程序設(shè)計課程實驗教學的改革與實踐

徐偉 吳超 陳凱明

摘要：針對以往程序設(shè)計課程實驗中存在的代碼規(guī)范混亂、學生調(diào)試代碼困難等問題，提出了一種強化代碼規(guī)范要求和加強程序調(diào)試教學的實驗教學方法，并從代碼規(guī)范的具體要求和評分細則方面、程序調(diào)試的要求和步驟方面分別闡述了實施方法。實際的數(shù)據(jù)說明教學情況良好，76.12%的學生的上機實驗分數(shù)在90分以上，學生的實驗完成度較高、對上機實驗掌握情況良好;此外學生的代碼規(guī)范有了明顯提升，85.81%的學生的代碼規(guī)范達到良好水平。這些教學改革應(yīng)用于今年疫情期間的在線教學中，通過這些舉措的實施，克服了在線教育的不利之處，學生的整體學習水平基本保持了穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：程序設(shè)計;代碼規(guī)范;程序調(diào)試;實驗教學

程序設(shè)計課程是計算機學科教育的基礎(chǔ)，是計算機學科的入門課程[1-3]。該課程是一門介紹計算機程序設(shè)計基本思想和程序設(shè)計語言的課程，也是一門關(guān)于利用程序設(shè)計方法求解應(yīng)用問題的實踐性課程[4]。中國科學技術(shù)大學程序設(shè)計課程以C語言為主進行講授，為了讓學生能夠較好地掌握C程序設(shè)計語言，通過語言規(guī)則的教學和的幾個有針對性專題的實踐訓練，加深學生對C程序設(shè)計語言的理解，使學生具有編寫一定規(guī)模的程序來求解應(yīng)用問題的能力。由于程序設(shè)計課程是一門理論性、實踐性很強的課程，學生要想學好此類課程，一方面要高質(zhì)量地完成課堂知識點的教授與學習，另一方面也要多進行上機練習，通過加強課程實驗部分的管理和指導，提高學生的實踐能力[5-7]。理論知識的學習與上機實踐練習，具有互相指導、互相促進的作用。加強實踐能力的教學，也將促進學生對理論知識的掌握更加牢固。為了提高程序設(shè)計實驗檢查的效率，很多學校引入在線評測平臺（Online Judge，OJ）來對程序設(shè)計課程實驗進行自動的正確性檢查[8]。OJ系統(tǒng)的引入，大大減輕了教師對學生實驗檢查的工作量，具有進一步推廣的意義[9-10]。同時為了適應(yīng)在線教育的浪潮，很多教師也將程序設(shè)計課程搬到了網(wǎng)絡(luò)上，采用慕課等翻轉(zhuǎn)課堂的教學方法。這些教學舉措提高學生的學習效率，也更有效地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力[11-13]。課題組通過數(shù)年程序設(shè)計課程的實驗教學與調(diào)研，發(fā)現(xiàn)當下還存在以下比較突出、亟待解決的問題：

（1）學生在實驗過程中多重視功能性的實現(xiàn)，而忽視代碼編程規(guī)范。具體表現(xiàn)包括隨意命名變量名、代碼排版不清晰，程序可讀性差等問題。

（2）學生程序調(diào)試效率低下，對于IDE調(diào)試工具掌握不熟練。調(diào)研中發(fā)現(xiàn)學生更愿意使用printf等打印命令將需要調(diào)試的信息打印出來進行查看。

加強學生的代碼編程規(guī)范、讓學生從一開始就寫出可讀性高、邏輯清晰的代碼，具有重要的意義。而在調(diào)試過程，必須教會學生使用調(diào)試工具。正確有效的程序調(diào)試方法，將是培養(yǎng)合格的計算機人才必須掌握的能力。為了全面提高學生的編程能力，課題組經(jīng)過研討對于實驗教學環(huán)節(jié)進行以下的教學改革：

（1）課題組專門編寫了程序設(shè)計代碼規(guī)范，詳述了代碼規(guī)范具體要求，同時編寫了代碼規(guī)范的評分細則，做到“有法可依”。對于實驗中代碼規(guī)范扣分情況，會在實驗后專門反饋給學生，供學生認識和改正錯誤，從而提高代碼規(guī)范水平。

（2）將程序調(diào)試方法作為專題，進行了培訓。并以vs2017為例，著重介紹IDE等開發(fā)工具的調(diào)試辦法。通過相關(guān)工具的介紹，讓學生熟悉工具的變量查看、內(nèi)存查看等方面的使用，引導學生采用正確的調(diào)試方法，提高編碼調(diào)試效率。

今年上半年因為新冠疫情的影響，春季學期的程序設(shè)計課程的教學在線開展，課程實驗也同步在線進行。相比線下教學，線上教學存在著師生交流不便、學情反饋不及時等缺點[14-15]，得益于本次教學改革的實施，學生的代碼規(guī)范有了較大幅度的提升，同時學生對程序設(shè)計課程的整體掌握程度基本保持了穩(wěn)定。

1 加強代碼規(guī)范要求

為了提高學生編程的規(guī)范程度，提高代碼的可讀性與可維護性，在課程教學中采用專題講座的形式，對于代碼規(guī)范進行了介紹，形成了專門的《代碼規(guī)范評分細則》文檔，存放在課程QQ群的共享空間上，供學生隨時查看。代碼規(guī)范以C語言為例進行了說明，分為以下五個大項進行要求：

1）縮進、括號、分行與空格

該項以學生每部分、每條代碼語句的美觀性，代碼結(jié)構(gòu)的工整性，作為根本評價依據(jù);在每個方面的整體上符合、關(guān)鍵原則上符合、細節(jié)上不完全符合，但代碼美觀性和工整得到保障的，可以得分。

具體要求包括縮進的規(guī)則（以4個空格或tab鍵進行縮進）、大括號的風格統(tǒng)一（大括號允許單獨分行或緊跟代碼之后，二者擇一使用，不要混用）、分行（對于較長的行、表達式等，應(yīng)以分行方式書寫）、小括號（有括號標識運算順序和邏輯組合要求的必須使用）、空格（在算符、逗號等，應(yīng)使用一個空格分開，保證顯示的工整與美觀）。

2）函數(shù)頭與結(jié)構(gòu)體注釋

該項以是否充分說明函數(shù)參數(shù)、返回值與結(jié)構(gòu)體成員的意義，作為根本評判依據(jù)。意義和用途，基本可以理解的，可以得分。

具體要求包括函數(shù)頭注釋（針對函數(shù)的目的、描述函數(shù)的作用、效果）、結(jié)構(gòu)體注釋（注釋結(jié)構(gòu)體用途、成員的意義，必要時說明成員取值范圍）。

3）函數(shù)、變量、常量與結(jié)構(gòu)體及其成員的命名

該項以是否滿足命名風格（格式）的要求，是否足夠“望文生義”，作為根本評判依據(jù)。命名格式需按規(guī)定條目嚴格要求;意義是否清晰應(yīng)當結(jié)合變量命名與相關(guān)注釋，一并評價。

具體要求包括命名規(guī)則（例如進行大/小駝峰命名，匈牙利命名法等，任何變量、常量、函數(shù)、結(jié)構(gòu)體的名稱都應(yīng)可以直接或比較明確地反映其用途、含義）、不允許的命名方式（例如拼音命名等，推薦使用英文短單詞（單音節(jié)）的縮寫而非全拼）。

4）代碼模塊化與邏輯注釋

該項以是否清晰展現(xiàn)代碼的內(nèi)在邏輯、執(zhí)行意義和過程，作為根本評判標準。對于較長的代碼塊，有注釋注解代碼流程，基本清楚的，可以得分。

具體要求包括代碼塊邏輯（例如對于較長的代碼/函數(shù)塊，應(yīng)用多行注釋描述過程）、循環(huán)（循環(huán)的進入、退出邏輯需要說明）、分支邏輯（例如對于進入和退出時變量的變換邏輯進行說明）、運算邏輯（冗長的表達式需要說明）、變量使用邏輯（例如對結(jié)構(gòu)體成員、布爾標志變量說明以什么含義進行使用，何種情況值會變化）。

5）變量、常數(shù)與函數(shù)的使用

該項涉及變量、常數(shù)的使用中應(yīng)當避免的做法，以及函數(shù)編寫時應(yīng)當避免的寫法。這些寫法或者使得程序出現(xiàn)未定義的危險行為，或者使得程序易錯。

具體要求包括不允許的寫法（例如禁止使用未初始化的指針、類型不同的浮點數(shù)相等比較等）、需要限制的寫法（例如同類型浮點數(shù)使用==，>=，<=等比較運算符、使用goto語句等）、需要注意的寫法（例如有符號整數(shù)的負數(shù)與無符號整數(shù)之間的混合運算等）。

中國科學技術(shù)大學的近幾年的程序設(shè)計課程實驗，采用OJ系統(tǒng)進行實驗的判誤，得益于OJ系統(tǒng)的使得學生可以在離校在家的情況下，也能進行實驗作業(yè)的提交。代碼規(guī)范的評分細則中規(guī)定每個大項占一分，當學生完成實驗作業(yè)的提交后，課程助教將學生代碼從OJ后臺取出，由助教進行規(guī)范審查決定代碼規(guī)范的得分。若某次實驗存在多項練習題，該次實驗的代碼規(guī)范分取這些練習題規(guī)范分的平均。最終的代碼規(guī)范取所有實驗代碼規(guī)范的平均分。如圖1所示，課程實驗后，助教會在課程QQ群中公布出每個學生代碼規(guī)范的違反情況，讓學生了解為什么扣分，從而鞏固和提高學生代碼規(guī)范水平。

2 專題介紹程序調(diào)試方法

為了提高學生對程序調(diào)試的理解，課程專門安排了針對程序調(diào)試的專題學習。學習程序調(diào)試要求掌握以下幾點。

（1）要求學習編譯器提供的程序調(diào)試功能。

（2）熟練掌握設(shè)置斷點，單步，逐個函數(shù)（過程），單條語句的調(diào)試方法。

（3）熟練掌握程序執(zhí)行過程中的變量值的查詢。

（4）由使用輸出語句顯示中間結(jié)果逐步改為通過調(diào)試器的變量查詢功能查詢。

程序調(diào)試是指對程序的查錯和排錯。教授學生對調(diào)試程序一般應(yīng)經(jīng)過以下兩個步驟進行。

（1）先進行人工檢查，即靜態(tài)檢查。

在寫好一個程序以后，不要匆匆忙忙上機，而應(yīng)對程序進行人工檢查。這一步十分重要，它能發(fā)現(xiàn)程序設(shè)計人員由于疏忽而造成的多數(shù)錯誤。這一步往往容易被人忽視，總希望把一切都推給計算機去做，但這樣會多占用機器時間，作為一個程序人員應(yīng)當養(yǎng)成嚴謹?shù)淖黠L，每一步都要嚴格把關(guān)，不把問題留給后面的工序。為了更有效地進行人工檢查，所編的程序應(yīng)力求做到以下幾點。

①應(yīng)當采用結(jié)構(gòu)化程序方法編程，以增加可讀性。

②盡可能多加注釋，以幫助理解每段程序的作用。

③在編寫復(fù)雜的程序時不要將全部語句都寫在main函數(shù)中，而要多利用函數(shù)，用一個函數(shù)來實現(xiàn)一個單獨的功能。各函數(shù)之間除用參數(shù)傳遞數(shù)據(jù)外，盡量少出現(xiàn)耦合關(guān)系，這樣便于分別檢查和處理。

（2）在人工檢查無誤后，再上機調(diào)試。

通過上機發(fā)現(xiàn)錯誤稱為動態(tài)檢查。在編譯時會給出語法錯誤的信息，調(diào)試時可以根據(jù)提示信息具體找出程序中出錯之處并改正。應(yīng)注意的是有時提示出錯的地方并不是真正出錯的位置，如果在提示出錯的行找不到錯誤的話應(yīng)當?shù)缴弦恍性僬?。有時提示出錯的類型并非絕對準確，由于出錯的情況繁多且各種錯誤互有關(guān)聯(lián)，因此要善于分析，找出真正的錯誤，而不要只從字面意義上找出錯信息，鉆牛角尖。如果系統(tǒng)提示的出錯信息很多，應(yīng)當從上到下逐一改正。有時顯示出一大片出錯信息往往使人感到問題嚴重，無從下手。其實可能只有一兩個錯誤。例如，對使用的變量未定義，編譯時就會對所有含該變量的語句發(fā)出出錯信息。這時只要加上一個變量定義，所有錯誤就都消除了。

對于具體的IDE工具，專題以vs2017為例進行了詳細說明，具體涉及vs2017的啟動調(diào)試、斷點設(shè)置、逐過程調(diào)試、逐語句調(diào)試、調(diào)試跳出、自動運行到指定語句暫停、內(nèi)存的查詢方法、變量內(nèi)存地址的查找、將變量地址輸入到內(nèi)存窗口中、設(shè)置內(nèi)存存儲的內(nèi)容的顯示方式。通過這些方面的介紹，覆蓋了學生常用調(diào)試，并形成了專門的《程序調(diào)試基本方法》文檔，存放在課程QQ群的共享空間，供學生隨時查看。

3 教學改革效果評估

3.1 上機實驗效果良好

圖2為中國科學技術(shù)大學2020年春季學期程序設(shè)計某班的155名學生上機實驗分數(shù)統(tǒng)計（滿分100分）。從中可以發(fā)現(xiàn)76.12%的學生的實驗分數(shù)在90分以上，85.81%的學生的實驗分數(shù)在80分以上，通過強化程序調(diào)試方法的介紹，學生的實驗完成度較高，學生對上機實驗掌握情況良好。

3.2 代碼規(guī)范進步明顯

圖3為中國科學技術(shù)大學2020年春季學期程序設(shè)計某班的155名學生上機實驗代碼規(guī)范分數(shù)統(tǒng)計（滿分5分）。從中可以發(fā)現(xiàn)85.81%的學生的代碼規(guī)范在4分以上，代碼規(guī)范掌握情況良好。同時對該課程的八次實驗，分別統(tǒng)計每次實驗的代碼規(guī)范分均值，如圖4所示。從圖4可以看出第一次～第三次實驗存在明顯的上升趨勢，說明學生通過助教的反饋，快速提升代碼規(guī)范水平，第三次試驗后仍有緩慢上升的趨勢，表明學生已基本掌握代碼規(guī)范的要求。

3.3 疫情期間成績保持穩(wěn)定

如圖5所示，分析了2018年、2019年、2020年的程序設(shè)計課程考試成績，可以發(fā)現(xiàn)這三年的80分以上人員的比例分別為79.9%、76.1%、77.9%，說明雖然2020年的線上教育存在教師與學生互動較少、學生學情不便于及時獲取等不利因素，但是通過教學改革的實施，學生的整體學習水平基本仍然保持了穩(wěn)定。

4 總結(jié)

只有結(jié)合教學實際，找到教學中存在的問題，有針對性地提出教學方案，才能真正提高程序設(shè)計的教學質(zhì)量。程序設(shè)計課程的教學改革實踐表明，雖然2020年的教學由于疫情影響改為在線教學，但是通過相關(guān)教學改革方案的實施，程序設(shè)計課程的教學效果明顯，特別是代碼規(guī)范部分的進步尤其明顯。接下來，課題組將驗證和完善課程的教學改革方案，進一步鞏固和提高程序設(shè)計課程的教學質(zhì)量。

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