方潔

摘要：翻轉課堂教學模式倡導以學生為中心和知識內化。結合《算法設計與分析》課程特點，利用微視頻、網絡教學平臺等多種教學資源，將翻轉課堂教學模式引入該課程教學，重點通過實例探討翻轉課堂模式應用思路。

關鍵詞：翻轉課堂；算法設計與分析；微視頻；教學改革

DOIDOI：10.11907/rjdk.161608

中圖分類號：G433

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2016）009019903

作者簡介作者簡介：方潔（1983-），女，安徽安慶人，碩士，武漢工程大學郵電與信息工程學院機械與電氣工程系講師，研究方向為數據挖掘、分布式數據庫。

0引言

近年來，翻轉課堂、微課等教學方式在高校教學改革中興起。對于理工科課程而言，知識點較難懂，學生需要時間消化吸收，因此更需要通過教學方式改革提高學生學習效率。翻轉課堂是一種學生在課前利用教師制作的數字材料（音視頻、電子教材等）開展自主學習，在課堂上參與探討互動，并完成練習的教學方式[1]。探索該模式在《算法設計與分析》課程中的應用，達到提高教學效果的目的。

1課程特點及學習現狀分析

《算法設計與分析》是一門計算機專業(yè)必修課程，需要將計算機經典問題與算法結合起來進行講授。目前，大多高校該課程仍以理論講授為主，學生被動接受知識，缺乏獨立思考，一定程度上影響了教學效果。

1.1課程特點分析

《算法設計與分析》課程涉及的領域廣，需根據學生基礎不同進行內容調整和取舍，主要包括算法的基本概念、算法的基本工具和優(yōu)化技巧、基本的算法策略（分治、貪婪、動態(tài)規(guī)劃）和圖的搜索算法（回溯法、分支限界法）。重點在于算法基本技巧和基本策略的學習，內容具有一定深度和廣度。實際教學中，往往理論教學以教師課堂講授為主，課時有限，學生參與較少；實驗教學難度不好把握，過高往往導致學生失去信心，難度過低又會使學生失去學習興趣，不能得到很好的訓練。

1.2學生學習特點分析

筆者針對所在學院計算機科學與技術專業(yè)學生該課程學習情況進行了調查，總結如下：

（1）認為重復學習，學習熱情不高。學習算法前學生已經學習了《數據結構》課程，部分內容與《數據結構》中的相似，因此部分同學認為是重復學習，學習熱情不高。實際上，算法基本工具和優(yōu)化技巧以及圖的搜索問題，雖然學起來容易，但技巧應用較難，學生往往學完仍不會靈活運用。

（2）存在畏難情緒。由于學生學習基礎不是很扎實，對于復雜算法的學習存在畏難情緒，只了解大致思想，缺乏鉆研精神。

（3）課堂教學中不能積極主動參與討論。由于該課程對學生理解和創(chuàng)新能力要求比較高，課堂上消化吸收所講內容有一定難度，大部分同學很難參與討論。

諸多學校對該課程的教學進行了改革，但只是在內容上更多的與實際相結合，以提高學生的學習積極性，在形式上采用啟發(fā)式教學，加強創(chuàng)新性思維培養(yǎng)[2]。筆者教學過程中也嘗試了這些教學方法進行，雖然能一定程度提高學生學習的興趣，激發(fā)學生的創(chuàng)新思想，但教學效果還是差強人意。要讓學生課堂上理解消化教師所講知識，還要有所創(chuàng)新，舉一反三，傳統(tǒng)教學模式很難做到。采取翻轉課堂教學模式，可有利于解決此類問題。

2翻轉課堂教學方法

早在20世紀90年代初，哈佛大學物理學教授埃里克·馬祖爾為解決課上傳授知識為主造成學生對知識內容理解不透徹的問題創(chuàng)立了同伴教學法，要求學生課下自學課程內容，課上則以“提問-思考-回答”等互動為主[3]，這便是翻轉課堂教學方法的雛形。傳統(tǒng)教學中，大量時間用于課堂知識傳授，學生利用有限的時間理解和思考老師所講知識，并在課后對知識進行消化吸收。而翻轉課堂中，學生課前利用充裕的時間主動學習老師即將講解的課程，以各種形式向老師請教，課堂上老師和同學們互動，解答疑難，探討創(chuàng)新。傳統(tǒng)教學方法與翻轉課堂教學方法比較如表1所示。

3翻轉課堂設計

《算法設計與分析》課程有很強理論性，涉及數學模型及算法實現；同時又有很強的實踐性，要將抽象的思維變?yōu)榫唧w應用。針對學生特點，筆者采用清華大學出版社呂國英編著的《算法設計與分析》教材，實例較多，學生可以通過例題加深對各種算法的理解，方便開展翻轉課堂教學。

3.1課前教學準備

（1）錄制教學微視頻。每個視頻10～15分鐘為宜，由于算法課程包含的知識點在數據結構課程中都已有所涉及，因此視頻內容可分為知識回顧、核心算法策略講解、算法擴展3個部分。

（2）搭建網絡學習平臺。申請視頻服務器，構建教學網站，上傳教學視頻及開展網上交流討論。

（3）歸納總結若干有關該算法的關鍵問題。一部分提前布置給學生，讓學生帶著問題觀看教學視頻；另一部分則在課堂教學中進行小組討論。

（4）培養(yǎng)學習團隊。根據先修課程中程序設計和數據結構課程的成績，將學生分為5～6人一組，高分和低分互補，組與組之間的水平大致相當。

與傳統(tǒng)教學不同，學生的主要任務是在課前觀看教學視頻并思考老師所提問題，將作業(yè)上傳至網絡教學平臺，提出問題并通過網絡學習平臺請教老師。

3.2課堂活動設計

翻轉課堂并不代表完全意義上的翻轉，課堂上仍然需要教師對本節(jié)課知識點進行概括性講解，并解答學生觀看微視頻中提出的共性問題。此外，教師要組織學生進行小組討論，以2學時為例，可提供4個問題，每個問題給出10分鐘左右的討論時間，討論過程中教師在一旁指導。討論結束后，組長匯總小組意見，并在課堂上進行匯報，與其它組進行討論。

3.3學習評價設計

學習評價是整個翻轉課堂中必不可少的環(huán)節(jié)，學生可以在評價階段了解自己對知識的掌握程度。同時老師對學生自學能力的認可，可鼓勵學生更好地進行后期學習。評價可由兩種方式結合進行：

①根據課前問題回答情況進行評價；

②以小組為單位進行評價，根據討論的深度、廣度和準確度給出評價結果。

4翻轉課堂應用實例

以該課程中基本算法策略中的“分治策略”為例，設計2學時的翻轉課堂教學。

4.1課前準備

分治法是指將一個難以直接解決的大問題分割成規(guī)模較小的相似問題。在數據結構課程中已有涉及，例如折半查找、合并排序、快速排序、二叉樹遍歷等[4]。因此本節(jié)內容適合利用翻轉課堂教學，有利于學生自主學習。

（1）教學微視頻制作。內容如下：

復習數據結構中的折半查找算法，引入分治法的基本思想。微視頻中需要動態(tài)展示出折半查找的變化過程，并講解偽代碼描述的折半查找算法，體現減治法的應用。通過回顧折半查找知識引入分治策略，描述算法設計模式。

講解例題：金塊問題。如：有一袋金塊（共n塊），最優(yōu)秀的雇員得到其中最重的一塊。假設有一臺比較重量的儀器，希望用最少的比較次數找出最重的金塊。微視頻中以10個數表示10塊金塊的重量，將此問題轉換為用最少的比較次數找出最大的數。

將I=（n，A（1），…，A（n））分成一些較小的實例來處理。例如，可以把I分成兩個實例：I1=（「n/2」，A（1），…，A（「n/2」））；I2=（n-「n/2」，A（「n/2」+1），…，A（n））。

如果Max（I）表示I中的最大元素，則Max（I）等于Max（I1）和Max（I2）中的較大者。如果I只包含一個元素，則不需要作任何分割，直接求解。

微視頻中以動畫形式展示利用分治策略求解最大值的過程，講解算法思想及對應的偽代碼。

講解例題：殘缺棋盤問題。如：殘缺棋盤是一個有2k×2k（k≥1）個方格的棋盤，其中恰有一個方格殘缺。要用圖1中的4種三格板覆蓋更大的殘缺棋盤。要求：每兩個三格板不能重疊；三格板不能覆蓋殘缺方格，但必須覆蓋其它所有方格。

微視頻中，首先以動畫形式展示4×4的殘缺棋盤的構造過程，再推廣到2k×2k的殘缺棋盤，通過設置“偽殘缺方格”將原來不相似的子問題轉換為相似子問題。

（2）提出算法相關問題。要求學生帶著問題觀看視頻，總結以下問題的答案，并上傳到網絡教學平臺。

①除了折半查找，數據結構中還有哪些知識運用了分治策略；

②金塊問題利用普通排序和蠻力策略分別如何解決？算法時間復雜度為多少；

③金塊問題中利用分治策略解決了最大值問題，請寫出最小值問題的求解算法；

④對于2k×2k的殘缺棋盤問題，一共需要多少塊三格板；

⑤微視頻中殘缺棋盤問題的子問題是以左上部分為例進行講解的，能否描述出剩下3個部分的幾個關鍵參數？

4.2課堂教學

首先講解分治策略的基本思想，并圍繞學生提交的答案，解決共性問題。針對微視頻講解例題，提出以下問題進行小組討論，由組長匯總陳述。關于分治策略設置如下問題：

①分治策略解決金塊問題的算法時間復雜度是多少？請描述求解思路；

②金塊問題采用的是分治策略中的幾分法？請描述所采用分治法解決的問題所具有的特征；

③智力問題—找石頭：現有8顆小石頭和一架托盤天平。有7顆石頭的重量是一樣，另外一顆比其它石頭略重，除此之外，這些石頭完全沒有分別。不得假設那顆重石頭到底比其他石頭重了多

少。請問：最少要稱量幾次，才能把那顆較重的石頭找出來；

④殘缺棋盤問題的時間復雜度是多少？從這個問題中你學到哪些知識？

各小組同學可對本組組長的陳述進行補充，并對其它組的不同觀點進行討論。最后由教師對所討論的問題進行總結和評價。學生還可以通過微視頻進行復習，彌補預習時對該知識點理解的不足，進行深度挖掘。

5結語

《算法設計與分析》課程采用翻轉課堂教學能提高學生的積極性，有利于以學生為主體。同時將小組合作的理念融入教學中，培養(yǎng)學生團隊合作精神。本文通過實例探討了《算法設計與分析》課程中如何使用翻轉課堂教學，借助信息技術手段，提高了教學質量和效率，激發(fā)了學生學習主動性和積極性。

參考文獻參考文獻：

[1]張國榮.基于翻轉課堂的《大學計算機基礎》課程改革新思路[J].大學教育，2013（13）：135137.

[2]陳蕾，張怡婷，許建.基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的算法設計與分析課程教學改革[J].計算機教育，2010（20）：2729.

[3]楊斌，王以寧，任建四，等.美國大學IPSP課程混合式翻轉課堂分析與啟示[J].中國電化教育，2015（2）：118122.

[4]呂國英. 算法設計與分析[M].北京：清華大學出版社，2009：139145.

責任編輯（責任編輯：陳福時）