《程序設計基礎》國家級“十二五”規(guī)劃教材建設經驗談

摘要：以《程序設計基礎》“十二五”國家級規(guī)劃教材建設為背景，詳細介紹教材建設的指導思想、發(fā)展歷史、特色和內容，指出以“授之以漁”和案例驅動模式組織教材是一種有效培養(yǎng)計算思維的方法。關鍵詞：高級語言程序設計；程序設計基礎；計算思維；授之以漁；教材建設

文章編號：1672-5913（2013）18-0122-06

中圖分類號：G642

0 引言

目前，計算機已經滲透到各個領域，甚至普及多數家庭，它像電視、冰箱一樣，已成為家用電器之一。社會需求的變化，使現在計算機專業(yè)的含義從以前的“研究計算機本身”轉變?yōu)椤坝嬎銠C應用”，甚至是“應用計算機”。尤其近幾年計算思維概念被提出后，很快得到廣泛的關注和認可，其中程序設計課程培養(yǎng)學生計算思維能力的思想已被廣泛接受。

在“著重培養(yǎng)學生計算思維能力”和“面向應用”的大背景下，程序設計課程不應再去講授程序設計語言本身了，而應講授程序設計語言的應用，應將授課重點從講授語言的符號、語句等語言成分上，轉移到講授程序設計上。教學目的是教會學生“怎么編程序”，而不是背幾個語言符號、說明、語句等，應把該課程的名字從“×××語言”改為高級語言程序設計、程序設計基礎或程序設計。

在“面向應用”的背景下，我們出版了《程序設計基礎》，該教材被評為“十一五”國家級規(guī)劃教材。為了反映計算思維思想和近年來的教學改革成果，我們對該教材進行了修訂并將其作為“十二五”國家級規(guī)劃教材由高等教育出版社出版。第2版《程序設計基礎》教材保持了第1版的特色，更加明確了培養(yǎng)學生計算思維能力、以程序設計為主線和“授之以漁”的宗旨，進一步提升了以計算思維為主導的程序設計教學思想。

1 教材建設

《程序設計基礎》教材的歷史淵源深遠，繼承了20世紀60年代以金成植、金淳兆教授為代表的多位前輩的心血，吸納了多部優(yōu)秀教材的精髓，同時，結合了筆者30余年的教學經驗，凝練了多部教材成果。本教材建設經歷了4個階段。

1）初建階段，探索并形成完善的內容體系。

1962年吉林大學程序設計方向招收本科生，1970年以招收工農兵學員為標志，吉林大學恢復計算機教學，1972年恢復程序設計課程教學，1976年吉林大學計算機科學系成立。程序設計是這個階段首當其沖的課程。面對國內資料缺乏，無經驗借鑒的困難，本專業(yè)的前輩們對教學內容、教學方法進行了認真研究，逐步形成了完善的教學內容體系，并先后出版了兩本教材。

（1）1978年，《算法語言ALGOL 60入門》由科技出版社出版，是全國較早的程序設計語言教材。

（2）1982年，教育部六五全國統(tǒng)編教材《程序設計語言》由高等教育出版社出版。

2）緊跟改革開放步伐，銳意教學內容改革。

20世紀80—90年代，隨著我國改革開發(fā)的進程和西方先進技術的引進，程序設計教學也在不斷改革，這個階段使用的程序設計語言經歷了從ALGOL 60到BASIC，到FORTRAN，再到PASCAL，最后到C的過程。在該過程中，我們緊跟國內外發(fā)展趨勢及時調整授課內容，陸續(xù)出版3部教材。

（1）1987年，《FORTRAN 77程序設計語言》由吉林大學出版社出版。

（2）1990年，《PASCAL語言程序設計》由吉林科學技術出版社出版。

（3）1998年，《PASCAL程序設計》由吉林大學出版社出版。

3）適應高等教育形勢發(fā)展，積極進行程序設計教學理念研究、改革與實踐。

隨著進入21世紀國內教學改革的進程，我們總結了20世紀末以來的社會發(fā)展，認識到計算機已經滲透到社會各個領域，計算機教育已經不是20年前的計算機教育了。與以往相比，現在絕大部分計算機專業(yè)人員主要在做計算機應用，而不是研究計算機本身。在這種形勢下，高級語言程序設計不應該再去講程序設計語言本身，而應該講程序設計語言的應用。授課的重點應該是教會學生怎么編程序，而不是背那些語言符號、說明、語句等。按這種思想，逐漸形成了以程序設計為主線的教學指導思想，并先后出版了6部教材。

（1）2001年，《PASCAL語言程序設計》由電子工業(yè)出版社出版。該書由全國高等學校計算機教育研究會和中國計算機學會教育專業(yè)委員會推薦出版，是21世紀高等學校計算機學科系列教材中的一本。

（2）2004年，《C程序設計》由高等教育出版社出版。該書以C語言為載體，以程序設計為主線，介紹程序設計技術，摒棄了當時流行的以解釋程序設計語言為主的做法，把講授重點放在程序設計方法上，注重對學生進行程序設計方法及算法的訓練。

（3）2005年，《Pentium匯編語言程序設計》由高等教育出版社出版。該書是教育部面向21世紀教材、“九五”國家級規(guī)劃教材。

（4）2008年，“十一五”國家級規(guī)劃教材《程序設計基礎》由高等教育出版社出版。該書進一步明確了“以程序設計為主線”的指導思想。

（5）2008年，《程序設計基礎習題集》由清華大學出版社出版。該書貫徹主教材以程序設計為主線的指導思想，所選習題全部為程序設計習題，不依賴于任何“程序設計語言”。

（6）2009年，“十一五”國家級規(guī)劃教材《大學計算機程序設計基礎》由清華大學出版社出版。

4）跟蹤國內外新教學思想發(fā)展，進一步進行程序設計教學理念改革與實踐。

進入“十二五”以來，計算機學科教學思想進一步得到提升，計算思維思想被提出并得到廣泛重視。在由李國杰院士任組長的中國科學院信息領域戰(zhàn)略研究組撰寫的《中國至2050年信息科技發(fā)展路線圖》中指出：計算思維的培育是克服“狹隘工具論”的有效途徑，是解決其他信息科技難題的基礎。

人類思維可以總結為3個部分：①以觀察和總結自然規(guī)律為特征的實證思維——以物理學科為代表；②以推理和演繹為特征的推理思維——以數學學科為代表；③以設計和構造為特征的計算思維——以計算機學科為代表。其中計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統(tǒng)設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。計算思維體現了計算機學科的基本特征和方法。

在這種形勢下，我們對高級語言程序設計課程的教學思想、理念、內容、方法、過程進行進一步的研究、探討和改革，并取得豐碩成果。

（1）2011年，“十一五”國家級規(guī)劃教材《程序設計基礎》被評為2011年度國家級精品教材。

（2）2012年，《程序設計基礎》被選為“十二五”國家級規(guī)劃教材。

（3）2013年，“十二五”國家級規(guī)劃教材，以計算思維為主導思想和理念的《程序設計基礎》（第2版）由高等教育出版社出版。

2 教材特色

計算思維同“讀、寫、算”一樣，應是人人都具備的能力。《程序設計基礎》（第2版）秉承這一理念，形成鮮明特色。

（1）以培養(yǎng)計算思維能力主導：計算機的出現和使用已經深刻地影響了人類的思維方式和思維習慣。本教材的目的是教會讀者怎樣編寫程序，學會怎樣以“計算”的方式去思考和解決問題，怎么“像”計算機科學家那樣思維，徹底地改變“學了程序設計而不會編程序”的現狀，提高讀者的程序設計能力和計算思維能力。

（2）以“授之以漁”為宗旨，而非“授之以魚”：針對程序設計的每個知識模塊都采取圖1所示的模式組織教學內容，目的是教會學生怎么編寫程序，而不是讓學生去背幾個語法符號、規(guī)則。

（3）以程序設計為主線：按程序設計的思路組織全書內容，真正地講授程序設計，而非語言，把重點放在講述程序設計方法上，注重對學生進行程序設計方法、算法和計算思維的訓練，摒棄了前一階段各種程序設計教材中流行的主要“解釋程序設計語言”的做法，將C語言只作為講授程序設計的載體工具。

（4）以案例為驅動，突出實踐：選取大量案例，以案例為驅動，徹底改變單純解釋語法、語義等語言成分的做法；改變提出語言概念并解釋，然后以小程序說明相應概念的做法；讓程序設計始終貫穿于整個教學過程。書中案例多選擇與實際應用相關的、實用的題目。案例的目的不是解釋語言概念，而是講述程序設計方法、構造算法，以訓練學生的實際編程能力、計算思維能力為目標。

（5）重點突出：根據講述程序設計方法的需要，對C語言本身采取“有所取、有所不取”的策略。對于那些常用的語言成分，直接與講述程序設計方法有關的語言成分，將其穿插在程序設計過程中詳細準確的介紹；對于那些與程序設計方法聯系不太緊要，但是還常用的部分，放在最后簡單介紹；而對于那些與講述程序設計方法關系不太大，也不常用的部分則根本不涉及。

（6）分散難點：注意由淺入深地介紹程序設計知識，把難點化解和分散到各個章節(jié)中去。例如，函數和指針是程序設計的難點，我們將概念逐漸化解和分散到不同的章節(jié)和學時里，便于學生消化理解并各個擊破。

函數的概念分4章逐步介紹：①第5章函數人門，簡單引進函數概念，讓學生會使用函數編程序；②第9章再論函數，介紹有關函數的進一步知識，包括函數參數、函數值、作用域等；③第10章遞歸程序設計，進一步介紹遞歸及其程序設計思想；④第14章介紹有關函數的較深入的知識，包括函數指針、函數作參數、函數副作用等。

有關指針內容是程序設計的最難點，本教材把指針知識分散到各個章節(jié)去。在第2章先引進變量地址的概念，指出變量地址就是變量指針，并指出變量指針與變量值的區(qū)別，讓學生對指針有個初始印象；第7章先介紹指針這種特殊的數據類型，引進指針概念，講述指針與數組的關系；在以后各個章節(jié)分別介紹結構指針（第8章）、返回指針的函數（第9章）、文件指針（第11章）、命令行參數（第11章）、用指針實現動態(tài)數據結構（第13章），最后在第14章進一步講述指針與數組的關系，介紹行指針，并對指針進行總結。

3 教材內容

3.1 內容結構

《程序設計基礎》（第2版）教材以C語言為載體講述程序設計，且為突出“程序設計”主題，對C語言做了一定的取舍，目的是使學生盡快掌握并熟練編寫程序，而不受具體語言語法的限制。全書共14章，可分為基本知識、程序設計、數據組織3個部分。基本知識部分主要介紹高級程序語言的基本概念、C的基本語法單位；程序設計部分包括函數、流程控制、遞歸等結構化程序設計開發(fā)方法；數據組織部分包括數組、指針、文件、結構體等數據存儲形式，以及棧、隊列、鏈表、樹等數據組織形式。教材知識模塊章節(jié)分布如圖2所示。

3.2 “授之以漁”的內容組織模式

該教材在編寫過程中始終以“授之以漁、案例驅動”的模式組織教學內容，強調實踐。

（1）以現實生活中的問題為案例。首先提出問題，然后分析問題，得到方法，再編碼。在整個解決問題過程中，強調分析和解決問題的過程，淡化語言成分的影響。通過簡單的有實際意義的問題分析程序、編寫程序，拉近學生與程序間的距離，讓學生直觀地看到程序開發(fā)過程。這樣做使教學從抽象變成自然，有效培養(yǎng)學生的邏輯思維能力，大大提高學生的學習積極性，使學生對程序設計產生興趣，對本課程產生吸引力，并取得良好的教學效果。

全書開篇第1章第1節(jié)，從大家熟知的雞兔同籠問題開始。“今有雞、兔同籠，上有35頭，下有94足，問雞兔各幾何？”，按照如下步驟講解題目并給出程序設計相關概念。第1步，解決該問題應把問題數學化，列出二元一次方程；第2步，解該方程組，選擇消元法；第3步，使用消元法解上述二元一次方程組；第4步，分析計算步驟，給出實際計算過程。針對第4步的計算步驟，指出“這就是程序”，接著指出第1到第4步的“分析過程就是程序設計”，并給出“算法”等概念。

（2）由淺入深、分散難點。像前面指出的，函數是程序設計教學的一個難點，程序設計中的函數雖與數學中函數的概念類似，卻有很大的不同。這不僅體現在函數本身的形式定義上，而且在其使用方面也有很多區(qū)別。本書將函數相關知識點分散至4章進行講解。

在介紹基本語言成分之后，首先第5章引人函數的基本概念，突出函數在模塊化程序設計的作用。接著在學完數組、指針、結構體和共用體，有了一定的編程序經驗之后，在第9章重新回顧函數，解釋函數中參數傳遞和返回值等較難的內容，引出作用域、生存周期、全局和局部變量等概念。然后在第10章遞歸程序設計，進一步介紹遞歸函數及其程序設計思想。最后在第14章介紹有關函數的較深入的知識，包括函數指針、函數作參數、函數作用等。

這樣避免了將過多知識點集中在一章，使讀者學起來枯燥乏味，接受困難。而且學生通過中間對數組、指針、結構體和共用體、文件、程序開發(fā)等章節(jié)的學習，積累了程序設計經驗，帶著問題來學習，大大提高了學習的效果。

（3）不避難點，一題多解。“遞歸程序設計”乃至“遞歸思維方式”歷來是程序設計的難點，許多教材采取淡化的方式去處理，有的甚至回避。本教材從訓練學生實際編程能力出發(fā)，用一章的篇幅強化“遞歸程序設計”的訓練。

在第10章開篇以讀者熟知的“計算n！”為案例，首先給出循環(huán)迭代程序，然后引導學生換個角度考慮問題，指出n！不僅是1×2×3×…×n還可以定義成：

從而給出遞歸程序，介紹有關遞歸程序的知識，指出保證這個遞歸程序正確的條件，并給出幾個遞歸程序的例子，包括“計算n次勒讓德多項式”“漢諾塔游戲”等程序。然后介紹遞歸程序設計的思想，它體現在：用逐步求精原則，首先把一個問題分解成若干子問題，這些子問題中有問題的與原始問題具有相同的特征屬性，至多不過是某些參數不同，規(guī)模比原來小了。此時，就可以對這些子問題實施與原始問題同樣的分析算法，直到規(guī)模小到問題容易解決或已經解決為止。也就是說，若將整個問題的算法設計成一個函數，則解決這個子問題的算法就表現為對相應函數的遞歸調用，從而引進遞歸程序設計。

接著在教材的10.2節(jié)以“計算算術表達式值”為案例，講述間接遞歸程序設計。最后在10.3節(jié)仍以“計算算術表達式值”為背景，講述遞歸程序的執(zhí)行過程，這是任何教材都沒有的內容。本教材為了加深讀者對遞歸程序的理解，特別加寫了這一節(jié)。本節(jié)首先介紹保證遞歸程序執(zhí)行正確的語言系統(tǒng)在執(zhí)行函數調用時的調用過程；然后給出一個實例；最后模擬執(zhí)行這個實例程序，給出程序執(zhí)行過程中計算機內存的動態(tài)分配、釋放過程（棧的變化），從實例中讓學生理解遞歸思想。

4 建設成果

經過長期建設，該教材取得豐碩成果。2007年被選為“普通高等教育‘十一五’國家級規(guī)劃教材”，2011年被教育部評為“普通高等教育國家級精品教材”，2012年被選為“普通高等教育‘十二五’國家級規(guī)劃教材”；以該教材為主教材的吉林大學的高級語言程序設計課程于2009年被評為國家級精品課程，所在教學團隊于2010年被評為吉林省優(yōu)秀教學團隊。

5 結語

程序設計在計算機專業(yè)本科教學中占有重要地位。作為計算機專業(yè)的第一門程序設計課程，程序設計基礎不僅要使學生知道什么是程序設計語言，即能讀懂語言的符號和規(guī)則，而且還要能夠掌握程序設計思想，學會怎樣編程，而不拘泥于語言細節(jié)；能像計算機科學家那樣的思維去思考問題，培養(yǎng)學生的計算思維能力。為達到此目標，程序設計教學指導思想上要摒棄過去那種以“解釋程序設計語言”為主的做法，細致講解問題求解過程、強調思考過程，而非解釋語言；在教學手段和方法上要增加學生自己獨立思考和動手的機會；加大上機實踐在正常教學中的比例；同時配以大量的實際應用案例，強化計算思維的訓練。

參考文獻：

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（見習編輯：劉麗麗）