STU课程思政案例33 | 陈银冬：算法设计与分析
本课程介绍计算机算法的设计和分析，内容包括计算模型、排序和查找、矩阵算法、图算法、动态规划、模式匹配、近似算法、并行算法等。
学完本课程后学生将基本掌握数据结构和算法的设计与分析技术，提高程序设计的质量，能够根据所求解问题的性质选择合理的数据结构和算法，并对时间、空间复杂性进行必要的分析与控制。本课程的培养目标包括：理解算法分析基本方法，掌握时间和空间权衡的原则；理解穷举、贪心、分治、动态规划和回溯算法；理解算法分析对程序设计的重要性；具备算法设计与分析技能；具备精益求精的工匠精神、科技报国的使命担当，以及坚定“四个自信”的爱国主义精神。
章节 | 第2.4节 分治法之矩阵乘法 | |
知识点 | 思政要点 | 案例名称 |
矩阵乘法 | 科技报国 | 案例1：“Matlab被禁”事件； 融入方式：新闻时政，理论联系实际； 展示方式：多媒体，现场讨论 |
工匠精神 |
第1学时
1.程序运行效率对比（5分钟，问题引导式教学）
现场先后运行两个计算程序，计算同一个矩阵乘法，运行时间（效率）差异巨大，从而引起学生的兴趣：为何差异巨大？
2.分治法回顾（5分钟）
回顾分治法的主要思想，以及用于分析分治法算法的主定理，为后续相关算法分析做准备。
3.朴素的矩阵乘法算法（10分钟，需求引导式教学）
介绍并分析基于直观分治法思想的朴素矩阵乘法算法，时间复杂度并不理想，有进一步改进的需求。
4.改进的矩阵乘法思想（15分钟，对比式教学）
在朴素算法的某些关键参数上进行改进，并通过分析得知算法效率有较大提升。
5.讨论进一步改进的思路（10分钟，研讨式教学）
在对照中感受关键参数对整体算法的影响。现场组织研讨，在研讨中明确改进的方向和思路。
第2学时
6.矩阵乘法思想的发展历程（10分钟）
了解矩阵乘法算法近50年里不断改进的历程，让学生感受并领会精益求精的工匠精神。
7.矩阵乘法算法的最新进展（10分钟）
通过相关知识点的最新科研前沿情况，增强学生的科学素养和国际视野。
8.课程思政重点案例——“Matlab被禁”事件（20分钟，激发学生科技报国的历史担当）
（1）过渡：从算法理论过渡到现实环境中的常用工具——Matlab。
（2）设问：先抛出假设性问题：若不使用Matlab，将带来哪些不便?
再指出假设已成真：哈工大和哈工程均被美国禁止使用Matlab。
（设问的方式能给学生带来冲击感，进而激发学生的爱国情感和科技报国的热情；层次：听思政）
（3）讨论：引导学生对该事件进行讨论。
（让学生在讨论中感受被“卡脖子”的窒息感；层次：说思政）
（4）实践：布置“特别作业”：实现比Matlab更高效的矩阵乘法程序。提供最新论文供学生参考，并对商业软件的共性进行分析。
（融合思政元素项目实践，让学生的爱国情绪落地，将愤怒转为动力，提升、内化学生科技报国的爱国情怀；层次：做思政）
9.课堂小结与反思（5分钟）
（一）总结分析
1.课堂以“问题引导”方式开始，能引起学生的学习兴趣。
2.新闻时政的切入点，让课程知识点到思政点的过渡更显自然。
3.“特别作业”的实践式课程思政，对学生的思政激发更具效果，有助于学生的思政内化，也更有利思政目标的达成。
（二）持续改进
1.学生讨论课提前布置给两个小组，课前准备相对充分，讨论效果会更好。
2.降低“特别作业”的挑战难度，让更多学生有“挑战成功”的获得感，更能激发学生科技报国的热情。
今年6月，哈尔滨工业大学、哈尔滨工程大学因被列入美国商务部实体名单，并被禁用数学基础软件Matlab，引发了关于国产软件的大规模讨论。
对于大多数理工科学生而言，Matlab并不陌生，Matlab是一款被广泛应用于教学、科研、工业领域的基础软件，而这类EDA（Electronic Design Automation，电子设计自动化）软件，却刚好又是我国的短板。正因如此，不少行业人士感慨，这次我们真的是被卡脖子了。
6月19日，中科院计算所研究员、先进计算机系统研究中心主任，中国开放指令生态联盟秘书长包云岗在微博上分享了他在「CCF YOCSEF杭州· Matlab被禁之特别论坛」上关于“Matlab被禁”事件带来的思考与启发的发言。
包云岗指出，当我们在思考如何解“Matlab被禁”这个燃眉之急的同时，更需要考虑如何才能在未来做出像Matlab这样的工具，做出能卡别人脖子的技术。
至于如何做出像Matlab这样能卡别人脖子的软件，包云岗总结为如下四点：
第一，把东西做出来，而不是追求把论文发出来；
第二，把东西用起来，而不是做完就扔了；
第三，把教学场景用起来，而不是把教学当作负担；
第四，把持久战意识树立起来，而不是期望速胜论。
以下为包云岗在「CCF YOCSEF杭州· Matlab被禁之特别论坛」发言原文，雷锋网做了不改变原意的编辑整理：
很多人都在思考如何解决“Matlab被禁”这个燃眉之急的问题。大家回顾了中国的工业软件发展之痛，批评国内的盗版问题、知识产权保护问题、重硬件轻软件等一系列问题。也提出了很多好的建议，比如给了针对Matlab各种功能的开源软件替代方案。这些都算是“昨天和今天”的事。
现在我想和大家一起讨论一下关于“明天”的事。我们每个人可以问自己一个问题：从现在这个时间点开始，给10年时间，甚至20年时间，我们能做出一个卡别人脖子的东西吗？（并不是说真的要去卡别人脖子，而是说要成为别人离不开的东西）
如果从这个角度来看这次“Matlab被禁”事件，那么给我们更多的是启发。
我们都知道Matlab最初只是新墨西哥大学Clever Moler教授在1970年代用于教学中的一个小工具软件，那它为什么能在几十年后成为卡我们脖子的利器？
我们一起来梳理一下Matlab发展过程中折射出来的几个理念：
一把东西做出来，而不是追求把论文发出来。Matlab网站上有一篇Moler教授自己在2018年写的Matlab简史。他在开头就写道，在1971年和1975年他所在团队向NSF申请了两个项目，目标是“探索开发高质量数学软件的方法、成本和资源”。他自己也认为，从某种程度上来看，这两个项目是失败的，因为他们没有发表出一篇论文，他们只是开发出了两个软件：一个是EISPACK，另一个是LINPACK。而且这两个软件也谈不上有多大的学术创新，因为EISPACK就是把1965-1970年发表论文中用Algo60写的算法翻译为Fortran，而LINPACK则是直接用Fortran重写一遍。
二把东西用起来，而不是做完就扔了。虽然EISPACK、LINPACK没有相关论文发表，学术创新也似乎不是很高，但确实是两个很有用的软件。EISPACK的开发团队在1974年写了一本使用手册，我在Google Scholar上查了一下，到现在已经被引用了1800多次，1970-1980年代使用非常广泛。LINPACK更是世界超级计算机排行榜Tops500的基准测试程序，可以说是影响了世界超级计算机的发展。
三把教学场景用起来，而不是把教学当作负担。Matlab是Moler教授想把EISPACK和LINPACK应用于教学过程中的产物。如果Moler教授不是用心去做教学，不是为了能让学生更好地掌握线性代数与数值分析，更容易地使用EISPACK和LINPACK这两个软件，那么他就不会有动机自己动手去写一个Matlab小工具来把这两个软件接口封装起来，从而方便学生使用。
今天，由于严苛的科研竞争环境和考核压力，很多人都把教学当作了一种负担，认为会影响科研。但教学其实是试验新技术、新工具最好的应用场景，因为试错成本很低，而且学生的创新性和主动性，还能帮助改进优化技术和工具。Matlab最终走上了商业化道路，就是因为Moler教授在斯坦福大学给学生上课时，有两个学生对Matlab很感兴趣，主动提出用C重写一遍，同时移植到IBM PC上。很多技术最早都是从课堂上发展起来，比如RISC架构是David Patterson教授在伯克利的课程实验。四把持久战意识树立起来，而不是期望速胜论。坚持围绕一件事做，几十年后的累积效应是惊人了。中国今天被卡脖子的东西，几乎都是别人积累了20年以上的东西。
从第一版Matlab算起到现在已经有40年，1980年代初的第一代EDA软件到现在也有快40年，Intel在1970年左右第一代微处理器到现在已经有50年。台积电1987年成立到现在也是积累了30多年。其实在学术界也有很多有影响力的工作也是多年积累的产物，我们可以看一下ACM System Software Award，获奖的软件基本上都是持续积累了几十年，比如LLVM持续优化了17年、Eclipse优化了19年、Wireshark优化了22年、Coq优化了31年，GCC则有33年。
再仔细剖析一下Matlab以及MathWorks这家公司，可以说是持久战的典范。MathWorks在1984年成立，只有1名员工。第一笔收入是1985年卖给了MIT10个Matlab版权，收入500美元。MathWorks公司早期很不起眼，有个玩笑称它前7年员工数每一年翻一番——1984年1个员工，1985年2个员工，1986年4个员工，直到7年后的1991年也才只有128个员工。和今天很多初创公司相比，这个成长速度就像是蜗牛了。但是他们力出一孔，围绕着Matlab不断增加功能，使Matlab成为一个行业领先的工具软件。1997年，MathWorks的营业额达到了5000万美元，380名员工。如今2019年MathWorks公司营业额是10亿美元，3000多员工，全球有400多万用户。虽然从营业额看并不大，但其实我们更应该学习这种模式——不断积累。把一项技术做到极致，成为某个细分领域的隐形冠军。最后总结一下，当我们在思考如何解“Matlab被禁”这个燃眉之急的同时，更需要考虑如何才能在未来做出像Matlab那样的工作，做出能卡别人脖子的技术。这需要我们做出改变，观念上的改变，行动上的改变。
资料来源：雷锋网2020年06月20日 10:20:00
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案例点评
（1）适用范围
本案例主要适用于算法设计与分析，线性代数，工程数学，数学实验等课程。
本案例是一个西方强国对我国进行“软件封锁”和“科技对抗”的时事案例，并布置程序开发作业，让学生亲自动手完成，在实践中增强学生的“科技报国”情怀。
（2）思政元素
“科技报国”情怀，“精益求精”的工匠精神。
（3）课程思政教学目标
① 通过案例讨论，让学生了解一个能“卡别人脖子”的软件的开发，是需要很长时间的积累，需要精益求精的工匠精神才能完成。
② 引导学生反思“落后就要挨打”，激发学生“科技报国”的爱国情怀。
（4）相关教学经验
与时事紧密联系，充分将专业知识与实践结合，引导学生理论联系生活实际。在从课程知识过渡到思政元素的过程中，要注意语气和情绪的自然，要注意照顾学生的听课情绪，调动学生积极参与课堂讨论；
通过“特别作业”的布置，让学生的爱国情绪得到落地，便于将愤怒转为动力，并在具体实践完成“特别作业”，既巩固了相关课程知识，又培育了相关思政元素，还增强了学生进一步学习的信心和科技报国的热情！
图文来源 | 陈银冬
编辑 | 王曦鹏
审核 | 洪秀秀 蔡玲如