“新工科”背景下算法設(shè)計(jì)與分析課程的教學(xué)改革

鄧國強(qiáng) 唐 敏

（桂林電子科技大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

算法設(shè)計(jì)與分析是本校數(shù)學(xué)與計(jì)算科學(xué)學(xué)院信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)核心課程，理論性與實(shí)踐性兼顧。本課程主要講授各種算法策略的基本機(jī)制、基礎(chǔ)算法、基本算法設(shè)計(jì)技術(shù)、算法復(fù)雜度與問題下界、剪枝搜索、近似算法、分?jǐn)偡治?、隨機(jī)算法和在線算法等。算法的研究不僅對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生非常重要，對(duì)信息與計(jì)算科學(xué)、通信工程、分子生物學(xué)等專業(yè)學(xué)生也必不可少。

1 新工科背景下的人才培養(yǎng)

2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》。通知中明確指出：新工科建設(shè)以互聯(lián)網(wǎng)和智能為核心，以人工智能、云計(jì)算、機(jī)器人、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等用于傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級(jí)改造，相對(duì)于傳統(tǒng)的人才，未來新興產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)需要實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才。算法分析與設(shè)計(jì)作為信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)的一門專業(yè)必修課，如何根據(jù)新工科背景下的人才導(dǎo)向，最大限度地利用該課程幫助學(xué)生適應(yīng)各種新興產(chǎn)業(yè)，提高自己的實(shí)踐能力和問題解決能力，成為具備國際競(jìng)爭(zhēng)力的人才，是信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)教學(xué)改革和人才培養(yǎng)中面臨的一個(gè)重要問題。探索新工科背景下的算法設(shè)計(jì)與分析教學(xué)和實(shí)踐新模式顯得尤為迫切。

2 圍繞新工科建設(shè)進(jìn)行教學(xué)改革

2.1 開展系列講座，充分認(rèn)識(shí)互聯(lián)網(wǎng)與信息時(shí)代，探討新工科人才培養(yǎng)模式

專業(yè)課教師應(yīng)具有較強(qiáng)的理論功底與豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過與學(xué)生進(jìn)行交流，了解學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，把握學(xué)生實(shí)際具有的專業(yè)技能和技術(shù)。開展系列講座，介紹機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)處理等，引導(dǎo)學(xué)生查閱文獻(xiàn)，了解網(wǎng)絡(luò)信息和人工智能時(shí)代的新問題、新方法、新技術(shù)。

本課程任課教師組成討論組，定期進(jìn)行交流探討，分析課程教學(xué)內(nèi)容與新工科教育新理念、人才培養(yǎng)新模式相適應(yīng)的具體實(shí)施策略。與其他專業(yè)課程老師探討算法分析與設(shè)計(jì)課程與數(shù)據(jù)庫、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字信號(hào)處理等課程之間的結(jié)合點(diǎn)，在“學(xué)科交叉、深度融合”的基礎(chǔ)上，為學(xué)生提供更自由的選擇與發(fā)展空間，培養(yǎng)各種知識(shí)融會(huì)貫通的復(fù)合型人才。

2.2 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合新工科專業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)要求，突出實(shí)際應(yīng)用，完善考核體系

在教學(xué)內(nèi)容設(shè)置上，除了講授經(jīng)典算法和設(shè)計(jì)策略，還應(yīng)結(jié)合新興產(chǎn)業(yè)要求，將大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能算法也加入我們的課堂，從各種競(jìng)賽和實(shí)際應(yīng)用中挖掘與算法課程相關(guān)的工程案例。讓學(xué)生感到授課內(nèi)容不再是陳舊知識(shí)，而是與當(dāng)今時(shí)代的發(fā)展緊密結(jié)合的。突出實(shí)際應(yīng)用、問題驅(qū)動(dòng)、工程案例教學(xué)，完善考核體系。

開展多維度教學(xué)評(píng)價(jià)體系，既達(dá)到課程教學(xué)目標(biāo)，又體現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用能力。在期末成績?cè)u(píng)定上不搞一刀切、一場(chǎng)定勝負(fù)，兼顧學(xué)生的不同特長，設(shè)計(jì)不同的考核內(nèi)容和檢查形式，在過程性考核中，擅長算法分析的可以從理論的角度進(jìn)行考查，擅長語言的可以從數(shù)值實(shí)驗(yàn)的角度進(jìn)行考查，擅長算法設(shè)計(jì)的可以從偽代碼的角度進(jìn)行考查。

2.3 開展混合式教學(xué)模式

強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心的BOPPPS教學(xué)法和復(fù)合式教學(xué)法在課堂教學(xué)中得到廣泛使用[2]。課前指導(dǎo)學(xué)生收看線上教學(xué)視頻、結(jié)合MOOC[3]和SPOC[4]、查閱中英文文獻(xiàn)和各種技術(shù)資料，從廣度和深度兩方面掌握所研究問題的經(jīng)典算法、流行算法、應(yīng)用等；將英語學(xué)習(xí)應(yīng)用于專業(yè)學(xué)習(xí)，作為算法設(shè)計(jì)分析課程的學(xué)習(xí)工具[5，6]；課堂上教師講授基本知識(shí)，給出基本算法設(shè)計(jì)策略，學(xué)生對(duì)閱讀材料、課后習(xí)題、程序等進(jìn)行討論和交流，教師給予指導(dǎo)和評(píng)價(jià)。

2.4 精選課程設(shè)計(jì)課題，提高學(xué)生創(chuàng)新能力

以算法分析與設(shè)計(jì)課程中經(jīng)典算法與問題為核心，精選課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，結(jié)合移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、定位導(dǎo)航、軟件開發(fā)等設(shè)置多學(xué)科交叉融合的項(xiàng)目，嚴(yán)格控制選題人數(shù)，保證小組之間的競(jìng)爭(zhēng)與交流合作。讓教師成為“導(dǎo)師”，讓課本成為“文獻(xiàn)”和“參考書”，提高學(xué)生適應(yīng)變化能力與工程創(chuàng)新能力。例如，結(jié)合“Voronoi圖的構(gòu)造”和新工科內(nèi)容，設(shè)置課題：基于Voronoi圖的近鄰優(yōu)化聚類算法、基于Voronoi圖的3D打印輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、基于Voronoi圖與博弈策略的多無人機(jī)軌跡規(guī)劃等。再例如，與云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)的求解無向帶權(quán)圖的最小割隱私保護(hù)問題、求解TSP問題的量子計(jì)算算法設(shè)計(jì)、物聯(lián)網(wǎng)下大數(shù)據(jù)隱私保護(hù)等。

3 結(jié)語

本項(xiàng)目將推進(jìn)新工科背景下才培養(yǎng)過程中的算法課程教學(xué)與實(shí)踐的全面改革，成果通過以下形式體現(xiàn)：完成混合式理論教學(xué)和研究型實(shí)踐教學(xué)的新模式改革；豐富的課程建設(shè)資源；培養(yǎng)一批競(jìng)賽能手和具備初步科研能力的學(xué)生；突破以講授抽象算法理論及實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)算法為主的理論教學(xué)和實(shí)踐內(nèi)容，將經(jīng)典算法與新工科背景下人工智能、機(jī)器人、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新興知識(shí)和技術(shù)相結(jié)合，采用線上學(xué)習(xí)、研討式課堂教學(xué)的教學(xué)方法，建立混合式教學(xué)模式和研究型實(shí)踐教學(xué)模式；開展持續(xù)性創(chuàng)新性活動(dòng)，實(shí)行多樣化全方位考核方式，以適應(yīng)新工科創(chuàng)新型人才培養(yǎng)。