基于ACM-ICPC的計算機高質量人才的培養與實踐

韓麗霞 畢方明 張艷群

摘 ? ?要：不斷地提高學生解決復雜工程問題的能力是本科工程教育的基本定位。文章針對計算機專業基礎課教學存在知識橫向封裝、教師“滿堂灌”、學生實踐能力不足等問題，以計算機學科競賽ACM-ICPC為抓手，提出以“計算機問題解決”為主線、以賽促改，以學生為中心、以賽促教，兼顧整體培養與個性實訓、以賽促學的方法，培養學生的計算思維和創新能力，提高實踐能力和動手能力。

關鍵詞：復雜工程問題;以學生為中心;教學改革;學科競賽

中圖分類號：G640 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1002-4107（2021）12-0003-03

當前我國高等教育正處于深度變革的關鍵時期。教育部高等教育司吳巖司長指出，要堅持“以本為本”，推進“四個回歸”，深化課程結構改革，讓教學活起來，讓學生忙起來，全面振興本科教育，進一步提高人才培養的質量，聚焦“雙一流”，集中力量加快新工科建設。

針對計算機學科培養學生解決復雜工程問題能力的定位[1]，國內外很多著名的高校均進行了一系列的改革和實踐[2]。麻省理工學院實施了以項目為驅動的教學模式，旨在培養學生對理論知識的應用能力;北京大學針對計算機核心課程設置了實驗班，采用“大班授課+小班討論”的模式，致力于培養學生的創新能力和實踐能力;南京大學對拔尖實驗班課程體系進行了“大刀闊斧”的變革，將“計算機導論”“離散數學”“程序設計”“數據結構”“算法設計”課程建設為跨度為4個學期的“計算機問題求解”課程，培養學生的自我探究和個性化學習能力;上海交通大學注重個性化培養，設立ACM實驗班，取得了傲人的成績。

ACM-ICPC是由國際計算機協會（ACM）主辦的國際大學生程序設計競賽，要求學生在時間有限的高壓下，靈活運用所學的專業知識分析問題、凝練問題、通過編程解決問題[3]，對于計算機專業高質量人才培養、創新人才選拔均具有極其重要的指導意義[4]。

近幾年來，中國礦業大學以計算機學科競賽ACM-ICPC為依托，兼顧計算機專業培養和學生個性化培養的目標，對計算機專業課程進行了大膽的深化改革，取得了良好的課堂效果和競賽成績。

一、以賽促改，以“計算機問題解決”為主線，構建面向ACM-ICPC的課程群

ACM-ICPC以C、C++、Java等語言作為編程工具，主要涵蓋“離散數學”“數據結構”“算法設計與分析”等專業課程。在傳統的教學過程中，各門課程按照內容橫向組織，彼此相互獨立，割裂了知識點之間的內在聯系，導致知識完整性缺失;“數據結構”和“算法設計與分析”的上機實驗課程對學生的培養只限于在單門課程的局部范圍內進行練習，而這些練習的內在聯系和意義很難被學生完全體會，不利于計算思維的養成，難以實現“復雜工程問題求解”綜合能力培養的目標。

（一）以“計算機問題解決”為主線，實現知識點之間的有效串聯

以“離散數學”“數據結構”“算法設計與分析”三門課程的知識點為載體，改變現有專業基礎課“橫向封裝”的模式，遞進課程之間的縱向關聯，實現知識點的“串一串”，引導學生形成“模型抽象—數據結構—算法設計—編程實現—復雜性分析—持續改進”的計算思維，即“計算機問題解決”的主線，構建完整的“復雜工程問題求解”的知識體系，將能力培養貫穿于計算機專業人才培養的整個過程，主要框架如下。

1.選擇計算機科學或工程中的經典問題作為離散數學中重要知識點的導入，找出其中所有的操作對象及操作對象之間的關系并用數學語言加以描述， 即離散數學模型。

2.針對問題的數學模型，分析數據的邏輯結構，進而為其選擇最為恰當的物理存儲結構，使學生初步具備分析研究計算機加工數據結構特性的能力，即數據結構。

3.根據問題的特性和數據結構，選擇至少一種有效的算法求解問題，即算法設計。

4.采用C、C++或Java等語言編程實現算法，對算法所消耗的計算機資源進行復雜性分析并嘗試提出改進的新算法。

（二）搭建ACM的在線測評OJ（Online Judge）系統，理論指導實踐，實踐反哺理論

將“數據結構”“算法設計與分析”的實驗課程與理論課程緊密結合，從OJ系統中篩選合適的實驗題目，學生需要系統地運用所學知識，對具體的問題進行獨立分析，考慮程序的時間復雜性和空間復雜性，編寫代碼并進行在線提交。對于計算機專業人才，理論課程和上機實踐具有同等重要的地位，只有熟練地掌握了理論知識，才能高效地指導上機實驗;反過來，實踐具有鞏固理論知識、加深理解程度和升華學習內容的作用，反哺于理論。這樣做，有利于達到實踐課程與理論知識相互哺育、相輔相成、事半功倍的效果，切實培養學生“復雜工程問題求解”能力。表1給出了“最小生成樹問題”的案例。

從表1可以看出，通過天然氣管道搭建引入問題，引導學生利用圖論知識，確定圖當中的點、邊和權，將問題抽象為最小生成樹問題，培養學生具體問題的模型抽象能力;針對問題的特征，確定適合問題特征的數據結構，培養學生分析問題的能力;靈活運用貪心算法求解問題，鍛煉學生算法設計的能力;編寫程序并在計算機上運行以獲得結果，切實提高學生的實踐能力;通過復雜性分析，嘗試對算法提出改進的策略，有利于培養學生的創新能力。

以“計算機問題解決”作為主線，將所涉及課程進行有機融合，構建了面向ACM-ICPC的課程群，實現知識之間的互通和遷移，形成完整的學科認知體系。本次改革強調從傳遞和繼承知識轉變為有效地組織知識來解決復雜工程問題，一氣呵成地培養學生學以致用的能力， 有利于激發學生專業課學習的興趣和熱情，培養學生“學而優則用，用而優則創”的能力。

二、以賽促教，以學生為中心，實現師生之間有效的雙向互動

在傳統的教學模式中，教師處于教學的主導地位，強調知識與理論的傳授;學生被動地接收知識，課程教學多在“滿堂灌”的單向傳遞下完成的，忽視了學生的主體地位，難以充分發揮課程育人的作用，更不利于學生的綜合能力培養。在符合學生認知負荷的情況下，以賽促教聚焦學生的能力培養，需要做到以下幾方面。

（一）學生是知識的“應用者+創造者”，而不是知識的“接受者+繼承人”

作為工程專業教育認證的核心理念之一，“以學生為中心”突出了學生在教學過程中的主體地位，這就要求教師要實現“以教為中心”向“以學為中心”的深刻轉變，從知識的傳授者向引導者和促進者的角色轉換。在教學過程中，教師要結合學生的專業特征和興趣，引入具體的問題激發學生的學習熱情，引導學生進行獨立思考。教師可采用啟發式、研討式、案例式等多元化的教學方式，鼓勵學生深化理論知識、分析問題、凝練問題、解決問題，促進其計算思維的養成，提高學生的實際應用能力、實踐能力和綜合能力，達到舉一反三、觸類旁通的實效;倡導學生多角度、多種類的思維啟迪，培養創新精神和“主人翁”意識，突出學生的主體性，讓學生真正成為知識的“應用者+創造者”。

（二）構建和諧的師生互動、生生互動教學氛圍，形成教學共振

作為教學中的共同體，教師要尊重學生的主體地位，圍繞教學案例多角度、分層次、遞進式地引導學生敞開思想、獨立思考，避免超認知負荷引起學生的生理疲勞;要尊重學生的地域差異和個性化發展，實時掌握每位學生的學習狀況和困難，因地制宜地進行指導，避免學生出現畏難、厭學等心理，關注個體的多元化發展，產生師生的情感共鳴，形成和諧、活潑、積極向上的教學氛圍，實現師生思維共振和教學相長。

學生需要在教師的啟發下，根據自己的認知和自身經驗，有效地自由探索，積極地表達見解，通過師生之間、同學之間的互動實現鞏固、解惑、升華的學習過程，實現知識的自我內在消化和吸收，構建多階段、完整的知識架構;通過分組討論、案例分析的形式，鼓勵學生站在個人的角度將疑惑、模糊的問題和盤托出，小組成員之間取長補短、集思廣益，讓“真理越辯越明”，打消個體的疑慮或提煉問題，進一步開展師生互動、生生互動，形成多邊的、動態的、頭腦風暴式的學習氛圍，讓學生真正成為學習的主人。

以學生為中心的教學方式改革，需要教師和學生之間的相互配合、相輔相成，才能達到事半功倍的教學效果。教師要改變“一言堂”的講授模式，將能力培養貫徹于教學過程的始終，啟迪、引導學生進行高效的學習，培養協作意識和團隊精神;學生要主動參與課堂教學，發揮主觀能動性，變消極學習為主動學習，拓寬、拓深自我認知，能夠將理論知識轉化為實際問題的求解，具有大膽的創新意識，逐步培養創新思想。自此，教與學的因素形成了有機的整體，師生之間、生生之間及時發現問題，有效地解決問題，同學習、共啟迪， 發揮學生的主觀能動性，實現師生之間的有效雙向互動，真正發揮課程育人功效。

三、以賽促學，設置“階梯性”實驗題目，兼顧整體培養和個性實訓

本科教學的定位是復雜工程問題的解決，對于計算機專業人才培養，應杜絕“重知識傳遞，輕實踐培養”的錯誤觀念，摒棄“紙上談兵”“畫餅充饑”的教育理念。

（一）以小組為單位進行問題導向學習（Problem Based Learning，PBL），培養協作精神和團隊意識

以具體問題引入，采用小組討論的模式，引導學生在自我知識結構上發現問題、分析問題、嘗試解決問題，鼓勵獨立思考、各抒己見，實時分享個體的領悟，多視角、多維度地領悟理論知識，實現自我認知的內在消化、自由擴張，進行自律學習和終身學習;通過互相提問、解答的形式，在合作學習中揚長避短、深化知識理解，培養“計算機問題解決”的綜合素質能力和自我創新能力，從而提高計算機專業人才的個體水平和整體水平。

（二）利用OJ系統設置“階梯性”實驗題目，兼顧整體培養和個性實訓，切實提高實踐能力

OJ實驗平臺設置了不同難度的練習題目。其中，基礎題通常是對理論知識、方法的驗證性題目，旨在鞏固和加深學生對知識的理解程度;提高性題目為面向具體問題的算法設計，致力于增強學生對理論知識的靈活應用，舉一反三、觸類旁通;綜合題是從ACM-ICPC中遴選的競賽題目，學生需要根據“計算機問題解決”主線，循序漸進地解決問題;對于接受能力較強、具有潛力的學生，從第一課堂延伸到第二課堂，進入ACM實踐基地進行系統的競賽實訓，這為高質量人才的選取奠定基礎。 不同難度的實驗題目設置，避免了“一刀切”的實驗模式，滿足了學生多元化自由發展訴求，建立了整體培養和個性實訓之間的橋梁，兼顧了計算機專業培養目標和個性化的培養目標。

OJ實驗平臺中對每道題目設置了“近乎苛刻”的測試數據，這就要求學生在“真環境”“真問題”下解決問題。這樣做鼓勵學生“自建”知識系統而非傳統的知識“移植”，有利于培養學生“面面俱到”的編程思維，提高學生靈活應用所學知識解決具體問題的能力，鼓勵學生進行深入的思考并學以致用，培養專業學生建立持續追求“更快、更優”算法的創新意識。

四、ACM-ICPC高質量人才培養取得的效果

經過5年的改革和實踐，基于ACM-ICPC的高質量人才的培養取得了不俗的成績。

（一）專業人才整體能力顯著提高

表2給出了“算法設計與分析實驗”課程對應的畢業指標點和達成情況。從表2可以清楚地看到，各指標點的達成度均顯示向好的趨勢。其中，指標點3.2考查對復雜問題的解決能力，從2017年的0.4821到2018年的0.6235，再到2019年的0.7540，充分說明了學生整體能力有顯著提高。

（二）競賽成績斐然

截至目前，中國礦業大學獲得省級及以上競賽獎項300多項，連續多年承辦了工信部組織的“藍橋杯”軟件大賽江蘇賽區賽點，連續2年承辦了國際大學生程序設計競賽亞洲區域賽（徐州），并于2020年晉級世界總決賽。

參考文獻：

[1]蔣宗禮.本科工程教育：聚焦學生解決復雜工程問題能力的培養[J].中國大學教學，2016（11）：27.

[2]丁飛己.工科本科生問題解決能力及其影響因素研究[J].中國高教研究，2020（5）：17.

[3]常莉俊.自由選擇：以學生為中心的一流大學課程建設[J].黑龍江高教研究，2019（9）：149.

[4]周光禮.建設世界一流工程學科：“雙一流”高校的愿景與挑戰[J].現代大學教育，2019（3）：3.

編輯∕李夢迪

作者簡介：韓麗霞（1980—），女，山東威海人，中國礦業大學計算機學院講師，博士，研究方向：最優化算法設計。

基金項目：中國礦業大學教育教學改革與建設項目“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學院教改項目“數據結構”（JG201705）