基于ACM競賽理念的C++程序設計教學模式改革

彭源　田秀霞　張安勤　朱萍

摘要：針對目前C++程序設計教學中以講授為主，過于注重語法教學而忽略學生能力培養等弊端，提出一種基于ACM競賽的C++教學模式，通過將ACM競賽的理念、機制與教學過程緊密結合，有效地促進學生主動學習，培養學生分析問題、解決問題以及團隊合作的能力，進一步提升教學效果。

關鍵詞：ACM競賽；C++教學；教學改革

文章編號：1672-5913（2013）07-0070-04

中圖分類號：G642

1 背景

C++程序設計是計算機及相關專業為一年級大學生開設的基礎課程，主要講授通過編程解決問題，培養學生的動手編程能力和軟件設計的邏輯思維能力，為后繼課程打下基礎。

C++學習的思維方式與學生在前期教育階段培養出的思維方式有較大的不同。在長期的教學過程中，我們發現，傳統的講授型學習方式并不能起到很好的效果，主要表現在：學生掌握了C++語法的細節，但處理實際問題的能力較弱；偏重考試成績，動手能力欠缺；在教學過程中，不斷有學生因畏難、缺乏興趣、被動學習而掉隊；編程時，易陷入局部細節，不能從宏觀上把握程序的邏輯而導致思維受阻等。這反映出C++程序設計課程與常規的教學模式、考核方式有不適應之處。

ACM/ICPC項目是由國際計算機協會主辦的，公認為規模最大、最具影響力、水平最高的大學生國際級計算機類競賽。大賽倡導在壓力較大的情況下，發揮創造力和團隊合作精神以解決競賽問題，展示分析問題和解決問題的能力。比賽對學生邏輯分析能力、策略制定和腦力等有極大的挑戰性。

該競賽的機制較為偏向對綜合能力的考核，這和學生的培養目標是一致的，因此我們將其模式和機制融合到教學中，對提升學生的學習興趣、動手能力、學習能力，改進教學效果，改進考核和評測標準等方面都起到了顯著的作用。近幾年，一些教師也在探索將ACM競賽與教學相結合。文獻[1]探討了如何將課程教學和ACM競賽相互促進；文獻[2]從學生的學習興趣、學習效率、教學效率、學習能力、實踐能力和評價機制6個方面著手，探討如何與ACM競賽結合；文獻[3]以ACM競賽活動為有效載體，積極探索培養創新人才的新模式。本文主要從改進教學目標、更新教學組織形式、培養主動學習模式、改變考核機制等方面人手，探索如何引入ACM理念。教學實踐表明，基于ACM競賽的教學模式是合理有效的。

2 基于ACM競賽的教學模式

1）改進教學目標，采用以實例為主的C++教學模式，著重培養學生分析問題、抽象問題和解決問題的能力。

ACM競賽的題目以問題描述的形式出現，具有靈活性和多樣性，答案不是現成的或固定的，且解決問題的過程是一個擴充現有知識和思路創新的過程。參與者需要經歷理解問題、分析和查找資料、數據結構設計、算法設計和編程調試等環節。該方式能較好地調動參與者學習的主觀能動性，培養其宏觀思維，鍛煉其對實際問題抽象、總結、描述和解決的能力。

常規的C++教學方式，不管是在教學還是實踐環節，都過于注重細節、語法。教學目標只在于能否熟練運用C++語言進行程序設計，而忽略了內在的思想和方法。我們以數組部分的一道上機實踐題目為例：編寫一個排序函數sort（），該函數實現將一個數組中的n個整型數據按升序排序。該排序函數有2個形參，一個是數組形參，一個是表示數組大小的整型形參。在主函數中調用編好的排序函數，并輸出排序后的數組數據。可以看到，該題目的需求非常明確，具體的功能要求羅列詳細，從數據結構到實現細節均有明確的說明，學生需要動腦筋的部分很少。從實際效果來看，這類題目只培養了學生實現編程過程的能力，而問題的分析和抽象能力并未得到培養。

但在現實的項目中，客戶能夠提供的往往是比較模糊的一些需求描述。這就要求程序員必須具備較強的分析、抽象和解決問題的能力。常規的教學方式不能完全覆蓋這些方面的鍛煉。傳統的教學模式下，多數學生遇到生活中的實際問題需要編程解決時，仍不知如何去處理。

為此，我們引入ACM競賽的培養理念，更新教學目標，不再以具體的C++語法及細節的講授為教學重點，而是采用問題驅動和案例式教學的模式。每個案例從引導學生分析需求開始，啟發學生思考，再抽象出合理的數據結構，最終編程實現要求，從而加深學生的理解，培養正確的思維方式，提高其知識利用能力。具體的語法在案例講解中自然引入，學生對語法更完整的掌握過程，是在實踐過程中為解決問題而查閱教材、自然學習的過程。

與課堂實例授課方式相對應，在課后，我們要求學生將實踐而非做題作為學習的主導，鼓勵學生解放自己的思維，培養創新精神和實踐能力。實踐題目以貼近實際為主，不規定細節，注重創新性。

實踐證明，采用案例的形式進行講解分析，學生的分析問題和解決問題的能力有很大提高。在期末的課程設計中，與之前采用常規教學方式的學生相比，新的教學模式培養出的學生，能很自然的對課題做出需求描述并設計好數據結構，再編程實現。

同時，與常規的教學方式相比，案例式的教學能較好的調動學生的積極性、激發學習興趣，使課堂的氣氛明顯活躍。課后以實踐為主導的學習模式也進一步延伸了學習興趣，鞏固了教學效果。

2）更新教學組織形式，采用協作式學習模式。

協作式學習是通過小組或團隊的形式組織學生進行學習的一種策略。組內成員共同學習、討論和解決問題，以達到教學的目標。該模式的好處在于個人可以將其在學習過程中探索、發現的信息、資料和心得等與小組中的其他成員共享，甚至可以同其他組或全班同學共享。教師負責控制學習的組織和進展，以保證學習目標的實現效率和協作學習的效果。

在ACM競賽的賽制中，參賽者需以團隊的形式參賽。每隊由3名隊員組成。他們要在規定的時間內共同解決7～10個問題。我們將這種形式引入到C++程序設計教學的改革探索中，并根據教學的實際情況，做了相應改進。為了討論方便，小組主要按照寢室劃分，每組3～4人。上機實踐和課后競賽均以小組為單位的形式進行，促進個人獨立學習、小組共同研究和班級集體討論的有機結合，形成組內合作、組間弱競爭的關系，實現學生與教師、學生與學生之間的互動。

組內成員共同對問題進行分析和討論。但對于個體，各成員均承擔一定的任務職責，如分別負責一部分的C++編程實現。個體的努力程度會直接影響到小組的成績，從而激發了個體的責任心，有效地克服了個別學生的畏難和偷懶情緒。對于小組，結果是由組內各位成員共同實現的，最終的成績以小組為單位給出，因此學生的團隊合作精神得以提倡。而組內面對面的相互式促進也使得每個人的學習收益最大化。組與組之間，以班級的形式共同討論，互相點評程序質量、思路好壞，從而達到激發競爭力、相互學習的效果。

3）結合ACM競賽，培養主動式學習模式，激發興趣，建立競爭機制。

主動式學習模式是指在主體意識的指導下，通過行動實現預期的學習目標。該模式強調學生自主學習、主動學習。

在主動式學習模式下，教師的作用是著重于發揮學生主體地位的作用，調動學生的主觀能動性、激發學生的興趣，將學生以往的填鴨式學習和被動學習，轉化為興趣式驅動學習和主動學習。它可以幫助學生學會學習的策略，并能讓學生靈活地、有創造性地運用此策略，實現從“學會”到“會學”的轉變。

愛因斯坦說過：“興趣是最好的老師”。人一旦對某事物有了興趣，就會主動地探索和實踐，并在此過程中產生愉快的情緒和體驗。因此主動式學習模式的關鍵在于激發學生的興趣。ACM競賽設計了完善的競爭機制，并采用Online Judge系統來進行評定。該系統對用戶提交的程序在運行時間、內存使用和安全等方面有著嚴格的限制，最終給出通過、答案錯誤、超時、超過輸出限制、超內存、運行時錯誤、格式錯誤或無法編譯等各種狀態，并能返回程序使用的內存、運行時間等信息，從而能較好地評判出程序的質量。

我們將該系統引入到實驗教學中，通過此系統來評判學生編程的質量，并設計了各種競爭和激勵機制，如：綜合排名、日冠軍、周冠軍等，給學習帶來了更多樂趣和挑戰，并將其與成績、各種計算機類競賽的參賽資格等掛鉤，激發學生的競爭意識，調動其學習欲望和主動性，從而形成你爭我趕的良性互動局面。

4）改變課程的考核和評價機制。

以往的考核方法是單一的，通常是期末試卷或者大作業的形式。試卷將學生的學習目標定位于做題，易導致高分低能，考核的重點也容易陷入對編程細節的考查而非整體思路的把握。大作業要求學生提交C++程序和報告，由教師按照一定的評判標準根據代碼或書面報告給出成績，評判標準有局限性，學生也難以展示創新思想和觀點，容易雷同。另外考核多集中于期末，導致平時學生的重視程度不夠。

在新的教學模式中，考核方式采用多次的形式，按照每3周一個周期，一個學期共組織5次小組競賽，進行打分和排名，并綜合每次的成績作為課程的最終成績。每次競賽針對本周期正在講授的知識點和之前的知識點，并具有一定的超前性，以促使學生主動學習。分周期進行多次競賽可以綜合地考核學生的水平，避免了因某次發揮失常而導致的成績異常，又避免了大學中經常見到的平時不努力，考前突擊死記硬背的現象。

每次考核結合ACM競賽所采用的Online Judge系統，將所學知識點與實際應用結合放到在線系統上，并由系統給出得分作為本次成績的一部分；另一部分成績由演講報告獲得：以小組為單位闡述解決問題思路、演示C++程序并運行結果。該部分成績由全班和教師共同評判、討論決定，以激發學生的表現力和創造力。由2部分成績組成的考核設計既兼顧了程序質量的考核，又可以讓學生的創新能力和思路得以充分的展示。

3 與傳統教學模式的對比

基于ACM理念的教學模式與傳統教學模式如表1所示，主要改進如下：教學目標從只關注編程能力擴展到對編程能力、分析問題能力、查找資料能和算法設計能力的培養；教學重點由側重對語法和規則的掌握轉移到側重對編程思路的掌握；改變以授課為主、實踐為輔的教學方式到以實踐為主、課堂實例講解為引導的方式；更新組織形式為協作學習、集體討論；根據新的教學模式的特點，以Online Judge在線判題系統為輔助，多次考核、綜合評判成績。

4 結語

從我們對近兩屆學生的實施情況來看，多數同學學習模式從被動變為主動，以往生搬硬套例題程序、網上查找代碼的現象大大減少，取而代之的是主動查找資料、研究算法、互相討論并親自編程實現。實踐證明該教學模式是合理有效的，能夠更好地激發了學生的學習興趣，更能滿足人才培養的要求。

今后我們將進一步緊密結合ACM競賽的理念，在日常教學中不斷創新改革，以期達到更好的教學效果。

參考文獻：

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[5]王淑萍，淺談數學“探究式教學”新思路[J]，基礎教育論壇，2012（3）：53-54。

（見習編輯：劉麗麗）