計(jì)算機(jī)軟件專(zhuān)業(yè)教學(xué)方法綜合探討

　　摘要：通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)軟件專(zhuān)業(yè)幾門(mén)核心課程以及該專(zhuān)業(yè)學(xué)生所必需核心能力的綜合分析，揭示計(jì)算機(jī)軟件專(zhuān)業(yè)以學(xué)生將來(lái)的實(shí)戰(zhàn)為教學(xué)目標(biāo)，而不是搞以背概念為主的應(yīng)試教育。總結(jié)出高效實(shí)用的計(jì)算機(jī)軟件教與學(xué)的方式方法：自下而上的教學(xué)法和自上而下的教學(xué)法。這兩大類(lèi)方法在教學(xué)實(shí)踐中取得良好的效果。
　　關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)軟件；核心課程；軟件開(kāi)發(fā)；綜合構(gòu)思能力；科研；教學(xué)
　　
　　筆者一直認(rèn)為，計(jì)算機(jī)軟件專(zhuān)業(yè)的核心就是兩個(gè)復(fù)雜性和三種能力。兩個(gè)復(fù)雜性是復(fù)雜的關(guān)系(包括復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫(kù)及多模塊之間的關(guān)系)和復(fù)雜的思路(包括算法思路和復(fù)雜系統(tǒng)的工作流程思路)。三種能力是編程構(gòu)思能力(算法)、大程序的調(diào)試掌控能力和系統(tǒng)的構(gòu)造能力。其中最根本的能力是編程構(gòu)思能力(算法)。有了這個(gè)能力，其他能力都可通過(guò)有意識(shí)的培訓(xùn)很快得到。計(jì)算機(jī)軟件專(zhuān)業(yè)知識(shí)更新快，新知識(shí)點(diǎn)層出不窮，但若把握了這個(gè)核心，所有新知識(shí)均為參考手冊(cè)。
　　與其他專(zhuān)業(yè)不同，計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的幾門(mén)主要課程彼此連接非常緊密，孤立地學(xué)習(xí)和理解各門(mén)課程肯定達(dá)不到深度要求，但作為初學(xué)者，剛開(kāi)始又不能不孤立地從最基本的概念學(xué)起。
　　為此，筆者借鑒計(jì)算機(jī)軟件專(zhuān)業(yè)兩種最基本的軟件開(kāi)發(fā)方式，提出軟件專(zhuān)業(yè)教學(xué)的兩大方式，即自下而上的教學(xué)法和自上而下的教學(xué)法。前者是從基本概念和基本原理(包括程序語(yǔ)言的基本句型)講起，先孤立地應(yīng)對(duì)各門(mén)課程，在此基礎(chǔ)上逐步與其他課程關(guān)聯(lián)起來(lái)。對(duì)此應(yīng)多準(zhǔn)備一些小例子，哪怕深度不夠，能初步說(shuō)明問(wèn)題就行。此方法適合于初學(xué)者。后者指的是從綜合構(gòu)思一個(gè)較大的系統(tǒng)出發(fā)，從各門(mén)課程的關(guān)聯(lián)和綜合運(yùn)用出發(fā)，自上而下，在關(guān)聯(lián)的層面上，在結(jié)合復(fù)雜構(gòu)思能力的層面上，達(dá)到深入透徹地掌握某門(mén)課程具體概念原理之目的。該方法必須始終圍繞構(gòu)思能力來(lái)進(jìn)行，適合于高年級(jí)學(xué)生。
　　下面通過(guò)幾門(mén)課程談?wù)勅绾螒?yīng)用這兩種方法。
　　1計(jì)算機(jī)語(yǔ)言課
　　計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)有一種錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)，編程是一種低檔次的工作，那是程序員的事，因而學(xué)生不重視語(yǔ)言學(xué)習(xí)和編程。事實(shí)上，一個(gè)軟件最終的產(chǎn)品是程序代碼，程序代碼包含了系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫(kù)、算法思路、編程技巧等全部信息，可以說(shuō)，熟練掌控程序代碼的能力再怎么強(qiáng)調(diào)都不過(guò)分。只有精通了一門(mén)語(yǔ)言，才能運(yùn)用、培訓(xùn)和鍛煉編程構(gòu)思能力和大程序的調(diào)試掌控能力，并最終實(shí)現(xiàn)軟件開(kāi)發(fā)。通常，C語(yǔ)言是我國(guó)高校計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)普遍開(kāi)設(shè)的課程，學(xué)生從大一開(kāi)始學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)語(yǔ)言課最關(guān)鍵的是領(lǐng)會(huì)程序語(yǔ)言的思維方式，各種不同語(yǔ)言的思維方式都是相通的。C語(yǔ)言作為首選是有道理的，因?yàn)樗墓δ軓?qiáng)大，并同時(shí)兼有高級(jí)語(yǔ)言和低級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)，特別是C語(yǔ)言的句型和語(yǔ)法現(xiàn)象非常豐富，熟練地掌握了C語(yǔ)言，以后學(xué)其他語(yǔ)言就非常容易了[1]。
　　鑒于C語(yǔ)言是第一門(mén)語(yǔ)言課，從低年級(jí)開(kāi)始學(xué)，故此課大抵按自下而上的方法教學(xué)，以講解句型為主。特別重要的是，要讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)程序語(yǔ)言的思維方式，必須用心去體會(huì)，而不是死記硬背。教師應(yīng)準(zhǔn)備大量的小例子，結(jié)合例子講解句型，并逐步加進(jìn)較復(fù)雜一點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及算法思路，從句型層面逐步提高到思路層面。愈快地進(jìn)入到思路層面上，結(jié)合思路講解句型的運(yùn)用及其上下文關(guān)聯(lián)，教學(xué)效率也就愈高[2]。始終將大量時(shí)間拘泥于句型是低效的。
　　C語(yǔ)言之后還要學(xué)其他語(yǔ)言課，此時(shí)的教學(xué)和學(xué)習(xí)方式就應(yīng)與作為第一門(mén)語(yǔ)言課的C語(yǔ)言大不相同了。筆者的經(jīng)驗(yàn)是，學(xué)生在熟練掌握C(含C++)語(yǔ)言，尤其是在透徹領(lǐng)會(huì)程序語(yǔ)言的思維方式，以及程序語(yǔ)言的幾種句型類(lèi)別之后，通過(guò)直接閱讀專(zhuān)家所寫(xiě)的大型高質(zhì)量程序源代碼，是學(xué)習(xí)第二門(mén)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的最佳方式。當(dāng)然，學(xué)生剛開(kāi)始可能達(dá)不到這一水準(zhǔn)，但以自上而下的教學(xué)方式作為原則是很重要的。下面以Java語(yǔ)言為例說(shuō)明。
　　筆者教Java課的理念是：學(xué)生從大一開(kāi)始學(xué)C語(yǔ)言，由于沒(méi)有什么基礎(chǔ)，當(dāng)然應(yīng)該從最簡(jiǎn)單的概念、語(yǔ)法、句型學(xué)起，而學(xué)Java的學(xué)生往往是大二或大三了，他們此時(shí)已掌握了程序的思維方式，具備一定的編程構(gòu)思能力，具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫(kù)、系統(tǒng)構(gòu)造方面的知識(shí)技能，再?gòu)幕揪湫蛯W(xué)起就是低效的。而且，作為一個(gè)大的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，Java擁有的類(lèi)和函數(shù)的數(shù)目大得驚人，課堂上不可能一一講解。所謂“授人以魚(yú)不如授人以漁”，筆者的方法是教學(xué)生如何讀懂別人的程序，通過(guò)別人程序的總體功能及上下文來(lái)推敲理解Java類(lèi)及其函數(shù)的功能及正確用法。即從大到小，由整體理解到推敲出小的細(xì)節(jié)，而不是相反，這樣不僅小的句型掌握了，而且別人的編程技巧也學(xué)會(huì)了，綜合構(gòu)思能力也得到了鍛煉和提高。讓學(xué)生先掌握J(rèn)ava最基本的類(lèi)和函數(shù)，能力具備后，他們就可用此方法自學(xué)掌握其他Java類(lèi)和函數(shù)。在教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)注意鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生較大型程序的調(diào)試能力及讀懂別人程序的能力，這會(huì)使學(xué)生在以后的工作中受益無(wú)窮。
　　在教學(xué)中，筆者針對(duì)開(kāi)發(fā)中的重點(diǎn)難點(diǎn)訓(xùn)導(dǎo)學(xué)生，以利于學(xué)生以后的工作實(shí)戰(zhàn)。軟件開(kāi)發(fā)有三個(gè)方面最難突破，首先是綜合調(diào)試大軟件的能力。一個(gè)大而復(fù)雜的軟件，由多個(gè)小組開(kāi)發(fā)出各個(gè)模塊，每個(gè)小組都認(rèn)為自己做得很好，集成調(diào)試時(shí)卻問(wèn)題百出，這時(shí)極少有人能掌控整個(gè)大軟件，把它調(diào)試順暢。再就是bug問(wèn)題，有些bug非常難解決。然后是性能問(wèn)題，主要是速度、內(nèi)存消耗和容量問(wèn)題。一些高手開(kāi)發(fā)的成熟軟件，往往在這些方面做得相當(dāng)優(yōu)美，但用戶(hù)可能依然對(duì)性能不滿(mǎn)意，要求顯著改進(jìn)。
　　教學(xué)目標(biāo)的高低及正確與否對(duì)教學(xué)效率起著決定性作用。筆者希望學(xué)生學(xué)過(guò)Java后，對(duì)別人寫(xiě)的數(shù)萬(wàn)條以上語(yǔ)句的程序，不要任何文檔及注釋行，不作任何介紹，硬讀源代碼，就能將軟件結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫(kù)、算法思路全部讀通并推出來(lái)，而且時(shí)間很快，然后想怎么改就怎么改。這就要求學(xué)生在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編程思路方面的功力必須強(qiáng)大。再者，數(shù)據(jù)庫(kù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其構(gòu)思運(yùn)用能力必須強(qiáng)大，否則不可能從系統(tǒng)的角度把握整個(gè)軟件。另外，學(xué)生必須全面掌握J(rèn)ava本身的結(jié)構(gòu)以及面向?qū)ο缶幊痰乃季S邏輯、各種方法技巧，至于Java的句型細(xì)節(jié)，有了上述條件，根本不需花多大功夫，根據(jù)上下文推敲一下就足夠了。
　　再次強(qiáng)調(diào)讀通別人程序的重要性，它能使你得到一切的一切！
　　2計(jì)算機(jī)算法
　　計(jì)算機(jī)算法不同于其他學(xué)科的最大特點(diǎn)是它需要一連串的思維，它們由許多關(guān)鍵點(diǎn)構(gòu)成，這些關(guān)鍵點(diǎn)彼此依序而行，又動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)。任何疏忽遺漏或一知半解都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)思路的失敗。這些正是復(fù)雜算法難于理解掌握的根本原因。解決算法問(wèn)題，最需要的是復(fù)雜思路的構(gòu)思能力，包括思維的多樣性、巧妙性和深入性。其中，多樣性體現(xiàn)的是想象能力，巧妙性是一種創(chuàng)造性思維，是一種天分，而深入性則是深深地沿一條思維脈絡(luò)進(jìn)行下去的能力。這種構(gòu)思能力需要長(zhǎng)時(shí)間艱辛的培訓(xùn)，最有效的方法是在頭腦中一遍又一遍地回味他人的復(fù)雜思路，將他人的復(fù)雜思路印在腦海里，時(shí)間一長(zhǎng)，自然會(huì)功力大增。
　　因此，算法教學(xué)的關(guān)鍵是首先讓學(xué)生透徹理解和掌握較復(fù)雜的算法，然后才能使其將復(fù)雜的思路印在腦海里反復(fù)回味，以達(dá)到熟能生巧、觸類(lèi)旁通之效果。因此，教師在講算法課之前，讓學(xué)生先作預(yù)習(xí)是必要的過(guò)程。先對(duì)要學(xué)的算法有一個(gè)初步的理解，并帶著問(wèn)題聽(tīng)課，才能有好的效果。其次，抓住關(guān)鍵點(diǎn)實(shí)屬必要。每個(gè)復(fù)雜的算法均有幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，攻破了這幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，算法也就迎刃而解了。筆者教學(xué)前先將算法分為易、較難和很難幾個(gè)等次，因材施教。告訴學(xué)生要講的算法屬哪個(gè)等次，使他們心中有數(shù)。容易的可以較快完成。對(duì)難的，教師先逐一講解關(guān)鍵點(diǎn)，然后讓學(xué)生依據(jù)講解自己看書(shū)，去理解這些關(guān)鍵點(diǎn)，然后再讓學(xué)生就不理解的地方提問(wèn)，教師就學(xué)生的提問(wèn)作更具針對(duì)性的講解。一般來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)這一過(guò)程，學(xué)生基本能理解這些關(guān)鍵點(diǎn)。接著讓學(xué)生自己將這些關(guān)鍵點(diǎn)串起來(lái)，形成思路。最后讓學(xué)生反復(fù)回味思路，并給出針對(duì)性的問(wèn)題，讓學(xué)生解答。經(jīng)此過(guò)程，學(xué)生大都能很好地掌握要點(diǎn)。
　　
　　以一般圖搜索算法為例，算法從一個(gè)無(wú)向圖的初始節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，尋找距該初始節(jié)點(diǎn)路徑最短的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)以及最短路徑[3](該算法為經(jīng)典基礎(chǔ)算法，一般算法教科書(shū)均可見(jiàn)到，這里不再贅述)。該算法有一定難度，無(wú)論是其思路技巧，還是其文字表述，均堪屬經(jīng)典。學(xué)生若能全面掌握此算法，即為進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)算法打下良好基礎(chǔ)。
　　第一步，教師在學(xué)生預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上講一遍整個(gè)算法。
　　第二步，著重強(qiáng)調(diào)關(guān)鍵點(diǎn)。關(guān)鍵點(diǎn)一：對(duì)每一節(jié)點(diǎn)建立從父節(jié)點(diǎn)到爺節(jié)點(diǎn)等的祖先鏈，這一祖先鏈?zhǔn)莿?dòng)態(tài)變化的。要求學(xué)生理解祖先鏈，理解其為什么和如何動(dòng)態(tài)變化。關(guān)鍵點(diǎn)二：OPEN節(jié)點(diǎn)和CLOSE節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，必須清晰透徹地理解。OPEN表中已完成展開(kāi)的節(jié)點(diǎn)放入CLOSE表中，此節(jié)點(diǎn)以后還有可能從CLOSE表中重回OPEN表中繼續(xù)展開(kāi)，且可能不斷反復(fù)，為什么？
　　第三步，給學(xué)生時(shí)間，要求學(xué)生透徹理解關(guān)鍵點(diǎn)，并串成清晰的思路。
　　第四步，要求學(xué)生對(duì)還不夠理解的地方提問(wèn)。有學(xué)生問(wèn)，既然OPEN表中節(jié)點(diǎn)完成展開(kāi)后移到CLOSE表，以后又反復(fù)從CLOSE表移到OPEN表重新做展開(kāi)，那程序何時(shí)能結(jié)束？顯然這是沒(méi)理解該算法逐步向最優(yōu)解迭代的過(guò)程，每重復(fù)一次，到頂點(diǎn)的路徑長(zhǎng)度就優(yōu)化一次，而這種優(yōu)化不可能無(wú)限進(jìn)行(反問(wèn)學(xué)生“為什么”)，最終OPEN表必然為空，程序終止。
　　第五步，演算一個(gè)較復(fù)雜的例子。
　　經(jīng)過(guò)這五步，學(xué)生大都反映完全掌握了該算法。
　　對(duì)于軟件開(kāi)發(fā)人員自己學(xué)習(xí)算法，在功力尚不強(qiáng)大且又無(wú)老師講解的情況下，在遵循上述步驟原則的基礎(chǔ)上，最好先用幾個(gè)小例子或較小規(guī)模的輸入單步跟蹤算法的計(jì)算步驟，反復(fù)回味整個(gè)思路，以達(dá)到清晰把握整個(gè)思路之目的。即使是功力強(qiáng)大者，這也是攻克復(fù)雜算法思路的有效途徑。
　　在算法教學(xué)上，筆者注意結(jié)合科研上的難點(diǎn)，給學(xué)生以引導(dǎo)激勵(lì)，鼓勵(lì)學(xué)生大膽思索探討。例如， Hamilton環(huán)為著名的NP難問(wèn)題[5]，讓學(xué)生去解決這樣的問(wèn)題顯然不切實(shí)際，但可以提到，以激勵(lì)學(xué)生。筆者將此問(wèn)題稍稍改了一下，題目如下。
　　將具有N個(gè)節(jié)點(diǎn)的無(wú)向連通圖(最小度數(shù)為2，最大度數(shù)為3)的N個(gè)節(jié)點(diǎn)圍成一個(gè)圈，我們稱(chēng)它為虛環(huán)，因?yàn)樗赡馨芏鄶帱c(diǎn)。希望用多項(xiàng)式實(shí)踐得到這個(gè)虛環(huán)。唯一的要求是：虛環(huán)里不能包含孤立節(jié)點(diǎn)(即某節(jié)點(diǎn)與自己兩側(cè)的節(jié)點(diǎn)都不相連)。
　　此問(wèn)題難度不太大，但要完成它也非易事，需要學(xué)生具有較強(qiáng)的復(fù)雜思路的構(gòu)思能力。
　　3軟件工程課
　　首先，我們確定軟件工程學(xué)[7]課程的三大教學(xué)目標(biāo)：一是掌握軟件開(kāi)發(fā)的過(guò)程、步驟、方法；二是對(duì)各學(xué)科知識(shí)的綜合運(yùn)用及加深協(xié)作；三是構(gòu)思能力的培訓(xùn)(此點(diǎn)為核心)。
　　要使學(xué)生不能僅限于對(duì)課本概念和原理文字上的理解，而必須時(shí)時(shí)面臨需要較復(fù)雜思路來(lái)解決的問(wèn)題。因此，必須準(zhǔn)備一些適合于課堂講解的、既短小精悍又能說(shuō)明問(wèn)題的例子。
　　例一，大學(xué)自動(dòng)排課系統(tǒng)。輸入為：①資源。教室及其容量；每名老師及所能上的課。②每個(gè)班。人數(shù)及本學(xué)期上哪幾門(mén)課；多少課時(shí)。輸出為學(xué)生、教師以及教室管理員均能方便查詢(xún)的排課結(jié)果。要求同課可合班，盡量少占教室。此系統(tǒng)看似不大，但相當(dāng)復(fù)雜。若學(xué)生能在課堂上透徹接受此例子，則意味著顯著的收獲：①該例子對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法知識(shí)起運(yùn)用和強(qiáng)化的作用，如怎樣優(yōu)化使教室得到最充分的利用和最大的結(jié)余，做好此算法相當(dāng)有難度。②該例子對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)知識(shí)起運(yùn)用和強(qiáng)化的作用。數(shù)據(jù)庫(kù)表設(shè)計(jì)：為方便起見(jiàn)，可將上課時(shí)間作為一個(gè)實(shí)體，每天8節(jié)課，一周5天，共40節(jié)課，編號(hào)為1至40，可作主鍵使用。三個(gè)方案：①以班級(jí)加時(shí)間作主鍵，教室老師課程全部作屬性，一個(gè)表即能容納排課結(jié)果，另兩個(gè)方案為兩個(gè)表。讓學(xué)生比較到底誰(shuí)優(yōu)，在什么條件下優(yōu)以及為什么優(yōu)。此外，還有手動(dòng)調(diào)劑功能，人的權(quán)限與機(jī)器排課權(quán)限之爭(zhēng)的問(wèn)題、特殊課程和特殊教師的處理問(wèn)題、教師課程的平衡問(wèn)題等，都需要考慮。
　　例二，打手機(jī)的全過(guò)程分析設(shè)計(jì)。含市內(nèi)、長(zhǎng)途、漫游及交叉等多種情況。每個(gè)城市都有一個(gè)通信中心，市內(nèi)用戶(hù)的所有數(shù)據(jù)均存放在此通信中心，手機(jī)用戶(hù)通過(guò)分散的基站與通信中心聯(lián)系，各基站只起中轉(zhuǎn)的作用，不存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而城市間則通過(guò)通信中心互聯(lián)。此例子相當(dāng)能說(shuō)明問(wèn)題：①此例子讓學(xué)生明白，系統(tǒng)構(gòu)思與編程構(gòu)思類(lèi)似，關(guān)鍵是打通思路，而不是背概念、套框框。②使學(xué)生學(xué)會(huì)將系統(tǒng)構(gòu)思與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)思結(jié)合起來(lái)。③使學(xué)生明白用戶(hù)層面的需求與系統(tǒng)分析員層面的需求有本質(zhì)的不同。本例用戶(hù)需求非常簡(jiǎn)單，就是打通手機(jī)。而系統(tǒng)分析員的需求分析則要復(fù)雜得多。
　　總之，軟件工程課應(yīng)運(yùn)用自上而下的教學(xué)方法，準(zhǔn)備幾個(gè)像樣的系統(tǒng)，從系統(tǒng)構(gòu)思著手，讓學(xué)生通過(guò)例子理解掌握軟件工程各個(gè)章節(jié)的基本概念，達(dá)到綜合運(yùn)用、融會(huì)貫通之目的。
　　4結(jié)語(yǔ)
　　針對(duì)專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，筆者提出計(jì)算機(jī)軟件專(zhuān)業(yè)教學(xué)的兩大方法：自下而上法和自上而下法，并通過(guò)幾門(mén)主要課程加以說(shuō)明。在多年實(shí)踐研究的基礎(chǔ)上，給出了一些課教與學(xué)的關(guān)鍵點(diǎn)，既可供教學(xué)參考，亦可為軟件開(kāi)發(fā)人員培訓(xùn)提高功力之借鑒。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　　[1] 譚浩強(qiáng). C程序設(shè)計(jì)[M]. 北京:清華大學(xué)