“算法設計與分析”課程教學改革探索

王東，林宏，左欣

摘? 要： 探索“算法設計與分析”課程的一系列教學改革措施。將“對分課堂”的新型教學理念、教學方法和評價手段融入到教學過程中，根據教學內容特點靈活使用對分策略;以程序設計輔助教學系統為支撐，完成課程過程性考核評價;建設優質課程試題庫、課程資源及拓展學習平臺，為學生提供全面、持續的學習服務。教學實踐證明，這些改革舉措取得較好的教學效果。

關鍵詞： 算法設計與分析; 對分課堂; 教學改革; 過程性考核

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2022）01-107-03

Exploration on the reform for "Algorithm Design and Analysis" course teaching

Wang Dong， Lin Hong， Zuo Xin

（Guizhou Education University， Guiyang， Guizhou 550018， China）

Abstract： A series of teaching reform measures for the "Algorithm Design and Analysis" course are explored. Integrate the new teaching concept， teaching methods and evaluation means of PAD Classroom into the teaching process， and flexibly use the split strategy according to the characteristics of teaching content; Complete the process assessment and evaluation of the course with the support of Programming Teaching Assistant system; Build a high-quality course question bank， course resources and expand the learning platform to provide students with comprehensive and continuous learning services. Teaching practice has proved that these reform measures have achieved good teaching results.

Key words： Algorithm Design and Analysis; PAD Classroom; teaching reform; process assessment and evaluation

0 引言

“算法設計與分析”課程是計算機專業的一門核心基礎課程，是“數據結構”課程的進一步延伸和提升，內容包括遞歸、分治策略、動態規劃、貪心算法、回溯法等[1]。“算法設計與分析”課程的主要目的是通過系統地學習算法設計的主要思想，培養算法設計和分析的能力，為學生利用算法解決計算機及其他學科實際問題奠定基礎[2]。該課程的特點是理論性強、概念抽象、知識點廣、需要較扎實的數學基礎[3]，這使得教師既不好教，學生也不好學。

在“算法設計與分析”課程的傳統教學流程中，教學活動是以教師為中心，授課教師在課堂上完成教學內容的展示，給學生講解經典算法的代碼，學生是被動的“聽中學”[4]。這種幾乎全程講授的教學模式下，師生之間基本無互動，學生在學習過程中如有不理解之處，就容易產生畏難情緒，學習主動性就會越來越差，這樣的教學效果不甚理想。因此，如何改變教學模式，調動學生學習的積極性和主動性，提高“算法設計與分析”課程的教學效果，是教師在教學實踐中必須思考和探索的問題。我們在“算法設計與分析”課程的教學實踐中采用了近年被廣泛應用的“對分課堂”新型教學模式，取得了較好成效。以下討論在教學實踐中采取的一些改革舉措。

1 引入對分課堂教學模式

“對分課堂”是一種立足中國教育實情，以教育心理學理論為依據的新型教學模式，是傳統課堂與自主課堂的折中融合。其核心理念是將課堂時間一分為二，一半留給教師講授，一半留給學生進行討論，實質上是在講授（Presentation）和討論（Discussion）之間引入一個心理學中的內化（Assimilation）環節，讓學生對講授內容進行吸收之后，有備而來地參與討論，簡稱為 PAD課堂[5]。“對分課堂”是一種適合我國教育歷史文化背景的新型教學模式，該教學模式并不排斥講授法，它強調先教后學，合作探究[6]。任何一項新內容的學習，都是從講授開始，教師精講留白，充分而不過分地引導;然后學生獨立學習，小組討論，全班交流。這種兩階段的學習通過“對分”的形式克服講授式教學中學生被動接受的現象，引導學生參與課堂教學活動，使學生通過聽課、自學、作業、討論等方式對知識進行積極建構，增加教學中的師生交流與生生溝通，使教師和學生在教學中都發揮作用。

我們在教學中使用了PAD教學法。

從“算法設計與分析”課程的教學內容看，每一章大致學習一種算法策略，首先對算法策略的基本思想、原理、基本性質、算法框架進行介紹，然后圍繞一系列經典案例學習，每個案例按問題描述、問題分析、算法設計、算法實現、算法分析幾個步驟依次展開。對每個算法策略的基本思想、原理及性質，每個案例的問題描述及基本分析，案例算法的基本設計思路和算法實現的關鍵要點由教師精講。算法的具體實現通過分組討論、合作探究共同完成。兩階段如何“對分”則根據案例的復雜程度選擇不同對分策略。對于比較通俗易懂的案例，采用“當堂對分”的策略，以相鄰座位自然分組，每個小組自由交流討論、互相幫助。這樣不但可以對學生因勢利導、適時點撥，而且可以及時獲得學生學習效果的反饋信息。對于較為抽象、復雜的案例則使用“隔堂對分”策略，讓學生有充足的時間進行知識內化、吸收，教師將算法實現布置成課后作業，讓學生在課后完成，此間鼓勵小組間互助交流，教師通過輔助教學平臺以PDA“亮考幫”的形式收集學習過程中遇到的問題。對于共性的問題，在下一次課內組織交流討論，或由教師補充講解。

2 實驗教學改革

“算法設計與分析”是一門實踐性很強的課程，其實驗教學具有舉足輕重的作用。傳統的算法課程教學普遍存在實驗教學不夠深入全面的問題，主要體現在教學以理論為主，實踐不足，學生的學習主要是“聽課”，課后很少做編程練習。在實驗課中，又主要以驗證性實驗為主，缺少設計性和綜合性實驗，學生很容易找到現存答案。另外，對實驗作業的測評仍比較傳統，由學生提交紙質的實驗報告，學生之間的抄襲比較嚴重，教師批改工作量大，反饋滯后。

我們在實驗教學中采取了一些針對性的舉措。首先，在課程學時構成上，將實驗學時完全獨立成一門課程來開設，有獨立的學時學分要求，有專門的實驗教學內容和實驗課考核標準，實驗課與理論課處于同等重要的位置，實驗課考核不合格同樣需要重修，這一定程度上會提高學生的重視程度。其次，實驗內容適當增加設計性和綜合性實驗。除頻繁見到的題目之外，使用從實際項目中凝練出的實驗題目。一方面，這樣的題目新穎且難易俱備，很難從網上和課本上找到現存答案，能對學生有更全面的鍛煉和考核。另一方面，讓學生了解到實際問題，學生會感受到“算法設計與分析”課程的實用價值，有利于提高學習積極性和培養創新意識。

此外，使用程序設計實驗輔助教學系統（簡稱PTA）開展實驗教學，該系統能非常方便地進行實驗任務布置和組織測試，具有強大的自動測評、查重與監考等功能，該教學平臺不僅能減少教師批改實驗作業的工作量，而且能快速獲得學習反饋[7]。有了PTA系統的支持，除了實驗學時之外，鼓勵學生課后利用空余時間在PTA系統上做題進行鍛煉，學生有更多的時間仔細思考問題，并且可以相互討論、協作完成，這樣更有利于鍛煉學生解決實際復雜問題的能力。

3 課程考核評價改革

科學的考核評價方法對促進和激勵學生的學習具有很強的導向作用。傳統課程考核評價常采用以期末考試成績為主的終結性評價，這種評價方式下，學生平時的上課出勤率低，常常搞考前突擊，這種課程考核實際上是過于強調結果而忽視過程，并非真正的素質教育。在“對分課程”教學模式下，應改變課程考核機制，以過程考核為重點，采用更加全面、立體的課程考核方式，讓課程考核較好的發揮出診斷、導向、調控、激勵的功能。

我們首先將課程考核分為平時綜合和期末考試兩部分，兩部分各占50%。平時綜合由課前測試、課堂練習、課后作業、其他測試、上課出勤以及加分項目構成。其中，課前測試為每次上課前使用十分鐘時間進行測試，課前測試的目標為考查學生對上一次課學習內容的撐握情況。課前測試時間較短，測試內容的選取至關重要，題型上不宜選擇函數題和編程題，因為一是做這兩種題型所花的時間相對較長，二是這兩種題型容易在網上搜到答案。程序填空題則是課前測試的最佳題型，該題型將案例算法代碼完全展現，又在關鍵之處留白。若學生理解了算法的實現思路，較容易將空白處補充完整，反之則很難做正確。通過課前測試，可以在第一時間了解學生對教學內容的掌握情況。

課堂練習安排在教師講授后的獨學和小組交流階段完成，題型以函數題為主。函數題的主函數、數據結構定義、輸入輸出由系統給出，學生只需實現函數接口部分。課后作業為每一章的擴展練習，作業量較多，以編程題為主，完成時限從每一章第一次課開始到本章最后一次課結束，學生有較充足的思考時間。其他測試則靈活安排，比如單元測試、期中測試。學生上課出勤情況也是課程考核評價的指標之一，出勤率可由課前測試導出，無需額外花時間清點上課人數。平時綜合的幾個部分適當分配占比權重，在開學第一次課時就向學生公布。

課程考核中的期末考試采用在線測評系統進行機考，題型及試題綜合考慮覆蓋度及難易度，這一部分的考核一般是由學校統一組織，考核的組織比較嚴格，考試時使用測評系統的防作弊功能，考核結果能比較真實的反映學生的學習效果。另外，為提高學生學習積極性，附加了一些加分項目，如：課程學習期間獲得軟件設計師證書、取得MOOC優秀證書、參加ACM-ICPC競賽獲獎均可獲得不同程度的加分[8]。

4 加強課程資源建設

為強化學生隔堂學習的內化過程，及時偵測學習效果，獲得學習反饋，大量的練習、測試是必不可少的。為此，需要建設高質量的試題庫，才能滿足教學活動的需要。

首先，試題要能覆蓋不同層次的學生，要搜集具有一定趣味性、使用不同算法設計策略、具有不同難度等級的試題。這要求試題要有一定的數量。其次，從試題的搜集來源看，可以從全國青少年信息學奧賽、ACM-ICPC競賽題、程序競賽題、公司面試題、教科書中的經典問題以及實際項目中產生的算法題中選取。第三，題型選擇上，盡可能為每個試題都建立三種題型：程序填空題、函數題和編程題，這樣可以滿足不同教學場景的應用需求，比如在課前測試中主要使用程序填空題，課堂練習中主要使用函數題，而課外作業以編程題為主。

除試題庫建設外，其他課程資源或學習設施也能幫助和促進學生的自主學習。我們整合教研室力量，精心制作課程微課及其資源，形成“微課教學資源包”，建設支撐微課展播的小程序學習平臺，進一步拓展了課程的學習空間。

5 結束語

本文對“算法設計與分析”教學實踐中采取的一些改革舉措進行了闡述。分別從引入“對分課堂”教學模式、實驗教學改革、課程考核評價改革和課程資源建設四方面進行了探討。這些改革舉措在教學實踐中已取得良好成效，學生的學習興趣得到了提高，課堂教學的互動性得到增強，學生的實踐能力有了明顯進步，部分學生在課程學習期間參加各級程序競賽獲獎，部分學生取得軟件設計師證書。下一步將在教學實踐中對各項改革舉措繼續進行驗證、總結與改進，形成更加精細、有效的實施方案。

參考文獻（References）：

[1] ThomasH.Cormen.算法導論：第2版[M].機械工業出版社，2007

[2] 何克晶，張星明，鄭運平.算法設計與分析課程全方位實踐教學改革探索[J].計算機教育，2017（2）：45-49

[3] 華偉，張典，姜官男，等.數據結構與算法分析立體化教學模式探索[J].計算機教育，2018（10）：93-96

[4] 范昊，束德勤.《算法設計與分析》課程教學方法研究[J].教育教學論壇，2020，455（9）：255-256

[5] 張學新.對分課堂：大學課堂教學改革的新探索[J].復旦教育論壇，2014，12（5）：5-10

[6] 劉紹乾，錢頻，王曼娟，等.對分課堂教學模式及其成功因素探析[J].教育教學論壇，2019，13：46-48

[7] 向程冠，熊偉程，熊世桓.OnlineJudge在數據結構教學中的應用[J].電子技術與軟件工程，2019，22：133-134

[8] 尚軍亮，李圣君，孫燕.《算法設計與分析》教學研究[J].高教學刊，2016，21：47-48