信息化技術在排序算法課堂設計中的重構與融合

趙永梅 拓明福 謝鵬 王瓊

摘 要：排序算法是計算機程序設計基礎這門課程的重點內容，也是難點內容之一。從以往的教學經驗來看，學生在學習該課程時通常出現算法思想理解不透徹，算法轉換為程序困難等問題，最終導致怕學、不學的學習態度。文中詳細討論信息化技術在教學方法、教學手段、評價體系、教學體系等方面重構與融合的方法，以實現突出重點、突破難點的目的，使學生在教學實踐中發展創新思維、培養創新能力。

關鍵詞：排序算法;課程設計;信息化技術;教學方法;程序設計;計算機教學

中圖分類號：TP274文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）04-0-03

0 引 言

信息技術及課程的重構與融合作為深化課程改革的有效途徑，正經歷著從全面整合到信息技術文化中的第四個改革階段[1]。課程信息化是信息技術文化中課程發展或者變革的過程，將信息資源、信息技術和信息方法融入到課程設計和課程實踐中，是信息技術與課程融合發展的重要目標[2-3]。排序的重要性眾所周知、不言而喻，排序決定了百度搜索的結果，新浪微博展示的話題，優酷推薦的電影，以及QQ對話窗彈出的橫幅廣告等。不僅如此，在現代化戰爭中，排序也舉足輕重。例如，不同兵種部隊通過關卡的先后順序問題，飛機進入機場的交通管制問題，單個無人機轟炸目標順序問題等。所以掌握好排序算法不僅是學好計算機程序設計基礎課程的關鍵之一，更具有重要的現實意義。因此，利用動畫、視頻、網絡課程等信息化技術，本文對這門課程中重要的知識點—排序算法的各個要素和環節經過重構、組合和相互融合，在整體上實現信息化。

1 教學分析

1.1 課程概述

計算機程序設計基礎課程是我校為理工類本科一年級學生開設的一門公共基礎課，是大學計算機基礎教學系列中的核心課程之一，同時也是計算機及信息類專業本科生必修的一門專業基礎課。它的教學目標不僅是使學生掌握基于C語言的編程能力和基本的算法設計能力，更重要的是培養學生獲取信息、加工信息、處理信息的能力，并且能用自身所學知識解決生活中的實際問題，從而最終實現創新能力的培養。

1.2 教學內容

該課程計劃課時為2個學時，包括1個學時理論教學和1個學時上機實踐。重點講解冒泡排序算法的思想及其編程實現，在此基礎上進一步啟發思維，講解對該算法的優化，然后對比冒泡排序講解選擇排序算法的思想及其編程實現過程。

1.3 教學目標

在知識層面上，使學生掌握采用循環結構處理一維數組的方法，總結出一般規律;在能力層面上，通過冒泡排序、選擇排序等算法的設計和實現，培養學生程序設計能力和計算思維能力;在素質層面上，通過算法的分析與優化，培養學生嚴謹準確、精益求精的科學精神。

1.4 學情分析

通過前幾個章節的學習與實踐，學生雖然已經具備了一定的編程和調試能力，為本節教學內容的學習提供了良好的基礎，但是學生也是剛剛開始接觸編程。從以往的教學經驗來看，學生在學習本節內容時通常出現算法思想理解不透徹，算法轉換為程序困難等問題，最終導致怕學、不學的學習態度。

2 教學設計

教學設計的目的是突出重點、突破難點，喚起學生的求知欲，激發創新內動力。顯然傳統的教學方法已經不能滿足教學需求，將課內學習和課外探索相結合，情商培育和智商訓練相結合，教師主導和學生主體相結合，改變傳統的“要我學”為“我要學”。

2.1 教學資源與手段

課前準備：利用網絡教材、微課、動畫等形象生動的教學資源，學生可自主規劃學習方案，在線學習，使學生由課前的怕學、不學的學習狀態轉變為主動學習。

課堂實施：將實際游戲轉化為視頻資源，由慢鏡頭分解使得遞進式教學法更加具體、形象。

課后提升：教師下達任務，依托網絡教材，學生可舉一反三，完成從一種排序算法拓展到多種排序算法，從單一的數據處理到結構體數據處理的過渡。教學資源及手段如圖1所示。

其中，網絡教材由教學團隊精心制作，內容主要包括網絡教材、內容講授、講授課件、上機實踐、編程訓練、綜合應用、學習園地和程序人生八個模塊，涵蓋了理論學習、實踐教學、作業練習、輔導答疑、課程考核和課外拓展等各個教學環節。自制網絡課程如圖2所示。

在動畫實施環節上，采用舞動的排序動畫，使學生在課前對排序算法形成初步印象。而在課堂教學環節中，采用走動的排序動畫，使學生深刻理解排序的思想。課后通過滾動的排序動畫，使學生熟練掌握隱藏在數據排序背后的規律。動畫實施策略如圖3所示。

2.2 課堂教學方法

問題牽引的漸進式教學法是在實際教學中把案例教學法和啟發式教學法結合起來提出的一種教學法。實施過程為：首先選擇一個生活中的例子引入課題，激發起學生的學習興趣。在教授過程中，通過打比方、作類比等方法使得抽象的概念具體化，復雜的算法原理簡單化，并盡可能通過同一案例的不斷演化，層層布設問題，引導學生積極思考，最終達到激發興趣、啟發思維、通俗易懂的效果。

2.3 上機實踐教學方法

在上機實踐教學環節中，將任務分級部署，分為基本任務和拓展任務兩級，從而滿足不同程度學生的學習需求，改變傳統“一刀切、齊步走”的教學模式。

3 教學過程

學生在課前和課后利用校園網在線學習，計算機愛好者可以加入計算機軟件俱樂部，更深入地學習和參加計算機學科競賽，解決課堂學時偏少，學生“吃不飽”的問題。課堂實施混合教學和分層教學模式，實現學生“自學-互學-群學”，提高學習的主動性和積極性。

（1）創設情景，引出課題

設置游戲：讓一名學生給五名學生排隊，從低到高，且至少進行兩次。游戲的過程中，讓學生仔細觀察。

然后討論：每次排隊步驟是怎樣的，使用的方法是否相同。

最后教師引導：這個世界不是缺少問題，而是缺少發現，其實在每次排隊的過程背后，都隱含一個經典的排序算法。

（2）問題化解，類比得出鄰位比較法

將排序問題化解，先討論如何將個子最高的隊員作為隊尾隊員，也就是求最大值的過程。

第二次做游戲，重復排隊的過程，用慢鏡頭動畫仔細分析。

利用動畫，實現計算思維的轉變，達到突破。

難點一：算法思想的深刻理解，如圖4所示。

（3）歸納總結，遞推出排序算法

（4）布設問題，思考對算法的改進

通過動畫進一步演示，引導學生發現問題，對冒泡排序從待排范圍以及比較趟數方面進行優化。

（5）舉一反三，通過編程實現選擇排序，并比較兩種算法的區別。

（6）上機實踐，拓展應用

在該環節，學生根據自身學習情況，除了完成基本任務冒泡排序和選擇排序，還可完成：

拓展一：其他排序算法，如快排、遞歸排序等。

拓展二：緊貼實戰，完成單個無人機轟炸目標排序問題。

上機過程中，學生可自主混合編成小組，組內學生分工合作，研討關鍵難點，教員參與討論，引導學生規范問題解決方案。

4 教學效果與特色

以培養學生計算思維能力為目標，不斷適應互聯網時代知識獲取手段多樣化的需要，從教學體系、教學模式、教學理念、教學方法、考核方式、資源建設等各方面進行創新。

4.1 體系特色

在傳統的“課堂教學+課程考試”教學體系基礎上，提出“課堂教學+在線學習+綜合考核+學科競賽”四位一體的教學體系。

4.2 模式特色

改變傳統“滿堂灌/填鴨式”教學模式，充分利用學習資源，在教學過程中實施混合式教學、分層教學，提高學生學習的主動性、自主性，使成績好的學生飛得更遠，成績差的學生走得扎實。

4.3 教學理念

整個教學過程中，以學生為主體，教員引導學生讀中學、論中學、用中學、練中學，達到由怕學、不學到樂學、會學、善學、志學的學習態度的轉變。

4.4 教法特色

通過線下學習，用“亮功夫”展示學習成果，線上通過“興趣話題、問題游戲”等用“找金子”展示學習效果，課堂上通過打比方、作類比等方法使得抽象的概念具體化，復雜的算法原理簡單化，并盡可能通過同一案例的不斷演化，層層布設問題引導學生積極思考，并結合教師點評與答疑“解疑惑”，促進師生互學、群學，真正讓學生成為學習的主體，培養學生獨立鉆研、協作探究，使他們在教學實踐活動中發展創新思維，培養創新能力。

4.5 考核特色

考核由原來單一的筆試轉變為“線上學習評價+學生互評+課堂研討+課后作業+自動化機試”相結合的綜合性考核。

4.6 資源特色

筆者根據多年的教學經驗，制作了大量原創性的教學資源，包括講課視頻、多媒體課件、微課程、題庫等，并結合知識特點精心設計多媒體資源在課堂上的呈現方式。具體應用情況見表1所列。

5 結 語

信息化技術的發展對教學手段、教學方法、教學評價體系等提出了新的更高要求。如何針對課程中的每一知識點，運用信息化技術實現傳統教學的模式改革，是目前大學課堂教育研究熱點之一。本文從課堂理論講授到上機實踐、從教學方法到教學手段，從課程體系到課程考核對計算機程序設計中排序算法的課程設計進行了深入、詳細的闡述。通過對學生課堂表現和課后知識掌握情況的考察，發現新的教學設計，極大地提高了學生學習的興趣，改變傳統的“要我學”為“我要學”。

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