能力培養(yǎng)下算法課程教學(xué)改革淺析

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摘要培養(yǎng)學(xué)生工匠精神、算法創(chuàng)新能力和解決實際問題的能力是計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程等專業(yè)的核心任務(wù)之一。針對算法設(shè)計與分析課程的教學(xué)，本文提出了一個集課程思政、算法競賽和實踐案例為一體的教學(xué)改革的方案。該教學(xué)改革方案的實踐取得了好的效果。

關(guān)鍵詞算法競賽；協(xié)同育人；團(tuán)體協(xié)作；過程評價

1引言

人工智能時代，算法是科技原力。創(chuàng)造力則是人工智能的核心算法突破方向之一。培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力和實踐能力的算法類應(yīng)用型人才是高等院校的責(zé)任?！端惴ㄔO(shè)計與分析》課程是培養(yǎng)該類人才的主要載體，也是培養(yǎng)計算機(jī)專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要課程之一。學(xué)生掌握本課程知識的多少及解決問題能力的強(qiáng)弱，直接關(guān)系到學(xué)生后續(xù)的專業(yè)課學(xué)習(xí)，直接影響培養(yǎng)出應(yīng)用型人才的質(zhì)量，故亟需對《算法設(shè)計與分析》課程進(jìn)行改革探索。算法類的競賽作為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐能力、深化課程改革的有效途徑?！百惤倘诤希再惔賹W(xué)”這種模式在應(yīng)用型人才培養(yǎng)上取得一定的成果[1]。校企合作協(xié)同育人能夠解決應(yīng)用型本科高校學(xué)生應(yīng)用能力培養(yǎng)與社會需求不能接軌的問題，能夠培養(yǎng)符合產(chǎn)業(yè)需求的應(yīng)用型人才[2]。賽教融合和校企合作是《算法設(shè)計與分析》課程教學(xué)改革的重要實施方式。本文研究的教學(xué)改革主要圍繞學(xué)生算法創(chuàng)新能力和解決實際問題的能力（雙能力）培養(yǎng)，實施賽教融合和校企合作方式，重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，采用混合教學(xué)方式，將教學(xué)從樸素的以知識為中心轉(zhuǎn)換為以應(yīng)用為中心，將考核方式從期末考試轉(zhuǎn)為過程主導(dǎo)的考核，力求提高教學(xué)質(zhì)量。

2傳統(tǒng)教學(xué)中待解決的不足

（1）重理論輕實踐?！肮噍斒健钡睦碚摻虒W(xué)和“復(fù)制式”的實驗教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)浮于表面，很難激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，也很難提高學(xué)生解決實際問題的能力[3]。（2）學(xué)生基礎(chǔ)差異性大，課程深度難以掌控。邏輯思維能力強(qiáng)、學(xué)習(xí)態(tài)度好的學(xué)生能夠很好掌握知識點，并能夠?qū)⑵鋺?yīng)用到實踐中。相對弱的學(xué)生掌握知識點則有一定困難，實踐效果差。（3）翻轉(zhuǎn)課堂的尷尬。線上學(xué)習(xí)無法保證學(xué)習(xí)效果。雖然布置課前預(yù)習(xí)，并在課堂進(jìn)行交流探討，但學(xué)生沒有認(rèn)真預(yù)習(xí)，導(dǎo)致課堂上存在教師期待滿滿、學(xué)生卻無動于衷的尷尬境地[4]。（4）校企協(xié)同育人形式較為單一，缺乏以學(xué)生為中心的技術(shù)輸入途徑，且覆蓋面有限。（5）教學(xué)團(tuán)隊參與深層次人才培養(yǎng)投入不夠。團(tuán)隊成員工作量大，科研教研工作難以兼顧。

3教學(xué)改革思路

一流課程建設(shè)應(yīng)該堅持以人才培養(yǎng)為中心，培養(yǎng)具有社會責(zé)任感、創(chuàng)新精神和實踐能力，適應(yīng)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的應(yīng)用型人才[5]?！端惴ㄔO(shè)計與分析》需按照一流課程標(biāo)準(zhǔn)來改革和建設(shè)。圖1中所示，《算法設(shè)計與分析》教學(xué)改革思路主要包含一個中心，即學(xué)生雙能力的培養(yǎng)；以及兩個實施，賽教融合和校企合作，構(gòu)建多方協(xié)同育人的新模式。圖1教學(xué)改革思路針對教學(xué)不足，提出教學(xué)創(chuàng)新的措施：（1）賽教融合，學(xué)生能將理論教學(xué)應(yīng)用到競賽中，同時利用競賽驗證理論教學(xué)。（2）學(xué)生雙能力的培養(yǎng)，借助競賽來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，通過企業(yè)實訓(xùn)培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。（3）線上線下混合式教學(xué)，采用互動式翻轉(zhuǎn)課堂、小組協(xié)作方式和沉浸式競賽教學(xué)方法，豐富學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容。（4）深化校企合作，校企共建算法競賽，提高本科教學(xué)水平和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。它將算法設(shè)計策略、算法實現(xiàn)、算法競賽和思政元素融合，重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，采用線上線下混合式教學(xué)模式，通過實施以學(xué)生為中心的教學(xué)方法和多元化評價，使學(xué)生迅速掌握理論知識，提高教學(xué)效率和學(xué)習(xí)效果。

3.1教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新

課程內(nèi)容不再拘泥于課本知識，引入算法競賽、思政元素、行業(yè)競賽等內(nèi)容。（1）思政元素與專業(yè)知識的融合。每種算法策略都有一個算法框架，這是人類智慧的體現(xiàn)。如分治法的基本思想就是分而治之，當(dāng)遇到一個復(fù)雜任務(wù)時，可以將其分為多個小型且簡單的任務(wù)來解決。高效核酸檢測題就是一個很好的分治法例子。它的題解是開放的，學(xué)生需要從效率和為人民服務(wù)等角度來回答。學(xué)生的答案體現(xiàn)了他們的職業(yè)素養(yǎng)。圖3顯示了專業(yè)知識與思政元素的深度融合。教師從算法知識點挖掘思政元素，并融合于課程資源、教學(xué)內(nèi)容和實驗作業(yè)，將其傳授給學(xué)生。（2）算法競賽可以有效地促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容的改革。算法競賽的試題出題人都是軟件行業(yè)骨干精英。試題具有引導(dǎo)性、前瞻性、創(chuàng)新性。學(xué)科內(nèi)知識融合貫通、不同學(xué)科間的學(xué)科交叉，從廣度和深度豐富了《算法設(shè)計與分析》課程的教學(xué)內(nèi)容。在算法競賽試題中，有許多題目可以引入教學(xué)。例如居民集合（2015年藍(lán)橋杯）和三足鼎立（2021年天梯模擬賽）等。（3）行業(yè)競賽可以使教學(xué)緊跟時代發(fā)展。在教學(xué)過程中融入在數(shù)字經(jīng)濟(jì)時代舉辦的競賽，如廣東省舉辦的工業(yè)大數(shù)據(jù)算法比賽和華為ICT實踐賽。這些行業(yè)的比賽題目可以在教學(xué)過程中引入，拉近與產(chǎn)業(yè)的距離，培養(yǎng)學(xué)生的雙能力。

3.2教學(xué)方法的創(chuàng)新

線上線下混合教學(xué)是在線學(xué)習(xí)和傳統(tǒng)課堂教學(xué)的相互結(jié)合與補(bǔ)充，既發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，也能體現(xiàn)學(xué)生的主體性。線上線下混合教學(xué)過程分為：課前線上學(xué)習(xí)、線下課堂教學(xué)、作業(yè)和實驗報告。具體的混合教學(xué)過程如圖4所示。首先，教師提前布置線上學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生則通過學(xué)習(xí)通自學(xué)相關(guān)知識點。其次，在理論課堂上課之前，先測試學(xué)生對基本知識點的掌握情況。然后，在課堂上采用知識點歸納總結(jié)、主題討論、算法競賽方式進(jìn)行知識傳授。最后，布置線上作業(yè)或分組任務(wù)，要求學(xué)生查閱相關(guān)資料，組隊完成任務(wù)或作業(yè)。該教學(xué)模式可以突破傳統(tǒng)課程時間和空間限制，極大豐富教學(xué)過程，提高學(xué)生學(xué)習(xí)創(chuàng)造性。

3.3混合教學(xué)環(huán)境的創(chuàng)設(shè)

本課程利用算法競賽平臺（PTA或洛谷）實現(xiàn)從任務(wù)驅(qū)動教學(xué)到團(tuán)隊競賽。理論課堂上的知識點歸納總結(jié)后，教師給學(xué)生演示一個具體的簡單案例或從筆架山算法小隊（微信公眾號）中查看競賽模板，然后再給學(xué)生布置一個團(tuán)隊競賽的任務(wù)。這個團(tuán)隊任務(wù)與之前演示的案例存在一定的相似性。這樣可以給學(xué)生鋪設(shè)好前奏，留給學(xué)生思考的空間，能夠最大限度地調(diào)動所有學(xué)生的積極性，使學(xué)生們都能夠參與課堂活動。

3.4教學(xué)評價的改革

教師利用已有的教學(xué)資源開展教學(xué)，對完整教學(xué)過程進(jìn)行跟蹤檢測和實時評估。學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課堂互動、主題討論、團(tuán)隊協(xié)作方面的表現(xiàn)和章節(jié)測試、期末考試，全面反映學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果。根據(jù)學(xué)習(xí)通平臺記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)軌跡，優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容。本課程的評價為過程性評價與終結(jié)性評價相結(jié)合。本課程的過程性評價占30~40%，終結(jié)性評價60~70%（視平時開展輔助教學(xué)活動而定），具體評價內(nèi)容如表1所示。

3.5教學(xué)團(tuán)隊

教學(xué)團(tuán)隊在人才培養(yǎng)的廣度和深度都發(fā)揮重要作用，是人才培養(yǎng)質(zhì)量的保障。教學(xué)團(tuán)隊建設(shè)模式如圖5所示，教學(xué)團(tuán)隊成員共享各種教學(xué)資源，通過團(tuán)隊的協(xié)作機(jī)制促進(jìn)團(tuán)隊成員在教學(xué)以及科研業(yè)務(wù)方面的彼此交流、相互協(xié)作，達(dá)到共同成長。教學(xué)團(tuán)隊教學(xué)的優(yōu)勢有：（1）科教融合。教學(xué)團(tuán)隊利用學(xué)科競賽、教研項目等形式，將自身的科研思路和手段融入教學(xué)。團(tuán)隊成員近年多次指導(dǎo)學(xué)生參加挑戰(zhàn)杯和算法競賽等創(chuàng)新活動，并在這些學(xué)科競賽中獲獎。團(tuán)隊成員間協(xié)同研究，共同申報專利和軟件著作權(quán)，共同申報省自然科學(xué)基金面上項目，并獲得立項。（2）校企合作。企業(yè)導(dǎo)師將項目的問題或競賽試題帶進(jìn)課堂，學(xué)生可以將理論知識應(yīng)用于求解實際問題，可以更好地把握行業(yè)發(fā)展脈搏。（3）教學(xué)創(chuàng)新。由于課程內(nèi)容量大、難點多，團(tuán)隊成員協(xié)同合作將教學(xué)內(nèi)容整合，編寫適合二本院校的教學(xué)資源，積極探索“線上自主探究+線下協(xié)作研討”的有效融合，以便達(dá)到最佳教學(xué)效果。

4改革效果

本課程在2021年獲得校級一流課程和校級思政示范課程。課程網(wǎng)站目前訪問量達(dá)到30萬+，思政教學(xué)評價96.2分。學(xué)生學(xué)習(xí)算法的興趣增長了30%，參加寒期算法集訓(xùn)的人數(shù)從10多人到40多人。此外，參加算法競賽的學(xué)生需要學(xué)習(xí)該課程，故在B站和微信公眾號上發(fā)布競賽培訓(xùn)視頻和基礎(chǔ)算法視頻。教學(xué)團(tuán)隊協(xié)同研究、共同成長，編寫本課程教材，前五章節(jié)已完成；積極申報科研項目，已獲得省自然科學(xué)基金面上項目和教育部協(xié)同育人項目各一項。2021年學(xué)生參加算法競賽成績：2021廣東程序設(shè)計大賽（GDCPC）銅獎(1隊)，韓山師范學(xué)院歷史上最好成績；全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模省一等獎（1隊）、省二等獎（2隊）、省三等獎（1隊）；第十一屆藍(lán)橋杯省賽一等獎（1人）、二等獎（6人）、三等獎（10人）；第十一屆藍(lán)橋杯國賽優(yōu)秀獎（1人）；第六屆天梯賽省高校三等獎（2隊）、省團(tuán)隊三等獎（2隊）、全國個人三等獎（1人）；校級2021年“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽主賽道創(chuàng)意組金獎；2021?？谷斯ぶ悄苜惖朗≠愂∪泉劊?人）、優(yōu)勝獎（3人）；華為中國大學(xué)生2021年ICT大賽-廣東實踐賽本科組優(yōu)勝獎（1人）；廣東工業(yè)大數(shù)據(jù)省賽省三等獎（1隊）；2021年CCPC廣州站優(yōu)秀獎（1隊）；2021年第四屆傳智杯全國大學(xué)生IT技能大賽二等獎（1人）。

5結(jié)束語

綜上所述，本文圍繞“培養(yǎng)應(yīng)用型人才”目標(biāo)，重點突出學(xué)生雙能力的培養(yǎng)，提出賽教融合、校企合作兩大發(fā)展路徑，通過將算法競賽和行業(yè)競賽有機(jī)融入課程建設(shè)中，起到了很好的以賽促教、以賽促學(xué)；深化與深圳信盈達(dá)有限公司等協(xié)同合作，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)向高校的良性過渡和轉(zhuǎn)化，取得了良好的實踐效果。

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作者:田小霞 單位:韓山師范學(xué)院計算機(jī)與信息工程學(xué)院