基于信息技術(shù)的“算法設(shè)計(jì)與分析”課程混合式教學(xué)設(shè)計(jì)

劉漢英 陳宮 敬超 王宇

桂林理工大學(xué)信息與科學(xué)工程學(xué)院 廣西桂林 541004

一、概述

“算法設(shè)計(jì)與分析”是一門(mén)實(shí)踐性和理論性較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)課，是操作系統(tǒng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等專(zhuān)業(yè)課程的基礎(chǔ)。部分算法理論抽象，實(shí)現(xiàn)代碼較長(zhǎng)，許多學(xué)生都反映這門(mén)課比較難學(xué)。傳統(tǒng)的“算法設(shè)計(jì)與分析”教學(xué)設(shè)計(jì)以各種算法為章節(jié)模塊，逐個(gè)講授算法的理論及實(shí)現(xiàn)方法，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課上自主編程實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證，效果并不理想。20世紀(jì)末，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式在培訓(xùn)、成人教育等方面得到了驗(yàn)證，也向普通高校推廣，使混合式教學(xué)模式在高校教學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文以“算法設(shè)計(jì)與分析”課程為例，分析傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)及存在的問(wèn)題，并針對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行混合式教學(xué)設(shè)計(jì)，開(kāi)展教學(xué)實(shí)踐，取得了較好的教學(xué)效果。

二、傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)及問(wèn)題

傳統(tǒng)的“算法設(shè)計(jì)與分析”課程教學(xué)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，教師先講授算法理論，包括知識(shí)點(diǎn)、注意事項(xiàng)，然后舉典型案例，進(jìn)行具體的問(wèn)題分析、算法設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)，期間設(shè)定一些問(wèn)題供學(xué)生思考、回答，最后總結(jié)、布置課后作業(yè)和實(shí)驗(yàn)任務(wù)。在整個(gè)教學(xué)中，教師處于主導(dǎo)地位，決定教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)實(shí)施方法、教學(xué)評(píng)價(jià)，學(xué)生被動(dòng)地接受知識(shí)，跟著教師思考問(wèn)題，尋求解決方法，按時(shí)完成作業(yè)和實(shí)驗(yàn)。這種教學(xué)模式效率高，沿用多年，同時(shí)暴露出以下問(wèn)題，急需解決。

(1)教學(xué)設(shè)計(jì)沒(méi)有因材施教。在進(jìn)行傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，教師主要是依據(jù)教學(xué)大綱、按知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，教學(xué)內(nèi)容陳舊、覆蓋所有知識(shí)點(diǎn)，沒(méi)有考慮學(xué)生的實(shí)際情況，其設(shè)計(jì)好壞，很大程度由教師的經(jīng)驗(yàn)決定，教學(xué)進(jìn)度統(tǒng)一，教師只能盡量滿足大多數(shù)學(xué)生，能力弱的學(xué)生可能跟不上進(jìn)度，導(dǎo)致后面的課程無(wú)法理解，失去學(xué)習(xí)興趣。

(2)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題能力沒(méi)有得到鍛煉。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)過(guò)程中，以教師為中心講授算法的理論和實(shí)現(xiàn)方法，學(xué)生主要是按教師制定的線路學(xué)習(xí)，教師提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，學(xué)生是旁觀者，缺乏靈活性，課堂上的互動(dòng)比較少，部分學(xué)生因?yàn)樾愿駜?nèi)向不敢主動(dòng)回答問(wèn)題，傳統(tǒng)課堂教學(xué)往往沒(méi)有回放，有些學(xué)生為了記錄筆記或需要拍照來(lái)不及思考。

(3)教學(xué)評(píng)價(jià)方法單一，反饋不及時(shí)。傳統(tǒng)的教學(xué)評(píng)價(jià)中，主要是考勤、作業(yè)和期末考試，教師通過(guò)作業(yè)和課間答疑了解學(xué)生對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，目前，往往是大班授課，批閱學(xué)生作業(yè)工作量大，批改進(jìn)度趕不上授課進(jìn)度。

(4)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)較少，主要是驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，通過(guò)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE(Integrated Development Environment)完成，學(xué)生自己設(shè)計(jì)測(cè)試用例、編寫(xiě)代碼、調(diào)試、運(yùn)行、檢驗(yàn)，有些可能考慮不周，沒(méi)有考慮邊界情況和特殊用例，教師無(wú)法一一檢查，學(xué)生也無(wú)法知道。

三、混合式教學(xué)設(shè)計(jì)

2019年開(kāi)始，“算法設(shè)計(jì)與分析”課程組開(kāi)始進(jìn)行課程混合式教學(xué)改革，將課程知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行按理解難易程度進(jìn)行劃分，把比較容易理解的內(nèi)容放到課外自學(xué)，課堂上主要強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)，解決難點(diǎn)問(wèn)題。如表1所示，將課程教學(xué)過(guò)程分為課前—課中—課后三個(gè)環(huán)節(jié)。課前，教師發(fā)布學(xué)習(xí)指導(dǎo)，將事先制作好的課件、視頻、鏈接發(fā)給學(xué)生，學(xué)生自己安排時(shí)間學(xué)習(xí)，并在課程群中反映學(xué)習(xí)過(guò)程中的不理解或有疑問(wèn)的地方，教師通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)查看學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，根據(jù)學(xué)生反映的問(wèn)題調(diào)整課程內(nèi)容和進(jìn)度；課堂上先對(duì)重點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行講解，學(xué)生對(duì)不理解的地方提出，教師適時(shí)解答；課后，教師制作課程補(bǔ)充視頻、發(fā)布課后作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、討論；學(xué)生復(fù)習(xí)、完成作業(yè)，自主組成學(xué)習(xí)小組進(jìn)行討論，撰寫(xiě)小組討論報(bào)告。課程安排一次小組討論成果展示，讓小組代表分享小組討論結(jié)果，同學(xué)們可以提問(wèn)題、提建議。

表1 混合式教學(xué)活動(dòng)的實(shí)施

(1)教學(xué)設(shè)計(jì)因?qū)W生而變。在混合式教學(xué)中，課程設(shè)計(jì)的依據(jù)增加了學(xué)生的預(yù)習(xí)情況和學(xué)生的問(wèn)題環(huán)節(jié)，內(nèi)容和形式上都進(jìn)行了較大改變，課堂上對(duì)概念性、較容易的知識(shí)點(diǎn)不做詳細(xì)的講述，PPT中僅對(duì)識(shí)記及重點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)做歸納、總結(jié)，著重講述學(xué)生難理解的算法的分析、比較、改進(jìn)及實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵點(diǎn)，學(xué)生容易把握重點(diǎn)、易錯(cuò)點(diǎn)、難點(diǎn)，學(xué)生問(wèn)題可以得到及時(shí)解答。學(xué)生通過(guò)其他同學(xué)的提問(wèn)也了解到同學(xué)們的學(xué)習(xí)情況?；旌鲜浇虒W(xué)設(shè)計(jì)解決了內(nèi)容多、課時(shí)少的問(wèn)題。另外，將算法熱點(diǎn)和學(xué)科競(jìng)賽題引入課堂，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

(2)信息技術(shù)保障混合式教學(xué)的實(shí)施。信息技術(shù)的發(fā)展使混合式教學(xué)成為可能。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)輔助平臺(tái)(簡(jiǎn)稱(chēng)平臺(tái))和即時(shí)工具成了教師手中除了黑板、粉筆、PPT之外的得力助手。本課程選擇雨課堂一體化平臺(tái)為網(wǎng)絡(luò)教學(xué)輔助平臺(tái)，并建立QQ課程群，教師使用平臺(tái)發(fā)布學(xué)習(xí)指導(dǎo)、學(xué)習(xí)資源，使用平臺(tái)和工具了解到學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，有針對(duì)性地開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)；課堂提問(wèn)實(shí)現(xiàn)了匿名，學(xué)生敢于主動(dòng)提問(wèn)題、回答問(wèn)題，參與程度大幅提高；課堂教學(xué)實(shí)現(xiàn)了回放，不明白的地方可以重復(fù)學(xué)習(xí)，學(xué)生可以放心思考，不用忙于記筆記、拍照。

(3)多元化、過(guò)程化評(píng)價(jià)督促學(xué)生自主學(xué)習(xí)。信息技術(shù)使教學(xué)過(guò)程數(shù)據(jù)化、可追溯，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)行為評(píng)價(jià)更加公平、公正、公開(kāi)。教師鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)提問(wèn)題、自覺(jué)主動(dòng)學(xué)習(xí)、參與討論，開(kāi)課初在平臺(tái)上設(shè)置平時(shí)成績(jī)的考核方法、比例，學(xué)生可以查看并努力完成學(xué)習(xí)任務(wù)。平臺(tái)對(duì)客觀題可以自動(dòng)批閱，極大地減輕了教師的工作量。教師對(duì)主觀題打分并用紅筆批注，學(xué)生可以實(shí)時(shí)看到錯(cuò)誤點(diǎn)，及時(shí)修改。

(4)在線測(cè)試平臺(tái)、小組討論、展示促進(jìn)學(xué)生能力提高。在IDE上完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)外，布置了一些設(shè)計(jì)型、改進(jìn)型實(shí)驗(yàn)，并向?qū)W生推薦了在線測(cè)試平臺(tái)，學(xué)生以小組為單位進(jìn)行討論、分析、調(diào)試、互助完成任務(wù)。在線測(cè)試平臺(tái)綜合考慮了問(wèn)題邊界條件、特殊情況。通過(guò)共同編碼、調(diào)試，學(xué)生們進(jìn)一步理解，有些不經(jīng)意的錯(cuò)誤，可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)果的不正確，學(xué)習(xí)需要一絲不茍，對(duì)未知問(wèn)題要勇于探索，學(xué)生們發(fā)現(xiàn)問(wèn)題能力、解決問(wèn)題能力、合作能力、表達(dá)能力得到鍛煉。

四、教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)例

動(dòng)態(tài)規(guī)劃是“算法設(shè)計(jì)與分析”課程的重要算法，抽象、代碼量大，學(xué)生理解困難，下面以動(dòng)態(tài)規(guī)劃第一章為例，進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。

(1)學(xué)情分析：大學(xué)二年級(jí)學(xué)生，已經(jīng)學(xué)習(xí)了枚舉、遞推、遞歸、回溯、貪心等算法，有一定的分析算法能力，能聽(tīng)懂、看懂，但部分不會(huì)編寫(xiě)。

(2)教學(xué)方法：案例法、比較分析法、探究法。

(3)課前：①發(fā)布學(xué)習(xí)指導(dǎo)(預(yù)習(xí)概述、實(shí)施步驟、數(shù)塔問(wèn)題)、視頻(注意開(kāi)課時(shí)不要一次性發(fā)布所有的教學(xué)資源，學(xué)生無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)完成發(fā)布的學(xué)習(xí)內(nèi)容，會(huì)讓學(xué)生失去信心)；②學(xué)生自學(xué)并收集學(xué)習(xí)到三個(gè)問(wèn)題(第一，如何理解最優(yōu)化原理？第二，動(dòng)態(tài)規(guī)劃只能從底向上求最優(yōu)解嗎？第三，貪心法能求解的問(wèn)題都能用動(dòng)態(tài)規(guī)劃求解嗎)。

(4)課中：①簡(jiǎn)述本次課的教學(xué)內(nèi)容；②用雨課堂發(fā)布兩個(gè)基礎(chǔ)問(wèn)題(下列算法中通常自底向上求解最優(yōu)解的算法是什么？什么問(wèn)題可以使用動(dòng)態(tài)規(guī)劃求解)，進(jìn)一步了解學(xué)生的課前預(yù)習(xí)情況，講解；③總結(jié)歸納課程重點(diǎn)：最優(yōu)化原理、多階段決策最優(yōu)化問(wèn)題、最優(yōu)子結(jié)構(gòu)特性，以0-1背包問(wèn)題為例解釋約束條件、目標(biāo)函數(shù)、最優(yōu)解、最優(yōu)子結(jié)構(gòu)；④將問(wèn)題劃分階段及尋找最優(yōu)解的性質(zhì)是動(dòng)態(tài)規(guī)劃問(wèn)題的難點(diǎn)，課程以數(shù)塔問(wèn)題為例進(jìn)行分析，把抽象的問(wèn)題直觀化，找出遞推關(guān)系，填寫(xiě)最優(yōu)決策表；⑤修改求解值要求，指導(dǎo)學(xué)生填寫(xiě)最優(yōu)決策表；⑥問(wèn)題變通：以藍(lán)橋杯題目《數(shù)字三角形》為例，討論分析問(wèn)題解決方法，解答學(xué)生課前第二個(gè)問(wèn)題：從上向下求最優(yōu)解；⑦實(shí)際問(wèn)題：最短路徑問(wèn)題，引出不能使用的動(dòng)態(tài)規(guī)劃問(wèn)題求解的情景；⑧討論解答課前第三個(gè)問(wèn)題：與貪心法進(jìn)行比較分析；⑨小結(jié)，布置課后作業(yè)、討論題，推薦相關(guān)學(xué)術(shù)文獻(xiàn)。

(5)課后：①學(xué)生復(fù)習(xí)、作業(yè)、參與討論；②教師課程反思，批改作業(yè)，準(zhǔn)備下次課程。

以上是動(dòng)態(tài)規(guī)劃第一次理論課的教學(xué)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增加了代碼填空、設(shè)計(jì)型、改進(jìn)型、綜合型的實(shí)驗(yàn)。在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，我們注重課程知識(shí)、能力和素質(zhì)的有機(jī)結(jié)合，由淺入深，既包含基礎(chǔ)知識(shí)，又引入相關(guān)的競(jìng)賽和學(xué)科前沿相關(guān)文獻(xiàn)，給不同能力層次的學(xué)生不同的學(xué)習(xí)要求和挑戰(zhàn)。同時(shí)，充分利用信息技術(shù)增加課程互動(dòng)性、學(xué)生間的互助討論，讓學(xué)生進(jìn)一步理解“與人合作需要對(duì)人友善”。

五、實(shí)施效果

“算法設(shè)計(jì)與分析”課程經(jīng)過(guò)近三期混合式教學(xué)實(shí)踐，不斷改革教學(xué)方法，修改教學(xué)內(nèi)容。實(shí)踐結(jié)果表明，混合式教學(xué)有效地解決了傳統(tǒng)教學(xué)中的突出問(wèn)題，學(xué)生評(píng)教逐年提高(91.07、93.62、95.09)，表2和圖1為近三期學(xué)生成績(jī)分布。每期教學(xué)結(jié)束，本課程均采用教學(xué)質(zhì)量管理平臺(tái)進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，如圖2所示，調(diào)查結(jié)果表明，98%的同學(xué)認(rèn)為自己理解并掌握了課程內(nèi)容，近三期指導(dǎo)學(xué)生參加藍(lán)橋杯程序設(shè)計(jì)大賽有5人獲得自治區(qū)級(jí)以上獎(jiǎng)勵(lì)。

圖1 近三期學(xué)生成績(jī)分布

表2 近三期學(xué)生成績(jī)

圖2 學(xué)生評(píng)教

結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)的“算法設(shè)計(jì)分析”課程教學(xué)設(shè)計(jì)中暴露的問(wèn)題，提出了混合式教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)施方案，并以動(dòng)態(tài)規(guī)劃第一次課為例，按照“兩性一度”的“金課”要求，給出了具體的實(shí)施實(shí)例。

混合式教學(xué)的順利開(kāi)展需要學(xué)校、教師、學(xué)生三方面的共同努力。學(xué)校要統(tǒng)一挑選購(gòu)買(mǎi)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)輔助平臺(tái)，在進(jìn)行教學(xué)安排時(shí)，需要給學(xué)生留出足夠的自由支配時(shí)間，以便學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)；教師要花更多的時(shí)間準(zhǔn)備素材、錄制視頻、收集學(xué)生問(wèn)題、檢查和督促學(xué)生學(xué)習(xí)情況、分層次進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)；學(xué)生要提高學(xué)習(xí)自覺(jué)性和控制力。

目前，“算法設(shè)計(jì)與分析”課程線上資源豐富，有視頻、課件、討論等119個(gè)，目前仍在不斷更新、擴(kuò)充，滿足了不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)要求。教學(xué)實(shí)踐表明，混合式教學(xué)既發(fā)揮了教師的主導(dǎo)作用，又強(qiáng)調(diào)了學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，能有效提高教學(xué)質(zhì)量，適于進(jìn)一步推廣。