM競賽和創新訓練項目

針對各級各項ACM競賽和每年的創新訓練項目，開展從學院到學校、省區、全國四級創新訓練項目和賽事，覆蓋四個年級學生。將學院每年一屆“IT文化節”與廣東大學生程序設計競賽、全國計算機設計大賽、藍橋杯、挑戰杯等專業賽事對接，搭建起全體學生每年都能參與的全覆蓋科技創新平臺。

總體上，人才培養質量明顯提升，主要表現為：①相關專業學生創新競賽成績突出。獲得大學生創新創業訓練計劃項目國家級10項、省級14項；獲得學科競賽獎勵，如藍橋杯大賽、ACM程序設計競賽和機器人大賽等，國家級18項，省級70項。獲得軟件著作權授權20余項、實用新型專利授權近10項。②相關專業學生就業率和就業質量穩步提升。畢業生初次就業率連續多年穩定在97%以上，最終就業率達100%，就職崗位與所學專業的相關度為85%以上，應屆畢業生平均薪酬在5000元以上，薪酬水平排在學校各專業前列，并呈現穩步增長趨勢。

4 結語

創新思維要求學生從多角度出發思考問題，抓住問題本質，綜合運用已有的知識、信息、技能和方法，提出解決問題的新方法、新觀點。這與ACM競賽類程序設計對學生的基本要求不謀而合。本文研究與實踐了ACM競賽引導的個性化新工科創新思維教學改革，具體分析了ACM創新思維引導教學的作用、詳細剖析了ACM競賽引導的創新思維改革措施，通過以ACM程序設計為載體的訓練，在ACM競賽引導的程序設計教學中引入創新思維訓練，采用競賽形式的教學方法，以賽促學，鍛煉學生的思維模式。結果表明，通過ACM競賽導引的教學改革實踐，培養了學生的創新精神、協作意愿和實踐能力，教學改革初顯成效，能夠有效提升人才培養質量，所提出的教學改革研究可以為實施應用工科人才培養改革提供具體的實踐支撐，為同類院校提供一定的參考，為相關部門管理、監控和評價提供決策借鑒。