計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言類(lèi)課程教學(xué)改革的思考

江南+王春枝+康瑞華

摘 要：針對(duì)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言類(lèi)課程體系設(shè)置單一、教學(xué)過(guò)程較為僵化、重技能而輕計(jì)算思維等問(wèn)題，提出增加函數(shù)式編程語(yǔ)言課程、適當(dāng)調(diào)整課程內(nèi)容的講授次序、積極引導(dǎo)學(xué)生深入理解程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言等措施。

關(guān)鍵詞：程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言；課程體系；教學(xué)過(guò)程；計(jì)算思維

文章編號(hào)：1672-5913（2017）05-0042-03

中圖分類(lèi)號(hào)：G642

1 程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言類(lèi)課程的教學(xué)現(xiàn)狀及問(wèn)題

計(jì)算機(jī)學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)更新快，其中，程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言在短短的幾十年間經(jīng)歷了較大變化。語(yǔ)言類(lèi)課程是計(jì)算機(jī)學(xué)科的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，其學(xué)習(xí)效果直接影響其他后續(xù)課程。當(dāng)前語(yǔ)言類(lèi)課程教學(xué)主要面臨以下問(wèn)題。

1.1 課程體系設(shè)置單一

國(guó)內(nèi)高校計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言類(lèi)課程大多是過(guò)程式或者面向?qū)ο蟮拿钍骄幊陶Z(yǔ)言，課程體系設(shè)置單一。不可否認(rèn)，這類(lèi)語(yǔ)言無(wú)論是從學(xué)科性還是有用性上講，都是合適的。然而，程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言不僅僅是這類(lèi)命令式語(yǔ)言，它還包括如ML、Haskell這樣經(jīng)典的函數(shù)式編程語(yǔ)言，或者如兼顧面向?qū)ο蠛秃瘮?shù)式的Scala語(yǔ)言等。從某種意義上講，函數(shù)式編程能夠更大程度地鍛煉計(jì)算思維[1]。在多核并行程序設(shè)計(jì)已經(jīng)被推到前沿的今天，命令式編程語(yǔ)言天生的缺陷使得構(gòu)造并行編程模型變得非常復(fù)雜，而函數(shù)式編程在經(jīng)歷數(shù)十年的發(fā)展之后，終于不再局限于實(shí)驗(yàn)室的理論研究。事實(shí)上，如果不懂得函數(shù)式編程，Google不可能創(chuàng)造出MapReduce。

1.2 教學(xué)過(guò)程僵化

程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言類(lèi)課程的傳統(tǒng)講授是按照編程語(yǔ)言類(lèi)教材的典型撰寫(xiě)次序，先講常量、變量、數(shù)據(jù)類(lèi)型等，再講表達(dá)式、語(yǔ)句等，再比較復(fù)雜的語(yǔ)言特點(diǎn)，這些花費(fèi)了較多時(shí)間，最后可能不再有多余的時(shí)間剖析該語(yǔ)言的內(nèi)建庫(kù)函數(shù)或者類(lèi)，更少涉及該門(mén)課程與后續(xù)課程的銜接關(guān)系。這種傳統(tǒng)的講授方式針對(duì)第一門(mén)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言課程的教學(xué)，特別對(duì)那些沒(méi)有接觸過(guò)編程語(yǔ)言的學(xué)生來(lái)講，可能是一種較好的方式[2]。然而，對(duì)于第二門(mén)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的授課，按照這種按部就班的教學(xué)過(guò)程推進(jìn)教學(xué)進(jìn)度時(shí)，由于在較長(zhǎng)一段教學(xué)活動(dòng)中所講授的都是孤立的語(yǔ)法點(diǎn)，學(xué)生看不到一個(gè)較為完整的應(yīng)用實(shí)例，也不了解這門(mén)課程與其他課程之間的貫通，容易產(chǎn)生厭學(xué)的心理，也很難體會(huì)程序語(yǔ)言的設(shè)計(jì)藝術(shù)。

1.3 重編程技能，輕計(jì)算思維

針對(duì)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言類(lèi)課程實(shí)踐性特別強(qiáng)的特點(diǎn)，許多教改措施都是針對(duì)如何提高學(xué)生的工程應(yīng)用實(shí)踐技能的[2-3]，如采用案例化、任務(wù)驅(qū)動(dòng)、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)等方式。編程技術(shù)固然重要，然而計(jì)算思維比單純技術(shù)更加重要。培養(yǎng)學(xué)生以計(jì)算機(jī)的方式進(jìn)行思考和解決問(wèn)題，讓他們認(rèn)識(shí)到程序是思想的表現(xiàn)形式，最終能夠通過(guò)語(yǔ)言來(lái)表達(dá)思考與設(shè)計(jì)，并能理解這門(mén)語(yǔ)言設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的長(zhǎng)處、不足、限制等。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，需要引導(dǎo)學(xué)生深入理解編程語(yǔ)言本身。

2 教學(xué)改革措施

2.1 增設(shè)函數(shù)式編程語(yǔ)言課程

函數(shù)式編程模型早在面向?qū)ο蟾拍畛霈F(xiàn)之前就已經(jīng)存在了，它的核心是lambda演算。由于其語(yǔ)法不如命令式語(yǔ)言的語(yǔ)法直觀易懂，許多初次接觸函數(shù)式編程的人常常不知所措，會(huì)覺(jué)得難以理解。然而，這種難以理解性與熟悉程度相關(guān)。近20年的課程改革中，因?yàn)榉N種原因，程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言類(lèi)課程體系幾乎完全拋棄了函數(shù)式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。如今，多核時(shí)代的興起，函數(shù)式程序代碼的簡(jiǎn)潔性使得它在并發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域綻放光彩。雖然實(shí)用性是我們應(yīng)當(dāng)考慮的一個(gè)方面，但是從培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維以及從編程語(yǔ)言本身的研究方面，增設(shè)函數(shù)式編程語(yǔ)言課程是很有必要的。

常用的函數(shù)式編程語(yǔ)言或者具備函數(shù)式編程語(yǔ)言特點(diǎn)的編程語(yǔ)言包括Haskell、ML、OCaml 、Scala等。依據(jù)需要可以選擇不同的函數(shù)式編程語(yǔ)言：如果傾向于編程語(yǔ)言本身的理解，可以選擇純函數(shù)式的ML、Haskell，或者OCaml；如果傾向于并行分布式程序的開(kāi)發(fā)，可以選擇結(jié)合了面向?qū)ο蠛秃瘮?shù)式特點(diǎn)的Scala語(yǔ)言，它兼容Java。此外，Java 8的lambda表達(dá)式也是一個(gè)不錯(cuò)的學(xué)習(xí)函數(shù)式編程的選擇。

2.2 適當(dāng)調(diào)整講授內(nèi)容的次序

以Java程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的教學(xué)為例，按照常規(guī)教材的編寫(xiě)次序，Java的教學(xué)內(nèi)容通常是先講變量、類(lèi)型、表達(dá)式和語(yǔ)句，然后是數(shù)組，接著是類(lèi)和對(duì)象、繼承等。在實(shí)踐中我們對(duì)講授內(nèi)容的次序進(jìn)行了調(diào)整：在對(duì)Java語(yǔ)言作了初步介紹之后，緊接著講解對(duì)象的創(chuàng)建和使用，見(jiàn)表1。表1第2行的內(nèi)容不再放在講解了類(lèi)的定義之后。這個(gè)調(diào)整出于兩方面的考慮：一方面，讓學(xué)生盡快建立對(duì)象的概念，知道怎么使用對(duì)象；另一方面，數(shù)組在Java程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言中視為對(duì)象，因此，講解了如何使用對(duì)象之后有利于數(shù)組的講解。而類(lèi)的定義涉及較多語(yǔ)法知識(shí)，在講解了如何使用對(duì)象、變量、類(lèi)型、表達(dá)式和語(yǔ)句之后，引導(dǎo)學(xué)生考慮這個(gè)問(wèn)題——我們能不能按照自己的設(shè)計(jì)來(lái)創(chuàng)建對(duì)象呢，于是開(kāi)始講解類(lèi)的定義，見(jiàn)表1第5行。

為了講解如何使用對(duì)象，首先選擇兩個(gè)常用的Java內(nèi)建類(lèi)——字符串String和System，針對(duì)已經(jīng)學(xué)習(xí)了C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的學(xué)生，從教學(xué)效果上看，盡管學(xué)生還沒(méi)有接觸到Java的各種語(yǔ)法規(guī)則，但是他們?nèi)匀唤邮芰恕皩?duì)象”這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的講授。更重要的是，他們建立了對(duì)象的初步印象，了解了Java與C的不同，并在一定程度上激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

由于Java程序需要使用標(biāo)準(zhǔn)輸出流的方法System.out.print（）用于輸出程序的運(yùn)行結(jié)果，學(xué)生就問(wèn)：Java程序怎么輸入呢？此時(shí)，對(duì)輸入輸出流進(jìn)行較為完整的講解顯然不合適，在講解使用對(duì)象時(shí)，我們進(jìn)一步講解如何使用Java的字符緩沖輸入流類(lèi)BufferedReader，直接給出如下板書(shū)：

BufferedReader br = new BufferedReader（

//BufferedReader需要一個(gè)Reader類(lèi)型的參數(shù)

//InputStreamReader就是一個(gè)Reader

new InputStreamReader（

//InputStreamReader需要一個(gè)InputStream類(lèi)型的參//數(shù)，System.in就是一個(gè)InputStream

System.in））；// System.in用于接受鍵盤(pán)的輸入

br.readLine（）； //BufferedReader的readLine

//方法讀入一行

以上這段代碼稍顯復(fù)雜，學(xué)生在課余可以仔細(xì)研究并進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)踐表明，這些Java常用內(nèi)建類(lèi)的使用在教學(xué)初期給出時(shí)，不但沒(méi)有造成學(xué)生的困惑和畏懼，反而提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

2.3 引導(dǎo)學(xué)生深入理解程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言

程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言類(lèi)課程對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維非常重要，需要學(xué)生深入理解程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言本身的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，而不僅僅是學(xué)習(xí)單純的語(yǔ)法。

通常學(xué)生因其視野的局限性和課時(shí)的限制，無(wú)法深入學(xué)習(xí)一門(mén)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。教師在授課時(shí)應(yīng)該找機(jī)會(huì)引導(dǎo)學(xué)生去深入理解。通常，語(yǔ)言設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)者提供了API文檔和源碼，這些是深入理解一門(mén)編程語(yǔ)言最直接也是非常好的參考資料。如果學(xué)生能夠養(yǎng)成查看API的習(xí)慣，無(wú)疑能夠促進(jìn)對(duì)語(yǔ)言的認(rèn)識(shí)和理解。以引用類(lèi)型變量的講解為例，假設(shè)變量p引用的是一個(gè)Person類(lèi)型的對(duì)象，變量s引用的是一個(gè)String字符串對(duì)象。System.out.print（p）輸出結(jié)果是代表對(duì)象地址的哈希碼，而System.out.print（s）輸出了一個(gè)字符串。這是為什么呢？同時(shí)，有學(xué)生就會(huì)提出疑問(wèn)：System.out.print（p）是否可以直接輸出p所引用的Person對(duì)象的成員值，如姓名和年齡等，而System.out.print（s）是否可以輸出這個(gè)字符串對(duì)象的地址哈希值？在這個(gè)過(guò)程中，可以引導(dǎo)學(xué)生逐步查找對(duì)應(yīng)的API，如圖1所示。最后可以進(jìn)一步查看Object類(lèi)和String類(lèi)對(duì)應(yīng)方法的實(shí)現(xiàn)源碼。知道了這個(gè)思路后，學(xué)生豁然開(kāi)朗，開(kāi)始著手解決問(wèn)題。

在教學(xué)實(shí)踐中，我們常常鼓勵(lì)學(xué)生按照這種方法去找解決思路，而不是直接給出答案。得益于Java的開(kāi)源，在Java程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的教學(xué)活動(dòng)中，我們也鼓勵(lì)學(xué)生查看javac編譯器或者JVM的即時(shí)編譯器的實(shí)現(xiàn)源碼。學(xué)生通過(guò)這種學(xué)習(xí)方式，在長(zhǎng)期使用一門(mén)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言后，最終能夠駕馭語(yǔ)言，表達(dá)類(lèi)似計(jì)算機(jī)方式的思考與設(shè)計(jì)。

3 結(jié) 語(yǔ)

在兼顧學(xué)科性和社會(huì)有用性方面，我們一直致力于計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言類(lèi)課程的教學(xué)改革。結(jié)合教學(xué)實(shí)踐以及對(duì)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言類(lèi)課程如何開(kāi)展教學(xué)的長(zhǎng)期思考，我們針對(duì)存在的問(wèn)題，給出了相應(yīng)的解決辦法，并作了初步嘗試，取得了一定的效果。程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言類(lèi)課程的教學(xué)任重道遠(yuǎn)，我們應(yīng)該投入熱情，積極摸索和實(shí)踐，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，使程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言類(lèi)課程體系更趨于合理，不斷提高教學(xué)質(zhì)量。

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（編輯：彭遠(yuǎn)紅）