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

0 引 言

信息技術時代的到來，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語言程序設計、數(shù)據(jù)結構、算法設計采用筆試的方式考核學生的知識掌握能力，考試能得高分的學生，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]。

計算機科學人才最基礎的專業(yè)技能是計算機程序設計能力，即編程能力[4]。計算機專業(yè)人才應該熟練掌握一門計算機語言，將人類的想法和構思通過計算機語言實現(xiàn)，并能夠讓計算機執(zhí)行，作為計算機科學的拔尖人才應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。計算機科學人才應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)學生的計算機思維、計算機思想，各種經典算法的學習必不可少，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、應用領域發(fā)展的堅實基礎[6-7]。在本科階段，應注重計算機基礎理論的學習，包括數(shù)據(jù)結構、排序算法、搜索技術、數(shù)論、組合數(shù)學、搜索技術、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

計算機科學拔尖人才培養(yǎng)實驗室依托大連理工大學創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學院，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學院依托學校的優(yōu)勢學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)學生的探求欲望，挖掘學生的創(chuàng)新潛質，培養(yǎng)高素質拔尖創(chuàng)新人才。建立具有基礎厚實的機電、數(shù)學建模、ACM實驗室、軟件工程、媒體技術、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和學生興趣建立3D打印工作坊、智能硬件工作坊、互聯(lián)網+創(chuàng)意工作坊、奇點虛擬現(xiàn)實工坊。從實驗基地建設、實驗課程建設、實驗教學改革、師資隊伍建設、管理運行體制等方面構建了一套完整的厚實基礎、注重興趣、文理綜合、理工融合、強化實驗、自主學習、提高能力、不斷創(chuàng)新的創(chuàng)新教學新模式，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 理論教學方法探索

(1) 課程建設知識面廣并且深入，內容講授從淺入深。課程建設可分為基礎算法課和高級算法課程，每學期開設這2門課，同學可根據(jù)自己的基礎選擇課程，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，比如有關圖的算法講授可分為基礎算法和高級算法，基礎算法包括最短路、最小生成樹，安排在上學期講授，高級算法包括網絡流、最小費流，安排在下學期講授。

每節(jié)課都有一個專題，一個專題涵蓋的內容廣而深，由于課時有限，課后需要學生自學內容非常多，還補充了線上視頻教學，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，作為資源幫助學生進一步的學習(見表1、表2)。

表1 基礎算法課程專題列表

表2 高級算法課程專題列表

(2) 案例教學。興趣是最好的老師，對于拔尖人才的培養(yǎng)，需要在短時間內學習大量的知識，對學生也是一種挑戰(zhàn)，因此講授的問題應該引起學生的興趣，只有喜歡，才能投入學習?？梢圆捎肁CM競賽題目作為案例。ACM國際大學生程序設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，時間復雜度要求高的特點，這樣的題目可以引起學生的興趣，加深對知識點的理解和對算法的熟練應用。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生學習的興趣，還可以幫助學生理解問題。

(3) 注重算法復雜度分析，深入講解算法優(yōu)化。講授重點在于培養(yǎng)學生對算法效率的重視，不僅能夠實現(xiàn)功能，還應該高效的實現(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)的算法復雜度為O(V2)，而經過優(yōu)先隊列優(yōu)化的最短路Dijkstra的算法復雜度為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，能夠令學生對算法有更清楚、更深入的理解，培養(yǎng)了學生思維方式和思考問題的方法，注重程序設計時代碼的效率。

(4) 理論與實踐相結合。講解算法實現(xiàn)時，使用可執(zhí)行代碼，培養(yǎng)學生讀寫代碼的習慣，加強學生讀寫代碼的能力，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)，強化學生算法理論和算法實現(xiàn)緊密結合的思想，注重算法實現(xiàn)能夠對算法理論更深入的理解與掌握，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。理論課內容涉及的知識面廣，每個知識點的最佳講授方式和內容需要年復一年的積累與改進，因此知識的積累很重要，編寫相應的教材，并逐年改進。教材應該在實際編碼中遇到問題的解決方式的經驗總結，編寫教材的目標是指引學生實際動手編寫代碼，使得學生的代碼能力能夠將想法翻譯成機器讀懂的語言并正確的執(zhí)行，因此編寫教材對學生入門和提高學習的效率是非常有幫助的。

3 以競賽為驅動的實踐教學模式

ACM-ICPC競賽內容以大學計算機學科理論課程為基礎，內容往往涉及數(shù)據(jù)結構、搜索、圖論，動態(tài)規(guī)劃，數(shù)論，組合數(shù)學，計算幾何等多個領域，一些競賽題目是多個領域知識的結合，通過ACM-ICPC競賽和培訓模式提升學生的能力，發(fā)現(xiàn)自身知識結構的欠缺，促使學生發(fā)揮自主學習精神，自學所需算法和相關知識。實踐教學需要全方位、各層次的組織，保證實踐教學的時間和深度，實踐教學分以下幾個層次進行組織：

(1) 日常訓練。根據(jù)理論課教學專題，為學生挑選經典的ACM/ICPC競賽在線評測系統(tǒng)中與專題相關的題目，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，題目質量都很關鍵，需要是原創(chuàng)題目才能激發(fā)學生的比賽熱情，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)題目對一所學校的工作量是很大的，每學期16場左右，很難保證題目質量，題目質量保證不了，賽事將逐漸失去吸引力。多校聯(lián)合周賽解決了這個問題，每個學校負責一場周賽的出題，資源共享，不僅保證了題目質量，而且多個學校的同學同場競技，更增加了學生比賽的熱情和動力。

周賽應分為初級和高級2級別的比賽，初級中的題目屬于基礎和入門的，為剛剛入門的新同學準備，過難的題目很容易打消新同學的積極性。高級題目應具有一定的挑戰(zhàn)性，面向高年級學生，通過訓練，學生能夠參加高級別的競賽。

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

(4) 暑期集訓。暑期集訓是大幅度提升學生能力的關鍵時期，暑期時間集中，學生集中，學生學習效率高，學生學習氛圍濃厚。

(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)學生的潛能，在準備各級賽事的短時間內，吸收、鞏固大量的知識。

4 在線評測系統(tǒng)實驗平臺建設

構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生對編程的興趣，促進了學生深入理解與掌握算法的精髓、算法的時間與空間復雜度、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)定的時間內不超出內存限制的條件下得出滿足題目要求的結果。由于評測系統(tǒng)對“正確程序”的要求十分苛刻，因此在學習和訓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)只反饋以下結果：

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

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

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)申請的內存超出了題目的規(guī)定；

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

Runtime Error(RE)：程序運行期間訪問非法內存；

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

Compile Error(CE)：程序編輯錯誤。

國內有一些知名的OJ可以供學生平時練習使用，但舉辦一些校內比賽并不合適，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絡上都可以搜索到答案，因此比賽的挑戰(zhàn)性降低了很多，學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，學生更愿意與周圍的同學一爭高下，提升學生的熱情。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集訓隊的門檻，彼此競爭，提升學生的做題數(shù)量非常有效。同學比賽的熱情更高、學生的水平提升更快、學生的整體水平得到了提升、集訓隊伍更具有人氣。營造計算機專業(yè)學生重視實際動手編寫代碼的學習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

ACM相關競賽獲獎的學生在編寫代碼能力、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生們的努力和持之以恒的學習是分不開，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，正是因為學生在做訓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、感情深厚、具有活力的學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)以團隊建設為以己任，程序設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，個人獨自學習，要想在2-3年內學習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；負責集訓課程的講授，教學相長；負責協(xié)助老師參加到一對一的實驗課程的指導；負責周賽、月賽和校賽的出題、判題。

(2) 團隊建設。進入集訓隊需要一定的考核標準，需要確定學生對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。因此在集訓隊員的招收上要設定入隊標準，如半年時間內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。對計算機科學拔尖人才的培養(yǎng)，需要掌握知識面廣、對算法理解深入、編成基礎牢固的目標。因此，知識的匯總和經驗總結非常重要，信息化平臺的建設可以實現(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)合實驗室或實驗班，聯(lián)合實驗室的建立可以讓學生了解市場需求，使得理論知識的學習有市場實際應用的指引，并根據(jù)技術發(fā)展適當調整培養(yǎng)計劃。

6 實驗室建設成效

實驗室組織與培訓學生參加省級、國家級及國際級計算機程序設計類競賽，包括ACM-ICPC國際大學生程序設計競賽、CCPC中國大學生程序設計競賽、CCCC“中國高校計算機大賽- 團體程序設計天梯賽”、“藍橋杯”全國軟件和信息技術專業(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，先后出版了計算機程序設計類教材“算法與數(shù)據(jù)結構”“圖論及應用”“計算機幾何及應用”3冊，實驗講義4本。實驗室教師參加建設了省級精品資源共享課程“創(chuàng)新教育基礎與實踐課程”及國家級精品資源共享課程“創(chuàng)新教育基礎與實踐”，主持并參加了省級、校級計算機專業(yè)課程教學改革研究項目4項，取得了良好的教學效果。

計算機科學拔尖人才培養(yǎng)實驗室教學效果顯著，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，并到國內外名校繼續(xù)深造。

7 結 語

我校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學院經過多年的理論教學和以賽代練的實踐教學的經驗的總結，逐步完善了培養(yǎng)計劃和實驗室建設模式。計算機科學拔尖人才培養(yǎng)實驗室培養(yǎng)學生注重算法理論與代碼實現(xiàn)的緊密集合，學生編寫代碼數(shù)量至少是計算機專業(yè)同學大學4年完成的平均編程量的數(shù)十倍數(shù)百倍的量。計算機科學拔尖人才實驗室培養(yǎng)出來的計算機人才具有編程基礎過硬、算法設計能力強、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)以及國內各重點院校的青睞。

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