鄭琪（廣東外語外貿(mào)大學(xué)思科信息學(xué)院，廣州　510006）

算法分析與設(shè)計(jì)課程的拓展式教學(xué)

鄭琪
（廣東外語外貿(mào)大學(xué)思科信息學(xué)院，廣州510006）

0　引言

算法設(shè)計(jì)與分析課程作為一門重要的程序設(shè)計(jì)類課程，主要目的是通過對計(jì)算機(jī)算法的系統(tǒng)學(xué)習(xí)與研究，掌握算法設(shè)計(jì)、算法實(shí)現(xiàn)和算法比較，培養(yǎng)學(xué)生正確分析算法計(jì)算復(fù)雜性的能力以及對不同實(shí)際問題設(shè)計(jì)出高效算法的能力?！陡叩葘W(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系與規(guī)范》把算法設(shè)計(jì)與分析能力界定為計(jì)算機(jī)專業(yè)高級人才的基本學(xué)科能力之一。這門課程既包含抽象的理論，又強(qiáng)調(diào)算法的實(shí)踐，對于提升學(xué)生的邏輯思維能力和編程解決實(shí)際問題的能力有著非常重要的意義，大型公司面試和研究生入學(xué)考試時(shí)都會側(cè)重這方面的知識。但是這類課程理論兼顧實(shí)踐的特點(diǎn)，使得學(xué)生間能力的差異表現(xiàn)得更為突出，很多學(xué)生剛接觸到這門課程就出現(xiàn)畏難情緒，而不愿意花精力去學(xué)好這門課程。因此我們研究使用拓展式的教學(xué)方法，以生動有趣的方式引導(dǎo)學(xué)生一步步地實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)目標(biāo)，達(dá)到提升學(xué)生個人能力的目的，同時(shí)使得學(xué)習(xí)能力和興趣各不相同的學(xué)生在這門課程的學(xué)習(xí)過程中能夠充分發(fā)揮自己的潛力。

1　算法課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

目前算法設(shè)計(jì)與分析課程的教學(xué)存在如下問題：

（1）學(xué)時(shí)不足，不能保證充分的上機(jī)時(shí)間。算法課程是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，只有通過大量的編程實(shí)踐，才能夠加深對理論的理解。而目前有限的學(xué)時(shí)數(shù)無法保證學(xué)生在課堂上有足夠的上機(jī)時(shí)間。這就需要通過布置作業(yè)的方式，調(diào)動學(xué)生利用課外時(shí)間來完成編程實(shí)踐。但是學(xué)生會由于這門課程的難度而產(chǎn)生倦怠情緒，而不能積極地完成作業(yè)，甚至產(chǎn)生抄襲的情況。

（2）學(xué)生水平參差不齊，千人一題難以兼顧所有學(xué)生。目前很多高校為了提高學(xué)生算法的實(shí)踐能力，將國際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競賽（ACM/ICPC）的做題模式引入到大學(xué)。學(xué)生將代碼提交到判題系統(tǒng)后，系統(tǒng)立刻對代碼進(jìn)行評測，將程序是否正確反饋給學(xué)生，學(xué)生可以及時(shí)修改程序，繼續(xù)提交直至成功。這種方式極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的交互性，增強(qiáng)了學(xué)生分析、調(diào)試程序的能力。但是各高校在實(shí)施過程中，所有的學(xué)生都布置相同的題目。水平差的學(xué)生覺得題目難而放棄努力，抄襲別人的代碼。水平高的學(xué)生覺得題目相對簡單，能力不能得到進(jìn)一步的提升。

（3）學(xué)習(xí)目的不明確，學(xué)生單純?yōu)榱俗鲱}而做題。部分學(xué)生為了通過期末考試對一些算法和解決問題的代碼死記硬背，不能領(lǐng)會到在今后的開發(fā)實(shí)踐中算法能夠發(fā)揮的巨大的作用。因此需要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己的興趣和能力，找到算法應(yīng)用的切入點(diǎn)。

（4）算法課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)上不能做到承上啟下的作用。每個高校的課程設(shè)置都不同，因此算法的內(nèi)容設(shè)置也要因地制宜地照顧到先修課程和后續(xù)課程。以我校為例，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程是算法課程的先修課程。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中講授的一些方法，學(xué)生只是知其然而不知其所以然。算法課程則可以對這些方法從設(shè)計(jì)思想的角度進(jìn)行分析，加深學(xué)生的理解。后續(xù)課程如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、自然語言處理中使用的算法也可以先行引入到算法課程中，促進(jìn)對后續(xù)課程的教學(xué)和理解。

以上問題是每所高校在程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)過程中遇到的問題，高校教師們也都積極地嘗試用各種方法去解決問題。電子科技大學(xué)的林劼使用項(xiàng)目驅(qū)動法［1］，中國礦業(yè)大學(xué)的吳川通過引入大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競賽的模式提高學(xué)生的實(shí)踐動手能力［2］；南京郵電大學(xué)的陳蕾將實(shí)驗(yàn)題目劃分為不同難度，針對不同水平的學(xué)生［3］；信息工程大學(xué)的李云強(qiáng)通過專題化教學(xué)解決教學(xué)課時(shí)不足的問題［4］；山東省工會管理干部學(xué)院的曲德祥通過教學(xué)內(nèi)容問題化、教學(xué)體系層次化引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)［5］。但是以上的這些解決方案只是針對教學(xué)過程中的某一個問題，而沒有給出一個完整的解決方案。

2　拓展式教學(xué)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

拓展學(xué)習(xí)是指教育教學(xué)過程中，學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)形式、學(xué)習(xí)方法等向社會學(xué)習(xí)，向網(wǎng)絡(luò)拓展，使學(xué)習(xí)內(nèi)容在更廣闊的背景上獲得全方位的充實(shí)和增加。因此我們提出以拓展式教學(xué)作為我們的主線，針對該課程的教學(xué)設(shè)計(jì)出一個完整的教學(xué)改革方案。

2.1教學(xué)內(nèi)容的前向拓展

由于這門課程對學(xué)生的綜合能力要求較高，學(xué)生剛開始接觸，往往會有畏難情緒而導(dǎo)致厭學(xué)。興趣是最好的老師。一方面，教師結(jié)合情景教學(xué)法，創(chuàng)設(shè)熟悉的情景，吸引學(xué)生，自然地導(dǎo)入教學(xué)內(nèi)容。例如講解貪心算法時(shí)引入日常生活中的紙幣找零問題。另一方面從本課程的角度解讀其他先修課程的知識點(diǎn)。例如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的快速排序算法學(xué)生只知道該算法的效率較高，而不知道該算法的設(shè)計(jì)思想。教師利用分治的思想對這個算法進(jìn)行深度解析，可以鞏固學(xué)生之前所學(xué)的知識，啟發(fā)學(xué)生的思維。通過將學(xué)生已有的生活經(jīng)驗(yàn)或者知識進(jìn)行引申，學(xué)生更容易接受和理解新的知識點(diǎn)。

2.2教學(xué)內(nèi)容的后向拓展

部分后續(xù)的課程中會涉及到本課程的相關(guān)知識。例如計(jì)算機(jī)組網(wǎng)技術(shù)課程中涉及的生成樹協(xié)議，它的實(shí)現(xiàn)思想來源于算法課程中的最小生成樹算法。在學(xué)習(xí)相應(yīng)算法的同時(shí)，對未來的課程知識點(diǎn)做一個鋪墊，有助于學(xué)生對未來相關(guān)課程的理解和掌握。教學(xué)內(nèi)容的后向拓展有利于學(xué)生將各門課程的學(xué)習(xí)融會貫通，構(gòu)建一個完整的知識體系。

2.3教學(xué)內(nèi)容的橫向拓展

課程內(nèi)容引入后，在學(xué)生對所學(xué)知識感性認(rèn)識的基礎(chǔ)上，通過以問題為導(dǎo)向的教學(xué)方法（PBL）貫穿這個教學(xué)過程，幫助學(xué)生進(jìn)一步加深知識點(diǎn)的理解，發(fā)揮問題對學(xué)習(xí)過程的指導(dǎo)作用，調(diào)動學(xué)生的主動性和積極性。PBL方法以問題為基礎(chǔ)，以學(xué)生為主體，以教師為導(dǎo)向，采用啟發(fā)式教育培養(yǎng)學(xué)生的分析問題，解決問題能力。例如講授貪心算法時(shí)，鼓勵學(xué)生討論如何解決文件壓縮的問題。在眾多的學(xué)生建議方案中引申出哈夫曼編碼，講解如何通過貪心算法解決這個問題。進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生以此作為理論基礎(chǔ)，借助于其他開發(fā)工具和方法實(shí)現(xiàn)一個具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的文件壓縮軟件，實(shí)現(xiàn)從理論知識向工程實(shí)踐轉(zhuǎn)化，讓學(xué)生清楚認(rèn)識到課程學(xué)習(xí)的目的和意義。

2.4教學(xué)實(shí)踐的層次拓展

在程序設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)過程中必然要面對嚴(yán)重的學(xué)生能力不平衡的問題。一方面要避免基礎(chǔ)差的學(xué)生掉隊(duì)，另一方面要解決能力強(qiáng)的學(xué)生得到進(jìn)一步提升的問題。我們將教學(xué)實(shí)踐劃分為理論實(shí)踐和應(yīng)用開發(fā)兩個不同的方向。理論實(shí)踐針對喜歡理論課程學(xué)習(xí)的學(xué)生，注重算法思想的理解和靈活應(yīng)用。應(yīng)用開發(fā)針對熱衷開發(fā)軟件的學(xué)生，注重于將算法包裝為有現(xiàn)實(shí)意義的軟件，實(shí)現(xiàn)算法的核心價(jià)值。理論實(shí)踐方向的題目又劃分為驗(yàn)證型、提高型和競賽型。驗(yàn)證型題目面向基礎(chǔ)差的學(xué)生，要求實(shí)現(xiàn)教材中典型的算法題目。提高型題目面向基礎(chǔ)較好的學(xué)生，要求可以靈活應(yīng)用算法思想解決一些簡單題目。競賽型題目面向綜合能力強(qiáng)，有志于參加大學(xué)生程序設(shè)計(jì)比賽的學(xué)生，要求可以綜合應(yīng)用多種方法解決比較復(fù)雜的問題。教學(xué)實(shí)踐的分方向與分層次可以滿足不同興趣、不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

2.5教學(xué)實(shí)踐的課堂外拓展

由于程序設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)課時(shí)往往不足，因此大部分教學(xué)實(shí)踐要依賴于課外時(shí)間，編程題目以作業(yè)的方式布置給學(xué)生。學(xué)生在解題過程中如果無法及時(shí)得到結(jié)果的反饋，而統(tǒng)一等待教師批改，無疑會削弱學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。因此我們將大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競賽的程序在線評測系統(tǒng)引入程序設(shè)計(jì)類課程。學(xué)生在提交程序作業(yè)后，可以實(shí)時(shí)地得到反饋結(jié)果。如果發(fā)生錯誤，可以不斷地修改嘗試，直至正確解答。這種方式培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

3　結(jié)語

本文針對目前算法分析與設(shè)計(jì)課程教學(xué)過程中存在的問題進(jìn)行了分析，從學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)形式等多個方向進(jìn)行教學(xué)拓展，建立完整的教學(xué)方案，全面解決教學(xué)課時(shí)不足、學(xué)生能力差異、學(xué)習(xí)動力不足、課程教學(xué)銜接等問題，培養(yǎng)學(xué)生理論知識向應(yīng)用實(shí)踐的轉(zhuǎn)化能力。

［1］林劼，戴波.項(xiàng)目驅(qū)動型算法設(shè)計(jì)與分析課程教學(xué)方法［J］.計(jì)算機(jī)教育，2014（09）.

［2］吳川，孫錦程.基于ACM的《算法設(shè)計(jì)與分析》教學(xué)改革研究［J］.中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2010（32）.

［3］陳蕾，張怡婷，許建.基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的算法設(shè)計(jì)與分析課程教學(xué)改革［J］.計(jì)算機(jī)教育，2010（20）.

［4］李云強(qiáng)，王愛蘭.課時(shí)壓縮的算法設(shè)計(jì)與分析課程教學(xué)模式探索［Z］.中國北京：20113.

［5］曲德祥.關(guān)于實(shí)踐教學(xué)中算法設(shè)計(jì)與分析課程的研究及應(yīng)用［J］.信息技術(shù)與信息化，2012（01）.

Algorithm Analysis and Design；Expansive Teaching

Expansive Teaching of Algorithm Analysis and Design

ZHENG Qi
（Cisco School of Informatics，Guangdong University of Foreign Studies，Guangzhou 510006）

1007-1423（2015）24-0003-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.24.001

鄭琪（1973-），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，講師，博士，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)挖據(jù)、自然語言處理

2015-06-26

2015-08-06

算法設(shè)計(jì)與分析作為一門理論與實(shí)踐要求都比較高的課程，在教學(xué)過程中存在著學(xué)生學(xué)習(xí)目的不明確，積極性不高；水平差異尤為明顯，難以兼顧；教學(xué)內(nèi)容相對獨(dú)立等問題。針對這些問題，提出教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行前向、后向與橫向的拓展，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，便于學(xué)生培養(yǎng)完整的知識體系。教學(xué)實(shí)踐的層次拓展和課堂外拓展，使得每個學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程中都有努力的空間，提升個人的編程實(shí)踐水平。

算法分析與設(shè)計(jì)；拓展教學(xué)

廣東外語外貿(mào)大學(xué)校級教改項(xiàng)目（No.GWJYYB14031）

Algorithm Analysis and Design is a course that requires both theory and practice.During the teaching of the course，a series of problems arise.Students are aimless，passive；it's hard to care for each student for their significantly different ability；the teaching content is isolated.To solve these problems，expands the content of the course forward，backward and crosswise to motivate students'interest and help them to develop complete knowledge system.The expansive learning in a hierarchy and outside class leave space for each student to improve themselves and raise the level of programming.