算法設計與分析課程論文
“卓越工程師教育培養計劃”(簡(jiǎn)稱(chēng)卓越計劃)旨在培養一批創(chuàng )新能力強、適應經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展需要的高質(zhì)量工程技術(shù)人才。在南通大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院制定的軟件工程專(zhuān)業(yè)卓越工程師的培養計劃中，算法設計與分析被設置為一門(mén)核心必修課程。通過(guò)該門(mén)課程的系統授課，重點(diǎn)培養學(xué)生的計算機問(wèn)題求解能力，該能力是軟件工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生成長(cháng)為卓越工程師必備的一項核心競爭力。一個(gè)典型的計算機問(wèn)題的求解一般需要經(jīng)歷5個(gè)階段:①問(wèn)題的分析和建模;②算法設計方法和相應數據結構的選擇;③算法的實(shí)現;④算法的正確性證明和復雜度分析;⑤算法實(shí)現的優(yōu)化等。
經(jīng)過(guò)多輪的教學(xué)實(shí)踐發(fā)現，學(xué)生之間水平參差不齊是教學(xué)過(guò)程中面臨的最大問(wèn)題。隨著(zhù)高校招生規模的不斷增大，不同學(xué)生之間在基礎知識、智力水平、興趣愛(ài)好、學(xué)習動(dòng)機和學(xué)習方法上存在較大的差異性。相同的教學(xué)內容，對于一些基礎較好的學(xué)生來(lái)說(shuō)理解難度不大，但對于一些基礎較弱的學(xué)生來(lái)說(shuō)，則難以理解。因此，如何尊重學(xué)生個(gè)性差異、發(fā)展學(xué)生個(gè)性特長(cháng)，在考慮學(xué)生整體發(fā)展的同時(shí)兼顧學(xué)生的個(gè)性特長(cháng)發(fā)展，從而最終提高各個(gè)層次學(xué)生的綜合素質(zhì)是算法設計與分析課程的教學(xué)改革實(shí)踐中需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。
通過(guò)多次與學(xué)生的深入交流發(fā)現，學(xué)生在這門(mén)課程的學(xué)習過(guò)程中面臨如下問(wèn)題:
1）課程教學(xué)內容難度高。課程需要學(xué)生掌握常見(jiàn)的算法設計策略，如分治法、動(dòng)態(tài)規劃法和貪婪法等，對設計出的算法能進(jìn)行正確性證明和復雜度分析。很多知識點(diǎn)抽象層次高，需要學(xué)生具備一定的數學(xué)分析能力，同時(shí)，通常算法內部邏輯比較復雜，因此需要學(xué)生具備較強的編程功底。筆者在講授這些知識點(diǎn)時(shí)，均假設學(xué)生具備一定的數學(xué)分析能力和編程基礎，但實(shí)際情況卻不容樂(lè )觀(guān)，很多學(xué)生在大一和大二的時(shí)候并未重視相關(guān)課程的學(xué)習，很多知識點(diǎn)都已經(jīng)還給授課老師，在課堂上需要花費一定時(shí)間幫助學(xué)生回憶這些知識點(diǎn)。同時(shí)，部分學(xué)生因編程經(jīng)驗較為匾乏，難以順利地將偽代碼轉化成可運行的程序代碼。
2)學(xué)生問(wèn)題求解能力弱。為輔助學(xué)生對知識點(diǎn)的理解，授課老師一般在實(shí)例選擇時(shí)均采用一些經(jīng)典實(shí)例，例如歸并排序、最小生成樹(shù)等。這些問(wèn)題在一些預修課程(例如高級程序設計語(yǔ)言或數據結構)中均進(jìn)行過(guò)講解，因此理解起來(lái)難度不大。但是，學(xué)生在上機實(shí)踐時(shí)，面對老師布置的新問(wèn)題，卻很難將學(xué)到的`知識進(jìn)行靈活運用，難以選擇合理的算法設計策略，并借助熟悉的高級編程語(yǔ)言去解決。
3)學(xué)生自主學(xué)習意識薄弱。該門(mén)課程本身課時(shí)較少(僅有犯學(xué)時(shí))，其中8學(xué)時(shí)為上機實(shí)踐，在剩余的24學(xué)時(shí)內，僅能講授基本的算法設計與分析策略。學(xué)生即使了解常見(jiàn)的算法設計與分析方法，但現實(shí)生活中問(wèn)題千變萬(wàn)化，更需要學(xué)生靈活使用學(xué)到的知識。因此，要提高學(xué)習效果和實(shí)踐能力，需要學(xué)生在課外花費更多時(shí)間，閱讀相關(guān)資料和進(jìn)行大量編碼。但是，授課過(guò)程中發(fā)現，真正能夠完成自主學(xué)習的學(xué)生并不多。一方面，很多學(xué)生長(cháng)期受應試教育的影響，習慣于填鴨式的教學(xué)模式，同時(shí)，學(xué)習時(shí)具有較強的功利性，很多學(xué)生普遍有應付考試和及格萬(wàn)歲的思想，有的學(xué)生甚至為了應付老師的作業(yè)檢查，大量抄襲作業(yè)，僅做一些表面上的修改來(lái)敷衍了事。另一方面，即使有少量同學(xué)對新知識比較好奇，愿意自己去積極探索，但在選擇相關(guān)經(jīng)典資料時(shí)經(jīng)驗不足、效率較低，因此，需要有經(jīng)驗的老師進(jìn)行有效引導。
目前高校很多教室都配有多媒體設備，造成大部分專(zhuān)業(yè)課程均采用多媒體課件方式進(jìn)行授課。多媒體課件雖然具有豐富的表現力、良好的交互性和較高的共享性，但與其他核心專(zhuān)業(yè)課程相比，算法設計與分析課程的理論程度更高，數學(xué)推導較多，因此筆者認為，采用板書(shū)為主的教學(xué)方式可能會(huì )效果更好。為驗證該推測，對Leiserson教授和Demaine教授開(kāi)設的麻省理工學(xué)院公開(kāi)課的在線(xiàn)視頻進(jìn)行分析，發(fā)現他們在授課時(shí)，絕大部分教學(xué)內容均采用板書(shū)方式進(jìn)行講解，通過(guò)在黑板上一步一步地推導，在一些關(guān)鍵節點(diǎn)上與學(xué)生充分交互，使得學(xué)生可以更好地掌握算法設計與分析過(guò)程中的一些重要技巧。筆者在實(shí)際教學(xué)中通過(guò)精心設計板書(shū)，取得了較好的課堂效果。
綜上所述，在學(xué)生水平參差不齊的情況下，針對算法課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出了一系列教學(xué)改革措施以提高不同層次學(xué)生的計算機問(wèn)題求解能力。其中將教學(xué)問(wèn)題與教學(xué)改革措施的對應關(guān)系，以及教學(xué)改革措施與不同層次學(xué)生的對應關(guān)系進(jìn)行總結。而且具備良好的交叉學(xué)科基礎和文化底蘊，能培養出滿(mǎn)足市場(chǎng)需要的復合型人才。
如何使相關(guān)專(zhuān)業(yè)的教育教學(xué)滿(mǎn)足將來(lái)ICT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是個(gè)相當復雜的問(wèn)題，希望筆者提出的一些改進(jìn)措施能對信息科學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的工程教育具有參考意義，并對其他領(lǐng)域也有借鑒之處。
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