以创新意识培养为主线的算法设计与分析实验教学改革

王淋 朱红 马金凤 张昌明 左海维

摘要：《算法设计与分析》是计算机科学与技术专业的核心修课程。现有实验教学模式过多关注书本知识，严重忽略了创新意识能力培养。该文以创新能力培养为主线，以学生自主学习为主，以教师为主导，探索算法设计与分析课程的实验教学改革模式。通过融入新算法、新问题，鼓励学生参与教师科研课题，设置层次化实验案例，融入思政元素等手段提高学生学习兴趣，培养学生的创新意识。同时，设置多样化考核方式，强化过程性评价，进而达到提高学生创意能力培养的目的。

关键词：算法设计与分析;创意意识;自主学习;教学手段;考核方式

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）12-0153-02

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1 引言

《算法设计与分析》是计算机科学与技术专业的核心修课程，旨在培养学生设计和分析算法的能力，逻辑思维能力和抽象思维能力。该课程的实验教学具有较强的系统性、广泛性和综合性，是培养具有较强软件系统开发能力的重要途径[1]。传统实验教学模式过于注重书本知识的传授和练习，严重忽视了兴趣和技能培养，主要存在的问题包括：（1）学生实验知识体系构建困难，学生算法设计能力基础薄弱，缺乏计算思维能力，实践和理论知识的衔接不够紧密，编程能力堪忧;（2）实验教学模式仍然停留在应试教育模式，尚未形成有效的科研科创体系，缺乏科学思维能力训练，与科技创新及一线科研脱节。培养创新型人才是我国坚持走创新型发展之路的关键，也是教育工作者肩负的神圣的历史责任。构建以学生为中心，注重学生综合素质培养，强调学生创新能力、实践能力的创新型人才培养模式成为高等教育的必然选择[2]。在心理学教育中，培养浓厚的学习兴趣是推动学生自主学习的有效途径之一。在实验教学过程中，要先建立学生对实验课学习的兴趣，让学生充分认识到算法设计的魅力和价值。只有以学生为中心，激发学生学习兴趣，提高学生的主动学习能力和创新意识，才能真正做到将理论应用到实践，这也正是该课程实验教学中面临的难点之一[3-5]。

为此，本文以创新能力培养为主线，以培养目标为依据，以学生自主学习为主，以教师引导为辅助，探索算法设计与分析课程的实验教学改革模式。在学生已经形成扎实的知识体系的基础上，提高学生实验课程设计和实现的主动性，培养学生的自我学习能力和创新能力。根据培养目标，设置多样化考核方式评价学生学习效果，同时不断优化实验环节。

2 教学手段丰富化

（1）融入新算法、新问题

在讲解理论知识时，从算法设计思想、算法框架入手，由浅入深，循序渐进地讲解经典问题，为实验课打了扎实的理论基础。同时，密切关注计算机领域新的研究方向和课题，充分利用互联网信息资源，跟踪算法的最新发展动态，将新算法融入实验教学，同时提出新的问题，并引导学生自主解决[6]。将新算法融入实验教学，充分让学生体会到现实生活中的问题其实可以采用算法进行有效的解决，产生浓厚的学习兴趣和热情，进而达到培养创新能力的目的。学生通过对知识点的逐渐消化和吸收，不断锻炼自己的编程能力，真正掌握算法思想，这正是进行实验课程教改的关键所在。

（2）学生参与教师的科研项目

笔者承担多项计算机辅助医疗相关的研究性课题。在课余时间，与学生交流自己研究方向的研究现状及意义，分享科研中碰到的难题及解决思路。部分学生产生了好奇和浓厚的兴趣。在课题组召开讨论会的时候，邀请这些感兴趣的同学旁听，并允许他们提出问题。通过几轮讨论会，学生主动提出加入老师的科研项目。老师会根据学生已有知识认知，给分派部分相关的子课题。采用问题解决模式和自主研究模式相结合，按照“教师抛出课题拟解决的关键问题→学生主动思考→探求解题方法→自主合作→解决问题”的思路，让学生在自主学习、合作学习。这样，以小组为单位，学生负责科研项目中部分内容的实验和验证，使得学生根据项目需求主动探索并学习，以此调动学生的积极主动性和创造性。此外，增设学生走上讲台讲解自己小组取得成果的环节。如此一来，学生成为课堂的主人，教师成为服务者、引导者。这样不仅可以了解学生对知识点的消化吸收情况，而且可以提高学生的语言表达能力。最终，学生在参与课题的过程中，学会了独立思考，对一些问题也有了深入的思考，甚至有些学生会主动提出申报大学生创新创业项目，成为项目负责人。

（3）设置层次化实验案例

实践教学内容注重与理论知识的衔接，将实验案例进行分层设计，难度由小到大以此设置为：验证性实验、自主设计性实验和综合实验[7]。验证型实践主要选自教材中的基础算法的验证。如冒泡排序、简单选择排序、0/1背包问题、活动安排问题等。这些问题在理论课程学习中会演示，学生在课后做验证实验即可。设计型实验的难度适当加大，多为书本中经典问题的变形题，比如0/1背包问题的变形，完全背包问题，混合背包问题，分组背包问题，二维费用背包问题等。通过教师引导和启发，小组讨论，学生自主思考设计算法，完成实验。综合应用型题目一般为近年来国内外著名IT企业的面试笔试题和竞赛题，以培养ACM程序设计竞赛、 “挑战杯”全国大学生課外学术科技作品竞赛、全国大学生物联网设计竞赛、“蓝桥杯”大赛等培养种子选手。同时，为大学生创新创业项目做准备，培养学生算法设计、分析能力。如此，学生通过对算法策略的反复应用掌握其核心原理，并举一反三，融会贯通，进而激发学生学习算法的热情。

（4）融入思政元素，让算法与生活同频共振

结合教学内容和教学大纲，充分发挥课堂主渠道的作用，无缝融入思政元素[8]，使得学生在做实验的过程中，树立正确的世界观、人生观、价值观。实验课程中，小组成员共同完成实验，自愿合作，协同努力，互相激励，取长补短，共同建设了具有凝聚力并且高效的团队。如在学生练习验证性实验汉诺塔的递归算法中，告诫学生人生的递归只有递归前进，没有递归返回，一定要珍惜时间。在分治法实验练习中，让学生体会在平常的学习和生活中，遇到棘手的问题，可以尝试采用“分而治之”的思想，从烦琐到简单，将复杂的问题分解成若干个小问题，逐个求解，再将小问题的解合并成整个问题的解。在贪心法实验中，告诫学生慎用贪心法，要尝试跳出人生局部最优点，从而寻找人生整体最优点。

3 实验考核多样化

传统的算法设计与分析课程考核大多采用笔试方式，编程能力的考核多体现在试卷上，一场考试定输赢，无法全面考查学生综合能力和素养[9-10]。为此，对传统考核方式进行完善，提升过程性评价的比重，从实验小组讨论，实验讲解，科研，综合实验随堂测试四个方面进行综合考核。新的实验评价机制将多过程和多元化结合，构成为：实验小组讨论（20%）+实验讲解（20%） +科研（20%）+综合实验随堂测试（40%）构成。在理论知识点讲授完布置实验课题，让学生以小组为单位进行讨论，并进行实验讲解。在科研环节中，采用教师提供选题和学生自拟题目相结合的方式，邀请5名高年级科研能力强的学生组成评审小组，参加评价学生系统搭建、程序运行等情况。综合实验随堂测试安排在实验课的最后一次课，以学习通平台发布，真实考查学生的上机编程能力。综合实验随堂测试题型以自主设计型题目为主，同时将综合型实验作为加分题，以满足编程能力较强的学生。此外，还设置了学生互助模式，允许编程能力强的学生在完成测试后主动帮助基础不好的学生完成测试。教师记录帮助者及被帮助者，在评定的过程中作为评分参考。通过这种多样化的考核，逐渐加大对算法设计和程序开发能力的考核力度，激发学生的创新能力和系统设计能力，激发学生自主学习、自主训练的兴趣和热情。

4 结束语

本文针对现有算法设计与分析实验课程存在的不足，将本领域的新算法引入教学，指导学生参与教师科研子课题，并设置层次化实验案例，同时融入思政元素培养学生争取的三观，进而提高学生学习兴趣，培养学生的创新意识。通过设置多样化考核方式，强化过程性评价，提高学生创意能力培养。从学生考核成绩和学生满意度调查结果来看，学生在课程理论接受程度，创新能力、实践能力和团队协助能力均取得了不错的效果。在以后的教学中仍要进一步优化注入实验教学的领域内新成果，不断提升实验教学质量。

参考文献：

[1] 季晓慧，姚国清，张玉清，等.计算思维与实践编程能力培养并重的算法设计与分析教学[J].电脑知识与技术，2020，16（4）：70-71.

[2] 谷平，谌静，李培丽.大学“光纤通信系统”课堂教学的学生创新能力培养研究[J].无线互联科技，2020，17（17）：111-113.

[3] 王锋，孙艳宏.“以学生为中心”的医学院校本科教育教学改革[J].繼续医学教育，2019，33（8）：11-13.

[4] 张雁，吕丹桔，张晴晖，等.新工科背景下实践创新能力培养的探索与实践[J].计算机时代，2019（6）：102-105.

[5] 江家宝，郑尚志.算法设计与分析课程实验教学改革的研究[J].广西教育，2011（24）：82-83.

[6] 魏青松，李继康，闫春泽，等.“新工科”下3D打印前沿学科三位一体多维度教学模式研究[J].实验技术与管理，2020，37（9）：10-14.

[7] 赵占西，田松亚，宋亓宁，等.课程思政——育人的主渠道[J].教师，2019（8）：8-9.

[8] 李露，罗晓燕，刘博，等.面向新工科的“多元交叉”实践教学改革研究[J].实验科学与技术，2021，19（1）：53-58.

[9] 赵绪营，姜建锦，王志强，等.研究生算法课程的分层次多样化教学研究[J].计算机教育，2018（4）：94-97.

[10] 束德勤，范昊.算法设计与分析课程教学方法研究[J].山东农业教育，2019（2）：24-27.

【通联编辑：李雅琪】