聚焦創新實踐能力培養的算法分析與設計課程教學改革探索

關鍵詞：創新思維；算法實踐；課程思政；多維考核；四位一體

0 引言

算法作為計算機科學的核心支柱之一，其重要性不言而喻。圖靈獎得主Niklaus Wirth的著名論斷“算法+數據結構=程序”深刻揭示了算法在計算機領域的核心地位[1]。正因如此，算法分析與設計課程在國內外眾多高校的計算機專業培養方案中均被設置為專業必修課程，它建立在高級程序設計和數據結構等先導課程的基礎上，為學生未來的職業發展和科研深造提供了堅實的支撐。在培養學生的專業技能的同時，更應注重思想道德教育的開展，堅持教書與育人并重，實現協同育人的目標，確保學生在掌握算法知識的同時，也具備良好的道德品質和社會責任感[2]。

算法不僅僅是學習過程中的一門必修課程，更是未來考研、就業面試中不可或缺的重要內容。掌握扎實的算法基礎，能夠讓學生在激烈的競爭中脫穎而出，獲得更多的機會和選擇。在科學研究領域，算法研究同樣是最活躍、最前沿的方向之一。算法是許多高級課程如人工智能課程的基礎，需要理論與實踐相結合。因此有必要在課程教學中聚焦創新和實踐能力的培養，多措并舉提升學生的算法能力。

1 現狀分析

1.1 存在的問題

算法課程不僅要求學生掌握扎實的理論基礎，更強調動手實踐能力與創新思維的培養。然而，在實際教學過程中，仍然存在一系列問題亟待解決。

1） 學生基礎水平的顯著差異是教學中的一大挑戰。部分學生由于前導課程學習不扎實，導致在后續學習中知識儲備不足，難以應對新的學習內容。這種差異使得教師難以找到平衡點，既要滿足基礎薄弱學生的需求，又要滿足基礎扎實學生的學習進度。因此，實施精細化教學策略，靈活調整教學方法，成為提升教學效果的關鍵。

2） 算法課程理論深度和邏輯性強，學生在學習過程中往往遇到諸多困難，產生畏難情緒。一旦某個環節跟不上進度，整個學習鏈條可能中斷，導致后續學習受阻。因此，需要優化教學內容與方法，提高學生的學習興趣與積極性。

3） 學生動手實踐能力不足也是教學中的一大問題。算法課程要求學生能夠熟練運用編程語言實現算法，并應用于解決工程問題。然而，由于缺乏實踐鍛煉，學生的動手能力普遍較弱。為此，應加強實踐教學環節，提供更多的實踐機會，以提升學生的動手實踐能力。

4） 學生對算法分析能力的不足也是值得關注的問題。在解決實際工程問題時，算法的設計與分析是相互促進的。然而，由于缺乏對算法性能的評估與優化能力，學生在解決問題時往往難以達到理想效果。應加強算法分析能力的培養，提高學生的問題解決能力。

5） 學生對創新能力的培養重視不夠也是一個需要關注的問題。優化算法的過程需要創新思維和靈活應對變化的能力。然而，學生在算法學習中往往缺乏對創新性的深入培養和足夠重視。因此，應強調創新在算法學習中的重要性，鼓勵學生勇于嘗試新思路，提升創新能力。

6） 課程在思政元素融入方面尚顯不足。課程思政的融入對于引導學生形成正確觀念至關重要，應深入挖掘算法課程中的思政元素，將其有效融入教學中，以培養學生的社會責任感和職業道德。

1.2 相關工作

在算法課程的教學改革方面，眾多教師已經從多個維度，包括教學模式的創新、計算思維的深化、創新能力的培養以及課程思政的融入等方面，進行了廣泛而深入的探索研究。這些努力不僅豐富了教學手段，提升了學生的參與度，還有效地培養了學生的計算思維與創新能力，為算法課程的教學質量帶來了顯著的提升。

為了激發學生的學習熱情，文獻[3]提出了“以賽勵教、以賽督學”的教學模式，以程序設計競賽為引導，提升學生的算法創新和實踐能力。陳英等提出在算法分析與設計課程中引入OBE教學模式，改革教學目標和任務，與競賽相結合，推進“師導生學”和線上線下混合教學方式，制定長效激勵機制，構建面向學生綜合產出的考核方式[4]，教學效果明顯提升。

在計算思維的深化方面，何高奇等人提出基于計算思維培養的算法分析與設計教學改革思想，從教學內容設計、計算資源開發、計算思維全方位訓練3個方面介紹具體教改措施[1]。此外，文獻[5]提出課堂全程育人的啟發式教學模式，從教學方法、課程思政、課程建設多個維度闡述了該課程的教學改革。

在專業課程的教學過程中，要把思政教育貫穿始終。算法不僅要正確，更要符合法律規范。曹珊珊等人提出基于三維立體運行機制的課程思政教學思路，實現知識與能力的傳授和價值引領相結合[6]。張偉娜等人提出算法設計與分析課程思政內容體系結構及思政元素的系統分析方法，并闡述了在教學的各個環節進行課程思政的主要方法和措施[7]。

2 教學改革

算法課程重點是能夠通過分析問題設計相應的求解方法，并用代碼實現所提出的算法，之后結合具體的場景對實現的算法從時間和空間復雜度等方面分析，根據分析結果優化算法，是一個迭代的過程，在此過程中，要求學生具有設計、分析、實現和創新等多方面的綜合能力。總結教學過程中的問題，本文以創新思維培養、實踐能力提升為焦點，圍繞課堂教學目標、教學內容、練習資源、實踐途徑和評價機制為主線開展教學改革探索，培養知識、能力、素質同步提升的高素質人才。課程教學改革總體架構如圖1所示。

2.1 重構課程目標，完善教學內容

以培養創新思維、提升實踐能力為目標，明確課程的知識、能力和素質核心要求，并挖掘思政元素，踐行結果導向，以學生為中心，持續改進的核心理念，培養學生創新思維能力，將專業教學、能力培養和價值觀引領協同發展，培養社會主義建設需要的德才兼備的新工科人才。“算法分析與設計”課程目標如下：

1） 知識目標。掌握遞歸、分治、回溯、動態規劃、貪心法等算法的基本原理，掌握經典算法的設計、分析和應用。

2） 能力目標。根據問題設計算法并分析其性能，提出創新性的優化方法。

3） 素質目標。有良好的創新思維，有正確的價值觀和良好的職業素養。

以提升學生的工作能力為導向，持續改進和完善教學內容，內容要與時俱進、常備常新。從以下4個方面入手優化教學內容：基礎理論和方法的分析，典型問題的建模和抽象，解決方案的實現，知識的創新運用。教學內容依據此理念重新設計，融合知識點、實驗、在線題庫、抽象思維能力為一體，實施課程教學。

2.2“ 課堂、實踐、資源、評價”四位一體的算法課程教學思路

在算法分析與設計課程的整體設計思路上，以學生為中心，構建“課堂、實踐、資源、評價”四位一體的教學思路。

課堂上拓展多樣化的教學模式、手段，提供多種學習途徑，方便學生隨時學習實踐。采用線上線下混合式教學，結合案例教學，對知識點深度剖析，同時融入思政元素，為后續實施翻轉課堂奠定基礎。線上采用超星學習通等網絡平臺，發布算法課程的視頻、課件、習題等資源，供學生自主學習。線下教學重點講解算法的原理、設計和分析方法。通過案例分析、小組討論等形式，引導學生深入理解算法思想，培養學生的邏輯思維能力。

算法課程是一門非常注重實踐的課程，通過拓展多渠道實踐方式，提升實踐水平。通過專題實訓進行從問題分析、建模、實現、報告全方位練習，輔助以開放式算法平臺自主練習，設置開放性題目鍛煉創新能力，結合線上判題平臺（如OJ系統），開展線上競賽，以賽促學，激發同學們學習算法的熱情。

提供多種形式的教學資源，除了傳統的課程大綱、教案、PPT以外，借助兩個平臺：線上教學平臺和在線判別平臺（OJ） ，提供多媒體教學資源以及算法練習試題庫，并選取典型題目形成專題實訓庫。

算法課程從多方面評價課程的教學效果。課程評價包括：1） 學生對課堂教學效果的評價；2） 改變傳統的評價模式，將評價標準向實踐能力傾斜，由平時考核、實驗考核和期末考核組成，實現學習效果的全面考核；3） 通過問卷調查了解學生對課程的掌握情況，持續優化教學過程；4） 通過舉辦模擬算法競賽和學生參加程序設計競賽成績反饋教改效果。

2.3 多措并舉提升創新實踐能力

除完善課堂教學內容外，通過不斷拓展育人渠道。挖掘生活中的算法問題，嘗試學生為主的翻轉課堂增強學生的參與度，探索課程實踐、模擬算法競賽、企業名師課堂等模式，多措并舉提升學生創新實踐能力，實現知行合一。“算法分析與設計”課程多項舉措如表1所示。

3 結論

算法作為一門課程，深深根植于創新和實踐的沃土之中，各類算法競賽更是這一特性的生動體現。在教學過程中，充分借助線上線下多種教學手段，深入剖析算法原理，幫助學生構建扎實的理論基礎。同時，借助豐富的資源和專題競賽，強化學生的動手實踐能力，讓其在實踐中深化對算法的理解和應用。為了全面培養學生的創新意識，采取多種舉措，鼓勵其勇于探索、敢于創新。在考核環節，特別設置開放性題目，著重考查學生的創新實踐能力，以此激發學生的創新思維，提升他們的實際解決問題的能力。此外，我們還注重思想教育與專業知識的協同育人。通過一系列舉措的實施，旨在培養出既具備扎實算法理論基礎，又擁有出色創新實踐能力的學生，為其全面發展奠定堅實的基礎。