翻轉(zhuǎn)課堂在算法設(shè)計(jì)與分析課程教學(xué)中的應(yīng)用探索

黃永鋒

【摘 要】“翻轉(zhuǎn)課堂”的傳入，給大學(xué)教育帶了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)；本文針對算法分析與設(shè)計(jì)課程與大學(xué)本科生的學(xué)情特點(diǎn)，從翻轉(zhuǎn)目的，翻轉(zhuǎn)策略及翻轉(zhuǎn)過程三個方面，論述了“翻轉(zhuǎn)課堂”的實(shí)施過程；特別是，在翻轉(zhuǎn)的詳細(xì)實(shí)施中，以“最長公共子序列”求解為例，闡述了翻轉(zhuǎn)教學(xué)過程的細(xì)節(jié)，取得了良好的教學(xué)效果，可為廣大一線教師提供參考。

【關(guān)鍵詞】翻轉(zhuǎn)課堂；算法設(shè)計(jì)與分析；教學(xué)改革；最長公共子序列

Application of Flipped Classroom in the Teaching of

Algorithm Design and Analysis HUANG Yong-feng

（School of Computer Engineering， Jiangsu University of Technology， Changzhou Jiangsu 213001， China）

【Abstract】According to the characteristics of “algorithm analysis and design” course and the learning situation of undergraduates， we discusses the implementation of the flipped classroom from three aspects： the purpose， the strategy and the process. In particular， taking the solution of “the longest common subsequence problem” as an example， the details of the process of flipped classroom are illustrated， which is proved to attain effective results. Therefore， the introduction of this kind of teach method brings new opportunities and challenges to the university education， which can provide the reference for the teachers who work in the teaching front line.

【Key words】Flipped classroom； Algorithm design and analysis； Teaching reform； Longest common subsequence

0 引言

“翻轉(zhuǎn)課堂”是教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容及學(xué)生學(xué)習(xí)情況，事先制作整理相關(guān)教學(xué)資料，讓學(xué)生在課外自主地進(jìn)行學(xué)習(xí)，然后帶著自學(xué)過程產(chǎn)生的問題進(jìn)入課堂，通過討論來解決問題的一種教學(xué)模式[1]。該模式起源于美國高中，經(jīng)過推廣進(jìn)入我國，給我們的教學(xué)改革帶來了一股清風(fēng)。

現(xiàn)今許多科學(xué)問題和工程實(shí)踐問題的解決，算法都扮演了重要角色?！八惴ㄔO(shè)計(jì)與分析”課程的教學(xué)任務(wù)是使學(xué)生掌握求解計(jì)算機(jī)應(yīng)用中經(jīng)典問題的方法，掌握設(shè)計(jì)和分析算法的基本原理和技巧，培養(yǎng)學(xué)生正確分析算法復(fù)雜性的能力[2]。由于該課程對學(xué)生編程與實(shí)踐均有較高要求，對于本科學(xué)生，傳統(tǒng)的教師授課方式容易讓人走神，學(xué)生普遍反映課程知識點(diǎn)抽象、難以理解，久而久之，學(xué)生水平間的差異越來越大。往往只有幾個天才和非常勤奮的學(xué)生才能夠理解算法過程，而大部分同學(xué)逐漸喪失學(xué)習(xí)該課程的動力和信心。

高度抽象的“算法設(shè)計(jì)與分析”課程給了翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式充分的自由發(fā)揮空間：翻轉(zhuǎn)教學(xué)強(qiáng)調(diào)先學(xué)后教，通過設(shè)定任務(wù)，讓學(xué)生先進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，沒有限定的學(xué)習(xí)時間有利于加深對算法問題本質(zhì)上的理解。帶著學(xué)習(xí)中產(chǎn)生的問題進(jìn)入課堂，通過合作探究的方式尋求解決方案，可以充分發(fā)揮課堂效率。教師走下講壇，從“教學(xué)主體”轉(zhuǎn)為教練角色，可以充分發(fā)掘?qū)W生特點(diǎn)，從而“以學(xué)定教”，根據(jù)學(xué)情調(diào)整教學(xué)進(jìn)程。另外，通過適時點(diǎn)撥和引導(dǎo)，把那些起初唯有學(xué)霸才能解決的高難度問題抽絲剝繭，讓大部分同學(xué)都能夠從沉思、申辯、競爭中張揚(yáng)個性，從解決問題的過程中獲得成就，可以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、分析問題與解決問題的能力。下面從翻轉(zhuǎn)目標(biāo)，翻轉(zhuǎn)策略與翻轉(zhuǎn)過程三個方面探索如何在算法設(shè)計(jì)與分析這門課程中進(jìn)行翻轉(zhuǎn)教學(xué)的實(shí)施。

1 翻轉(zhuǎn)目標(biāo)

社會發(fā)展在許多方面已改變了人類生活，然而，人們對物質(zhì)利益的追求越來越高，而對自身價值的追求卻越來越淡，在這種畸形風(fēng)氣影響下，很多人變成了單純的“技術(shù)動物”[3]，社會也趨于功利，缺乏創(chuàng)新活力。要改變這種社會狀態(tài)，必須讓大學(xué)教育回歸人的本性。即在“算法設(shè)計(jì)與分析”課程教學(xué)中，教師必須進(jìn)行教學(xué)理念的翻轉(zhuǎn)，徹底摒棄功利性的教學(xué)目的觀，在教學(xué)中傾注人文情懷[4]。

算法課程的最終目標(biāo)絕非單純掌握幾種經(jīng)典算法，而是通過算法過程的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問題—定義問題—抽象問題—數(shù)學(xué)建?！惴ㄔO(shè)計(jì)與優(yōu)化—實(shí)踐編碼的訓(xùn)練中，培養(yǎng)和鍛煉計(jì)算思維[5]，同時，讓他們的個性在思辨中得到張揚(yáng)，在課程的教學(xué)實(shí)施過程中體驗(yàn)快樂；使他們的表達(dá)、溝通、組織與協(xié)作能力一并得到鍛煉。在翻轉(zhuǎn)教學(xué)的整個過程中，只有始終牢記這樣的目標(biāo)，教師才能真正做到與學(xué)生平等自主地進(jìn)行溝通和指導(dǎo)，并騰出說教的時間，抽出更多精力來滿足學(xué)生的個性需求，體驗(yàn)教學(xué)的快樂。

2 翻轉(zhuǎn)策略

部分教師機(jī)械地認(rèn)為翻轉(zhuǎn)教學(xué)就是單純地從教師主講轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生主講，課前并不給學(xué)生預(yù)設(shè)教學(xué)目標(biāo)，課堂過程也缺乏互動，學(xué)生泛泛而談，教師對課堂缺乏管理，完全放任自流。正因如此，加上傳統(tǒng)教學(xué)理念的束縛，翻轉(zhuǎn)課堂在一定意義上被部分教師視為偷懶行為。其實(shí)，這是對“翻轉(zhuǎn)”的一種誤解，真正的翻轉(zhuǎn)要求教師對課程內(nèi)容進(jìn)行事先準(zhǔn)備，注重課程創(chuàng)生，要精心設(shè)計(jì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的內(nèi)容（制作微課），深入推敲知識點(diǎn)，把知識點(diǎn)進(jìn)行有效肢解和串聯(lián)，讓學(xué)生做到既能各個擊破，又能從整體上把握?！胺D(zhuǎn)課堂”還要求教師對教學(xué)過程進(jìn)行仔細(xì)策劃，如預(yù)設(shè)教學(xué)目標(biāo)和問題，讓學(xué)生有的放矢。endprint

真正的翻轉(zhuǎn)課堂對教師的教學(xué)能力實(shí)際上提出了更為嚴(yán)格的要求。教師必須能非常熟練地掌握教學(xué)內(nèi)容，與前后關(guān)聯(lián)課程能進(jìn)行有效串接，在實(shí)際場景中能靈活應(yīng)用，在課堂上與學(xué)生的互動中能信手粘來，這樣才能引導(dǎo)課堂翻轉(zhuǎn)過程，發(fā)揮課堂效率。例如，對“算法設(shè)計(jì)與分析”這門課，教師不僅要能完全吃透數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序設(shè)計(jì)課程的內(nèi)容，更要掌握計(jì)算復(fù)雜性、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中與算法相關(guān)的部分，只有這樣，在課堂的思辨中才能做到游刃有余。通常情況下，教師在自己還沒有熟練掌握“算法設(shè)計(jì)與分析”內(nèi)容之前，不建議直接采用翻轉(zhuǎn)形式進(jìn)行教學(xué)。

翻轉(zhuǎn)絕非流于形式上的翻轉(zhuǎn)，而需要根據(jù)課程與學(xué)情特點(diǎn)詳細(xì)敲定翻轉(zhuǎn)的內(nèi)容，對于給本科生開設(shè)的“算法設(shè)計(jì)與分析”課程，由于對抽象思維和實(shí)踐要求均較高，我們采取了如下漸近策略：首先，整個課程結(jié)構(gòu)按照算法大類，即分治、貪心、動態(tài)規(guī)劃、回溯與分支限界這樣的脈絡(luò)去安排學(xué)生學(xué)習(xí)，方便學(xué)生掌握各類算法中共有的核心思想。在起初的教學(xué)中，我們發(fā)現(xiàn)，讓學(xué)生一開始便完全自主學(xué)習(xí)所有大類的經(jīng)典算法，由于事先沒有接觸過類似的思維方式，大部分同學(xué)容易遭受挫折，許多同學(xué)因無法繼續(xù)學(xué)習(xí)下去而喪失興趣和信心。因此，在最初每個算法分類的第一個經(jīng)典案例學(xué)習(xí)中，我們預(yù)先布置同學(xué)們預(yù)習(xí)，在課堂上，仍然主要通過授課與啟發(fā)提問的方式帶領(lǐng)學(xué)生剖析算法的核心思想。需要注意的是，通過擺現(xiàn)實(shí)問題，然后進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象等逐層引導(dǎo)的方式歸納出科學(xué)問題并提出解法后，課堂中需要空出適當(dāng)?shù)臅r間讓學(xué)生自己總結(jié)一類算法所解決問題的共性特點(diǎn)以及具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。其次，在后續(xù)算法的經(jīng)典案例中，再逐漸采用翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式，讓學(xué)生成為課堂的主人。最后，當(dāng)完成部分算法的一些大類學(xué)習(xí)后，對于后面新的大類算法，可以一開始就采用翻轉(zhuǎn)形式，讓學(xué)生完全控制學(xué)習(xí)節(jié)奏，鍛煉他們的創(chuàng)新思維。通過這樣逐層遞進(jìn)的方式，不僅讓學(xué)生們消除了畏難情緒，在學(xué)習(xí)過程中嘗到了成功的滋味，培養(yǎng)起他們的自信和興趣，也讓他們于潛移默化中掌握了知識內(nèi)容。

由于“算法設(shè)計(jì)與分析”課程實(shí)踐性強(qiáng)，學(xué)生除了要掌握算法的基本理論外，也要能夠掌握實(shí)現(xiàn)算法的技巧，因此，上機(jī)實(shí)踐對于算法的掌握和應(yīng)用非常關(guān)鍵。除了在理論教學(xué)中體現(xiàn)翻轉(zhuǎn)外，上機(jī)實(shí)踐中同樣可以運(yùn)用翻轉(zhuǎn)教學(xué)。以往的上機(jī)實(shí)踐通常是學(xué)生在課堂內(nèi)機(jī)械地敲寫代碼和調(diào)試程序，課后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，學(xué)生之間、師生之間的互動較少，等到學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己的問題，往往是快要下課了，實(shí)驗(yàn)中的問題很難完美解決。采用翻轉(zhuǎn)模式后，要求學(xué)生在課前就已經(jīng)至少調(diào)試過一遍所有程序，實(shí)驗(yàn)結(jié)果當(dāng)堂檢測，存在問題的當(dāng)堂提問。另外，可通過分配小組的形式，讓動手能力較強(qiáng)的學(xué)生來輔助教師解決問題。對于一些共性問題，教師也可以當(dāng)堂發(fā)起討論并演示解決辦法。對于實(shí)驗(yàn)的評價，除了實(shí)驗(yàn)結(jié)果檢測外，更重要的是要參考學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課堂表現(xiàn)，包括學(xué)生提出問題的質(zhì)量、解決問題的辦法，以及幫助其他同學(xué)解決問題的能力。

5 總結(jié)

翻轉(zhuǎn)課堂弱化了教師的主導(dǎo)地位，學(xué)生成了課堂主人，學(xué)生根據(jù)自己提前自學(xué)掌握的知識，帶著疑問進(jìn)入課堂，又通過合作探究解決了自己的疑問。在算法設(shè)計(jì)與分析課程中，我們根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，部分內(nèi)容采用了翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式，取得了良好的教學(xué)效果。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，翻轉(zhuǎn)課堂采用之前，大約只有30%的學(xué)生能夠真正掌握最長公共子序列的求解步驟，而其中仍然有一半的學(xué)生只其然而不知其所以然，對動態(tài)規(guī)劃本身的思想要點(diǎn)仍然不得要領(lǐng)。采用翻轉(zhuǎn)課堂后，至少80%的學(xué)生能夠掌握該解題步驟，而且有超過50%的學(xué)生能夠真正吃透動態(tài)規(guī)劃優(yōu)于窮舉和分治的真正原因。這種“以學(xué)定教”[1]的教學(xué)過程，使課堂效率得以迅速提升。

在今后的教學(xué)過程中，我們將繼續(xù)深化這種模式的應(yīng)用，引入更多的翻轉(zhuǎn)形式。也將考慮引入藍(lán)橋杯大賽、ACM-ICPC等競賽的在線評判（OJ）系統(tǒng)來進(jìn)一步輔助翻轉(zhuǎn)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用，同時深入探索多層次的教學(xué)評價機(jī)制，更多考慮學(xué)生在合作探究過程中的表現(xiàn)在評價中的作用，以達(dá)到更好的激勵目的。

【參考文獻(xiàn)】

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