梁 冰， 馮 林(大連理工大學(xué) 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，遼寧 大連 116024)

0 引 言

信息技術(shù)時代的到來，對計算機專業(yè)人才需求量巨大，也對計算機專業(yè)人才培養(yǎng)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，我國的計算機教育已經(jīng)走過了 50 年的歷程[1]。目前計算機專業(yè)人才培養(yǎng)方式急需改革，大學(xué)本科計算機專業(yè)的培養(yǎng)計算機專業(yè)課程包括C語言程序設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法設(shè)計采用筆試的方式考核學(xué)生的知識掌握能力，考試能得高分的學(xué)生，卻不能編寫一條簡單的程序，這完全背離的計算機專業(yè)對人才培養(yǎng)的目標[2-3]。

計算機科學(xué)人才最基礎(chǔ)的專業(yè)技能是計算機程序設(shè)計能力，即編程能力[4]。計算機專業(yè)人才應(yīng)該熟練掌握一門計算機語言，將人類的想法和構(gòu)思通過計算機語言實現(xiàn)，并能夠讓計算機執(zhí)行，作為計算機科學(xué)的拔尖人才應(yīng)該做到讓計算機高效、準確地執(zhí)行，這是計算機專業(yè)培養(yǎng)的重要目標。計算機科學(xué)人才應(yīng)該熟練的掌握一門計算機編程語言，這是計算機專業(yè)人才的母語[5]，使得人與計算機之間無障礙的溝通，計算機人才所具備的專業(yè)素養(yǎng)應(yīng)該是成為人機接口。

在熟練掌握計算機編程語言同時，實驗室注重培養(yǎng)學(xué)生的計算機思維、計算機思想，各種經(jīng)典算法的學(xué)習(xí)必不可少，通過計算機語言熟練、準確、高效實現(xiàn)算法是計算機人才在不同研究、應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展的堅實基礎(chǔ)[6-7]。在本科階段，應(yīng)注重計算機基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、排序算法、搜索技術(shù)、數(shù)論、組合數(shù)學(xué)、搜索技術(shù)、動態(tài)規(guī)劃、計算幾何等多方面知識的熟練掌握[8-11]。

1 拔尖人才培養(yǎng)實驗室簡介

計算機科學(xué)拔尖人才培養(yǎng)實驗室依托大連理工大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院依托學(xué)校的優(yōu)勢學(xué)科資源和高水平的師資隊伍，以“培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才”為目標，按學(xué)科門類招生和培養(yǎng)，采用多元化的培養(yǎng)模式、靈活的管理模式和個性化的培養(yǎng)方案，激發(fā)學(xué)生的探求欲望，挖掘?qū)W生的創(chuàng)新潛質(zhì)，培養(yǎng)高素質(zhì)拔尖創(chuàng)新人才。建立具有基礎(chǔ)厚實的機電、數(shù)學(xué)建模、ACM實驗室、軟件工程、媒體技術(shù)、創(chuàng)業(yè)教育、創(chuàng)造發(fā)明、人形機器、智能車等傳統(tǒng)實驗室，以及緊跟時代潮流技術(shù)和學(xué)生興趣建立3D打印工作坊、智能硬件工作坊、互聯(lián)網(wǎng)+創(chuàng)意工作坊、奇點虛擬現(xiàn)實工坊。從實驗基地建設(shè)、實驗課程建設(shè)、實驗教學(xué)改革、師資隊伍建設(shè)、管理運行體制等方面構(gòu)建了一套完整的厚實基礎(chǔ)、注重興趣、文理綜合、理工融合、強化實驗、自主學(xué)習(xí)、提高能力、不斷創(chuàng)新的創(chuàng)新教學(xué)新模式，遵循人才培養(yǎng)的客觀規(guī)律，培養(yǎng)了一大批具有創(chuàng)新精神和實踐動手能力深受社會歡迎的創(chuàng)新型拔尖人才[12-13]。

2 理論教學(xué)方法探索

(1) 課程建設(shè)知識面廣并且深入，內(nèi)容講授從淺入深。課程建設(shè)可分為基礎(chǔ)算法課和高級算法課程，每學(xué)期開設(shè)這2門課，同學(xué)可根據(jù)自己的基礎(chǔ)選擇課程，每一節(jié)課一個專題，也可以根據(jù)自己掌握的知識點，同時選擇2門課，補充自己欠缺的知識點，比如有關(guān)圖的算法講授可分為基礎(chǔ)算法和高級算法，基礎(chǔ)算法包括最短路、最小生成樹，安排在上學(xué)期講授，高級算法包括網(wǎng)絡(luò)流、最小費流，安排在下學(xué)期講授。

每節(jié)課都有一個專題，一個專題涵蓋的內(nèi)容廣而深，由于課時有限，課后需要學(xué)生自學(xué)內(nèi)容非常多，還補充了線上視頻教學(xué)，教師和骨干隊員都可以錄制視頻，視頻按照知識點進行錄制，作為資源幫助學(xué)生進一步的學(xué)習(xí)(見表1、表2)。

表1 基礎(chǔ)算法課程專題列表

表2 高級算法課程專題列表

(2) 案例教學(xué)。興趣是最好的老師，對于拔尖人才的培養(yǎng)，需要在短時間內(nèi)學(xué)習(xí)大量的知識，對學(xué)生也是一種挑戰(zhàn)，因此講授的問題應(yīng)該引起學(xué)生的興趣，只有喜歡，才能投入學(xué)習(xí)?？梢圆捎肁CM競賽題目作為案例。ACM國際大學(xué)生程序設(shè)計競賽是由美國計算機協(xié)會(ACM)主辦的，一項旨在展示大學(xué)生創(chuàng)新能力、團隊精神和在壓力下編寫程序、分析和解決問題能力的年度競賽。ACM題目具有與實際問題聯(lián)系緊密，知識點綜合性強，時間復(fù)雜度要求高的特點，這樣的題目可以引起學(xué)生的興趣，加深對知識點的理解和對算法的熟練應(yīng)用。比如，二分圖的講授可以從圖的涂色案例講授，小時候都玩過用2種顏色給圖涂色的游戲，保證相鄰的頂點不一樣的顏色，實際問題的解決首先可以激起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，還可以幫助學(xué)生理解問題。

(3) 注重算法復(fù)雜度分析，深入講解算法優(yōu)化。講授重點在于培養(yǎng)學(xué)生對算法效率的重視，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)功能，還應(yīng)該高效的實現(xiàn)。程序在保證正確運行的同時，程序運行的效率也非常重要。目前在實際應(yīng)用中，很多程序需要處理的數(shù)據(jù)非常大，實現(xiàn)同樣的功能，不同的算法的運行的時間差別非常大，有些算法需要幾秒，有些需要幾天。因此，算法的時間復(fù)雜度分析非常重要。例如，講解最短路Dijkstra算法時，先講授鄰接矩陣存儲圖實現(xiàn)的算法復(fù)雜度為O(V2)，而經(jīng)過優(yōu)先隊列優(yōu)化的最短路Dijkstra的算法復(fù)雜度為O(ElogV)，可以更高效的計算最短路的長度。通過對優(yōu)化算法的講解，能夠令學(xué)生對算法有更清楚、更深入的理解，培養(yǎng)了學(xué)生思維方式和思考問題的方法，注重程序設(shè)計時代碼的效率。

(4) 理論與實踐相結(jié)合。講解算法實現(xiàn)時，使用可執(zhí)行代碼，培養(yǎng)學(xué)生讀寫代碼的習(xí)慣，加強學(xué)生讀寫代碼的能力，在理解算法的原理之后，能用可執(zhí)行代碼實現(xiàn)算法，才算是真正的掌握了算法，如果不能用代碼實現(xiàn)，所掌握的算法理論也不過是紙上談兵。在理論課環(huán)節(jié)，強化學(xué)生算法理論和算法實現(xiàn)緊密結(jié)合的思想，注重算法實現(xiàn)能夠?qū)λ惴ɡ碚摳钊氲睦斫馀c掌握，理論與實踐二者的相輔相成。

(5) 教材編寫，注重知識的積累和傳承。理論課內(nèi)容涉及的知識面廣，每個知識點的最佳講授方式和內(nèi)容需要年復(fù)一年的積累與改進，因此知識的積累很重要，編寫相應(yīng)的教材，并逐年改進。教材應(yīng)該在實際編碼中遇到問題的解決方式的經(jīng)驗總結(jié)，編寫教材的目標是指引學(xué)生實際動手編寫代碼，使得學(xué)生的代碼能力能夠?qū)⑾敕ǚg成機器讀懂的語言并正確的執(zhí)行，因此編寫教材對學(xué)生入門和提高學(xué)習(xí)的效率是非常有幫助的。

3 以競賽為驅(qū)動的實踐教學(xué)模式

ACM-ICPC競賽內(nèi)容以大學(xué)計算機學(xué)科理論課程為基礎(chǔ)，內(nèi)容往往涉及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、搜索、圖論，動態(tài)規(guī)劃，數(shù)論，組合數(shù)學(xué)，計算幾何等多個領(lǐng)域，一些競賽題目是多個領(lǐng)域知識的結(jié)合，通過ACM-ICPC競賽和培訓(xùn)模式提升學(xué)生的能力，發(fā)現(xiàn)自身知識結(jié)構(gòu)的欠缺，促使學(xué)生發(fā)揮自主學(xué)習(xí)精神，自學(xué)所需算法和相關(guān)知識。實踐教學(xué)需要全方位、各層次的組織，保證實踐教學(xué)的時間和深度，實踐教學(xué)分以下幾個層次進行組織：

(1) 日常訓(xùn)練。根據(jù)理論課教學(xué)專題，為學(xué)生挑選經(jīng)典的ACM/ICPC競賽在線評測系統(tǒng)中與專題相關(guān)的題目，熟練的用代碼實現(xiàn)本專題的算法，掌握本專題的知識點和擴展內(nèi)容。

(2) 多校聯(lián)合周賽。每周舉辦一次，無論是周賽、月賽還是校賽，題目質(zhì)量都很關(guān)鍵，需要是原創(chuàng)題目才能激發(fā)學(xué)生的比賽熱情，原創(chuàng)題目才能保證比賽的公平性。但每周一場6題左右的原創(chuàng)題目對一所學(xué)校的工作量是很大的，每學(xué)期16場左右，很難保證題目質(zhì)量，題目質(zhì)量保證不了，賽事將逐漸失去吸引力。多校聯(lián)合周賽解決了這個問題，每個學(xué)校負責一場周賽的出題，資源共享，不僅保證了題目質(zhì)量，而且多個學(xué)校的同學(xué)同場競技，更增加了學(xué)生比賽的熱情和動力。

周賽應(yīng)分為初級和高級2級別的比賽，初級中的題目屬于基礎(chǔ)和入門的，為剛剛?cè)腴T的新同學(xué)準備，過難的題目很容易打消新同學(xué)的積極性。高級題目應(yīng)具有一定的挑戰(zhàn)性，面向高年級學(xué)生，通過訓(xùn)練，學(xué)生能夠參加高級別的競賽。

(3) 校賽。每學(xué)期舉辦一次校賽，春季學(xué)期為個人賽，秋季學(xué)習(xí)為團隊賽，校賽考察學(xué)生知識點全面，提升學(xué)生競技狀態(tài)，團隊賽培養(yǎng)學(xué)生的團隊精神和配合。

(4) 暑期集訓(xùn)。暑期集訓(xùn)是大幅度提升學(xué)生能力的關(guān)鍵時期，暑期時間集中，學(xué)生集中，學(xué)生學(xué)習(xí)效率高，學(xué)生學(xué)習(xí)氛圍濃厚。

(5) 省賽、四省賽、區(qū)域賽。更高級別的ACM-ICPC競賽，與全國高校中的出類拔萃的計算機人才同場競技，也是為高級別的ACM比賽選拔隊員。這樣高層次的比賽可以激發(fā)學(xué)生的潛能，在準備各級賽事的短時間內(nèi)，吸收、鞏固大量的知識。

4 在線評測系統(tǒng)實驗平臺建設(shè)

構(gòu)建本校的在線評測系統(tǒng)(Online Judge，OJ)非常重要，在線評測系統(tǒng)的魅力在于能夠給學(xué)生編寫的代碼一個及時而且詳細的反饋，正是系統(tǒng)的及時反饋提起了學(xué)生對編程的興趣，促進了學(xué)生深入理解與掌握算法的精髓、算法的時間與空間復(fù)雜度、程序編寫及debug的能力[14-15]。

評測系統(tǒng)對于正確的定義為：在規(guī)定的時間內(nèi)不超出內(nèi)存限制的條件下得出滿足題目要求的結(jié)果。由于評測系統(tǒng)對“正確程序”的要求十分苛刻，因此在學(xué)習(xí)和訓(xùn)練過程中正確地理解題目的說明十分重要。自動評測系統(tǒng)只反饋以下結(jié)果：

Accepted(AC)：在規(guī)定的時間內(nèi)不超出內(nèi)存限制的條件下得出滿足題目要求的結(jié)果；

Presentation Error(PE)：在規(guī)定的時間內(nèi)不超出內(nèi)存限制的條件下得出結(jié)果，但是同正確的結(jié)果相比結(jié)果的格式存在問題；

Time Limit Exceeded(TLE)：程序運行時間超出了題目的規(guī)定；

Memory Limit Exceeded(MLE)：程序在編譯或者運行期間向操作系統(tǒng)申請的內(nèi)存超出了題目的規(guī)定；

Wrong Answer(WA)：在規(guī)定的時間內(nèi)不超出內(nèi)存限制的條件下得出結(jié)果，但是同正確的結(jié)果相比存在較大差別；

Runtime Error(RE)：程序運行期間訪問非法內(nèi)存；

Output Limit Exceeded(OLE)：程序輸出結(jié)果文件過大，超出評測系統(tǒng)限制；

Compile Error(CE)：程序編輯錯誤。

國內(nèi)有一些知名的OJ可以供學(xué)生平時練習(xí)使用，但舉辦一些校內(nèi)比賽并不合適，主要原因是這些OJ只能掛一些已有的題目，而這些題目的解題代碼在網(wǎng)絡(luò)上都可以搜索到答案，因此比賽的挑戰(zhàn)性降低了很多，學(xué)生做題目的興趣并不大。只有搭建本校自己的OJ，才可以在比賽中掛一些原創(chuàng)的題目，一方面原創(chuàng)的題目學(xué)生做起來很有興趣，也很有挑戰(zhàn)性，另一方面培養(yǎng)起來的骨干隊員出一些原創(chuàng)性的題目，對隊員的鍛煉和提升更大。

本校的OJ在舉辦周賽、校賽或是練習(xí)賽時，掛題更加方便，使得各項比賽能夠方便、高效開展。在本校OJ上舉辦周賽、校賽，學(xué)生更愿意與周圍的同學(xué)一爭高下，提升學(xué)生的熱情。本校OJ對ACM競賽也是一個很好的宣傳，能有聚集人氣，水漲船高普遍提升學(xué)生的編程水平?？梢酝ㄟ^OJ上AC題目的數(shù)量作為進入ACM集訓(xùn)隊的門檻，彼此競爭，提升學(xué)生的做題數(shù)量非常有效。同學(xué)比賽的熱情更高、學(xué)生的水平提升更快、學(xué)生的整體水平得到了提升、集訓(xùn)隊伍更具有人氣。營造計算機專業(yè)學(xué)生重視實際動手編寫代碼的學(xué)習(xí)氛圍上有多方面因素，OJ是一個很重要的因素，因為OJ提供了一個可以實際動手編寫代碼的平臺，它具有競爭性、趣味性和有效性。

5 加強實驗室文化氛圍建設(shè)

ACM相關(guān)競賽獲獎的學(xué)生在編寫代碼能力、邏輯思維能力、算法理解深度、知識面廣及團隊合作能力上特別突出，成為名校和名企的最為搶手的人才，但不可否認這些能力的獲得和學(xué)生們的努力和持之以恒的學(xué)習(xí)是分不開，具有這些能力需要時間的積累，意味著全身心的投入，ACM集訓(xùn)隊員沒有寒假和暑假，這兩個時間段正是揮灑汗水，敲寫代碼，攻克難題的時候，正是因為學(xué)生在做訓(xùn)練時的辛苦和遇到難題的挫折，只有良好的實驗室氛圍，一個穩(wěn)定團結(jié)、感情深厚、具有活力的學(xué)生團隊才能幫助新隊員在挫折面前堅持下來，老隊員的水平更上一層樓，新隊員在遇到困難時不至于掉隊和退出。

(1) 以老帶新。骨干隊員的主人翁意識的培養(yǎng)以團隊建設(shè)為以己任，程序設(shè)計競賽考驗的是一個團隊的力量，由于競賽考察的知識面廣而深，因此知識的傳承極為重要，個人獨自學(xué)習(xí)，要想在2-3年內(nèi)學(xué)習(xí)全部的知識點是有難度，效率也比較低。培養(yǎng)隊員們以老帶新的責任感，并將這種精神一代一代傳下去，知識和經(jīng)驗才能獲得保留和積累，提高隊員們的進步速度。讓骨干隊員參與到實驗室的招新活動，包括隊員的選拔和面試；負責集訓(xùn)課程的講授，教學(xué)相長；負責協(xié)助老師參加到一對一的實驗課程的指導(dǎo)；負責周賽、月賽和校賽的出題、判題。

(2) 團隊建設(shè)。進入集訓(xùn)隊需要一定的考核標準，需要確定學(xué)生對ACM競賽的興趣和堅持，如果不能持之以恒，參加ACM競賽不會取得好成績，這是一個需要花時間和精力的比賽。另外，意志不堅定的隊員對其他隊員的士氣和團隊氛圍都有負面的影響。因此在集訓(xùn)隊員的招收上要設(shè)定入隊標準，如半年時間內(nèi)OJ上AC題目的數(shù)量，或codeforce分數(shù)達到一定值，這樣需要持續(xù)做題才能達到的標準。

(3) 實驗室信息化建設(shè)。對計算機科學(xué)拔尖人才的培養(yǎng)，需要掌握知識面廣、對算法理解深入、編成基礎(chǔ)牢固的目標。因此，知識的匯總和經(jīng)驗總結(jié)非常重要，信息化平臺的建設(shè)可以實現(xiàn)知識共享、積累和知識的傳承，作為團隊隊員之間加強聯(lián)系的一個平臺。

(4) 校企合作實驗室。計算機科學(xué)拔尖人才培養(yǎng)實驗室的優(yōu)秀人才會吸引企業(yè)希望能夠成立聯(lián)合實驗室或?qū)嶒灠?，?lián)合實驗室的建立可以讓學(xué)生了解市場需求，使得理論知識的學(xué)習(xí)有市場實際應(yīng)用的指引，并根據(jù)技術(shù)發(fā)展適當調(diào)整培養(yǎng)計劃。

6 實驗室建設(shè)成效

實驗室組織與培訓(xùn)學(xué)生參加省級、國家級及國際級計算機程序設(shè)計類競賽，包括ACM-ICPC國際大學(xué)生程序設(shè)計競賽、CCPC中國大學(xué)生程序設(shè)計競賽、CCCC“中國高校計算機大賽- 團體程序設(shè)計天梯賽”、“藍橋杯”全國軟件和信息技術(shù)專業(yè)人才大賽共獲得國家級獎項29項、省部級獎項93項。

實驗室十分重視實驗教材的建設(shè)，先后出版了計算機程序設(shè)計類教材“算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”“圖論及應(yīng)用”“計算機幾何及應(yīng)用”3冊，實驗講義4本。實驗室教師參加建設(shè)了省級精品資源共享課程“創(chuàng)新教育基礎(chǔ)與實踐課程”及國家級精品資源共享課程“創(chuàng)新教育基礎(chǔ)與實踐”，主持并參加了省級、校級計算機專業(yè)課程教學(xué)改革研究項目4項，取得了良好的教學(xué)效果。

計算機科學(xué)拔尖人才培養(yǎng)實驗室教學(xué)效果顯著，取得了豐碩的成果，培養(yǎng)了一批有創(chuàng)新精神、實踐能力的計算機人才，產(chǎn)生了一批有實用價值的成果，畢業(yè)生得到了用人單位的好評，并到國內(nèi)外名校繼續(xù)深造。

7 結(jié) 語

我校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院經(jīng)過多年的理論教學(xué)和以賽代練的實踐教學(xué)的經(jīng)驗的總結(jié)，逐步完善了培養(yǎng)計劃和實驗室建設(shè)模式。計算機科學(xué)拔尖人才培養(yǎng)實驗室培養(yǎng)學(xué)生注重算法理論與代碼實現(xiàn)的緊密集合，學(xué)生編寫代碼數(shù)量至少是計算機專業(yè)同學(xué)大學(xué)4年完成的平均編程量的數(shù)十倍數(shù)百倍的量。計算機科學(xué)拔尖人才實驗室培養(yǎng)出來的計算機人才具有編程基礎(chǔ)過硬、算法設(shè)計能力強、邏輯思維縝密和良好的合作精神，因此在就業(yè)和保研中有著優(yōu)異的表現(xiàn)，獲得了來及微軟、

google等知名信息企業(yè)以及國內(nèi)各重點院校的青睞。

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