張曉民 張 楓 李 博南陽理工學(xué)院軟件學(xué)院 河南南陽 473004
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面向工程應(yīng)用的C++程序設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)探索
張曉民 張 楓 李 博
南陽理工學(xué)院軟件學(xué)院 河南南陽 473004
摘 要:C++程序設(shè)計(jì)是應(yīng)用型本科院校計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,該課程的學(xué)習(xí)效果直接影響后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)以及相應(yīng)的職業(yè)能力培養(yǎng)。目前C++程序設(shè)計(jì)課程中的實(shí)驗(yàn)多為驗(yàn)證型和習(xí)題型,缺乏工程性和趣味性,難以激發(fā)學(xué)生興趣。為此設(shè)計(jì)了以工程應(yīng)用為主導(dǎo)的基礎(chǔ)和工程應(yīng)用實(shí)驗(yàn),采用課堂和課外相結(jié)合、教師驗(yàn)收和學(xué)生答辯相結(jié)合等教學(xué)、考核方式,并結(jié)合應(yīng)用類型的課程設(shè)計(jì),讓學(xué)生在掌握知識(shí)的同時(shí),運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和方法解決實(shí)際問題。實(shí)踐表明,這種方法不僅提高了學(xué)生運(yùn)用C++語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的能力,而且加強(qiáng)了學(xué)生的工程實(shí)踐,取得了良好的教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞:C++程序設(shè)計(jì);工程實(shí)踐;實(shí)踐教學(xué);教學(xué)改革
C++程序設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)一門核心專業(yè)基礎(chǔ)課程,具有很強(qiáng)的實(shí)踐性,其主要目的是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用C++面向?qū)ο蟮募夹g(shù)和方法進(jìn)行基本程序設(shè)計(jì)的能力,是后續(xù)面向?qū)ο筌浖治?、設(shè)計(jì)等專業(yè)課程的重要基礎(chǔ)[1,2]。絕大多數(shù)高等院校在進(jìn)行面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)教學(xué)時(shí),采用了C++程序語言,不僅因?yàn)镃++具有歷史長(zhǎng)久、應(yīng)用廣泛、支持所有主流系統(tǒng),而且C++對(duì)于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的實(shí)現(xiàn)具有完整和嚴(yán)密的技術(shù)體系[2]。正是這一完整和嚴(yán)密的體系使得學(xué)生學(xué)習(xí)起來倍感困難,對(duì)于各類概念和方法,也難以掌握。
鑒于此,C++程序設(shè)計(jì)的實(shí)踐教學(xué)多以知識(shí)詮釋型、技術(shù)驗(yàn)證型、習(xí)題型的獨(dú)立小實(shí)驗(yàn)為主,最后輔以綜合性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,目的在于讓學(xué)生更好地理解基本概念和語法知識(shí),但學(xué)生的語言運(yùn)用能力卻未能自始至終地得到體現(xiàn)[3],造成很多學(xué)生只會(huì)看程序,卻不會(huì)寫程序的窘境。筆者通過分析《C++程序設(shè)計(jì)》實(shí)踐教學(xué)中存在的這些問題,提出了一種面向項(xiàng)目應(yīng)用的實(shí)踐教學(xué)模式,充分體現(xiàn)了課程的實(shí)踐性,而且對(duì)實(shí)踐教學(xué)的組織和考核也進(jìn)行了大膽的探索和改革,形成了較為完整的實(shí)踐教學(xué)體系。
結(jié)合C++程序設(shè)計(jì)課程特點(diǎn),以工程應(yīng)用為主線,采用循序漸進(jìn)的方式,對(duì)實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行了全新的設(shè)計(jì),摒除了驗(yàn)證型和知識(shí)型的實(shí)驗(yàn)。整個(gè)實(shí)踐教學(xué)體系以工程項(xiàng)目為主,突出實(shí)驗(yàn)的工程性與實(shí)踐性,將工程實(shí)踐、團(tuán)隊(duì)合作貫穿于整個(gè)教學(xué)過程[4]。其好處是不僅有效訓(xùn)練和提高學(xué)生的工程能力和設(shè)計(jì)能力,而且充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性和參與度。
1.1 選擇專業(yè)開發(fā)平臺(tái)
對(duì)計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)來說,C++程序設(shè)計(jì)無疑是最重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程,學(xué)生在學(xué)會(huì)基本程序設(shè)計(jì)方法的同時(shí),也要能運(yùn)用C++編程知識(shí)解決一些實(shí)際編程問題[5]。不僅如此,學(xué)生還應(yīng)該對(duì)計(jì)算機(jī)體系的操作和體會(huì)有一個(gè)更為深刻的認(rèn)識(shí)。鑒于此,試圖從以下幾個(gè)方面實(shí)踐教學(xué)體系進(jìn)行構(gòu)建。
由于Windows操作系統(tǒng)的易用性和界面的直觀性,使得Windows大行其道,深入人們?nèi)粘9ぷ骱蜕畹姆椒矫婷鎇6],高等學(xué)校的計(jì)算機(jī)教育也不例外。針對(duì)C++程序設(shè)計(jì)這門課程,絕大多數(shù)高校都是采用Windows平臺(tái)下的Visual C++編譯器作為開發(fā)平臺(tái)。
考慮到學(xué)生專業(yè)為計(jì)算機(jī)類,因此對(duì)開發(fā)平臺(tái)提出了更高的要求,經(jīng)過權(quán)衡,確定采用更為專業(yè)的Linux操作系統(tǒng),開發(fā)工具采用Code::Blocks或者vim和g++工具,其優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在:開源項(xiàng)目,不需要付費(fèi);學(xué)生盡早接觸更為專業(yè)的Linux平臺(tái)。
1.2 構(gòu)建基于項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
根據(jù)理論教學(xué)進(jìn)度,采用循序漸進(jìn)、逐步推進(jìn)的方式,構(gòu)建一個(gè)不同層次、階梯式的項(xiàng)目群。上一階段工程項(xiàng)目是在下一階段工程項(xiàng)目的基礎(chǔ)上,并且融入新的知識(shí)單元,形成一個(gè)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由模擬到真實(shí)的環(huán)環(huán)相扣的工程化培養(yǎng)過程。
1.2.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目總體結(jié)構(gòu)
在C++程序設(shè)計(jì)知識(shí)模塊結(jié)構(gòu)中,在重點(diǎn)知識(shí)單元設(shè)計(jì)專門的工程訓(xùn)練項(xiàng)目,并貫穿各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。隨著時(shí)間推移,項(xiàng)目中所涉及的C++內(nèi)容逐步增多。這種實(shí)踐結(jié)構(gòu)能很好地訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用C++解決實(shí)際工程問題的能力(如圖1所示)。
圖1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與C++知識(shí)的關(guān)系
實(shí)驗(yàn)教學(xué)所設(shè)計(jì)的工程訓(xùn)練項(xiàng)目以實(shí)際應(yīng)用為主,其目的在于:(1)讓學(xué)生在工程實(shí)踐中逐步掌握C++面向?qū)ο蟮幕A(chǔ)知識(shí);(2)通過工程項(xiàng)目訓(xùn)練讓學(xué)生更好地理解C++程序設(shè)計(jì)語言和C語言相比,其優(yōu)越性所在,如代碼復(fù)用、繼承、多態(tài)等;(3)培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐應(yīng)用和獨(dú)立解決實(shí)際問題的能力。
1.2.2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目學(xué)時(shí)安排與教學(xué)要求
所設(shè)計(jì)的5個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的具體要求和教學(xué)安排如下。
(1)小學(xué)生算術(shù)運(yùn)算練習(xí)軟件
課內(nèi)學(xué)時(shí):4學(xué)時(shí),課外學(xué)時(shí):3周(不少于12學(xué)時(shí))。
具體教學(xué)要求:①編寫一個(gè)小學(xué)生算術(shù)運(yùn)算練習(xí)軟件,每一道算式的要求是:完成加減乘除;加減為100以內(nèi)的數(shù);乘除為乘法表里的數(shù);被減數(shù)大于減數(shù);除法要求能整除;被乘數(shù)小于乘數(shù)。②程序能夠記錄做錯(cuò)的題目,并能在下一次做題時(shí),有針對(duì)地選擇上次的錯(cuò)題進(jìn)行專門練習(xí)。③每道算式出現(xiàn)是隨機(jī)的。④軟件界面要求直觀并便于操作。
(2)平面幾何圖形及關(guān)系
課內(nèi)學(xué)時(shí):4學(xué)時(shí),課外學(xué)時(shí):3周(不少于12學(xué)時(shí))。
具體教學(xué)要求:①定義四個(gè)類:Point,Line,Triangle,Quadrangle。Point功能:一是移動(dòng)一個(gè)點(diǎn);二是顯示一個(gè)點(diǎn);三是可計(jì)算這個(gè)點(diǎn)到原點(diǎn)的距離。②Line功能:一是計(jì)算點(diǎn)到直線的距離;二是直線的斜率;三是判斷兩條直線的關(guān)系:平行、相交(交點(diǎn)坐標(biāo))、垂直。③Triangle功能:一是三點(diǎn)能否構(gòu)成三角形;二是判斷三角形是等邊,等腰或者是直角;三是計(jì)算三角形的面積。④Quadrangle功能:一是判斷四點(diǎn)能否構(gòu)成四邊形,并判斷其是凹還是凸;二是判斷四邊形是否是等腰梯形;三是判斷四邊形是否是平行四邊形、菱形、矩形;四是計(jì)算四邊形的面積和周長(zhǎng)。
(3)快樂牧場(chǎng)游戲
課內(nèi)學(xué)時(shí):4學(xué)時(shí),課外學(xué)時(shí):3周(不少于12學(xué)時(shí))。
具體教學(xué)要求:①根據(jù)給定的牧場(chǎng)場(chǎng)景(牧場(chǎng)主、狼、牧羊、獵狗、狼狗、奶牛),構(gòu)建牧場(chǎng)的類層次結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)農(nóng)場(chǎng)管理,模擬快樂牧場(chǎng)游戲。②必須使用虛基類和虛函數(shù)。③使用繼承和多態(tài)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的靈活性和多樣性。
(4)課題研討
課內(nèi)學(xué)時(shí):4學(xué)時(shí),課外學(xué)時(shí):1周。
具體教學(xué)要求:①在教學(xué)組織中,打破傳統(tǒng)的以教師為主導(dǎo)的教學(xué)模式,采用以學(xué)生為主導(dǎo)的自主學(xué)習(xí)方式,充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。②學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)和查閱資料,完成一個(gè)主題的探討和研究。③學(xué)習(xí)討論的主題范圍必須是課堂上所沒有學(xué)習(xí)過的,以保證學(xué)習(xí)過程的探究性和學(xué)習(xí)內(nèi)容的新穎性。④學(xué)習(xí)過程仍以小組進(jìn)行,結(jié)束時(shí),每個(gè)小組輪流向全班學(xué)生交流分享。
(5)綜合項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)
課內(nèi)學(xué)時(shí):4學(xué)時(shí),課外學(xué)時(shí):3周(不少于12學(xué)時(shí))。
具體教學(xué)要求:①利用所學(xué)的C++知識(shí),編寫一款軟件,解決個(gè)人生活碰到的實(shí)際問題,題目自定。②項(xiàng)目必須要有應(yīng)用價(jià)值,解決某個(gè)實(shí)際問題。③必須應(yīng)用所學(xué)的面向?qū)ο蟮木幊谭椒ê图记?。④要有較為規(guī)范的軟件文檔(問題描述、問題分析、軟件設(shè)計(jì)、測(cè)試及應(yīng)用)。
1.3 面向應(yīng)用課程設(shè)計(jì)在課程結(jié)束,一般都需要安排為期1周到2周的課程設(shè)計(jì),用專門時(shí)間進(jìn)一步鞏固知識(shí),提高學(xué)生運(yùn)用C++面向?qū)ο蠹夹g(shù)解決問題的能力[7]。為了和工程應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)體系配套,課程設(shè)計(jì)選題也是以實(shí)際應(yīng)用為主,避免空泛課題,具體選題如表1所示。
表1 面向應(yīng)用的課程設(shè)計(jì)選題表
在課程設(shè)計(jì)中,對(duì)每一個(gè)題目都提出下列的基本要求。
(1)要求利用面向?qū)ο蟮姆椒ㄒ约癈++的編程思想來完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
(2)要求在設(shè)計(jì)的過程中,突出C++語言的類和對(duì)象的特征,以多個(gè)類實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)子功能的封裝;至少定義4個(gè)類,每個(gè)類包含各自的屬性和方法,完成類的詳細(xì)定義,并建立清晰的類層次;對(duì)于復(fù)雜算法要求畫出清晰的程序流程圖。
(3)進(jìn)行界面設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)和用戶的友好交互。
(4)所有數(shù)據(jù)和信息均需要保存在磁盤文件中。
確定了以工程應(yīng)用為主線的實(shí)踐教學(xué)體系后,在實(shí)施和考核環(huán)節(jié)中也要采用相應(yīng)的工程化和系統(tǒng)化的方法,才能達(dá)到理想的教學(xué)效果。既可以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)踐的主動(dòng)性和積極性,又可以讓學(xué)生將所學(xué)運(yùn)用于實(shí)踐,在實(shí)踐中鞏固和提高所學(xué)知識(shí)和技能[7,8]。為培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用面向?qū)ο笾R(shí)分析和解決實(shí)際問題的能力提供有效的途徑和檢驗(yàn)手段。
2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施
在實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)中,為了讓學(xué)生對(duì)軟件開發(fā)規(guī)范化方法、軟件開發(fā)流程、團(tuán)隊(duì)合作、文檔寫作與成果展示、口頭書面交流等工程實(shí)踐環(huán)節(jié)有一個(gè)初步的體驗(yàn)和認(rèn)識(shí),對(duì)傳統(tǒng)一人一題的封閉式做法進(jìn)行變革,采用多人共同完成一個(gè)小型課題的方式,時(shí)間分配上也不拘泥于課堂學(xué)習(xí),給學(xué)生以充分的信任和自主,以鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)和工程能力。
2.1.1 以自由分組形成工程化團(tuán)隊(duì)
在實(shí)施過程中,采用項(xiàng)目化管理。項(xiàng)目實(shí)施以小組進(jìn)行,每組推選組長(zhǎng)1名,成員3~5人,成員之間要有明確的任務(wù)和分工。在實(shí)施不同項(xiàng)目時(shí),各個(gè)小組必須進(jìn)行重新劃分,保證學(xué)生在不同的項(xiàng)目中可以擔(dān)任不同的角色,擴(kuò)展學(xué)生交流和溝通的范圍,以訓(xùn)練每個(gè)成員的溝通能力。項(xiàng)目組長(zhǎng)負(fù)責(zé)項(xiàng)目進(jìn)度、成員分工、成員考核以及項(xiàng)目質(zhì)量。項(xiàng)目的考評(píng)也是以項(xiàng)目組為單位,也就是分級(jí)考評(píng)。
2.1.2 教學(xué)模式采用課堂與課外相結(jié)合
受翻轉(zhuǎn)課堂的啟發(fā),該實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用課內(nèi)和課外相結(jié)合的方式,不僅解決了C++程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)緊張的問題,而且充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性。
(1)課堂的任務(wù)是下達(dá)任務(wù)、分析設(shè)計(jì)、輔導(dǎo)答疑和項(xiàng)目驗(yàn)收。
(2)課后的任務(wù)是項(xiàng)目的編碼、測(cè)試、總結(jié)和報(bào)告編寫。
2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核
在構(gòu)建實(shí)踐教學(xué)考核體系之前,首先需要明確評(píng)價(jià)的目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn),才能采用更為有效的方式對(duì)教學(xué)目的和效果進(jìn)行評(píng)價(jià)?;诠こ虘?yīng)用的實(shí)踐教學(xué),評(píng)價(jià)考核的目的在于檢驗(yàn)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決問題的程度和能力[4,9],而不是知識(shí)記憶。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是知識(shí)的運(yùn)用、工程化、規(guī)范化的程度以及項(xiàng)目的應(yīng)用價(jià)值等因素。
2.2.1 考核內(nèi)容
考核的主要內(nèi)容包括:程序功能是否完善、有沒有創(chuàng)新和創(chuàng)意、程序代碼是否正確、代碼結(jié)構(gòu)是否清晰、編程風(fēng)格是否規(guī)范、陳述和表達(dá)是否清楚、對(duì)程序代碼的理解是否正確、對(duì)C++基礎(chǔ)知識(shí)是否掌握、軟件界面是否友好、程序注釋是否明了以及教師隨機(jī)提問等方面。
2.2.2 考核方式
工程實(shí)踐以學(xué)生演示和答辯為依據(jù),從工作量、實(shí)用性、創(chuàng)新性、合作性和規(guī)范性等多個(gè)角度進(jìn)行考核。根據(jù)項(xiàng)目類別和規(guī)模的不同,考核方式主要采用以下3種方式。
(1)陳述答辯
由任課教師以答辯形式檢查和驗(yàn)收學(xué)生小組的項(xiàng)目,主要考查學(xué)生工程能力、知識(shí)綜合運(yùn)用以及解決實(shí)際問題的能力。
(2)作品演示
每個(gè)項(xiàng)目組向全體學(xué)生演示所完成的項(xiàng)目作品,主要考查作品的設(shè)計(jì)思路和主要算法以及作品的可用性、新穎性以及應(yīng)用價(jià)值。
(3)學(xué)生主導(dǎo)的討論
學(xué)生主導(dǎo)的討論以任課教師評(píng)判為主,從內(nèi)容的透徹性、實(shí)用性、條理性以及表現(xiàn)的活潑性等方面進(jìn)行考評(píng)。
2.2.3 考核管理
借鑒項(xiàng)目管理中的考評(píng)方法,實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定采用分級(jí)方式,一方面符合工作實(shí)際,另一方面減少了任課教師的工作量。具體來說,分為兩個(gè)級(jí)別:(1)組長(zhǎng)/項(xiàng)目考核。由任課教師對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)定,并作為組長(zhǎng)成績(jī)。(2)成員考核。由各小組長(zhǎng)根據(jù)組內(nèi)成員的表現(xiàn)給出每個(gè)人的成績(jī)權(quán)值,組長(zhǎng)權(quán)值為1,其余成員權(quán)值不能高于組長(zhǎng)。
在實(shí)踐課程考核上,通過加大實(shí)踐的過程和能力考核力度,完善考核體系,建立以培養(yǎng)學(xué)生工程和實(shí)踐能力為主的教學(xué)評(píng)價(jià)體系,重點(diǎn)突出能力考核以及考核形式的多樣性,體現(xiàn)考核的客觀性和公正性。通過多元化考核,可以激勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性,全面提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。
通過調(diào)查問卷、學(xué)生座談、課程考核等多種途徑,反映了該實(shí)踐教學(xué)體系的合理性和實(shí)用性,達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)效果。在課題項(xiàng)目實(shí)施以來,學(xué)生對(duì)C++的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果明顯提高。特別是解決了教學(xué)中學(xué)生只會(huì)看程序不會(huì)寫程序的問題,在不斷的項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)踐中,學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握也越來越牢固,解決問題的能力也是越來越強(qiáng)。
在新構(gòu)建的實(shí)踐教學(xué)體系中,通過強(qiáng)化工程應(yīng)用、突出工程實(shí)踐、加強(qiáng)實(shí)踐考核,使學(xué)生在應(yīng)用技術(shù)和方法的同時(shí)逐步掌握C++面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的基本原理、概念和方法。沿著分層次工程應(yīng)用的主線,學(xué)生從基本的結(jié)構(gòu)化問題到復(fù)雜的面向?qū)ο髴?yīng)用項(xiàng)目,在不斷的應(yīng)用實(shí)踐中,不僅掌握了C++語言的基本知識(shí)、原理和方法,而且掌握了C++面向?qū)ο蟪绦虻脑O(shè)計(jì)過程和方法,具備一定的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)能力和運(yùn)用C++解決實(shí)際問題的能力。當(dāng)然,文中所提出的體系和模式并不是完美無缺的,只是作者實(shí)踐的積累和總結(jié),教師還可根據(jù)學(xué)生實(shí)際情況和自身教學(xué)需要,增加和完善工程應(yīng)用項(xiàng)目,以培養(yǎng)基礎(chǔ)理論和工程實(shí)踐都合格的應(yīng)用型計(jì)算機(jī)技術(shù)人才。
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Probing into Engineering-oriented Practical Teaching for the Course of C++ Programming
Zhang Xiaomin, Zhang Feng, Li Bo
School of Software, Nanyang Institute of Technology, Nanyang, 473004, China
Abstract:C++ programming is one of the most important basic specialty courses of the computer-related majors in applied universities and it can directly impact on the study of the follow-up specialty courses and the corresponding professional competence acquisition. Currently, the experimental teaching of C++ programming are mainly classified by verified experiments and basic exercises, which may cause a critical problem that it is difficult to stimulate student interest with the lack of engineering training. To this end, project-based and application-oriented experiment system based on engineering has been designed, and teaching and assessment methods involve integrating intra-curricular and extra-curricular, combining teacher check-passing and students’ defense, and so on. In addition, students can acquire knowledge with the practical course-designing projects, and also apply such knowledge and methods to solve practical problems. Practices show that this approach not only improves the ability of students to use the C++ programming language but also strengthens the students' engineering practice. Both teacher and students are satisfied with the teaching results.
Key words:C++ programming; engineering practice; practical teaching; teaching reform
收稿日期:2015-09-27
作者簡(jiǎn)介:張曉民,本科,副教授。張楓,碩士,講師。李博,碩士,講師。
基金項(xiàng)目:南陽理工學(xué)院C++專業(yè)核心課程教學(xué)改革專項(xiàng)研究課題(編號(hào):NIT2014BKHX-10)。