陳英 江智康 章文貴 裴威鳳

摘? 要：針對(duì)目前算法設(shè)計(jì)與分析課程教學(xué)中存在的不足，文章采用以賽勵(lì)教的教學(xué)模式對(duì)該門(mén)課程的課堂進(jìn)行改革，參加各類(lèi)程序設(shè)計(jì)類(lèi)競(jìng)賽達(dá)到激活課堂的目的，同時(shí)促進(jìn)和加強(qiáng)學(xué)生算法設(shè)計(jì)、程序編寫(xiě)、教育的實(shí)踐性和創(chuàng)新性。

關(guān)鍵詞：算法設(shè)計(jì)與分析;以賽勵(lì)教;教學(xué)模式

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2020）06-0077-03

Abstract： Aiming at the shortcomings in the current algorithm design and analysis course teaching， this article adopts the teaching model of competition teaching to reform the course， participate in various programming competitions to achieve the purpose of activating the classroom， and at the same time promote and strengthen the student algorithm design， programming， practicality and innovation of the education.

Keywords： algorithm design and programming; promote teaching through competition; teaching mode

一、概述

算法設(shè)計(jì)與分析是四年制計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、物聯(lián)網(wǎng)工程等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的核心課程。這門(mén)課程的主要目的不僅是講授計(jì)算領(lǐng)域中不同問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)算法，更重要的是分析其算法復(fù)雜度，并且在諸多可行算法中選擇一種時(shí)間或者空間效率最高的方法。David Harel在“Algorithmics：the Spirit of Computing”中這樣描述算法：算法是計(jì)算機(jī)科學(xué)研究的重要分支，更是支撐計(jì)算機(jī)科學(xué)大廈的核心和基石。算法不僅在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，而且在其它理工及社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域都有極其廣泛的應(yīng)用，任何問(wèn)題的求解，都離不開(kāi)算法設(shè)計(jì)。

二、目前課堂中存在的不足

在當(dāng)前的教學(xué)過(guò)程中，仍然存在一些不足：（1）在課堂的教學(xué)組織上，多年來(lái)一直沿用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，教學(xué)內(nèi)容選擇和組織不合理，理論內(nèi)容偏多，過(guò)少甚至缺失算法編程實(shí)踐。（2）學(xué)生對(duì)算法地位認(rèn)識(shí)不清，學(xué)生學(xué)習(xí)的目的不明晰，興趣也不是很強(qiáng)，很多學(xué)生剛學(xué)過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，翻開(kāi)算法教材，有似曾相識(shí)的感覺(jué)。教材中確實(shí)有部分章節(jié)如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，排序算法，圖的遍歷等取材于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程。因此會(huì)有些學(xué)生學(xué)習(xí)熱情不高，認(rèn)為是在學(xué)習(xí)重復(fù)的課程。（3）學(xué)生雖然在理論學(xué)習(xí)過(guò)程中掌握了一系列算法的基本設(shè)計(jì)思想，但是學(xué)生很難理解各種方法的具體應(yīng)用，這就造成了學(xué)生難以“學(xué)以致用”的現(xiàn)象，且算法實(shí)踐缺乏方法論的指導(dǎo)。（4）本門(mén)課程的考試形式也比較單一，偏重于結(jié)果考核而缺乏對(duì)算法學(xué)習(xí)過(guò)程的評(píng)價(jià)，主要采用“平時(shí)成績(jī)+考試成績(jī)”相結(jié)合的考核方式。從整體看來(lái)，在這種學(xué)習(xí)模式下，能夠主動(dòng)學(xué)習(xí)且真正理解算法設(shè)計(jì)思想的學(xué)生較少。（5）現(xiàn)有的算法設(shè)計(jì)與分析的教學(xué)模式無(wú)助于提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力。

已有高校將競(jìng)賽模式引入程序設(shè)計(jì)類(lèi)課程的教學(xué)中，并取得不錯(cuò)的效果。何克晶等[1]基于翻轉(zhuǎn)課堂的研討式教學(xué)結(jié)合的理論教學(xué)、ACM-ICPC競(jìng)賽和在線測(cè)評(píng)系統(tǒng)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)算法設(shè)計(jì)與分析課程進(jìn)行改革探索。李華等[2]提出基于ACM-ICPC的算法設(shè)計(jì)與分析課程改革，并建立適應(yīng)長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)生的測(cè)評(píng)系統(tǒng)和習(xí)題庫(kù)。劉曉璐[3]提出將ACM-ICPC競(jìng)賽模式引入算法設(shè)計(jì)與分析課程的實(shí)踐教學(xué)中。李勇[4]將實(shí)踐性教學(xué)方法應(yīng)用于算法設(shè)計(jì)與分析課程。王偉嘉等[5]結(jié)合競(jìng)賽歷年和資源去豐富課堂內(nèi)容、提高教學(xué)效率、提升學(xué)生知識(shí)運(yùn)用能力。

因此，以比賽帶動(dòng)激勵(lì)算法設(shè)計(jì)與分析課程的教學(xué)改革將會(huì)取得不錯(cuò)的效果。

三、改革的措施

（一）理論教學(xué)的改革

1. 突出該門(mén)課程學(xué)習(xí)的重要性：通過(guò)預(yù)先為學(xué)生分析本科畢業(yè)后的兩種主流去向（考研和工作）來(lái)突出該課程學(xué)習(xí)的必要性，讓學(xué)生知道，不管將來(lái)是考研或者是工作，具備良好的算法設(shè)計(jì)與分析能力有助于其得到更好的發(fā)展。

2. 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容：教學(xué)內(nèi)容以教材為基礎(chǔ)，以具體的問(wèn)題和應(yīng)用為驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生深入分析問(wèn)題，并設(shè)計(jì)優(yōu)秀的算法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3. 改革課堂教學(xué)模式：采用課堂講授與研討式課堂討論結(jié)合的理論教學(xué)形式，除課堂講授外，部分學(xué)時(shí)基于翻轉(zhuǎn)課堂的模式進(jìn)行研討式教學(xué)。給學(xué)生提供主題、視頻、在線課程及相關(guān)資料，讓學(xué)生組成小組，根據(jù)具體的問(wèn)題進(jìn)行調(diào)研和討論，教師進(jìn)行啟發(fā)式引導(dǎo)。通過(guò)讓學(xué)生進(jìn)行研討匯報(bào)，實(shí)踐能力得到提升，表達(dá)能力得到鍛煉，思維更加縝密，同時(shí)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神得到加強(qiáng)。通過(guò)在理論教學(xué)中推動(dòng)學(xué)生課后的實(shí)踐活動(dòng)，可以與傳統(tǒng)的講授型教學(xué)模式進(jìn)行良好互補(bǔ)。

（二）實(shí)踐教學(xué)的改革

要真正培養(yǎng)學(xué)生的算法設(shè)計(jì)、分析和創(chuàng)新能力，只依靠課內(nèi)學(xué)時(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還要將實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)與各種程序設(shè)計(jì)大賽相結(jié)合，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與相關(guān)比賽的訓(xùn)練或?qū)嵺`班。實(shí)踐班將堅(jiān)持以下幾個(gè)原則：（1）“以老帶新”的梯隊(duì)建設(shè)原則;（2）“以賽代練” 的常態(tài)化訓(xùn)練原則;（3）“線上OJ測(cè)試，線下講題消化”的雙驅(qū)動(dòng)原則;（4）“以點(diǎn)帶面”的知識(shí)點(diǎn)講解原則;（5）“基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析”的客觀選拔原則;（6）“以書(shū)面規(guī)則明確比賽紀(jì)律”的約束原則;（7）“以ACM-ICPC為核心，其它比賽多路突進(jìn)”的百花齊放的競(jìng)賽原則。具體的說(shuō)明如下：

（1）“以老帶新”的梯隊(duì)建設(shè)原則：團(tuán)隊(duì)的建設(shè)應(yīng)該是形成紡錘形，即“中間大、兩頭小”，以大二的學(xué)生為主，大三和大一的學(xué)生為輔，每一年完成正常的新老交替，完成團(tuán)隊(duì)的梯隊(duì)建設(shè)，在補(bǔ)充新生力量的同時(shí)，歡送老隊(duì)員的離隊(duì)。從歷年的情況分析：三個(gè)年級(jí)學(xué)生的狀態(tài)分別為：a.經(jīng)過(guò)一年多的訓(xùn)練，大二的學(xué)生知識(shí)儲(chǔ)備處于較高的水平，個(gè)人對(duì)競(jìng)賽的認(rèn)識(shí)和參加競(jìng)賽的意愿也處于較好的程度;b.大三同學(xué)雖然水平相對(duì)最高，由于其面臨考研、工作實(shí)習(xí)的選擇，心思已經(jīng)不完全放在競(jìng)賽上，但是其知識(shí)水平和比賽經(jīng)驗(yàn)可以給低年級(jí)的同學(xué)帶來(lái)比較大的幫助;c.大一的同學(xué)競(jìng)賽熱情高，但是由于其知識(shí)儲(chǔ)備較弱，并不具備獨(dú)立參加比賽的能力，可以由高年級(jí)的學(xué)生帶著一起參加比賽。

（2）“以賽代練”的常態(tài)化訓(xùn)練原則：目前，由于各個(gè)省、各個(gè)高校都非常重視程序設(shè)計(jì)類(lèi)的比賽，所以各種類(lèi)型的區(qū)域賽、省賽、校賽比較多，比賽主辦方一般會(huì)同步開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)賽，或者事后掛在各個(gè)OJ（Online Judge）平臺(tái)上作為重現(xiàn)賽，對(duì)于這些比賽，要求隊(duì)員都積極參加，并且嚴(yán)格以正式比賽的形式進(jìn)行，讓各位同學(xué)在平時(shí)的訓(xùn)練中感受正式比賽的壓力，以在正式的比賽中取得好的成績(jī)。

（3）“線上OJ測(cè)試，線下講題消化”的雙驅(qū)動(dòng)原則：充分利用已有的Online Judge平臺(tái)，例如杭州電子科技大學(xué)的OJ（http：//acm.hdu.edu.cn/）、?？途W(wǎng)（https：//www.nowcoder.com/）等平臺(tái)所提供的高質(zhì)量的題目和自動(dòng)判題功能，讓學(xué)生能夠通過(guò)隨時(shí)隨地做題、訓(xùn)練。對(duì)于在做題中出現(xiàn)的共性問(wèn)題，實(shí)踐班將采用面對(duì)面的方式進(jìn)行溝通交流和講解。

（4）“以點(diǎn)帶面”的知識(shí)點(diǎn)講解原則：程序設(shè)計(jì)類(lèi)比賽所涉及的知識(shí)廣且深，如果面面俱到，一則時(shí)間不允許，二則學(xué)生會(huì)有坐等靠的消極思想，對(duì)整個(gè)比賽產(chǎn)生不利的影響。實(shí)踐班將采取講透一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，帶通系列知識(shí)面的做法，以讓學(xué)生養(yǎng)成自主思考的習(xí)慣，這樣也切合比賽的特點(diǎn)。

（5）“基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析”的客觀選拔原則：實(shí)踐班將對(duì)每個(gè)學(xué)生每一次訓(xùn)練、每一次比賽的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)的挖掘和分析，以盡可能客觀地評(píng)估每一位學(xué)生的加權(quán)成績(jī)，并以此成績(jī)作為其能否參加正式比賽的依據(jù)。

（6）“以書(shū)面規(guī)則明確比賽紀(jì)律”的約束原則：程序設(shè)計(jì)類(lèi)比賽的一個(gè)亮點(diǎn)是“公平性”，而賽后進(jìn)行代碼查重是一個(gè)必經(jīng)的環(huán)節(jié)，如果某兩個(gè)學(xué)生的代碼出現(xiàn)雷同的情況，則該學(xué)生所在學(xué)校的所有學(xué)生都將取消比賽成績(jī)。為了避免出現(xiàn)這種情況，實(shí)踐班將把比賽規(guī)則形成書(shū)面的文件，發(fā)布在群文件中，并且一次次要求學(xué)生嚴(yán)格遵守，以做到零查重的情況。

（7）“以ACM-ICPC為核心，其它比賽多路突進(jìn)”的百花齊放的競(jìng)賽原則：堅(jiān)持以參與學(xué)校/學(xué)生最多、含金量最高、獲獎(jiǎng)難度最大的ACM-ICPC以核心抓手，CCPC、CCCC-GPLT、藍(lán)橋杯大賽、CCF-CCSP、江西省大學(xué)生信息技術(shù)知識(shí)大賽等為輔助，形成有所側(cè)重，但相互互補(bǔ)的局面。

四、改革效果的分析

1. 通過(guò)教學(xué)環(huán)節(jié)的改革，使得學(xué)生能夠充分的參與到課堂教學(xué)過(guò)程中，能夠從本質(zhì)上活躍課堂的教學(xué)氛圍。同時(shí)，教學(xué)過(guò)程中引入數(shù)學(xué)邏輯思維能力訓(xùn)練，就能夠?qū)⑾鄬?duì)零散的知識(shí)點(diǎn)通過(guò)邏輯思維將其串起來(lái)，讓學(xué)生充分的融入課堂，深入理解算法思想和整體的學(xué)習(xí)脈絡(luò)，也鍛煉了學(xué)生的表達(dá)溝通能力。

2. 通過(guò)實(shí)踐環(huán)節(jié)的改革，學(xué)生能夠切實(shí)體會(huì)到算法如何應(yīng)用到實(shí)際問(wèn)題中去，不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，還能增強(qiáng)學(xué)生解決問(wèn)題的實(shí)戰(zhàn)能力。

3. 通過(guò)考核環(huán)節(jié)的改革，使得學(xué)生不再是按照以往的依賴(lài)?yán)蠋熢诳记皠澲攸c(diǎn)以及講解往年試卷的形式進(jìn)行備考，而是摒棄了這種學(xué)習(xí)方式，改“背得越多分越高”的模式為“做得越多越好分越高”的考核模式，從而使得學(xué)生的學(xué)習(xí)目的性更強(qiáng)，也能夠使得學(xué)生更好的掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)理論和方法。2017-2018學(xué)年和2018-2019學(xué)年的“算法設(shè)計(jì)與分析”這門(mén)課程的考試試卷均為實(shí)際問(wèn)題的算法設(shè)計(jì)主觀題，沒(méi)有選擇、填空等客觀題。兩學(xué)年作者所授課班級(jí)學(xué)生人數(shù)分別為95人和103人，在綜合考慮并持平難度的情況下，考試成績(jī)結(jié)果分析的對(duì)比如圖1所示，從該圖中可以看出，不管是平均分還是平均方差，2018-2019學(xué)年的結(jié)果均要優(yōu)于2017-2018學(xué)年的結(jié)果。

4. 通過(guò)比賽的激勵(lì)，使得更多的學(xué)生參與比賽，獲得與其它學(xué)校優(yōu)秀學(xué)生同臺(tái)競(jìng)技的機(jī)會(huì)，通過(guò)參賽學(xué)生的示范作用，有效地帶動(dòng)了學(xué)院、學(xué)校的學(xué)風(fēng)建設(shè)。同時(shí)，學(xué)生在比賽過(guò)程中所取得的成績(jī)，將有效地增強(qiáng)學(xué)生的自信心。分別以2018年和2019年這兩年的1-9月份作為對(duì)比的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，圖2是我院學(xué)生在這期間參加國(guó)際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)大賽、中國(guó)大學(xué)生程序設(shè)計(jì)大賽、大學(xué)生程序設(shè)計(jì)天梯賽、藍(lán)橋杯等程序設(shè)計(jì)類(lèi)比賽所獲獎(jiǎng)的對(duì)比圖。從該圖中可以看出，不管是獲獎(jiǎng)的數(shù)量，還是在獲獎(jiǎng)的質(zhì)量上，2019年的優(yōu)勢(shì)都是非常明顯的。同時(shí)，圖3是這兩個(gè)期間參與競(jìng)賽的學(xué)生人次對(duì)比圖，從該圖中可以看出，2019年參與競(jìng)賽的學(xué)生人數(shù)明顯均多于2018年同期。

5. 有利于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神：如今的IT行業(yè)，無(wú)論是軟件開(kāi)發(fā)還是軟件測(cè)試領(lǐng)域，其運(yùn)作過(guò)程都是采用團(tuán)隊(duì)合作的方式，而學(xué)生在高校學(xué)習(xí)過(guò)程中，往往得不到團(tuán)隊(duì)合作的鍛煉，即使有的課程進(jìn)行了分組實(shí)驗(yàn)的方式，也經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一組同學(xué)少數(shù)人做事，而多數(shù)人觀望甚至置之不理的情況，基于此，算法設(shè)計(jì)與分析課程教學(xué)采用分組、團(tuán)隊(duì)競(jìng)賽等手段保證每一名同學(xué)都能夠切實(shí)參與到學(xué)習(xí)、競(jìng)賽過(guò)程中，并在團(tuán)隊(duì)中找到自己的位置、認(rèn)清自己的角色，從而，以切實(shí)可行的方式培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作的意識(shí)和能力。

五、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以賽激勵(lì)的教學(xué)模式，學(xué)生可以掌握算法設(shè)計(jì)與分析的本質(zhì)，并運(yùn)用到實(shí)際問(wèn)題的解決中去。同時(shí)，根據(jù)不同程序設(shè)計(jì)類(lèi)競(jìng)賽類(lèi)競(jìng)賽的特點(diǎn)，使學(xué)生在課外競(jìng)賽上找準(zhǔn)目標(biāo)，更好地增強(qiáng)學(xué)生所學(xué)知識(shí)的廣度和深度，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力、團(tuán)隊(duì)合作精神以及在軟件程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中的創(chuàng)新意識(shí)，有效地提高算法設(shè)計(jì)與分析課程的教學(xué)效果。

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