基于工程教育認證的“算法設計實驗”課程教學改革與實踐

韓麗霞 畢方明

摘? ? 要：根據工程教育認證的“學生中心、產出導向、持續改進”理念，結合計算機專業的特點，從教學模式、教學方法與實踐訓練三個方面開展“算法設計實驗”課程教學改革實踐，旨在實現“以教為中心”向“以學為中心”的轉變、“課程導向”向“能力導向”的轉變、“重知輕行”向“知行合一”的轉變，將能力培養貫穿教學全過程。實踐證明，“算法設計實驗”課程教學改革達到工程教育認證的要求，切實提高了學生對復雜工程問題的解決能力。

關鍵詞：工程教育認證;算法設計實驗;計算機

中圖分類號：G642.3? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：1002-4107（2020）08-0040-02

2016年6月2日，我國成為《華盛頓協議》成員國，正式開啟了我國高等工程教育的國際化進程。采用國際化認證標準，有助于我國大學積極培養具有工程實踐能力的學生、努力提高學生的實踐能力與創新意識、進一步提升人才培養的質量，也對我國加快“新工科”建設和“雙一流”大學建設具有非常重要的現實意義。

貫徹工程教育認證的“學生中心、產出導向（Outcome based Education，OBE）[1-2]、持續改進”的理念，結合工程教育專業認證協會專業認證通用標準中的12條畢業要求，中國礦業大學計算機科學與技術學院對計算機專業的“算法設計實驗”課程教學進行了改革與實踐。

傳統的“算法設計實驗”課程教學[3-4]，主要存在以下三個問題：（1）以“教師為中心”的教學模式，把知識傳授作為教學的主要目的，學生的能力培養沒有得到充分的重視，不利于培養學生解決計算機工程問題的能力。（2）實驗教學以基礎驗證性題目為主要內容，達不到本科工程教育聚焦學生解決復雜工程問題能力培養的定位[5]。（3）理論與實踐脫節嚴重。很多學生只是單純地接受知識，出現了“學而無法實踐”的尷尬局面，學生的實踐能力亟待提高。

一、實現“以教為中心”向“以學為中心”的轉變? ? ? ? 在傳統的CBE（Competency Based Education）教育中，教師處于教學環節的核心地位，學生“被動”地接受知識和技術，其作為“學習”的主體地位被忽視，能力培養未得到充分的重視。因此，亟須轉變這種傳統的教學模式，實現“以教為中心”向“以學為中心”的轉變。以學生為中心的教學模式，有如下三個特征。

第一，以學生為中心的教學模式強調，教師是課堂的“引導者”，學生是知識的“探索者”，課堂教學要“以學生為中心”。一方面，教師要根據教學大綱的要求，結合學生的興趣和愛好，以具體的工程問題作為導向，將“離散數學”“數據結構”和“算法設計”課程之間相關的知識點進行縱向銜接，在宏觀層面上構建完整的知識體系;另一方面，重視在教學過程中發揮學生的能動性，激發學生學習的積極性和熱情，鼓勵學生能夠主動接受新知識，進行自我消化和吸收，進而扎實地掌握算法理論基礎和技術，點燃起強烈的探究欲望，逐步培養學生自我探索、自主學習的能力。

第二，以學生為中心的教學模式強調，學生是知識的“應用者+創造者”，而不是知識的“繼承人”。基于工程教育認證的理念，教育不應該只關注“學生學了什么”，重要的是要關注“學生能利用所學，解決什么樣的問題”。以計算機工程問題解決作為主線，激勵學生利用掌握的知識和方法，進行離散模型抽象、數據結構選擇、算法設計、上機實踐以及算法分析，并進一步提出改進策略。將學生的能力培養貫穿學習的始終，切實培養學生分析問題、解決問題的能力。

第三，以學生為中心的教學模式強調，學生和教師之間的換位思考。教師需要站在學生的角度，了解學生在學習知識時的難點是什么，在能力發展過程中遇到的主要問題有哪些，從而對自己的教學內容做出有針對性的調整，更好地傳授知識、啟迪思想。同樣，學生也需要站在教師的立場上，對教學內容進行思考，進行自我歸納，更好地掌握知識和提升能力，為今后的創新奠定良好的基礎。

以學生為中心的課堂教學，要貫穿“學生是課堂的主體”的理念，用最簡單的語言講解最深奧的理論;將能力達成作為最重要的培養目標，帶著學生一起去探索，激勵學生的自我探索，達到學以致用的目標。

二、實現“課程導向”向“能力導向”的轉化

基于OBE理念，“算法設計實驗”課程以計算機工程問題解決作為主線，將“離散數學”“數據結構”和“算法設計”按照知識內容進行縱向組織，逐步培養學生通過系統組織知識點解決計算機工程問題的能力，實現從“課程導向”向“能力導向”的重大轉變。基于計算機工程問題解決能力培養的實驗框架安排如下。（1）以計算機科學中比較經典的工程問題，如以“單源最短路徑”問題、“最小生成樹”問題作為導向，鼓勵學生深入思考，激發學生學習的興趣和好奇心;（2）針對問題的具體特征，引導學生找出所有操作對象及操作對象之間的關系并用數學語言加以描述，建立其數學模型（離散數學模型），培養學生模型抽象的能力;（3）針對抽象的離散模型，確定適合問題特征的存儲結構，培養學生具體問題具體分析的能力;（4）根據問題的特征和數據結構，設計至少一種有效的算法對問題進行求解，鍛煉學生靈活應用算法的能力;（5）編寫程序并在計算機上運行以獲得正確的結果，切實提高學生的實踐能力;（6）對不同算法的運行結果進行復雜性分析，嘗試改進，逐步培養“學而優則用，用而優則創”的能力。下面以“單源最短路徑”問題作為示例，給出了實驗內容的具體安排（見表1）。

表1? “單源最短路徑”問題求解

從表1可以看到，在“單源最短路徑”問題中，以具體的公交路線圖引入問題，可以有效地激發學生的學習熱情和求知欲;利用離散數學中的圖論知識，確定圖的點、邊和權，將問題抽象為有向圖的“單源最短路徑”問題;針對有向圖的特征，選擇合適的存儲方式，完成物理存儲;對于抽象的問題，要求靈活運用算法的知識，設計求解的算法并上機實現。上述過程，將學生的能力培養貫穿于整個教學過程中，“一氣呵成”地培養學生“學以致用”的能力，最后的創新提高，將進一步激發學生的探索精神，有利于培養學生的創新思維和創新能力。

在傳統的“算法設計實驗”課堂中，教師只注重對某些算法的編程實現，割裂了具體問題抽象、分析、解決的過程，無法實現對學生的思維能力和探索精神的培養。學生則忙于調試程序的細節，忽略了理論知識的內化、吸收，更無法構建完整的知識體系。基于計算機工程問題解決能力培養的實驗框架，有助于于引導學生建立“問題—抽象—分析—解決—改進”的知識架構，“從問題中來，到問題中去”，切實培養學生學有所用、學以致用。

三、實現“重知輕行”向“知行合一”的轉變

“讀萬卷書，行萬里路”，實踐能力與理論學習對計算機專業學生具有同等重要的地位。理論知識為實踐提供了重要的指導，實踐訓練有助于加深對理論知識的理解，兩者相輔相成，相得益彰。

第一，在實驗平臺中設置基礎、設計和綜合三種階梯式實驗題目，引導學生以循序遞進的方式完成實驗題目。其中，基礎題目多為驗證性題目，旨在切實鍛煉學生的實踐能力，加深對理論知識的理解;設計性題目為提高性題目，旨在培養學生對算法的靈活應用能力，鼓勵學生對同一問題提出多種求解方法，能夠分析各種算法的利弊;綜合性題目難度最大，需要學生以計算機工程問題解決為主線，針對實際問題進行數學模型抽象、數據處理、算法設計和編程實踐，將各個知識點縱向銜接，培養學生解決復雜工程問題的能力。

第二，遵循“以賽促學、以賽促改”的實驗教學理念，在“算法設計實驗”課程中引入了國際大學生程序競賽（ACM—ICPC）模式，對于綜合性題目采用ACM—ICPC的小組賽制，3名學生組成一個小組，以小組為單位完成實驗綜合題目。小組制有效增強了學生之間的交流與合作，實現小組成員之間的查漏補缺，引導學生有效思考，培養學生問題求解的開放性思維;有利于實現學生之間的分工合作，培養學生的團隊協作精神和持續追求效率更高、質量更好算法的創新意識，積極探索“一流人才”的培養模式。

第三，將問題模型的抽象、數據處理、算法設計等能力，納入學生的學習效果評價和考核制度，鼓勵學生獨立思考、分析、解決問題，并將“算法設計實驗”課程對應專業認證的指標點完成達成度分析，用于制定持續改進方案。通過這種考核評價方式，將終結性評價與學生的能力培養綜合為學生的最終實驗課成績。

基于工程教育認證的“算法設計實驗”課程教學改革，以競賽為抓手，優化了實驗內容，鍛煉了學生的實踐能力，激發了學生參加競賽的熱情，取得了顯著的教學成果。近年來，中國礦業大學計算機學院學子在ACM—ICPC亞洲區域賽等比賽中共獲金獎2項、銀獎15項、銅獎23項，是中國礦業大學大學生程序設計競賽與人才培養的里程碑，也為學校“雙一流”和“新工科”建設發揮了積極作用。

參考文獻：

[1]陳翔.面向不同層次學生的算法設計與分析課程教學

改革探索[J].計算機教育，2014，（18）.

[2]劉曉璐.基于ACM—ICPC模式的算法分析與設計課程

的建設與實踐[J].中國教育信息化，2015，（10）.

[3]陳珠靈，湯儆，許紫婷，等.以賽促改 推動科研反哺本科

實驗教學[J].實驗技術與管理，2018，（10）.

[4]張仕，吳聞，嚴宣輝.以ACM—ICPC為核心的學生培養

體系實踐[J].計算機教育，2018，（1）.

[5]李華新，譚敏生.工程教育認證背景下計算機專業人才培養

探索與實踐[J].黑龍江教育：高教研究與評估，2018，（11）.

收稿日期：2019-12-27

作者簡介：韓麗霞（1980—），女，山東威海人，中國礦業大學計算機科學與技術學院講師，博士，主要從事仿生優化算法研究。

基金項目：中國礦業大學教學研究項目“以賽促改，以賽促教，以賽促學——以ACM—ICPC為依托”（2019YB22）;中國

礦業大學計算機科學與技術學院“數據結構”教改項目