混合式教學(xué)在算法分析與設(shè)計(jì)課程中的應(yīng)用與實(shí)踐

冀榮華，高萬(wàn)林，孫瑞志，鄭立華

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

算法分析與設(shè)計(jì)是中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)術(shù)型碩士研究生的專(zhuān)業(yè)學(xué)位課。該課程通過(guò)講授典型算法的基本原理、設(shè)計(jì)和實(shí)踐方法，使學(xué)生理解并掌握算法設(shè)計(jì)的基本技術(shù)，并能靈活地加以運(yùn)用，解決科學(xué)研究中的實(shí)際問(wèn)題，從而培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立的科研能力。然而，課程教學(xué)過(guò)程中也存在一些問(wèn)題，主要包括：學(xué)時(shí)有限（32 學(xué)時(shí)）、算法多且更新速度快、學(xué)生在計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)方面的基礎(chǔ)參差不齊、學(xué)生希望能夠?qū)W以致用等。

混合式教學(xué)是一種將在線教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)優(yōu)勢(shì)相結(jié)合的教學(xué)方式，通過(guò)線上和線下兩種教學(xué)組織形式的有機(jī)結(jié)合，能夠有效引導(dǎo)學(xué)習(xí)者開(kāi)展深度學(xué)習(xí)。因此，該課程采用混合式教學(xué)方式，以彌補(bǔ)學(xué)時(shí)不足的問(wèn)題。實(shí)踐結(jié)果表明，在計(jì)算機(jī)課程中實(shí)施混合式教學(xué)能夠有效改善教學(xué)效果，從而提升學(xué)生綜合能力。案例式教學(xué)方法根據(jù)課程教學(xué)目的，選取真實(shí)案例進(jìn)行典型化處理，形成便于學(xué)生分析與思考的實(shí)用案例，可有效幫助學(xué)生學(xué)以致用。對(duì)于研究生教學(xué)，采用研探討式教學(xué)能夠幫助學(xué)生盡快進(jìn)入學(xué)術(shù)研究狀態(tài)。而在專(zhuān)業(yè)課中融入思政元素，可有效培養(yǎng)學(xué)生的家國(guó)情懷，令其建立自信。本文通過(guò)多年教學(xué)實(shí)踐，將上述多種教學(xué)方法糅合形成混合式教學(xué)模式，幫助學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)、實(shí)踐、修正、再實(shí)踐和總結(jié)的過(guò)程，全面掌握算法分析與設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論和掌握實(shí)用技能的同時(shí)，培養(yǎng)其算法設(shè)計(jì)靈感，并全面提升學(xué)生的實(shí)際辯證思維及解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

1 教學(xué)實(shí)踐方案設(shè)計(jì)

1.1 教學(xué)對(duì)象

本課程為中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)相關(guān)專(zhuān)業(yè)研究生的必修課程，教學(xué)對(duì)象為碩士一年級(jí)學(xué)生。招生錄取記錄顯示，學(xué)生中有80%以上來(lái)自不同高校的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)或相關(guān)本科專(zhuān)業(yè)，其余學(xué)生則來(lái)自非計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)相關(guān)本科專(zhuān)業(yè)。這種狀況直接導(dǎo)致了學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的差異性，如何促進(jìn)具有不同專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)水平的學(xué)生快速進(jìn)入課程學(xué)習(xí)角色、在短暫課程期間獲得最好的學(xué)習(xí)產(chǎn)出則成為本課程教學(xué)方法改革的目標(biāo)。

為驗(yàn)證混合式教學(xué)方式的教學(xué)效果，本課程自2015年開(kāi)始持續(xù)實(shí)踐三輪次，每輪次均將學(xué)生劃分為試驗(yàn)班和傳統(tǒng)班兩個(gè)小班進(jìn)行對(duì)照教學(xué)。考慮到非計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，為更好地激發(fā)其主動(dòng)學(xué)習(xí)的能動(dòng)性，這些學(xué)生均被分配到試驗(yàn)班。2015-2017 年兩類(lèi)班級(jí)學(xué)生人數(shù)分布如圖1所示。

可以看出，兩類(lèi)班級(jí)人數(shù)基本相當(dāng)，試驗(yàn)班略多1～2名。課程采集了兩類(lèi)班級(jí)學(xué)生基本信息并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)比分析，結(jié)果如表1所示。

Fig.1 Distribution of students圖1 學(xué)生人數(shù)分布

Table 1 Statistical analysis of students'basic information表1 學(xué)生基本信息統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，P 值均大于0.05，說(shuō)明兩個(gè)班級(jí)學(xué)生在性別比、年齡和入學(xué)成績(jī)等方面無(wú)顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。同時(shí)，由于本課程由同一教師任教，教學(xué)大綱與教學(xué)內(nèi)容均保持一致，區(qū)別僅在于教學(xué)方法，因此具有一定的可比性。

1.2 教學(xué)方法

兩個(gè)班級(jí)分別采用傳統(tǒng)式和混合式兩種不同教學(xué)方法。其中，傳統(tǒng)班采用傳統(tǒng)教學(xué)方法，即課前學(xué)生預(yù)習(xí)教材相關(guān)內(nèi)容，課堂以教師講授為主，采用PPT 形式授課，教師詳細(xì)講解典型算法原理、設(shè)計(jì)及實(shí)踐方法，并對(duì)所涉及典型算法的實(shí)踐過(guò)程進(jìn)行指導(dǎo)，學(xué)生課后自行復(fù)習(xí)總結(jié)。試驗(yàn)班則采用混合式教學(xué)方法，將師生納入到共同教學(xué)主體。將課前、課中與課后，線上與線下，授課教學(xué)、案例教學(xué)、研探討教學(xué)進(jìn)行全方位混合。教師在開(kāi)課前進(jìn)行教學(xué)資料梳理、知識(shí)重點(diǎn)/難點(diǎn)梳理、教學(xué)方法設(shè)計(jì)，以及案例選擇與設(shè)計(jì)。案例大多來(lái)自教師本人的科研課題，并輔以經(jīng)典案例。通過(guò)精心設(shè)計(jì)與整理，選擇最具代表性和啟發(fā)意義，且與實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景密切相關(guān)的案例作為典型算法的典型應(yīng)用。課前要求學(xué)生自學(xué)典型算法基本理論及典型案例，并針對(duì)典型案例進(jìn)行算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；課中以Seminar形式開(kāi)展課堂教學(xué)，師生共同進(jìn)行研探討，對(duì)不同解決方案進(jìn)行對(duì)比、推敲與分析；課后要求學(xué)生根據(jù)討論結(jié)果進(jìn)一步完善典型案例的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2 混合式教學(xué)實(shí)施過(guò)程

整個(gè)混合式教學(xué)過(guò)程分為課前、課中和課后3 部分。通過(guò)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，實(shí)現(xiàn)師生共同研探討和生生合作交流的良好互動(dòng)式教學(xué)，以達(dá)到人人學(xué)有所得、學(xué)有所用的目標(biāo)。

2.1 開(kāi)課前準(zhǔn)備

教師上傳課程相關(guān)資料（視頻、電子書(shū)、核心網(wǎng)址及算法開(kāi)發(fā)工具包）至網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)；設(shè)置課程電子調(diào)查問(wèn)卷，以充分了解本屆學(xué)生的實(shí)際情況；建立微信群以加強(qiáng)師生內(nèi)部的實(shí)時(shí)交流。

2.2 課程教學(xué)安排

第一次課以教師為主導(dǎo)開(kāi)展教學(xué)，目的在于幫助學(xué)生了解完整的知識(shí)體系，掌握課程學(xué)習(xí)的工具和方法，并建立課程學(xué)習(xí)與研探討框架。教師首先介紹本課程安排和學(xué)習(xí)方法等基本情況，然后將試驗(yàn)班學(xué)生分為6 個(gè)小組，每組3～5 人，由一名小組長(zhǎng)負(fù)責(zé)組織交流，最后以第一個(gè)典型算法為例講解相關(guān)基本理論、分析案例，并進(jìn)行算法設(shè)計(jì)與實(shí)踐的完整過(guò)程。實(shí)踐結(jié)果證明，保證第一次課的教學(xué)效果能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，幫助學(xué)生快速進(jìn)入主動(dòng)學(xué)習(xí)的狀態(tài)。

第2-7 次課分為課前、課中和課后3 個(gè)階段開(kāi)展教學(xué)。本課程在整個(gè)混合式教學(xué)過(guò)程中，通常會(huì)開(kāi)展3 個(gè)案例的學(xué)習(xí)與講解。

課前，教師提前一周將本周要講解典型算法基本理論的微視頻、典型案例及相關(guān)資料、任務(wù)要求等發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，供學(xué)生學(xué)習(xí)。學(xué)生以小組為單位進(jìn)行任務(wù)分工，相互討論、交流形成文檔和代碼，具體要求如下：①調(diào)研報(bào)告。利用教師提供的資料及各種數(shù)字資源進(jìn)行文獻(xiàn)查閱，了解算法基本原理、發(fā)展現(xiàn)狀及存在問(wèn)題等，要求閱讀不少于5 篇近3 年的中英文參考文獻(xiàn)，形成不少于3 000字的調(diào)研報(bào)告；②算法設(shè)計(jì)報(bào)告。針對(duì)案例的算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，要求至少包括：案例特點(diǎn)分析、選擇算法的依據(jù)及基本原理、算法設(shè)計(jì)思想；③算法實(shí)現(xiàn)代碼。要求該算法能夠?qū)崿F(xiàn)案例要求的基本功能，代碼可運(yùn)行；④算法測(cè)試與評(píng)價(jià)報(bào)告。給出算法代碼測(cè)試過(guò)程、所用測(cè)試用例及算法評(píng)價(jià)；⑤匯報(bào)報(bào)告。以PPT 形式匯報(bào)上述4 份報(bào)告的核心內(nèi)容。

課中，教師按照以下過(guò)程組織課堂教學(xué)：

（1）匯報(bào)。隨機(jī)選擇兩組作為主講小組，匯報(bào)并展示本小組的課下成果。

（2）討論。教師引導(dǎo)學(xué)生圍繞兩個(gè)小組的匯報(bào)情況開(kāi)展討論。鑒于目前學(xué)生提出問(wèn)題的能力較弱，而能夠有效提出問(wèn)題是從事科學(xué)研究的重要素質(zhì)之一，因此要求其余每個(gè)小組至少提出兩個(gè)不同問(wèn)題。教師有時(shí)需要引導(dǎo)學(xué)生提出尚未提及的案例算法的關(guān)鍵缺陷問(wèn)題，并針對(duì)這些問(wèn)題在課堂上展開(kāi)熱烈討論，形成一個(gè)多維互動(dòng)的課堂討論情景。

（3）匯總。討論后隨機(jī)選定一個(gè)小組匯總討論內(nèi)容，形成討論報(bào)告。

（4）評(píng)價(jià)。隨機(jī)選擇一組學(xué)生對(duì)主講小組的匯報(bào)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，形成評(píng)價(jià)報(bào)告。

（5）點(diǎn)評(píng)。教師對(duì)課堂討論情況進(jìn)行總結(jié)，以促進(jìn)下一次討論課更加高效及富有成果，同時(shí)對(duì)案例算法設(shè)計(jì)中可進(jìn)一步優(yōu)化之處進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，以推動(dòng)學(xué)生更深入地思考問(wèn)題、扎實(shí)掌握算法設(shè)計(jì)精髓，并逐漸形成自我驅(qū)動(dòng)的習(xí)慣。

課后，學(xué)生根據(jù)課堂討論結(jié)果進(jìn)行總結(jié)與修正，形成最終報(bào)告。

2.3 課程考核

課程以綜合作業(yè)形式進(jìn)行考核，在最后一次課前，教師給出結(jié)課作業(yè)及要求，課上學(xué)生分小組進(jìn)行匯報(bào)，并提供調(diào)研報(bào)告、算法設(shè)計(jì)報(bào)告以及算法實(shí)現(xiàn)、測(cè)試與評(píng)價(jià)報(bào)告各一份。

最終課程成績(jī)由平時(shí)成績(jī)與結(jié)課作業(yè)成績(jī)兩部分組成，具體如表2所示。

Table 2 Composition of course scores表2 課程成績(jī)組成

3 教學(xué)效果評(píng)價(jià)與分析

在課程結(jié)束時(shí)，以匿名方式對(duì)試驗(yàn)班和傳統(tǒng)班學(xué)生進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，通過(guò)學(xué)習(xí)態(tài)度、專(zhuān)業(yè)知識(shí)和綜合素質(zhì)3 方面共14 個(gè)項(xiàng)目反映學(xué)生對(duì)課程教學(xué)效果的評(píng)價(jià)。每個(gè)項(xiàng)目按照學(xué)生收獲多少分為多、一般和少3 個(gè)等級(jí)，學(xué)生選擇一個(gè)等級(jí)對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。表3 為3 輪教學(xué)實(shí)踐中兩個(gè)對(duì)比班級(jí)的學(xué)生評(píng)價(jià)結(jié)果。

Table 3 Teaching effect evaluation表3 教學(xué)效果評(píng)價(jià) （%）

將試驗(yàn)班與傳統(tǒng)班學(xué)生在“收獲多”這一項(xiàng)上作差值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖2所示。

Fig.2 Differences in students'achievements between experimental class and traditional class圖2 試驗(yàn)班與傳統(tǒng)班學(xué)生收獲差異

可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)班學(xué)生各方面能力均較傳統(tǒng)班有一定程度提升，其中在算法知識(shí)獲取方面相差不大，但在綜合素質(zhì)和學(xué)習(xí)態(tài)度方面提升顯著。綜合素質(zhì)能力正是研究生培養(yǎng)目標(biāo)所在，說(shuō)明混合式教學(xué)模式更適用于研究生教學(xué)。

4 結(jié)語(yǔ)

3 年的對(duì)比教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，使用混合式教學(xué)模式能夠幫助學(xué)生更好地跟蹤算法設(shè)計(jì)發(fā)展前沿技術(shù)，更系統(tǒng)地掌握算法分析與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，更深入地理解并掌握典型算法的精髓，并有能力運(yùn)用典型算法對(duì)復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行求解。同時(shí)，混合式教學(xué)模式提升了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和獨(dú)立思考的積極性，按照研究生應(yīng)有的學(xué)習(xí)規(guī)律，培養(yǎng)并強(qiáng)化了學(xué)生科學(xué)研究的能力，具體表現(xiàn)在：

（1）獨(dú)立獲取知識(shí)的能力。逐步掌握科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，閱讀并理解算法課程設(shè)計(jì)與實(shí)踐方法及開(kāi)發(fā)技術(shù)相關(guān)的教材、參考書(shū)和科技文獻(xiàn)，不斷擴(kuò)展知識(shí)面，增強(qiáng)獨(dú)立思考的能力，有意識(shí)地追蹤最新算法技術(shù)并更新知識(shí)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)懗鰲l理清晰且具有自我思考與見(jiàn)解的讀書(shū)筆記、小結(jié)或小論文。

（2）科學(xué)觀察與思維的能力。運(yùn)用算法分析與設(shè)計(jì)的基本理論和基本觀點(diǎn)，通過(guò)觀察、分析、綜合、演繹、歸納、科學(xué)抽象、類(lèi)比聯(lián)想、實(shí)驗(yàn)等方法培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)與提出問(wèn)題的能力，使其對(duì)所涉及問(wèn)題有一定深度的理解，能夠靈活運(yùn)用已有知識(shí)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)尚需補(bǔ)充的知識(shí)和技術(shù)，并能夠判斷研究結(jié)果的科學(xué)性與合理性。

（3）分析與解決問(wèn)題的能力。根據(jù)軟件工程問(wèn)題的特征、性質(zhì)及實(shí)際情況，抓住主要矛盾進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，選擇合適的算法或基于實(shí)際問(wèn)題提出新的解決方案，建立相應(yīng)的邏輯實(shí)體模型，并用形式語(yǔ)言和程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言進(jìn)行描述。

綜上所述，在專(zhuān)業(yè)碩士學(xué)位課“算法分析與設(shè)計(jì)”中開(kāi)展混合式教學(xué)改革，可有效利用學(xué)生已有的知識(shí)和學(xué)習(xí)能力，充分調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，培養(yǎng)其獨(dú)立獲取知識(shí)、挖掘有價(jià)值的科學(xué)問(wèn)題并提出解決方案的能力，尤其對(duì)于學(xué)生學(xué)術(shù)研究與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有一定優(yōu)勢(shì)。