論計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)實(shí)踐的漸進(jìn)式教學(xué)方法

洪宇

摘要：目前，全國(guó)范圍內(nèi)的教育改革已將高校本科生實(shí)踐能力的提升列為重要的發(fā)展目標(biāo)。本文將結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件領(lǐng)域的人才需求，針對(duì)程序設(shè)計(jì)與實(shí)踐教學(xué)中存在的問題展開討論。重點(diǎn)闡述一種漸進(jìn)式的實(shí)踐教學(xué)方法，嘗試將程序語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法三門系列課程的內(nèi)容，統(tǒng)一地融入工程實(shí)踐環(huán)節(jié)，促進(jìn)學(xué)生的系統(tǒng)化和工程化思維模式。

關(guān)鍵詞：程序設(shè)計(jì)實(shí)踐；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；算法；編程語言；漸進(jìn)式教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）38-0267-02

互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下，國(guó)內(nèi)和國(guó)際的信息化處理行業(yè)，對(duì)具有計(jì)算機(jī)軟件專業(yè)知識(shí)背景和工程實(shí)踐能力的高校畢業(yè)生有著廣泛而持續(xù)的需求。但是，應(yīng)屆畢業(yè)生在工程實(shí)踐方面的短板卻廣受詬病，具有堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)而不具備實(shí)際開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的畢業(yè)生往往欠缺競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。目前，高校已著力開展產(chǎn)學(xué)研合作，并增設(shè)工程實(shí)踐為重心的新課程，旨在“趁熱打鐵”，通過激勵(lì)在讀學(xué)生將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際工程開發(fā)，增進(jìn)知識(shí)的直觀理解和應(yīng)用技巧[1]。

本文針對(duì)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)與實(shí)踐的教學(xué)方法展開討論，重點(diǎn)研究綜合關(guān)聯(lián)課程（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法和編程語言）的前提下，如何有效實(shí)現(xiàn)一種工程實(shí)踐的漸進(jìn)式教學(xué)方法，將多門相關(guān)課程的內(nèi)容在系統(tǒng)化的工程實(shí)踐過程中，相互結(jié)合，協(xié)同運(yùn)用，并由淺入深地授予學(xué)生。

一、傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)教學(xué)中的知識(shí)孤島與無序流程

本節(jié)首先簡(jiǎn)單介紹計(jì)算機(jī)主修課程的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，然后分析相互之間的關(guān)系，最后指出不足。

1.程序設(shè)計(jì)相關(guān)課程簡(jiǎn)介。目前，在計(jì)算機(jī)本科生教學(xué)大綱中，與程序設(shè)計(jì)緊密相關(guān)的課程包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法和編程語言。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一門分析數(shù)據(jù)表示、關(guān)系與組織的課程。比如，命名實(shí)體（人、機(jī)構(gòu)和地理）與屬性的文字串或數(shù)值一經(jīng)前端程序提取，需要建立一種方便表示與存儲(chǔ)的泛化而通用的結(jié)構(gòu)體，承載由樣本至結(jié)構(gòu)的賦值，支持后續(xù)使用時(shí)的提取與高效運(yùn)算。算法是一種控制計(jì)算流程的方法學(xué)，其核心目標(biāo)是提高計(jì)算機(jī)完成特定任務(wù)的計(jì)算效率。比如：給定一個(gè)存儲(chǔ)隨機(jī)整數(shù)的數(shù)值集合，如何快速查找其中最大數(shù)值并輸出，即為一個(gè)算法問題。編程語言是人類語言與機(jī)器語言的中間層，扮演人類與機(jī)器對(duì)話的重要角色，其核心是將人類命令轉(zhuǎn)化為機(jī)器可理解的信號(hào)，從而形成控制流，驅(qū)動(dòng)造作系統(tǒng)調(diào)用計(jì)算機(jī)硬件完成存儲(chǔ)與計(jì)算。

2.程序設(shè)計(jì)相關(guān)課程關(guān)聯(lián)關(guān)系。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與計(jì)算機(jī)硬件有著密切的聯(lián)系，學(xué)生在設(shè)計(jì)特定數(shù)據(jù)的架構(gòu)化表示時(shí)，需要考慮內(nèi)存的承載能力和CPU的運(yùn)算特點(diǎn)，以此保證內(nèi)存的節(jié)約使用，以及計(jì)算過程調(diào)取數(shù)據(jù)的高效準(zhǔn)確[2]。算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有著重要的聯(lián)系，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)模式和存儲(chǔ)方式，往往決定算法最優(yōu)解的選擇。編程語言往往是數(shù)據(jù)建模和算法流程的一種可見可控且機(jī)器可讀可解的簡(jiǎn)化表述。總體上，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于操作對(duì)象的表示與存儲(chǔ)，算法用于操作與計(jì)算流程的優(yōu)化，編程語言對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法進(jìn)行描述，并控制運(yùn)算單元執(zhí)行指令。三者有著緊密的關(guān)系。

3.程序設(shè)計(jì)教學(xué)中有待解決的問題。目前由嚴(yán)蔚敏編輯的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)C語言版》嘗試將編碼、結(jié)構(gòu)和算法統(tǒng)一到一套教材和授課過程當(dāng)中，展現(xiàn)了系統(tǒng)化教學(xué)的主流趨勢(shì)。但是，將教學(xué)過程映射至實(shí)踐過程，仍存在如下有待解決的問題：①知識(shí)點(diǎn)孤立：實(shí)踐強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)模塊的協(xié)作，現(xiàn)有教學(xué)局限于特定功能所需的結(jié)構(gòu)、算法和編程的局部特性，知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容內(nèi)聚，缺少開放性。②局部視角：學(xué)生往往實(shí)現(xiàn)相互孤立甚至無關(guān)的功能，或者隸屬不同應(yīng)用背景和項(xiàng)目需求的獨(dú)立模塊，無法嵌入大型系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)作，從而，學(xué)生的開發(fā)過程也欠缺全局視角，流暢性不佳；③流程無序：開發(fā)過程欠缺流程性思考，對(duì)難易程度各不相同的系統(tǒng)模塊，欠缺優(yōu)先級(jí)判斷，開發(fā)設(shè)計(jì)布局往往混亂。

二、漸進(jìn)式程序設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)方法

針對(duì)上述問題，本文提出一種漸進(jìn)式教學(xué)方法，并應(yīng)用于相關(guān)課程學(xué)習(xí)完成后立刻開展的實(shí)踐環(huán)節(jié)，旨在以一種清晰、流暢且易于理解的方式，快速提升知識(shí)系統(tǒng)化教學(xué)的效果和學(xué)生的實(shí)踐能力。該方法包括五個(gè)組成部分：（1）應(yīng)用項(xiàng)目與系統(tǒng)的框架學(xué)習(xí)；（2）評(píng)測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)；（3）簡(jiǎn)易功能流水線實(shí)現(xiàn)；（4）對(duì)比實(shí)驗(yàn)與性能分析；（5）功能模塊優(yōu)化與強(qiáng)化學(xué)習(xí)。

1.系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)交互式教學(xué)。作為第一個(gè)實(shí)踐步驟，系統(tǒng)框架學(xué)習(xí)過程要求指導(dǎo)教師清晰地給出系統(tǒng)需求分析，并針對(duì)需求給出整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，這一過程首先由學(xué)生自主設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架，并最終由教師經(jīng)過討論、修正與完善，在師生交互過程中透徹授予學(xué)生全局的系統(tǒng)架構(gòu)意識(shí)和功能劃分理解。

2.點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)評(píng)測(cè)與實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)入實(shí)際系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)之前，指導(dǎo)教師驅(qū)動(dòng)學(xué)生獨(dú)立思考輸入與輸出模式，以及滿足系統(tǒng)需求的正確解。在這一過程中，學(xué)生將人工收集、調(diào)查和標(biāo)記數(shù)據(jù)，直接接觸機(jī)器將要處理的數(shù)據(jù)對(duì)象，并對(duì)系統(tǒng)輸出的正解給出人工的判定和標(biāo)記，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)項(xiàng)目本源問題的直觀了解，尤其是該階段將推動(dòng)學(xué)生編寫程序，形成評(píng)測(cè)數(shù)據(jù)的功能模塊，比如：實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)系統(tǒng)輸出精度與效率的計(jì)算單元。

3.功能流水線開發(fā)。針對(duì)系統(tǒng)框架內(nèi)包含的各個(gè)功能模塊，驅(qū)動(dòng)學(xué)生快速完成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法流程設(shè)計(jì)，并逐一編程實(shí)現(xiàn)。要求從輸入流到輸出流，系統(tǒng)可運(yùn)行。這一過程指導(dǎo)教師不干預(yù)學(xué)生設(shè)計(jì)，不對(duì)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行判定，只對(duì)編碼異常和邏輯錯(cuò)誤進(jìn)行檢查與修正。

4.實(shí)驗(yàn)與分析。利用第二部中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的評(píng)測(cè)單元，對(duì)學(xué)生開發(fā)完成的簡(jiǎn)易系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)估。針對(duì)系統(tǒng)性能和優(yōu)缺點(diǎn)展開分析，尤其通過系統(tǒng)整體評(píng)測(cè)和局部模塊評(píng)測(cè)，透徹解析缺陷與不足，除了結(jié)合實(shí)際問題和功能需求分析方法學(xué)中存在的問題，也需緊密依托數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法知識(shí)，對(duì)各個(gè)模塊數(shù)據(jù)表示、處理和計(jì)算進(jìn)行深度解析。

5.功能模塊優(yōu)化。通過實(shí)驗(yàn)分析階段，指導(dǎo)教師和學(xué)生共同獲知系統(tǒng)全局與局部的問題和缺陷，在此基礎(chǔ)上，實(shí)踐教學(xué)進(jìn)入逐步優(yōu)化系統(tǒng)模塊的階段。教師將推動(dòng)學(xué)生，根據(jù)發(fā)現(xiàn)的問題，提出新的模塊設(shè)計(jì)方案，在實(shí)現(xiàn)新的功能模塊后，立刻進(jìn)入新的實(shí)驗(yàn)與評(píng)測(cè)階段，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，并總結(jié)發(fā)現(xiàn)的新問題。這一方式針對(duì)所有存在問題的模塊進(jìn)行，并迭代循環(huán)，不斷提升系統(tǒng)整體性能。

三、調(diào)查與評(píng)估

本文作者針對(duì)這一教學(xué)方法進(jìn)行了實(shí)際考核與評(píng)估，并根據(jù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，獲得了第一手教學(xué)質(zhì)量的小規(guī)模檢驗(yàn)報(bào)告。本節(jié)即匯報(bào)這一成果。

評(píng)估對(duì)30名本科畢業(yè)生展開，通過問卷調(diào)查，對(duì)未經(jīng)系統(tǒng)化知識(shí)授予（A類）、具備系統(tǒng)知識(shí)但未進(jìn)行500行以上代碼編寫訓(xùn)練（B類）、知識(shí)和編程經(jīng)驗(yàn)過關(guān)但未經(jīng)漸進(jìn)式教學(xué)實(shí)踐（C類）、經(jīng)過嚴(yán)格漸進(jìn)式實(shí)踐（D類）和上述三項(xiàng)基礎(chǔ)課程（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法和編程語言）存在掛科現(xiàn)象（E類）的同學(xué)進(jìn)行考察，以企業(yè)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)面試通過率（1表示全部面試通過，0.66表示三次中有一次未通過，0.33表示三次中有兩次未通過，0表示全部沒通過）為標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)上述A-E類人員的學(xué)習(xí)成果。

表1顯示了各類參評(píng)人員的人數(shù)和通過率分布情況，其證明了漸進(jìn)式教學(xué)存在的顯著優(yōu)勢(shì)。

四、結(jié)論

經(jīng)過對(duì)比試驗(yàn)，經(jīng)過系統(tǒng)化漸進(jìn)式程序設(shè)計(jì)實(shí)踐的學(xué)生能夠較好地迎合企業(yè)的人才需求，證明了系統(tǒng)實(shí)踐過程本身和由淺入深實(shí)踐方法的重要價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭春龍，邵紅艷.以創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)為目標(biāo)的高校實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建與實(shí)施[J].中國(guó)高教研究，2007，（4）.

[2]黃麗達(dá)，趙歡，楊科華，劉彥.計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程教學(xué)的探討與實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育，2016，（10）.endprint