Java SE中“繼承”的多維度混合式教學(xué)改革探索＊

李金忠，黃雪梅

（1.井岡山大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江西 吉安343009；2.井岡山大學(xué) 體育學(xué)院，江西 吉安343009）

0 引言

Java SE 是由Sun Microsystems 公司于1995 年5 月推出的Java 程序設(shè)計(jì)語言和Java 平臺(tái)的總稱，是Java EE 企業(yè)級(jí)開發(fā)、Java Web 應(yīng)用開發(fā)和Android 移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)等開發(fā)技術(shù)的基礎(chǔ)，也是AI、“互聯(lián)網(wǎng)+”、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等新興產(chǎn)業(yè)的重要技術(shù)工具。

Java 是當(dāng)今世界上軟件開發(fā)領(lǐng)域最流行的優(yōu)秀編程語言之一，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)計(jì)之初就秉承了“一次開發(fā)，處處運(yùn)行”的思想，具有可移植、簡單、動(dòng)態(tài)、分布式、多線程、高性能、安全可靠和健壯等優(yōu)良特性。Java 是一種跨平臺(tái)、多用途的面向?qū)ο缶幊陶Z言，“繼承”是面向?qū)ο蟮摹胺庋b、繼承和多態(tài)”三大特性之一，是Java SE 中面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)中的基石和重難點(diǎn)。理解繼承的思想和含義，掌握和熟練運(yùn)用繼承思想編程，有利于減少代碼的冗余，提高代碼及軟件的復(fù)用程度，使得程序設(shè)計(jì)和系統(tǒng)開發(fā)變得更容易、更簡單。

1 Java SE中“繼承”教學(xué)現(xiàn)狀

“繼承”是Java 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的三大重要特性之一。所謂繼承，是一種演化、發(fā)展過程，即通過擴(kuò)展、更改和特殊化，基于一個(gè)已知類（父類），創(chuàng)建一個(gè)新類（子類），父類描述的是共性，子類描述的是特性，子類是父類的具體化、延續(xù)、組合，子類可以將父類的成員繼承到本類中［1］，并可擴(kuò)展自己特有的屬性和方法。繼承是軟件復(fù)用的一種形式，是一種由已有類創(chuàng)建新類的機(jī)制，即自動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和方法共享的機(jī)制。Java 程序開發(fā)過程中代碼復(fù)用的使用頻率非常高，因此，教好、學(xué)好“繼承”，對(duì)于學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)“多態(tài)”、“抽象類”和“接口”等概念至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的Java 程序設(shè)計(jì)教學(xué)模式往往忽略培養(yǎng)學(xué)生對(duì)Java 軟件系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的工程思維和項(xiàng)目開發(fā)的實(shí)踐能力，沒有完整的理論和實(shí)訓(xùn)體系，既缺乏Java 的系統(tǒng)性思維，又沒能與現(xiàn)代社會(huì)對(duì)Java 軟件開發(fā)人才的需求相結(jié)合。在Java SE 的整個(gè)知識(shí)體系中，類的繼承是教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在理論教學(xué)中，采用單純的“繼承知識(shí)點(diǎn)理論講解+相關(guān)繼承實(shí)例程序演示”的方法，沒有將多且分散的“繼承”知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行串講，缺乏“繼承”知識(shí)的整體融合性。在實(shí)踐教學(xué)中，通常采取“學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)+教師隨堂指導(dǎo)”的方法，所做的實(shí)驗(yàn)大多是對(duì)“繼承”機(jī)制的演示性和驗(yàn)證性Java 編程實(shí)驗(yàn)，且各實(shí)驗(yàn)之間比較分散，并未著重考慮運(yùn)用“繼承”機(jī)制的工程實(shí)踐應(yīng)用性綜合實(shí)驗(yàn)。再者，傳統(tǒng)講授“繼承”的方式較少應(yīng)用先進(jìn)的教育理念和教學(xué)模式，難以激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情，并難以調(diào)動(dòng)學(xué)生思考和解決實(shí)際工程問題的積極性，更難以體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的主體地位。如此，導(dǎo)致不少同學(xué)對(duì)Java SE 中的“繼承”機(jī)制理解不透徹，最終導(dǎo)致學(xué)生在編程過程中不能靈活運(yùn)用“繼承”機(jī)制去設(shè)計(jì)程序和開發(fā)系統(tǒng)。

為解決Java SE 中“繼承”在教學(xué)中存在的問題，迫切需要探索對(duì)Java SE 的教學(xué)改革，以改變傳統(tǒng)教學(xué)的現(xiàn)狀。

2 CDIO和翻轉(zhuǎn)課堂的融合

CDIO 代表Conceive（構(gòu)思）、Design（設(shè)計(jì)）、Implement（實(shí)現(xiàn)）和Operate（運(yùn)作），是近年來國際工程教育改革的創(chuàng)新性最新成果。CDIO 工程教育理念以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)［2］。CDIO 旨在解決工程教育中理論與實(shí)踐脫節(jié)的問題，它把理論、實(shí)踐和創(chuàng)新融為一體，著重培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。CDIO 是工程項(xiàng)目的構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)—運(yùn)作的全過程，能夠顯著提高學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力，但是教師進(jìn)行實(shí)時(shí)答疑解惑的機(jī)會(huì)很少，且課堂時(shí)間利用不足。

翻轉(zhuǎn)課堂（Flipped Classroom）是一種顛覆傳統(tǒng)教學(xué)的新型教學(xué)模式，它把傳統(tǒng)課堂的教學(xué)順序進(jìn)行顛倒，即學(xué)生在課前“借助信息化平臺(tái)與資源傳遞知識(shí)”，通過觀看教學(xué)視頻等學(xué)習(xí)資源自主完成新知識(shí)的學(xué)習(xí)；課中在教室或?qū)嵱?xùn)室“通過完成任務(wù)內(nèi)化知識(shí)”，課堂變成了師生之間和生生之間互動(dòng)的場(chǎng)所，包括答疑解惑、互動(dòng)交流和小組協(xié)作等活動(dòng)，以促使知識(shí)內(nèi)化；課后“借助信息化平臺(tái)與資源彌補(bǔ)欠缺的知識(shí)以及拓展技能”，通過單元測(cè)試和復(fù)習(xí)鞏固、意見反饋和總結(jié)以及教學(xué)反思等活動(dòng)以強(qiáng)化知識(shí)。它的優(yōu)勢(shì)在于從先教后學(xué)到先學(xué)后教，將學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)從教師轉(zhuǎn)移給學(xué)生，把課堂還給學(xué)生，讓學(xué)生真正成為自己學(xué)習(xí)的主人。學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)到主動(dòng)學(xué)習(xí)，在這樣的教學(xué)模式中，能有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力與自我管理能力，促進(jìn)學(xué)習(xí)效果的顯現(xiàn)［3］。翻轉(zhuǎn)課堂是課前自主學(xué)習(xí)—課中知識(shí)內(nèi)化—課后知識(shí)強(qiáng)化的過程，有利于學(xué)生的個(gè)性化自主學(xué)習(xí)和師生、生生互動(dòng)，能夠大大提升教學(xué)質(zhì)量，但其工程實(shí)踐教學(xué)能力略顯不足。

CDIO 和翻轉(zhuǎn)課堂都主張“以學(xué)生為中心”，分小組進(jìn)行協(xié)作學(xué)習(xí)，注重調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，讓學(xué)生主動(dòng)參與課程的學(xué)習(xí)，兩者具有很高的融合度［4］。張園等以“自動(dòng)控制原理”課程為例進(jìn)行了CDIO 和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)改革方案設(shè)計(jì)［5］。

Java SE 是一門集理論性、應(yīng)用性、實(shí)踐性和工程性于一體的課程，與CDIO 的工程教育理念非常契合，并且適宜采用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式。兩者的融合使Java SE 的教學(xué)體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”的理念，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和加強(qiáng)師生、生生之間的互動(dòng)交流，有助于培養(yǎng)學(xué)生的編程思維和提高學(xué)生的程序開發(fā)能力，提升學(xué)生編程實(shí)踐能力和解決實(shí)際工程應(yīng)用問題的能力。總之，兩者的融合有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、工程應(yīng)用實(shí)踐和創(chuàng)新能力，必將使課堂教學(xué)質(zhì)量顯著提升，從而達(dá)到更好的教學(xué)效果。

軟件項(xiàng)目的開發(fā)經(jīng)常需要用“繼承”機(jī)制去減少冗余代碼和實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)用，為此，熟練和靈活運(yùn)用“繼承”思想去開發(fā)軟件是至關(guān)重要的。鑒于CDIO 工程教育理念和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式具有高度一致性和互補(bǔ)性，將CDIO 和翻轉(zhuǎn)課堂融會(huì)貫通，發(fā)揮各自長處，彌補(bǔ)各自缺陷，以改進(jìn)Java SE 中“繼承”的教學(xué)，并推廣至Java SE 的整個(gè)教學(xué)中甚至軟件工程類相關(guān)課程中，是非常有意義和價(jià)值的。

3 Java SE中“繼承”的多維度混合式教學(xué)的構(gòu)建和實(shí)施

3.1 教學(xué)內(nèi)容

我們將以1 次課（整個(gè)教學(xué)過程時(shí)長為2 個(gè)學(xué)時(shí)）的教學(xué)內(nèi)容作為教學(xué)改革示范，采用耿祥義主編的《Java 2 實(shí)用教程微課版》［6］教材，示范內(nèi)容為第5 章“子類與繼承”的前5 小節(jié)的內(nèi)容，其教學(xué)內(nèi)容的思維導(dǎo)圖如圖1 所示。

圖1 教學(xué)內(nèi)容思維導(dǎo)圖Fig.1 The Mind Map of Teaching Content

3.2 Java SE中“繼承”的多維度混合式教學(xué)改革設(shè)計(jì)思路的構(gòu)建

我們構(gòu)建的Java SE 中“繼承”的多維度混合式教學(xué)改革的整體設(shè)計(jì)思路是：以CDIO 工程教育理念為指導(dǎo)思想，以翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式為實(shí)踐框架，以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)和小組討論教學(xué)法為教學(xué)手段，以思維導(dǎo)圖為輔助教學(xué)工具，探索融合CDIO 和翻轉(zhuǎn)課堂的教育教學(xué)方式等的多維度混合式教學(xué)以改進(jìn)Java SE 課程中“繼承”章節(jié)的教學(xué)。從課堂教育理念、課堂教學(xué)模式和課堂教學(xué)方法等方面，通過線上線下相結(jié)合的混合教學(xué)方式，探索基于CDIO 工程教育理念和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式等的多維度混合式Java SE 的教學(xué)改革以凸顯“教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體”，從而打造具有較強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力、應(yīng)用編程能力和系統(tǒng)開發(fā)能力的Java 軟件開發(fā)人才。

基于此教學(xué)改革設(shè)計(jì)思路，我們提出了Java SE 中“繼承”的多維度混合式教學(xué)改革思路的總體框架，如圖2 所示。由該圖可知，在教學(xué)內(nèi)容的組織上采用CDIO 工程教育理念，在教學(xué)實(shí)踐框架上采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，在教學(xué)手段上采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法和小組討論法等先進(jìn)教學(xué)方法混合實(shí)施教學(xué)活動(dòng)，并輔以線上線下相結(jié)合的方式，強(qiáng)化學(xué)生的軟件項(xiàng)目編程等實(shí)踐應(yīng)用能力，從而提高教學(xué)效果。

圖2 Java SE 中“繼承”的多維度混合式教學(xué)改革思路的總體框架Fig.2 The Overall Framework of the Multi-Dimensional Hybrid Teaching Reform Idea of 'Inheritance' in Java SE

3.3 Java SE中“繼承”的多維度混合式教學(xué)改革的實(shí)施

基于所構(gòu)建的多維度混合式教學(xué)方式的總體框架，以項(xiàng)目為主線，即以若干個(gè)Java 項(xiàng)目在課前進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，一個(gè)指定的小項(xiàng)目（幾何圖形計(jì)算小軟件）在課堂進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，一個(gè)各組任選的大項(xiàng)目（如學(xué)生綜合素質(zhì)測(cè)評(píng)管理系統(tǒng)、動(dòng)物園動(dòng)物管理系統(tǒng)、蔬菜水果批發(fā)市場(chǎng)管理系統(tǒng)等）在課后鞏固演練，將這些項(xiàng)目融入到整個(gè)Java SE 中“繼承”的教學(xué)過程中。采用CDIO 工程教育理念組織教學(xué)內(nèi)容，按照翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)實(shí)施，并將小組討論法貫穿于整個(gè)教學(xué)過程中。

Java SE 中“繼承”的多維度混合式教學(xué)是一種融合CDIO 和翻轉(zhuǎn)課堂等的教學(xué)方式，它針對(duì)CDIO工程教育理念的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作四大階段和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式中的課前、課中和課后三大過程，采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法和小組討論法進(jìn)行教學(xué)改革的實(shí)施，其具體實(shí)施方案如表1 所示。

表1 Java SE 中“繼承”的多維度混合式教學(xué)改革具體實(shí)施方案Table 1 The Specific Implementation Plan of the Multi-Dimensional Hybrid Teaching Reform of 'Inheritance' in Java SE

在課前，教師首先準(zhǔn)備第5.1 節(jié)至5.5 節(jié)的微課視頻和PPT 等，并提供含有“繼承”的Java 項(xiàng)目如“動(dòng)物園動(dòng)物管理系統(tǒng)”等線上教學(xué)資源。其次，布置學(xué)習(xí)任務(wù)，要求學(xué)生線上聽完教材中第5.1 節(jié)至5.5 節(jié)的微課視頻并上機(jī)調(diào)試教材p112～p125 中例子1 至8。再次，布置教材中習(xí)題5 中的練習(xí)，包括：第2 題中的第（3），（5）～（9）小題，第3 題中（1）～（3）小題，布置各個(gè)Java 項(xiàng)目所分解出來的包含有“繼承”的功能模塊的微視頻學(xué)習(xí)后的項(xiàng)目構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)—運(yùn)作（CDIO）任務(wù)。要求學(xué)生在上課前自主完成線上學(xué)習(xí)和練習(xí)任務(wù)，小組討論并完成所布置的各個(gè)Java 項(xiàng)目所分解出來的包含有“繼承”的功能模塊的CDIO任務(wù)，并發(fā)送完成情況和反饋問題給教師。教師線上獲取問題反饋，確定線下課程教學(xué)重難點(diǎn)和方法。

在課中，即課堂上，教師首先以提問的方式簡要回顧Java SE 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的三大重要特性之一——封裝，以及類的使用、方法的重載和this 關(guān)鍵字的用法等，并通過現(xiàn)實(shí)生活中存在的繼承實(shí)例導(dǎo)向式引入Java SE 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的三大重要特性之二——“繼承”的概念，讓同學(xué)們加深概念的理解深度，比如引入諺語“龍生龍，鳳生鳳，老鼠的兒子會(huì)打洞”。其次，重點(diǎn)講解學(xué)生所反饋的問題、疑惑以及“繼承”章節(jié)中的重難點(diǎn)問題，例如為什么要使用“繼承”，其優(yōu)勢(shì)在哪？什么時(shí)候需要使用“繼承”？什么時(shí)候需要對(duì)方法進(jìn)行重寫？子類和父類在或不在同一包中的繼承性、方法重寫與重載的區(qū)別、this 和super 的區(qū)別等。在此過程中，要求學(xué)生積極討論，且可隨時(shí)提問并讓其他組員進(jìn)行組間互答。再次，以小項(xiàng)目為主線，將“幾何圖形計(jì)算小軟件”Java 小項(xiàng)目引入課堂實(shí)訓(xùn)，分解這個(gè)小項(xiàng)目中含有“繼承”的功能模塊并布置“繼承”的CDIO 實(shí)訓(xùn)任務(wù)。要求學(xué)生小組討論和協(xié)作交流課前的Java 項(xiàng)目的CDIO 任務(wù)，合作完成“幾何圖形計(jì)算小軟件”Java 小項(xiàng)目所分解出來的含有“繼承”的各功能模塊（如圖形類）的CDIO 實(shí)訓(xùn)任務(wù)，包括“繼承”的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、編程實(shí)現(xiàn)和調(diào)試，并現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行和演示項(xiàng)目的效果。教師對(duì)所布置的CDIO 實(shí)訓(xùn)任務(wù)進(jìn)行指導(dǎo)和幫助，并對(duì)學(xué)生完成的項(xiàng)目進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，同時(shí)也要求學(xué)生組間交流和互評(píng)。

在課后，教師首先布置“繼承”章節(jié)的單元作業(yè)，要求學(xué)生完成單元測(cè)試和復(fù)習(xí)鞏固，并完善“幾何圖形計(jì)算小軟件”Java 小項(xiàng)目中“繼承”的CDIO 實(shí)訓(xùn)任務(wù)。其次，以大項(xiàng)目為主線，布置大項(xiàng)目中含有“繼承”功能模塊的CDIO 實(shí)訓(xùn)任務(wù)，要求各小組任選一個(gè)包含有“繼承”的綜合性較強(qiáng)的Java 工程項(xiàng)目，小組討論、分階段協(xié)作完成所布置的CDIO 階段性任務(wù)。再次，教師對(duì)學(xué)生完成的大、小兩項(xiàng)目進(jìn)行考核評(píng)價(jià)并拓展延伸后續(xù)章節(jié)，如“多態(tài)”、“抽象類”和“接口”等知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)內(nèi)容的構(gòu)思。最后，學(xué)生進(jìn)行意見反饋和學(xué)的反思；教師給出大、小項(xiàng)目中含有“繼承”的代碼示例，并進(jìn)行總結(jié)反饋和教的反思，同時(shí)根據(jù)線下學(xué)生表現(xiàn)情況，改進(jìn)線上教學(xué)資源及教學(xué)方案。

4 結(jié)語

“繼承”是Java 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)中最重要的三大特性之一，它是整個(gè)Java 技術(shù)體系和后續(xù)軟件工程相關(guān)課程的前導(dǎo)基礎(chǔ)，也是新工科背景下新興產(chǎn)業(yè)軟件開發(fā)的重要技術(shù)。本文通過融合CDIO 工程教育理念和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，以思維導(dǎo)圖為教學(xué)輔助工具，將工程項(xiàng)目的軟件開發(fā)的CDIO 和小組討論貫穿于“課前、課中和課后”整個(gè)教學(xué)過程中，去探索改進(jìn)Java SE 中“繼承”的教學(xué)思路，以鋪墊學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)Java 知識(shí)點(diǎn)和Java 類專業(yè)課，以期提高教學(xué)質(zhì)量，從而提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、工程實(shí)踐應(yīng)用能力、項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力等。

盡管本文是針對(duì)Java SE 中“繼承”知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行的多維度混合式教學(xué)改革探索，但此思路可經(jīng)過適當(dāng)擴(kuò)充范圍并加以修改，從而推廣到整門課程及Java 類軟件開發(fā)課程，更為廣泛地推廣至適合采用此思路的任意課程（群）的教學(xué)改革中。