“算法分析與設(shè)計(jì)”課程教學(xué)改革和實(shí)踐-2019年精選文檔

1、“算法分析與設(shè)計(jì)”課程教學(xué)改革和實(shí)踐“算法分析與設(shè)計(jì)”是一門理論性與實(shí)踐性兼顧的課程 , 是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的核心課程之一 , 也是一門與計(jì)算機(jī)有關(guān)的非計(jì)算機(jī)專業(yè)如管理信息、信息與計(jì)算科學(xué)的專業(yè)課。 1 通過對計(jì)算機(jī)算法系統(tǒng)的學(xué)習(xí)與研究 , 理解和掌握算法設(shè)計(jì)的主要方法 , 培養(yǎng)對算法的計(jì)算復(fù)雜性進(jìn)行正確分析的能力 , 為獨(dú)立地設(shè)計(jì)算法和對給定算法進(jìn)行復(fù)雜性分析奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。如何上好“算法分析與設(shè)計(jì)”課程 , 給廣大教師帶來了新的挑戰(zhàn)和考驗(yàn)。我們在講授該課程時(shí)發(fā)現(xiàn) , 學(xué)生普遍認(rèn)為學(xué)習(xí)該課程比較吃力, 其原因主要是 : 首先 , 它需要學(xué)生具有扎實(shí)的離散數(shù)學(xué)、 程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等前

2、驅(qū)課程的基礎(chǔ) ;2,3 其次 , 它也不像很多其他課程大部分依靠記憶 , 而更多的是依靠理解 , 并且要求能夠靈活應(yīng)用。因此 , 這是一門理論知識和獨(dú)立分析及解決問題能力并重的課程。本文以“算法分析與設(shè)計(jì)”這門課程為主要研究對象 , 結(jié)合教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn) , 就算法分析與設(shè)計(jì)在本科教學(xué)中的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、考核方法等進(jìn)行了探討。一、目前算法教學(xué)中存在的問題目前 , 算法分析與設(shè)計(jì)課程教學(xué)過程中, 存在著一些矛盾和問題。1. 教學(xué)內(nèi)容繁多、涉及面廣 , 但課時(shí)有限在“算法分析與設(shè)計(jì)” 課程中 , 教學(xué)內(nèi)容非常豐富 , 其中包括一些非常經(jīng)典的算法設(shè)計(jì)策略 , 如分治法、貪心法、動(dòng)態(tài)規(guī)范法等

3、 , 還包括一些求解困難問題的高級算法設(shè)計(jì)策略, 如隨機(jī)化算法、近似算法等。而在教學(xué)計(jì)劃中 , 課程的教學(xué)課時(shí)是有限的, 要將這些算法設(shè)計(jì)的策略全部講透徹非常困難。2. 課程教學(xué)內(nèi)容難以跟上當(dāng)今科技發(fā)展步伐計(jì)算機(jī)科學(xué)的特點(diǎn)決定了它的內(nèi)容和手段始終處在不斷革新和變化的過程中。算法分析方法和設(shè)計(jì)策略也是日新月異, 而傳統(tǒng)教材上出現(xiàn)的例子大多是一些經(jīng)典的例子, 在教學(xué)內(nèi)容的改革步伐上很難跟上算法設(shè)計(jì)方法的發(fā)展。3. 課程考核方式限制了教學(xué)效果以往的考核方式以期末考試成績?yōu)橹?, 再加權(quán)平時(shí)成績和實(shí)驗(yàn)成績。這種考核方式基本能考核出學(xué)生對知識的掌握程度, 但很難考核學(xué)生對知識的應(yīng)用能力, 從而沒有達(dá)到讓

4、學(xué)生靈活運(yùn)用算法設(shè)計(jì)的思想來解決實(shí)際問題的目的。二、教學(xué)內(nèi)容的改革在教學(xué)內(nèi)容的選擇上 , 總的原則是 : 內(nèi)容難度適中 , 結(jié)合實(shí)際問題和相關(guān)課程的知識講解算法設(shè)計(jì)技巧及算法分析方法, 使學(xué)生既能理解, 又能拓展創(chuàng)新。 4現(xiàn)有教材定位往往偏高, 注重理論講解高深 , 適合研究生、重點(diǎn)院校本科生使用 , 這樣的教材往往導(dǎo)致學(xué)生對算法設(shè)計(jì)課程產(chǎn)生畏懼心理。5 本課程的授課內(nèi)容除了講授經(jīng)典算法設(shè)計(jì)理論外 , 還結(jié)合教師科研實(shí)際 , 逐步引入并行算法、 現(xiàn)代啟發(fā)式搜索算法等先進(jìn)內(nèi)容 , 盡量反映本學(xué)科領(lǐng)域最新的學(xué)術(shù)和科技成果 , 使學(xué)生既能夯實(shí)基礎(chǔ) , 也能擴(kuò)大眼界。在算法設(shè)計(jì)策略舉例時(shí), 為了讓學(xué)生

5、較好地掌握各種方法之間的聯(lián)系 , 應(yīng)選用同一個(gè)例子而采用多種方法來解決。如在講解貪心法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、回溯法和分枝限界法時(shí)都采用了0/1 背包問題 , 這樣可以引導(dǎo)學(xué)生掌握課程內(nèi)容的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性, 比較不同算法特點(diǎn) , 舉一反三。三、教學(xué)方法的改革1. 啟發(fā)式教學(xué)在教學(xué)過程中 , 我們始終貫徹“授人以魚 , 不如授人以漁”的思想。在傳授知識的同時(shí) , 還要傳教自己如何理解、掌握這些知識的方法體會。3 在課堂上 , 我們主要從經(jīng)典應(yīng)用問題入手 , 在講解過程中 , 不僅介紹單個(gè)具體問題的解決方法 , 而且將自己對這一類問題的思考方式表述出來 , 讓學(xué)生知道怎么去考慮一個(gè)問題。同時(shí)提出新的算法設(shè)計(jì)改進(jìn)

6、問題 , 以便讓學(xué)生進(jìn)行思考和研究。變單向傳輸式教學(xué)為雙向互動(dòng)式教學(xué) , 變以強(qiáng)調(diào)抽象算法設(shè)計(jì)為主的理論講授為探究解決應(yīng)用問題為主的設(shè)計(jì)引導(dǎo)式講授 , 啟發(fā)學(xué)生在能夠解決問題的前提下探索新的設(shè)計(jì)思路 , 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維 , 誘導(dǎo)學(xué)生深入思考 , 實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的互動(dòng) , 啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性 , 達(dá)到創(chuàng)新能力培養(yǎng)和提高教學(xué)效果的目的。2. 引入?yún)⑴c式教學(xué) , 強(qiáng)化討論教學(xué)環(huán)節(jié)我們將若干名學(xué)生分成一個(gè)小組 , 讓他們自己選擇教師指定的題目, 給他們充足的時(shí)間進(jìn)行精心準(zhǔn)備 , 讓他們就此在課堂上為其他同學(xué)講解。選題要有代表性 , 不選難題繁題 , 但是要有討論引申之處。 討論問題的同時(shí) , 學(xué)生又會提

7、出新的問題, 從而在討論問題、解決問題的過程中使學(xué)生獨(dú)立思考能力得到培養(yǎng)和鍛煉。3. 理論聯(lián)系實(shí)際算法本身相對來說比較枯燥, 如果能拓展教材中的內(nèi)容, 在加強(qiáng)理論說明的同時(shí) , 與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來 , 可以使學(xué)生學(xué)起來更有興趣。如在講授哈夫曼算法時(shí), 我們由最優(yōu)二叉樹引出哈夫曼樹的構(gòu)造方法,然后通過驗(yàn)證它的貪心選擇性質(zhì)和最優(yōu)子結(jié)構(gòu)性質(zhì), 從理論上證明哈夫曼編碼是平均碼長最短的整數(shù)碼。又如 , 在講解找硬幣問題時(shí) , 希望找的硬幣個(gè)數(shù)最少 , 如果硬幣面值為 :1 分、 5 分和 11 分, 要找給顧客 15 分, 對貪心算法而言 , 則需要 1 枚 11 分,4 枚 1 分, 共計(jì) 5 枚硬幣

8、 ; 而用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法求解 , 得出只用 3 枚 5 分硬幣就可以了。由此可以看出, 貪心法雖然設(shè)計(jì)思路容易理解、 求解問題簡單 , 但對于有些問題采用貪心法不一定能得到最優(yōu)解。 通過引導(dǎo)學(xué)生思考對于同一個(gè)問題選擇不同算法會有什么樣的結(jié)果 , 可以提高他們的學(xué)習(xí)興趣 , 培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問題、分析問題及解決問題的意識和能力。四、教學(xué)手段的改革現(xiàn)代教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)手段各有利弊 , 我們應(yīng)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容 , 揚(yáng)長避短 , 充分利用各自優(yōu)勢 , 將它們有機(jī)結(jié)合起來。 為了在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)增加單位時(shí)間的信息含量 , 將有限精力與時(shí)間用于剖析課程內(nèi)容的重點(diǎn)難點(diǎn) , 應(yīng)引入多媒體教學(xué)手段。 利用多媒體教學(xué)課件 ,

9、 采用直觀教學(xué)方法 , 動(dòng)態(tài)模擬算法的執(zhí)行過程 , 可以促進(jìn)學(xué)生對算法的理解。 但是對于算法復(fù)雜性分析和算法解決問題的推導(dǎo)過程 , 我們?nèi)圆捎脗鹘y(tǒng)的黑板板書教學(xué)方式。 因此 , 學(xué)生經(jīng)歷了板書從無到有, 思路從疑惑到逐漸清晰的過程 , 而教師的板書和講解過程, 就是一個(gè)展示思維與學(xué)生交流和溝通的過程。此外 , 我們還充分利用網(wǎng)絡(luò)資源, 將教學(xué)課件和學(xué)習(xí)資料發(fā)布到網(wǎng)上 , 方便學(xué)生查看 , 通過網(wǎng)絡(luò)答疑 , 及時(shí)解答學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到的問題。五、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的改革本門課程理論性較強(qiáng) , 同時(shí)實(shí)踐性也很強(qiáng)。本科生學(xué)習(xí)算法的主要目的是 : 能將所學(xué)算法靈活運(yùn)用到實(shí)際問題中。 目前 , 一些高校只安排了課程

10、教學(xué) , 沒有安排實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí) , 而我們的課程課時(shí)調(diào)整后 , 已基本保持了課堂授課學(xué)時(shí)與實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)比例為 3:1( 如 24 學(xué)時(shí)的課堂授課配設(shè)了 8 學(xué)時(shí)的上機(jī)實(shí)驗(yàn) ) 。在實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)過程中, 還應(yīng)注意 : 學(xué)生的接收能力、理解能力、編程能力以及創(chuàng)新能力各不相同, 需因材施教 , 區(qū)別對待。因此 , 可以設(shè)置難易程度不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目供學(xué)生選擇, 或設(shè)置必做題和附加選做題。我們設(shè)計(jì)了三個(gè)不同層次的要求: 一是基本驗(yàn)證型對課堂上講授的經(jīng)典問題 , 采用不同算法實(shí)現(xiàn) , 輸入大量數(shù)據(jù) , 測試程序運(yùn)行時(shí)間, 與理論結(jié)果進(jìn)行比較 ; 二是拓展型設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)際問題 , 能夠應(yīng)用所學(xué)算法或經(jīng)過變換解決 , 如

11、旅行售貨員問題的算法可以應(yīng)用到物流配送線路選擇等實(shí)際應(yīng)用問題 ; 三是綜合型提出一個(gè)綜合性問題, 利用所學(xué)的知識設(shè)計(jì)出新的算法 , 并用實(shí)驗(yàn)?zāi)M驗(yàn)證。其中 , 最低要求必須完成第一層次的實(shí)驗(yàn)。實(shí)踐證明 , 這樣可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性 , 提高學(xué)習(xí)的興趣 , 并充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。六、考核方式的改革不僅教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和手段與課程的教學(xué)效果緊縮相關(guān), 課程的考核方法對于教學(xué)的效果也有很大的關(guān)系?？己说姆绞讲煌? 學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的學(xué)習(xí)重點(diǎn)也會不同。在傳統(tǒng)的考核方式中, 期末的理論考試往往占很大比重, 一般在 70%以上 , 而平時(shí)成績和實(shí)驗(yàn)成績只有 30%左右。就算法這門課程 , 我們

12、提出了如表1 的考核內(nèi)容及所占總評成績的比重 , 適當(dāng)降低了期末理論考試的比重, 提高實(shí)驗(yàn)成績所占的比重,并考慮到學(xué)生在討論課中的表現(xiàn)。 這樣更注重考核學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的表現(xiàn)情況 , 有利于促進(jìn)學(xué)生積極主動(dòng)學(xué)習(xí), 培養(yǎng)創(chuàng)新能力。七、改革的效果對于本次“算法分析與設(shè)計(jì)”課程教學(xué)的改革, 筆者所在北京信息科技大學(xué)理學(xué)院在信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)先后三個(gè)年級約150 人中進(jìn)行了實(shí)踐 , 實(shí)踐后達(dá)到了以下的效果:(1) 通過本課程的學(xué)習(xí) , 學(xué)生不僅掌握了書本上的理論 , 更重要的是掌握了算法設(shè)計(jì)的思想 , 鍛煉了開發(fā)程序的能力 , 并能將書本上的理論初步應(yīng)用到實(shí)際問題的解決。(2) 進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)算法課程的興趣 , 增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)參與性 , 減少了學(xué)生對該課程感到枯燥無味的感覺。(3) 學(xué)生先后參加了多屆北京市 ACM、數(shù)學(xué)建模等競賽活動(dòng) , 其中有一隊(duì)學(xué)生獲得了 200