基于信息技術的“算法設計與分析”課程混合式教學設計

劉漢英 陳宮 敬超 王宇

桂林理工大學信息與科學工程學院 廣西桂林 541004

一、概述

“算法設計與分析”是一門實踐性和理論性較強的計算機類專業課，是操作系統、人工智能、大數據等專業課程的基礎。部分算法理論抽象，實現代碼較長，許多學生都反映這門課比較難學。傳統的“算法設計與分析”教學設計以各種算法為章節模塊，逐個講授算法的理論及實現方法，學生在實驗課上自主編程實現并驗證，效果并不理想。20世紀末，隨著信息技術的發展，網絡教學模式在培訓、成人教育等方面得到了驗證，也向普通高校推廣，使混合式教學模式在高校教學中得到了廣泛的應用。本文以“算法設計與分析”課程為例，分析傳統教學設計及存在的問題，并針對存在的問題進行混合式教學設計，開展教學實踐，取得了較好的教學效果。

二、傳統教學設計及問題

傳統的“算法設計與分析”課程教學設計簡單，教師先講授算法理論，包括知識點、注意事項，然后舉典型案例，進行具體的問題分析、算法設計、實現，期間設定一些問題供學生思考、回答，最后總結、布置課后作業和實驗任務。在整個教學中，教師處于主導地位，決定教學內容、教學實施方法、教學評價，學生被動地接受知識，跟著教師思考問題，尋求解決方法，按時完成作業和實驗。這種教學模式效率高，沿用多年，同時暴露出以下問題，急需解決。

(1)教學設計沒有因材施教。在進行傳統教學設計時，教師主要是依據教學大綱、按知識點進行教學設計，教學內容陳舊、覆蓋所有知識點，沒有考慮學生的實際情況，其設計好壞，很大程度由教師的經驗決定，教學進度統一，教師只能盡量滿足大多數學生，能力弱的學生可能跟不上進度，導致后面的課程無法理解，失去學習興趣。

(2)學生發現問題能力沒有得到鍛煉。傳統的課堂教學過程中，以教師為中心講授算法的理論和實現方法，學生主要是按教師制定的線路學習，教師提出問題、分析問題和解決問題，學生是旁觀者，缺乏靈活性，課堂上的互動比較少，部分學生因為性格內向不敢主動回答問題，傳統課堂教學往往沒有回放，有些學生為了記錄筆記或需要拍照來不及思考。

(3)教學評價方法單一，反饋不及時。傳統的教學評價中，主要是考勤、作業和期末考試，教師通過作業和課間答疑了解學生對課程知識點的掌握情況，目前，往往是大班授課，批閱學生作業工作量大，批改進度趕不上授課進度。

(4)實驗設計上，設計型實驗較少，主要是驗證實驗，通過集成開發環境IDE(Integrated Development Environment)完成，學生自己設計測試用例、編寫代碼、調試、運行、檢驗，有些可能考慮不周，沒有考慮邊界情況和特殊用例，教師無法一一檢查，學生也無法知道。

三、混合式教學設計

2019年開始，“算法設計與分析”課程組開始進行課程混合式教學改革，將課程知識點進行按理解難易程度進行劃分，把比較容易理解的內容放到課外自學，課堂上主要強調重點，解決難點問題。如表1所示，將課程教學過程分為課前—課中—課后三個環節。課前，教師發布學習指導，將事先制作好的課件、視頻、鏈接發給學生，學生自己安排時間學習，并在課程群中反映學習過程中的不理解或有疑問的地方，教師通過網絡平臺查看學生的預習情況，根據學生反映的問題調整課程內容和進度；課堂上先對重點、難點進行講解，學生對不理解的地方提出，教師適時解答；課后，教師制作課程補充視頻、發布課后作業、實驗、討論；學生復習、完成作業，自主組成學習小組進行討論，撰寫小組討論報告。課程安排一次小組討論成果展示，讓小組代表分享小組討論結果，同學們可以提問題、提建議。

表1 混合式教學活動的實施

(1)教學設計因學生而變。在混合式教學中，課程設計的依據增加了學生的預習情況和學生的問題環節，內容和形式上都進行了較大改變，課堂上對概念性、較容易的知識點不做詳細的講述，PPT中僅對識記及重點知識點做歸納、總結，著重講述學生難理解的算法的分析、比較、改進及實現關鍵點，學生容易把握重點、易錯點、難點，學生問題可以得到及時解答。學生通過其他同學的提問也了解到同學們的學習情況。混合式教學設計解決了內容多、課時少的問題。另外，將算法熱點和學科競賽題引入課堂，激發了學生的學習興趣。

(2)信息技術保障混合式教學的實施。信息技術的發展使混合式教學成為可能。網絡教學輔助平臺(簡稱平臺)和即時工具成了教師手中除了黑板、粉筆、PPT之外的得力助手。本課程選擇雨課堂一體化平臺為網絡教學輔助平臺，并建立QQ課程群，教師使用平臺發布學習指導、學習資源，使用平臺和工具了解到學生的學習情況，有針對性地開展教學活動；課堂提問實現了匿名，學生敢于主動提問題、回答問題，參與程度大幅提高；課堂教學實現了回放，不明白的地方可以重復學習，學生可以放心思考，不用忙于記筆記、拍照。

(3)多元化、過程化評價督促學生自主學習。信息技術使教學過程數據化、可追溯，對學生學習行為評價更加公平、公正、公開。教師鼓勵學生主動提問題、自覺主動學習、參與討論，開課初在平臺上設置平時成績的考核方法、比例，學生可以查看并努力完成學習任務。平臺對客觀題可以自動批閱，極大地減輕了教師的工作量。教師對主觀題打分并用紅筆批注，學生可以實時看到錯誤點，及時修改。

(4)在線測試平臺、小組討論、展示促進學生能力提高。在IDE上完成驗證性實驗外，布置了一些設計型、改進型實驗，并向學生推薦了在線測試平臺，學生以小組為單位進行討論、分析、調試、互助完成任務。在線測試平臺綜合考慮了問題邊界條件、特殊情況。通過共同編碼、調試，學生們進一步理解，有些不經意的錯誤，可能會導致整個結果的不正確，學習需要一絲不茍，對未知問題要勇于探索，學生們發現問題能力、解決問題能力、合作能力、表達能力得到鍛煉。

四、教學設計實例

動態規劃是“算法設計與分析”課程的重要算法，抽象、代碼量大，學生理解困難，下面以動態規劃第一章為例，進行教學設計。

(1)學情分析：大學二年級學生，已經學習了枚舉、遞推、遞歸、回溯、貪心等算法，有一定的分析算法能力，能聽懂、看懂，但部分不會編寫。

(2)教學方法：案例法、比較分析法、探究法。

(3)課前：①發布學習指導(預習概述、實施步驟、數塔問題)、視頻(注意開課時不要一次性發布所有的教學資源，學生無法在短時間內完成發布的學習內容，會讓學生失去信心)；②學生自學并收集學習到三個問題(第一，如何理解最優化原理？第二，動態規劃只能從底向上求最優解嗎？第三，貪心法能求解的問題都能用動態規劃求解嗎)。

(4)課中：①簡述本次課的教學內容；②用雨課堂發布兩個基礎問題(下列算法中通常自底向上求解最優解的算法是什么？什么問題可以使用動態規劃求解)，進一步了解學生的課前預習情況，講解；③總結歸納課程重點：最優化原理、多階段決策最優化問題、最優子結構特性，以0-1背包問題為例解釋約束條件、目標函數、最優解、最優子結構；④將問題劃分階段及尋找最優解的性質是動態規劃問題的難點，課程以數塔問題為例進行分析，把抽象的問題直觀化，找出遞推關系，填寫最優決策表；⑤修改求解值要求，指導學生填寫最優決策表；⑥問題變通：以藍橋杯題目《數字三角形》為例，討論分析問題解決方法，解答學生課前第二個問題：從上向下求最優解；⑦實際問題：最短路徑問題，引出不能使用的動態規劃問題求解的情景；⑧討論解答課前第三個問題：與貪心法進行比較分析；⑨小結，布置課后作業、討論題，推薦相關學術文獻。

(5)課后：①學生復習、作業、參與討論；②教師課程反思，批改作業，準備下次課程。

以上是動態規劃第一次理論課的教學設計。實驗項目設計中，在驗證性實驗的基礎上，增加了代碼填空、設計型、改進型、綜合型的實驗。在進行教學設計時，我們注重課程知識、能力和素質的有機結合，由淺入深，既包含基礎知識，又引入相關的競賽和學科前沿相關文獻，給不同能力層次的學生不同的學習要求和挑戰。同時，充分利用信息技術增加課程互動性、學生間的互助討論，讓學生進一步理解“與人合作需要對人友善”。

五、實施效果

“算法設計與分析”課程經過近三期混合式教學實踐，不斷改革教學方法，修改教學內容。實踐結果表明，混合式教學有效地解決了傳統教學中的突出問題，學生評教逐年提高(91.07、93.62、95.09)，表2和圖1為近三期學生成績分布。每期教學結束，本課程均采用教學質量管理平臺進行問卷調查，如圖2所示，調查結果表明，98%的同學認為自己理解并掌握了課程內容，近三期指導學生參加藍橋杯程序設計大賽有5人獲得自治區級以上獎勵。

圖1 近三期學生成績分布

表2 近三期學生成績

圖2 學生評教

結語

本文針對傳統的“算法設計分析”課程教學設計中暴露的問題，提出了混合式教學設計實施方案，并以動態規劃第一次課為例，按照“兩性一度”的“金課”要求，給出了具體的實施實例。

混合式教學的順利開展需要學校、教師、學生三方面的共同努力。學校要統一挑選購買網絡教學輔助平臺，在進行教學安排時，需要給學生留出足夠的自由支配時間，以便學生進行自主學習；教師要花更多的時間準備素材、錄制視頻、收集學生問題、檢查和督促學生學習情況、分層次進行教學設計；學生要提高學習自覺性和控制力。

目前，“算法設計與分析”課程線上資源豐富，有視頻、課件、討論等119個，目前仍在不斷更新、擴充，滿足了不同層次學生的學習要求。教學實踐表明，混合式教學既發揮了教師的主導作用，又強調了學生是學習的主體，能有效提高教學質量，適于進一步推廣。