新工科背景下非計算機專業(yè)開設(shè)Lua語言程序設(shè)計的探討

丁凱孟　吳杰　陳文君

摘要：新工科要求非計算機專業(yè)的學(xué)生具有較高創(chuàng)新能力，能夠?qū)?fù)雜問題進行預(yù)測、模擬和求解，因此程序設(shè)計課程的重要性更為凸顯。但是，非計算機專業(yè)學(xué)生面臨著程序設(shè)計基礎(chǔ)相對薄弱等問題。本文結(jié)合新工科理念與Lua語言的優(yōu)勢，針對非計算機專業(yè)的程序設(shè)計課程中面臨的問題，從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法三個方面探討了“新工科”工程教育模式下非計算機專業(yè)開設(shè)Lua語言程序設(shè)計課程的問題。

關(guān)鍵詞：Lua語言；新工科；非計算機專業(yè)；程序設(shè)計

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）49-0252-03

一、引言

隨著新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)等新經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，為深化工程教育改革，推進新工科的建設(shè)與發(fā)展，教育部在2017年上半年發(fā)布了《關(guān)于開展“新工科”研究與實踐的通知》。新工科旨在培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型的卓越工程人才，以應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)革命。新工科是有別于傳統(tǒng)工科的學(xué)科交叉產(chǎn)物，與傳統(tǒng)教學(xué)模式最大的區(qū)別在于其更加注重對學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)，要求學(xué)生具有對復(fù)雜問題進行預(yù)測、模擬和求解的能力。

新工科強調(diào)以信息化帶動工業(yè)化，要求學(xué)生掌握更高的創(chuàng)新能力、跨界整合能力，尤其注重信息技術(shù)、電子技術(shù)等新技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)的緊密結(jié)合。在此背景下，計算機程序設(shè)計能力的培養(yǎng)對于非計算機專業(yè)學(xué)生愈發(fā)重要：一方面，程序設(shè)計能力的培養(yǎng)能夠鍛煉學(xué)生的邏輯思維能力、實際問題的分析能力；另一方面，新工科強調(diào)學(xué)科的實用性、交叉性與綜合性，程序設(shè)計能力的培養(yǎng)能夠提高非計算機專業(yè)學(xué)生的信息處理水平與計算機應(yīng)用能力，方便學(xué)生進行跨領(lǐng)域的研究實踐。

但是，很多非計算機專業(yè)的學(xué)生并沒有掌握較為全面的計算機基礎(chǔ)知識，對計算機程序設(shè)計的相關(guān)概念也較為模糊，再加上受學(xué)時限制，因此，系統(tǒng)學(xué)好一門編程語言對于非計算機專業(yè)的學(xué)生難度相對較大。此外，不同學(xué)校、不同專業(yè)對程序設(shè)計的要求也不盡相同。所以，程序設(shè)計課程的教學(xué)改革關(guān)鍵就在于選擇一種既簡單易學(xué)，又能夠方便地結(jié)合不同專業(yè)領(lǐng)域的程序設(shè)計語言。Lua語言具有簡單易學(xué)、方便擴展功能等優(yōu)點，能夠很好地滿足上述要求。

本文針對非計算機專業(yè)程序設(shè)計課程中面臨的問題，結(jié)合新工科理念與Lua語言的優(yōu)勢，探討新工科工程教育模式下非計算機專業(yè)開設(shè)Lua語言程序設(shè)計的若干問題。

二、非計算機專業(yè)程序設(shè)計課程面臨的問題

由于新工科強調(diào)學(xué)科的實用性和交叉性，注重在傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)上應(yīng)用軟件設(shè)計、信息通信等新技術(shù)，使得程序設(shè)計在非計算機專業(yè)的教學(xué)體系中占有重要地位。實際上，在計算機飛速發(fā)展的大背景下，我國高校普遍針對非計算機專業(yè)開設(shè)程序設(shè)計課程，所采用的程序設(shè)計語言以C語言、VB以及Java為主，但是，新工科背景下，上述編程語言存在一定局限性。

第一，C語言更接近計算機底層，開發(fā)出的程序更為高效。但是，C語言作為一種面向過程的語言，其語法晦澀嚴(yán)苛，程序編寫過程中容易出錯，一般需要較多時間用于調(diào)試代碼。而且，C語言的數(shù)據(jù)類型相對不夠完善，例如，缺乏布爾類型、時間類型等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。此外，C語言開發(fā)需要程序員自行設(shè)計許多基本功能，工作量較大，難度也相對較高。

第二，VB也被國內(nèi)很多院校作為程序設(shè)計課程的主語言，其優(yōu)勢在于難度較低、面向?qū)ο?、可視化的集成開發(fā)環(huán)境等。但是，VB僅適用于Windows系統(tǒng)，不具有跨平臺性，具有較大局限性。而且，VB編寫的程序代碼運行效率低，速度相對較慢。更為關(guān)鍵的是，VB已經(jīng)長期沒有更新，難以適應(yīng)時代發(fā)展。因此，VB不適合學(xué)生的長遠(yuǎn)發(fā)展。

第三，Java是面向?qū)ο蟮某绦蛘Z言，具有很好的跨平臺性、可靠性和安全性，主要用于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序開發(fā)。但是，Java本身重點關(guān)注代碼復(fù)用性和可移植性，對于非計算機專業(yè)學(xué)生而言，工作后應(yīng)用Java的場景較少，且學(xué)習(xí)成本也相對較高。此外，在動態(tài)性、開發(fā)效率等方面，Java不如Python、Lua等腳本語言。

總之，非計算機學(xué)生的專業(yè)各不相同，學(xué)習(xí)程序設(shè)計語言的目標(biāo)有所差別，思維方式也相差較大。在新工科強調(diào)培養(yǎng)適應(yīng)新時代、新技術(shù)創(chuàng)新人才的背景下，C語言、VB以及Java等傳統(tǒng)教學(xué)語言過分強調(diào)語法，已經(jīng)不能滿足需要。

三、Lua語言概述

Lua語言是一種高效、輕型的腳本語言，幾乎兼容所有的操作系統(tǒng)。和Python、Perl等腳本語言一樣，Lua語言是一種解釋類語言，不需要編譯和鏈接，而且支持動態(tài)類型語言。Lua語言可以與其他語言相互調(diào)用，尤其是與C/C++整合，能夠滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。目前，Lua語言已經(jīng)在游戲開發(fā)、圖像信息處理、分布式控制與應(yīng)用、生物信息學(xué)等領(lǐng)域中得到了較為廣泛的應(yīng)用。

（一）Lua語言的特點

與C/C++、Java等相比，Lua語言沒有復(fù)雜的語法，與自然語言較為接近，學(xué)習(xí)成本較低。對于沒有編程經(jīng)驗的學(xué)生來說，Lua語言較易上手，學(xué)生無需糾結(jié)零碎的語法細(xì)節(jié)和程序編寫方式，能夠更快地抽象問題并提出解決方案。而且，Lua有數(shù)量眾多的擴展包，通過加載擴展包來實現(xiàn)不同的功能。此外，Lua還具有卓越的可擴展性：由宿主語言（C/C++、Java等）提供額外的復(fù)雜功能，再由Lua調(diào)用相應(yīng)的接口。Lua語言還具有很好的跨平臺性，幾乎可以在所有操作系統(tǒng)和平臺上編譯、運行。

與Python、Perl等腳本語言相比，Lua語言同樣具備很多優(yōu)點。

1.更為小巧。Lua本身較為小巧，Lua5.3的所有C源碼只有2.4萬行，編譯后的二進制包只有200KB；而Python的C源碼則高達54萬行，即使不含Module也有約17萬行C源碼。

2.更為高效。與Ruby、Python、JS等其他腳本語言相比，Lua運行時速度更快，而且占用內(nèi)存較少。

3.更加簡單易學(xué)。Lua語法基礎(chǔ)比較簡單，比較容易上手。與Python相比，Lua不需要強制用空白符作為語句縮進。

總之，與Python、Perl等其他腳本語言相比，除了第三方模塊沒有Python那么豐富外，Lua幾乎具有它們的全部優(yōu)點，而且更為高效。

（二）Lua語言的基本數(shù)據(jù)類型

在Lua語言中，變量在使用前不需要提前聲明，直接為變量賦值即可，其類型決定于用戶賦值的類型，而且變量的類型可變。

Lua的基本數(shù)據(jù)類型有6種：nil、boolean、number、string、function和table。

1.nil類型：表示沒有任何有效值，給一個變量賦值為nil，相當(dāng)于釋放該變量。

2.boolean類型：該類型與C++和Java中的bool類型相似，只有兩個值true或false。

3.number類型：默認(rèn)情況下，表示雙精度類型的實浮點數(shù)。

4.string類型：即字符串類型，可以由一對雙引號表示，也可以由一對單引號來表示。

5.function類型：函數(shù)類型，可以由C語言或者Lua編寫。

6.table類型：關(guān)系表類型，可以當(dāng)作數(shù)組使用，數(shù)組的索引可以是數(shù)字或者是字符串。

四、Lua語言應(yīng)用于非計算機專業(yè)教學(xué)中的探討

新工科背景下的教學(xué)改革，首要目標(biāo)是促進學(xué)生全面發(fā)展，在此基礎(chǔ)上，還要滿足學(xué)生未來發(fā)展的需要。Lua語言能夠很好地滿足新工科背景下非計算機專業(yè)的程序設(shè)計課程的教學(xué)改革要求。

Lua語言優(yōu)點雖多，但其本身卻不是一種為大眾熟知的編程語言，而且使用Lua語言的程序設(shè)計教學(xué)經(jīng)驗相對匱乏。本文結(jié)合Lua語言的優(yōu)勢，從以下幾個方面進行相關(guān)探索。

（一）明確教學(xué)目標(biāo)

對于非計算機專業(yè)的學(xué)生而言，編程能力的培養(yǎng)不僅是為了提高學(xué)生的計算機應(yīng)用能力，還要培養(yǎng)學(xué)生的編程思想以及分析問題、解決問題的能力。選擇Lua語言作為非計算機專業(yè)的程序設(shè)計教學(xué)語言，優(yōu)勢在于Lua的學(xué)習(xí)成本較低、運行效率較高，Lua的功能更容易擴展，以解決具體行業(yè)面對的實際問題。

但是，不同工科專業(yè)對程序設(shè)計要求掌握的深度不同，因此，教學(xué)目標(biāo)需要明確。Lua語言程序設(shè)計的教學(xué)目標(biāo)包括以下幾個方面。

1.使學(xué)生掌握Lua語言的基本概念與基本語法，包括數(shù)據(jù)類型、數(shù)值運算、語句塊、函數(shù)等。

2.使學(xué)生掌握基于Lua語言的常用算法，以排序問題為例，學(xué)生應(yīng)掌握至少一種或幾種基本的排序算法，如冒泡排序、選擇排序等。

3.訓(xùn)練學(xué)生對一般問題的建模能力，并能夠使用Lua語言解決問題。

4.結(jié)合專業(yè)特點進行教學(xué)，使學(xué)生掌握第三方類庫的使用，如通信工程專業(yè)重點介紹科學(xué)計算模塊庫，建筑學(xué)專業(yè)重點介紹計算機輔助設(shè)計類模塊。

5.使學(xué)生掌握通過C/C++等宿主語言擴展Lua功能的能力。需要說明的是，不同的工科專業(yè)，可以視專業(yè)情況而決定是否需要達到這一教學(xué)目標(biāo)。

（二）結(jié)合具體專業(yè)來規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容

Lua程序設(shè)計的基本教學(xué)內(nèi)容包括以下方面。

1.基本數(shù)據(jù)類型，包括nil、boolean、number、string等。

2.程序流程控制，包括順序、選擇、循環(huán)等控制結(jié)構(gòu)。Lua語言中的選擇結(jié)構(gòu)包括if語句、if...else語句、if嵌套語句等，循環(huán)結(jié)構(gòu)包括while循環(huán)、for循環(huán)、repeat...until循環(huán)以及嵌套循環(huán)等。

3.table，包括table的構(gòu)造、table操作、table連接、table插入和移除等。

4.函數(shù)，包括函數(shù)定義、函數(shù)的參數(shù)傳遞與返回值、變量作用域等。

5.Lua模塊與包，包括加載模塊、加載機制等。

6.Lua文件I/O，包括簡單模式與完全模式。

關(guān)于Lua語言程序設(shè)計的教學(xué)學(xué)時，不同學(xué)校、專業(yè)的要求不同，學(xué)時也可以不同（如32學(xué)時或者48學(xué)時）。但僅僅利用上課時間并不能達到最佳的學(xué)習(xí)效果，所以教師應(yīng)當(dāng)結(jié)合專業(yè)實際需求安排一定的編程習(xí)題或者相關(guān)案例，供學(xué)生在課下進行編程練習(xí)。

（三）教學(xué)方法

Lua語言與傳統(tǒng)的C語言、Java不同，語法相對簡單、更容易入門，所以教學(xué)過程中無需過分強調(diào)語法，可以適當(dāng)增加與專業(yè)有關(guān)的編程實踐，使學(xué)生能夠較快掌握解決專業(yè)問題的能力。在實踐過程中，教師應(yīng)當(dāng)對涉及的基礎(chǔ)概念、方法進行及時總結(jié)，以夯實理論知識。

在教學(xué)過程中，教師應(yīng)當(dāng)著重培養(yǎng)學(xué)生的編程思維，鼓勵學(xué)生尋求更簡單、更高效的方法來解決問題。此外，教師可以充分分析專業(yè)需求與特點，以學(xué)生在專業(yè)學(xué)習(xí)中遇到的問題為切入點，引導(dǎo)學(xué)生積極思考并解決問題，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)Lua語言的興趣。

由于很少有高校開設(shè)Lua程序設(shè)計語言的相關(guān)課程，所以可供直接借鑒的教學(xué)經(jīng)驗相對較少。但是，作為一種腳本語言，Lua語言與Python較為相似，語法都比較簡單、干脆，都具有眾多擴展模塊，且都能夠通過C/C++等高級語言擴展功能，因此，Lua語言程序設(shè)計課程也可以借鑒Python程序設(shè)計的相關(guān)教學(xué)經(jīng)驗。

五、小結(jié)

新工科的目標(biāo)是培養(yǎng)適應(yīng)新時代、新技術(shù)的現(xiàn)代化工程創(chuàng)新人才，在此背景下，培養(yǎng)非計算機專業(yè)學(xué)生的編程思想以及分析問題、解決問題的能力具有重要意義。本文在討論了Lua語言的特點和優(yōu)勢后，對Lua語言在程序設(shè)計教學(xué)中的實踐進行了探討，希望能夠促進Lua語言在非計算機專業(yè)的程序設(shè)計教學(xué)中的推廣和應(yīng)用。

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