劉漢英 陳宮 敬超 王宇

桂林理工大學(xué)信息與科學(xué)工程學(xué)院 廣西桂林 541004

一、概述

“算法設(shè)計與分析”是一門實踐性和理論性較強的計算機類專業(yè)課，是操作系統(tǒng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等專業(yè)課程的基礎(chǔ)。部分算法理論抽象，實現(xiàn)代碼較長，許多學(xué)生都反映這門課比較難學(xué)。傳統(tǒng)的“算法設(shè)計與分析”教學(xué)設(shè)計以各種算法為章節(jié)模塊，逐個講授算法的理論及實現(xiàn)方法，學(xué)生在實驗課上自主編程實現(xiàn)并驗證，效果并不理想。20世紀(jì)末，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式在培訓(xùn)、成人教育等方面得到了驗證，也向普通高校推廣，使混合式教學(xué)模式在高校教學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文以“算法設(shè)計與分析”課程為例，分析傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計及存在的問題，并針對存在的問題進行混合式教學(xué)設(shè)計，開展教學(xué)實踐，取得了較好的教學(xué)效果。

二、傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計及問題

傳統(tǒng)的“算法設(shè)計與分析”課程教學(xué)設(shè)計簡單，教師先講授算法理論，包括知識點、注意事項，然后舉典型案例，進行具體的問題分析、算法設(shè)計、實現(xiàn)，期間設(shè)定一些問題供學(xué)生思考、回答，最后總結(jié)、布置課后作業(yè)和實驗任務(wù)。在整個教學(xué)中，教師處于主導(dǎo)地位，決定教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)實施方法、教學(xué)評價，學(xué)生被動地接受知識，跟著教師思考問題，尋求解決方法，按時完成作業(yè)和實驗。這種教學(xué)模式效率高，沿用多年，同時暴露出以下問題，急需解決。

(1)教學(xué)設(shè)計沒有因材施教。在進行傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計時，教師主要是依據(jù)教學(xué)大綱、按知識點進行教學(xué)設(shè)計，教學(xué)內(nèi)容陳舊、覆蓋所有知識點，沒有考慮學(xué)生的實際情況，其設(shè)計好壞，很大程度由教師的經(jīng)驗決定，教學(xué)進度統(tǒng)一，教師只能盡量滿足大多數(shù)學(xué)生，能力弱的學(xué)生可能跟不上進度，導(dǎo)致后面的課程無法理解，失去學(xué)習(xí)興趣。

(2)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題能力沒有得到鍛煉。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)過程中，以教師為中心講授算法的理論和實現(xiàn)方法，學(xué)生主要是按教師制定的線路學(xué)習(xí)，教師提出問題、分析問題和解決問題，學(xué)生是旁觀者，缺乏靈活性，課堂上的互動比較少，部分學(xué)生因為性格內(nèi)向不敢主動回答問題，傳統(tǒng)課堂教學(xué)往往沒有回放，有些學(xué)生為了記錄筆記或需要拍照來不及思考。

(3)教學(xué)評價方法單一，反饋不及時。傳統(tǒng)的教學(xué)評價中，主要是考勤、作業(yè)和期末考試，教師通過作業(yè)和課間答疑了解學(xué)生對課程知識點的掌握情況，目前，往往是大班授課，批閱學(xué)生作業(yè)工作量大，批改進度趕不上授課進度。

(4)實驗設(shè)計上，設(shè)計型實驗較少，主要是驗證實驗，通過集成開發(fā)環(huán)境IDE(Integrated Development Environment)完成，學(xué)生自己設(shè)計測試用例、編寫代碼、調(diào)試、運行、檢驗，有些可能考慮不周，沒有考慮邊界情況和特殊用例，教師無法一一檢查，學(xué)生也無法知道。

三、混合式教學(xué)設(shè)計

2019年開始，“算法設(shè)計與分析”課程組開始進行課程混合式教學(xué)改革，將課程知識點進行按理解難易程度進行劃分，把比較容易理解的內(nèi)容放到課外自學(xué)，課堂上主要強調(diào)重點，解決難點問題。如表1所示，將課程教學(xué)過程分為課前—課中—課后三個環(huán)節(jié)。課前，教師發(fā)布學(xué)習(xí)指導(dǎo)，將事先制作好的課件、視頻、鏈接發(fā)給學(xué)生，學(xué)生自己安排時間學(xué)習(xí)，并在課程群中反映學(xué)習(xí)過程中的不理解或有疑問的地方，教師通過網(wǎng)絡(luò)平臺查看學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，根據(jù)學(xué)生反映的問題調(diào)整課程內(nèi)容和進度；課堂上先對重點、難點進行講解，學(xué)生對不理解的地方提出，教師適時解答；課后，教師制作課程補充視頻、發(fā)布課后作業(yè)、實驗、討論；學(xué)生復(fù)習(xí)、完成作業(yè)，自主組成學(xué)習(xí)小組進行討論，撰寫小組討論報告。課程安排一次小組討論成果展示，讓小組代表分享小組討論結(jié)果，同學(xué)們可以提問題、提建議。

表1 混合式教學(xué)活動的實施

(1)教學(xué)設(shè)計因?qū)W生而變。在混合式教學(xué)中，課程設(shè)計的依據(jù)增加了學(xué)生的預(yù)習(xí)情況和學(xué)生的問題環(huán)節(jié)，內(nèi)容和形式上都進行了較大改變，課堂上對概念性、較容易的知識點不做詳細的講述，PPT中僅對識記及重點知識點做歸納、總結(jié)，著重講述學(xué)生難理解的算法的分析、比較、改進及實現(xiàn)關(guān)鍵點，學(xué)生容易把握重點、易錯點、難點，學(xué)生問題可以得到及時解答。學(xué)生通過其他同學(xué)的提問也了解到同學(xué)們的學(xué)習(xí)情況?；旌鲜浇虒W(xué)設(shè)計解決了內(nèi)容多、課時少的問題。另外，將算法熱點和學(xué)科競賽題引入課堂，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

(2)信息技術(shù)保障混合式教學(xué)的實施。信息技術(shù)的發(fā)展使混合式教學(xué)成為可能。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)輔助平臺(簡稱平臺)和即時工具成了教師手中除了黑板、粉筆、PPT之外的得力助手。本課程選擇雨課堂一體化平臺為網(wǎng)絡(luò)教學(xué)輔助平臺，并建立QQ課程群，教師使用平臺發(fā)布學(xué)習(xí)指導(dǎo)、學(xué)習(xí)資源，使用平臺和工具了解到學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，有針對性地開展教學(xué)活動；課堂提問實現(xiàn)了匿名，學(xué)生敢于主動提問題、回答問題，參與程度大幅提高；課堂教學(xué)實現(xiàn)了回放，不明白的地方可以重復(fù)學(xué)習(xí)，學(xué)生可以放心思考，不用忙于記筆記、拍照。

(3)多元化、過程化評價督促學(xué)生自主學(xué)習(xí)。信息技術(shù)使教學(xué)過程數(shù)據(jù)化、可追溯，對學(xué)生學(xué)習(xí)行為評價更加公平、公正、公開。教師鼓勵學(xué)生主動提問題、自覺主動學(xué)習(xí)、參與討論，開課初在平臺上設(shè)置平時成績的考核方法、比例，學(xué)生可以查看并努力完成學(xué)習(xí)任務(wù)。平臺對客觀題可以自動批閱，極大地減輕了教師的工作量。教師對主觀題打分并用紅筆批注，學(xué)生可以實時看到錯誤點，及時修改。

(4)在線測試平臺、小組討論、展示促進學(xué)生能力提高。在IDE上完成驗證性實驗外，布置了一些設(shè)計型、改進型實驗，并向?qū)W生推薦了在線測試平臺，學(xué)生以小組為單位進行討論、分析、調(diào)試、互助完成任務(wù)。在線測試平臺綜合考慮了問題邊界條件、特殊情況。通過共同編碼、調(diào)試，學(xué)生們進一步理解，有些不經(jīng)意的錯誤，可能會導(dǎo)致整個結(jié)果的不正確，學(xué)習(xí)需要一絲不茍，對未知問題要勇于探索，學(xué)生們發(fā)現(xiàn)問題能力、解決問題能力、合作能力、表達能力得到鍛煉。

四、教學(xué)設(shè)計實例

動態(tài)規(guī)劃是“算法設(shè)計與分析”課程的重要算法，抽象、代碼量大，學(xué)生理解困難，下面以動態(tài)規(guī)劃第一章為例，進行教學(xué)設(shè)計。

(1)學(xué)情分析：大學(xué)二年級學(xué)生，已經(jīng)學(xué)習(xí)了枚舉、遞推、遞歸、回溯、貪心等算法，有一定的分析算法能力，能聽懂、看懂，但部分不會編寫。

(2)教學(xué)方法：案例法、比較分析法、探究法。

(3)課前：①發(fā)布學(xué)習(xí)指導(dǎo)(預(yù)習(xí)概述、實施步驟、數(shù)塔問題)、視頻(注意開課時不要一次性發(fā)布所有的教學(xué)資源，學(xué)生無法在短時間內(nèi)完成發(fā)布的學(xué)習(xí)內(nèi)容，會讓學(xué)生失去信心)；②學(xué)生自學(xué)并收集學(xué)習(xí)到三個問題(第一，如何理解最優(yōu)化原理？第二，動態(tài)規(guī)劃只能從底向上求最優(yōu)解嗎？第三，貪心法能求解的問題都能用動態(tài)規(guī)劃求解嗎)。

(4)課中：①簡述本次課的教學(xué)內(nèi)容；②用雨課堂發(fā)布兩個基礎(chǔ)問題(下列算法中通常自底向上求解最優(yōu)解的算法是什么？什么問題可以使用動態(tài)規(guī)劃求解)，進一步了解學(xué)生的課前預(yù)習(xí)情況，講解；③總結(jié)歸納課程重點：最優(yōu)化原理、多階段決策最優(yōu)化問題、最優(yōu)子結(jié)構(gòu)特性，以0-1背包問題為例解釋約束條件、目標(biāo)函數(shù)、最優(yōu)解、最優(yōu)子結(jié)構(gòu)；④將問題劃分階段及尋找最優(yōu)解的性質(zhì)是動態(tài)規(guī)劃問題的難點，課程以數(shù)塔問題為例進行分析，把抽象的問題直觀化，找出遞推關(guān)系，填寫最優(yōu)決策表；⑤修改求解值要求，指導(dǎo)學(xué)生填寫最優(yōu)決策表；⑥問題變通：以藍橋杯題目《數(shù)字三角形》為例，討論分析問題解決方法，解答學(xué)生課前第二個問題：從上向下求最優(yōu)解；⑦實際問題：最短路徑問題，引出不能使用的動態(tài)規(guī)劃問題求解的情景；⑧討論解答課前第三個問題：與貪心法進行比較分析；⑨小結(jié)，布置課后作業(yè)、討論題，推薦相關(guān)學(xué)術(shù)文獻。

(5)課后：①學(xué)生復(fù)習(xí)、作業(yè)、參與討論；②教師課程反思，批改作業(yè)，準(zhǔn)備下次課程。

以上是動態(tài)規(guī)劃第一次理論課的教學(xué)設(shè)計。實驗項目設(shè)計中，在驗證性實驗的基礎(chǔ)上，增加了代碼填空、設(shè)計型、改進型、綜合型的實驗。在進行教學(xué)設(shè)計時，我們注重課程知識、能力和素質(zhì)的有機結(jié)合，由淺入深，既包含基礎(chǔ)知識，又引入相關(guān)的競賽和學(xué)科前沿相關(guān)文獻，給不同能力層次的學(xué)生不同的學(xué)習(xí)要求和挑戰(zhàn)。同時，充分利用信息技術(shù)增加課程互動性、學(xué)生間的互助討論，讓學(xué)生進一步理解“與人合作需要對人友善”。

五、實施效果

“算法設(shè)計與分析”課程經(jīng)過近三期混合式教學(xué)實踐，不斷改革教學(xué)方法，修改教學(xué)內(nèi)容。實踐結(jié)果表明，混合式教學(xué)有效地解決了傳統(tǒng)教學(xué)中的突出問題，學(xué)生評教逐年提高(91.07、93.62、95.09)，表2和圖1為近三期學(xué)生成績分布。每期教學(xué)結(jié)束，本課程均采用教學(xué)質(zhì)量管理平臺進行問卷調(diào)查，如圖2所示，調(diào)查結(jié)果表明，98%的同學(xué)認為自己理解并掌握了課程內(nèi)容，近三期指導(dǎo)學(xué)生參加藍橋杯程序設(shè)計大賽有5人獲得自治區(qū)級以上獎勵。

圖1 近三期學(xué)生成績分布

表2 近三期學(xué)生成績

圖2 學(xué)生評教

結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)的“算法設(shè)計分析”課程教學(xué)設(shè)計中暴露的問題，提出了混合式教學(xué)設(shè)計實施方案，并以動態(tài)規(guī)劃第一次課為例，按照“兩性一度”的“金課”要求，給出了具體的實施實例。

混合式教學(xué)的順利開展需要學(xué)校、教師、學(xué)生三方面的共同努力。學(xué)校要統(tǒng)一挑選購買網(wǎng)絡(luò)教學(xué)輔助平臺，在進行教學(xué)安排時，需要給學(xué)生留出足夠的自由支配時間，以便學(xué)生進行自主學(xué)習(xí)；教師要花更多的時間準(zhǔn)備素材、錄制視頻、收集學(xué)生問題、檢查和督促學(xué)生學(xué)習(xí)情況、分層次進行教學(xué)設(shè)計；學(xué)生要提高學(xué)習(xí)自覺性和控制力。

目前，“算法設(shè)計與分析”課程線上資源豐富，有視頻、課件、討論等119個，目前仍在不斷更新、擴充，滿足了不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)要求。教學(xué)實踐表明，混合式教學(xué)既發(fā)揮了教師的主導(dǎo)作用，又強調(diào)了學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，能有效提高教學(xué)質(zhì)量，適于進一步推廣。