专业学位硕士算法设计课程立体案例库设计与实践
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摘 要：为实现计算机类专业学位研究生培养高层次应用型专门人才的目标，在分析目前地方高校算法课程存在问题的基础上，提出具有立体特征的“分层分类”算法设计案例库，主要阐述案例库内容的选取及组织方法和案例库实施保障机制的设计。
关键词：立体案例库；分层分类；专业学位研究生；算法设计与分析
文章编号：1672-5913（2017）05-0079-03
中图分类号：G642
0 引 言
为实现研究生教育战略性调整，教育部从2009年至今，持续推行硕士研究生培养由学术为主型向应用为主型转变。2013年教育部、人力资源社会保障部《关于深入推进专业学位研究生培养模式改革的意见》（教研[2013]3号）指出，专业学位研究生教育是培养高层次应用型专门人才的主要途径，其培养模式应以需求为导向、以实践能力为重点。算法设计与分析是计算机学科硕士研究生的专业必修课，课程通过系统学习常用算法分析与设计技术，培养学生算法设计与复杂性分析的能力[1]。课程兼具理工科各专业课程的普遍特征，教学内容具有较强的理论性，其学习效果又极大地依赖学生的实践水平。因此，对该课程的教学模式、教学手段进行研究和适应性调整以契合专业学位硕士高层次应用型的培养目标，是非常有必要的，对理工科其他专业学位硕士的培养也具有良好的借鉴意义。
目前，普通高校专业学位研究生教学普遍存在如下问题：①教学内容针对性不强，无法体现专业学位的实践性要求，在专业性的职业技能演示方面存在缺失；②教学方法有待改进，在指导和教学方法方面，没有针对学位研究生的特点进行适应性调整，照搬学术性研究生的教学方法；③重应试、轻实践，随着我国高校研究生招生规模扩大，报考人数逐年递增，使原本以注重研究和创新能力发展的研究生培养，面临能力发展与应试性选拔的现实矛盾，目前许多高校的专业学位课程不包含实践教学，使专业学位硕士培养呈现重考试、轻实践的现实问题[2]。另外，地方高校专业学位研究生主要来源于三本院校，生源基础参差不齐，部分源于非计算机专业。这种专业差异给计算机专业课程的教学带来困难。
从应用、案例类型、知识点类型3个角度划分和延展教学案例，形成的分层分类立体案例库的结构见图1。
该案例库应用具有3个层次，包括在前修课程中的应用、经典应用和现代信息处理中的应用。三者的差异表现为问题规模和问题发散度各不相同。案例类型层面，分为验证性、设计性（必选）、设计性（自选）3个层次，其差异表现为问题规模和难易程度各不相同。从知识点类型看，案例库涵盖了算法的5个策略：分治法、动态规划法、贪心法、回溯法和分支限界法，其差异表现为算法适用性各不相同。总体来看，第一层次有利于基础差的学生学习，第三层次方便基础好的学生扩展，从而适应不同层次学生的需要。每层次又组织成5个类别的案例，确定其中演示（已实现）、必选（未实现）和自选（未实现）案例，从而形成针对性较强的魔方式立体案例库。
2 分层递进的案例内容设计方法
选择合适的案例内容是构建案例库的关键。在案例库内容设计上，主要采取分层分类、一体化设计的原则。
2.1 应用层面的分层分类内容设计
从应用角度看，案例库包含3个层次的内容。
第一层次主要面向基础较差的学生。由于本课程非常依赖程序设计、数据结构等前修课程，因此，第一层次案例主要选取程序设计和数据结构课程中函数、文件、递归、查找、排序等问题，称为在前修课程中的应用，为理解算法和设计算法打下基础。
第二层次主要源于经典应用，此部分案例占案例库总量比例最大。经典应用作为案例具有比较明显的优势：其一，经典应用已被大家熟悉，便于问题的理解和掌握，例如棋盘覆盖问题，虽然学生不一定明白案例涉及的分治策略，但容易产生兴趣；其二，经典应用的解决方法研究得比较透彻，而且一般有多种解法，易于资料的搜集和展开多种方法的对比性研究。
第三层次主要源于科研和实际开发中的工程问题，更具有前沿性和实践性，紧密联系实际工程应用，使学生更容易理解解决实际问题的方法。例如，基于动态规划算法的数据压缩算法、动态规划算法在产品加工控制策略中的应用、分治法在GIS快速合并中的应用、贪心算法在排课系统中的应用、Hadoop平台中负载均衡贪心算法等。
2.2 实践层面的分层分类内容设计
从学生个人实践的角度，案例库的实现包括验证性（演示）和设计性两种，设计性案例又分为必选和自选两类。
验证性案例是案例库系统已实现完成的案例，用于解决理论与实际相结合和课程针对性不强的问题，帮助全体学生分析实际案例。例如背包问题，案例库系统已按问题阐述、问题特征、算法策略选择、关键算法流程、测试数据、运行结果和源代码7个方面进行了组织说明，详细阐述了贪心算法在实际问题中的应用条件和技巧。
设计性案例是需要学生运用开发工具独立开发完成的案例。这部分案例在内容设置和难度设置方面具有连续性，也具有递进性，以引导学生独立思考、独立分析问题和解决问题为目标，逐步扭转学生的应试思维问题。例如0-1背包问题，系统只给出了问题阐述和测试数据，让学生在分析问题特征和算法策略选择的基础上，自己给出关键算法流程、源代码和运行结果。通过解决0-1背包问题，学生能熟悉动态规划算法和回溯算法在实际应用中的条件和步骤，再与验证性案例库中一般背包问题进行比较，学生能加深理解贪心算法与动态规划算法和回溯算法的区别与联系。
设计性案例分为必选和自选两类，主要为课程考核提供依据，促进学生独立思考，提高学生独立分析问题的能力，逐步培养其解决问题和自主学习能力。必选部分是课程考核时重点考察部分，每个学生必须完成，而自选部分是课程考核附加参考部分，体现难度和拓展性。例如0-1背包题的递归回溯算法是设计性必选部分，而非递归回溯算法是自选部分，体现问题的连续性和递进性。
3 基于立体案例库的教学实践过程
立体案例库提供了叙述形式丰富、教学目标清晰的教学手段。在实际教学中，需采用一定的措施以保障其实施效果。
3.1 适应性教学实践过程
在实际教学中，可结合分层分类案例库，根据不同学生的能力特征进行适应性教学。
（1）案例分析教学[3]。师生围绕案例库中典型的、具有专业探讨价值的工程实例展开讨论和学习，引导学生分析并做出决策，最大程度地契合专业学位研究生的应用能力需求。其过程包括案例阅读与感知、案例分析与研讨、案例总结与评述、撰写案例报告等过程。这种教学主要针对经典应用中的验证案例进行。
（2）学生自主学习。通过必选和任选案例，结合一定的考核评价机制，促进学生课外自主学习。其中完成必选案例是期末成绩的主要考核部分，难度一般；而任选案例所占比例较少，难度较大。
3.2 基于案例库的教学实践措施
由于案例库具有多元结构，教师教学和学生学习具有较大的自由度，因此，有必要提供一定的保障机制，以保障教学效果。
1）建立多元考核体系，以解决案例库实施的易用性和持续性问题。
课程考核方法对学生学习方向的引导和学习积极性的促进是毋庸置疑的。结合能力培养目标，针对专业硕士，目前课程考核采用“案例测试（40%）+论文（10%）+期末笔试（50%）”的方式，根据分层次、分类型、分难易程度递进的案例模块，不同层次、不同类型的案例要求不同、分值不同，从而建立多元的考核体系，为教师评价学生的学习提供便捷、可行的手段[4]。魔方式立体案例库为教学考核的重要参考因素之一，也激发了学生的主动参与意识。
2）编制案例库说明书，以解决实践教学学时不足问题。
由于计算机类专业学位研究生实践教学环节要么缺失、要么时间紧张，需要学生课外进行大量的阅读和自主练习。案例库说明书就是对案例库使用方法的说明，以便学生课外学习实践。
3）建立课程网站，以解决课程资源一体化问题。
将建立好的案例库嵌入算法设计与分析课程网站，有利于学生在一个网站上找到所有的参考资料与学习工具，增加学习兴趣，提高学习效率。
4 立体案例教学实施效果
从2012年至今，学校专业硕士算法设计与分析课程逐步实施和运用立体案例库辅助教学。从学生各级各类论文情况看，基于案例库的有针对性的实践训练，提升了专业硕士的验证能力、实证水平和实践能力。从专业硕士学生第二学年l表小论文看，2011级占10%，2012级占40%，以后逐年递增，目前基本达到70%左右。
案例教学的应用，大大改变了学生仅为考试过关而学的现象，激发了学习主动性，培养了较强的职场沟通能力、团队合作能力、语言表达能力。学生较好地掌握了计算机专业领域的基本理论和基础知识，丰富了项目实训经验，熟悉了行业规范，加强了实践动手能力。
5 结 语
随着学校专业硕士算法设计与分析课程逐步实施和运用立体案例库辅助教学，进一步完善和丰富了算法学习平台，有效调动了优质学习资源，服务了计算机类专业学位研究生。本文方法在地方高校专业学位研究生培养模式方面，进行了一次有益的探索，对理工科专业硕士学位同类课程具有良好的借鉴意义。
参考文献：
[1] 王建新， 陈志泊. 基于完全案例覆盖的专业硕士生算法教学方法[J]. 计算机教育， 2013（16）： 67-71.
[2] 芦碧波， 雒芬， 侯守明， 等. 专业学位研究生多媒体技术课程案例库建设[J]. 计算机教育， 2015（23）： 11-13.
[3] 林刚， 何艳. 案例教学法在研究生培养中的引入与创新： 以北京工商大学“品牌传播方向”为例[J]. 北京教育， 2016（3）： 65-67.
[4] 卢玲， 陈媛， 洪雄. 一种多元化的分级评价模式规划与实践[J]. 计算机教育， 2014（4）： 102-105.