以創新意識培養為主線的算法設計與分析實驗教學改革

王淋 朱紅 馬金鳳 張昌明 左海維

摘要：《算法設計與分析》是計算機科學與技術專業的核心修課程。現有實驗教學模式過多關注書本知識，嚴重忽略了創新意識能力培養。該文以創新能力培養為主線，以學生自主學習為主，以教師為主導，探索算法設計與分析課程的實驗教學改革模式。通過融入新算法、新問題，鼓勵學生參與教師科研課題，設置層次化實驗案例，融入思政元素等手段提高學生學習興趣，培養學生的創新意識。同時，設置多樣化考核方式，強化過程性評價，進而達到提高學生創意能力培養的目的。

關鍵詞：算法設計與分析;創意意識;自主學習;教學手段;考核方式

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）12-0153-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

《算法設計與分析》是計算機科學與技術專業的核心修課程，旨在培養學生設計和分析算法的能力，邏輯思維能力和抽象思維能力。該課程的實驗教學具有較強的系統性、廣泛性和綜合性，是培養具有較強軟件系統開發能力的重要途徑[1]。傳統實驗教學模式過于注重書本知識的傳授和練習，嚴重忽視了興趣和技能培養，主要存在的問題包括：（1）學生實驗知識體系構建困難，學生算法設計能力基礎薄弱，缺乏計算思維能力，實踐和理論知識的銜接不夠緊密，編程能力堪憂;（2）實驗教學模式仍然停留在應試教育模式，尚未形成有效的科研科創體系，缺乏科學思維能力訓練，與科技創新及一線科研脫節。培養創新型人才是我國堅持走創新型發展之路的關鍵，也是教育工作者肩負的神圣的歷史責任。構建以學生為中心，注重學生綜合素質培養，強調學生創新能力、實踐能力的創新型人才培養模式成為高等教育的必然選擇[2]。在心理學教育中，培養濃厚的學習興趣是推動學生自主學習的有效途徑之一。在實驗教學過程中，要先建立學生對實驗課學習的興趣，讓學生充分認識到算法設計的魅力和價值。只有以學生為中心，激發學生學習興趣，提高學生的主動學習能力和創新意識，才能真正做到將理論應用到實踐，這也正是該課程實驗教學中面臨的難點之一[3-5]。

為此，本文以創新能力培養為主線，以培養目標為依據，以學生自主學習為主，以教師引導為輔助，探索算法設計與分析課程的實驗教學改革模式。在學生已經形成扎實的知識體系的基礎上，提高學生實驗課程設計和實現的主動性，培養學生的自我學習能力和創新能力。根據培養目標，設置多樣化考核方式評價學生學習效果，同時不斷優化實驗環節。

2 教學手段豐富化

（1）融入新算法、新問題

在講解理論知識時，從算法設計思想、算法框架入手，由淺入深，循序漸進地講解經典問題，為實驗課打了扎實的理論基礎。同時，密切關注計算機領域新的研究方向和課題，充分利用互聯網信息資源，跟蹤算法的最新發展動態，將新算法融入實驗教學，同時提出新的問題，并引導學生自主解決[6]。將新算法融入實驗教學，充分讓學生體會到現實生活中的問題其實可以采用算法進行有效的解決，產生濃厚的學習興趣和熱情，進而達到培養創新能力的目的。學生通過對知識點的逐漸消化和吸收，不斷鍛煉自己的編程能力，真正掌握算法思想，這正是進行實驗課程教改的關鍵所在。

（2）學生參與教師的科研項目

筆者承擔多項計算機輔助醫療相關的研究性課題。在課余時間，與學生交流自己研究方向的研究現狀及意義，分享科研中碰到的難題及解決思路。部分學生產生了好奇和濃厚的興趣。在課題組召開討論會的時候，邀請這些感興趣的同學旁聽，并允許他們提出問題。通過幾輪討論會，學生主動提出加入老師的科研項目。老師會根據學生已有知識認知，給分派部分相關的子課題。采用問題解決模式和自主研究模式相結合，按照“教師拋出課題擬解決的關鍵問題→學生主動思考→探求解題方法→自主合作→解決問題”的思路，讓學生在自主學習、合作學習。這樣，以小組為單位，學生負責科研項目中部分內容的實驗和驗證，使得學生根據項目需求主動探索并學習，以此調動學生的積極主動性和創造性。此外，增設學生走上講臺講解自己小組取得成果的環節。如此一來，學生成為課堂的主人，教師成為服務者、引導者。這樣不僅可以了解學生對知識點的消化吸收情況，而且可以提高學生的語言表達能力。最終，學生在參與課題的過程中，學會了獨立思考，對一些問題也有了深入的思考，甚至有些學生會主動提出申報大學生創新創業項目，成為項目負責人。

（3）設置層次化實驗案例

實踐教學內容注重與理論知識的銜接，將實驗案例進行分層設計，難度由小到大以此設置為：驗證性實驗、自主設計性實驗和綜合實驗[7]。驗證型實踐主要選自教材中的基礎算法的驗證。如冒泡排序、簡單選擇排序、0/1背包問題、活動安排問題等。這些問題在理論課程學習中會演示，學生在課后做驗證實驗即可。設計型實驗的難度適當加大，多為書本中經典問題的變形題，比如0/1背包問題的變形，完全背包問題，混合背包問題，分組背包問題，二維費用背包問題等。通過教師引導和啟發，小組討論，學生自主思考設計算法，完成實驗。綜合應用型題目一般為近年來國內外著名IT企業的面試筆試題和競賽題，以培養ACM程序設計競賽、 “挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽、全國大學生物聯網設計競賽、“藍橋杯”大賽等培養種子選手。同時，為大學生創新創業項目做準備，培養學生算法設計、分析能力。如此，學生通過對算法策略的反復應用掌握其核心原理，并舉一反三，融會貫通，進而激發學生學習算法的熱情。

（4）融入思政元素，讓算法與生活同頻共振

結合教學內容和教學大綱，充分發揮課堂主渠道的作用，無縫融入思政元素[8]，使得學生在做實驗的過程中，樹立正確的世界觀、人生觀、價值觀。實驗課程中，小組成員共同完成實驗，自愿合作，協同努力，互相激勵，取長補短，共同建設了具有凝聚力并且高效的團隊。如在學生練習驗證性實驗漢諾塔的遞歸算法中，告誡學生人生的遞歸只有遞歸前進，沒有遞歸返回，一定要珍惜時間。在分治法實驗練習中，讓學生體會在平常的學習和生活中，遇到棘手的問題，可以嘗試采用“分而治之”的思想，從煩瑣到簡單，將復雜的問題分解成若干個小問題，逐個求解，再將小問題的解合并成整個問題的解。在貪心法實驗中，告誡學生慎用貪心法，要嘗試跳出人生局部最優點，從而尋找人生整體最優點。

3 實驗考核多樣化

傳統的算法設計與分析課程考核大多采用筆試方式，編程能力的考核多體現在試卷上，一場考試定輸贏，無法全面考查學生綜合能力和素養[9-10]。為此，對傳統考核方式進行完善，提升過程性評價的比重，從實驗小組討論，實驗講解，科研，綜合實驗隨堂測試四個方面進行綜合考核。新的實驗評價機制將多過程和多元化結合，構成為：實驗小組討論（20%）+實驗講解（20%） +科研（20%）+綜合實驗隨堂測試（40%）構成。在理論知識點講授完布置實驗課題，讓學生以小組為單位進行討論，并進行實驗講解。在科研環節中，采用教師提供選題和學生自擬題目相結合的方式，邀請5名高年級科研能力強的學生組成評審小組，參加評價學生系統搭建、程序運行等情況。綜合實驗隨堂測試安排在實驗課的最后一次課，以學習通平臺發布，真實考查學生的上機編程能力。綜合實驗隨堂測試題型以自主設計型題目為主，同時將綜合型實驗作為加分題，以滿足編程能力較強的學生。此外，還設置了學生互助模式，允許編程能力強的學生在完成測試后主動幫助基礎不好的學生完成測試。教師記錄幫助者及被幫助者，在評定的過程中作為評分參考。通過這種多樣化的考核，逐漸加大對算法設計和程序開發能力的考核力度，激發學生的創新能力和系統設計能力，激發學生自主學習、自主訓練的興趣和熱情。

4 結束語

本文針對現有算法設計與分析實驗課程存在的不足，將本領域的新算法引入教學，指導學生參與教師科研子課題，并設置層次化實驗案例，同時融入思政元素培養學生爭取的三觀，進而提高學生學習興趣，培養學生的創新意識。通過設置多樣化考核方式，強化過程性評價，提高學生創意能力培養。從學生考核成績和學生滿意度調查結果來看，學生在課程理論接受程度，創新能力、實踐能力和團隊協助能力均取得了不錯的效果。在以后的教學中仍要進一步優化注入實驗教學的領域內新成果，不斷提升實驗教學質量。

參考文獻：

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[7] 趙占西，田松亞，宋亓寧，等.課程思政——育人的主渠道[J].教師，2019（8）：8-9.

[8] 李露，羅曉燕，劉博，等.面向新工科的“多元交叉”實踐教學改革研究[J].實驗科學與技術，2021，19（1）：53-58.

[9] 趙緒營，姜建錦，王志強，等.研究生算法課程的分層次多樣化教學研究[J].計算機教育，2018（4）：94-97.

[10] 束德勤，范昊.算法設計與分析課程教學方法研究[J].山東農業教育，2019（2）：24-27.

【通聯編輯：李雅琪】