周益民

(電子科技大學(xué)，四川成都，611731)

一、背景分析

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)歷經(jīng)40多年的發(fā)展。以計(jì)算機(jī)和微電子為代表的IT行業(yè)發(fā)展蓬勃向上，信息技術(shù)不斷更迭，有力地推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的不斷提高。2014年9月，李克強(qiáng)總理在達(dá)沃斯論壇上提出“大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新”的號(hào)召，“雙創(chuàng)”一詞由此普及開(kāi)來(lái)。[1]2015年7月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《國(guó)務(wù)院關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見(jiàn)》，“互聯(lián)網(wǎng)+”成為人們生活中的熱門詞語(yǔ)。2016年，互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展呈現(xiàn)新格局，這一年被稱為“中國(guó)網(wǎng)絡(luò)直播元年”，同時(shí)也被稱為“VR元年”。2017年是中國(guó)人工智能領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵之年，無(wú)論是《政府工作報(bào)告》還是十九大報(bào)告，都將人工智能作為一項(xiàng)發(fā)展內(nèi)容明確提出。[2]《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》《促進(jìn)新一代人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃(2018—2020年)》等一系列政策規(guī)劃的推出讓人工智能的發(fā)展有了明確的時(shí)間表和路線圖。新的歷史時(shí)期提出了新的需求與挑戰(zhàn)，高等學(xué)校電子類工科特別是計(jì)算機(jī)類的教育教學(xué)改革勢(shì)在必行。[3]

2015年，國(guó)務(wù)院印發(fā)了《統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)總體方案》，旨在提升中國(guó)高等教育綜合實(shí)力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，為實(shí)現(xiàn)“兩個(gè)一百年”奮斗目標(biāo)和中國(guó)夢(mèng)提供有力支撐。2016年，中國(guó)正式加入“華盛頓體系”，標(biāo)志著我國(guó)工程教育改革和發(fā)展與國(guó)際正式接軌。2017年，教育部牽頭提出的“新工科建設(shè)”，明確了面向經(jīng)濟(jì)發(fā)展迫切需要培養(yǎng)新型工科人才。

本文提出了針對(duì)計(jì)算機(jī)學(xué)科學(xué)生不同專業(yè)方向的教學(xué)方法。首先，本文介紹課程融合改革的由來(lái)，繼而分析在計(jì)算機(jī)類課程中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法設(shè)計(jì)與分析兩門課程的內(nèi)在聯(lián)系，提出其融合的必要性。其次，本文分析上述兩門課程在融合過(guò)程遇到的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，提出針對(duì)不同專業(yè)方向?qū)W生所采取的融合課程——數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的教學(xué)模式。最終的目的是讓學(xué)生將兩門課程的理論實(shí)踐知識(shí)融會(huì)貫通，實(shí)現(xiàn)夯實(shí)基礎(chǔ)、培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的目標(biāo)，并將學(xué)到的知識(shí)綜合運(yùn)用到高階課程和專業(yè)實(shí)際應(yīng)用中。

二、課程融合改革

課程融合既存在于同一專業(yè)不同學(xué)科之間，也存在于不同專業(yè)不同學(xué)科之間。教育界針對(duì)課程融合的改革由來(lái)已久。根據(jù)學(xué)科專業(yè)的建設(shè)需要和學(xué)生學(xué)習(xí)的適應(yīng)性進(jìn)行課程融合改革，是推動(dòng)專業(yè)課程教學(xué)高效發(fā)展的一個(gè)重要途徑。

(一)課程融合

課程融合是指整合若干相關(guān)聯(lián)的學(xué)科課程，使之成為一門應(yīng)用更廣泛的課程。它既可以提供整體觀念，又有利于聯(lián)系知識(shí)的不同領(lǐng)域。課程內(nèi)容要按學(xué)生的心理需求、興趣、好奇心等來(lái)編制，要有助于學(xué)生學(xué)習(xí)和個(gè)性發(fā)展，有利于加強(qiáng)教學(xué)與社會(huì)的密切聯(lián)系。課程融合不是機(jī)械地合并原有課程，而是把部分科目統(tǒng)合，兼并于范圍較廣的新科目，選擇對(duì)學(xué)生有意義的論題或概括性的問(wèn)題進(jìn)行教學(xué)。教師統(tǒng)一講授具備共同點(diǎn)的科目，融合的子課程不僅具備共同點(diǎn)，而且具有很強(qiáng)的相關(guān)性。課程融合從基礎(chǔ)理論、抽象和設(shè)計(jì)三個(gè)層面將多個(gè)課程知識(shí)體系進(jìn)行重組織，旨在逐步培養(yǎng)學(xué)生從理論到實(shí)踐進(jìn)行系統(tǒng)全局設(shè)計(jì)的思維和能力，為建設(shè)具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的課程做好過(guò)渡準(zhǔn)備。[4]

(二)改革目標(biāo)

教學(xué)改革及其實(shí)施過(guò)程不是一蹴而就的，而是一個(gè)不斷發(fā)展和改進(jìn)的過(guò)程，改革的過(guò)程也是曲折的。總體來(lái)看，教學(xué)改革是一個(gè)螺旋式上升的進(jìn)程，推動(dòng)著我國(guó)高等教育的深化發(fā)展。19世紀(jì)末20世紀(jì)初，比較著名的課程融合教學(xué)改革理論有齊勒計(jì)劃(歷史、文學(xué)、宗教中心整合論)、麥克默里的地理中心整合論和帕克計(jì)劃(兒童中心整合論)。[5]杜威在20世紀(jì)30年代曾批評(píng)課程的狹窄性，提倡動(dòng)態(tài)的教育過(guò)程。20世紀(jì)70年代，人本主義教育思想興起，課程融合在經(jīng)歷50年代的沉默后又一次受到關(guān)注。課程融合教學(xué)改革的目標(biāo)是任課教師充分全面地把握融合子課程內(nèi)容，在傳統(tǒng)教學(xué)模式的基礎(chǔ)上加入關(guān)聯(lián)的教學(xué)方法，用聯(lián)系的觀點(diǎn)講授原理知識(shí)，在破除關(guān)聯(lián)學(xué)科的壁壘后，激發(fā)學(xué)生的思維碰撞，對(duì)學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)專業(yè)課程進(jìn)行思維上的訓(xùn)練。

三、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程的內(nèi)在聯(lián)系

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程是計(jì)算機(jī)類專業(yè)課程中比較基礎(chǔ)但又十分重要的一門融合課程。它融合了課程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法設(shè)計(jì)與分析兩門專業(yè)課的知識(shí)點(diǎn)。

(一)課程背景

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)一級(jí)學(xué)科中的一門典型的基礎(chǔ)必修課程，也是工科專業(yè)(非計(jì)算機(jī)專業(yè))的基礎(chǔ)選修課或?qū)I(yè)課。該課程研究計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的不同結(jié)構(gòu)及其相互關(guān)系。算法設(shè)計(jì)與分析作為計(jì)算機(jī)專業(yè)的高年級(jí)選修課程，在塑造本科生建立算法思維方面有舉足輕重的地位。該課程凝聚了編程中用于解決某類問(wèn)題的方法及其對(duì)應(yīng)的步驟。

這兩門課程已經(jīng)被收錄在教育部CCC2006學(xué)科規(guī)范當(dāng)中。作為計(jì)算機(jī)的技術(shù)和理論基礎(chǔ)課程，它們長(zhǎng)期被納入先進(jìn)計(jì)算機(jī)課程體系中。這兩門課程是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、編譯原理、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等后續(xù)課程的基礎(chǔ)理論，其應(yīng)用范圍也早已擴(kuò)展到圖像處理與模式識(shí)別、海量數(shù)據(jù)挖掘、科學(xué)數(shù)據(jù)處理、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析等許多計(jì)算機(jī)前沿領(lǐng)域，對(duì)學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備增加、創(chuàng)新能力提升有著重要作用。

融合后的新課程——數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法將從問(wèn)題求解出發(fā)，站在邏輯、存儲(chǔ)、運(yùn)算三個(gè)角度組織課程內(nèi)容，重視學(xué)生實(shí)踐能力和工程能力的培養(yǎng)，初步培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，算法設(shè)計(jì)與分析能力，程序設(shè)計(jì)與編程實(shí)現(xiàn)能力，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)知、分析、設(shè)計(jì)和運(yùn)用能力及工程實(shí)踐能力。

(二)內(nèi)在聯(lián)系

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是對(duì)生活中常見(jiàn)的事物進(jìn)行抽象和歸納的基本數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式。而算法分析與設(shè)計(jì)課程是以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程提供的基本數(shù)據(jù)形式為載體，利用算法設(shè)計(jì)思想解決問(wèn)題。在計(jì)算機(jī)程序中，沃斯曾說(shuō)：“程序等于算法加數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?！币虼?，程序的設(shè)計(jì)依賴于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的相互輔助。脫離了算法思想，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)無(wú)法發(fā)揮其作用。脫離了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，算法只是思維過(guò)程，無(wú)法解決實(shí)際存在的問(wèn)題。因此，兩者相互依賴。要解決需要用計(jì)算機(jī)處理的問(wèn)題，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法缺一不可。因此，這兩門課程的融合將助力學(xué)生程序設(shè)計(jì)知識(shí)的觸類旁通。在實(shí)踐訓(xùn)練中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法課程的融合則顯得更為密切。只有綜合了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，才能真正讓學(xué)生獲得與科學(xué)研究、工業(yè)實(shí)踐更加契合的思維鍛煉和科學(xué)實(shí)踐訓(xùn)練。融合課程可以使學(xué)生在較短的時(shí)間中獲得“1+1>2”的實(shí)踐學(xué)習(xí)效果。

(三)融合目標(biāo)

計(jì)算機(jī)專業(yè)融合課程教學(xué)需要任課教師深挖融合課程的內(nèi)在聯(lián)系，改進(jìn)傳統(tǒng)的講授方法，盡最大努力讓學(xué)生學(xué)以致用，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生關(guān)聯(lián)思維的培養(yǎng)。要擴(kuò)大知識(shí)傳授的范圍，減輕學(xué)生的學(xué)習(xí)壓力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決問(wèn)題的能力，課程融合改革勢(shì)在必行。長(zhǎng)期以來(lái)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法設(shè)計(jì)與分析課程在融合過(guò)程中的困難和挑戰(zhàn)是任課教師關(guān)注的重點(diǎn)。高校探索這兩門專業(yè)課程的融合，將為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程改革夯實(shí)基礎(chǔ)。

(四)融合優(yōu)勢(shì)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容比較抽象，單獨(dú)講授該門課程常使學(xué)生迷惑而不知道該門課程內(nèi)容的實(shí)際用途。而算法設(shè)計(jì)與分析課程對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)功底又有要求，教師單純講授算法設(shè)計(jì)與分析容易弱化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的內(nèi)容，使學(xué)生不能很好地將兩者有機(jī)結(jié)合起來(lái)。因此，教師融合講授兩門課程，一方面可以使學(xué)生用一門課程的時(shí)間很好地消化和吸收兩者，另一方面可以推動(dòng)教學(xué)方法的融合，升級(jí)傳統(tǒng)教學(xué)模式，將專業(yè)基礎(chǔ)教育與創(chuàng)新發(fā)展結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)改革。隨著國(guó)家對(duì)高校課堂教學(xué)質(zhì)量提出更高的要求，高校著力打造“金課”、淘汰“水課”。高校融合這兩門課程，可以更好地增強(qiáng)課程內(nèi)容的綜合性和進(jìn)階性，使學(xué)校利用現(xiàn)代信息化工具建設(shè)線上線下混合式課程成為可能，節(jié)省了教學(xué)資源。

四、改革中的困難與解決方案

課程融合是不斷演進(jìn)的，起初會(huì)存在一些問(wèn)題。這些問(wèn)題正是在高校實(shí)踐中才能被不斷發(fā)現(xiàn)并解決的。

(一)挑戰(zhàn)和問(wèn)題

教師對(duì)課程難易度把握不準(zhǔn)，學(xué)生掌握程度存在差異。教師在融合課程知識(shí)點(diǎn)的講授方面容易受過(guò)去的影響。如果課程融合只是機(jī)械地合并，那么情況會(huì)很糟。比如，教師在課堂的前半部分講述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，后半部分講述算法。一般而言，融合課程教材的編排會(huì)在前半部分穿插算法的內(nèi)容，然而，有些教師沒(méi)有進(jìn)行前后關(guān)聯(lián)教學(xué)。同時(shí)，學(xué)生的理解力存在差異，對(duì)知識(shí)的接受程度也各有不同。不同專業(yè)學(xué)生的知識(shí)背景也有非常大的差別。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法這門融合課程不僅針對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，而且是其他相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程。學(xué)生的專業(yè)背景和知識(shí)差別只能通過(guò)任課教師專門的契合式教育進(jìn)行彌補(bǔ)。教師與學(xué)生若缺乏溝通和交流，授課效果將受到影響。

(二)方法與措施

針對(duì)學(xué)生掌握程度的差異，教師可以預(yù)先按照授課內(nèi)容的難易程度進(jìn)行分班，讓學(xué)生提前根據(jù)自身情況選班，做到因材施教。高?？梢灾攸c(diǎn)建設(shè)探討式小班，打造具有挑戰(zhàn)性的“金課”。同時(shí)，保留大班教學(xué)，兼顧學(xué)生傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)習(xí)慣。這門融合課程可以在試驗(yàn)階段由不同的教師聯(lián)合教學(xué)，教師在互相學(xué)習(xí)的過(guò)程中提升教學(xué)能力。教學(xué)資源的整合和教材的改編更加體現(xiàn)了知識(shí)的關(guān)聯(lián)性和融合性，而不是簡(jiǎn)單的機(jī)械拼接。

對(duì)于不同專業(yè)背景的學(xué)生，授課教師要充分了解學(xué)生所學(xué)專業(yè)，根據(jù)學(xué)生所學(xué)專業(yè)決定課程內(nèi)容的詳略，做到重點(diǎn)分明，盡可能地符合學(xué)生的知識(shí)背景。比如，針對(duì)數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)的學(xué)生，教師在實(shí)踐課程中要注重引導(dǎo)學(xué)生解決圖像處理的相關(guān)算法問(wèn)題。而針對(duì)人工智能專業(yè)的學(xué)生，教師可以讓學(xué)生在實(shí)踐中進(jìn)行與機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)的基礎(chǔ)算法學(xué)習(xí)。教師根據(jù)學(xué)生的不同專業(yè)背景對(duì)癥下藥，可以降低學(xué)生在未來(lái)學(xué)習(xí)進(jìn)階專業(yè)課程的難度。此外，教師還可以鼓勵(lì)不同專業(yè)背景的學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中參加與自己專業(yè)相關(guān)的競(jìng)賽，如網(wǎng)絡(luò)安全大賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽和人工智能比賽等，使學(xué)生真正將理論知識(shí)落實(shí)到實(shí)踐中。

同一專業(yè)授課的教師要經(jīng)常進(jìn)行交流溝通，以獲取學(xué)生對(duì)課程的真實(shí)反饋。教師只有群策群力，將學(xué)生與課程緊密結(jié)合起來(lái)，站在學(xué)生的角度去理解授課的方法，才能將兩門課程更好地融為一體。此外，高?？梢越⒕€上線下學(xué)生跟蹤反饋制度，根據(jù)學(xué)生的聽(tīng)課情況和平時(shí)作業(yè)情況，優(yōu)化課程內(nèi)容，在每一章學(xué)習(xí)完畢后，給予師生交流時(shí)間，使學(xué)生真正做到學(xué)有所思、學(xué)有所獲。

在課程內(nèi)容選擇方面，教師應(yīng)該選用一些工程意義明顯、實(shí)施效果顯著的例子，這樣可以培養(yǎng)學(xué)生將來(lái)在社會(huì)工程實(shí)踐中解決問(wèn)題的能力，做到緊跟科技前沿和社會(huì)工作的需求，提高學(xué)生的創(chuàng)新力和就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。以該融合課程的線性表知識(shí)為例，簡(jiǎn)單的線性表的創(chuàng)建、插入、刪除操作實(shí)驗(yàn)過(guò)于機(jī)械化。如果教師將其融入算法思想，將課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為創(chuàng)建一個(gè)好友通訊錄，那么課程就變得綜合且接地氣。

(三)前景與展望

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法設(shè)計(jì)與分析課程的融合強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的訓(xùn)練，從問(wèn)題求解的角度恰當(dāng)?shù)嘏囵B(yǎng)學(xué)生運(yùn)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法基本理論來(lái)分析和解決問(wèn)題的能力，以學(xué)生為本，多元化考慮知識(shí)的內(nèi)在聯(lián)系，降低學(xué)生總結(jié)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的難度，讓其比較清晰地看出課程體系的輪廓。兩門課程的融合會(huì)提高學(xué)生的實(shí)踐能力和工程能力，為其將來(lái)從事計(jì)算機(jī)學(xué)科的學(xué)習(xí)、開(kāi)發(fā)和研究或求解其他計(jì)算機(jī)相關(guān)問(wèn)題打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。為了更好地融合兩門課程，教師還可以在課堂中加入一些前沿的研究課題，開(kāi)闊學(xué)生的視野，設(shè)計(jì)一些啟發(fā)式教學(xué)案例，擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)體系，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、創(chuàng)新和研究。這兩門計(jì)算機(jī)課程融合的成功經(jīng)驗(yàn)可以推廣到其他的課程。比如，匯編語(yǔ)言和微機(jī)接口技術(shù)課程的融合、數(shù)字電路分析和模擬電路課程的融合等。高校可以根據(jù)這些課程的關(guān)聯(lián)性，優(yōu)化課程內(nèi)容設(shè)置、節(jié)約課程資源、建設(shè)高效課堂，為打造專業(yè)“金課”做好充足準(zhǔn)備。

五、結(jié)語(yǔ)

本文基于課程融合的教學(xué)改革措施，闡述了計(jì)算機(jī)專業(yè)的兩門專業(yè)課程——數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法設(shè)計(jì)與分析融合過(guò)程中存在的挑戰(zhàn)，如不同學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)掌握程度不均衡，統(tǒng)一的教材不適合不同專業(yè)背景的學(xué)生等。本文基于上述問(wèn)題提出了三個(gè)方面的解決方法：第一，對(duì)跨專業(yè)的學(xué)生因材施教；第二，根據(jù)學(xué)生的專業(yè)知識(shí)背景對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行詳略劃分；第三，任課教師之間加強(qiáng)交流。在教育部提倡打造“金課”的大環(huán)境下，課程融合將為課程改革提供基礎(chǔ)，為學(xué)生高效學(xué)習(xí)提供有效途徑。