李 蕓 陳榮平 陳建文

（湖南工商大學(xué)理學(xué)院 湖南·長(zhǎng)沙 410008）

《新時(shí)代全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議》[1]指出，要培養(yǎng)能擔(dān)當(dāng)起民族復(fù)興大任的社會(huì)主義接班人，必須加快建設(shè)高水平本科教育、全面提高人才培養(yǎng)能力。人才培養(yǎng)是大學(xué)的本質(zhì)職能，在高等教育中是具有戰(zhàn)略地位的教育。人才培養(yǎng)質(zhì)量和效果是檢驗(yàn)一切工作的根本標(biāo)準(zhǔn)。推動(dòng)辦學(xué)理念創(chuàng)新、組織創(chuàng)新、管理創(chuàng)新和制度創(chuàng)新；用知識(shí)體系教、價(jià)值體系育、創(chuàng)新體系做，傾心培養(yǎng)建設(shè)者和接班人；提升學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度、激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)力和專業(yè)志趣，使學(xué)生求真學(xué)問(wèn)、練真本領(lǐng)是每一個(gè)心懷天下的知識(shí)分子（教師）的教育強(qiáng)國(guó)夢(mèng)。高質(zhì)量人才的培養(yǎng)離不開(kāi)“學(xué)生”和“教師”兩個(gè)主體，而課程是聯(lián)結(jié)“教師”和“學(xué)生”的主要橋梁。專業(yè)建設(shè)水平和課程教學(xué)質(zhì)量是影響學(xué)生成才的兩個(gè)主要的方面。重塑教育教學(xué)形態(tài)，思想創(chuàng)新、理念創(chuàng)新、方法技術(shù)創(chuàng)新和模式創(chuàng)新，推進(jìn)課程內(nèi)容更新，推動(dòng)課堂革命是當(dāng)前人才培養(yǎng)任務(wù)的緊迫任務(wù)。

根據(jù)《習(xí)近平總書(shū)記關(guān)于教育的重要論述》[2]、“全國(guó)教育大會(huì)”[3]和《中國(guó)教育現(xiàn)代化2035》[4]精神，實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的根本任務(wù)是培養(yǎng)全面發(fā)展的社會(huì)主義接班人。知識(shí)的傳授、能力的培養(yǎng)必須建立在正確的世界觀、人生觀和價(jià)值觀之上，這樣才可能培養(yǎng)出能擔(dān)負(fù)起民族復(fù)興和國(guó)家崛起大任的后繼者。如何建設(shè)高等學(xué)校課程思政，發(fā)揮課程育人作用，實(shí)現(xiàn)專業(yè)課程作為課程思政建設(shè)基本載體的功能，深入挖掘?qū)I(yè)課程思政元素，增加課程除知識(shí)性外的人文性、時(shí)代性和開(kāi)放性，是當(dāng)前亟須解決的問(wèn)題。

計(jì)算技術(shù)在大數(shù)據(jù)和人工智能時(shí)代的重要性不言自喻，以算法為核心的信息處理是其亙古不變的主題。算法在很多領(lǐng)域都有非?；钴S的應(yīng)用，如人類基因工程、互聯(lián)網(wǎng)信息檢索、電子商務(wù)安全問(wèn)題中的數(shù)字簽名、稀有資源分配等。如何高效地設(shè)計(jì)算法對(duì)各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)說(shuō)都是非常重要的事情。因此，我們選擇了《算法導(dǎo)論》這門專業(yè)核心課程開(kāi)展了課程思政建設(shè)和教學(xué)創(chuàng)新研究與實(shí)踐。

1 課程概述

《算法導(dǎo)論》課程主要介紹可計(jì)算問(wèn)題的數(shù)學(xué)建模。我們把課程內(nèi)容分成了常用算法、算法設(shè)計(jì)范式、算法分析方法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)以及高級(jí)智能算法/機(jī)器學(xué)習(xí)算法五大模塊。本課程的先修課程為高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)以及離散數(shù)學(xué)，并要求熟悉一種編程語(yǔ)言。根據(jù)不同的專業(yè)需求，課程學(xué)分設(shè)置從2學(xué)分到4學(xué)分不等。我們建設(shè)了《算法導(dǎo)論》課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)成員均為具有豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、善于學(xué)習(xí)和樂(lè)于奉獻(xiàn)的優(yōu)秀教師。

2 理念與目標(biāo)

2.1 課程理念

秉承“以學(xué)生為中心，全面發(fā)展學(xué)生能力”的理念，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力和實(shí)踐應(yīng)用的能力。學(xué)習(xí)算法設(shè)計(jì)和分析的理想的狀態(tài)是學(xué)習(xí)實(shí)際工作中需要的各類算法理論，并能用數(shù)學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行分析，同時(shí)還能采用一種編程語(yǔ)言將思想或偽代碼變成實(shí)際可用的程序。探索算法的過(guò)程就是我們認(rèn)知世界的方法，從最簡(jiǎn)單的想法開(kāi)始，通過(guò)“實(shí)驗(yàn)”“失敗”“再實(shí)驗(yàn)”循環(huán)錘煉，用數(shù)學(xué)的方法去嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐茖?dǎo)與證明，用數(shù)據(jù)和案例去驗(yàn)證，用代碼和程序去實(shí)踐，以數(shù)學(xué)為基石，以編程為工具，去分析去解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，達(dá)到理論與實(shí)踐的完美統(tǒng)一。

2.2 教學(xué)目標(biāo)

《算法導(dǎo)論》課程培養(yǎng)面向企事業(yè)需求的應(yīng)用型人才，需要學(xué)生具備開(kāi)放性思維，能夠在面對(duì)新問(wèn)題時(shí)提出自己的思路和獨(dú)到的見(jiàn)解，或面對(duì)舊問(wèn)題能獨(dú)辟蹊徑，采用更為高效的求解方法。具體教學(xué)目標(biāo)分為四個(gè)階段，第一階段為算法基礎(chǔ)，目的是使學(xué)生（1）掌握最基本的算法，如排序算法、圖算法等；（2）學(xué)會(huì)選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)算法，掌握從算法到程序的實(shí)踐過(guò)程。第二階段為設(shè)計(jì)范式，目的是使學(xué)生掌握分治策略、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、貪心算法和隨機(jī)算法等強(qiáng)大的算法設(shè)計(jì)范式。第三階段為算法分析，目的是使學(xué)生通過(guò)直觀理解和嚴(yán)謹(jǐn)數(shù)學(xué)推導(dǎo)證明方法相結(jié)合，打牢算法分析基本功，學(xué)會(huì)分析算法時(shí)間、空間復(fù)雜度。第四階段為算法進(jìn)階，通過(guò)對(duì)智能算法如遺傳算法和機(jī)器學(xué)習(xí)算法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法的學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生對(duì)高級(jí)算法的進(jìn)一步探索。

2.3 課程思路

學(xué)習(xí)解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題所需要的各類算法范式和方法，學(xué)會(huì)用數(shù)學(xué)方法對(duì)算法進(jìn)行理論分析，采用一種編程語(yǔ)言將思想或偽代碼變成實(shí)際可用的程序。本課程選擇Python語(yǔ)言編寫(xiě)程序，有利于學(xué)生快速理解算法精髓，提高算法應(yīng)用能力。

3 過(guò)程與方法

3.1 課程思政建設(shè)

培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人、為誰(shuí)培養(yǎng)人是教育的根本問(wèn)題。立德樹(shù)人有道，勵(lì)學(xué)敦行無(wú)聲。本課程將課程思政與價(jià)值塑造、專業(yè)知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)有機(jī)結(jié)合，將課程思政元素加入算法案例中，培養(yǎng)學(xué)生民族自豪感，培養(yǎng)學(xué)生家國(guó)責(zé)任感，培養(yǎng)學(xué)生探索未知的使命感。

3.2 課程內(nèi)容與學(xué)科前沿研究聯(lián)系緊密

課程教學(xué)內(nèi)容反映學(xué)科前沿研究動(dòng)態(tài)。動(dòng)態(tài)規(guī)劃、貪心算法、分治策略是學(xué)科前沿文獻(xiàn)中解決疑難問(wèn)題的常見(jiàn)啟發(fā)式方法。粒子群、遺傳算法、模擬退火等智能算法一般用來(lái)解決實(shí)際應(yīng)用中的最優(yōu)化問(wèn)題，粒子群算法模擬了鳥(niǎo)群捕食、遺傳算法模擬了生物種群進(jìn)化。智能優(yōu)化算法一定程度上解決了大空間、非線性、全局尋優(yōu)、組合優(yōu)化等復(fù)雜問(wèn)題。在實(shí)際應(yīng)用中得到了廣泛的研究與使用。

3.3 學(xué)科競(jìng)賽輔助課堂教學(xué)

為培養(yǎng)學(xué)生知行合一的能力，以賽促學(xué)，我們組織學(xué)生參加全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽、ACM國(guó)際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽、Kaggle機(jī)器學(xué)習(xí)競(jìng)賽等并取得了一定的成績(jī)。

3.4 創(chuàng)新教學(xué)模式

基于算法的實(shí)用性特點(diǎn)，教學(xué)過(guò)程中應(yīng)理論與實(shí)踐并重。理論教學(xué)包含課堂講授和專家講座。應(yīng)做到基礎(chǔ)理論、算法設(shè)計(jì)、案例教學(xué)、輔助軟件相結(jié)合。實(shí)踐教學(xué)包含課堂實(shí)踐、課后個(gè)人實(shí)踐、團(tuán)體實(shí)踐三個(gè)方面。激發(fā)學(xué)生的思考和探索，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。教學(xué)模式創(chuàng)新如下,課堂引入案例、動(dòng)畫(huà)、PPT講授算法原理，并利用Jupyternotebook的交互式編程功能向?qū)W生演示示例代碼。精心設(shè)計(jì)理論與實(shí)驗(yàn)作業(yè)，打造頭歌Educoder平臺(tái)同步實(shí)訓(xùn)課程（算法導(dǎo)論P(yáng)ython語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)），發(fā)布實(shí)訓(xùn)作業(yè)。

4 結(jié)語(yǔ)

《算法導(dǎo)論》課程理論與實(shí)踐并重教學(xué)新模式、新方法可以推廣至《離散數(shù)學(xué)》《數(shù)據(jù)挖掘基礎(chǔ)》《金融大數(shù)據(jù)分析》《Python編程基礎(chǔ)》《運(yùn)籌學(xué)》《數(shù)學(xué)建模》《數(shù)值優(yōu)化》等核心專業(yè)課程的教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)了專業(yè)課程的無(wú)縫銜接和層級(jí)推進(jìn)，對(duì)培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新性人才具有較好的價(jià)值。