面向問(wèn)題解決能力培養(yǎng)的算法課程教學(xué)設(shè)計(jì)

張立臣 王小明

摘? 要：?jiǎn)栴}解決能力是目前學(xué)生亟待提升的能力之一。圍繞動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法教學(xué)，介紹了一種以問(wèn)題解決能力目標(biāo)為導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)過(guò)程，突出學(xué)生問(wèn)題解決能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練，為能力目標(biāo)導(dǎo)向的課程改革提供了一種新思路。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)栴}解決能力;動(dòng)態(tài)規(guī)劃;算法設(shè)計(jì);教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2021）11-0105-05

Abstract： Currently， it is urgent to promote students' problem solving ability. Focusing on the teaching mode on dynamic programming algorithm， a novel teaching design scheme is introduced oriented by the goal of problem solving ability. The proposed scheme tries to adjust the teaching contents and design process， in which the training and promotion process of the students' problem solving ability is emphasized， then providing a novel idea to the ability-oriented curriculum reform.

Keywords： problem-solving ability; Dynamic Programming; algorithm design; teaching design

目前，以學(xué)生為中心的教育改革，比如，OBE（Outcomes-Based Education， 成果導(dǎo)向教育）[1]、系統(tǒng)能力培養(yǎng)教育[2]、計(jì)算思維能力培養(yǎng)教育[3]、新工科背景下的教育改革等[4]，越來(lái)越突出學(xué)生的能力培養(yǎng)。根據(jù)學(xué)生現(xiàn)有能力水平和畢業(yè)應(yīng)具備的能力要求，教育改革要求教師反向設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)案例和教學(xué)評(píng)價(jià)方式。

算法設(shè)計(jì)與分析是計(jì)算機(jī)學(xué)科的一門(mén)專(zhuān)業(yè)核心課，主要培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力以及實(shí)際計(jì)算問(wèn)題解決能力[5]。這些能力對(duì)學(xué)生未來(lái)從事計(jì)算機(jī)相關(guān)的教學(xué)、科研和工程實(shí)踐活動(dòng)具有重要作用。因此，算法課程的教學(xué)研究和改革得到了廣泛關(guān)注，已出版了眾多案例豐富的算法教材，開(kāi)發(fā)了大量在線(xiàn)算法課程。本文主要以算法課程中的“動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法”教學(xué)為例，設(shè)計(jì)一種新的能力目標(biāo)導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計(jì)案例，突出培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的問(wèn)題解決能力，從而為能力目標(biāo)導(dǎo)向的課程改革提供教學(xué)案例參考和教學(xué)設(shè)計(jì)思路。

一、動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法教學(xué)

動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法解決的問(wèn)題是最優(yōu)化問(wèn)題，其基本思想是將待求解問(wèn)題分解成若干子問(wèn)題，通過(guò)對(duì)子問(wèn)題的迭代求解，獲得待求解問(wèn)題的最優(yōu)解[5]。與分治法不同，動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法更適合那些經(jīng)分解得到的子問(wèn)題不互相獨(dú)立的情形。在動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法中，通過(guò)保存已解決子問(wèn)題的解，可避免大量重復(fù)計(jì)算，進(jìn)而提高算法效率。

動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法要求待求解問(wèn)題具有2個(gè)重要性質(zhì)，即最優(yōu)子結(jié)構(gòu)性質(zhì)和子問(wèn)題重疊性質(zhì)。最優(yōu)子結(jié)構(gòu)性質(zhì)是指，問(wèn)題的最優(yōu)解可通過(guò)其所包含的子問(wèn)題的最優(yōu)解計(jì)算得到;子問(wèn)題重疊性質(zhì)是指，分解后的問(wèn)題包含很多重復(fù)的子問(wèn)題。通過(guò)記錄不同的子問(wèn)題的解，可以大大減少求解子問(wèn)題的次數(shù)。動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法具有很多實(shí)際的應(yīng)用，因此成為算法課程中的一個(gè)難點(diǎn)和重點(diǎn)。

二、動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法教學(xué)設(shè)計(jì)

通過(guò)動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法教學(xué)，我們將突出訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生基于計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的能力，主要包括：?jiǎn)栴}分析與建模能力、遞推方程的構(gòu)建能力、基于遞推方程尋找最優(yōu)解的能力、遞推方程的算法設(shè)計(jì)與編程實(shí)現(xiàn)能力、遞推方程的算法優(yōu)化與復(fù)雜度分析能力、遞推方程的算法實(shí)驗(yàn)分析能力。

（一）問(wèn)題分析與建模

對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行分析并建立形式化模型是基于計(jì)算機(jī)求解問(wèn)題的首要任務(wù)，對(duì)學(xué)生的未來(lái)職業(yè)發(fā)展具有重要作用。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題比解決問(wèn)題更為重要。正確建立問(wèn)題的形式化模型往往意味著完成了問(wèn)題求解的一半工作。問(wèn)題分析與建模的關(guān)鍵在于如何選擇數(shù)學(xué)符號(hào)并運(yùn)用適當(dāng)?shù)墓矫枋鰡?wèn)題，即定義問(wèn)題的目標(biāo)和約束條件。我們以如下兩個(gè)最優(yōu)化問(wèn)題作為動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法的教學(xué)案例。

問(wèn)題1（數(shù)組不相鄰元素的最大和問(wèn)題） 在具有n個(gè)元素的數(shù)組中取出一個(gè)或多個(gè)不相鄰的元素，使其和最大。

問(wèn)題2（0-1背包問(wèn)題） 給定1個(gè)背包和一組物品，已知背包的容量以及每個(gè)物品的重量和價(jià)值，如何選擇裝入背包的物品，在不超過(guò)背包容量的前提下，使得所裝入背包的物品的總價(jià)值最大。

一般采用3個(gè)步驟對(duì)給定的問(wèn)題進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。步驟1. 確定問(wèn)題中已知量和未知量的數(shù)學(xué)符號(hào);步驟2. 確定問(wèn)題的優(yōu)化目標(biāo);步驟3. 確定問(wèn)題的各個(gè)約束條件。

對(duì)于問(wèn)題1，用符號(hào)a表示給定數(shù)組，n表示數(shù)組所含元素個(gè)數(shù)，a[i]則表示數(shù)組中第i個(gè)元素，i在1和n之間。用大小為n的數(shù)組x表示選擇了哪些元素，x[i]=1表示選擇了元素a[i]。然后，問(wèn)題1的優(yōu)化目標(biāo)可表示為所選擇的元素的和最大，可用max？撞ia[i]·x[i]表示。該問(wèn)題存在兩個(gè)約束，一是所選擇的元素互不相鄰，可用x[i]+x[i+1]？燮1表示， 其中，i∈{1，...，n-1}，另一個(gè)是x[i]的取值只能為0或1，以表示對(duì)應(yīng)第i個(gè)元素是否被選取，即x[i]∈{0，1}，i∈{1，...，n}。綜上，問(wèn)題1的形式化模型可表示為：

同理，問(wèn)題2的形式化模型可表示為：

其中，w[i]和v[i]分別表示物品i的重量和價(jià)值，B表示背包的容量，x[i]表示是否將物品i放入背包，即x[i]=1表示選擇了物品i，其中，i∈{1，...，n}。顯然，該問(wèn)題的目標(biāo)是使得所選擇的物品的價(jià)值之和最大，約束1保證了裝入背包的物品的重量之和不超過(guò)背包的容量。

在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)選擇一些代表性的問(wèn)題作為課堂和課后練習(xí)，以訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題分析及形式化模型構(gòu)建能力。常見(jiàn)的動(dòng)態(tài)規(guī)劃問(wèn)題包括：

問(wèn)題3（矩陣連乘問(wèn)題）有n個(gè)矩陣進(jìn)行乘法運(yùn)算，如何通過(guò)給矩陣連乘時(shí)加括號(hào)，使得總的乘法次數(shù)最少。

問(wèn)題4（加權(quán)區(qū)間值調(diào)度問(wèn)題） 給定n個(gè)時(shí)間區(qū)間，每個(gè)時(shí)間區(qū)間包括一個(gè)開(kāi)始時(shí)間和一個(gè)結(jié)束時(shí)間，還包括一個(gè)權(quán)重，如何選擇一些時(shí)間不重疊的時(shí)間區(qū)間，使得所選擇的時(shí)間區(qū)間的權(quán)重之和最大。

問(wèn)題5（最大連續(xù)子序列和問(wèn)題） 給定一個(gè)含n個(gè)元素的序列，請(qǐng)確定一個(gè)連續(xù)的子序列，使得這個(gè)子序列的和最大。

（二）遞推方程的算法設(shè)計(jì)與編程實(shí)現(xiàn)

考慮到遞推方程的構(gòu)建是動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，我們將該內(nèi)容放到最后重點(diǎn)講解。在此，我們將先給出一個(gè)遞推方程，然后，基于該遞推方程講解對(duì)應(yīng)問(wèn)題的算法設(shè)計(jì)與編程實(shí)現(xiàn)，從而培養(yǎng)和提高學(xué)生能夠基于所構(gòu)建的遞推方程設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法并能夠編程實(shí)現(xiàn)的能力。事實(shí)上，通過(guò)之前學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言課程，學(xué)生已接觸過(guò)基于遞推方程的算法設(shè)計(jì)和編程訓(xùn)練。我們將通過(guò)兩個(gè)簡(jiǎn)單示例對(duì)學(xué)生進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)。

遞推方程1（數(shù)的階乘）整數(shù)n的階乘的遞推方程為：

其中，F(xiàn)（i）表示整數(shù)i的階乘，i∈{1，...，n}，因此，整數(shù)n的階乘為F（n）。

遞推方程2（最大值）n個(gè)元素中的最大值的遞推方程為：

其中，M（i）表示n個(gè)元素中的前i個(gè)元素的最大值，i∈{1，...，n}，因此，n個(gè)元素中的最大值為M（n）。

遞推方程3（斐波那契數(shù)列）遞推方程為：

其中，F(xiàn)（i）表示斐波那契數(shù)列的第i個(gè)元素的值，i∈{1，...，n}。

選擇以上簡(jiǎn)單示例的原因是學(xué)生已在程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言課程學(xué)習(xí)中掌握了求解這些問(wèn)題的算法設(shè)計(jì)方案，從而通過(guò)總結(jié)這些方案，可以得出通用的基于遞推方程設(shè)計(jì)相應(yīng)算法的方法和步驟。顯然，遞推方程一般存在兩個(gè)方案，一個(gè)采用遞歸策略，另一個(gè)采用迭代策略。通過(guò)分別給出并分析遞推方程的兩種算法設(shè)計(jì)方案，可以使學(xué)生加深這兩種策略的理解。遞推方程1、2和3的遞歸和迭代算法分別用表1、表2和表3描述。

（三）遞推方程的算法優(yōu)化與復(fù)雜度分析

算法時(shí)間復(fù)雜度分析與算法優(yōu)化能力是需要學(xué)生掌握的重要能力。我們將分別對(duì)上述遞推方程的兩種算法進(jìn)行時(shí)間復(fù)雜度分析，得出：這三個(gè)算法的迭代算法的時(shí)間復(fù)雜度均為O（n），前兩個(gè)問(wèn)題的遞歸算法的時(shí)間復(fù)雜度也為O（n），而第3個(gè)問(wèn)題的遞歸算法的時(shí)間復(fù)雜度為O（2n），其中n是元素個(gè)數(shù)。

需要指出的是，（1）基于遞推方程設(shè)計(jì)遞歸算法較

為直接和簡(jiǎn)單，但由于遞歸算法的調(diào)用需要消耗大量的系統(tǒng)資源而導(dǎo)致其效率較迭代算法低很多。特別地，對(duì)于斐波那契數(shù)列問(wèn)題，雖然不同的子問(wèn)題的個(gè)數(shù)只有n個(gè)，但遞歸算法卻需要計(jì)算很多重復(fù)的子問(wèn)題（2n個(gè)）。比如，在計(jì)算F（n）時(shí)需要計(jì)算F（n-1）和F（n-2），而在計(jì)算F（n-1）的過(guò)程中，又需要再次計(jì)算F（n-2），導(dǎo)致算法時(shí)間復(fù)雜度極高。通過(guò)公式推導(dǎo)，可得出其算法時(shí)間復(fù)雜度為指數(shù)級(jí)的。（2） 遞歸算法是一種很自然的算法，對(duì)于包含很多重復(fù)子問(wèn)題的計(jì)算問(wèn)題，可引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)“備忘錄方法”解決，即將計(jì)算的子問(wèn)題的結(jié)果暫時(shí)保存在某個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（一般是數(shù)組）中。每當(dāng)需要計(jì)算時(shí)，首先檢索該子問(wèn)題是否已保存，若是，則直接返回結(jié)果，否則，將進(jìn)行計(jì)算并保存結(jié)果。經(jīng)“備忘錄方法”改進(jìn)的斐波那契數(shù)列的遞歸算法如表4所示（注：定義全局?jǐn)?shù)組a，初始值將a[1]，a[2]設(shè)為1，其他元素設(shè)為0）。

經(jīng)過(guò)深入分析，進(jìn)一步得出如下結(jié)論。雖然表4中的“備忘錄方法”可以使得遞歸算法中的子問(wèn)題計(jì)算次數(shù)減少至n，但其遞歸調(diào)用次數(shù)沒(méi)有得到改變。因此，我們還可以對(duì)上述算法進(jìn)一步改進(jìn)，以減少遞歸調(diào)用次數(shù)，其基本思路是在調(diào)用遞歸函數(shù)時(shí)，首先檢查是否以保存小問(wèn)題的解。由此，得到如表5所示的較完美的遞歸算法，雖然該算法的被調(diào)用次數(shù)仍大于n（經(jīng)分析，被調(diào)用次數(shù)約為n的2倍）。

通過(guò)上述3個(gè)遞推方程的算法設(shè)計(jì)、分析與優(yōu)化，我們可得出對(duì)于遞推方程的兩種動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法解決方案：一種稱(chēng)為“備忘錄方法”的基于遞歸算法解決方案，其存在設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單但效率較低的特點(diǎn);一種為基于迭代算法的解決方案，其通過(guò)存儲(chǔ)小問(wèn)題的解逐步構(gòu)造和計(jì)算大問(wèn)題的解，具有高效的優(yōu)點(diǎn)。

（四）遞推方程的構(gòu)建與算法設(shè)計(jì)

采用啟發(fā)式策略與學(xué)生一起尋找上述問(wèn)題1和問(wèn)題2的遞推方程，并依據(jù)上述知識(shí)進(jìn)行算法設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化。構(gòu)造最優(yōu)化問(wèn)題的遞推方程的關(guān)鍵是確定大問(wèn)題的最優(yōu)解與其包含的某個(gè)或某些小問(wèn)題的最優(yōu)解之間的關(guān)系。因此，如何用符號(hào)描述某個(gè)子問(wèn)題的最優(yōu)解是構(gòu)建遞推方程的前提。我們將引導(dǎo)學(xué)生采用試探方法描述子問(wèn)題的最優(yōu)解及其之間的遞推方程。例如，針對(duì)問(wèn)題1，我們用F（i）表示n個(gè)元素中前i個(gè)元素所構(gòu)成的子問(wèn)題的最優(yōu)解所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)值，即，如何選擇前i個(gè)元素中的某些不相鄰的數(shù)，使得這些數(shù)的和最大，該和就是F（i）的值。顯然，原問(wèn)題的優(yōu)化目標(biāo)可表示為F（n），而F（1）顯然就是a[1]的值。對(duì)于選擇問(wèn)題的常見(jiàn)的遞推方程的構(gòu)建方法是考慮是否選擇了某個(gè)數(shù)，在此問(wèn)題中，可考慮F（i）的最優(yōu)解中是否包括第i個(gè)元素。分析可知：（1）如果最優(yōu)解中包括第i個(gè)元素，那么將導(dǎo)致其相鄰的左側(cè)（即第i-1個(gè)）元素不能被選取，此時(shí)，F(xiàn)（i）=a[i]+F（i-2），即前i-2個(gè)元素構(gòu)成的子問(wèn)題的最優(yōu)解加上第i個(gè)元素就是前i個(gè)元素構(gòu)成的子問(wèn)題的最優(yōu)解;（2）反之，如果不包括第i個(gè)元素，那么其相鄰的左側(cè)的第i-1元素可以被選取，因此，前i個(gè)元素構(gòu)成的子問(wèn)題的最優(yōu)解就等于前i-1個(gè)元素構(gòu)成的子問(wèn)題的最優(yōu)解。由于第i個(gè)元素是否在F（i）中只存在兩種情況，因此，可得出F（i）的如下遞推方程：

在此基礎(chǔ)上，可設(shè)計(jì)上述遞推方程的遞歸算法和迭代算法，如表6所示。

經(jīng)過(guò)分析，可知基于迭代算法的時(shí)間和空間復(fù)雜度均為O（n），而基于遞歸的算法可采用備忘錄方法進(jìn)一步改進(jìn)，改進(jìn)后的時(shí)間復(fù)雜度仍為O（n），但效率較低。

在此基礎(chǔ)上，啟發(fā)學(xué)生根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)的計(jì)算過(guò)程尋找對(duì)應(yīng)的最優(yōu)解。需要強(qiáng)調(diào)的是，動(dòng)態(tài)規(guī)劃的迭代算法的設(shè)計(jì)采用“自下而上計(jì)算最優(yōu)解的目標(biāo)值、自上而下尋找最優(yōu)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)解”思想。所謂“自下而上”是指通過(guò)小問(wèn)題的最優(yōu)解計(jì)算大問(wèn)題的最優(yōu)解，而“自上而下”是指通過(guò)大問(wèn)題的最優(yōu)解尋找小問(wèn)題的最優(yōu)解。對(duì)于問(wèn)題1，最終的最優(yōu)解存儲(chǔ)在v[n]中，而根據(jù)表6的迭代算法可知，v[n]的計(jì)算是通過(guò)比較a[j]+v[j-2]和v[j-1]的大小得到的，因此，通過(guò)構(gòu)建一個(gè)循環(huán)可得出最優(yōu)解所包含的元素，其對(duì)應(yīng)的偽代碼如表7所示，數(shù)組x中等于1的元素的下標(biāo)所對(duì)應(yīng)的元素就是被選擇的元素。

問(wèn)題2的遞推方程的構(gòu)建過(guò)程較上述問(wèn)題復(fù)雜一些。我們將首先嘗試簡(jiǎn)單的解決方案，在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，尋找正確的遞推方程。具體過(guò)程包括：首先，以F（i）表示在不超過(guò)背包容量B的前提下，選擇前i個(gè)物品中的某些物品（i？燮n）所得到的最大價(jià)值，即F（i）對(duì)應(yīng)的子問(wèn)題是由前i個(gè)物品及容量為B的背包構(gòu)成的。然后，分析F（i）所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)解中是否包括第i個(gè)物品，根據(jù)前文敘述，初步構(gòu)造的F（i）遞推方程為：

但是，上述遞推方程的第3個(gè)公式是錯(cuò)誤的。因?yàn)镕（i-1）顯然小于F（i-1）+v[i]，這意味著在第i個(gè)物品的重量不超過(guò)背包容量時(shí)，一定會(huì)裝入背包。導(dǎo)致出現(xiàn)該錯(cuò)誤的原因在于，在第i個(gè)物品的重量不超過(guò)背包容量時(shí)，如果選擇將該物品裝入背包，實(shí)際上將導(dǎo)致背包的可用容量變小，即第i個(gè)物品的重量將消耗背包的部分容量。但是，上述遞推方程并沒(méi)有考慮背包容量的變化。因此，為解決該問(wèn)題，應(yīng)該將背包的容量考慮進(jìn)去。基于上述考慮，我們以符號(hào)F（i，W）表示在不超過(guò)背包容量W的前提下，選擇前i個(gè)物品中的某些物品（i？燮n）所得到的最大價(jià)值，即F（i，W）對(duì)應(yīng)的子問(wèn)題是由前i個(gè)物品及容量為W的背包構(gòu)成的。在此基礎(chǔ)上，可構(gòu)造F（i，W）的正確的遞推方程為：

在此基礎(chǔ)上，采用二維數(shù)組a存儲(chǔ)中間結(jié)果，可設(shè)計(jì)上述遞推方程的遞歸算法和迭代算法，如表8所示。

顯然，函數(shù)F（n，B）將返回原背包問(wèn)題的最優(yōu)解對(duì)應(yīng)的價(jià)值。在此基礎(chǔ)上，可引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)造如表9的算法偽代碼，以獲得背包問(wèn)題的最優(yōu)解，其中，數(shù)組x中等于1的元素的下標(biāo)所對(duì)應(yīng)的元素就是被選擇的元素。

經(jīng)過(guò)分析，可知基于迭代算法的時(shí)間和空間復(fù)雜度均為O（n*B）。在此基礎(chǔ)上，可繼續(xù)分析0-1背包問(wèn)題的動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法的優(yōu)缺點(diǎn)，并可對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)，以進(jìn)一步降低算法的空間復(fù)雜度。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文以培養(yǎng)學(xué)生問(wèn)題解決能力為目標(biāo)，以算法課程中的動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法教學(xué)為例，提出了一種新的教學(xué)案例設(shè)計(jì)思路，以啟發(fā)式、探究式教學(xué)方法，從易到難，逐步解決實(shí)際問(wèn)題，突出訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題分析與建模能力、遞推方程的構(gòu)建能力、基于遞推方程尋找最優(yōu)解的能力、遞推方程的算法設(shè)計(jì)與編程實(shí)現(xiàn)能力、遞推方程的算法優(yōu)化與復(fù)雜度分析能力、遞推方程的算法實(shí)驗(yàn)分析能力。這將為以能力目標(biāo)導(dǎo)向的算法課程教學(xué)改革提供新思路，為培養(yǎng)學(xué)生未來(lái)職業(yè)發(fā)展所需問(wèn)題解決能力提供教學(xué)設(shè)計(jì)案例。

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