創客時代背景下算法建模能力的養成策略

摘要：隨著人工智能產業的快速崛起，社會對具備“算法思維”創客人才的需求在不斷增強。有過程序算法歷練的創客，一般會擁有系統思維和較有深度的邏輯思維與計算思維，他們能在未來更好地適應社會，創造價值。本文從一般流程、多元方法和反思之道三個維度入手，闡述了程序算法學習中優質的算法建模培育策略。

關鍵詞：創客；程序設計；算法建模；流程；方法

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2018）21-0013-03

當下，在中小學校園中，越來越多的師生正在踐行創客教育，在信息技術高速發展與人工智能快速崛起的背景下，將硬件與軟件融合一體的項目智造更是師生創客的首選路徑。在創意智造的項目創作中，程序是項目智能設計的靈魂，程序設計的優劣直接影響著最終的項目成敗，所以越來越多的師生把程序設計當做創客學習的必修課。

在程序設計學習的過程中，學生對具有顯性化規則的程序語言學習較容易掌握與理解，而真正指向程序學習核心的算法建模內容的習得卻處于相對薄弱的狀態。學生優秀的算法建模能力的養成，除了長期的學習外，還需要具備優秀的學習策略。我們在經過長期的探索與實踐后認為，通過讓學生掌握一般流程、習得多元方法與養成反思習慣這樣三個維度的教學策略，可以高質高效地培育并提升學生的程序算法建模能力。

掌握一般流程，架構思維藍圖

學生從問題到程序的整個算法建模過程具有一定過程，并非一步可達。明確學生在建模過程中的每一個步驟，能更精準地指導教學，讓施加在每個步驟之上的策略更加合理與高效。而學生掌握了一般流程則能加快算法建模學習進程，形成優秀的算法建模能力。

1.分析問題階段

學生在閱讀問題時即開始分析問題，逐漸明確題意與問題的方向。根據問題的描述方式，可將問題區分為良構與劣構，對于劣構類型的問題，學生在分析問題的階段應更注重分析問題，注重細節，明確題意。

例如，“排隊接水”一題屬于劣構形式的問題，學生必須仔細閱讀分析并明確問題的方向，經過問題梳理與條件的提取，明確問題方向為：所求平均等待時間（總等待時間）最?。ㄈ缦马摫恚?/p>

2.初步猜想算法階段

當學生明確了題意后，大腦即自動進入算法猜想環節。想象并非憑空，而是依據題意進行有目的、漸進式的推導。學生會根據問題中已有的或明確的樣例，在腦中逐漸形成算法雛形，而初學的學生則可以借助紙筆，邊猜想邊做推演。

3.算法驗證與修正階段

學生在經過分析問題與猜想的過程后，總有不完善、不正確的地方，那就需要驗證與修正，在此過程中，教師一般引導學生在紙上利用問題中樣例數據來檢驗猜想的算法，檢驗能否得出正確的求解，如不正確，則需要修正算法雛形，然后再次進入驗證環節，直至得出正確的結果。

4.程序代碼形成階段

在明確了算法過程且驗證無誤的情況下，學生便可上機形成完整的算法程序，在此階段學生將紙上的算法代碼化，此階段是終點，但仍需要學生在寫完程序后進行調試，完善自身的算法。教師需引導學生明白完成的算法并不是完美無誤的，需要查找可能存在的紕漏，讓自己的算法不斷接近直至達到最初問題所指向的準確結果。

借助多元方法，夯實建模效能

為讓學生更好地鞏固與內化算法建模的一般過程，我們提煉了幾種分別適用特定過程的方法，以便讓學生在算法建模的過程中能自覺地在腦中搜索適用于該過程的方法，進而提升建模效率，鞏固建模方法與過程。

1.學具模擬法

學具模擬法一般是利用具體可觸的物品作為推演的工具，來輔助分析問題與算法雛形建模的一種輔助手段。對于學生來說，呈現于眼前的直觀實物，能直接刺激感官，激活形象思維，又直接與其經驗發生作用，進而提升對問題的理解。學具模擬法使學生在算法雛形建模階段讓算法的猜想依托于實物之上，讓思維過程明確且條理清晰。

需要明確的是，此處的“學具”不一定是實物，它可能是學生在分析問題與猜想算法過程中利用紙筆繪出的模型。借助于這些學具模擬，學生能更好地體驗從實體到抽象的構建過程。

2.模板改進法

這里的模板指的是算法模板的框架，可以認為是一種或者一類算法的大致算法或者思路。此種方法經常適用于學生算法建模的分析問題與初步猜想算法的過程。在針對特定的問題分析時，讓學生嘗試回顧以往所學，即從大腦中搜索已有的算法模型，看是否能經過一定的改變達到適切于當前問題的分析與解決。

由于算法建模學習是一個迭代提升的過程，在學生已具備的知識結構中，往往能搜索出與之匹配或近似的模型加以利用。學生利用這種方法不斷提升自身舉一反三的能力與算法建模效率，并能繼續構建充實與升級已有的知識庫。

3.樣例符號法

樣例符號法常常作用于算法構建的猜想與驗證改進階段，當學生得到初步的算法模型后，就需要逐步將算法模型符號化、抽象化、精確化。

這里采用具體的數值進入到算法模型的運作中，明確數值在算法的每一步的轉換與變化；同時，繼續采用變化構造出不同類型的有效數據多次參與計算，找出可能存在的漏洞與錯誤，在整個算法建構過程中盡早地發現問題，并加以糾正。同時在數值計算與驗證中逐步地將算法符號化，甚至形成“核心偽代碼”。

4.例程調試法

根據前期的算法構建步驟后，學生已經明確算法的各個環節，最后一步便是將其形成程序。通過前期的分析與準備，思路已相對清晰，對于邏輯結構清晰的算法，學生能比較輕松、準確地堆砌出正確的程序代碼，但有時卻因為算法流程、邏輯上的特點超越了學生已有的能力水平，學生無法順利完成程序代碼。對于此階段的一些問題，我們引導學生采用例程調試法來學習編寫模塊代碼，讓學生從程序代碼的基本流程出發，調試跟蹤數據的變化，從樣例程序的內部原理了解算法模塊的本質，進而能從例程中達到舉一反三的效果，同時也建構了某一類算法的通用結構。

例如，在學習使用“遞歸”結構中，讓學生從斐波那契數列計算的遞歸的樣例程序開始，自行調試觀察遞歸結構的“自己調用自己”的特點。學生在采用單步跟蹤的同時，觀察相關變量值f的變化，而后結合程序代碼與紙筆演算，反向推導出斐波那契數列的函數表達式。在此過程中，學生掌握的不僅僅是遞歸的結構，更加深理解了遞歸調用中程序跳轉與堆棧利用的本質原理。在了解掌握了斐波那契類的遞歸算法之后，學生會比較容易掌握理解十進制轉二進制、求兩數的最大公約數的原理，同時也為后續學習諸如快排、搜索、分治、并查集等算法中的基礎遞歸模塊結構打下基礎。

養成反思習慣，促進自我提升

反思是對已學知識的回顧和深層思考，是對自己學習過程和學習方法的審視，是從元認知的層面開展的學習活動。在程序設計的學習中，反思必不可少，它是促進算法理解、進行算法建模的必要環節。

1.課堂“互動性”反思

在學生剛開始學習程序設計知識時，教師需要充分發揮主導作用，引導學生及時反思，進而學會反思的方法，養成反思的習慣。在課堂教學中，教師可以從學生在練習中出現的典型問題入手，引導或幫助學生分析其中的錯誤，如由程序運行結果逆推癥結所在，根據程序運行的錯誤提示找到問題的根源，由他人的程序代碼看到解題方法的多樣性，通過分析他人的程序意識到自己代碼的繁瑣。這樣，不僅可以讓學生意識到自己所編程序的問題所在，而且有助于其形成及時反思的習慣，提升程序性知識的自動化程度。

2.平臺“一對一”反思

學生課堂學習之后，需要一定量的練習來鞏固和反思所學知識點。然而傳統的課后練習很難讓學生得到及時的反饋，進行深層的反思學習，實現算法建模和知識內化。由此，我們充分發揮技術優勢，架設習題測評網站。平臺能夠基于對提交的程序比對輸入輸出數據的方式自動批閱學生程序，給予學生及時的反饋，學生可針對提示的錯誤類型進行程序的修改和測試，進而思考問題的所在，審視自己的算法，進行深層次的反思學習。此外，針對問題程序，教師可以給予一對一形式的反饋，讓學生能夠及時面對自己的知識學習過程，拓展其進步的空間，加深其對知識的理解，促進其開展反思性學習。

程序設計學習的最終目的是讓學生觸碰程序算法核心，培養學生優質的算法建模能力與算法思維。我們在教學中可從上述三個維度出發，通過了解與掌握算法建模的一般流程，讓學生學習掌握多種算法構建方法，并逐步養成良好的反思習慣，最終讓學生具備優秀的算法建模能力。

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