以“算法理论与实现”为教学核心提高信息与计算科学专业人才竞争力

陈明，万中

摘  要：信息与计算科学专业是两个数学类本科专业之一。该专业人才培养过程中必须回答的一个问题：如何面向国家建设对数学人才的需求，大力提高信息与计算科学专业毕业的本科生独有的就业或者进一步深造的竞争力？文章结合数十年的教学实践，以教改项目为依托，从编制信息与计算科学专业培养方案、教材编写、教学内容与方法改革，以培养人才的质量等四个维度阐述树立“算法理论与实现”为教学核心来提高信息与计算科学专业人才竞争力的教学理念的必要性和重要性。提出实践中具体实施这种教学思想具有较强操作性的改革措施。

关键词：信息与计算科学;算法理论与实现;人才竞争力;教学实践

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）07-0146-04

Abstract： Information and Computing Sciences is one of two mathematical majors for undergraduates. A question that must be answered in the process of talent cultivation of this major is： How to meet the needs of mathematics talents for national construction， and vigorously improve the exclusive competitiveness of the undergraduates from the information and computing sciences for future occupations or further study？ Based on the teaching practice of this major and a number of  teaching reform projects in the past decades， this paper expounds necessity and importance of establishing a teaching core， called "Algorithm Theory and Its Implementation"， so as to improve the competitiveness of the undergraduates from this major of Information and Computing Sciences in view of the following four points： compiling the cultivation plan of this major， compiling a series of suitable textbooks， reforming the teaching contents and the teaching methods. Many reform measures with strong operability are proposed for the future practical implementation of this teaching idea.

Keywords： Information and Computing Sciences; Algorithm Theory and Its Implementation; competitiveness of undergraduates; Teaching practice

一、問题提出

数学类本科专业总共包括信息与计算科学、数学与应用数学两个专业。不同于数学与应用数学这种传统的专业，信息与计算科学专业由信息科学、计算数学、运筹学和控制论四个主干专业方向整合而成。它是随着科学计算、信息科学、计算机科学与技术的发展，在数学学科内形成的一个新的重要学科分支[1]。1998年教育部由以前的计算数学专业、计算数学及应用软件专业、运筹学和控制等专业并融入信息学组建而成。目的就是想对国内信息科学的人才培养与研究起到推动作用。随后，几乎所有具有数学学科的高校都开设了这个专业，但对于如何把这个专业办出自己的特色至今都是一个在探索的问题，面临的主要困境是：作为较新兴的数学专业，一是社会认知度、认可度还不是很高，二是信息与计算科学专业确实普遍存在实践教学环节薄弱现象[2-4]。多数高校在开办该专业时主要是借鉴原有数学类专业或计算机科学类专业的模式，与国家建设对信息与计算科学设定的专门高级专业人才培养的要求相差甚远，其结果是全国各高校该专业的毕业生就业竞争力不理想。如何面向国家建设对数学人才的需求，大力提高信息与计算科学专业毕业的本科生独有的就业或者进一步深造的竞争力？

二、我校本专业的现状与专业改革方向

中南大学数学与统计学院信息与计算科学（简称信科）专业于1998年教育部高等学校本科专业调整时申办，于1999年招收了首届该专业的学生，是国内最早招收该专业的学校。信息与计算科学专业是两个数学类本科专业，现归属数学与统计学院。

2006年本专业评为湖南省重点专业，2008年评为首届湖南省特色专业，毕业学生约1 800余名，以“专业基础好、动手能力强和适应性强”之人才特色深受IT行业、金融部门和科研院所等单位欢迎。该专业培养的学生荣获全国数学竞赛与数模竞赛、美国数模竞赛一等奖和二等奖数百余次。如何瞄准教育部设置信息与计算科学专业理应承载的任务，把中南大学的信息与计算科学专业办好？这是该专业系全体老师在过去二十多年里不懈探索、思考的问题，也进行了许多的研究工作。首先，充分考虑本专业系教学团队自身的特点，瞄准教育部设置信息与计算科学专业理应承载的任务和社会责任，并适当地借鉴其他院校开始该专业的经验和教训。以此为基础，对如何提高信息与计算科学专业人才竞争力的培养开展研究。其次，强调教学实践过程，所有教学理论的提出都是长期教学实践的总结。最后，专业人才竞争力的强弱，主要靠用人单位走访、毕业生座谈会、在校高年级学生座谈会和社会调查等方式进行评估。竞争力的测量指标主要包括毕业生取得的成绩、对社会的贡献、在校生的专业能力、科学研究能力和各学科竞赛的获奖等。在长期实践和研究的基础上，本文针对提高竞争力这个问题，提出了以“算法理论与实现”为教学核心提高了信息与计算科学专业人才竞争力。这也是这么多年来，全系老师同心协力做好的一件事。主要依据如下：

（1）认为加强“算法理论”课程模块教学，能使信科专业学生系统掌握信息科学、计算数学、运筹学和控制论等主干学科的基本理论与方法，具备较扎实的利用数学思想方法分析和解决实际问题的数学理论基础，具有良好的数学思维能力。掌握“算法理论”，是本专业学生在人才需求市场竞争力的核心知识与能力要素。

（2）在信科专业人才培养过程中充分强调“算法实现”，是该专业区别与其他数学专业应具备的独有人才培养要求，充分体现了信息化和大数据背景下，国家现代化建设对数学学科类人才的特殊要求。相关的校内与校外实践课程群，显著地增强了信息与计算科学专业学生基于数学手段解决复杂实际问题的能力，体现了本专业学生竞争力的“肌肉”。

三、提高信科专业人才竞争力的举措

如何做到以“算法理论与实现”为教学核心提高信息与计算科学专业人才竞争力？首先必须解决以下3个核心问题：

（1）制定和编写好能实现以“算法理论与实现”为教学核心提高信息与计算科学本科专业人才竞争力的培养方案，并稳步实施。

（2）要不断总结课程教学内容与教学方法改革实践，提炼出能够传承和推广该专业的教学理论。

（3）编写并使用以“算法理论与实现”为教学核心的专业课程教材。

（一）制定和编写专业建设目标和培养方案

做到以“算法理论与实现”为教学核心提高信息与计算科学专业人才竞争力，首要的任务是明确专业建设目标，编制符合人才培养需求的培养方案，为此不断完善和改进培养方案。制定和编写了2012版、2016版、2018版以“算法理论与实现”为教学核心的信息与计算科学本科专业人才培养方案，并稳步实施。

首先，制定的培养方案对本专业教学内容做了深度整合：对于数理类课程，信息处理与科学计算离不开坚实的数学基础。作为数学科学的一个专业分支，数学及计算数学的基础理论课程是该专业课程的核心。所以在低年级阶段开设的基础课程中，适当加入部分计算数学、信息与计算机方向的专业基础课。对于计算机与信息类课程，由于实践性较强，所以整合教学内容时，增加实验学时非常重要。将C++语言与数据结构等课程的实践整合为一门集中实践课程;在计算机软件方面，我们开设C++语言与数据结构、算法分析与设计、数据库原理及应用、计算机图形学、搜索引擎技术与原理、软件工程、计算机图形学和数字图像处理等课程。信息科学方向开设信息科学基础、密码学、控制理论、信号与系统和数字信号处理等具体化、专门化课程。在设置专业核心课程时，设置“主干课程”9门，“特色课程”5门，共14门。进一步加强了学生数学学科基础课程的学习和解决问题的能力训练。对最重要的两门基础课数学分析和高等代数在原学时的基础上，分别增加了24学时和16学时，并增加了两门课程的课内实践教学。其他核心课程内容不同程度地减少部分抽象理论课程学分，增加了实践课程门数，增加实践教学环节，以培养学生利用信息与计算科学理论与方法，动手解决实际问题的能力，强化学生的就业竞争力。

其次，制定的培养方案实施中加强了开放式示范性教学，定向培养学生的就业竞争力：开放式的教学方法，一是要打破传统的“一本书”，大力提倡课外阅读，让学生了解教科书之外相关领域的知识，更要让学生了解新理论、新方法和新技术;二是打破“一言堂”，给学生适当的“自由”，允许发表个性化的见解;三是教师不要把所有的知识点讲得“完美无缺”，要给学生的自学留有余地和空间;四是改变就题论题、解题方法千人一面、解题过程枯燥无味的课外习题方式，开发能够激发学生的创新意识，充分发挥个人智慧的课外作业和实践训练，使学生在思考和探究中举一反三，个性化得到充分发挥。根据信息与计算科学专业系师资队伍构成和本专业学生就业去向，在培养学生时，明确地分四个专业方向设计学生的系列选修课程。避免学生盲目选课、学未来就业用不上的课，减少学生总的毕业学分要求（原来188个学分减少为180学分）。譬如，通过增加几何造型与计算选修课，就是保证学生能够从事计算机辅助成形设计和可视化工程方面的研究;增加高性能计算课程，就是保证学生具备从事计算科学和工程科学研究的能力。

最后，制定的培养方案着重强化了毕业设计和毕业论文完成实践环节教学，将“算法实现”能力培养落到实处：毕业设计是高等学校人才培养计划的重要组成部分，是对学生所获得知识和技能的一次综合训练和应用，是实现培养大学生各方面素质的重要教学环节，同时也是学生毕业与学位资格认证的重要依据。信息与计算科学专业本身就是实践性较强的学科，为了让学生在完成毕业论文的过程中能够真正提高解决问题的能力，一是要求毕业论文选题上应紧密联系当前实际，让同学们有充分的选题权;二是改革单一的教师选学生的毕业设计旧模式，实行双向选择，保证了学生选择的自主权，充分发挥本系老师科研成果突出的优势。基本上做到学生毕业论文做的工作与教师的科学研究工作一致，充分发挥“师傅带徒弟”的功效，做到了学生在本科阶段就完成了创新性科研成果。

（二）教学方法改革

做到以“算法理论与实现”为教学核心，提高信息与计算科学专业人才竞争力，教学方法的改革也是必不可少的。笔者所在的信息与计算科学系各教学团队在总结课程教学内容、进行教学方法改革方面做了大量的工作。近幾年来，撰写发表了15篇以“算法理论与实现”为教学核心的教学研究或者教育评价理论研究方面的教改论文。完成了一系列围绕“算法理论与实现”为教学核心的教改项目。以教改项目为例，由万中教授主持的中南大学开放式精品示范课堂计划项目（数值分析课程）和突破课堂教学时空局限，以数学素质教育培养研究生工程创新能力，高等学校“十三五”专业综合改革试点项目等三项教改项目;由侯木舟教授主持的中南大学数学建模集成共享实验环境建设;刘圣军教授主持的校外实践教育基地建设项目，广州番禺节能科技园基地;陈明老师主持的面向对象程序设计考试改革;袁修贵教授主持的大数据背景下数学实验资源共享平台建设;韩旭里教授主持基于应用和计算问题驱动的数学类课程教学方法研究和精品资源共享课“数值分析”立项建设项目。不难看出，以上九个项目研究解决的问题就是两个：一是如何加强校内课程教学，实现学生“算法”设计及数学理论分析能力的培养目标;二是如何创建更优良的实践平台，以培养学生的“算法实现”能力。归结到一句话：以“算法理论与实现”为教学核心提高信息与计算科学专业人才竞争力。实际上，许多学生在实现基地实习时，企业专业技术人员就非常赞赏学生的学习能力强、思维活跃、于思考和解决问题，企业人事部在实习期间就动员学生进行就业签约。

（三）以“算法理论与实现”为教学核心的教学方法

为了实现以“算法理论与实现”为教学核心提高信息与计算科学专业人才竞争力，就必须以教学改革项目为研究平台，围绕“算法理论与实现”这个核心教学内容，至少从以下几个方面开展信息与计算科学本科专业人才培养研究，以大幅度提高学生的就业或者进一步学业深造的竞争力为目标。

首先，通过加强“算法理论”课程模块教学，夯实了信息与计算科学专业学生利用数学思想方法分析和解决实际问题的数学理论基础，增强了本专业学生竞争力的“内功”。

下面，仅以运筹学方向的课程模块教学为例，说明在解决这类教学问题方面取得的成果。开设的运筹学方向的课程模块教学从大学二年级开始到四年级第一学期结束，依次在信息与计算科学专业开设数学规划基础、数值最优化、模糊数学与模糊规划、物流优化系列课程。该课程群从课程教学内容体系、教学模式和教学方法等方面都围绕“算法设计及收敛性理论”教学为核心。具体说来，教学过程中必须强调“算法的收敛性理论”教学，一方面充分体现了信息与计算科学这个本科专业的特色（即科学计算方法），使之不同于其他数学、统计学或者计算机科学与技术设置的专业，另一方面又非常重视“数学理论”与“数学思维能力”的培养。精选经典“算法”，并对它们作尽量详细地论述和严格证明，从算法的构造思想、算法的具体创造过程、算法的评价和改进、以及算法的具体执行等，叙述上做到通俗易懂，深入浅出，克服了大学课程教学时数压缩要求带来的困境。对教师不能在课堂上全部讲完的其他教学内容，让学生在熟练掌握了经典算法的基础上，自主学习这些内容，起到了培养学生自主猎取、探索新知识的能力。对部分结论，仅作叙述，删除了繁杂的证明过程，用节省下来的时间向学生讲述相关领域最前沿的研究内容，特别是信科系运筹学教学团队的最新科研成果。这样做，不仅有利于激发学生们的学习兴趣，对各课程任课教师更加尊敬，而且可以非常好地把学生的创新欲望激发出来，对科研工作没有畏难情绪。

其次，通过加强与“算法实现”相关的校内与校外实践课程群，显著地增强了信息与计算科学专业学生基于数学手段解决复杂实际问题的能力，体现了本专业学生竞争力的“肌肉”。具体说来，本教学改革举措主要取得的成果如下。

（1）通过学生、教师座谈会、用人单位走访和社会调查等方式了解到，信息与计算科学专业的毕业生普遍认为在校期间对其参加工作后具有直接帮助的教学环节是大学学习期间的实践课程。

（2）为了加强信息与计算科学专业学生的专业实践能力，特别是要充分体现本专业人才的就业或者深造的竞争力，必须把“算法的实现”作为最主要的对该专业学生教学和教育手段。正是因为信息与计算科学专业的学生具备了较扎实的“算法”理论基础，所以本专业学生在“算法实现”上表现了与计算机科学与技术设置的相关专业学生不一样的能力，更具备数学方法分析问题的功底，深受用人单位欢迎。

（3）对于本专业的“算法实现”，做到了连续四年不间断地加强了校内实践教学和校外集中教学实践各环节。首先是成功开设了一系列数学学科实践课程：数学软件、数学建模、优化计算和matlab软件、大学生数学建模、ACM程序设计、多媒体等学科竞赛等。其次是加强了集中专业实践的实习基地建设，特别是强调了集中实习内容要围绕“算法设计与实现”展开。最后，坚持了“教学实践与理论总结”相结合，不断增强信息与计算科学专业任课教师从事“算法理论与实现”教学的能力。

与所有专业系师资队伍存在的问题相同，信息与计算科学系20名老师从事的科学研究方向不尽相同：有研究计算机图形学的，有研究数字信号处理的，有研究运筹学的，有研究偏微分方程数值解法的。如何保证所有这些不同研究方向的教师在本科生教学与教育上合力做好一件事？即如何以“算法理论与实现”为教学核心提高信息与计算科学专业人才竞争力？做法就是要求老师们一边认真做好一线教学，一边做好课后教学经验总结。近十年来，笔者所在团队结合项目研究，共发表了20篇相关教学改革或者教育评价理论研究方面的论文[2-3，5]。

（四）以“算法理论与实现”为教学核心的专业教材

为了做到以“算法理论与实现”为教学核心提高信息与计算科学专业人才竞争力，编写并使用以下以“算法理论与实现”为教学核心的专业教材。以数值计算方向为例，编写了国家“十一五”规划教材《高等代数》《数值分析》《数值最优化理论与算法》《数值分析与实验》《科学计算与数学建模》等[6-8]。上述教材的编写都是以“算法理论与实现”为教学核心提高信息与计算科学专业人才竞争力为宗旨。从内容选择和编排上充分强调了算法设计的思想、算法收敛性理论的建立与证明、算法实现中需要关注的数值计算问题以及具体的实现手段。即使像《高等代数》这样的基础课程教材，也渗透了算法的思想。

四、结束语

信息与计算科学专业是一个新型的交叉学科，在专业建设、师资培养、教学方法和课程优化方面还有很多问题值得深入研究和改革。本文针对信息与计算科学专业如何面向国家建设对数学人才的需求，提出了以“算法理论与实现”为教学核心提高信息与计算科学专业人才竞争力的教学理念。

参考文献：

[1]张韵华，邓建松，岳兴业.中国科学技术大学数学系“信息与计算科學”专业建设探索[J].大学数学，2009，25（2）：4-8.

[2]万中，罗汉.加强开放性数学实验课程研究推动数学教育改革[J].大学教育科学，2003（4）：52-53.

[3]万中，韩旭里.《数值分析》课程教学的新认识及改革实践[J].数学教育学报，2008，17（2）：65-66.

[4]刘淳安.大数据时代信息与计算科学专业课程体系优化改革与实践[J].高教学刊，2016（21）：70-71+74.

[5]Chen Ming， Wan Zhong. New nonlinear metrics model for information of individual research output and its applications[J].Mathematical and Computational Applications，2016，21（3）：26.

[6]韩旭里，万中.数值分析与实验[M].北京：科学出版社，2006.

[7]李董辉，童小娇，万中.数值最优化[M].北京：科学出版社，2005.

[8]李董辉，童小娇，万中.数值最优化算法与理论[M].北京：科学出版社，2010.