翻转课堂在算法设计与分析课程教学中的应用探索

黄永锋

【摘 要】“翻转课堂”的传入，给大学教育带了新的机遇与挑战；本文针对算法分析与设计课程与大学本科生的学情特点，从翻转目的，翻转策略及翻转过程三个方面，论述了“翻转课堂”的实施过程；特别是，在翻转的详细实施中，以“最长公共子序列”求解为例，阐述了翻转教学过程的细节，取得了良好的教学效果，可为广大一线教师提供参考。

【关键词】翻转课堂；算法设计与分析；教学改革；最长公共子序列

Application of Flipped Classroom in the Teaching of

Algorithm Design and Analysis HUANG Yong-feng

（School of Computer Engineering， Jiangsu University of Technology， Changzhou Jiangsu 213001， China）

【Abstract】According to the characteristics of “algorithm analysis and design” course and the learning situation of undergraduates， we discusses the implementation of the flipped classroom from three aspects： the purpose， the strategy and the process. In particular， taking the solution of “the longest common subsequence problem” as an example， the details of the process of flipped classroom are illustrated， which is proved to attain effective results. Therefore， the introduction of this kind of teach method brings new opportunities and challenges to the university education， which can provide the reference for the teachers who work in the teaching front line.

【Key words】Flipped classroom； Algorithm design and analysis； Teaching reform； Longest common subsequence

0 引言

“翻转课堂”是教师根据教学内容及学生学习情况，事先制作整理相关教学资料，让学生在课外自主地进行学习，然后带着自学过程产生的问题进入课堂，通过讨论来解决问题的一种教学模式[1]。该模式起源于美国高中，经过推广进入我国，给我们的教学改革带来了一股清风。

现今许多科学问题和工程实践问题的解决，算法都扮演了重要角色。“算法设计与分析”课程的教学任务是使学生掌握求解计算机应用中经典问题的方法，掌握设计和分析算法的基本原理和技巧，培养学生正确分析算法复杂性的能力[2]。由于该课程对学生编程与实践均有较高要求，对于本科学生，传统的教师授课方式容易让人走神，学生普遍反映课程知识点抽象、难以理解，久而久之，学生水平间的差异越来越大。往往只有几个天才和非常勤奋的学生才能够理解算法过程，而大部分同学逐渐丧失学习该课程的动力和信心。

高度抽象的“算法设计与分析”课程给了翻转教学模式充分的自由发挥空间：翻转教学强调先学后教，通过设定任务，让学生先进行自主学习，没有限定的学习时间有利于加深对算法问题本质上的理解。带着学习中产生的问题进入课堂，通过合作探究的方式寻求解决方案，可以充分发挥课堂效率。教师走下讲坛，从“教学主体”转为教练角色，可以充分发掘学生特点，从而“以学定教”，根据学情调整教学进程。另外，通过适时点拨和引导，把那些起初唯有学霸才能解决的高难度问题抽丝剥茧，让大部分同学都能夠从沉思、申辩、竞争中张扬个性，从解决问题的过程中获得成就，可以培养学生独立思考、分析问题与解决问题的能力。下面从翻转目标，翻转策略与翻转过程三个方面探索如何在算法设计与分析这门课程中进行翻转教学的实施。

1 翻转目标

社会发展在许多方面已改变了人类生活，然而，人们对物质利益的追求越来越高，而对自身价值的追求却越来越淡，在这种畸形风气影响下，很多人变成了单纯的“技术动物”[3]，社会也趋于功利，缺乏创新活力。要改变这种社会状态，必须让大学教育回归人的本性。即在“算法设计与分析”课程教学中，教师必须进行教学理念的翻转，彻底摒弃功利性的教学目的观，在教学中倾注人文情怀[4]。

算法课程的最终目标绝非单纯掌握几种经典算法，而是通过算法过程的学习，让学生在发现问题—定义问题—抽象问题—数学建模—算法设计与优化—实践编码的训练中，培养和锻炼计算思维[5]，同时，让他们的个性在思辨中得到张扬，在课程的教学实施过程中体验快乐；使他们的表达、沟通、组织与协作能力一并得到锻炼。在翻转教学的整个过程中，只有始终牢记这样的目标，教师才能真正做到与学生平等自主地进行沟通和指导，并腾出说教的时间，抽出更多精力来满足学生的个性需求，体验教学的快乐。

2 翻转策略

部分教师机械地认为翻转教学就是单纯地从教师主讲转变为学生主讲，课前并不给学生预设教学目标，课堂过程也缺乏互动，学生泛泛而谈，教师对课堂缺乏管理，完全放任自流。正因如此，加上传统教学理念的束缚，翻转课堂在一定意义上被部分教师视为偷懒行为。其实，这是对“翻转”的一种误解，真正的翻转要求教师对课程内容进行事先准备，注重课程创生，要精心设计学生自主学习的内容（制作微课），深入推敲知识点，把知识点进行有效肢解和串联，让学生做到既能各个击破，又能从整体上把握。“翻转课堂”还要求教师对教学过程进行仔细策划，如预设教学目标和问题，让学生有的放矢。endprint

真正的翻转课堂对教师的教学能力实际上提出了更为严格的要求。教师必须能非常熟练地掌握教学内容，与前后关联课程能进行有效串接，在实际场景中能灵活应用，在课堂上与学生的互动中能信手粘来，这样才能引导课堂翻转过程，发挥课堂效率。例如，对“算法设计与分析”这门课，教师不仅要能完全吃透数据结构、程序设计课程的内容，更要掌握计算复杂性、操作系统、计算机网络中与算法相关的部分，只有这样，在课堂的思辨中才能做到游刃有余。通常情况下，教师在自己还没有熟练掌握“算法设计与分析”内容之前，不建议直接采用翻转形式进行教学。

翻转绝非流于形式上的翻转，而需要根据课程与学情特点详细敲定翻转的内容，对于给本科生开设的“算法设计与分析”课程，由于对抽象思维和实践要求均较高，我们采取了如下渐近策略：首先，整个课程结构按照算法大类，即分治、贪心、动态规划、回溯与分支限界这样的脉络去安排学生学习，方便学生掌握各类算法中共有的核心思想。在起初的教学中，我们发现，让学生一开始便完全自主学习所有大类的经典算法，由于事先没有接触过类似的思维方式，大部分同学容易遭受挫折，许多同学因无法继续学习下去而丧失兴趣和信心。因此，在最初每个算法分类的第一个经典案例学习中，我们预先布置同学们预习，在课堂上，仍然主要通过授课与启发提问的方式带领学生剖析算法的核心思想。需要注意的是，通过摆现实问题，然后进行数学抽象等逐层引导的方式归纳出科学问题并提出解法后，课堂中需要空出适当的时间让学生自己总结一类算法所解决问题的共性特点以及具体的实现细节。其次，在后续算法的经典案例中，再逐渐采用翻转教学模式，让学生成为课堂的主人。最后，当完成部分算法的一些大类学习后，对于后面新的大类算法，可以一开始就采用翻转形式，让学生完全控制学习节奏，锻炼他们的创新思维。通过这样逐层递进的方式，不仅让学生们消除了畏难情绪，在学习过程中尝到了成功的滋味，培养起他们的自信和兴趣，也让他们于潜移默化中掌握了知识内容。

由于“算法设计与分析”课程实践性强，学生除了要掌握算法的基本理论外，也要能够掌握实现算法的技巧，因此，上机实践对于算法的掌握和应用非常关键。除了在理论教学中体现翻转外，上机实践中同样可以运用翻转教学。以往的上机实践通常是学生在课堂内机械地敲写代码和调试程序，课后完成实验报告，学生之间、师生之间的互动较少，等到学生发现自己的问题，往往是快要下课了，实验中的问题很难完美解决。采用翻转模式后，要求学生在课前就已经至少调试过一遍所有程序，实验结果当堂检测，存在问题的当堂提问。另外，可通过分配小组的形式，让动手能力较强的学生来辅助教师解决问题。对于一些共性问题，教师也可以当堂发起讨论并演示解决办法。对于实验的评价，除了实验结果检测外，更重要的是要参考学生的实验课堂表现，包括学生提出问题的质量、解决问题的办法，以及帮助其他同学解决问题的能力。

5 总结

翻转课堂弱化了教师的主导地位，学生成了课堂主人，学生根据自己提前自学掌握的知识，带着疑问进入课堂，又通过合作探究解决了自己的疑问。在算法设计与分析课程中，我们根据教学内容和学生的学习情况，部分内容采用了翻转教学模式，取得了良好的教学效果。经过对比发现，翻转课堂采用之前，大约只有30%的学生能够真正掌握最长公共子序列的求解步骤，而其中仍然有一半的学生只其然而不知其所以然，对动态规划本身的思想要点仍然不得要领。采用翻转课堂后，至少80%的学生能够掌握该解题步骤，而且有超过50%的学生能够真正吃透动态规划优于穷举和分治的真正原因。这种“以学定教”[1]的教学过程，使课堂效率得以迅速提升。

在今后的教学过程中，我们将继续深化这种模式的应用，引入更多的翻转形式。也将考虑引入蓝桥杯大赛、ACM-ICPC等竞赛的在线评判（OJ）系统来进一步辅助翻转在实践教学中的应用，同时深入探索多层次的教学评价机制，更多考虑学生在合作探究过程中的表现在评价中的作用，以达到更好的激励目的。

【参考文献】

[1]許兴亮.“翻转课堂”翻转了什么[J].当代教育科学，2014（16）：34-35.

[2]高尚.“算法设计与分析”课程改革初探[J].计算机教育， 2008，No.74（14）：37-38.

[3]王坤庆.论人文主义教育的价值取向[J].高等教育研究，1999（5）：20-23.

[4]高敏，段兆兵.课堂翻转期待教师教学理念的“翻转”[J].教育探索，2016（5）：134-137.

[5]卢俊岭，王小明，吴三斌.基于计算思维的算法设计与分析课程改革[J]. 计算机教育， 2011（22）：36-39.endprint