專業(yè)學位碩士算法設計課程立體案例庫設計與實踐

陳媛+盧玲

摘 要：為實現(xiàn)計算機類專業(yè)學位研究生培養(yǎng)高層次應用型專門人才的目標，在分析目前地方高校算法課程存在問題的基礎(chǔ)上，提出具有立體特征的“分層分類”算法設計案例庫，主要闡述案例庫內(nèi)容的選取及組織方法和案例庫實施保障機制的設計。

關(guān)鍵詞：立體案例庫；分層分類；專業(yè)學位研究生；算法設計與分析

文章編號：1672-5913（2017）05-0079-03

中圖分類號：G642

0 引 言

為實現(xiàn)研究生教育戰(zhàn)略性調(diào)整，教育部從2009年至今，持續(xù)推行碩士研究生培養(yǎng)由學術(shù)為主型向應用為主型轉(zhuǎn)變。2013年教育部、人力資源社會保障部《關(guān)于深入推進專業(yè)學位研究生培養(yǎng)模式改革的意見》（教研[2013]3號）指出，專業(yè)學位研究生教育是培養(yǎng)高層次應用型專門人才的主要途徑，其培養(yǎng)模式應以需求為導向、以實踐能力為重點。算法設計與分析是計算機學科碩士研究生的專業(yè)必修課，課程通過系統(tǒng)學習常用算法分析與設計技術(shù)，培養(yǎng)學生算法設計與復雜性分析的能力[1]。課程兼具理工科各專業(yè)課程的普遍特征，教學內(nèi)容具有較強的理論性，其學習效果又極大地依賴學生的實踐水平。因此，對該課程的教學模式、教學手段進行研究和適應性調(diào)整以契合專業(yè)學位碩士高層次應用型的培養(yǎng)目標，是非常有必要的，對理工科其他專業(yè)學位碩士的培養(yǎng)也具有良好的借鑒意義。

目前，普通高校專業(yè)學位研究生教學普遍存在如下問題：①教學內(nèi)容針對性不強，無法體現(xiàn)專業(yè)學位的實踐性要求，在專業(yè)性的職業(yè)技能演示方面存在缺失；②教學方法有待改進，在指導和教學方法方面，沒有針對學位研究生的特點進行適應性調(diào)整，照搬學術(shù)性研究生的教學方法；③重應試、輕實踐，隨著我國高校研究生招生規(guī)模擴大，報考人數(shù)逐年遞增，使原本以注重研究和創(chuàng)新能力發(fā)展的研究生培養(yǎng)，面臨能力發(fā)展與應試性選拔的現(xiàn)實矛盾，目前許多高校的專業(yè)學位課程不包含實踐教學，使專業(yè)學位碩士培養(yǎng)呈現(xiàn)重考試、輕實踐的現(xiàn)實問題[2]。另外，地方高校專業(yè)學位研究生主要來源于三本院校，生源基礎(chǔ)參差不齊，部分源于非計算機專業(yè)。這種專業(yè)差異給計算機專業(yè)課程的教學帶來困難。

1 立體案例庫結(jié)構(gòu)設計

從應用、案例類型、知識點類型3個角度劃分和延展教學案例，形成的分層分類立體案例庫的結(jié)構(gòu)見圖1。

該案例庫應用具有3個層次，包括在前修課程中的應用、經(jīng)典應用和現(xiàn)代信息處理中的應用。三者的差異表現(xiàn)為問題規(guī)模和問題發(fā)散度各不相同。案例類型層面，分為驗證性、設計性（必選）、設計性（自選）3個層次，其差異表現(xiàn)為問題規(guī)模和難易程度各不相同。從知識點類型看，案例庫涵蓋了算法的5個策略：分治法、動態(tài)規(guī)劃法、貪心法、回溯法和分支限界法，其差異表現(xiàn)為算法適用性各不相同?？傮w來看，第一層次有利于基礎(chǔ)差的學生學習，第三層次方便基礎(chǔ)好的學生擴展，從而適應不同層次學生的需要。每層次又組織成5個類別的案例，確定其中演示（已實現(xiàn)）、必選（未實現(xiàn)）和自選（未實現(xiàn)）案例，從而形成針對性較強的魔方式立體案例庫。

2 分層遞進的案例內(nèi)容設計方法

選擇合適的案例內(nèi)容是構(gòu)建案例庫的關(guān)鍵。在案例庫內(nèi)容設計上，主要采取分層分類、一體化設計的原則。

2.1 應用層面的分層分類內(nèi)容設計

從應用角度看，案例庫包含3個層次的內(nèi)容。

第一層次主要面向基礎(chǔ)較差的學生。由于本課程非常依賴程序設計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等前修課程，因此，第一層次案例主要選取程序設計和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中函數(shù)、文件、遞歸、查找、排序等問題，稱為在前修課程中的應用，為理解算法和設計算法打下基礎(chǔ)。

第二層次主要源于經(jīng)典應用，此部分案例占案例庫總量比例最大。經(jīng)典應用作為案例具有比較明顯的優(yōu)勢：其一，經(jīng)典應用已被大家熟悉，便于問題的理解和掌握，例如棋盤覆蓋問題，雖然學生不一定明白案例涉及的分治策略，但容易產(chǎn)生興趣；其二，經(jīng)典應用的解決方法研究得比較透徹，而且一般有多種解法，易于資料的搜集和展開多種方法的對比性研究。

第三層次主要源于科研和實際開發(fā)中的工程問題，更具有前沿性和實踐性，緊密聯(lián)系實際工程應用，使學生更容易理解解決實際問題的方法。例如，基于動態(tài)規(guī)劃算法的數(shù)據(jù)壓縮算法、動態(tài)規(guī)劃算法在產(chǎn)品加工控制策略中的應用、分治法在GIS快速合并中的應用、貪心算法在排課系統(tǒng)中的應用、Hadoop平臺中負載均衡貪心算法等。

2.2 實踐層面的分層分類內(nèi)容設計

從學生個人實踐的角度，案例庫的實現(xiàn)包括驗證性（演示）和設計性兩種，設計性案例又分為必選和自選兩類。

驗證性案例是案例庫系統(tǒng)已實現(xiàn)完成的案例，用于解決理論與實際相結(jié)合和課程針對性不強的問題，幫助全體學生分析實際案例。例如背包問題，案例庫系統(tǒng)已按問題闡述、問題特征、算法策略選擇、關(guān)鍵算法流程、測試數(shù)據(jù)、運行結(jié)果和源代碼7個方面進行了組織說明，詳細闡述了貪心算法在實際問題中的應用條件和技巧。

設計性案例是需要學生運用開發(fā)工具獨立開發(fā)完成的案例。這部分案例在內(nèi)容設置和難度設置方面具有連續(xù)性，也具有遞進性，以引導學生獨立思考、獨立分析問題和解決問題為目標，逐步扭轉(zhuǎn)學生的應試思維問題。例如0-1背包問題，系統(tǒng)只給出了問題闡述和測試數(shù)據(jù)，讓學生在分析問題特征和算法策略選擇的基礎(chǔ)上，自己給出關(guān)鍵算法流程、源代碼和運行結(jié)果。通過解決0-1背包問題，學生能熟悉動態(tài)規(guī)劃算法和回溯算法在實際應用中的條件和步驟，再與驗證性案例庫中一般背包問題進行比較，學生能加深理解貪心算法與動態(tài)規(guī)劃算法和回溯算法的區(qū)別與聯(lián)系。

設計性案例分為必選和自選兩類，主要為課程考核提供依據(jù)，促進學生獨立思考，提高學生獨立分析問題的能力，逐步培養(yǎng)其解決問題和自主學習能力。必選部分是課程考核時重點考察部分，每個學生必須完成，而自選部分是課程考核附加參考部分，體現(xiàn)難度和拓展性。例如0-1背包問題的遞歸回溯算法是設計性必選部分，而非遞歸回溯算法是自選部分，體現(xiàn)問題的連續(xù)性和遞進性。endprint

3 基于立體案例庫的教學實踐過程

立體案例庫提供了敘述形式豐富、教學目標清晰的教學手段。在實際教學中，需采用一定的措施以保障其實施效果。

3.1 適應性教學實踐過程

在實際教學中，可結(jié)合分層分類案例庫，根據(jù)不同學生的能力特征進行適應性教學。

（1）案例分析教學[3]。師生圍繞案例庫中典型的、具有專業(yè)探討價值的工程實例展開討論和學習，引導學生分析并做出決策，最大程度地契合專業(yè)學位研究生的應用能力需求。其過程包括案例閱讀與感知、案例分析與研討、案例總結(jié)與評述、撰寫案例報告等過程。這種教學主要針對經(jīng)典應用中的驗證案例進行。

（2）學生自主學習。通過必選和任選案例，結(jié)合一定的考核評價機制，促進學生課外自主學習。其中完成必選案例是期末成績的主要考核部分，難度一般；而任選案例所占比例較少，難度較大。

3.2 基于案例庫的教學實踐措施

由于案例庫具有多元結(jié)構(gòu)，教師教學和學生學習具有較大的自由度，因此，有必要提供一定的保障機制，以保障教學效果。

1）建立多元考核體系，以解決案例庫實施的易用性和持續(xù)性問題。

課程考核方法對學生學習方向的引導和學習積極性的促進是毋庸置疑的。結(jié)合能力培養(yǎng)目標，針對專業(yè)碩士，目前課程考核采用“案例測試（40%）+論文（10%）+期末筆試（50%）”的方式，根據(jù)分層次、分類型、分難易程度遞進的案例模塊，不同層次、不同類型的案例要求不同、分值不同，從而建立多元的考核體系，為教師評價學生的學習提供便捷、可行的手段[4]。魔方式立體案例庫為教學考核的重要參考因素之一，也激發(fā)了學生的主動參與意識。

2）編制案例庫說明書，以解決實踐教學學時不足問題。

由于計算機類專業(yè)學位研究生實踐教學環(huán)節(jié)要么缺失、要么時間緊張，需要學生課外進行大量的閱讀和自主練習。案例庫說明書就是對案例庫使用方法的說明，以便學生課外學習實踐。

3）建立課程網(wǎng)站，以解決課程資源一體化問題。

將建立好的案例庫嵌入算法設計與分析課程網(wǎng)站，有利于學生在一個網(wǎng)站上找到所有的參考資料與學習工具，增加學習興趣，提高學習效率。

4 立體案例教學實施效果

從2012年至今，學校專業(yè)碩士算法設計與分析課程逐步實施和運用立體案例庫輔助教學。從學生各級各類論文情況看，基于案例庫的有針對性的實踐訓練，提升了專業(yè)碩士的驗證能力、實證水平和實踐能力。從專業(yè)碩士學生第二學年發(fā)表小論文看，2011級占10%，2012級占40%，以后逐年遞增，目前基本達到70%左右。

案例教學的應用，大大改變了學生僅為考試過關(guān)而學的現(xiàn)象，激發(fā)了學習主動性，培養(yǎng)了較強的職場溝通能力、團隊合作能力、語言表達能力。學生較好地掌握了計算機專業(yè)領(lǐng)域的基本理論和基礎(chǔ)知識，豐富了項目實訓經(jīng)驗，熟悉了行業(yè)規(guī)范，加強了實踐動手能力。

5 結(jié) 語

隨著學校專業(yè)碩士算法設計與分析課程逐步實施和運用立體案例庫輔助教學，進一步完善和豐富了算法學習平臺，有效調(diào)動了優(yōu)質(zhì)學習資源，服務了計算機類專業(yè)學位研究生。本文方法在地方高校專業(yè)學位研究生培養(yǎng)模式方面，進行了一次有益的探索，對理工科專業(yè)碩士學位同類課程具有良好的借鑒意義。

參考文獻：

[1] 王建新， 陳志泊. 基于完全案例覆蓋的專業(yè)碩士生算法教學方法[J]. 計算機教育， 2013（16）： 67-71.

[2] 蘆碧波， 雒芬， 侯守明， 等. 專業(yè)學位研究生多媒體技術(shù)課程案例庫建設[J]. 計算機教育， 2015（23）： 11-13.

[3] 林剛， 何艷. 案例教學法在研究生培養(yǎng)中的引入與創(chuàng)新： 以北京工商大學“品牌傳播方向”為例[J]. 北京教育， 2016（3）： 65-67.

[4] 盧玲， 陳媛， 洪雄. 一種多元化的分級評價模式規(guī)劃與實踐[J]. 計算機教育， 2014（4）： 102-105.

（編輯：孫怡銘 ）endprint