《算法設(shè)計(jì)與分析》課程思政優(yōu)秀教學(xué)案例（一等獎）

1、算法設(shè)計(jì)與分析課程思政優(yōu)秀教學(xué)案例（一等獎）一、課程簡介本課程介紹計(jì)算機(jī)算法的設(shè)計(jì)和分析，內(nèi)容包括計(jì)算模型、排序和查找、矩 陣算法、圖算法、動態(tài)規(guī)劃、模式匹配、近似算法、并行算法等。學(xué)完本課程后學(xué)生將基本掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的設(shè)計(jì)與分析技術(shù)，提高程序 設(shè)計(jì)的質(zhì)量，能夠根據(jù)所求解問題的性質(zhì)選擇合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法,并對時(shí)間、 空間復(fù)雜性進(jìn)行必要的分析與控制。本課程的培養(yǎng)目標(biāo)包括：理解算法分析基本 方法，掌握時(shí)間和空間權(quán)衡的原那么；理解窮舉、貪心、分治、動態(tài)規(guī)劃和回溯算 法；理解算法分析對程序設(shè)計(jì)的重要性；具備算法設(shè)計(jì)與分析技能；具備精益求 精的工匠精神、科技報(bào)國的使命擔(dān)當(dāng)，以及堅(jiān)定“四個(gè)自信”的愛

2、國主義精神。 二、課程內(nèi)容章節(jié)第2. 4節(jié) 分治法之矩陣乘法知識點(diǎn)思政要點(diǎn)案例名稱矩陣乘法科技報(bào)國案例1： “Matlab被禁”事件；融入方式：新聞時(shí)政，理論聯(lián)系實(shí)際； 展示方式：多媒體，現(xiàn)場討論工匠精神三、教學(xué)組織過程第1學(xué)時(shí).程序運(yùn)行效率比照（5分鐘，問題引導(dǎo)式教學(xué)）現(xiàn)場先后運(yùn)行兩個(gè)計(jì)算程序，計(jì)算同一個(gè)矩陣乘法，運(yùn)行時(shí)間（效率）差異 巨大，從而引起學(xué)生的興趣：為何差異巨大？.分治法回顧（5分鐘）回顧分治法的主要思想，以及用于分析分治法算法的主定理，為后續(xù)相關(guān)算 法分析做準(zhǔn)備。.樸素的矩陣乘法算法（10分鐘，需求引導(dǎo)式教學(xué)）介紹并分析基于直觀分治法思想的樸素矩陣乘法算法，時(shí)間復(fù)雜度并不理想,

3、 有進(jìn)一步改進(jìn)的需求。.改進(jìn)的矩陣乘法思想（15分鐘，比照式教學(xué)）在樸素算法的某些關(guān)鍵參數(shù)上進(jìn)行改進(jìn)，并通過分析得知算法效率有較大提升。升。.討論進(jìn)一步改進(jìn)的思路（10分鐘，研討式教學(xué)）在對照中感受關(guān)鍵參數(shù)對整體算法的影響。現(xiàn)場組織研討，在研討中明確改 進(jìn)的方向和思路。第2學(xué)時(shí).矩陣乘法思想的開展歷程（10分鐘）了解矩陣乘法算法近50年里不斷改進(jìn)的歷程，讓學(xué)生感受并領(lǐng)會精益求精 的工匠精神。.矩陣乘法算法的最新進(jìn)展（10分鐘）通過相關(guān)知識點(diǎn)的最新科研前沿情況，增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和國際視野。.課程思政重點(diǎn)案例一一“Matlab被禁”事件（20分鐘，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國的歷史擔(dān)當(dāng)）（1）過渡：從算法理

4、論過渡到現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的常用工具（1）過渡：從算法理論過渡到現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的常用工具M(jìn)atlabo（2）設(shè)問：先拋出假設(shè)性問題：假設(shè)不使用Matlab,將帶來哪些不便?再指出假設(shè)已成真：哈工大和哈工程均被美國禁止使用Matlabo（設(shè)問的方式能給學(xué)生帶來沖擊感，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的愛國情感和科技報(bào)國的熱情；層次：聽思政）（3）討論：引導(dǎo)學(xué)生對該事件進(jìn)行討論。（讓學(xué)生在討論中感受被“卡脖子”的窒息感；層次：說思政）（4）實(shí)踐：布置“特別作業(yè)”：實(shí)現(xiàn)比Matlab更高效的矩陣乘法程序。提供最新論文供學(xué)生參考，并對商業(yè)軟件的共性進(jìn)行分析。（融合思政元素工程實(shí)踐，讓學(xué)生的愛國情緒落地，將憤怒轉(zhuǎn)為動力，提升、內(nèi)化學(xué)生

5、科技報(bào)國的愛國情懷；層次：做思政）.課堂小結(jié)與反思（5分鐘）四、教學(xué)反思（一）總結(jié)分析L課堂以“問題引導(dǎo)”方式開始，能引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。.新聞時(shí)政的切入點(diǎn)，讓課程知識點(diǎn)到思政點(diǎn)的過渡更顯自然。.“特別作業(yè)”的實(shí)踐式課程思政，對學(xué)生的思政激發(fā)更具效果，有助于學(xué) 生的思政內(nèi)化，也更有利思政目標(biāo)的達(dá)成。（二）持續(xù)改進(jìn).學(xué)生討論課提前布置給兩個(gè)小組，課前準(zhǔn)備相對充分，討論效果會更好。.降低“特別作業(yè)”的挑戰(zhàn)難度，讓更多學(xué)生有“挑戰(zhàn)成功”的獲得感，更 能激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國的熱情。五、案例分析今年6月，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)因被列入美國商務(wù)部實(shí)體名單， 并被禁用數(shù)學(xué)基礎(chǔ)軟件Matlab,引發(fā)了關(guān)于

6、國產(chǎn)軟件的大規(guī)模討論。對于大多數(shù)理工科學(xué)生而言，Matlab并不陌生，Matlab是一款被廣泛應(yīng)用 于教學(xué)、科研、工業(yè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)軟件，而這類EDA（Electronic Design Automation, 電子設(shè)計(jì)自動化）軟件，卻剛好又是我國的短板。正因如此，不少行業(yè)人士感慨， 這次我們真的是被卡脖子了。6月19日，中科院計(jì)算所研究員、先進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究中心主任，中國開 放指令生態(tài)聯(lián)盟秘書長包云崗在微博上提供了他在CCF YOCSEF杭州-Mat lab 被禁之特別論壇上關(guān)于“Matlab被禁”事件帶來的思考與啟發(fā)的發(fā)言。包云崗指出，當(dāng)我們在思考如何解Matlab被禁”這個(gè)燃眉之急的同時(shí)，

7、更需要考慮如何才能在未來做出像Matlab這樣的工具，做出能卡別人脖子的技 術(shù)。至于如何做出像Mat lab這樣能卡別人脖子的軟件，包云崗總結(jié)為如下四點(diǎn)：第一，把東西做出來，而不是追求把論文發(fā)出來；第二，把東西用起來，而不是做完就扔了；第三，把教學(xué)場景用起來，而不是把教學(xué)當(dāng)作負(fù)擔(dān)；第四，把持久戰(zhàn)意識樹立起來，而不是期望速勝論。以下為包云崗在rCCF YOCSEF杭州-Matlab被禁之特別論壇發(fā)言原文， 雷鋒網(wǎng)做了不改變原意的編輯整理：很多人都在思考如何解決“Matlab被禁”這個(gè)燃眉之急的問題。大家回顧 了中國的工業(yè)軟件開展之痛，批評國內(nèi)的盜版問題、知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)問題、重硬件 輕軟件等一系列問

8、題。也提出了很多好的建議，比方給了針對Matlab各種功能 的開源軟件替代方案。這些都算是“昨天和今天”的事?，F(xiàn)在我想和大家一起討論一下關(guān)于“明天”的事。我們每個(gè)人可以問自己一 個(gè)問題：從現(xiàn)在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)開始，給10年時(shí)間，甚至20年時(shí)間，我們能做出一 個(gè)卡別人脖子的東西嗎？（并不是說真的要去卡別人脖子，而是說要成為別人離 不開的東西）如果從這個(gè)角度來看這次“Matlab被禁”事件，那么給我們更多的是啟發(fā)。我們都知道Mat lab最初只是新墨西哥大學(xué)Clever Moler教授在1970年代 用于教學(xué)中的一個(gè)小工具軟件，那它為什么能在幾十年后成為卡我們脖子的利器?我們一起來梳理一下Mat lab

9、開展過程中折射出來的幾個(gè)理念：一把東西做出來，而不是追求把論文發(fā)出來。Mat lab網(wǎng)站上有一篇Moler教 授自己在2018年寫的Mat lab簡史。他在開頭就寫道，在1971年和1975年他所 在團(tuán)隊(duì)向NSF申請了兩個(gè)工程，目標(biāo)是“探索開發(fā)高質(zhì)量數(shù)學(xué)軟件的方法、本錢 和資源”。他自己也認(rèn)為，從某種程度上來看，這兩個(gè)工程是失敗的，因?yàn)樗麄?沒有發(fā)表出一篇論文，他們只是開發(fā)出了兩個(gè)軟件：一個(gè)是EISPACK,另一個(gè)是 LINPACKo而且這兩個(gè)軟件也談不上有多大的學(xué)術(shù)創(chuàng)新，因?yàn)镋ISPACK就是把 1965-1970年發(fā)表論文中用Algo60寫的算法翻譯為Fortran,而LINPACK那么是

10、直 接用Fortran重寫一遍。二把東西用起來，而不是做完就扔了。雖然EISPACK、LINPACK沒有相關(guān)論 文發(fā)表，學(xué)術(shù)創(chuàng)新也似乎不是很高，但確實(shí)是兩個(gè)很有用的軟件。EISPACK的開 發(fā)團(tuán)隊(duì)在1974年寫了一本使用手冊，我在Google Scholar上查了一下，到現(xiàn)在 已經(jīng)被引用了 1800屢次，1970-1980年代使用非常廣泛。LINPACK更是世界超級 計(jì)算機(jī)排行榜Tops500的基準(zhǔn)測試程序，可以說是影響了世界超級計(jì)算機(jī)的發(fā) 展。三把教學(xué)場景用起來，而不是把教學(xué)當(dāng)作負(fù)擔(dān)。Mat lab是Moler教授想把 EISPACK和LINPACK應(yīng)用于教學(xué)過程中的產(chǎn)物。如果Moler教授

11、不是用心去做教 學(xué)，不是為了能讓學(xué)生更好地掌握線性代數(shù)與數(shù)值分析，更容易地使用EISPACK 和LINPACK這兩個(gè)軟件，那么他就不會有動機(jī)自己動手去寫一個(gè)Matlab小工具 來把這兩個(gè)軟件接口封裝起來，從而方便學(xué)生使用。今天，由于嚴(yán)苛的科研競爭環(huán)境和考核壓力，很多人都把教學(xué)當(dāng)作了一種負(fù) 擔(dān)，認(rèn)為會影響科研。但教學(xué)其實(shí)是試驗(yàn)新技術(shù)、新工具最好的應(yīng)用場景，因?yàn)?試錯本錢很低，而且學(xué)生的創(chuàng)新性和主動性，還能幫助改進(jìn)優(yōu)化技術(shù)和工具。 Mat lab最終走上了商業(yè)化道路，就是因?yàn)镸ol er教授在斯坦福大學(xué)給學(xué)生上課 時(shí)，有兩個(gè)學(xué)生對Matlab很感興趣，主動提出用C重寫一遍，同時(shí)移植到IBM PC上

12、。很多技術(shù)最早都是從課堂上開展起來，比方RISC架構(gòu)是David Patterson 教授在伯克利的課程實(shí)驗(yàn)。四把持久戰(zhàn)意識樹立起來，而不是期望速勝論。堅(jiān)持 圍繞一件事做，幾十年后的累積效應(yīng)是驚人了。中國今天被卡脖子的東西，幾乎 都是別人積累了 20年以上的東西。從第一版Mat lab算起到現(xiàn)在已經(jīng)有40年，1980年代初的第一代EDA軟件 到現(xiàn)在也有快40年，Intel在1970年左右第一代微處理器到現(xiàn)在已經(jīng)有50年。 臺積電1987年成立到現(xiàn)在也是積累了 30多年。其實(shí)在學(xué)術(shù)界也有很多有影響力 的工作也是多年積累的產(chǎn)物，我們可以看一下ACM System Software Award,獲

13、獎的軟件基本上都是持續(xù)積累了幾十年，比方LLVM持續(xù)優(yōu)化了 17年、Eclipse 優(yōu)化了 19年、Wireshark優(yōu)化了 22年、Coq優(yōu)化了 31年，GCC那么有33年。再仔細(xì)剖析一下Mat lab以及MathWorks這家公司，可以說是持久戰(zhàn)的典范。 MathWorks在1984年成立，只有1名員工。第一筆收入是1985年賣給了 MIT10 個(gè)Mat lab版權(quán)，收入500美元。MathWorks公司早期很不起眼，有個(gè)玩笑稱它 前7年員工數(shù)每一年翻一番1984年1個(gè)員工，1985年2個(gè)員工，1986年4 個(gè)員工，直到7年后的1991年也才只有128個(gè)員工。和今天很多初創(chuàng)公司相比， 這個(gè)

14、成長速度就像是蝸牛了。但是他們力出一孔，圍繞著Matlab不斷增加功能， 使Matlab成為一個(gè)行業(yè)領(lǐng)先的工具軟件。1997年，MathWorks的營業(yè)額到達(dá)了 5000萬美元，380名員工。如今2019年MathWorks公司營業(yè)額是10億美元， 3000多員工，全球有400多萬用戶。雖然從營業(yè)額看并不大，但其實(shí)我們更應(yīng) 該學(xué)習(xí)這種模式一一不斷積累。把一項(xiàng)技術(shù)做到極致，成為某個(gè)細(xì)分領(lǐng)域的隱形 冠軍。最后總結(jié)一下，當(dāng)我們在思考如何解Matlab被禁”這個(gè)燃眉之急的同 時(shí)，更需要考慮如何才能在未來做出像Matlab那樣的工作，做出能卡別人脖子 的技術(shù)。這需要我們做出改變，觀念上的改變，行動上的改變。案例點(diǎn)評(1)適用范圍本案例主要適用于算法設(shè)計(jì)與分析，線性代數(shù),工程數(shù)學(xué),數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)等課程。本案例是一個(gè)西方強(qiáng)國對我國進(jìn)行“軟件封鎖”和“科技對抗”的時(shí)事案 例，并布置程序開發(fā)作業(yè)，讓學(xué)生親自動手完成，在實(shí)踐中增強(qiáng)學(xué)生的“科技報(bào) 國”情懷。(2)思政元素“科技報(bào)國”情懷，“精益求精”的工匠精神。(3)課程思政教學(xué)目標(biāo)通過案例討論，讓學(xué)生了解一個(gè)能“卡別人脖子”的軟件的開發(fā)，是需 要很長時(shí)間的積累，需要精益求精的工匠精神才能