民族地區(qū)高校算法設(shè)計(jì)與分析課程的計(jì)算思維能力培養(yǎng)

韋修喜 黃華娟

摘要：計(jì)算思維能力是高校創(chuàng)新人才應(yīng)具備的基本素質(zhì)，也是衡量高校教育水平的重要指標(biāo)。本文以算法設(shè)計(jì)與分析課程為切入點(diǎn)，面向民族地區(qū)高校的計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生，從理論和實(shí)踐兩個(gè)角度探索如何在教學(xué)過程中嵌入計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，加強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新與實(shí)踐能力，達(dá)到學(xué)以致用的目的。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維能力;算法設(shè)計(jì)與分析;創(chuàng)新;民族地區(qū)

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，算法設(shè)計(jì)與分析課程已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)中處于核心地位的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。目前，大多數(shù)高校越來越重視算法課程的教學(xué)，將該門課程與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程分離，系統(tǒng)地介紹計(jì)算機(jī)算法的設(shè)計(jì)方法與分析技巧。同時(shí)，算法設(shè)計(jì)與分析又是一門年輕的學(xué)科，它還處在發(fā)展和探索中。算法學(xué)科的高速發(fā)展引起了學(xué)科教學(xué)知識體系的迅速變化，課程教學(xué)必須隨之調(diào)整和更新，舍去已失去活力的內(nèi)容，引入新理論、新方法和新技術(shù)，才能順應(yīng)學(xué)科發(fā)展的需求。

計(jì)算思維是當(dāng)前國際計(jì)算機(jī)界廣為關(guān)注的一個(gè)重要概念[1]，也是國內(nèi)計(jì)算機(jī)教育界廣泛重視并開始研究的熱點(diǎn)問題[2-3]。目前在一些研究型大學(xué)中，已有許多專家和學(xué)者嘗試在一些計(jì)算機(jī)課程中引入計(jì)算思維的思想，開展探索性和實(shí)驗(yàn)性的教學(xué)實(shí)踐，提高學(xué)生的計(jì)算思維能力和創(chuàng)新能力。

本文結(jié)合筆者在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的問題，分析算法設(shè)計(jì)與分析和計(jì)算思維的內(nèi)在聯(lián)系，討論在該門課程教學(xué)過程中如何開展有效的教學(xué)改革實(shí)踐，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生具有計(jì)算思維能力和創(chuàng)新能力的目的。

1 民族地區(qū)高校算法設(shè)計(jì)與分析課程教學(xué)中存在的不足

（1）民族地區(qū)學(xué)生基礎(chǔ)相對薄弱，學(xué)習(xí)自覺性不夠高

由于教育資源的地域差距，民族地區(qū)的學(xué)生進(jìn)入大學(xué)以后，普遍存在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)薄弱，獨(dú)立思考與自學(xué)能力偏弱等問題，特別是邏輯思維、計(jì)算思維能力、推理能力方面偏弱。如在算法設(shè)計(jì)與分析課程的學(xué)習(xí)中，需要去理解程序運(yùn)行、編寫的方法和思路，分析算法的優(yōu)劣，這些內(nèi)容往往需要反復(fù)講解幾遍，學(xué)生才能聽懂。同時(shí)民族地區(qū)的學(xué)生又相對缺乏良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，在課程學(xué)習(xí)過程中往往是被動學(xué)習(xí)，對于計(jì)算機(jī)課程中抽象的概念、原理及技術(shù)不愿深究理解，只是根據(jù)課本上的內(nèi)容強(qiáng)記硬背，考試就寄希望于任課教師劃范圍、圈重點(diǎn)，及格就算完成任務(wù)。

（2）民族地區(qū)學(xué)生學(xué)習(xí)交流范圍窄，職業(yè)規(guī)劃不明確

少數(shù)民族學(xué)生可從外界獲取的信息量匱乏，從而也降低了學(xué)習(xí)興趣和信心，更談不上對未來的職業(yè)或?qū)W習(xí)生涯有所規(guī)劃。部分民族學(xué)生認(rèn)為已學(xué)到的一些專業(yè)知識“沒有用”，不知道為什么要學(xué)習(xí)這些理論課程，學(xué)了以后對后繼的學(xué)業(yè)和今后的發(fā)展有什么意義，學(xué)習(xí)生活較迷茫，甚至消極，這將對教學(xué)質(zhì)量和專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

2 “算法設(shè)計(jì)與分析”課程教學(xué)中計(jì)算思維的培養(yǎng)

2006年，美國卡內(nèi)基.梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任Jeannette M. Wing教授提出了計(jì)算思維的思想。該教授認(rèn)為，計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動。計(jì)算思維的概念一經(jīng)提出，就引起了教育界學(xué)者們的廣泛關(guān)注。如何在教學(xué)實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，一直是學(xué)者們

廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)。2010年，教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會編制的《高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才專業(yè)能力構(gòu)成與培養(yǎng)》中指出，計(jì)算思維能力是培養(yǎng)計(jì)算機(jī)專業(yè)人才的專業(yè)基本能力。并同時(shí)指出，針對計(jì)算機(jī)專業(yè)，計(jì)算思維能力主要包括問題及問題求解過程的符號表示、邏輯思維與抽象思維、形式化證明、建立模型和模型計(jì)算、利用計(jì)算機(jī)技術(shù)等。下面，我們將圍繞這個(gè)計(jì)算思維能力要求，探討如何在本科算法設(shè)計(jì)與分析的教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

算法設(shè)計(jì)與分析所涉及的領(lǐng)域非常廣泛，通常包括下面幾方面的內(nèi)容：（1）迄今為止人們所設(shè)計(jì)的各種基本和經(jīng)典的算法，如排序、搜索、圖的算法、組合算法和大量的數(shù)值計(jì)算算法。這一部分內(nèi)容是入門基礎(chǔ)知識，如果學(xué)生學(xué)習(xí)不好本章內(nèi)容，就會影響到他們學(xué)習(xí)本門課程的積極性。因此，對于這一章內(nèi)容我們主要采用計(jì)算思維的抽象教學(xué)方法。在教授這一部分內(nèi)容時(shí)，教師可以在授課前引導(dǎo)學(xué)生思考人類大腦的運(yùn)作方式，然后在這紛雜的信息中概括和抽取出具有相同的內(nèi)在特征，用統(tǒng)一的知識進(jìn)行表示，并對未知的知識進(jìn)行推理和搜索。這樣的教學(xué)方式讓學(xué)生學(xué)會從計(jì)算機(jī)技術(shù)的層面思考人腦思維方式的模型構(gòu)建，通過層層思考、層層深入和層層解決問題的方式，使學(xué)生對這一部分內(nèi)容有著更深層次的理解。

（2）關(guān)于算法分析和算法設(shè)計(jì)策略、可計(jì)算性理論和問題復(fù)雜性等方面的理論研究，如計(jì)算模型、NP 完全問題和問題復(fù)雜度下階等理論。這部分內(nèi)容涉及到系統(tǒng)的構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)，所以這一部分內(nèi)容我們主要采用計(jì)算思維的案例教學(xué)方法。教師可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的需要，通過設(shè)置具體的案例，引導(dǎo)學(xué)生參與分析、討論、構(gòu)建模型和解決問題等活動，讓學(xué)生在具體情境中積極思考和主動探索，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識問題、分析問題和解決問題的能力。這種教學(xué)方式充分發(fā)揮了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和自覺性。

（3）近年來在并行算法、隨機(jī)算法、近似算法、加密算法、智能優(yōu)化算法、模式識別算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、遺傳算法以及其他算法領(lǐng)域方面的最新研究成果。在這一部分內(nèi)容的教學(xué)中，我們主要采用計(jì)算思維的轉(zhuǎn)化教學(xué)方法。在教學(xué)中，首先，教師引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用前面章節(jié)掌握的知識建立起算法的基本邏輯框架，通過計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)算法原理的轉(zhuǎn)化。其次，教師可以指導(dǎo)學(xué)生研讀相關(guān)算法的源程序，進(jìn)而讓學(xué)生逐步學(xué)會用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)算法，并使學(xué)生習(xí)慣利用數(shù)學(xué)建模的思想來解決具體的實(shí)際問題。實(shí)踐效果表明，這種方式有助于將學(xué)生的通常思維模式轉(zhuǎn)化為計(jì)算思維的模式。

3 結(jié)束語

算法設(shè)計(jì)與分析課程是一門非常重要的計(jì)算機(jī)專業(yè)課程，具有理論和實(shí)踐并重的特點(diǎn)，如何利用學(xué)生已有的知識和經(jīng)驗(yàn)，使其快速掌握一些經(jīng)典算法的設(shè)計(jì)思想，進(jìn)而能夠創(chuàng)造性地解決一些實(shí)際應(yīng)用問題，是我們在教學(xué)中關(guān)注的重點(diǎn)。本文就算法設(shè)計(jì)與分析這門課程，面向民族地區(qū)高校的計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生，從理論和實(shí)踐兩個(gè)角度探索如何在教學(xué)過程中嵌入計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，加強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新與實(shí)踐能力，使算法設(shè)計(jì)與分析的教學(xué)質(zhì)量提高到新的水平。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：韋修喜（1980-）男，廣西百色人，講師，碩士，主要從事人工智能理論教學(xué)與研究。