翻转教学在算法设计与分析中的应用研究

翻转教学在算法设计与分析中的应用研究翻转教学在算法设计与分析中的应用研究

中图分类号：G40文献标志码：A文章编号：1006-8228〔2022〕11-59-03

Researchonapplicationofflippedteachinginalgorithmdesignandanalysis

GaoLiping，LiuYa，PengDunlu，ChenQingkui，CaoChunping

〔SchoolofOptical-ElectricalandComputerEngineering，UniversityofShanghaiforScienceandTechnology，Shanghai200093，China〕

Abstract：Algorithmdesignandanalysisisoneofthecorecoursesofcomputersciencespecialty，whichcombinestheoryandpractice.Duringthetraditionalteachingprocess，teachersareteachingwhilestudentsarelisteningontheclass.Forstudentsindifferentlevels，thisteachingmodecannotachieveexcellentresults.Flippedclassroomisintroducedinthispapertoreplacethetraditionalclassroomintheteachingprocess.Thestudentsareemphasizedasthecenteroftheteachingprocess.Thestudents'enthusiasmismobilized."Onesizefitsallmodel"isgivenup.Taketheproblemsasorientation，thestudentsareguidedtolearnbythemselvesandinteract.Strategiesinfouraspectsincludingtheteachingobjectives，teachingcontents，flippedclassroomandassessmentformareproposed.Theteachingresultsshowthattheteachingmethodscanimprovetheteachingeffectgreatly.

0引言

“算法设计与分析〞[1-3]是计算机相关专业研究生的核心课程之一，这门课程的学习一方面可以稳固之前数据结构、高级程序设计、离散数学等课程的学习内容，另外一方面也培养了学生自主抽象问题、解决问题的能力，是学生从事相关行业工作的知识储藏中不可短少的局部[4-5]。然而，传统的教学过程中，主要以教师课堂授课，学生听讲为主，对于根底参差不齐的学生来说，授课效果大打折扣。

翻转课堂教学法是近年流行的一种新型教学办法[6-7]，在国内外很受追捧，从根底教育到高等教育，都涌现出不少成功案例[8-9]。所谓翻转课堂，就是教师创立视频，学生在家中或课外观看视频中教师的讲解，回到课堂上师生面对面交流和完成作业这样一种教学形态[8]。这种教学办法克服了传统教学中教师为主学生为辅的模式中的弊端，教学方式更为灵活，学生可根据自己已有的根底条件，选择适合自己的章节进行学习，并可以自主控制学习的进度。课堂变成了交流和解答问题的平台，比传统教学模式增加了互动环节，因此可以到达更好的教学效果。

在算法设计与分析课程中采用翻转法教学，强调以学生为主体，调动学生的学习积极性，不搞一刀切模式，以问题为导向，采取课堂互动，解疑原那么，可以大大改善传统教学模式下的教学效果。使学生学有所学，同时也能打消教师在选择教学素材上因为学生根底水平不同而无从安顿的困惑。

1翻转法教学

1.1学生特点分析

首先，现代学生在学习、消费、社交等方面，与以往学生有着巨大差别，他们是数码达人、天生的“互联网〞和游戏爱好者，他们更有个性，更愿意主动“动手尝试〞，而不是“被动听讲〞。他们保持注意力的时间较短，倾向于碎片化内容。他们更喜欢简洁、清晰、准确、精炼的信息。传统课堂教师授课为主，学生听讲为辅，以教师为引导的教学方式已经不适应新时代学生。

此外，由于本校研究生中很大一局部比例是其他相关专业转过来的学生，这局部学生中有些甚至未接触过数据结构这一算法的前导课程。学生根底参差不齐，教师为了能够关照到所有学生的情况，往往在教材选择及课程安顿上表现迟疑。选的内容简单了，有根底的学生学不到新知识；选的内容难了，没有根底的学生又像是在听“天书〞。另外，由于算法设计与分析课程是全校选修课，选课的学生除了计算机相关专业的学生外，还有来自光电项目，机械项目，出版印刷等专业的学生，如何协调这些不同专业学生之间的根底差别及目标差别，也是这门课程能否取得较好的教学效果的关键。

1.2翻转课堂的优点

传统教学强调：学习知识在课堂，内化知识在课外。课堂内进行新课导入，知识讲解，布置作业。而翻转课堂那么强调学习知识在课外，内化知识在课堂。课堂外进行自主学习，自定进度，整理收获，提出问题；课堂内那么进行展示交流，协作探究，科学实验，完成作业，教师巡视，并进行一对一个性化指导。传统课堂与翻转课堂的比照分析如表1。

表1传统课堂与翻转课堂的比照分析

[＼&传统课堂＼&翻转课堂＼&教师＼&知识传授者、课堂管理者＼&学习指导者、促进者＼&学生＼&被动接受者＼&主动研究者＼&教学形式＼&课堂讲解+课后作业＼&课前学习+课堂研究＼&课堂内容＼&知识讲解传授＼&问题研究＼&技术应用＼&内容展示＼&自主学习、交流反思、协作讨论工具＼&评价方式＼&传统纸质测试＼&多角度、多方式＼&]

翻转课堂具有下列优点。

⑴翻转让学生自己掌握学习

翻转课堂后，利用教学视频，学生能够根据自身情况来安顿和控制自己的学习。学生在课外或者回家看教师的视频讲解，完全可以在轻松的气氛中进行，而不必像在课堂上教师集体教学那样紧绷神经，担忧遗漏什么，或因为分心而跟不上教学节奏。学生观看视频的节奏快慢全在自己掌握。懂了那么快进跳过，没懂那么倒退反复观看，也可停下来仔细思考或笔记，甚至还可以通过聊天软件向老师和同伴寻求帮忙。

⑵翻转增加了学习中的互动

翻转课堂的最大好处在于全面提升了课堂的互动，具体表现在教师和学生之间以及学生与学生之间。由于教师的角色已经从内容的呈现者转变为学习的教练，这让教师有时间与学生交谈，答复学生的问题，参与到学习小组，对每个学生的学习进行个别指导。当学生在完成作业时，教师会注意到局部学生为相同的问题所困扰，于是组织这局部学生成立辅导小组，往往会为这类有相同疑问的学生举行小型讲座。小型讲座的好处在于当学生遇到难题准备请教时，教师能及时地给予指导。

2翻转教学在算法设计与分析课程中的应用初探

2.1课程教学目标

研究生算法设计与分析这门课程的教学目标是：使学生掌握计算机应用中经常出现的一些实际问题的求解算法；使学生掌握常用的算法分析与设计的根本原理与技术；使学生具备能针对所给实际问题来设计和实现算法，以及评价算法的能力；培养学生对于所要解决的问题，总是努力去设计出尽可能好的算法的良好习惯。课程教学具体目标如下。

⑴稳固之前根底知识

针对学生根底单薄的情况，设计相应的学习环节，包括：数据结构中的线性结构/非线性结构、栈和队列、二叉树、图等根本概念及算法，对程序设计与算法设计之间的知识进行衔接。让根底差的学生能够补充应有的根底知识。

⑵培养学生根本算法设计原理及办法

要求学生掌握各种根本和经典的算法，如排序算法、图的搜索算法、组合算法、数值计算算法、递推法、枚举法、分治法、贪婪法、动态规划、回溯法等。通过根底算法的学习，培养学生根本的算法设计与分析的能力。

⑶培养学生自主解决问题的能力

通过对常用的、有代表性的算法的研究，让学生理解并掌握算法设计的根本技术。培养学生分析算法复杂度的初步能力，锻炼其逻辑思维能力和想象力，并使之了解算法理论的开展。激励学生运用算法知识解决各自学科的实际问题，培养学生的独立科研的能力和理论联系实践的能力。

⑷重视学生发散式思维的培养

培养和拓展学生的发散式思维，做到“一个问题，多种求解〞，可以启迪学生智力，提高学生举一反三，比照分析，灵活应变，多方位思考及想象创新能力。

⑸重视新兴技术及算法的传授

针对目前流行的新兴算法〔示例：并行算法、变现检索算法、遗传算法、蚁群算法、布谷鸟搜索算等〕，结合算法应用，对算法原理及其实现办法进行介绍，并引导学生通过这些算法来解决实际的问题。使研究生具备解决新问题的能力。

2.2课程教学内容

算法设计与分析课程主要介绍计算机程序设计中常见的非数值算法设计谋略，具有一定的深度和广度。内容包括：算法分析的根本概念、根本设计技巧、分治法、动态规划法、贪心法、图的遍历办法、回溯法，以及随机算法、近似算法、遗传算法、搜索引擎算法、压缩算法等。我们根据算法设计与分析的教学目标，本着“设计与分析并重，理论与实践结合，经典与现代互补〞的原那么，进行教学内容的选取。具体有下列几个方面。

⑴算法概述。主要介绍算法根本概念，算法复杂度的根本概念及时间复杂度的计算办法。

⑵算法根本设计技巧。主要介绍算法设计与分析的根本步骤，其中包括：数学模型构建、“自顶向下、逐步求精〞的算法设计过程、循环和递归的设计要点、数据结构的选择及应用，以及函数渐进分析及算法复杂性度量等内容。

⑶分治法。主要介绍分治法根本思想，二分搜索技术，大整数乘法，矩阵乘法，棋盘覆盖，合并排序，快速排序，线性时间选择，最接近点对问题，循环赛日程表等。

⑷动态规划。主要介绍动态规划的根本要素，矩阵连乘，最长公共子序列，最大子段和，凸多边形最优三角剖分，多边形游戏，图像压缩，电路布线，流水作业调度，0-1背包问题，最优二叉搜索树等。

⑸贪心算法。主要介绍贪心算法的根本要素，活动安顿问题，最优装载，哈夫曼编码，单源最短路径，最小生成树，多机调度等。

⑹回溯法。主要介绍回溯法的算法框架、符号，三角形问题，n个皇后问题，最大团问题，图的m着色问题，旅行售货员问题，圆排列问题，连续邮资问题，电路板排列问题等。⑺分支限界法。主要介绍分支限界的根本思想，单源最短路径，布线问题，0-1背包问题，批处理作业调度问题等。

⑻新技术介绍。介绍本学科领域的最新进展，讲述并行算法设计技术、概率算法、近似算法、遗传算法、搜索引擎算法等。

2.3翻转教学办法

打破传播课堂授课为主的传授模式，强调学生自主学习和讨论学习，以翻转课堂取代传统课堂，充沛发挥学生学习的主动性和能动性，下列介绍具体步骤。

⑴准备教学视频

翻转课堂中的视频不需要客串课程中所有的内容，只需要针对难点和重点局部进行专题讲解即可。每一个视频都是针对一个特定的算法，有较强的针对性，方便学生进行查找。视频的长度也应该控制在学生注意力能比拟集中的时间范围内。示例：采用冒泡排序进行排序时，利用视频可以让学生更分明地理解排序过程中两个相邻元素进行比拟并相互交换的过程，从而更好地掌握“冒泡〞的设计思想。

⑵构建视频效劳器

在校园网申请独立的视频效劳器，要求有较大的存储空间，能够同时满足100人在线的响应需求，保证视频播放的速度。上传文件和在线播放需要高带宽和高容量硬盘的支持，硬盘需要10000万转的高速硬盘。通过磁盘阵列设置多个硬盘，同时需要100M独享。

⑶搭建微教学网站

课堂授课的内容制作成视频在课程网站上发布，方便学生进行课下学习。支持学生进行知识点和章节选择，安顿自己的学习方案。除此之外，我们也注重加强互动教学环节。在课程网站上，开设论坛、答疑、作业、网络考试、问卷调查等模块，通过布置作业、让学生提问、论坛讨论等方式加强教师与学生之间，以及学生与学生之间的协作与交流。

⑷重构学习流程

通过“翻转课堂〞对学生的学习过程进行重构。“信息传递〞是学生在课前进行的，教师不仅提供视频，还可以提供在线的辅导；“吸收内化〞是在课堂上通过互动来完成的，教师能够提前了解学生的学习困难，在课堂上给予有效的辅导，同学之间的相互交流更有助于促进学生知识的吸收内化。

⑸新的复习检测模式

视频后面安顿几个小问题，以帮忙学生及时进行检测，并对自己的学习情况做出判断。如果发现几个问题答复的不好，学生可以回头再学习一遍。示例，冒泡排序视频结束之后，安顿几个具体的例子要求学生进行练习，按照冒泡排序的思想进行排序练习。

2.4考核办法

考试的主要作用是对学生所学的知识进行评价反应、检测教学效果并催促学生认真学习、稳固所学知识，同时也有利于教师发现教学中的问题，不断地改良教学工作。传统教学中的考核方式比拟单一，仅根据期末考试的成绩来对学生