CDIO理念下的《C#程序設(shè)計》實驗教學(xué)設(shè)計

房琛琛，齊 琪，陳 龍，薄鈞戈

(西安交通大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049)

0 引 言

“新工科”改革的目標是培養(yǎng)工業(yè)4.0背景下的復(fù)合型人才，課程教學(xué)模式必須適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求而提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，而實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力和創(chuàng)新能力的重要途徑[1-2]。但以往的實驗教學(xué)只以知識傳授為重點，缺少對學(xué)生專業(yè)特點、學(xué)生興趣及掌握情況的考慮，導(dǎo)致實驗教學(xué)效果不理想[3]。

該文以C#程序設(shè)計課程為例，分析當(dāng)前實驗教學(xué)的現(xiàn)狀，并融合學(xué)生的專業(yè)特點，設(shè)計了一個內(nèi)容貫穿整個課程知識體系的實驗案例。該案例以“CDIO (構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(Design)、實現(xiàn)(Implement)和運作(Operate))”理念[4]為導(dǎo)向，以學(xué)生喜歡的游戲主題為切入點，引導(dǎo)學(xué)生從面向過程到面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計思維過渡，倡導(dǎo)學(xué)生通過“理論學(xué)習(xí)、方法引導(dǎo)、自主研學(xué)”的方式來完成綜合性實驗以解決復(fù)雜的工程問題。

1 當(dāng)前C#程序設(shè)計實驗教學(xué)現(xiàn)狀及分析

目前C#程序設(shè)計實驗教學(xué)主要存在以下幾個問題[5-8]：

(1)教學(xué)內(nèi)容抽象、知識點多和雜。C#是一種面向?qū)ο蟮恼Z言，內(nèi)容包括類、對象、繼承、多態(tài)等。這些知識點比較抽象，學(xué)生難以理解，導(dǎo)致失去學(xué)習(xí)興趣。

(2)傳統(tǒng)的實驗案例無法將知識點貫通。大多數(shù)實驗案例都是與當(dāng)周理論課知識點相對應(yīng)的實驗，各個實驗之間的聯(lián)系較少，課程結(jié)束時學(xué)生難以將課程體系的知識點融會貫通，導(dǎo)致遇到實際問題無所適從。

(3)教學(xué)過程和實驗案例脫離實踐應(yīng)用。傳統(tǒng)的教學(xué)注重理論知識的講解，以教師講授為中心，學(xué)生被動接受知識，對學(xué)生實際開發(fā)能力缺乏足夠的重視。與之對應(yīng)的實驗案例也往往是“為了實驗而實驗”，內(nèi)容呆板老套缺乏實踐應(yīng)用價值，難以激發(fā)學(xué)生興趣，導(dǎo)致學(xué)生參與度低。

(4)學(xué)生層次不同，難以個性化培養(yǎng)。上課的學(xué)生所屬專業(yè)不同，對計算機程序掌握的程度也參差不齊。而現(xiàn)階段的教學(xué)內(nèi)容和實驗案例基本都是按照一致的要求來給學(xué)生傳授，這種情況會導(dǎo)致基礎(chǔ)好、能力強的學(xué)生得不到更深層次的學(xué)習(xí)，也會使基礎(chǔ)弱、能力弱的學(xué)生沒有很好掌握要點的現(xiàn)象出現(xiàn)。

針對上述問題，可以按照以下幾點特征來選取實驗案例：

(1)實驗案例應(yīng)來源于生產(chǎn)生活，最好有些趣味性，對學(xué)生而言不陌生、有代入感，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；

(2)實驗案例的綜合性應(yīng)較強，要能夠涵蓋“C#程序設(shè)計”的主要知識點，如類、對象、方法、繼承、多態(tài)等，理論與實踐要有聯(lián)系；

(3)難度適中，有層次性，可拓展性好，可以引入新知識。使不同層次學(xué)生能有所學(xué)、有所思、有所得。并且能夠培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力；

(4)可以根據(jù)不同的專業(yè)特點，設(shè)計案例中有不同的側(cè)重點，使學(xué)生發(fā)揮專業(yè)特長，所學(xué)能所用。

2 “理論學(xué)習(xí)、方法引導(dǎo)、自主研學(xué)”實踐教學(xué)模式設(shè)計

實踐教學(xué)是為教學(xué)目標服務(wù)的，為了更好地解決當(dāng)前實踐教學(xué)存在的問題，對現(xiàn)有實踐教學(xué)模式進行改革，該文提出“理論學(xué)習(xí)、方法引導(dǎo)、自主研學(xué)”的實踐教學(xué)模式，具體內(nèi)容如下：

(1)理論學(xué)習(xí)。實踐教學(xué)以現(xiàn)有教材的課程大綱為基礎(chǔ)。需掌握的知識有：

①開發(fā)環(huán)境的使用、程序調(diào)式等基本操作。

②面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計方法的原理：類與對象、繼承與多態(tài)。

③C#基本語法。

④Windows窗體程序框架、常用控件、鼠標鍵盤事件、繪圖，事件。

⑤文件的讀取、序列化與反序列化知識。

(2)方法引導(dǎo)。學(xué)生在老師引導(dǎo)下，構(gòu)思(Conceive)和設(shè)計(Design)實驗內(nèi)容。以五子棋游戲開發(fā)為目標，分解需求。啟發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)已掌握的知識點和分解任務(wù)的解決之間的關(guān)系(見表1)。然后對現(xiàn)有任務(wù)進行算法設(shè)計和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義，進入小組討論。各組根據(jù)任務(wù)的劃分情況制定系統(tǒng)開發(fā)框架和實施方案。

表1 知識模塊和項目應(yīng)用的關(guān)系

(3)自主研學(xué)。實驗中期的創(chuàng)新基本能力培養(yǎng)階段，學(xué)生自主完成(Implement)整個實驗；針對本案例中的復(fù)雜問題，借助網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)查研究已有技術(shù)的現(xiàn)狀和常用應(yīng)用方法。通過查閱資料并編程實現(xiàn)，既鍛煉了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，也鍛煉了學(xué)生的動手實踐能力。

3 融合專業(yè)特點的實驗案例設(shè)計

一個好的實驗案例可以讓學(xué)生運用所學(xué)的知識，設(shè)計并編程實現(xiàn)一個復(fù)雜度較高的綜合性項目。通過完成這一項目，能夠讓學(xué)生深刻理解如何通過計算機來解決實際問題的過程，并且提高自己的動手實踐能力。

本實驗案例選擇五子棋，因為五子棋是一個趣味性較強，能夠吸引學(xué)生去自主完成的一個項目，并且其綜合性和層次性也相對較強。五子棋是一種兩人對弈的純策略型游戲，深受大眾喜歡，以此為實踐項目可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)生的積極性和參與度，從而達到寓教于樂的效果；由于整個項目涵蓋程序設(shè)計課程絕大多數(shù)知識點，并且訓(xùn)練學(xué)生的設(shè)計、編碼、調(diào)試、運行等多方面能力，所以在知識點覆蓋和能力訓(xùn)練上都具有較強的綜合性；整個案例中的功能從易到難，由淺入深，學(xué)生可以根據(jù)自己的能力選擇其中部分功能予以實現(xiàn)，通過這種層次性及功能性來適應(yīng)不同程度和不同專業(yè)學(xué)生的各種需求[9]。

3.1 實驗案例的設(shè)計思想

本案例的主要內(nèi)容是設(shè)計并實現(xiàn)應(yīng)用軟件——五子棋。五子棋是一種兩人對弈的棋類游戲，基于.NET Framework平臺的圖形用戶界面模板，既可以利用C#語言和面向?qū)ο蟮幕驹矸奖愕膶崿F(xiàn)，又有很強的趣味性。其中，系統(tǒng)的功能設(shè)計和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計是實驗的重點，研究游戲的禁手規(guī)則、人機對戰(zhàn)算法是實驗的難點。通過對五子棋軟件的實現(xiàn)，加深學(xué)生對計算機進行問題求解過程的理解，培養(yǎng)學(xué)生將復(fù)雜工程問題進行“抽象、算法、自動化”的能力。

本案例涉及的內(nèi)容包括以下幾方面：

(1)五子棋基本規(guī)則：這部分主要包括落子規(guī)則和判負規(guī)則。根據(jù)是否對限制黑棋先行的優(yōu)勢，將規(guī)則分為無禁手和禁手規(guī)則。

(2)程序設(shè)計基本方法：面向?qū)ο蟮母拍詈退枷?、基?Net Framework的C#圖形用戶界面、GDI+繪圖應(yīng)用、常用的類庫。

(3)案例的不同側(cè)重點：面向理科生的重點為博弈算法，因為有理科背景的學(xué)生擅長運行數(shù)學(xué)模型解決問題。面向工科生的重點是軟件擴展功能的完善，如悔棋、復(fù)盤、登陸/注冊、背景音樂等。

3.2 實驗案例的不同側(cè)重點

(1)面向理科生的側(cè)重點是博弈算法。讓計算機模仿人類下棋，傳統(tǒng)的算法是采用博弈算法。該算法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是博弈樹(如圖1所示)。圖中A、B是對弈雙方，A有多種落子的選擇，那么B也就有多種對應(yīng)的下法。博弈樹就是把所有的走法都列出來所構(gòu)成的樹形圖。圖中的每一個節(jié)點表征博弈的一個確定狀態(tài)。通常把從一個節(jié)點通向其子節(jié)點的過程稱為一個行動，每一條邊代表一個動作。這里還有一些名詞，例如，分支因子表示節(jié)點的子節(jié)點數(shù)目；根節(jié)點表征博弈的初始狀態(tài)；葉子節(jié)點表示那些沒有子節(jié)點的節(jié)點；用端節(jié)點代表了博弈結(jié)束的狀態(tài)，可以通過評估端節(jié)點來判斷博弈的結(jié)果。

圖1 博弈樹

博弈算法中的子節(jié)點是以幾何級數(shù)上升的，算法的任務(wù)是從這些子節(jié)點中找到一個最優(yōu)的節(jié)點，從而贏得游戲。整個算法分為搜索和估值兩部分，對所有可能落子位置進行一個評價就是估值，然后選擇估值最高的位置作為最終落子位置。經(jīng)典的算法有極大極小搜索算法和Alpha-beta剪枝算法。

①極大極小搜索算法(MinMax)。

該策略是指，在假定對手總是執(zhí)行最佳動作的前提下，最大化自己的博弈收益。極小極大策略[10-11]是在各種風(fēng)險最小的策略中選擇收益最大的一個，從而在保證收益的同時最小化了風(fēng)險，但這是以放棄最優(yōu)策略為代價。因此這是一種保守的策略選擇方法。在A和B的兩人博弈中，A嘗試最大化其收益，而B嘗試最小化A的收益[12]。

對于深度為4的博弈樹采用極大極小搜索算法的過程(如圖2所示)，要想知道第一步怎么走，就要從第4步開始。根據(jù)樹狀圖的可行路徑，列出每一種可能的分數(shù)。第4步是對手下的，他要做的是最小化分數(shù)，于是對手根據(jù)結(jié)果可以反推出如圖2中b標記邊的選擇。繼續(xù)從后往前看到第3步，當(dāng)知道了對手的選擇以后，可以根據(jù)對手的結(jié)果反推出自己的選擇，要做的是最大化這個分數(shù)，如圖2中a標記邊的選擇。重復(fù)這個步驟，最終可以發(fā)現(xiàn)第一步的最優(yōu)選擇。

圖2 極大極小算法搜索過程

②Alpha-beta剪枝。

雖然五子棋的標準棋盤是15×15，但整個搜索空間也是一個龐大的數(shù)字。為了限制博弈樹的大小，通常不會對所有的狀態(tài)做展開，并且只訪問那些展開的狀態(tài)。Alpha-beta剪枝算法[13-14]被用來減少博弈樹中被極小極大策略評估的節(jié)點數(shù)目，從而縮減博弈樹的規(guī)模。它的原理是在博弈樹內(nèi)搜索過程中判斷出哪一個葉節(jié)點可以勝出棋局時，其他搜索就不需要繼續(xù)了。即對選取極大極小值進行判斷，剪掉獲勝機率小的葉節(jié)點，從而減小搜索量，提高效率[15]。

剪枝過程如圖3所示。在選擇w3走的時候同時把所得alpha和beta傳遞下去，在經(jīng)過w1->w3->w7得到f(w3)=4(同時使beta=4)后，首先進行判斷：如果alpha>beta，說明這個點一定不會產(chǎn)生最優(yōu)解了，直接返回beta=4，不用再去搜索w8和w9。因為w1在走w2這條路時得到的一個估價值f(w1)就是alpha，而w3是Min層，它會選擇子節(jié)點w7、w8、w9中f的值小的作為f(w3)，所以w3在得到f(w3)=4后如果繼續(xù)搜索w8、w9，只能得到比它更小的值；w1是Max層，它要修改的條件就是找到估價值比它更大的子節(jié)點，而w1目前已知的估價值f(w1)=6比f(w3)要大，所以w1不會選w3作為下一步，也就沒有必要繼續(xù)搜索下去。這樣就剪掉了w8、w9這兩個分支，直接跳出w3進入w4繼續(xù)搜索。這樣就實現(xiàn)了有效的剪枝優(yōu)化。

圖3 Alpha-bet剪枝算法過程

(2)面向工科生的側(cè)重點是軟件的擴展功能的完善。擴展功能可以包括以下內(nèi)容：

①悔棋：可以允許玩家一方悔一步或多步棋。

②復(fù)盤：下棋結(jié)束后重現(xiàn)下棋的過程，玩家可以根據(jù)此過程分析和研究成敗得失和著法優(yōu)劣。

③時限：可以通過設(shè)置玩家下棋的時間限制來增加游戲難度。

④登陸/注冊：用戶可以通過注冊來設(shè)置用戶名、密碼等信息，然后通過登陸進入游戲環(huán)節(jié)。

⑤音樂：可以設(shè)置背景音樂或音效使玩家有良好的游戲體驗。

⑥頁面美化：可以添加背景圖片、設(shè)計頁面布局等完成美化功能。

軟件的擴展功能不局限于此，學(xué)生可以根據(jù)自己的能力添加更多的功能。

3.3 實驗案例的實現(xiàn)

(1)棋盤和棋子的實現(xiàn)。

棋類游戲最核心的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是棋盤，棋盤表示的高效與否決定了棋類游戲的性能。棋盤數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計目標而定。可考察棋盤的兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示。

①二維數(shù)組。

五子棋棋盤上的任意一個位置都可以用橫縱坐標來確定，因為棋盤是規(guī)則的長方形。這樣就可以用二維數(shù)組直觀清晰地表示棋盤結(jié)構(gòu)。因為行和列的二維信息比較清楚，所以用二維數(shù)組存取數(shù)據(jù)是比較高效的。但是，也有缺點，要確定棋子狀態(tài)，需要掃描整個棋盤，也就是遍歷存儲棋盤的二維數(shù)組才能獲得特定棋子的狀態(tài)，這點是比較耗時。

②鏈表。

如果用數(shù)組來保存棋子的信息，很難體現(xiàn)出棋子之間的位置(前、后、左、右)關(guān)系，這是因為單個數(shù)組元素保存的信息太少。在系統(tǒng)進行一些復(fù)雜的操作也是十分低效，例如悔棋，該功能是退回到上一步，因此需要知道上一步的下子位置。解決這些問題可以用鏈表結(jié)構(gòu)。因為鏈表可以存儲上個節(jié)點和下個節(jié)點的位置信息，因此可以用鏈表把用戶下子的順序鏈接起來。用鏈表不光可以存儲棋子位置的橫縱坐標值，還可以存儲其他信息，例如，棋子的歸屬信息，即是我方還是敵方的棋子。

(2)繪制棋盤和棋子。

繪制棋盤的過程在private void Form1_Paint(object sender, PaintEventArgs e)事件中利用GDI+繪圖函數(shù)DrawLine()畫出一個棋盤。定義棋子類，包含棋子的坐標、狀態(tài)、評分等信息。

(3)落棋判斷。

首先收集棋盤已有棋子的狀態(tài)信息。在禁手模式下，黑棋(玩家)落子時會檢查是否形成三三、四四、長連。如果是，該位置提示不可落棋。黑棋(AI)落子時，首先將所有可形成三三、四四、長連的禁手位置集合標記。通過博弈算法實現(xiàn)搜索時，對于不屬于禁手位置集合的點，采用估值函數(shù)給每個點打分，得到最優(yōu)位置。在無禁手模式下，只要落棋位置空，即可落子。

第一種搜索算法：極大極小搜索算法。其偽代碼如下所示：

極大極小算法偽代碼(參考)

01：int MaxMin(position,int d)

02：{

03： int bestvalue,value;

04： if(game over) //檢查游戲是否結(jié)束

05： return evaluation(p);// 游戲結(jié)束

06： if(depth<=0) //檢查是否是葉子節(jié)點

07： return evaluation(p);//返回估值

08： if(max) //極大值點

09： bestvalue=-INFINTY;

10： else //極小值點

11： bestvalue=INFINTY;

12： for(each possibly move m)

13： {

14： MakeMove(m); //走棋

15： value=MaxMin(p,d-1);

16： UnMakeMove(m); //恢復(fù)當(dāng)前局面

17： if(max)

18： bestvalue=max(value,bestvalue);//取最大值

19： else

20： bestvalue=min(value,bestvalue);//取最小值

21： }

22： return bestvalue;

23：}

另一種搜索算法：Alpha-beta剪枝算法。其為代碼如下所示：

Alpha-beta剪枝算法偽代碼(參考)

01： int AlphaBeta(nPlay,nAlpha,nBeta)

02： {

03： if(game over)

04： return Eveluation; //勝負返回估值

05： if(nPly==0)

06： return Eveluation; //葉節(jié)點返回估值

07： if(Is Min Node) //判斷節(jié)點類型

08： { // 極小值節(jié)點

09： for(each possible move m)

10： {

11： make move m; //生成新節(jié)點

12： score=AlphaBeta(nPly-1,nAlpha,nBeta)

13： unmake move m;//撤銷搜索過的節(jié)點

14： if(score

15： {

16： nBeta=score;//取極小值

17： if(nAlpha>=nBeta)

18： return nAlpha;//alpha剪枝

19： }

20： }

21： return nBeta;//返回最小值

22： }

23： else

24： {//取極大值的節(jié)點

25： for(each possible move m)

26： {

27： make move m; //生成新節(jié)點

28： //遞歸搜索子節(jié)點

29： score=AlphaBeta(nPly-1,nAlpha,nBeta)

30： //撤銷搜索過的節(jié)點

31： unmake move m;

32： if(score>nAlpha)

33： {

34： nAlpha=score;//取極小值

35： if(nAlpha>=nBeta)

36： //Beta剪枝

37： return nBeta;

38： }

39： }

40： return nAlpha;//返回最小值

41： }

42：}

(4)游戲勝負的判定。

當(dāng)有一方獲勝時，最后一顆棋子的落棋處必然存在5子相連的棋型。其中連線的方式有：橫、豎、左對角線、右對角線四種(如圖4所示)。在實現(xiàn)階段，需要在各棋子落下時，以該棋子為中心位置判斷它的四種方向上是否存在五子相連。

圖4 五子相連的四種情況

(5)背景音樂的添加。

通過using System.Media語句引入用于播放聲音文件類的命名空間，然后通過聲明SoundPlayer類的對象來實現(xiàn)音樂播放的功能。

音樂播放偽代碼(參考)

01： SoundPlayer bgm = new SoundPlayer(音樂文件路徑);

02： bgm.Play();//開始播放音樂

03： bgm.Stop();//停止音樂播放

軟件擴展功能較多，其他功能不在此一一列舉。

3.4 實驗案例的考核與驗收

本案例建立面向全過程的多元化課程考核形式，將體現(xiàn)自主探究過程的課堂和課后表現(xiàn)、項目實踐等納入實驗綜合考評體系，合理設(shè)置權(quán)重系數(shù)。成績采用百分制，占比如下：

(1)平時成績(10%)；是否按時參加實驗課，是否積極參加小組討論。

(2)基礎(chǔ)功能完成(40%)：基本功能是否運行正確，代碼書寫是否規(guī)范?；A(chǔ)功能內(nèi)容如表2所示。

(3)提高功能完成(30%)：提高功能是否運行正確，代碼書寫是否規(guī)范。提高功能內(nèi)容如表2所示。

表2 功能實現(xiàn)的兩個層次

(4)項目答辯(10%)：答辯時表述問題需要有一定的條理性和邏輯性，回答問題需要正確和準確。

(5)實驗報告(10%)：以論文形式書寫報告，掌握科學(xué)論文的書寫格式、書寫方法及參考文獻引用等，需要體現(xiàn)其規(guī)范性和完整性，實驗報告需要有以下內(nèi)容：

①問題描述。描述本案例實驗背景、需要解決的問題，涉及的知識點，問題規(guī)模，難度、調(diào)研情況。

②系統(tǒng)設(shè)計。重點闡述實驗的設(shè)計總體思路，包括功能設(shè)計和界面設(shè)計。

③實現(xiàn)方法。運用了哪些核心技術(shù)，引用所查閱的資料，如教材、論文、網(wǎng)站等。

④實現(xiàn)過程。詳細描述實驗過程，重點記錄關(guān)鍵步驟并解釋說明，粘貼相關(guān)代碼。

⑤實驗結(jié)果。設(shè)計測試用例，程序運行結(jié)果截圖。

⑥實驗總結(jié)?？偨Y(jié)在實驗中學(xué)習(xí)和掌握了哪些知識，個人哪些方面能力有提高，案例還有哪些改進的地方。

3.5 實驗案例的應(yīng)用

本案例已納入本?！禖#程序設(shè)計》課程的實驗教學(xué)中，面向全校的數(shù)學(xué)、化學(xué)、生物、信息專業(yè)的大二學(xué)生開設(shè)。平均每年有近10個教學(xué)班400余名學(xué)生完成本案例的實踐。經(jīng)過近兩年的教學(xué)案例的實施，學(xué)生程序設(shè)計能力得到明顯的提升。學(xué)生作品如圖5所示。

圖5 學(xué)生作品

4 結(jié)束語

本案例通過實現(xiàn)一個趣味性很強的游戲，引導(dǎo)學(xué)生思考如何將所學(xué)知識和現(xiàn)實應(yīng)用聯(lián)系起來。案例內(nèi)容涉及到C#程序設(shè)計課程中的核心知識點，通過構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作過程，循序漸進地將相關(guān)知識點融入案例的任務(wù)中，幫助同學(xué)建立知識的前后聯(lián)系。使同學(xué)體會到知識的系統(tǒng)性和應(yīng)用性。

根據(jù)學(xué)生不同的專業(yè)特點，設(shè)計了案例中有不同的側(cè)重點，并從不同層次的功能實現(xiàn)入手，提高學(xué)生的動手實踐和自主研學(xué)能力，最后使之形成終身學(xué)習(xí)的習(xí)慣。

該案例目前在實驗教學(xué)中進行了實際應(yīng)用，學(xué)生反饋編程能力增強了，學(xué)習(xí)效果良好。