淺談C++程序設計語言教學與專業應用的結合

羅 晨

（東南大學 機械工程學院，江蘇 南京 210096）

淺談C++程序設計語言教學與專業應用的結合

羅 晨

（東南大學 機械工程學院，江蘇 南京 210096）

目前，高校學生大都只是孤立的知道C++語法，而程序設計能力不強，對課程興趣度也不高。鑒于此，筆者提出了將C++程序語言教學與工科非電類專業相結合，讓學生在了解專業的同時，也增添對編程的興趣。

C++；程序設計語言；專業應用

一、前言

1.C++程序設計語言的發展和優點。計算機程序語言是不斷演變的。C++語言是由貝爾實驗室Bjarne Stroustrup博士及其同事開發的，他們在C語言的基礎上逐步發展C++并將其完善。C語言是一種實用性很強的語言，它具有語言簡介、靈活方便、可移植性好等優點。C++語言不僅繼承了C語言的這些優點，還克服C語言自身的缺點，在其功能上做了本質性的革新，即面向對象的機制，有助于程序員開發軟件的高效性和靈活性。目前C++程序設計語言已在眾多領域得到廣泛應用，從而成為高校很多專業（尤其是工科專業）的一門重要基礎課程。

2.C++程序語言的教學現狀。C++程序設計語言在給軟件開發帶來效率和增加代碼靈活性的同時，也增加了學習的難度。Scott Meyers指出C++是一個難學易用的語言，它的難學不僅表現在廣博的語法、語法背后的語義、語義背后的深層思維，以及深層思維背后的對象模型；還在于它提供了四種不同而又相輔相成的編程范型：基于過程（procedual-based）、基于對象（object-based）、面向對象（object-oriental）和泛型（generics）[1]。目前，大多數高校的教學方式仍然是以講授語法概念為主，學生們只是孤立的知道語法，而C++程序設計的能力不足，出現“高分低能”的現象，即使考試成績很高的學生，對語法很清楚，但是讓他們設計簡單算法，例如，工科專業處理數據時經常用到的擬合算法，會出現無從下手的局面。這種教學方式導致了學生對程序語言語法十分熟練，而程序設計能力很弱的現狀。為了改善這種現狀，一些高校提出了項目或任務驅動式或是以案例為主的教學方式，這種教學方式是讓學生在一個個典型的編程“項目”的驅動下展開教學活動，讓學生通過自主學習和相互合作，完成教師布置的任務，建構真正屬于自己的知識與技能[2]。C++是一門實踐性很強、極富創造性特點的課程，項目驅動方式，確實能夠更好的將教學重點從老師單純地教語法知識點，到學生主動地參與到編程和學的過程中。但是目前的項目驅動方式仍存有問題，例如，項目的題目學生不感興趣，學生認為一些項目和他們的關系不大，甚至認為C++的學習對專業應用沒有用，從而導致有些組完成的項目不理想。

鑒于此，本文提出將C++程序設計語言的教學與專業應用相結合，讓學生充分認識到C++程序設計語言是解決專業問題的一種重要工具。

二、C++程序設計語言與專業知識的關系

C++程序設計語言與專業知識是密切相關的，它為后續相關課程的學習提供了基礎，為解決專業問題提供了一種有效的工具，同時專業常識可以輔助學生在C++語言學習中加深對概念的理解。

1.C++程序設計語言為解決專業問題提供了一種工具。C++程序設計語言工具的作用主要表現在它能解決一些專業問題，例如，機械工程專業和自動化專業的單片機設計課程，單片機功能的實現離不開編程，while、for循環語句及不帶參數函數十分常用；或是金融專業中投資組合優化，為了得到最優的投資方式，根據數據得到投資組合模型，采用C++編寫投資組合模型，從而通過計算機分析出最優的投資方式；或是化學專業中，為了分析兩種分子結構的相似度，從而尋找最大公共子圖。眾所周知，最大公共子圖問題是NP完全問題，靠人力分析太慢，可以應用C++編程，讓計算機代替求解；或是醫學專業中，研究新藥的開發，分析新藥在小白鼠上的反應得到的數據需要分析，分析過程中設計到擬合算法和精度分析等，用C++編程會大大簡化實驗員的工作量。盡管C++程序設計語言對于專業的學習十分重要，但是專業課老師反映多數學生對于C++程序設計語言的掌握不牢固，即使當時得分很高的學生，也不能順利而高效地設計出算法。原因之一是學生學習計算機語言的時候只是專注于語法的學習，而不專注于程序語法背后的語義、以及語義背后的深層思維、深層思維背后的對象模型的學習，而且計算機程序語言的教學脫離了應用，不能讓學生真正體會到計算機編程語言是一種工具。

2.專業常識輔助C++程序設計語言中抽象概念的理解。C++程序設計語言中的一些概念是比較抽象的，例如類的概念，學生剛開始學習的時候不能很好地掌握類的概念，也不能明確地區別類和對象，而專業常識可以輔助抽象概念的理解。例如，機械專業中螺母可以看成一個類，這個類有規格、牙距、最大外徑、高度等屬性。有一個規格是2.5，牙距0.45mm，最大外徑6.4mm，高度2mm的六角螺母，這個螺母就對應于對象，從而向學生們解釋了類和對象是抽象和具體的關系，同時機械專業的學生也知道了螺母的屬性有哪些。

因此，專業知識和C++程序設計語言是相輔相成的，可以將這兩者結合起來，從而達到讓學生們增加對C++程序設計語言的興趣，同時也對專業知識有所了解，深刻理解C++程序設計語言對于專業學習是一個重要工具。

三、C++程序語言與專業知識的結合

既然專業知識和C++語言之間相輔相成，在教學活動中應將兩者結合，從而使學生對C++學習提高興趣，同時也了解了專業知識。兩者之間的結合點主要表現在教學過程中概念的講解和項目的選取。

1.概念的講解。C++的概念相對于C比較多，為了讓學生能更好地掌握這些概念，可以結合具體事例，尤其是專業相關的實例。例如：類的繼承性是面向對象編程的一個重要性質，在講解繼承性的時候，可以結合專業背景知識來說明繼承性的好處；機械專業中，零件的設計過程中設計新零件是基于舊的零件的基礎上改進，可以看成新零件繼承了舊零件的特征，而添加了一些新特征，從而省去了大量重復的工作，C++的繼承性同樣具有這種優點。C++的繼承性是指在一個基類上定義了一個派生類，派生類繼承了基類所有屬性和操作，同時增加了其他新的屬性和操作，這些新屬性和操作是基類不具備的。這樣就可將專業常識和類的繼承性結合起來，有助于C++概念的理解。

2.與專業背景有關的項目。項目驅動教學方式使得學生主動地參與到編程的學習過程中，但是項目的選取十分重要，如果應用背景學生不了解，使其對于項目的完成形成一定的障礙，因此項目的選取與專業應用相結合有助于學生了解項目的要求，提升對項目的興趣。目前，很多高校采用擬合算法的實現作為一個典型項目，但是單純地講擬合算法，沒有專業應用背景，學生覺得很枯燥，可以將擬合算法和專業背景結合起來，比如面向機械專業的學生，可以以逆向工程為例。教師在介紹項目的時候可以簡單介紹一下逆向工程的技術背景。逆向工程是一種能根據現有的物理部件通過CAD、CAM、CAE或其他軟件構筑3D虛擬模型的方法。逆向工程的過程采用了通過丈量實際物體的尺寸并將其制作成3D模型的方法，真實的對象可以通過如CMMs、激光掃描儀、結構光源轉換儀或者X射線斷層成像這些3D掃描技術進行尺寸測量。這些測量數據通常被認作是點集，缺乏拓撲信息，并且通常會被制作成更有用的格式，例如多邊形網格、NURBS曲線或者CAD模型。由此，學生知道逆向工程的定義、內容和過程，而擬合算法是逆向工程中常用的一種方法。介紹項目時，將逆向工程的實際問題進行簡化，比如實現一個旋轉面的三維數據點，并重構出這個旋轉面，并給出旋轉面的母線和旋轉軸。面向醫學專業學生，可以以實驗數據分析為例，例如放射后細胞存活的實驗，教師先介紹一些放射治療的背景、效用和副作用等，并指出細胞存活實驗的重要性。介紹細胞存活實驗的實驗，通過實驗得到一組數據，并通過C++程序設計語言，得到放射后細胞存活量的變化曲線圖。由上面可知，同樣一個算法，在不同的專業中應用是不一樣的，如果在說明擬合算法時，向機械專業學生介紹放射后細胞存活的實驗，或是向醫學專業的學生介紹逆向工程，他們更加難理解項目，項目的完成效果也不佳，因此項目的選取應與專業應用結合。

四、結論

將計算機程序語言的教學與專業相結合，讓學生了解自己的專業是什么，計算機程序語言能解決什么樣的專業問題。計算機編程語言一般是大一、二的基礎課，很多新生都不了解自己的專業究竟做什么，因此，這種結合更有助于學生盡早了解自己的專業，也有助于他們將C++程序設計語言應用于專業的學習和實際問題解決中。

[1]侯捷.改善程序與設計的55個具體的做法[M].北京：電子工業出版社，2007.

[2]陳幗鸞.“項目驅動”教學法在C++教學中的應用[J].科技教育創新，2009，（7）.

G642.0

A

1674-9324（2014）30-0239-02

東南大學機械工程學院教學改革項目JG2013-003。

羅晨（1980-），女，江蘇揚州人，博士，講師，研究方向：先進制造技術。