人工智能時(shí)代算法基礎(chǔ)課程教學(xué)探索與實(shí)踐

趙慧娟 馮國(guó)富 劉智翔

[摘 要] 算法基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心課程。為提高教學(xué)質(zhì)量，文章對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核評(píng)價(jià)體系進(jìn)行了探索。實(shí)踐證明，課程建設(shè)和教學(xué)改革效果良好。

[關(guān)鍵詞] 算法基礎(chǔ);雨課堂;工程教育專業(yè)認(rèn)證

[基金項(xiàng)目] 上海海洋大學(xué)2019年重點(diǎn)建設(shè)課程項(xiàng)目“算法基礎(chǔ)”（A1-2005-00-300533）;上海海洋大學(xué)2018年信息學(xué)院重點(diǎn)課程建設(shè)項(xiàng)目“算法基礎(chǔ)”（20180218）

[作者簡(jiǎn)介] 趙慧娟（1977—），女，山東泰安人，碩士，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)器學(xué)習(xí)。

[中圖分類號(hào)] G642? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）37-0180-02? ? [收稿日期] 2019-11-25

一、引言

算法是計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的基石。在人工智能時(shí)代，算法的學(xué)習(xí)和研究更為重要。算法基礎(chǔ)課程旨在培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，提高分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。課程具有綜合性、實(shí)用性、靈活性和難度大等特點(diǎn)，在我校2018版計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)方案中，算法基礎(chǔ)被列入專業(yè)核心課程，學(xué)時(shí)數(shù)從32學(xué)時(shí)（20學(xué)時(shí)理論+12學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)）增加為64學(xué)時(shí)（32學(xué)時(shí)理論+32學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)）。

在舊版的培養(yǎng)方案中，算法課程作為選修課，課時(shí)少。存在的問(wèn)題有：一是學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中參與度不高;二是教師不能及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況;三是對(duì)學(xué)生成績(jī)未進(jìn)行深入分析，對(duì)后續(xù)的課程教學(xué)參考意義甚微。算法課程教學(xué)內(nèi)容的梳理、教學(xué)手段及考核評(píng)價(jià)等改革迫在眉睫，面向工程教育認(rèn)證基于“雨課堂”的算法基礎(chǔ)混合式教學(xué)模式的構(gòu)建應(yīng)運(yùn)而生。

二、課程教學(xué)內(nèi)容

課程以學(xué)生熟悉的問(wèn)題為切入點(diǎn)，例如信息搜索、排序、密碼學(xué)及貨物配送最短路徑等入手，以各種基本算法設(shè)計(jì)技術(shù)作為主線，講授的算法設(shè)計(jì)技術(shù)包括蠻力法、分治法、減治法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、貪心法、回溯法、分支限界法和概率法等。在介紹每個(gè)算法設(shè)計(jì)技術(shù)時(shí)，按照“算法思想-應(yīng)用案例—時(shí)間空間復(fù)雜度分析”的路線展開(kāi)，隨著算法技術(shù)學(xué)習(xí)的深入，將對(duì)比不同算法設(shè)計(jì)技術(shù)在解決同一問(wèn)題時(shí)的異同點(diǎn)和優(yōu)劣。

為提高學(xué)生對(duì)算法設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用能力，加強(qiáng)學(xué)生競(jìng)爭(zhēng)力，從各類競(jìng)賽（如ACM，藍(lán)橋杯）和IT類公司面試題中選取具有代表性的問(wèn)題進(jìn)行分析、算法設(shè)計(jì)、算法實(shí)現(xiàn)和效率評(píng)價(jià)，切實(shí)將理論付諸實(shí)踐。

三、基于“雨課堂”的混合式教學(xué)方法

（一）雨課堂

雨課堂是清華大學(xué)和學(xué)堂在線共同研發(fā)的新型智慧教學(xué)軟件?！坝暾n堂”作為PowerPoint插件，簡(jiǎn)單實(shí)用，為教師和學(xué)生打通了課堂內(nèi)外的時(shí)間和空間，形成了24小時(shí)的在線課堂。教師借助“雨課堂”發(fā)布課堂教學(xué)中使用的PPT、習(xí)題、視頻、語(yǔ)音等學(xué)習(xí)材料;學(xué)生掃碼進(jìn)入課堂，在微信里可以實(shí)時(shí)收到老師推送的學(xué)習(xí)材料，提高學(xué)生的出勤率。在課堂教學(xué)及討論中，學(xué)生可以通過(guò)發(fā)送彈幕反饋問(wèn)題，及時(shí)與教師互動(dòng)，教師可據(jù)此更好地調(diào)整課堂的學(xué)習(xí)氣氛、實(shí)時(shí)調(diào)整教學(xué)的節(jié)奏進(jìn)度，及時(shí)答疑解惑;在課堂教學(xué)中，教師還可以實(shí)時(shí)給學(xué)生發(fā)送習(xí)題，提高學(xué)生在課堂中的學(xué)習(xí)參與度，第一時(shí)間了解學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度，對(duì)上課效果有更直觀的認(rèn)識(shí)，寓教于樂(lè)，增加教學(xué)趣味性與教育教學(xué)的實(shí)用性。

（二）基于“雨課堂”的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)

基于“雨課堂”的混合式教學(xué)是一種輕量級(jí)的翻轉(zhuǎn)課堂，它將傳統(tǒng)教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)習(xí)、移動(dòng)學(xué)習(xí)融于一體。學(xué)生真正成為課堂的核心，實(shí)時(shí)獲取課堂教學(xué)內(nèi)容、反饋疑惑、提升學(xué)生作為學(xué)習(xí)過(guò)程主體的積極性與創(chuàng)造性;教師在基于“雨課堂”的混合式教學(xué)中，可以及時(shí)掌握學(xué)生對(duì)課堂教學(xué)知識(shí)點(diǎn)的掌握，以便教師及時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和進(jìn)度，更多地體現(xiàn)為學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)者和指導(dǎo)者，對(duì)教師提出了更高的專業(yè)要求。在算法基礎(chǔ)的理論教學(xué)中，借助“雨課堂”電子教案，采用案例驅(qū)動(dòng)，講解算法設(shè)計(jì)技術(shù)的思想、適用問(wèn)題、算法描述和時(shí)間空間復(fù)雜度分析，并輔以直觀的程序演示。由此，舉一反三，使用該算法設(shè)計(jì)技術(shù)求解其他經(jīng)典問(wèn)題。在算法基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)課中，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，對(duì)實(shí)驗(yàn)題目進(jìn)行問(wèn)題分析、算法設(shè)計(jì)、使用編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)算法。在此學(xué)習(xí)中，學(xué)生不僅可以掌握算法設(shè)計(jì)和分析技術(shù)，理論與實(shí)踐相結(jié)合，而且對(duì)編程語(yǔ)言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容溫故知新，將所學(xué)的知識(shí)融會(huì)貫通，從而提升復(fù)雜程序設(shè)計(jì)的技能。

（三）EOL在線學(xué)習(xí)

除了雨課堂之外，本課程教學(xué)組還依托學(xué)校的EOL（在線學(xué)習(xí)）教學(xué)平臺(tái)。在EOL平臺(tái)上教師已發(fā)布有課程的教學(xué)大綱、教學(xué)日歷、教案、算法演示程序、習(xí)題庫(kù)、章節(jié)測(cè)驗(yàn)和作業(yè)等。學(xué)生可以借助EOL了解課程目標(biāo)、教學(xué)進(jìn)度、教學(xué)內(nèi)容，做好課下預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)練習(xí)，及時(shí)完成測(cè)驗(yàn)和提交作業(yè);在多輪課程教學(xué)中，教學(xué)組參考借鑒國(guó)內(nèi)外高校算法課程的教學(xué)內(nèi)容和當(dāng)今算法研究的熱點(diǎn)，梳理、調(diào)整教學(xué)內(nèi)容;篩選優(yōu)秀的MOOC資源推薦給學(xué)生在課外輔助學(xué)習(xí)，補(bǔ)充增加算法設(shè)計(jì)與分析領(lǐng)域最新的新成果。

（四）線上線下輔導(dǎo)答疑

課堂外的輔導(dǎo)答疑作為課程學(xué)習(xí)的有效補(bǔ)充，有線下的面對(duì)面輔導(dǎo)和線上的課程學(xué)習(xí)群等方式，為學(xué)生提供“全浸入”的課程學(xué)習(xí)環(huán)境。在課程學(xué)習(xí)群，除了討論課程教學(xué)知識(shí)點(diǎn)外，還將及時(shí)推送業(yè)界研究熱點(diǎn)、國(guó)內(nèi)外算法類競(jìng)賽以及IT公司面試中算法設(shè)計(jì)題目，引導(dǎo)學(xué)生捕捉業(yè)內(nèi)研究熱點(diǎn)。

四、課程考核

在課程教學(xué)中，堅(jiān)持按照國(guó)際工程認(rèn)證的要求指導(dǎo)教學(xué)過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、算法設(shè)計(jì)、算法實(shí)現(xiàn)和算法分析等方面的能力。面向工程教育專業(yè)認(rèn)證，將課程教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求關(guān)聯(lián)，改進(jìn)課程考核和評(píng)價(jià)方法。

（一）工程教育專業(yè)認(rèn)證

工程教育專業(yè)認(rèn)證是工程教育質(zhì)量保障制度，也是實(shí)現(xiàn)工程教育國(guó)際互認(rèn)和工程師資格國(guó)際互認(rèn)的重要基礎(chǔ)。工程教育突出教學(xué)目標(biāo)產(chǎn)出導(dǎo)向，以學(xué)生收獲、畢業(yè)達(dá)成情況為中心，強(qiáng)調(diào)持續(xù)改進(jìn)培養(yǎng)素質(zhì)。因此，面向工程認(rèn)證的教學(xué)更有助于提升學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量。以O(shè)BE為導(dǎo)向進(jìn)行課程的反向設(shè)計(jì)，將課程教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求關(guān)聯(lián)，改進(jìn)課程考核和評(píng)價(jià)方法。

（二）課程教學(xué)目標(biāo)

①掌握基本的算法設(shè)計(jì)技術(shù)，能夠讀懂算法;對(duì)于具體問(wèn)題可以設(shè)計(jì)算法求解，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能力。②掌握基本的算法時(shí)間復(fù)雜性和空間復(fù)雜性分析方法，培養(yǎng)學(xué)生的算法分析能力，從而優(yōu)化算法。③引導(dǎo)學(xué)生的思維過(guò)程，培養(yǎng)計(jì)算思維能力、提升分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。④樹立正確的價(jià)值觀，培養(yǎng)文化自信、團(tuán)隊(duì)合作精神、良好的職業(yè)道德素養(yǎng)和法治意識(shí)。

（三）支撐的畢業(yè)要求

在我校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)畢業(yè)生需要達(dá)到的眾多畢業(yè)要求中，算法基礎(chǔ)課程支撐的畢業(yè)要求如下：①能針對(duì)本專業(yè)領(lǐng)域具體的對(duì)象建立數(shù)學(xué)模型并求解;②能夠?qū)ｉT知識(shí)和數(shù)學(xué)模型方法用于復(fù)雜計(jì)算機(jī)工程問(wèn)題解決方案的比較與綜合。③能運(yùn)用基本原理，借助文獻(xiàn)研究，分析過(guò)程的影響因素，獲得有效結(jié)論。④能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和解釋，并通過(guò)信息綜合得到合理有效的結(jié)論。

（四）課程考核

課程考核采用平時(shí)成績(jī)和閉卷筆試和相結(jié)合的形式，其中期末筆試占70%，平時(shí)成績(jī)占30%。平時(shí)成績(jī)包括課堂表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)作業(yè)等。實(shí)驗(yàn)作業(yè)將改變以往只提交紙質(zhì)作業(yè)或網(wǎng)上簡(jiǎn)單客觀題的局面，更加注重學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)。平時(shí)作業(yè)的評(píng)測(cè)依托在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)，更好地提高學(xué)生動(dòng)手解決問(wèn)題的能力。期末考試的主要內(nèi)容是算法設(shè)計(jì)技術(shù)的基本思想、分析問(wèn)題能力和算法設(shè)計(jì)能力的考核。課程考核與課程目標(biāo)、畢業(yè)要求的關(guān)系如下表。

課程教學(xué)和考核結(jié)束后，對(duì)學(xué)生成績(jī)進(jìn)行目標(biāo)達(dá)成度分析，及時(shí)了解學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的掌握程度和學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量，便于后續(xù)完善教學(xué)過(guò)程、持續(xù)提升教學(xué)質(zhì)量。改變以往試卷成績(jī)簡(jiǎn)單歸檔的情況。

五、結(jié)語(yǔ)

為迎接新的算法基礎(chǔ)課程教學(xué)，我們梳理、優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容;改革了教學(xué)方法和課程考核評(píng)價(jià)體系。今后，我們將進(jìn)一步探索和實(shí)踐，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性和教師的教學(xué)潛力。以國(guó)內(nèi)外信息類競(jìng)賽為契機(jī)，積極組織和指導(dǎo)更多的學(xué)生，形成良好的學(xué)習(xí)實(shí)踐氛圍，切實(shí)提高學(xué)生在就業(yè)工作招聘時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)力。