江 南，何炎祥（.湖北工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢 430068；2. 武漢大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢 430072；3. 軟件工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢大學(xué)），湖北 武漢 430072）

?

計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)編程語(yǔ)言類(lèi)課程教學(xué)的思考

江 南1，何炎祥2,3
（1.湖北工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢 430068；
2. 武漢大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢 430072；
3. 軟件工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢大學(xué)），湖北 武漢 430072）

摘 要：從計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)編程語(yǔ)言類(lèi)課程教學(xué)實(shí)踐中總結(jié)3方面的教學(xué)思考，首先討論如何在教學(xué)過(guò)程中提高學(xué)生準(zhǔn)確分析程序運(yùn)行結(jié)果的能力，即結(jié)合圖示分析運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)以及區(qū)分編譯時(shí)和運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤，其次提出對(duì)比不同編程語(yǔ)言關(guān)鍵特性的教學(xué)手段，最后闡述培養(yǎng)抽象描述和表達(dá)問(wèn)題能力的重要性，并以相應(yīng)教學(xué)案例和取得的效果加以說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：編程語(yǔ)言；運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)；語(yǔ)言特性對(duì)比；抽象描述

1　提高學(xué)生準(zhǔn)確分析程序運(yùn)行結(jié)果的能力

程序完成一定的功能，功能的正確性是我們對(duì)程序的首要關(guān)注面，運(yùn)行的結(jié)果就是設(shè)計(jì)和編碼所要實(shí)現(xiàn)的預(yù)期效果。程序的運(yùn)行結(jié)果是確定的，其中，“確定”這個(gè)詞表達(dá)的意思是：運(yùn)行結(jié)果一定是可以分析出來(lái)的，如果運(yùn)行結(jié)果和預(yù)期不符，那么一定要找出問(wèn)題所在。在教學(xué)過(guò)程中，常常聽(tīng)到學(xué)生說(shuō)“這個(gè)程序的運(yùn)行結(jié)果好象是……似乎是……”，有時(shí)候即使他們給出了一個(gè)正確的答案，也很難進(jìn)一步說(shuō)明答案的由來(lái)。因此，教師要在教學(xué)過(guò)程中對(duì)重要語(yǔ)法點(diǎn)設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)的程序，注重分析程序的運(yùn)行結(jié)果并輔以圖示，而不是一遍遍地羅列和解釋每個(gè)語(yǔ)法點(diǎn)，讓學(xué)生去記憶。一般來(lái)講，計(jì)算機(jī)總是規(guī)規(guī)矩矩地按照程序編譯后的指令去執(zhí)行，因此，我們提倡的做法是按照語(yǔ)言的語(yǔ)法功能，用人腦代替機(jī)器運(yùn)行程序，用筆和紙模擬機(jī)器執(zhí)行的過(guò)程。這種方法在學(xué)生初學(xué)語(yǔ)言時(shí)對(duì)迅速掌握語(yǔ)法要點(diǎn)非常實(shí)用，并且在掌握一門(mén)語(yǔ)言后用這種方法分析復(fù)雜程序也是很有必要的。

1.1分析運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)

講授編程語(yǔ)言時(shí)，強(qiáng)調(diào)“一個(gè)程序不管有多復(fù)雜，它終歸是該程序?qū)λ倏v數(shù)據(jù)產(chǎn)生的效果”。程序運(yùn)行時(shí)環(huán)境，特別是數(shù)據(jù)區(qū)是非常值得關(guān)注的。作為教學(xué)案例，我們先給出一段Java參數(shù)傳遞的代碼，其中程序的輸出以注釋給出。

假定類(lèi)Person的定義包括一個(gè)整型(int)成員變量age、一個(gè)構(gòu)造方法對(duì)成員變量進(jìn)行初始化，兩個(gè)成員方法getAge()和setAge(int)分別獲得age的值和對(duì)age進(jìn)行賦值。按照語(yǔ)法解釋?zhuān)摱未a的執(zhí)行情況是：運(yùn)行方法g()時(shí)，首先創(chuàng)建了一個(gè)Person對(duì)象，其成員變量age的值是10，本地變量p指向該對(duì)象，第二行輸出10；使用p調(diào)用方法f時(shí)，按照J(rèn)ava按值傳遞參數(shù)機(jī)制，p的值傳遞給f方法的形參person，由于p是一個(gè)引用類(lèi)型變量，它的值是對(duì)象的地址，這個(gè)地址值拷貝給person，因此person的值也是剛剛創(chuàng)建對(duì)象的地址，即person也指向這個(gè)Person對(duì)象；參數(shù)傳遞完成后，在f方法體中，首先創(chuàng)建了一個(gè)Person對(duì)象，其成員變量的值是20，person指向這個(gè)新創(chuàng)建的對(duì)象，因此輸出20；方法f執(zhí)行完畢后，返回到方法g，由于方法g在調(diào)用方法f時(shí)，沒(méi)有對(duì)本地變量p產(chǎn)生任何改變，因此，輸出10。

教師僅僅這樣解釋顯得非常沉悶，如果給出它的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)圖示，會(huì)直觀和形象得多。圖1中的（a）～（d）給出了調(diào)用方法g前后運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的變化。

圖1　方法調(diào)用的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)示意圖

在分析實(shí)現(xiàn)功能的層面上，模擬Java程序的運(yùn)行需要關(guān)心的是棧楨中各本地變量的取值和堆中對(duì)象各成員變量的取值。因此，在分析上述代碼時(shí)，按照程序的執(zhí)行依次畫(huà)出圖1中的（a）～（d）。從圖1可以直接看出，參數(shù)傳遞完成時(shí)，g棧楨中的person變量指向Person對(duì)象1；方法f執(zhí)行完成后，person變量指向Person對(duì)象2；返回方法g后，f棧楨中的p變量仍然指向Person對(duì)象1。

上述運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的圖示方法貫穿在整個(gè)授課過(guò)程對(duì)程序的分析之中。這種方法適用于常用的命令式語(yǔ)言，如解釋C語(yǔ)言內(nèi)存泄漏問(wèn)題時(shí)，用圖示法模擬運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的變化，可以直觀描述被泄漏的內(nèi)存空間。

實(shí)踐表明，這種方法的使用形象化了知識(shí)點(diǎn)，加深了學(xué)生對(duì)語(yǔ)言理解，在授課過(guò)程中，我們鼓勵(lì)學(xué)生使用這種方法來(lái)分析程序。從學(xué)生的反饋來(lái)看，這種方法對(duì)準(zhǔn)確分析程序的運(yùn)行結(jié)果有較大幫助。

1.2區(qū)分編譯時(shí)錯(cuò)誤和運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤

編譯器不報(bào)錯(cuò)并不保證運(yùn)行時(shí)沒(méi)有錯(cuò)誤發(fā)生。在教學(xué)過(guò)程中，為了培養(yǎng)學(xué)生準(zhǔn)確分析程序運(yùn)行結(jié)果的能力，我們還重視幫助學(xué)生建立編譯時(shí)錯(cuò)誤和運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤的概念，區(qū)分編譯時(shí)錯(cuò)誤和運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤。為了做到這一點(diǎn)，我們針對(duì)不同語(yǔ)言的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)不同的代碼段，解釋它們的編譯結(jié)果和運(yùn)行結(jié)果。先以Java語(yǔ)言中的“造型”這一語(yǔ)法點(diǎn)為例。在Java中，造型分向上造型和向下造型，造型機(jī)制的語(yǔ)法點(diǎn)總結(jié)為：向上造型總是允許的，可以隱式進(jìn)行；向下造型必須顯式進(jìn)行。我們可能寫(xiě)出看似符合這個(gè)總結(jié)的程序，但是，程序運(yùn)行可能會(huì)報(bào)類(lèi)造型異常的錯(cuò)誤。假定類(lèi)B是類(lèi)A的子類(lèi)，給出如下代碼段：

在授課過(guò)程中，先給出代碼段(1)，分別創(chuàng)建了父類(lèi)A的對(duì)象a和子類(lèi)B的對(duì)象b，將子類(lèi)型引用變量b強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為父類(lèi)型(由造型操作(A)完成)，即向上造型，然后賦給父類(lèi)型引用變量a，這段代碼既沒(méi)有編譯時(shí)錯(cuò)誤也沒(méi)有運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤；由于向上造型總是被允許的，即一個(gè)子類(lèi)對(duì)象總是一個(gè)父類(lèi)型，它可以隱式進(jìn)行，去掉造型操作符(A)后，程序是不受影響的。然后給出代碼段(2)，它將一個(gè)父類(lèi)型引用變量a賦給子類(lèi)型引用變量b，即向下造型，因?yàn)闊o(wú)法知道一個(gè)父類(lèi)型引用變量在運(yùn)行時(shí)是否引用到一個(gè)子類(lèi)型對(duì)象，向下造型必須顯式進(jìn)行，因此代碼段(2)報(bào)編譯時(shí)錯(cuò)誤。接著給出代碼段(3)，顯式造型父類(lèi)型引用變量a為一個(gè)子類(lèi)型（由造型操作(B)完成），這樣，在編譯時(shí)，編譯器認(rèn)為類(lèi)型正確，不報(bào)錯(cuò)誤；但是，在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行類(lèi)型檢查時(shí)，由于引用變量a指向的對(duì)象是父類(lèi)型的，將一個(gè)子類(lèi)型變量引用到這個(gè)父類(lèi)型對(duì)象時(shí)，Java運(yùn)行時(shí)機(jī)制報(bào)類(lèi)造型異常的錯(cuò)誤。為了修正這個(gè)錯(cuò)誤，最后給出代碼段(4)，即在向下造型前，將b賦給a，即將父類(lèi)型的引用變量a指向子類(lèi)對(duì)象，這樣，程序運(yùn)行時(shí)，引用變量a指向的對(duì)象是子類(lèi)型的，將它賦給子類(lèi)型變量沒(méi)有任何問(wèn)題。

對(duì)于C++編程語(yǔ)言，在VC++環(huán)境下，一個(gè)典型的編譯時(shí)不報(bào)錯(cuò)，但運(yùn)行時(shí)報(bào)錯(cuò)的例子如下：

int *p = (int *) malloc(2*sizeof(int));

free(p);

free(p);

它表示的是，指針變量p在運(yùn)行時(shí)指向了一個(gè)整型數(shù)據(jù)空間，然后釋放這個(gè)數(shù)據(jù)空間，最后它又再次釋放這個(gè)已經(jīng)釋放的空間。許多大型C/ C++程序運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤是因?yàn)檫@種同一內(nèi)存空間多次釋放而造成的。需要說(shuō)明的是，VC++和GCC環(huán)境對(duì)這類(lèi)運(yùn)行時(shí)問(wèn)題的處理是不同的，給出這個(gè)例子是為了說(shuō)明區(qū)分編譯時(shí)錯(cuò)誤和運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤對(duì)理解程序的必要性。

從“分析運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)”和“區(qū)分編譯時(shí)錯(cuò)誤和運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤”兩個(gè)方面闡述如何在教學(xué)過(guò)程中提高準(zhǔn)確分析程序運(yùn)行結(jié)果的能力。實(shí)踐表明，這樣能夠加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的把握，使得這些知識(shí)點(diǎn)在學(xué)生的大腦有更清晰地認(rèn)識(shí)，并加深學(xué)生對(duì)編程語(yǔ)言的理解。

2　對(duì)比不同編程語(yǔ)言的關(guān)鍵特性

不同編程語(yǔ)言在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上具有差異。C/ C++和Java是我們主要講授的兩種命令式編程語(yǔ)言，從程序形式上看，這兩門(mén)語(yǔ)言較為接近，但它們?cè)谠O(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上又具有明顯的不同。在學(xué)習(xí)第二門(mén)編程語(yǔ)言時(shí)，如果適當(dāng)結(jié)合已講授的另外一門(mén)編程語(yǔ)言，會(huì)得到很好的觸類(lèi)旁通的效果，深化學(xué)生對(duì)編程語(yǔ)言的理解。

我們以面向?qū)ο笳Z(yǔ)言的一個(gè)重要特性，多態(tài)為例。首先，設(shè)計(jì)具有對(duì)比性的兩段代碼，分別在VC++和javac下進(jìn)行編譯：

然后給出程序的分析：C/C++中，虛函數(shù)才會(huì)被覆蓋，即子類(lèi)函數(shù)覆蓋了父類(lèi)中聲明為virtual的相同函數(shù)。當(dāng)調(diào)用這樣的函數(shù)時(shí)，運(yùn)行時(shí)才會(huì)確定到底執(zhí)行哪個(gè)類(lèi)中的函數(shù)體，如果調(diào)用該函數(shù)的指針變量指向一個(gè)父類(lèi)型，則執(zhí)行父類(lèi)中對(duì)應(yīng)的函數(shù)；如果指向一個(gè)子類(lèi)型，則執(zhí)行子類(lèi)中對(duì)應(yīng)的函數(shù)。因此，當(dāng)指針變量p指向a時(shí)，由于a的類(lèi)型是父類(lèi)型A，所以第1行和第2行分別輸出A-f和A-g；當(dāng)指針變量p指向b時(shí)，對(duì)于第3行輸出，雖然b的類(lèi)型是子類(lèi)型B，但是函數(shù)f未聲明為虛函數(shù)，f函數(shù)的調(diào)用在編譯時(shí)已經(jīng)由p的類(lèi)型所確定，為父類(lèi)型A，因此第3行輸出A-f，對(duì)于最后一行輸出，由于g函數(shù)聲明為虛函數(shù)，而此時(shí)p指向的是一個(gè)子類(lèi)型b，因此輸出B-g。

Java代碼中，Java語(yǔ)言沒(méi)有virtual關(guān)鍵字，可以視為所有的方法都是虛方法，因此，B類(lèi)中的方法f和方法g分別覆蓋了A中的方法f和方法g。方法覆蓋時(shí)，在運(yùn)行時(shí)由調(diào)用方法的引用變量所引用對(duì)象的類(lèi)型來(lái)確定到底執(zhí)行哪個(gè)類(lèi)中的方法體。對(duì)于第1行和第2行的輸出，父類(lèi)型的引用變量p指向的是一個(gè)父類(lèi)對(duì)象a，則分別調(diào)用父類(lèi)的方法f和方法g，因此輸出A-f和A-g；在將父類(lèi)型的引用變量指向一個(gè)子類(lèi)對(duì)象b后，第3行和第4行的輸出分別是調(diào)用類(lèi)B中相應(yīng)的方法體，因此輸出B-f和B-g。

最后，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)以上2個(gè)程序進(jìn)行小修改，查看運(yùn)行結(jié)果，思考為什么會(huì)是這樣的運(yùn)行結(jié)果，按照課堂上的分析，能否解釋得通？按照學(xué)生下次課堂教學(xué)的反饋，引導(dǎo)有興趣的學(xué)生閱讀相關(guān)的編譯器源碼，對(duì)編程語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行粗略地介紹，減少編程語(yǔ)言在學(xué)生眼里的神秘感。

實(shí)踐表明，語(yǔ)言的類(lèi)似特性在不同語(yǔ)言中的對(duì)比教學(xué)是很有效果的。學(xué)生會(huì)給出一些類(lèi)似“原來(lái)如此”的反饋，可見(jiàn)，這種教學(xué)手段能夠澄清學(xué)生看來(lái)似是而非或者覺(jué)得百思不得其解的運(yùn)行結(jié)果，也極大提高了學(xué)生對(duì)編程語(yǔ)言的學(xué)習(xí)興趣，并能引導(dǎo)學(xué)生對(duì)后續(xù)課程，如編譯原理等課程有基本認(rèn)識(shí)。

3　培養(yǎng)抽象表達(dá)問(wèn)題的能力

編程語(yǔ)言類(lèi)課程的教學(xué)不僅要教會(huì)學(xué)生使用一到兩門(mén)編程語(yǔ)言，更要在講授知識(shí)的同時(shí)，讓學(xué)生具有良好的抽象描述和表達(dá)問(wèn)題的能力。

從功用來(lái)看，程序是用來(lái)解決問(wèn)題的，為了解決問(wèn)題首先需要描述和表達(dá)問(wèn)題。它要求設(shè)計(jì)者站在計(jì)算機(jī)求解問(wèn)題的角度，將問(wèn)題抽象化。因此，在授課過(guò)程中教師如果過(guò)于關(guān)注語(yǔ)言本身的細(xì)節(jié)，可能學(xué)生學(xué)到的只是語(yǔ)言結(jié)構(gòu)，這對(duì)解決問(wèn)題是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)閷?duì)程序設(shè)計(jì)沒(méi)有宏觀把握，不能寫(xiě)出好的軟件。從這個(gè)意義上講，編程語(yǔ)言類(lèi)的教學(xué)應(yīng)該在教學(xué)過(guò)程中，逐步引導(dǎo)學(xué)生建立一種實(shí)用的軟件工程思想，這是非常重要的。

為了培養(yǎng)抽象表達(dá)問(wèn)題的能力，教師在講授程序的主要語(yǔ)法點(diǎn)之后，可以適當(dāng)設(shè)計(jì)一些小案例作為問(wèn)題提出，學(xué)生從已學(xué)的知識(shí)點(diǎn)中，將問(wèn)題抽象化，然后開(kāi)始編碼實(shí)現(xiàn)、測(cè)試、調(diào)試并最終解決問(wèn)題。其結(jié)果是既提高了學(xué)生對(duì)語(yǔ)法點(diǎn)的掌握程度，又培養(yǎng)了學(xué)生抽象描述和表達(dá)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

最后要強(qiáng)調(diào)的是，為了培養(yǎng)學(xué)生抽象表達(dá)問(wèn)題的能力，掌握一門(mén)語(yǔ)言并具有扎實(shí)的編程技能是非常必要的。任何一門(mén)語(yǔ)言的熟練掌握和精通都需要花費(fèi)努力和時(shí)間，不是短期可以實(shí)現(xiàn)的，因此在授課過(guò)程中我們一直強(qiáng)調(diào)并鼓勵(lì)踏實(shí)的學(xué)習(xí)作風(fēng)，盡可能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使得他們?cè)谡n程結(jié)束之后還愿意在編程語(yǔ)言應(yīng)用能力的學(xué)習(xí)提高上投入精力。

4　結(jié)　語(yǔ)

具備一定的編程技能和具有抽象描述問(wèn)題的能力是編程語(yǔ)言類(lèi)課程需要達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)，本文基于計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)編程語(yǔ)言類(lèi)課程的教學(xué)實(shí)踐，對(duì)教學(xué)方法和思路提出思考。未來(lái)將繼續(xù)結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，提高編程語(yǔ)言類(lèi)課程的教學(xué)質(zhì)量，并努力縮小與國(guó)外計(jì)算機(jī)編程類(lèi)課程教學(xué)的差距。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曹西征, 孫志勇. VC++教學(xué)中實(shí)例驅(qū)動(dòng)法和模糊評(píng)價(jià)研究[J]. 計(jì)算機(jī)教育, 2015(21): 82-84.

[2] Shewchun J . Data structures and Java programming [EB/OL]. [2015-11-30]. http://www.cs.berkeley.edu/～jrs/61b/.

[3] Sierra K , Bates B. Head fi rst Java[M]. 2 ed . Sebastopol: O'Reilly Media Inc, 2005.

[4] Sahami M. Programming methodology [EB/OL]. [2015-11-30]. http://web.stanford.edu/class/cs106a/.

（見(jiàn)習(xí)編輯：趙盼；編輯：宋文婷）

第一作者簡(jiǎn)介：江南，女，講師，研究方向?yàn)榫幊陶Z(yǔ)言、可信編譯，nanjiang@whu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：湖北工業(yè)大學(xué)教研項(xiàng)目“ RESTFUL Web服務(wù)環(huán)境下自主學(xué)習(xí)云系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)”（2012015）。

中圖分類(lèi)號(hào)：G642

文章編號(hào)：1672-5913(2016)04-0156-04