GIS專業(yè)C#程序設(shè)計(jì)課程中集合與泛型教學(xué)思考

高賢君 譚美淋 蔡永香

摘要：針對C#程序設(shè)計(jì)中集合與泛型章節(jié)教學(xué)中存在知識點(diǎn)繁多、關(guān)聯(lián)性差且實(shí)踐要求高等問題，文章引入面向?qū)ο蟮乃枷?，剖析泛型的由來及發(fā)展趨勢，對集合與泛型知識點(diǎn)進(jìn)行梳理，重新組織教學(xué)思路與結(jié)構(gòu)，厘清知識點(diǎn)之間的相互關(guān)系。并通過改進(jìn)課堂講授方法，增加課堂交互及學(xué)生授課活動(dòng)等手段，鍛煉學(xué)生的編程思維能力，提高學(xué)生對知識點(diǎn)的理解、興趣及實(shí)踐水平。對學(xué)生進(jìn)行該部分知識點(diǎn)上機(jī)測試教學(xué)評價(jià)，取得良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：GIS教學(xué)研究;面向?qū)ο?集合與泛型;C#程序設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）22-0122-02

《C#程序設(shè)計(jì)》是一門本科地理信息科學(xué)（Geography Information Science， GIS）專業(yè)第四學(xué)期開設(shè)的必修課，筆者所在的長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院在制定地理信息科學(xué)專業(yè)教學(xué)大綱時(shí)，充分顧及專業(yè)特色和實(shí)踐開發(fā)并重培養(yǎng)模式，將專業(yè)課程劃分為：地理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、測量與遙感學(xué)等體系課程組[1]，強(qiáng)調(diào)學(xué)生掌握地球科學(xué)、測繪、遙感、地信基本原理與方法，同時(shí)需具備一定的編程實(shí)踐動(dòng)手能力，為將來從事科研或開發(fā)類的工作奠定良好的基礎(chǔ)[2-4]。

《C#程序設(shè)計(jì)》的先修課程包括《計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》《C程序設(shè)計(jì)》《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》和《數(shù)據(jù)庫原理與方法》等一系列計(jì)算機(jī)相關(guān)課程。本課程共有72學(xué)時(shí)，其中理論52學(xué)時(shí)與實(shí)踐20學(xué)時(shí)。集合與泛型是本課程第六章的內(nèi)容，共6學(xué)時(shí)，其中4學(xué)時(shí)的理論講授及示例演示與2學(xué)時(shí)上機(jī)實(shí)習(xí)。其處在面向?qū)ο蠡A(chǔ)與高級章節(jié)之后，后續(xù)章節(jié)包括Windows應(yīng)用窗體、圖形設(shè)備接口（Graphics Device Interface， GDI+）、數(shù)據(jù)庫操作（ActiveX Data Objects.NET， ADO.NET）等。集合與數(shù)組的功能相似，不同之處在于集合類中封裝了豐富的對集合元素操作方法，如增加、刪除、移動(dòng)元素等[6]。泛型是指泛化的數(shù)據(jù)類型，即引入了類型參數(shù)的概念，可以在編譯期間由一個(gè)類型定義派生出許多特定的類型[7]。由于本章內(nèi)容對實(shí)際編程開發(fā)工作具有重要價(jià)值和意義，因此需要學(xué)生熟練掌握，然而該章節(jié)內(nèi)容具有知識點(diǎn)繁多，且關(guān)聯(lián)性較差等特點(diǎn)，給學(xué)生理解與運(yùn)用該部分內(nèi)容造成困難，本章節(jié)教學(xué)目標(biāo)是能理解并熟練操作常見集合與泛型類及方法。

1 目前集合與泛型章節(jié)教學(xué)中存在的問題

（1） 集合與泛型類庫更替易產(chǎn)生混淆

泛型集合類C#.NET 1.0和2.0及以上版本改版較大，嚴(yán)格來說，由于1.0版本中的集合類庫所存在的缺陷，導(dǎo)致微軟公司推薦使用2.0版本。如何快速區(qū)分類庫的版本，給初學(xué)者來帶來理解困難[8]。

（2） 集合與泛型知識點(diǎn)較多，且關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，不宜學(xué)生理解

泛型所在System.Collections.Generic命名空間中包含了定義泛型的接口和類，可允許用戶創(chuàng)建強(qiáng)類型集合，以提供比泛型強(qiáng)類型集合更好的類型安全性和性能。包有CollectionExtensions和Comparer等21個(gè)類、14個(gè)結(jié)構(gòu)與14個(gè)接口類型，如何構(gòu)建知識點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)性，使學(xué)生學(xué)習(xí)泛型的知識點(diǎn)，能夠有主線、有重點(diǎn)地去掌握，做到觸類旁通，是一個(gè)亟待解決的問題[9]。

（3） 缺乏完善有效實(shí)踐方案

在有限的學(xué)時(shí)情況下，如何讓學(xué)生理解與掌握集合與泛型，且會運(yùn)用常見的類與接口，是一個(gè)需要值得探討的問題。需要設(shè)計(jì)切實(shí)的案例供學(xué)生快速掌握泛型集合的使用方法，制定完善有效的實(shí)踐方案，促進(jìn)學(xué)生對集合與泛型知識點(diǎn)的深刻理解與運(yùn)用。

2 構(gòu)建知識點(diǎn)結(jié)構(gòu)及關(guān)聯(lián)關(guān)系

針對以上問題，需對集合與泛型知識點(diǎn)進(jìn)行重新梳理，突出面向?qū)ο笏枷朐诩吓c泛型理解中的作用，著力實(shí)踐能力的培養(yǎng)，設(shè)計(jì)該章節(jié)教學(xué)主線，引導(dǎo)學(xué)生積極完成實(shí)踐任務(wù)。如圖 1所示，本文將章節(jié)的講解分為三部分，首先引入數(shù)組的概念，講解集合，并介紹涉及的關(guān)鍵類（如：ArrayList與Hashtable類） 、接口、結(jié)構(gòu)等，然后分析集合的缺陷，過渡到泛型的講解，重點(diǎn)介紹涉及List與Dictionary。此設(shè)計(jì)能夠明晰集合與泛型發(fā)展歷史，清晰教學(xué)主線，具有知識點(diǎn)結(jié)構(gòu)清晰、重難點(diǎn)突出等優(yōu)勢。

2.1 以面向?qū)ο笏枷霕?gòu)建集合類ArrayList與Hashtable的解析

面向?qū)ο笏枷胧秦灤┯?jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的一種重要思想，典型的面向?qū)ο笏枷氲恼Z言包括有C#、Java、C++、Python等。面向?qū)ο笏枷氚庋b、繼承、多態(tài)三大原則[6]。面向?qū)ο笞鳛椤禖#程序設(shè)計(jì)》課程的重點(diǎn)內(nèi)容，理論課教學(xué)比重也是最大的，共計(jì)14學(xué)時(shí)完成課堂教學(xué)。由于上一章節(jié)中系統(tǒng)地講解了面向?qū)ο笾蓄惖挠蓙?、特點(diǎn)及類的方法與事件等，因此學(xué)生在面向?qū)ο笏枷氲睦斫馍嫌休^好的基礎(chǔ)。

引入面向?qū)ο蟮乃枷胫良项惖闹v解中，System.Collections命名空間包含定義各種對象集合（如列表、隊(duì)列、位數(shù)組、哈希表和字典） 的類和接口[10]。由于該部分內(nèi)容涉及的類和接口較多。因此，只能選取具有一定代表性的類和接口進(jìn)行課堂講解，本文選取常見的集合類和接口進(jìn)行講解，主要包括ArrayList、Hashtable和IList。如表 1所示：

2.2 裝箱與拆箱等強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換操作的弊端及泛型的由來

早期C#.NET 1.0版本采用object類型實(shí)現(xiàn)參數(shù)的“任意化”，此方式優(yōu)勢是能夠處理一切數(shù)據(jù)類型的強(qiáng)制轉(zhuǎn)換，原因是C#中一切數(shù)據(jù)類型都直接或間接地繼承于object類型。以列表ArrayList的添加操作為例，如下代碼所示：

1? ? ArrayList list1=new ArrayList（）; //聲明及實(shí)例化

2? ? list1.Add（44）;? ? ? ? ? ? ? ? //裝箱

3? ? int i=（int）list1[0];? ? ? ? ? ? ?//拆箱

4? ? list1.Add（“ABC”）;? ? ? ? ?//裝箱

5? ? foreach（int j in list1）{}? ? ? ? //執(zhí)行報(bào)錯(cuò)

可以看到，向list1中添加整型數(shù)據(jù)44，涉及兩個(gè)重要的操作分別是裝箱與拆箱。裝箱是指講值類型轉(zhuǎn)換成引用類型發(fā)生的操作;拆箱是指引用類型轉(zhuǎn)換成值類型發(fā)生的操作。第2行代碼中，裝箱操作具體是將整型數(shù)據(jù)44轉(zhuǎn)換成object類型;第3行代碼中，拆箱操作具體是將list1第0位置上的object類型強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為整型數(shù)據(jù)并賦給變量i，程序編譯通過，然而帶來運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，即必須事先確定每個(gè)元素的數(shù)據(jù)類型。如第4行代碼中向list1中加入字符串類型“ABC”，在第5行代碼中遍歷所有元素，編譯這些代碼不會出現(xiàn)編譯錯(cuò)誤，然而在運(yùn)行時(shí)將報(bào)出異常，導(dǎo)致程序崩潰，原因是在拆箱第2個(gè)元素時(shí)，直接強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為整型類型將會出錯(cuò)，字符串類型“ABC”無法轉(zhuǎn)換為整型類型。

采用裝箱與拆箱操作可能發(fā)生異常，帶來代碼的不安全，不僅如此大量的裝箱和拆箱操作會加大系統(tǒng)開銷，C#.NET 2.0后，通過將泛型類型一致化處理，能夠有效提高代碼運(yùn)行的安全性和節(jié)省系統(tǒng)頻繁裝箱和拆箱操作的開銷，且能有效提高代碼復(fù)用性。

以List與Dictionary為例，其中參數(shù)T表示泛型參數(shù)，在編譯階段被指定為某種數(shù)據(jù)類型。List屬于同類對象的同類集合。典型代碼如下所示：

1? ? List parts = new List（）; //聲明并實(shí)例化，Part為類

2? ? parts.Add（new Part（） {PartName="crank arm"， PartId=1234}）; //添加第一個(gè)元素

3? ? parts.Add（new Part（） {PartName ="chain ring"， PartId=1334}）; //添加第二個(gè)元素

4? ? foreach （Part aPart in parts） { Console.WriteLine（aPart）; } //遍歷parts中的所有元素。

從以上代碼可以看出，第4行代碼進(jìn)行元素遍歷時(shí)，代碼安全，不會在編譯或執(zhí)行過程中報(bào)錯(cuò)，原因在于parts為泛型集合類List對象，該對象中的所有元素都為Part類型。以Dictionary為例，Tkey為字典中的鍵，Tvalue為字典中的值。

1? ? Dictionary openWith = new Dictionary（）;

2? ? openWith.Add（"txt"， "notepad.exe"）;

3? ? openWith.Add（"bmp"， "paint.exe"）;

4? ? foreach（ KeyValuePair kvp in openWith） { Console.WriteLine（"Key = {0}， Value = {1}"， kvp.Key， kvp.Value）; }

可以看出，第4行代碼中遍歷openwith字典中的所有鍵值，這里引進(jìn)了類keyValuePair，實(shí)現(xiàn)對鍵與值的同步索引。

2.3 教學(xué)效果評價(jià)

對集合與泛型章節(jié)的教學(xué)改革，主要包括梳理知識點(diǎn)，講解泛型的歷史，面向?qū)ο蠹项惖慕馕龊脱b箱、拆箱操作分析等。本文設(shè)計(jì)多級教學(xué)效果評價(jià)指標(biāo)，綜合評價(jià)提出集合與泛型章節(jié)改革教學(xué)方法。如表 2所示，可見設(shè)計(jì)3項(xiàng)一級指標(biāo)具體包括案例質(zhì)量、教學(xué)過程與教學(xué)收獲。每項(xiàng)一級指標(biāo)下包含若干二級指標(biāo)。不同指標(biāo)分配不同的權(quán)重，如一級指標(biāo)的權(quán)重比為0.232：0.374：0.394。

對涉及的重點(diǎn)類與接口用案例進(jìn)行評價(jià)，如ArrayList采用班級學(xué)生成績數(shù)組引入，Dictionary采用身份證查詢某人的全部信息，并結(jié)合示例代碼演示，取得良好的效果。重視教學(xué)過程評價(jià)，對教學(xué)環(huán)節(jié)合理性、課堂討論活躍度、教學(xué)啟發(fā)深度等進(jìn)行評價(jià)。將學(xué)生成績中的90～100余75～89之間的學(xué)生參與調(diào)查結(jié)果進(jìn)行改革前后觀測，結(jié)果如表 3所示。從整體上課，改革后集合與泛型教學(xué)效果良好，相比于之前有更好的教學(xué)過程與收獲。如圖 2所示，可以看出改革后的兩個(gè)成績段各評價(jià)指標(biāo)基本猶豫未改革前的情況。

3 結(jié)論

針對C#程序設(shè)計(jì)中集合與泛型章節(jié)教學(xué)中存在知識點(diǎn)繁多、關(guān)聯(lián)性差且實(shí)踐要求高等問題，采用面向?qū)ο蟮乃枷?，對集合與泛型知識點(diǎn)進(jìn)行梳理，重新組織教學(xué)思路與結(jié)構(gòu)，厘清知識點(diǎn)之間的相互關(guān)系。對學(xué)生進(jìn)行該部分知識點(diǎn)教學(xué)效果評價(jià)，取得良好的教學(xué)效果。

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【通聯(lián)編輯：王力】