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姜海:換位思考,共探算法世界

2020.12.18

      文字

      馬倩倩


      片設計

      崔云濤


      素材攝影

      李派 張曉峪


      編審
      劉蔚如   周襄楠

      張歌明   張莉


      欄目統籌

      周襄楠   賀茂藤


在清華大學六教6A216的教室里,工業工程系的姜海老師正在講授《數據結構與算法分析》課程的第三講,這場致力于在大數據時代提高學生的算法分析能力的數據實驗正在進行,姜海說:“現在各行各業都大力推進信息化和智能化建設,積累了海量的數據,如何設計高效的算法來分析和處理這些數據是社會迫切需要解決的挑戰”。

2014年以來,這門課程多次成為全校教評前5%的優秀課程,先后入選清華大學精品課、標桿課程,姜老師也曾被提名為工業工程系“清韻燭光-我最喜愛的教師”。一名大三的選課同學說,“這門課對算法的學習是基礎、必要和全面的,課程涉及的一些經典算法和數據結構對本專業的后續學習很有幫助,對自己的編程技能是一種很好的培養”。

由于課程內容偏理論,為了不讓同學們覺得覺得枯燥乏味,當遇到偏數學、難理解的內容,老師會一邊在黑板上推導,一邊讓學生在課件的空白處記筆記,希望增加學生的參與感,讓他們對學習內容有更好的理解,從而體會到課堂授課的價值。同時,課程也結合老師的科研課題講授如何解決實際問題,比如以此前與三菱重工合作開展的“高性能甘特圖繪制算法”課題為例,向同學們展示了課題組如何以課堂講授的知識設計算法,把繪制效率提高到了70倍。

這節課程從回顧實證和理論這兩種算法分析手段的優劣開始,帶領同學們進入主題:對同一種算法的不同實現進行效率比較。手中拿著一踏厚厚的講義,姜海老師引入了漸進分析的概念,開始介紹不同算法的速度分析的符號和相應的規則。介紹完基本的運算規則,他開始帶領同學們一起證明這些規則的推理路徑,與其他課程形成對比的,這門課的同學上課很少用電子設備記筆記,而是用一支筆,一沓紙,跟著老師一起推演。

在自由的發言、交流中,同學們及時向老師發問難點,而姜老師會引導學生逐一判斷不同情況,一點一點引導學生修正并理解這些運算法則,用循序漸進的方式讓大家理解證明思路。一個完整的學習過程包含了學生的思考、停頓、回答、被引導、修正,最后與實際操作結合,在這個過程中,老師擦了又寫,用幾塊黑板呈現出一個規則的應用過程,同學們下課之后也會和老師討論,細化運算過程,在一種相互碰撞的狀態中,老師和同學們完成了更有交互性的課堂學習。

對姜海老師來說,保持課程吸引力的秘訣就是去換位思考同學們的時間價值,他將教材一個章節中最精華的部分提煉出來,在90分鐘內把同學們自學需要花費一兩天才能看完的內容講透,給他們展示了課堂的價值。

這門課讓同學們使用了C語言這種易于犯錯的編程語言進行練習,目的是希望用這種需要小心操作的語言培養他們嚴謹認真的態度。姜老師說:“如果用‘坑’比喻算法實現里可能出現的bug,學生只有在課堂上摔的次數足夠多,才能在今后的工作中摔得少。”

上課的同學們說:“雖然課程比較偏重數學理論,但姜老師深厚的理論基礎和清晰的講授過程使課堂保持了一種輕松的狀態”。這門課一方面對學生的大學數學能力有基本要求,因為上課偏重用理論與計算評估一種算法,同時也有很強的應用性,課程結束后,同學們每周要投入相應的時間完成作業。作業與課程密切相關:一部分是理論問題,有為了避免同學產生畏難情緒的基礎題,也有激發學有余力同學的提高題;另一部分是計算機編程工作,讓同學們通過實踐去理解課程講授的理論知識,驗證課堂和作業里的理論結果。

對此姜海說:“作為一名老師,最需要考慮怎么才對得住學生的時間。讓學生意識到90分鐘的課堂學習帶來的收獲要遠大于逃課去做做別的事情,這樣的課堂才能成為學生喜愛的課堂。”


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