基于能力培養(yǎng)的程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)

諶衛(wèi)軍

摘要：提出一種基于能力培養(yǎng)的程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)方法，將程序設(shè)計(jì)過程分為3個步驟：問題分析、算法設(shè)計(jì)和編碼。針對問題分析提出案例教學(xué)方法，以案例的形式闡釋問題分析的過程和技能；針對算法設(shè)計(jì)提出編程模式的概念，這是自頂向下設(shè)計(jì)技術(shù)的一種具體實(shí)現(xiàn)；針對編碼設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個功能強(qiáng)大的在線訓(xùn)練系統(tǒng)，為全面提高學(xué)生的動手實(shí)踐能力提供技術(shù)上的保證。

關(guān)鍵詞：程序設(shè)計(jì)；案例教學(xué)；編程模式；在線訓(xùn)練系統(tǒng)

0 引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。熟練掌握一門計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)不僅僅是計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的基本要求，而是所有大學(xué)生尤其是理工科學(xué)生需要掌握的一種技能。在多年的教學(xué)實(shí)踐中，筆者深刻地體會到程序設(shè)計(jì)類課程與傳統(tǒng)課程有很大區(qū)別，而現(xiàn)有的一些教學(xué)方法和教學(xué)理念也存在某種誤區(qū)。

首先，大部分選修程序設(shè)計(jì)課程的學(xué)生都是大一新生，以前從未接觸過編程，因此不太了解程序設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，不知道如何學(xué)，可能還是沿用中學(xué)時(shí)代的學(xué)習(xí)方法，容易走彎路。筆者在每個學(xué)期的第一堂課都會進(jìn)行一項(xiàng)調(diào)查，將班上所有學(xué)生按照編程基礎(chǔ)分類，從調(diào)查結(jié)果看，大部分學(xué)生在選修該課程之前沒有任何編程基礎(chǔ)，不知道應(yīng)該怎么學(xué)。事實(shí)上，從歷屆學(xué)生平時(shí)的提問也可以看出，他們經(jīng)常問的問題是標(biāo)識符的意義、運(yùn)算符的功能、for語句中的表達(dá)式能否使用嵌套的表達(dá)式等。學(xué)生主要將注意力放在了編程語言的語法細(xì)節(jié)上，以為每一個知識點(diǎn)都非常重要，而在實(shí)際的編程過程中，這種語法細(xì)節(jié)沒有太大意義。

其次，在講授程序設(shè)計(jì)類課程時(shí)，一些教師的教學(xué)理念和教學(xué)方法也存在誤區(qū)。一般來說，程序設(shè)計(jì)類課程主要講授兩個方面的內(nèi)容：編程語言的語法知識和實(shí)際的編程技能。其中，編程技能最重要，學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)課程的最終目的就是在碰到一個實(shí)際的編程問題時(shí)，能夠設(shè)計(jì)出相應(yīng)算法并編寫出正確代碼，最終解決這個問題。然而，在實(shí)際教學(xué)過程中，一個常見的現(xiàn)象就是教師把教學(xué)重點(diǎn)放在了編程語言的語法知識上。在課堂上，教師會詳細(xì)講授每一個語法細(xì)節(jié)，然后用一些小例子演示語法的使用方法；在平時(shí)練習(xí)和期末考試中也采用傳統(tǒng)的考核方式，用選擇題、填空題和問答題等題型考查學(xué)生對語法知識點(diǎn)的掌握情況。

總之，對于程序設(shè)計(jì)類課程，由于各個環(huán)節(jié)都可能存在一些不足，容易導(dǎo)致學(xué)生陷入眼高手低、紙上談兵的誤區(qū)。事實(shí)上，在教學(xué)過程中，筆者最常碰到的問題就是學(xué)生對C語言的語法非常熟悉，然而一旦要編程解決一個實(shí)際問題就無能為力。

1 相關(guān)工作

國外一些研究表明，在學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)時(shí)最重要的技能是問題分析和求解，這是一種思維層面的、抽象的技能，也恰恰是學(xué)生所欠缺的，而且這種技能不像具體的語法知識只要簡單地傳授即可，它需要培養(yǎng)和訓(xùn)練。文獻(xiàn)[1]指出很多學(xué)生尤其是大一新生最缺乏的就是問題分析與求解能力，而對于教師而言，講授語法知識比較簡單，因?yàn)檫@些知識都是固定的，是一條條的規(guī)則，但要想讓學(xué)生提高分析問題、解決問題的能力，難度就會大很多。文獻(xiàn)[2]指出在一門計(jì)算機(jī)課程中，學(xué)生的薄弱之處就在于問題分析和求解技能，因此課程的重點(diǎn)必須放在這種能力的提高上。文獻(xiàn)[3]通過采訪計(jì)算機(jī)科學(xué)系的5位教師，發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生都想當(dāng)然地認(rèn)為自己具有問題分析和求解能力，而不能發(fā)現(xiàn)自己在程序設(shè)計(jì)中的弱點(diǎn)。

那么如何提高學(xué)生的問題分析和求解技能呢？文獻(xiàn)[1]提出一種自頂向下的設(shè)計(jì)技術(shù)，基本思路是把待求解的問題用一組類似于英語的偽語言指令描述，然后一步步地優(yōu)化、細(xì)化該程序。文獻(xiàn)[4]中也指出在編程過程中，自頂向下的方法非常重要，應(yīng)該把一個大問題分解為若干個可以管理的小問題，分別求解每個小問題，然后將結(jié)果綜合在一起，從而得到原始問題的求解方案。

筆者認(rèn)為自頂向下的設(shè)計(jì)技術(shù)毫無疑問是一個非常實(shí)用、有效的方法，但問題在于如何具體實(shí)現(xiàn)。對于程序設(shè)計(jì)來說，最主要的是如何才能把一個復(fù)雜問題分解為若干子問題，然后將它們組合在一起。問題的分解本身就是一種技能，學(xué)生可能知道要分解，但并不知道該怎么分解。此外，對于分解后的子問題，有些學(xué)生可能還是不知道該如何解決。

在程序設(shè)計(jì)過程中，除了問題分析和求解技能外，還有一項(xiàng)重要技能就是代碼編寫。文獻(xiàn)[5]指出學(xué)生在編程時(shí)會把自然語言中的一些用法不恰當(dāng)?shù)伢w現(xiàn)在編程語言中，從而導(dǎo)致程序出現(xiàn)各種問題。文獻(xiàn)[6]指出編程的難點(diǎn)并不在于編程語言的語法，事實(shí)上，學(xué)生即使精通語法，也仍有可能無法寫出正確的代碼。為了提高學(xué)生的編程能力，主要的方法就是加強(qiáng)訓(xùn)練。

2 教學(xué)目標(biāo)和理念

基于多年的一線教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，筆者對程序設(shè)計(jì)課程進(jìn)行了教學(xué)改革，基本目標(biāo)是通過教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、訓(xùn)練方法和教材等多方面的改革，幫助學(xué)生在學(xué)完該課程后能夠切實(shí)提高編程技能，解決實(shí)際編程問題。換言之，不能把目標(biāo)局限在掌握低層次的簡單語法知識上，而是要瞄準(zhǔn)高層次的抽象思維方式以及如何提高學(xué)生的能力和素質(zhì)，這才是最重要的。

在教學(xué)理念上，要堅(jiān)持以學(xué)生為主體，采用啟發(fā)式教學(xué)，充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)造性，鼓勵他們自己寫出算法。事實(shí)上，程序設(shè)計(jì)類課程為學(xué)生提供了一個靈活、可自由發(fā)揮的平臺，這個平臺上沒有權(quán)威，也沒有標(biāo)準(zhǔn)答案，對于任何一個程序設(shè)計(jì)問題都存在著不同的解法，“條條道路通羅馬”。因此，學(xué)生可以充分發(fā)揮自己的想象力，運(yùn)用所掌握的基礎(chǔ)知識設(shè)計(jì)出各種與眾不同的解決方案，而這也正是創(chuàng)新能力的體現(xiàn)。

總之，筆者認(rèn)為上述教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)理念符合現(xiàn)代教育教學(xué)的客觀規(guī)律，符合高校的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

3 教學(xué)方法

基于多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)以及對程序設(shè)計(jì)課程的思考和理解，筆者提出一種基于能力培養(yǎng)的程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)方法。程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)框架如圖1所示，該框架源自筆者對程序設(shè)計(jì)過程的理解，即編程模型。

圖1中，計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)可以看成是把一個文字形式問題的描述轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的源代碼。整個過程可以分為3個步驟，即問題分析、算法設(shè)計(jì)和編碼編寫。由于每一個步驟涉及不同的技能，因此需要采用不同的教學(xué)方法。具體來說，在問題分析環(huán)節(jié)使用案例教學(xué)的方法；在算法設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)使用編程模式的概念；在編碼環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個在線訓(xùn)練系統(tǒng)。endprint

3.1 問題分析

問題分析是程序設(shè)計(jì)的第l步。一般來說，一個編程問題的描述就是一段自然語言句子，如果學(xué)生沒有受過良好的訓(xùn)練，就不知道如何分析問題，如何在這些句子中找到有用的信息。因此，問題分析能力是程序設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要技能，但是學(xué)生卻很難獲得這方面的幫助。一方面，大量的編程書籍主要是介紹編程語言的語法，很少有材料討論如何分析問題；另一方面，通常的程序設(shè)計(jì)課程也不講這些內(nèi)容，認(rèn)為這種分析問題的能力與生俱來。實(shí)際上，學(xué)生的最大問題并不是看不懂題目，而是不知道該做什么和如何做。

如何解決這個問題？基本思路是把問題分析方法也作為課程內(nèi)容的一部分，要有意識、有針對性地向?qū)W生講授這部分內(nèi)容。在具體實(shí)現(xiàn)上，筆者采用案例教學(xué)法，在課程講義中集成20多個編程案例，通過案例的形式向?qū)W生展示問題分析的技能。所謂案例并不是傳統(tǒng)意義上的一個個簡單的編程小例子，也并不是附屬于某個語法、為了闡釋某個語法的使用方法而引入的，案例必須經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，具有獨(dú)立、完整的內(nèi)容。引入案例的目的并不是為了解釋語法，而是為了向?qū)W生闡釋某一類編程問題的分析方法和解決方法。一般來說，一個案例需要具備以下4個特點(diǎn)：

（1）具有一定規(guī)模，同時(shí)考查多個知識點(diǎn)；

（2）具有完整的內(nèi)容，包括問題分析、算法設(shè)計(jì)、編碼測試、題后討論等多個環(huán)節(jié)；

（3）具有一定難度，富有挑戰(zhàn)性；

（4）生動有趣，能吸引人。

例如，筆者的課程講義中有一個案例是“猜數(shù)字游戲”，問題描述是“編寫一個程序，由電腦隨機(jī)產(chǎn)生一個數(shù)字不重復(fù)的四位數(shù)，由玩家猜，每猜一次，電腦將顯示形如*A*B的結(jié)果，其中A代表位置正確數(shù)字也正確，B代表數(shù)字正確但位置不正確，如2A2B，表示有兩個數(shù)字和位置都正確，兩個數(shù)字正確但位置不正確，總共有10次機(jī)會”。這個案例來源于真實(shí)的游戲，一些手機(jī)、PDA等終端設(shè)備上都有該游戲。該案例既具有趣味性，又有一定難度，富有挑戰(zhàn)性。

對于每一個案例，筆者不是簡單地列出源代碼，然后為學(xué)生解釋，而是著重于問題分析和解題的思路。以“猜數(shù)字游戲”為例，如何從編程的角度對其進(jìn)行問題分析呢？所謂問題分析，就是對問題描述進(jìn)行仔細(xì)研究，明白它的真正含義，然后抽取出需要解決的問題，將大問題分解為小問題，引導(dǎo)學(xué)生建立這樣的觀點(diǎn)：先不要想怎么做，而是先想清楚需要做什么？需要解決哪幾個問題？對于上述例子，經(jīng)過問題分析，實(shí)際上需要解決3個技術(shù)問題：

（1）如何隨機(jī)產(chǎn)生一個數(shù)字不重復(fù)的四位數(shù)？

（2）對于一個四位數(shù)，如何將它的每一位數(shù)字拆分出來？

（3）對于玩家猜測的一個四位數(shù)，如何計(jì)算相應(yīng)A和B的數(shù)量？

總之，對于每一個編程案例，筆者都會進(jìn)行問題分析，講清思路演變的過程，久而久之學(xué)生就慢慢地掌握了這項(xiàng)技能。

3.2 算法設(shè)計(jì)

經(jīng)過問題分析之后，學(xué)生就知道了需要做什么并會將大問題分解為幾個小問題，接下來就要進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，即如何解決這些問題。算法設(shè)計(jì)也是程序設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要技能，是解決問題的關(guān)鍵步驟，但是一方面，大部分學(xué)生以前沒有任何編程基礎(chǔ)，不懂算法設(shè)計(jì)；另一方面，在通常的程序設(shè)計(jì)課程中，學(xué)生又得不到這方面的訓(xùn)練。這樣導(dǎo)致的結(jié)果就是當(dāng)學(xué)生拿到一個題目以后，雖然能夠看懂，但是完全沒有思路，不知道如何下手。

為了解決這個問題，筆者提出編程模式的概念。這個概念來自于中國武術(shù)中的“套路”，即對于一名武術(shù)選手，他平時(shí)的工作就是學(xué)習(xí)和練習(xí)各種各樣的套路，然后在與其他選手進(jìn)行比賽時(shí)快速作出決定，在何種情形下應(yīng)該使用何種套路。這正是一個新程序員在面對新的編程問題時(shí)應(yīng)有的思路。因此，可以對一些常用的算法思路進(jìn)行歸納和抽象，得到編程模式。

編程模式具有如下3個特征：

（1）獨(dú)立性：編程模式獨(dú)立于具體的編程問題，它是一組相似問題的歸納和概括；

（2）可重用性：一個編程模式可以應(yīng)用在不同的編程問題中，可重用性是編程模式最重要的特征；

（3）抽象性：一個編程模式是一個算法的抽象，它的實(shí)現(xiàn)獨(dú)立于具體的編程語言，換言之，無論是C、Java還是其他編程語言都能使用。

典型編程模式的例子包括計(jì)算一組數(shù)據(jù)之和、尋找一組數(shù)據(jù)中的最大值或最小值、計(jì)算一組數(shù)據(jù)中每一項(xiàng)的出現(xiàn)頻率等。以“頻率計(jì)算”編程模式為例，它可能出現(xiàn)在不同的編程問題中。以下是一些例子。

（1）在一個電視選秀節(jié)目中，觀眾將通過手機(jī)投票的方式評選出十大歌手，請編寫一個程序，幫助組委會統(tǒng)計(jì)每一位歌手的得票數(shù)；

（2）編寫一個程序，統(tǒng)計(jì)在莎士比亞的所有作品中每一個英文單詞的出現(xiàn)次數(shù)；

（3）有一種文本加密方式是字母映射，即將一個英文字母映射為另一個英文字母，這樣原本有語意的句子就變成了一個雜亂無章的字符串，但這種加密方式可以通過統(tǒng)計(jì)字符出現(xiàn)的頻率破解，請編寫一個程序，統(tǒng)計(jì)在英文文本中26個字母的出現(xiàn)頻率。

以上這些編程問題表面上似乎各不相同，但實(shí)際上它們能夠使用相同的編程模式求解。有了編程模式以后，當(dāng)學(xué)生再碰到一個新的編程問題時(shí)，雖然從表面上看該問題是新的，以前沒有見過，也不會做，但是可以采用上述自頂向下的分析技術(shù)將它分解為若干子問題，而每個子問題可以用以前曾經(jīng)學(xué)過的某個編程模式解決，最后再將它們綜合在一起即可，這樣學(xué)生分析問題、解決問題的能力就得到了提高。

筆者提出的編程模式概念實(shí)際上是國內(nèi)外研究者提出的自頂向下設(shè)計(jì)技術(shù)的一種具體實(shí)現(xiàn)。通常的自頂向下技術(shù)只強(qiáng)調(diào)了要分解，但對于如何分解、分解到何種程度、分解以后的子問題如何解決等問題則沒有明確說明。筆者的改進(jìn)主要體現(xiàn)在兩個方面：一是使問題的分解更具有可操作性，分解的原則或目標(biāo)就是該子問題的大小合適，學(xué)生能夠解決；二是對于分解以后的子問題，學(xué)生能夠用以前學(xué)過的某個編程模式解決，這就提高了學(xué)生解決問題的能力。endprint

3.3 代碼編寫

在算法設(shè)計(jì)完成后，最后一個步驟就是編碼，即使用某種編程語言將該算法轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的源代碼。然而，對于毫無編程經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生來說，這并不是一件很容易的事情。事實(shí)上，即使學(xué)生已經(jīng)想到一個很好的算法，他也仍然有可能無法寫出正確的代碼，根本原因就是缺乏實(shí)踐以及足夠量的編碼訓(xùn)練。

為了解決這個問題，筆者所在的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個功能強(qiáng)大的在線訓(xùn)練系統(tǒng)，為全面提高學(xué)生的自學(xué)能力和動手實(shí)踐能力提供技術(shù)_上的保證。筆者始終認(rèn)為，對于程序設(shè)計(jì)類課程，學(xué)生必須在練中學(xué)、用中學(xué)。如果單靠學(xué)生自己摸索、嘗試，那么效率會很低。因此，有必要為學(xué)生提供一個良好的訓(xùn)練平臺，協(xié)助和促進(jìn)他們進(jìn)行實(shí)踐。該平臺以任務(wù)驅(qū)動的方式發(fā)布編程問題，學(xué)生只需登錄任何一臺聯(lián)網(wǎng)的電腦，就可以實(shí)現(xiàn)在線閱讀題目、編寫程序、編譯鏈接、運(yùn)行、調(diào)試、提交程序，然后系統(tǒng)會自動對學(xué)生提交的源代碼進(jìn)行驗(yàn)證并立即返回結(jié)果。由于這種反饋是實(shí)時(shí)的，因此學(xué)生可以在系統(tǒng)的幫助下一步步完善自己的程序，這樣就大大提高了學(xué)習(xí)效率，并且由于是在線訓(xùn)練系統(tǒng)，無需人工干預(yù)，因此學(xué)生可以在任何時(shí)候?qū)W習(xí)任意長的時(shí)間，這樣，只要學(xué)生愿意，就能夠得到足夠量的編碼訓(xùn)練。

在線訓(xùn)練系統(tǒng)除了編碼訓(xùn)練之外，還能讓教師將課程講義發(fā)布在網(wǎng)站上，學(xué)生可以下載或在線閱讀講義。此外，學(xué)生還能在網(wǎng)站上發(fā)表文章，討論問題；利用即時(shí)通信軟件相互交流。

4 實(shí)施效果

筆者的教學(xué)方法主要落實(shí)在兩門程序設(shè)計(jì)類課程上，一門是為軟件專業(yè)本科生開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課計(jì)算機(jī)語言與程序設(shè)計(jì)，另一門是給全校本科生開設(shè)的選修課計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。經(jīng)過近十年的教學(xué)實(shí)踐，筆者根據(jù)各方面的反饋情況，不斷進(jìn)行更新和完善，目前教學(xué)已進(jìn)入較為成熟和穩(wěn)定的階段，也取得了一些成果。

在專家評價(jià)方面，主講教師的教學(xué)理念得到專家認(rèn)可，曾經(jīng)多次獲得教學(xué)方面的獎項(xiàng)。在學(xué)生評價(jià)方面，學(xué)生一直對相關(guān)課程給予較高評價(jià)。我們在歷年的教學(xué)評估中均進(jìn)入了全校的前20%并多次進(jìn)入到全校的前5%。

5 結(jié)語

計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)是大學(xué)生尤其是理工科學(xué)生必須掌握的一項(xiàng)基本技能，如何講好該課程，如何切實(shí)提高學(xué)生的分析問題、解決問題的能力，是每一位任課教師需要認(rèn)真思考的問題。筆者提出的基于能力培養(yǎng)的程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)方法，就是在這個方面的一種嘗試。未來的工作包括進(jìn)一步完善案例教學(xué)和編程模式的概念，構(gòu)建案例庫，提出更多、更實(shí)用的編程模式，完善在線訓(xùn)練系統(tǒng)，引入更多的功能，如代碼相似度檢查、學(xué)生在線活動數(shù)據(jù)分析等。

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（編輯：宋文婷）endprint