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        “算法設(shè)計(jì)過程”的教學(xué)設(shè)計(jì)及反思

        2019-12-27 04:16:03張明鍵
        藝術(shù)科技 2019年20期
        關(guān)鍵詞:教學(xué)環(huán)節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)

        摘 要:“算法設(shè)計(jì)與分析”是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的核心主干課程?!八惴ㄔO(shè)計(jì)過程”是“算法設(shè)計(jì)與分析”課程中的一個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)。算法設(shè)計(jì)過程內(nèi)容的掌握程度和應(yīng)用水平,對(duì)課程后續(xù)章節(jié)的學(xué)習(xí)效果有直接影響。本文對(duì)“算法設(shè)計(jì)過程”的教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì),闡述多種教學(xué)方法在教學(xué)過程中的運(yùn)用形式和技巧。課程教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生通過學(xué)習(xí)掌握算法設(shè)計(jì)的4個(gè)基本步驟,培養(yǎng)學(xué)生分析問題、尋找數(shù)量關(guān)系、通過符號(hào)化過程建立數(shù)學(xué)模型和編寫計(jì)算機(jī)程序的能力。

        關(guān)鍵詞:教學(xué)設(shè)計(jì);算法設(shè)計(jì)過程;教學(xué)環(huán)節(jié)

        0 引言

        算法是計(jì)算的靈魂,在計(jì)算科學(xué)和工程實(shí)踐中扮演著重要角色。作為計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的核心主干課程,“算法設(shè)計(jì)與分析”的目的是培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力,使學(xué)生掌握算法設(shè)計(jì)的基本方法和算法性能分析的基本技術(shù)。[1]該課程要求學(xué)生具備較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和較強(qiáng)的邏輯思維能力,實(shí)現(xiàn)算法時(shí)還需要學(xué)生具備較強(qiáng)的編程能力。

        “算法設(shè)計(jì)過程”是“算法設(shè)計(jì)與分析”課程中一個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)。算法設(shè)計(jì)過程是一個(gè)抽象思維的過程,是對(duì)實(shí)際問題本質(zhì)特征的邏輯概括,從而選擇和設(shè)計(jì)合適的算法框架。算法設(shè)計(jì)過程這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度,對(duì)學(xué)生泛化該課程所學(xué)知識(shí),以解決實(shí)際應(yīng)用和工程問題有重要影響。

        本文將“算法設(shè)計(jì)過程”這一知識(shí)點(diǎn)分解為4個(gè)步驟:?jiǎn)栴}分析、抽象、符號(hào)化、計(jì)算機(jī)程序編寫。教學(xué)重點(diǎn)是在抽象步驟中找到問題背后隱藏的數(shù)量關(guān)系。教學(xué)設(shè)計(jì)綜合采用多種教學(xué)方法。

        1 課堂教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

        1.1 課程導(dǎo)入

        教師陳述:在前面章節(jié)中,我們了解了應(yīng)用于語音識(shí)別的維特比算法,應(yīng)用于人臉識(shí)別的主分量分析算法,還有求最短路徑的迪杰斯特拉算法。這些算法改變了我們的生活。教師提問:同學(xué)們,你們想設(shè)計(jì)屬于自己的算法嗎?學(xué)生自答:略。教師陳述:下面我們就隨著一對(duì)兔子走進(jìn)算法設(shè)計(jì)的世界。案例引入:19世紀(jì)中葉,澳大利亞一個(gè)農(nóng)場(chǎng)主放養(yǎng)了幾只兔子,經(jīng)過短短60年,兔子數(shù)量增長(zhǎng)到了100億只。如何設(shè)計(jì)一個(gè)算法,描述兔子的繁殖過程并計(jì)算兔子繁殖的數(shù)量呢?

        1.2 問題描述

        教師講解:草原上最初只有一對(duì)小兔子,一年后草原上一共有多少對(duì)兔子?圍繞這個(gè)問題有3個(gè)假設(shè)條件:一是小兔子一個(gè)月以后成為老兔子;二是一對(duì)老兔子每月生一對(duì)小兔子;三是兔子不死亡。教師陳述:算法設(shè)計(jì)流程包含相互關(guān)聯(lián)的4個(gè)步驟,即問題分析、抽象、符號(hào)化和編寫計(jì)算機(jī)程序。

        1.3 算法設(shè)計(jì)過程第一個(gè)步驟:?jiǎn)栴}分析

        教師講解:為使分析過程形象具體,利用畫圖法。第一個(gè)月,只有1對(duì)小兔子,到了第二個(gè)月它們變成了老兔子。到了第三個(gè)月有2對(duì)兔子,因?yàn)槔贤米由铝?對(duì)小兔子。第四個(gè)月,又出生了1對(duì)小兔子,兔子總數(shù)變成了3對(duì)。我們還可以畫出第五個(gè)月、第六個(gè)月、第七個(gè)月的兔子(此處使用動(dòng)畫演示)。學(xué)生活動(dòng):手工畫出第四個(gè)月兔子的情況。教師設(shè)問:如果要畫出第100個(gè)月以后的兔子,會(huì)遇到什么樣的難題?學(xué)生活動(dòng):討論、回答。教師點(diǎn)評(píng):即使有天安門廣場(chǎng)那么大的紙可能也畫不下這么多兔子。為此,必須用抽象的方法,找出隱藏在這張圖背后的規(guī)律,從中挖掘出數(shù)量關(guān)系。

        1.4 算法設(shè)計(jì)過程第二個(gè)步驟:抽象

        教師講解:以第五個(gè)月的兔子為例進(jìn)行分析。第五個(gè)月的老兔子有3對(duì),等于第四個(gè)月兔子總對(duì)數(shù)。因?yàn)榈谒膫€(gè)月的兔子無論是老的還是小的,到了第五個(gè)月都變成了老兔子。得到推論1:本月老兔子對(duì)數(shù)等于上月兔子的總對(duì)數(shù)。再看第五個(gè)月的小兔子共有2對(duì),而第四個(gè)月的老兔子也是2對(duì),這兩個(gè)數(shù)量相等。因?yàn)椋谒膫€(gè)月的老兔子,到了第五個(gè)月每對(duì)會(huì)生1對(duì)小兔子。得到推論2:本月小兔子對(duì)數(shù)等于上月老兔子的對(duì)數(shù)。

        教師講解:本月兔子總對(duì)數(shù)=本月老兔子對(duì)數(shù)+本月小兔子對(duì)數(shù),這是自然成立的。這個(gè)數(shù)量關(guān)系太平淡無奇了,就像是一杯白開水。下面,我們?cè)谄渲屑尤胪普?和推論2,看看能發(fā)生什么樣的化學(xué)反應(yīng)?

        學(xué)生活動(dòng):讓學(xué)生思考并回答,利用推論2,本月小兔子的對(duì)數(shù)等于上月老兔子的對(duì)數(shù);在此基礎(chǔ)上利用推論1,上月老兔子的對(duì)數(shù)等于再上一個(gè)月兔子的總對(duì)數(shù)。推論3變成了這樣一種形式:本月兔子對(duì)數(shù)=上月兔子總對(duì)數(shù)+上上月兔子總對(duì)數(shù)。

        教師點(diǎn)評(píng):這個(gè)數(shù)量關(guān)系簡(jiǎn)潔、深刻、漂亮。至此,一杯白開水變成了一杯咖啡。推論3是用自然語言描述的數(shù)量關(guān)系,如果在此基礎(chǔ)上進(jìn)行符號(hào)化,形成數(shù)學(xué)模型,將有助于計(jì)算機(jī)程序的編寫。

        1.5 算法設(shè)計(jì)過程第三個(gè)步驟:符號(hào)化

        教師講解:第n個(gè)月兔子對(duì)數(shù)表示成F(n)的形式。教師提問:請(qǐng)問如果F(n)表示當(dāng)本月兔子總對(duì)數(shù),那么上月兔子對(duì)數(shù)和上上月兔子對(duì)數(shù)怎么表示呢?學(xué)生回答:F(n-1)、F(n-2)。教師點(diǎn)評(píng):至此,得到了一個(gè)簡(jiǎn)潔漂亮的數(shù)學(xué)公式,F(xiàn)(n)=F(n-1)+F(n-2)。根據(jù)前面的分析,F(xiàn)(1)=1,F(xiàn)(2)=1,據(jù)此可計(jì)算出F(3)=2,以此類推,可得F(12)=144。但是要計(jì)算F(100),手工計(jì)算不太現(xiàn)實(shí),只能交給計(jì)算機(jī)程序去完成。

        教師講解:根據(jù)前面的分析,我們得到了完整的數(shù)學(xué)模型,包含3種情況,分別是:n=1時(shí),F(xiàn)(n)=1;n=2時(shí),F(xiàn)(n)=1;n>2時(shí),F(xiàn)(n)=F(n-1)+F(n-2)。在此數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上編寫計(jì)算機(jī)程序就容易多了。

        1.6 算法設(shè)計(jì)過程第四個(gè)步驟:編寫計(jì)算機(jī)程序

        教師提問:第一個(gè)條件用C語言程序怎么表示?學(xué)生回答:if(n==1)? return 1。教師提問:第二個(gè)條件用C語言程序怎么表示?學(xué)生回答:if(n==2)? return 1。教師提問:第三個(gè)條件用C語言程序怎么表示?學(xué)生回答:if(n==1)? return F(n-1)+F(n-2)。教師點(diǎn)評(píng):這是一個(gè)遞歸形式的程序。下面,我們嘗試把這個(gè)遞歸程序改寫成非遞歸的程序。

        教師講解:本月兔子對(duì)數(shù)、上月兔子對(duì)數(shù)和上上月兔子對(duì)數(shù)分別用變量F3、F2、F1表示。例如,在求第四個(gè)月的兔子總對(duì)數(shù)時(shí)需用到第2個(gè)月和第3個(gè)月兔子總對(duì)數(shù),這兩個(gè)值上一次計(jì)算中已經(jīng)分別保存在F2和F3中,因此要用上一次的F2和F3值對(duì)F1和F2的值進(jìn)行更新。根據(jù)這個(gè)遞推準(zhǔn)則,得到用循環(huán)語句實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)程序(該部分動(dòng)畫演示和代碼演示)。

        1.7 課堂練習(xí)

        教師提出問題:圍繞一對(duì)小兔子一年能繁殖成多少對(duì)兔子這個(gè)問題,把第二個(gè)條件改為:一對(duì)老兔子每月生兩對(duì)小兔子,其他兩個(gè)條件不變。學(xué)生活動(dòng):思考、作答并現(xiàn)場(chǎng)編程。

        1.8 課堂小結(jié)

        學(xué)生活動(dòng):讓學(xué)生回顧本節(jié)課內(nèi)容,鍛煉學(xué)生總結(jié)知識(shí)的能力。教師點(diǎn)評(píng):設(shè)計(jì)算法需要經(jīng)過相互關(guān)聯(lián)的4個(gè)步驟,問題分析是基礎(chǔ)(理清概念和條件),抽象是關(guān)鍵(目的是發(fā)現(xiàn)規(guī)律,也是本次課的重點(diǎn)),符號(hào)化是橋梁(方便編寫程序),經(jīng)過橋梁到達(dá)的彼岸就是計(jì)算機(jī)程序(難點(diǎn))。

        1.9 布置課后思考題

        思考題1:假設(shè)草原上最開始只有1對(duì)小兔子,問兩年后兔子共有多少對(duì)?條件:一是每對(duì)老兔子1個(gè)月生一對(duì)小兔子;二是小兔子2個(gè)月以后變?yōu)槔贤米?三是兔子不死亡。用課堂上所講算法設(shè)計(jì)過程的4個(gè)步驟解決問題,編寫遞歸和非遞歸形式的程序。該問題從本節(jié)課所講例子修改而來,體現(xiàn)了循序漸進(jìn)的原則,該思考題可以檢測(cè)學(xué)生對(duì)本知識(shí)點(diǎn)的推廣運(yùn)用能力。

        思考題2:斐波那契數(shù)列在生活中還有哪些應(yīng)用?

        2 教學(xué)反思

        一提到算法,同學(xué)們普遍的感覺就是“難”“枯燥”,從而產(chǎn)生排斥心理。如何讓算法課講起來生動(dòng)活潑,讓學(xué)生樂于學(xué)習(xí),變“要我學(xué)”為“我要學(xué)”,是筆者一直思考的問題。

        在“算法設(shè)計(jì)過程”知識(shí)點(diǎn)各教學(xué)環(huán)節(jié)中,筆者始終堅(jiān)持學(xué)生主體、能力本位的教學(xué)理念,主要從兩方面入手。

        首先,巧妙設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容,找準(zhǔn)教學(xué)切入點(diǎn)。在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上,講究分層設(shè)計(jì)、循序漸進(jìn),合理地運(yùn)用多種教學(xué)方法,可以將枯燥難懂的理論概念形象化、生動(dòng)化,利于學(xué)生理解。“算法設(shè)計(jì)過程”的教學(xué)過程分為課程導(dǎo)入、算法設(shè)計(jì)過程4個(gè)步驟的理論講解、計(jì)算機(jī)程序講解和演示、課堂練習(xí)、歸納小結(jié)和課后思考,主要運(yùn)用了如下7種教學(xué)方法:

        第一,形象教學(xué)法。整節(jié)課內(nèi)容用一對(duì)兔子的故事串起來。設(shè)定一個(gè)問題:一對(duì)兔子一年能繁殖出多少對(duì)兔子?然后講解如何通過設(shè)計(jì)算法解決這個(gè)問題。通過講故事的方式詮釋算法設(shè)計(jì)過程這一抽象概念,學(xué)生聽起來不覺得枯燥。

        第二,案例導(dǎo)入法。在新課導(dǎo)入時(shí)筆者選擇了廣泛使用的3個(gè)著名算法,利用設(shè)問用方式,激發(fā)學(xué)生對(duì)算法設(shè)計(jì)過程的好奇心和學(xué)習(xí)興趣。

        第三,層層遞進(jìn)法。筆者把算法設(shè)計(jì)過程分成4個(gè)步驟。第一個(gè)步驟是問題分析,利用圖例進(jìn)行分析,然后指出其中的不足之處,即推廣難,從而引入第二個(gè)步驟——抽象。抽象可以找到圖背后隱藏的規(guī)律,解決推廣難的問題;抽象步驟得到的是自然語言描述的數(shù)量關(guān)系,但是自然語言描述的數(shù)量關(guān)系轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)程序還是不方便,因此引入了第三個(gè)步驟——符號(hào)化。符號(hào)化以后得到了數(shù)學(xué)模型,以數(shù)學(xué)模型為橋梁,為了實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)算,避免煩瑣的人工計(jì)算,引入了第四個(gè)步驟——編寫計(jì)算機(jī)程序。這樣的講解過程邏輯清楚,抽絲剝繭,層層遞進(jìn),引人入勝。

        第四,圖例教學(xué)法。兔子繁殖規(guī)律的分析通過一張圖實(shí)現(xiàn),把抽象概念以圖示的方式清晰地展示給學(xué)生們看,并帶他們一起進(jìn)行兔子繁殖過程的推算。在把計(jì)算機(jī)遞歸程序改成非遞歸形式時(shí)也使用了圖示的方法。

        第五,比喻教學(xué)法。對(duì)學(xué)生難以理解的概念利用通俗易懂的例子進(jìn)行比喻。例如:推論3是一個(gè)平淡無奇的數(shù)量關(guān)系,就像是一杯白開水。但是在這杯白開水中加入推論1和推論2,就會(huì)起化學(xué)反應(yīng),白開水變成了一杯咖啡。這樣的比喻形象而生動(dòng)。

        第六,演示教學(xué)法。利用計(jì)算機(jī)程序和動(dòng)畫演示,讓學(xué)生對(duì)知識(shí)的印象更深刻,讓學(xué)生對(duì)程序的執(zhí)行效果有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)。

        第七,課堂練習(xí)教學(xué)法。為了加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解,檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果,筆者改變了原問題3個(gè)條件中的一個(gè)條件,讓學(xué)生根據(jù)新的假設(shè)條件找到新的數(shù)量關(guān)系并推導(dǎo)新的數(shù)模模型,然后寫出計(jì)算機(jī)程序,學(xué)生跳一跳能“夠得著”。

        其次,巧妙設(shè)計(jì)提問環(huán)節(jié),引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考。采用案例驅(qū)動(dòng)教學(xué)法,使用兔子繁殖的例子貫穿始終,充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性與創(chuàng)造性,讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中積極思考、主動(dòng)探究、分析問題和尋找答案。在課堂上推進(jìn)討論式和啟發(fā)式教學(xué)。隨著問題討論的不斷深入,學(xué)生逐步掌握了“算法設(shè)計(jì)過程”這個(gè)知識(shí)點(diǎn)。課后思考題筆者選擇了開放性題目,讓學(xué)生自主查閱資料,提出解決問題的方案和思路。

        3 結(jié)語

        “算法設(shè)計(jì)與分析”是計(jì)算機(jī)專業(yè)的主干核心課程,算法設(shè)計(jì)方法和理論是該課程的主要內(nèi)容。文本圍繞“算法設(shè)計(jì)的過程”這一知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì),綜合運(yùn)用多種教學(xué)方法層層遞進(jìn)開展教學(xué)。教學(xué)環(huán)節(jié)中,注重突出以學(xué)生為中心,調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。本文闡述的教學(xué)方案在實(shí)踐中取得了比較好的效果,得到了學(xué)生的認(rèn)可,以后還可以嘗試引入移動(dòng)信息化教學(xué)手段,[2]進(jìn)一步活躍課堂氣氛,增加互動(dòng)環(huán)節(jié)。[3]

        參考文獻(xiàn):

        [1] 安思,柯春艷.算法設(shè)計(jì)與分析課程“混合式學(xué)習(xí)”教學(xué)改革[J].福建電腦,2018,34(08):75+96.

        [2] 劉俊梅,馬永剛.移動(dòng)信息化教學(xué)在線性代數(shù)教學(xué)中的應(yīng)用——以藍(lán)墨云班課為例[J].科教導(dǎo)刊(下),2019(03):97-98.

        [3] 牛為華,程曉榮,袁和金,龐春江.基于互動(dòng)式的“算法設(shè)計(jì)與分析”課程教學(xué)改革[J].數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)與研究,2019(04):14.

        作者簡(jiǎn)介:張明鍵(1976—),男,江蘇揚(yáng)州人,博士,湖南警察學(xué)院教授,研究方向:優(yōu)化算法,大數(shù)據(jù)與人工智能。

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