基于工程教育認(rèn)證的“算法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)改革與實(shí)踐

韓麗霞 畢方明

摘? ? 要：根據(jù)工程教育認(rèn)證的“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”理念，結(jié)合計(jì)算機(jī)專業(yè)的特點(diǎn)，從教學(xué)模式、教學(xué)方法與實(shí)踐訓(xùn)練三個(gè)方面開(kāi)展“算法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)改革實(shí)踐，旨在實(shí)現(xiàn)“以教為中心”向“以學(xué)為中心”的轉(zhuǎn)變、“課程導(dǎo)向”向“能力導(dǎo)向”的轉(zhuǎn)變、“重知輕行”向“知行合一”的轉(zhuǎn)變，將能力培養(yǎng)貫穿教學(xué)全過(guò)程。實(shí)踐證明，“算法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)改革達(dá)到工程教育認(rèn)證的要求，切實(shí)提高了學(xué)生對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的解決能力。

關(guān)鍵詞：工程教育認(rèn)證;算法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn);計(jì)算機(jī)

中圖分類號(hào)：G642.3? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1002-4107（2020）08-0040-02

2016年6月2日，我國(guó)成為《華盛頓協(xié)議》成員國(guó)，正式開(kāi)啟了我國(guó)高等工程教育的國(guó)際化進(jìn)程。采用國(guó)際化認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，有助于我國(guó)大學(xué)積極培養(yǎng)具有工程實(shí)踐能力的學(xué)生、努力提高學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新意識(shí)、進(jìn)一步提升人才培養(yǎng)的質(zhì)量，也對(duì)我國(guó)加快“新工科”建設(shè)和“雙一流”大學(xué)建設(shè)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

貫徹工程教育認(rèn)證的“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向（Outcome based Education，OBE）[1-2]、持續(xù)改進(jìn)”的理念，結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)專業(yè)認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)中的12條畢業(yè)要求，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)的“算法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)進(jìn)行了改革與實(shí)踐。

傳統(tǒng)的“算法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)[3-4]，主要存在以下三個(gè)問(wèn)題：（1）以“教師為中心”的教學(xué)模式，把知識(shí)傳授作為教學(xué)的主要目的，學(xué)生的能力培養(yǎng)沒(méi)有得到充分的重視，不利于培養(yǎng)學(xué)生解決計(jì)算機(jī)工程問(wèn)題的能力。（2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)以基礎(chǔ)驗(yàn)證性題目為主要內(nèi)容，達(dá)不到本科工程教育聚焦學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力培養(yǎng)的定位[5]。（3）理論與實(shí)踐脫節(jié)嚴(yán)重。很多學(xué)生只是單純地接受知識(shí)，出現(xiàn)了“學(xué)而無(wú)法實(shí)踐”的尷尬局面，學(xué)生的實(shí)踐能力亟待提高。

一、實(shí)現(xiàn)“以教為中心”向“以學(xué)為中心”的轉(zhuǎn)變? ? ? ? 在傳統(tǒng)的CBE（Competency Based Education）教育中，教師處于教學(xué)環(huán)節(jié)的核心地位，學(xué)生“被動(dòng)”地接受知識(shí)和技術(shù)，其作為“學(xué)習(xí)”的主體地位被忽視，能力培養(yǎng)未得到充分的重視。因此，亟須轉(zhuǎn)變這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)“以教為中心”向“以學(xué)為中心”的轉(zhuǎn)變。以學(xué)生為中心的教學(xué)模式，有如下三個(gè)特征。

第一，以學(xué)生為中心的教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)，教師是課堂的“引導(dǎo)者”，學(xué)生是知識(shí)的“探索者”，課堂教學(xué)要“以學(xué)生為中心”。一方面，教師要根據(jù)教學(xué)大綱的要求，結(jié)合學(xué)生的興趣和愛(ài)好，以具體的工程問(wèn)題作為導(dǎo)向，將“離散數(shù)學(xué)”“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”和“算法設(shè)計(jì)”課程之間相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行縱向銜接，在宏觀層面上構(gòu)建完整的知識(shí)體系;另一方面，重視在教學(xué)過(guò)程中發(fā)揮學(xué)生的能動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和熱情，鼓勵(lì)學(xué)生能夠主動(dòng)接受新知識(shí)，進(jìn)行自我消化和吸收，進(jìn)而扎實(shí)地掌握算法理論基礎(chǔ)和技術(shù)，點(diǎn)燃起強(qiáng)烈的探究欲望，逐步培養(yǎng)學(xué)生自我探索、自主學(xué)習(xí)的能力。

第二，以學(xué)生為中心的教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)，學(xué)生是知識(shí)的“應(yīng)用者+創(chuàng)造者”，而不是知識(shí)的“繼承人”。基于工程教育認(rèn)證的理念，教育不應(yīng)該只關(guān)注“學(xué)生學(xué)了什么”，重要的是要關(guān)注“學(xué)生能利用所學(xué)，解決什么樣的問(wèn)題”。以計(jì)算機(jī)工程問(wèn)題解決作為主線，激勵(lì)學(xué)生利用掌握的知識(shí)和方法，進(jìn)行離散模型抽象、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)選擇、算法設(shè)計(jì)、上機(jī)實(shí)踐以及算法分析，并進(jìn)一步提出改進(jìn)策略。將學(xué)生的能力培養(yǎng)貫穿學(xué)習(xí)的始終，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

第三，以學(xué)生為中心的教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)，學(xué)生和教師之間的換位思考。教師需要站在學(xué)生的角度，了解學(xué)生在學(xué)習(xí)知識(shí)時(shí)的難點(diǎn)是什么，在能力發(fā)展過(guò)程中遇到的主要問(wèn)題有哪些，從而對(duì)自己的教學(xué)內(nèi)容做出有針對(duì)性的調(diào)整，更好地傳授知識(shí)、啟迪思想。同樣，學(xué)生也需要站在教師的立場(chǎng)上，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行思考，進(jìn)行自我歸納，更好地掌握知識(shí)和提升能力，為今后的創(chuàng)新奠定良好的基礎(chǔ)。

以學(xué)生為中心的課堂教學(xué)，要貫穿“學(xué)生是課堂的主體”的理念，用最簡(jiǎn)單的語(yǔ)言講解最深?yuàn)W的理論;將能力達(dá)成作為最重要的培養(yǎng)目標(biāo)，帶著學(xué)生一起去探索，激勵(lì)學(xué)生的自我探索，達(dá)到學(xué)以致用的目標(biāo)。

二、實(shí)現(xiàn)“課程導(dǎo)向”向“能力導(dǎo)向”的轉(zhuǎn)化

基于OBE理念，“算法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”課程以計(jì)算機(jī)工程問(wèn)題解決作為主線，將“離散數(shù)學(xué)”“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”和“算法設(shè)計(jì)”按照知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行縱向組織，逐步培養(yǎng)學(xué)生通過(guò)系統(tǒng)組織知識(shí)點(diǎn)解決計(jì)算機(jī)工程問(wèn)題的能力，實(shí)現(xiàn)從“課程導(dǎo)向”向“能力導(dǎo)向”的重大轉(zhuǎn)變?；谟?jì)算機(jī)工程問(wèn)題解決能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)框架安排如下。（1）以計(jì)算機(jī)科學(xué)中比較經(jīng)典的工程問(wèn)題，如以“單源最短路徑”問(wèn)題、“最小生成樹(shù)”問(wèn)題作為導(dǎo)向，鼓勵(lì)學(xué)生深入思考，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和好奇心;（2）針對(duì)問(wèn)題的具體特征，引導(dǎo)學(xué)生找出所有操作對(duì)象及操作對(duì)象之間的關(guān)系并用數(shù)學(xué)語(yǔ)言加以描述，建立其數(shù)學(xué)模型（離散數(shù)學(xué)模型），培養(yǎng)學(xué)生模型抽象的能力;（3）針對(duì)抽象的離散模型，確定適合問(wèn)題特征的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生具體問(wèn)題具體分析的能力;（4）根據(jù)問(wèn)題的特征和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)至少一種有效的算法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行求解，鍛煉學(xué)生靈活應(yīng)用算法的能力;（5）編寫(xiě)程序并在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行以獲得正確的結(jié)果，切實(shí)提高學(xué)生的實(shí)踐能力;（6）對(duì)不同算法的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行復(fù)雜性分析，嘗試改進(jìn)，逐步培養(yǎng)“學(xué)而優(yōu)則用，用而優(yōu)則創(chuàng)”的能力。下面以“單源最短路徑”問(wèn)題作為示例，給出了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的具體安排（見(jiàn)表1）。

表1? “單源最短路徑”問(wèn)題求解

從表1可以看到，在“單源最短路徑”問(wèn)題中，以具體的公交路線圖引入問(wèn)題，可以有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和求知欲;利用離散數(shù)學(xué)中的圖論知識(shí)，確定圖的點(diǎn)、邊和權(quán)，將問(wèn)題抽象為有向圖的“單源最短路徑”問(wèn)題;針對(duì)有向圖的特征，選擇合適的存儲(chǔ)方式，完成物理存儲(chǔ);對(duì)于抽象的問(wèn)題，要求靈活運(yùn)用算法的知識(shí)，設(shè)計(jì)求解的算法并上機(jī)實(shí)現(xiàn)。上述過(guò)程，將學(xué)生的能力培養(yǎng)貫穿于整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，“一氣呵成”地培養(yǎng)學(xué)生“學(xué)以致用”的能力，最后的創(chuàng)新提高，將進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的探索精神，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

在傳統(tǒng)的“算法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”課堂中，教師只注重對(duì)某些算法的編程實(shí)現(xiàn)，割裂了具體問(wèn)題抽象、分析、解決的過(guò)程，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的思維能力和探索精神的培養(yǎng)。學(xué)生則忙于調(diào)試程序的細(xì)節(jié)，忽略了理論知識(shí)的內(nèi)化、吸收，更無(wú)法構(gòu)建完整的知識(shí)體系?；谟?jì)算機(jī)工程問(wèn)題解決能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)框架，有助于于引導(dǎo)學(xué)生建立“問(wèn)題—抽象—分析—解決—改進(jìn)”的知識(shí)架構(gòu)，“從問(wèn)題中來(lái)，到問(wèn)題中去”，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)有所用、學(xué)以致用。

三、實(shí)現(xiàn)“重知輕行”向“知行合一”的轉(zhuǎn)變

“讀萬(wàn)卷書(shū)，行萬(wàn)里路”，實(shí)踐能力與理論學(xué)習(xí)對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生具有同等重要的地位。理論知識(shí)為實(shí)踐提供了重要的指導(dǎo)，實(shí)踐訓(xùn)練有助于加深對(duì)理論知識(shí)的理解，兩者相輔相成，相得益彰。

第一，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中設(shè)置基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)和綜合三種階梯式實(shí)驗(yàn)題目，引導(dǎo)學(xué)生以循序遞進(jìn)的方式完成實(shí)驗(yàn)題目。其中，基礎(chǔ)題目多為驗(yàn)證性題目，旨在切實(shí)鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力，加深對(duì)理論知識(shí)的理解;設(shè)計(jì)性題目為提高性題目，旨在培養(yǎng)學(xué)生對(duì)算法的靈活應(yīng)用能力，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)同一問(wèn)題提出多種求解方法，能夠分析各種算法的利弊;綜合性題目難度最大，需要學(xué)生以計(jì)算機(jī)工程問(wèn)題解決為主線，針對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行數(shù)學(xué)模型抽象、數(shù)據(jù)處理、算法設(shè)計(jì)和編程實(shí)踐，將各個(gè)知識(shí)點(diǎn)縱向銜接，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

第二，遵循“以賽促學(xué)、以賽促改”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，在“算法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”課程中引入了國(guó)際大學(xué)生程序競(jìng)賽（ACM—ICPC）模式，對(duì)于綜合性題目采用ACM—ICPC的小組賽制，3名學(xué)生組成一個(gè)小組，以小組為單位完成實(shí)驗(yàn)綜合題目。小組制有效增強(qiáng)了學(xué)生之間的交流與合作，實(shí)現(xiàn)小組成員之間的查漏補(bǔ)缺，引導(dǎo)學(xué)生有效思考，培養(yǎng)學(xué)生問(wèn)題求解的開(kāi)放性思維;有利于實(shí)現(xiàn)學(xué)生之間的分工合作，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和持續(xù)追求效率更高、質(zhì)量更好算法的創(chuàng)新意識(shí)，積極探索“一流人才”的培養(yǎng)模式。

第三，將問(wèn)題模型的抽象、數(shù)據(jù)處理、算法設(shè)計(jì)等能力，納入學(xué)生的學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)和考核制度，鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立思考、分析、解決問(wèn)題，并將“算法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”課程對(duì)應(yīng)專業(yè)認(rèn)證的指標(biāo)點(diǎn)完成達(dá)成度分析，用于制定持續(xù)改進(jìn)方案。通過(guò)這種考核評(píng)價(jià)方式，將終結(jié)性評(píng)價(jià)與學(xué)生的能力培養(yǎng)綜合為學(xué)生的最終實(shí)驗(yàn)課成績(jī)。

基于工程教育認(rèn)證的“算法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)改革，以競(jìng)賽為抓手，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐能力，激發(fā)了學(xué)生參加競(jìng)賽的熱情，取得了顯著的教學(xué)成果。近年來(lái)，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院學(xué)子在ACM—ICPC亞洲區(qū)域賽等比賽中共獲金獎(jiǎng)2項(xiàng)、銀獎(jiǎng)15項(xiàng)、銅獎(jiǎng)23項(xiàng)，是中國(guó)礦業(yè)大學(xué)大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽與人才培養(yǎng)的里程碑，也為學(xué)?！半p一流”和“新工科”建設(shè)發(fā)揮了積極作用。

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收稿日期：2019-12-27

作者簡(jiǎn)介：韓麗霞（1980—），女，山東威海人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院講師，博士，主要從事仿生優(yōu)化算法研究。

基金項(xiàng)目：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目“以賽促改，以賽促教，以賽促學(xué)——以ACM—ICPC為依托”（2019YB22）;中國(guó)

礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”教改項(xiàng)目