程序設(shè)計(jì)類課程的層次化教學(xué)模式研究與實(shí)踐

摘 要： 高校計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)類課程內(nèi)容具有層次化特點(diǎn)，教學(xué)內(nèi)容可作算法、方法學(xué)、語法和集成開發(fā)環(huán)境四個(gè)層次的劃分，忽視了該特點(diǎn)往往會使學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確。根據(jù)認(rèn)知心理學(xué)和學(xué)習(xí)理論，提出了程序設(shè)計(jì)類課程的層次化教學(xué)法，使之無論從行為主義、認(rèn)知學(xué)派，還是建構(gòu)主義的觀點(diǎn)出發(fā)，都能構(gòu)建一個(gè)全新的教育傳播模式，提高了教學(xué)效果。此外，以C語言為例，給出了一個(gè)具體的實(shí)施步驟。

關(guān)鍵詞： 程序設(shè)計(jì)； 教學(xué)法； 層次化； 教育傳播； 學(xué)習(xí)理論

中圖分類號：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2013）03-58-04

0 引言

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》指出，信息技術(shù)對社會發(fā)展具有革命性影響，應(yīng)把信息化能力納入學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)，作為一項(xiàng)基本技能。對高校學(xué)生來講，程序設(shè)計(jì)類課程是信息化能力培養(yǎng)的一個(gè)重要組成部分，在高校的人才培養(yǎng)方案中具有舉足輕重的地位，學(xué)生程序設(shè)計(jì)能力是信息化時(shí)代的一個(gè)必要素質(zhì)。

目前我國高校的計(jì)算機(jī)公共基礎(chǔ)課，以及部分計(jì)算機(jī)專業(yè)課，程序設(shè)計(jì)類課程的開設(shè)內(nèi)容和教學(xué)方法大都是“一條龍”式的，即從問題描述、算法的設(shè)計(jì)、程序流程圖到最后的編譯連接、運(yùn)行調(diào)試，其具體操作是作為一個(gè)完整的解決方案介紹給學(xué)生的，這種方式對大部分學(xué)生未必合適。我們在分析了程序設(shè)計(jì)類課程內(nèi)容的層次化特點(diǎn)之后，將教學(xué)內(nèi)容作了橫向的層次劃分，向?qū)W生傳遞歸屬層次明確的知識。通過這種內(nèi)容上的層次化重組和定位，使之無論從行為主義、認(rèn)知學(xué)派還是建構(gòu)主義的觀點(diǎn)出發(fā)，都能構(gòu)建一個(gè)具有全新視角和明顯高效的教育傳播模式，為學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)和教學(xué)效果的提高奠定了基礎(chǔ)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外教育研究專家和計(jì)算機(jī)教育實(shí)踐者做了不少的研究和實(shí)踐，試圖提高程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)質(zhì)量，探索程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)的新路子。Wulf（2005）從建構(gòu)主義出發(fā)提出計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的新教學(xué)法，如主動學(xué)習(xí)、學(xué)徒制、團(tuán)隊(duì)合作，并針對24人以下的小班設(shè)計(jì)了課前閱讀與評分、課內(nèi)評論、教師指導(dǎo)下的自主實(shí)踐、個(gè)體作業(yè)和團(tuán)隊(duì)作業(yè)等具體教學(xué)措施[1]。Caspersen和Bennedsen（2007）根據(jù)認(rèn)知科學(xué)和教育心理學(xué)中的認(rèn)知載荷理論、認(rèn)知學(xué)徒制和精加工實(shí)例的原理，提出一種模型驅(qū)動的面向技能教學(xué)的程序設(shè)計(jì)教學(xué)法，其中將程序設(shè)計(jì)課程涉及的模型分成類間模型、類內(nèi)模型和算法模型三種[2]。Lui和Kwan等（2004）專門針對弱基礎(chǔ)學(xué)生提出一個(gè)建構(gòu)主義的Perform教學(xué)方法，該方法在主觀上以達(dá)到“全民編程”為設(shè)計(jì)原則，首先分析了弱基礎(chǔ)學(xué)生感情上和認(rèn)知上的5個(gè)弱點(diǎn)，然后提出有針對性的C語言課件開發(fā)指導(dǎo)原則[3]。Zhu和Zhou（2003）提出了方法學(xué)優(yōu)先的教學(xué)策略，認(rèn)為像C++這樣的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語言的教學(xué)應(yīng)該先教方法學(xué)再教語言本身，同時(shí)給出了方法學(xué)的6步驟教學(xué)法[4]。莫永華和寇冬泉（2005）以認(rèn)知心理學(xué)為基礎(chǔ)，秉承OSI七層參考模型的分層思想，對學(xué)習(xí)和記憶的信息加工模型加以改進(jìn)，提出了一個(gè)更加有效的、全景式的人類分層傳播模型，并結(jié)合該模式探討相關(guān)學(xué)習(xí)理論[5]。張曉競和陳元琰（2004）做了面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程的感性化教學(xué)探索，提出了橫向列表比較法、縱向特征點(diǎn)延伸法等具體措施[6]。高枚和楊志強(qiáng)等（2005）從教材建設(shè)、教學(xué)內(nèi)容的組織以及教學(xué)方法等幾方面總結(jié)了“C/C++程序設(shè)計(jì)”課程教學(xué)的一些新思路和體會[7]。劉璟（2003）指出，對于程序設(shè)計(jì)的研究，可以分為四個(gè)層次：算法、方法學(xué)、語言和工具，其中算法設(shè)計(jì)與分析的研究在最高層次上[8]。

在與層次化有關(guān)的教學(xué)理論或?qū)嵺`方面，文獻(xiàn)[4]雖涉及了方法學(xué)和語言的教學(xué)層次關(guān)系，但實(shí)際的層次不限于這兩個(gè)，其中的6個(gè)教學(xué)步驟也僅限于C++。文獻(xiàn)[5]的人類分層傳播模式雖然提到分層，但并不是教學(xué)內(nèi)容的分層問題，而是教育傳播的分層問題。文獻(xiàn)[8]把算法看成是程序設(shè)計(jì)的最高的、終極的層次，但在實(shí)際的科學(xué)研究中，一方面算法最終離不開實(shí)現(xiàn)工具的支持，另一方面工具的運(yùn)用（如軟件包、GPU）也能使許多課題的研究獲得進(jìn)展和創(chuàng)新，在工程技術(shù)領(lǐng)域更不能忽略工具的重要性。包括工具和集成開發(fā)環(huán)境在內(nèi)的較低層次內(nèi)容無疑是程序設(shè)計(jì)的重要教學(xué)內(nèi)容。

2 層次化教學(xué)的思想

2.1 程序設(shè)計(jì)類課程內(nèi)容的四個(gè)層次劃分

計(jì)算機(jī)科學(xué)家沃思（N. Wirth）提出過一個(gè)著名的公式：

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+算法=程序

我國的計(jì)算機(jī)教育家譚浩強(qiáng)教授改進(jìn)了這個(gè)公式[9]，提出：

程序=算法+數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+程序設(shè)計(jì)方法+語言工具和環(huán)境

他們都是運(yùn)用層次化的思想觀察程序的本質(zhì)。我們根據(jù)多年來的教學(xué)實(shí)踐和總結(jié)，程序設(shè)計(jì)語言課程內(nèi)容也有一個(gè)清晰的層次劃分，它可以分成四個(gè)層次：算法、方法學(xué)、語法和集成開發(fā)環(huán)境。這四個(gè)層次從窄到寬，從抽象到具體，構(gòu)成一個(gè)金字塔，如圖1所示。

算法（Algorithm）是計(jì)算機(jī)科學(xué)的核心，是指解決問題的結(jié)構(gòu)化流程，是編排計(jì)算機(jī)指令的策略性步驟。按照D. E. Knuth的定義，算法是一個(gè)有窮規(guī)則的集合，其中之規(guī)則規(guī)定了一個(gè)解決某一特定類型的問題的運(yùn)算序列，算法應(yīng)具有如下五個(gè)重要特性：有窮性、確定性、輸入、輸出和可運(yùn)行性[10]。算法是方法學(xué)無關(guān)的，也是語言無關(guān)的，即算法的設(shè)計(jì)不依賴于用什么樣的程序設(shè)計(jì)方法，更不依賴于具體的編程語言。

方法學(xué)（Methodology）是計(jì)算機(jī)語言的設(shè)計(jì)方法，比如簡單過程式的程序設(shè)計(jì)、面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)、并行程序設(shè)計(jì)和網(wǎng)格計(jì)算[11]。以前的Fortran語言和C語言是按照簡單過程式語言設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出來的語言產(chǎn)品。而現(xiàn)在流行的Java和C++是按照面向?qū)ο蠓椒ㄔO(shè)計(jì)出來的語言產(chǎn)品。

語法（Grammar）描述了組成一個(gè)有效程序的符號的順序，語法為理解一個(gè)程序提供了重要的信息，同樣也為將它翻譯成目標(biāo)程序提供了必要的信息[12]。語法包括詞法和句法，語法是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)語言的最基本、學(xué)生最直接感知到的內(nèi)容。程序設(shè)計(jì)語言不同，直觀地看，就是語法不同。

集成開發(fā)環(huán)境（Integrated Development Environment， IDE）是為了讓某一種語言的程序代碼能方便地錄入、編輯、存儲、編譯、運(yùn)行和調(diào)試，以及為函數(shù)庫調(diào)用、類庫導(dǎo)入、命名約定、硬件相關(guān)的優(yōu)化、編譯選項(xiàng)等提供接口的應(yīng)用軟件[13]。

這四個(gè)層次從上到下構(gòu)成一個(gè)從抽象到具體的概念范疇。上一層次與下一層次都存在一對多的關(guān)系。一個(gè)算法可以用過程式的語言實(shí)現(xiàn)，也可以用面向?qū)ο蟮某绦驅(qū)崿F(xiàn)；在同一種方法學(xué)（如面向?qū)ο螅┲笇?dǎo)下設(shè)計(jì)的語言有多種（如C++、Java），它們的語法不同；同一種語言（即語法相同）可以有不同的集成開發(fā)環(huán)境，比如C++的IDE有C++ Free，VC++6.0，VC++.net等。

層次越高，越具長期性，層次越低，越容易被更替和淘汰。優(yōu)秀算法的生命力很強(qiáng)，能生存幾十年、幾百年甚至幾千年；方法學(xué)具有計(jì)算機(jī)發(fā)展的時(shí)代特征，一般有幾十年的生存期；計(jì)算機(jī)語言則不斷推陳出新，有的能用幾十年，有的則幾年后就被人遺忘；而集成開發(fā)環(huán)境更加短命，IDE的新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，版本幾年一更新，程序員需要不斷去做升級，跟上變化。

2.2 層次化教學(xué)的心理學(xué)和教育學(xué)基礎(chǔ)

層次化教學(xué)的思想雖然源自教學(xué)實(shí)踐，從學(xué)習(xí)理論的觀點(diǎn)來看也是具有它的理論基礎(chǔ)的。

關(guān)于學(xué)習(xí)理論，經(jīng)歷了一個(gè)從行為主義，到認(rèn)知學(xué)派，再到建構(gòu)主義的發(fā)展歷程。最早的行為主義學(xué)習(xí)理論以華生（Watson）為代表，將巴甫洛夫的條件反射理論應(yīng)用到教育傳播和學(xué)習(xí)理論的研究中去。但是行為主義的學(xué)習(xí)理論過于強(qiáng)調(diào)環(huán)境對學(xué)習(xí)的決定作用，認(rèn)知主義的學(xué)習(xí)理論則以學(xué)習(xí)者主體為主要決定因素，指出學(xué)習(xí)過程是一個(gè)學(xué)習(xí)者根據(jù)個(gè)體的已有知識和外部環(huán)境加工形成新知識的過程。建構(gòu)主義更加強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者的主觀能動性，提出學(xué)習(xí)是一個(gè)發(fā)現(xiàn)過程，而不是一個(gè)接受過程，更不是信息傳送過程[14]。

如果單純從行為主義出發(fā)，知識的分層至少能夠提高刺激-反應(yīng)（S-R）聯(lián)系的形成效率。

在學(xué)習(xí)理論的認(rèn)知學(xué)派中，奧蘇伯爾（Ausubel）提出的先進(jìn)組織者（Advanced Organizers）理論指出，教師的角色是教學(xué)內(nèi)容的組織者，教師的責(zé)任是將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行有意義的組織，使得它成為學(xué)生長時(shí)記憶的骨架（umbrella），起到提綱挈領(lǐng)的作用，具體的知識將由學(xué)生自己填充。教學(xué)內(nèi)容層次化結(jié)果就是一種長時(shí)記憶的骨架或教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)組織，這種層次化模式還具有如下優(yōu)點(diǎn)。

⑴ 有利于注意（Attention）的參與。注意是感知的重要特征和學(xué)習(xí)效率的基本保證，在學(xué)習(xí)過程中，感知到的內(nèi)容包括知識點(diǎn)本身、知識點(diǎn)所處的層次、教學(xué)環(huán)境、教師的態(tài)度以及干擾信息等，層次作為其中一種特意安排的新感知內(nèi)容引導(dǎo)了注意的方向，強(qiáng)化了知識點(diǎn)本身，使學(xué)習(xí)者盡早拋棄非相關(guān)內(nèi)容，避免了許多混亂的感知內(nèi)容進(jìn)入后續(xù)的加工過程。

⑵ 它是概念形成的良好框架。能激活原有的知識（長時(shí)記憶），與感知到的新知識經(jīng)重新編碼成為新的長時(shí)記憶，從而使新概念以及該新概念所屬的層次存儲在長時(shí)記憶中，由于這些概念在存儲時(shí)增加了“所屬層次”的編碼，使以后的檢索和理解更加快速和準(zhǔn)確。

⑶ 有利工作記憶中塊（Chunk）的信息量提高和加工的效率。工作記憶是一種短時(shí)記憶，其中的內(nèi)容以塊為單位，是學(xué)習(xí)過程的加工對象，米勒（Miller）認(rèn)為工作記憶中塊的個(gè)數(shù)是相對固定的（約7±2），與塊的信息量（比特?cái)?shù)）無關(guān)。層次化處理很容易將同層的知識同塊化，從而提高塊的信息量和學(xué)習(xí)和記憶加工的效率。

⑷ 一定程度上迫使教師的隱性知識（Tacit Knowledge）轉(zhuǎn)換為顯性的可分解的步驟，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。例如，C++的#include命令不僅是一條簡單的語句，而且會涉及到后續(xù)的文件和存儲目錄，含有語法和IDE兩層知識，分層次的教學(xué)就自然使教師講解#include命令時(shí)分解到位，兩層均及，使學(xué)生能充分建立該語句的概念和機(jī)制。

建構(gòu)主義是上世紀(jì)末興起的學(xué)習(xí)理論，重新從學(xué)習(xí)者的角度分析了認(rèn)知活動的規(guī)律。基于建構(gòu)主義觀點(diǎn)提出的教學(xué)法層出不窮，關(guān)鍵思想是認(rèn)知的主動性、教師角色從“教導(dǎo)者”轉(zhuǎn)為“推動者”、教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化等等。程序設(shè)計(jì)類課程的層次化有利于提高認(rèn)知的主動性，順應(yīng)學(xué)生的偏好和個(gè)性，教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化程度自然上升，同時(shí)從課程內(nèi)容的四個(gè)層次來看，教師客觀上成為四個(gè)層次知識傳授的推動者，在算法和IDE兩端層次尤其如此。

3 層次化的教學(xué)方案和實(shí)例

3.1 層次化的教學(xué)方案

基于上述分層次思想，我們提出的總體教學(xué)方案是：對計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)內(nèi)容做算法、方法學(xué)、語法和集成編程環(huán)境四個(gè)層次的劃分。以計(jì)算機(jī)語言課程的四個(gè)層次為框架，重新梳理教學(xué)內(nèi)容，分層定位知識點(diǎn)，將各章節(jié)各知識點(diǎn)歸到各個(gè)層次。這個(gè)分層過程對理論課、實(shí)驗(yàn)課和課程設(shè)計(jì)同步進(jìn)行。

以教學(xué)內(nèi)容的層次化為導(dǎo)引，將層次化的思想貫徹到各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，包括教學(xué)大綱修訂、教學(xué)進(jìn)度安排、教學(xué)手段創(chuàng)新、學(xué)生學(xué)習(xí)引導(dǎo)、考試、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等。

值得注意的是，四個(gè)層次之間的關(guān)系并不是簡單的相加關(guān)系，而是抽象與具體、調(diào)用與支持的關(guān)系。層次化的教學(xué)方案并不是說按照算法到IDE或相反方向的順序重新安排教學(xué)過程，而是教學(xué)過程仍然按照原來的章節(jié)順序，只是在每個(gè)章節(jié)、每堂課將所講授內(nèi)容明確指出所屬的層次，以方便學(xué)生的領(lǐng)會、掌握和主動學(xué)習(xí)。

此外，傳統(tǒng)的以問題為中心的教學(xué)方法是以“問題”為格式塔（Gestalt）進(jìn)行問題的求解，本方案并不是以“概念”或“操作”為新的格式塔，而是仍以“問題”為初始格式塔，只不過特別強(qiáng)調(diào)問題求解過程中學(xué)生頓悟（insight）到的各種子格式塔，這些子格式塔對應(yīng)于它所屬的各個(gè)層次，由于有了四個(gè)層次的劃分，這里的頓悟已退化為平凡的獲取，需要頓悟的僅為子格式塔內(nèi)部的頓誤了。

3.2 實(shí)例

以C/C++語言為例，給出一個(gè)具體可操作的教學(xué)實(shí)施步驟如下。

第一，劃分計(jì)算機(jī)語言類課程的四個(gè)層次：算法、方法學(xué)、語法和集成開發(fā)環(huán)境。分析四個(gè)層次在C/C++教學(xué)內(nèi)容中的分布情況。

⑴ 算法在本課程中涉及較少，它主要在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法設(shè)計(jì)與分析等課程中講授，但不是不能涉及，比如線性搜索的二分法在本課程要講到。

⑵ 方法學(xué)在本課程中重要且較難接受的內(nèi)容，它主要包括模塊化的編程思想，面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)思想，如封裝、抽象、繼承、多態(tài)等。

⑶ 語法內(nèi)容是本課程的主要內(nèi)容，包括函數(shù)的定義、聲明和調(diào)用，對象和類的定義、類的派生等，占授課內(nèi)容的70%左右。

⑷ 集成開發(fā)環(huán)境在本課程的理論部分占得比較少，但在實(shí)驗(yàn)部分占得比較多，具體就是C編譯環(huán)境、VC的使用方法，Windows應(yīng)用程序框架的構(gòu)建方法。

第二，在C++程序設(shè)計(jì)的知識點(diǎn)的分層梳理和歸類的基礎(chǔ)上，編排和修訂理論教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和課程設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，以所屬層次和學(xué)習(xí)要求的二維坐標(biāo)來標(biāo)注各個(gè)知識點(diǎn)。在教學(xué)大綱中記錄教學(xué)內(nèi)容及其所屬層次和學(xué)習(xí)要求。教學(xué)大綱的“基本要求”按照圖2例子的格式記錄。

第三，以層次化思想指導(dǎo)教學(xué)活動的各個(gè)環(huán)節(jié)。從教學(xué)內(nèi)容上看，第三層次的內(nèi)容都是教師講授、學(xué)生學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容，但從教學(xué)主體和客體的細(xì)分角度看，對動手能力強(qiáng)、有志于創(chuàng)業(yè)的學(xué)生宜偏重于第四層次的知識，對理論興趣濃厚、科研型的學(xué)生宜偏重于第一、第二層次的知識。從課件的制作看，宜在開篇第一課就向?qū)W生展示四個(gè)層次的“金字塔”圖。從上機(jī)實(shí)踐看，對IDE的操作知識要及時(shí)向?qū)W生明確指出，以正確構(gòu)建認(rèn)知模式。

第四，實(shí)施一些配套工程，如編寫相應(yīng)教材、實(shí)驗(yàn)教材和課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書，制作全套課件，開發(fā)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，在每一環(huán)節(jié)都強(qiáng)調(diào)層次化意識。

4 結(jié)束語

作者通過在溫州大學(xué)五年來C語言、C++語言、Java語言等課程的層次化教學(xué)實(shí)踐，教學(xué)年級覆蓋大一、大二、大三，對象程度覆蓋二本、三本和專科，發(fā)現(xiàn)層次化的教學(xué)法能夠明顯提高教學(xué)效果。具體包括：①學(xué)生的動手實(shí)踐能力明顯提高，學(xué)習(xí)興趣增大，對參加畢業(yè)設(shè)計(jì)、專業(yè)實(shí)習(xí)更有信心，專業(yè)技能更符合社會需求，更受用人單位的歡迎，就業(yè)更具競爭力；②算法和程序設(shè)計(jì)方法的理論更加扎實(shí)，參加程序設(shè)計(jì)競賽、考研、考軟件設(shè)計(jì)師更加積極，參加人數(shù)逐年遞增，為他們在將來的研究工作中打下更堅(jiān)固的基礎(chǔ)；③后續(xù)課程的學(xué)習(xí)更加輕松，合理引導(dǎo)了繼續(xù)學(xué)習(xí)方向，培育了主動學(xué)習(xí)的動力。

層次化的思想具有一定的推廣價(jià)值，對程序設(shè)計(jì)類課程如C/C++、Java、VB、Python、Delphi、PHP等教學(xué)改革都有指導(dǎo)意義。

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