立體化程序設(shè)計能力培養(yǎng)方法探討
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1計算機專業(yè)學(xué)生程序設(shè)計能力培養(yǎng)現(xiàn)狀
1）程序設(shè)計類課程依然重教學(xué)，輕實踐。理論教學(xué)依然是程序設(shè)計類課程的重點，理論學(xué)時多，實踐學(xué)時少。教師花費大量時間進行語法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)概念、算法理論講解，因此也使得有針對性的實踐太少，基于相關(guān)知識和理論的案例教學(xué)不足，學(xué)生很難將所學(xué)知識點和理論用于解決實際問題。
2）實踐環(huán)節(jié)枯燥，學(xué)生無法提高學(xué)習(xí)積極性。在傳統(tǒng)程序設(shè)計實踐教學(xué)中，教師布置3~6道作業(yè)題，學(xué)生當(dāng)堂完成，然后將代碼以及運行結(jié)果截圖打包上傳到服務(wù)器，教師一一評閱。教師給出的習(xí)題往往直接針對課堂教學(xué)的知識點，無任何實際背景或故事情節(jié)，實驗枯燥乏味，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性無法提高。
3）學(xué)生多，教師少，教師無法逐個解答學(xué)生的問題。在大學(xué)不斷擴招的情形下，師生比進一步擴大。實踐教學(xué)過程中，教師無法一一發(fā)現(xiàn)和解答每個學(xué)生的問題。學(xué)生將作業(yè)代碼和運行結(jié)果截圖通過FTP上傳至服務(wù)器，教師查看運行結(jié)果，由于學(xué)生多，教師無法逐個查看和運行學(xué)生代碼，疲于應(yīng)付，因而導(dǎo)致實踐效果差。
4）實踐能力評價方法單一。目前的課程考核多采用筆試，學(xué)生的實踐能力只能通過平時作業(yè)和實驗進行主觀性評價，難以激發(fā)學(xué)生自主訓(xùn)練實踐能力的激情。在這樣的教學(xué)模式下，久而久之學(xué)生就失去了編程興趣，同時也降低了后續(xù)程序設(shè)計類課程的學(xué)習(xí)積極性，以致形成惡性循環(huán)，學(xué)生代碼閱讀量、代碼編寫量均得不到保證，程序設(shè)計能力自然無法提高。為了提高學(xué)生的程序設(shè)計能力，文獻[1]提出一種貫穿在系列課程中的程序設(shè)計能力培養(yǎng)方法，強調(diào)在一系列課程中持續(xù)不斷地進行系統(tǒng)化訓(xùn)練，采用面向?qū)I(yè)應(yīng)用的分類教學(xué)，貫徹落實案例驅(qū)動、強化實訓(xùn)等教學(xué)方法。文獻初步將ACM模式應(yīng)用到程序設(shè)計類課程實踐教學(xué)中，使學(xué)生的編程能力和解題思維能力得到有效訓(xùn)練，教學(xué)效果顯著提高。文獻[3]也提出采用ACM競賽形式的程序設(shè)計能力層次化培養(yǎng)模式。這些方法都是提高學(xué)生程序設(shè)計能力的有益嘗試。
針對目前程序設(shè)計能力培養(yǎng)方面依然存在的一些突出問題，我們借鑒國內(nèi)外一流大學(xué)的經(jīng)驗，與學(xué)校、學(xué)院教學(xué)部門配合，探索并建立立體化程序設(shè)計能力培養(yǎng)方法。立體化程序設(shè)計能力培養(yǎng)方法。
1）培養(yǎng)方法和過程。在立體化程序設(shè)計能力培養(yǎng)方法中，教學(xué)活動仍然分為理論知識講授與編程實踐，但理論課不再以單純介紹語法知識為主，而是以具體的程序案例分析為主，讓學(xué)生從案例中掌握語法。在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師設(shè)計若干有趣的問題，學(xué)生在解決問題過程中學(xué)會相關(guān)的語法知識與編程技巧。學(xué)生編寫的程序代碼全部通過安徽大學(xué)程序自動評判系統(tǒng)進行評判，學(xué)生只需在規(guī)定時間內(nèi)完成，不再局限在實踐課堂內(nèi)完成，令學(xué)生有了足夠多的思考和動手編程時間。對于學(xué)生在編程過程中出現(xiàn)的各種問題，教師和ACM/ICPC隊員及時進行在線細致輔導(dǎo)。在每次作業(yè)結(jié)束后，系統(tǒng)公布所有學(xué)生的解題代碼，以供所有學(xué)生在線查看和評價。獲得優(yōu)秀評價的代碼將在系統(tǒng)上公布，以便學(xué)生有機會進一步學(xué)習(xí)優(yōu)秀代碼，增加代碼閱讀量。
2）立體化程序設(shè)計能力培養(yǎng)特點。
（1）以高級語言程序設(shè)計課程為依托。高級語言程序設(shè)計課程是學(xué)生接觸的第一門程序設(shè)計類課程，其教學(xué)與實踐對培養(yǎng)學(xué)生的編程興趣和能力起著至關(guān)重要的作用，可以幫助學(xué)生樹立自信心并步入程序設(shè)計的殿堂。
（2）課堂教學(xué)以案例為中心。程序設(shè)計=算法+數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在高級語言程序設(shè)計課程的教學(xué)過程中，我們摒棄單純講授語法的課堂教學(xué)方法，改之以程序案例為中心。在課程早期，案例以語法知識為主，逐步增加基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法。整個教學(xué)過程以案例分析為中心進行語法教學(xué)，讓學(xué)生在潛移默化中學(xué)習(xí)到基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法。
（3）實踐教學(xué)以問題求解為中心。在實踐環(huán)節(jié)，教師通過設(shè)置有趣的故事和實際的問題，幫助學(xué)生在求解問題過程中掌握課堂上所學(xué)的語法知識、基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法。
（4）實踐環(huán)節(jié)從課內(nèi)延伸至課外。實踐環(huán)節(jié)要求學(xué)生完成指定的編程題目。與傳統(tǒng)實踐環(huán)節(jié)不同，通過在線程序自動評判平臺，學(xué)生所有的編程作業(yè)只需在教師規(guī)定的時間段內(nèi)提交，學(xué)生既可以在實踐課上完成，又可以利用課外時間完成課堂內(nèi)沒有完成的作業(yè)。將實踐課延伸到課外的優(yōu)點表現(xiàn)在：①學(xué)生有足夠的時間思考分析問題并最終通過編程解決問題；②實踐題目數(shù)量適當(dāng)增加，學(xué)生的代碼量隨之增加，充分的課外實踐可以進一步鞏固學(xué)生的理論知識基礎(chǔ)。
（5）經(jīng)驗豐富的ACM/ICPC隊員參與程序設(shè)計實踐環(huán)節(jié)輔導(dǎo)。ACM/ICPC隊員經(jīng)過長期的編程實踐，積累了豐富的編程經(jīng)驗，代碼能力強，因此我們利用ACM/ICPC集訓(xùn)隊的優(yōu)勢資源，實行“傳幫帶”機制，對于每個學(xué)生編程過程中出現(xiàn)的問題及時給予解答，有效提高學(xué)生的編程積極性。集訓(xùn)隊學(xué)生優(yōu)秀的編程水平對于低年級學(xué)生也是一種激勵，可以進一步激發(fā)其編程熱情，增加其向更高編程水平邁進的動力。
（6）學(xué)生作業(yè)采用自動化評判模式。學(xué)生提交的作業(yè)通過服務(wù)器自動評判給出程序的運行結(jié)果。自動評判模式對于編譯錯誤，會直接給出編譯出錯位置和出錯類型，方便學(xué)生自查；對于運行錯誤，包括結(jié)果錯誤和運行超時，則需要學(xué)生重新審查程序代碼。服務(wù)器自動評判能夠有效減輕教師批改作業(yè)壓力，還可以大大提高實踐教學(xué)效果。此外，服務(wù)器上保留了每個學(xué)生的做題細節(jié)，包括以往的代碼、做題的數(shù)量、錯誤類型等信息，可以進一步增強學(xué)生做題的成就感和積極性。值得一提的是該自動評判平臺不僅支持高級語言程序設(shè)計，還支持C++、Java、VB和Pascal語言，因而吸引了省內(nèi)一些初中、高中學(xué)生進入該平臺進行程序設(shè)計能力實踐。
（7）優(yōu)秀代碼展示有助于增加學(xué)生代碼閱讀量。學(xué)生代碼量包括代碼編寫量和代碼閱讀量。代碼閱讀量是提高編程能力的一種重要途徑，然而在實際教學(xué)過程中常常被忽視，通過教師評閱、學(xué)生互評等方式，可以篩選出優(yōu)秀代碼并加以展示。優(yōu)秀代碼主要指具有巧妙的算法、運行時間短、內(nèi)存占用空間少、代碼格式規(guī)整、符合標準編程風(fēng)格的程序代碼。展示優(yōu)秀代碼可以讓學(xué)生有機會看到彼此對于同一道題目的多種解決方案，有效促進學(xué)生之間的交流，積極提高學(xué)生的代碼閱讀量。這種相互的交流還可以進一步激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新靈感，在提高學(xué)生編程能力的同時也提高創(chuàng)新能力。與傳統(tǒng)程序設(shè)計能力培養(yǎng)主要依靠“教師—學(xué)生”這種二維扁平的實踐教學(xué)模式不同，立體化程序設(shè)計能力培養(yǎng)方法以案例教學(xué)為中心進行教學(xué)，以問題驅(qū)動為中心進行編程實踐，采用機器自動評判和學(xué)生互評相結(jié)合的方式進行學(xué)生編程實踐效果評價，在教師—ACM隊員—學(xué)生之間建立一個跨越時間和空間的三維立體互動教學(xué)網(wǎng)絡(luò)。這種教學(xué)方法將課內(nèi)實踐延伸至課外，將實驗室實踐延伸到實驗室外，對學(xué)生的程序設(shè)計能力進行主客觀相結(jié)合的綜合評價與即時反饋。
3實施成效
通過一系列的研究與設(shè)計，我們構(gòu)建了立體化的程序設(shè)計能力培養(yǎng)模式，在安徽大學(xué)自主研發(fā)的自動評判系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了高級語言程序設(shè)計實踐模塊。自2008年以來，學(xué)生通過該自動評判平臺進行程序設(shè)計實踐呈逐年增多趨勢，多名學(xué)生參加了ACM/ICPC程序設(shè)計競賽以及省級程序設(shè)計競賽，獲得各類獎勵10余項，其中亞洲區(qū)邀請賽金獎2項、省級競賽一等獎4項。實施該培養(yǎng)方法后，學(xué)生進行自主程序設(shè)計訓(xùn)練的積極性明顯提高，目前在校生中程序代碼量已經(jīng)達到10000行的有200人左右，部分畢業(yè)學(xué)生直接進入騰訊、百度等企業(yè)工作，用人單位也對畢業(yè)生的編程能力普遍表示滿意。安徽大學(xué)計算機專業(yè)學(xué)生2008—2012年提交代碼量如圖2所示。該培養(yǎng)方法不僅提高了學(xué)生的程序設(shè)計能力，而且培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神和可持續(xù)發(fā)展能力，還吸引了許多非計算機專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計技術(shù)。近年來，陸續(xù)有電子學(xué)院、自動化學(xué)院、數(shù)學(xué)學(xué)院、化學(xué)化工學(xué)院、資源與環(huán)境工程學(xué)院和物理學(xué)院的學(xué)生參與到程序設(shè)計實踐中，并且取得了不錯的學(xué)習(xí)效果。例如，安徽大學(xué)物理學(xué)院一名學(xué)生經(jīng)過該平臺實踐后，積極參與ACM/ICPC程序設(shè)計競賽，獲得2010年ACM/ICPC亞洲區(qū)競賽銅獎并于2012年成功考取復(fù)旦大學(xué)計算機專業(yè)研究生。
4結(jié)語
強調(diào)師生互動、實踐反饋、學(xué)生互動是立體化程序設(shè)計能力培養(yǎng)方法的關(guān)鍵，而利用案例教學(xué)與趣味實踐是重要途徑。實踐證明，立體化程序設(shè)計能力培養(yǎng)方法在提高學(xué)生編程水平和算法能力方面具有較大優(yōu)勢，取得了顯著成效。今后我們將進一步注重教師與學(xué)生互動，探索更多的師生之間、學(xué)生之間互動手段，不斷提高學(xué)生編程素養(yǎng)和創(chuàng)新水平。
作者：周健鄭誠單位：安徽大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院
