张永梅 马礼 孙海燕 付昊天 周奇
摘 要： 针对计算机专业学生在编程和算法设计与分析中存在的问题，在课程设置与教学目标、实验性课程教学、多模态教学，和学习态度的指引等方面，给出了具体的改革措施，有效提升了学生的编程能力、算法设计与分析能力，以及分析和解决实际问题的能力。
关键词： 编程能力； 算法设计； 计算机专业； 改革措施
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2016）03-60-04
Research and exploration of cultivating students' ability of programming，
algorithm design and analysis
Zhang Yongmei， Ma Li， Sun Haiyan， Fu Haotian， Zhou Qi
（School of Computer Science， North China University of Technology， Beijing 100144， China）
Abstract： Aiming at the problems existing in programming and algorithm design and analysis of computer specialty students， the concrete reform measures are given on the aspects of the curriculum and teaching objectives， experimental course teaching， multi-mode teaching and the guiding of learning attitude， which effectively improve students' ability of programming and algorithm design and analysis， as well as the ability to analyze and solve practical problems.
Key words： programming ability； algorithm design； computer specialty； reform measures
0 引言
计算机科学与技术本科生的基本学科能力可以归纳为计算思维能力、算法设计与分析能力、程序设计与实现能力、系统能力[1]。其中计算思维能力是指模型化、抽象思维能力、逻辑思维能力。系统能力是指计算机系统的认知、分析、开发与应用能力，也就是要站在系统的观点上去分析和解决问题，追求问题的系统求解，而不是被局部的实现所困扰。算法设计与分析能力、程序设计能力是计算机类专业学生应该具备的基本能力之一，是从抽象思维到具体应用方法的转换，涉及到阅读判断、思考分析、抽象综合、表达创造等多项能力，对计算机专业高素质人才的培养不可或缺。
从目前社会对计算机专业人才的需求来看，高校在培养学生的程序设计、算法设计与分析能力上所作出的努力还远远不够。本文探讨了计算机专业学生在程序设计、算法设计与分析方面存在的主要问题，给出了在课程与实践中提高学生的程序设计、算法设计与分析能力的具体措施。
1 现状与问题分析
近年来，企事业用人单位较普遍的反映是计算机类毕业生的实际应用知识、动手能力和程序设计开发经验严重不足，尤其是程序设计能力、算法设计与分析能力无法达到用人单位的要求。这不仅影响学生就业，更阻碍了其进一步发展与自我提升。
我们归纳了问题的主要原因。一是学生对于有关程序设计及算法的知识仅仅停留在了解的程度上，未能融汇贯通，进而应用这些知识解决实际问题。二是教师在讲解程序设计、算法设计与分析的相关知识时，并没有将理论与实际有机的结合。三是实际教学过程中并未对学生进行真正的软件项目开发训练。四是对第一门程序设计课程的教学不够重视。五是学生的数学基础差、逻辑思维能力弱，阻碍了学生进一步设计算法和分析算法。
2 程序设计、算法设计与分析能力培养的具体措施
教育教学工作应该以学生为主体，同时充分发挥教师的引领、指导作用，二者有机结合，才能充分调动学生的学习积极性和主动性，从而达到最佳的教学效果。因此本文以“学生为主体，教师为主导”这一思想为指导，结合本校的实际情况，以及教师在教育教学工作过程中遇到的问题和广大学生的反馈，从以下四个方面探讨教育教学改革的措施。
2.1 调整课程设置和教学目标
用计算机求解一个实际问题，首先要从这个实际问题中抽象出一个数学模型，然后设计一个解此数学模型的算法，最后根据算法编写程序，以便调试、编译、连接和运行，从而形成该问题的解。从实际问题中抽象出一个数学模型的实质，其实就是要用数学方法抽取其主要的、本质的内容，最终实现对该问题的正确认识。设计出解决问题的算法后，要清楚地知道算法的优劣处，如果是好的算法则不必对其怀疑而再浪费时间进行研究；如果不是好算法则应再进行改进。而如何知道算法的优劣，则需要学会分析算法。算法分析是对一个算法需要多少计算时间和存储空间作定量的分析。编程就是设计程序，用计算机来解决问题。
与数据结构和算法设计相关的课程较多，其中三分之二以上的专业课都需要学习编程，主要是提高学生编程能力和算法分析能力。对于本科生来说，这些课程的重要性是不言而喻的。如果掌握不好则会阻碍他们对编程能力乃至对计算机系统的认识和理解。因此，应该从课程的意义出发，以提高学生的编程能力和算法设计与分析能力为目标，结合计算机专业的特点与教学实际情况，将“C语言程序设计”、“面向对象程序设计”、“离散数学”、“数据结构”、“算法设计与分析”、“网络编程”、“Windows编程技术”、“操作系统”、“计算机网络”、“编译原理”和“数据库技术”等几门课程有机地结合起来，并充分利用它们内在的联系优化授课的顺序与内容，为学生提供一套以编程能力和算法设计与分析能力为中心的教学体系，为学好相应的课程打下坚实基础[2]。
“C语言程序设计”和“离散数学”作为计算机专业学生较早接触的两门课程，应该为后续专业课的学习打好基础。C语言是学生在大学接触的第一门编程语言，教学中应该重点介绍程序设计思想，并培养学生的逻辑思维能力、抽象能力、编程习惯，而不是一味地强调C语言的语法特性。同时，“C语言程序设计”这门课也为后续的数据结构、算法设计与分析课程做好实践上的铺垫。“离散数学”的概念、理论及方法应用于计算机科学与技术的诸多领域，并大量出现在“数据结构”、“数据库系统”、“编译原理”、“算法设计与分析”、“计算机网络”等专业课程中。此外，离散数学所提供的训练十分有益于学生的逻辑推理、抽象概括及归纳构造能力的提高，十分有益于培养学生严谨、完善、规范的科学态度。
通过“数据结构”课程，使学生了解数据对象的特性，学会数据组织的方法，以及各种类型数据的处理方法，同时培养学生良好的程序设计技能。“算法设计与分析”课程重点讲授分治法、贪心法、动态规划、回溯法、分支限界法，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生掌握算法设计的基本方法，熟悉算法分析的基本技术，并能熟练运用一些常用算法。“操作系统”、“计算机网络”、“编译原理”和“数据库技术”都是对前面学习到的一些基本的数据结构和算法的具体应用，再加上一些相关领域的专业知识。
在“操作系统”教学中，让学生了解操作系统的一些基本概念，如：进程和线程、虚拟内存、死锁等，并按操作系统的五大功能分模块进行介绍。通过相应实验帮助学生理解重要概念，如通过实现“银行家算法”让学生明白进程间的通信过程、模拟LRU算法了解页面如何置换，通过实验使学生更加深刻地理解有关概念[3]。对于“编译原理”这门课，由于其理论性较强，在教学过程中应该尽量多与实验相结合，在课堂上比较难理解的内容，例如词法分析中的有限自动机内容或语法分析中LL（1）文法的理解等等，都可以通过与实验结合来促进对课堂内容的理解，可通过完成词法分析器的实验了解编译器如何把输入的源程序转化为单词符号串。
2.2 加强实验性课程教学
计算机专业相关的课程总体来说理论性比较强[4-5]，开设实验性课程有利于学生通过自己的实际操作加深对课堂知识的理解，同时强化编程能力、算法设计能力和创新能力。许多课程都有上机编程实验内容，如“C语言程序设计”、“面向对象程序设计”、“数据结构”、“算法设计与分析”、“Java程序设计”、“操作系统”等课程，都要求学生完成一定数量的设计性，完成验证性实验。我们设立了工程与学术实践、计算机软件课程设计、独立实验课程以及毕业设计等实训科目，坚持编程实践四年不间断。
实验贯穿于理论、抽象和设计过程；实验对软件的设计和实现、测试原理和方法起示范作用；实验不仅是对理论的验证，也是技术训练和能力培养，包括动手能力、分析问题解决问题能力、表达能力、写作能力等。教学活动是教师和学生不断交流的过程，实验是实现这个过程的桥梁，可以弥补课堂教学的不足，加深对理论过程的理解，启发学生深入思考，敢于创新，理论联系实际。
例如“编译原理”课程是计算机类专业的一门重要专业课。设置该课程是让学生学习编译系统的结构、工作流程及编译程序各组成部分的设计原理和实现技术，使学生通过学习既掌握编译理论和方法基本知识，也具有设计、实现、分析和维护编译程序等方面的初步能力。编译原理是一门理论性和实践性都比较强的课程。实验的目的是加深学生对课堂知识的理解，掌握几个主要编译阶段的处理方法，增强实践能力，能完成初步设计、编制和调试编译系统。
实验一词法分析器构造，通过对给定源语言词法分析程序的设计，加深对词法分析原理的理解，掌握源语言的接受、存贮、预处理和扫描分析，生成正确的单词符号串二元式序列。实验二语法分析器构造，借助于词法分析程序提供的分析结果，编写一个算符优先语法分析程序，程序能进行语法结构分析和错误检查并产生相应的归约信息。同时给出出错信息和错误类型，从而加深对语法分析的理解。进一步设计实现球类描述语言词法分析、语法分析实验（扩展实验），根据球类比赛技战术分析的需求，设计的解释器由词法器、语法器和语义分析模块三部分组成，词法分析器负责词法分析的预处理和输入单词的解释；语法分析负责输入码的语法结构检查和解释；在词法和语法分析器基础上，语义分析模块负责比赛技战术的分类与统计工作。
本校开设了“程序设计专题训练”、“计算机网络专题训练”、“操作系统专题训练”、“数据库专题训练”、“软件测试技术”、“嵌入式技术”等实践课程。如“程序设计专题训练”课程是C程序设计课程后续的训练课程，针对程序设计中常见问题，以专题形式进行训练。通过该课程的学习，使学生能深入理解C语言特性，掌握基本程序设计方法，学会常见问题的处理技巧，提高程序设计能力，为后续专业课程的学习打下良好基础。又如“操作系统专题训练”课程重点提高学生对操作系统的实际操作能力，使学生了解和掌握在Windows、Linux操作系统上运行的应用服务，对操作系统与外部接口（shell）有更深入的了解和认识。
为了能切实提高学生的编程水平和算法设计与分析能力，我们开设了“项目管理实践”、“软件课程设计”、“企业实训”、“学术与工程实践”等实践课程，如“项目管理实践”课程培养学生参与大型软件项目开发的基本能力，使学生能够熟练掌握软件开发环境使用和软件开发的基本方法，为毕业设计和就业提供了必要的技能训练。按照5-8人的规模成立软件开发项目组，以开发一个软件项目作为实训的主线；项目经理由学生担任，项目成员的角色由项目经理根据各成员的技能来确定；由实训方提供项目的用户需求，并且确定要开展的软件工程活动和管理活动及项目里程碑；根据开展的软件工程和管理活动，提取出一些关键知识点，以案例的方式进行项目培训，并将其用于项目开发的实践中，其中案例来自实际开发的软件和系统集成项目。
2.3 紧跟时代变化，实现多模态教学
首先重视教学内容的时效性，教师在教学过程中，不仅仅着眼于所选用的教材，还应融入前沿思想、技术和一些交叉学科的内容。例如在“编译原理”课程的教学中，不局限于一种语言，而应该选择多种不同体系结构的编程语言进行介绍；又例如可以选择C语言、Ruby、Python，甚至是苹果最新推出的Swift语言，通过比较这些语言的不同特征，给出其在编译过程中的各自特点，从而使学生对编译程序所做的工作有更加清晰透彻的了解。在“数据结构”、“面向对象程序设计”这类课程的教学中，可以多介绍一些国内外的文献、最新应用等，从多种不同角度引导学生程序阅读及编程的兴趣。这就要求教师关注计算机及电子信息产业发展研究的最新内容，并及时将这些新内容融入到教学工作中。
其次，重视教学方式的时效性，培养学生程序阅读能力、编程能力，其手段要紧跟时代步伐。充分利用互联网时代的MOOC，如北京大学的MOOC、浙江大学的MOOC、本校的MOOC等，将原先只能在电脑上或书本中的程序放在手机上，使学生可以随时随地从手机端进行学习。学生课外可以利用北京航空航天大学实验类MOOC的计算机网络实验课程、移动计算两门课程，通过计算机网络实验课程，了解网络基本原理，远程配路由器、交换机，组一个小的网络，掌握基本的网络故障排查方法。通过移动计算即Android编程，MOOC已经搭好大的框架，教学生编写小的app程序，并将编写好的代码嵌入到框架中。
通过促进在计算机系本科教学工作中多模态教学模式的实现，可以将原先计算机专业教学以课堂教学为主、课下上机实验为辅，其余全靠学生自觉学习的格局，转化为课堂教学为主导，智能端随时学习为辅，课下上机实验为监督检测的新格局。这样的格局摒弃了过去教学只能在课堂进行的成见，给予学生更多的学习自由，可以有效提高学生的程序设计、算法设计与分析能力，同时节约课堂时间，教师在课堂中能够有更多时间讲解一些更加实用的难以从书本中直接获得的知识。
2.4 注重对学生学习态度的引导
在对计算机系学生的调查中发现，后进生大多有“畏难”情绪。他们往往还未开始编程，就对自己的能力进行主观否定，这种特征在调剂生身上表现得较为突出。对于这种情况，教师在课堂上如果只单方面强调知识的重要性，甚至直接点出考试及格的重要性并不会对这类学生思维模式的转变有好处。教师在教学过程中，常常会不自觉地将自己体验过的应试竞争态度带入教学工作中，具体表现为：过于强调考试分数，为了提起学生的听课兴趣甚至以考试题型作为诱饵，经常强调奖学金和保研问题，整个教学工作围绕着考试等。这其实都是不正当的竞争指引方式，只会增强学生的厌学心理。
因此，计算机专业讲师在教学过程中，应格外注重对学生学习态度的指引，特别是在代码类课程的教学过程中，教师不应根据自己多年的代码编写经验来对代码进行讲解，而是应该想象自己是这种代码的一名新学生，对这类代码一无所知的情况下，可能会从哪里入手进行理解。与其说“这门课挂科了，你毕业就有危险”，不如说“学会写代码，你就可以自由驾驭整台计算机”；与其说“这种数据类型期末考试一定会考”，不如说“你玩的泡泡龙中，屏幕上的泡泡就可以用这种数据类型来写”。在教学中注重引导学生的学习兴趣，激发学生的学习热情和探索精神，真正做到以学生为本，从学生的角度理解教学，才能在教学工作中正确指引学生的学习态度，达到最佳教学效果。
3 总结
计算机科学是一门具有创造性意识活动的学科，计算机本质上是一个程序的机器，只有那些真正懂得程序的人才能懂得计算机。因此程序设计能力、算法设计与分析能力是一名合格计算机类专业的毕业生必须具备的两大基础能力。本文给出的具体措施，有效提高了学生的编程能力、算法设计与分析能力，以及分析和解决实际问题的能力，有利于培养经济社会发展急需的信息产业人才。
参考文献（References）：
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[4] 刘幸.教育改革背景下工科院校学生培养模式探析[J].考试
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