一套跨學(xué)期跨科目的JAVA程序設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)教程設(shè)計(jì)與實(shí)踐探究

楊劍蘭，張淑梅

（1.昆明醫(yī)科大學(xué)海源學(xué)院文理系，云南昆明650106，2.云南達(dá)遠(yuǎn)軟件有限公司，云南昆明 650101）

1 綜述

1.1 研究背景

昆明醫(yī)科大學(xué)海源學(xué)院信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè)課程體系中，主干學(xué)科包括計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、管理學(xué)、運(yùn)籌學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)，同時(shí)還設(shè)置了醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)課程。

基于信息管理與信息系統(tǒng)本身涉及學(xué)科維度廣泛的特性，該專業(yè)更應(yīng)當(dāng)突出把學(xué)生具備多元的、靈活的知識(shí)能力，通過(guò)扎實(shí)的計(jì)算機(jī)運(yùn)用技術(shù)，更為巧妙與創(chuàng)意地與不同工程領(lǐng)域進(jìn)行結(jié)合，憑借計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)、系統(tǒng)性思考以及高度參與設(shè)計(jì)實(shí)踐，來(lái)應(yīng)對(duì)不斷更新變化的信息處理挑戰(zhàn)，為了具備上述競(jìng)爭(zhēng)力，本文提出在專業(yè)學(xué)習(xí)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)注重培養(yǎng)以下三點(diǎn)：

1）從理論和實(shí)踐、算法與程序中把握較為廣泛的計(jì)算知識(shí)；2）能夠想出有效的方法解決問(wèn)題；3）以解決問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)的跨模塊運(yùn)用能力得以訓(xùn)練，替代舊有單純孤立割裂的理論與技術(shù)練習(xí)。

1.2 課程體系分析

參照2020年人才培養(yǎng)方案中信管專業(yè)課程設(shè)置，課程體系專業(yè)課由基礎(chǔ)課和專業(yè)課構(gòu)成，課程學(xué)年分布如表1所示。

表1 各年級(jí)課程體系結(jié)構(gòu)分布表

從課程分布可看出低年級(jí)時(shí)期數(shù)理基礎(chǔ)課密集，專業(yè)在設(shè)置課程體系時(shí)考慮到數(shù)理科目與高中時(shí)期數(shù)理課程的連貫性，因此將數(shù)理科目集中安排在低年級(jí)時(shí)期是較為合理的。并且數(shù)理基礎(chǔ)課程對(duì)專業(yè)領(lǐng)域問(wèn)題如商務(wù)智能與決策分析問(wèn)題、程序設(shè)計(jì)的算法問(wèn)題等深入學(xué)習(xí)與研究提供支柱性作用，打好相關(guān)基礎(chǔ)尤為重要。但數(shù)理課程在教學(xué)中往往存在偏理論、欠缺實(shí)踐的問(wèn)題導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力不足，對(duì)數(shù)理基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)認(rèn)同感較低。因此，必須尋求一種方案能夠?qū)?shù)理基礎(chǔ)課程的實(shí)用性進(jìn)行展現(xiàn)、提升學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)理基礎(chǔ)課程的興趣。

1.3 主要存在的問(wèn)題

學(xué)生在專業(yè)基礎(chǔ)課如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)等課程的學(xué)習(xí)中，不會(huì)主動(dòng)意識(shí)到這些基礎(chǔ)課對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)生活所發(fā)揮的科學(xué)指導(dǎo)意義，難以將相關(guān)編程知識(shí)或思維聯(lián)系其他學(xué)科；學(xué)科思維相互獨(dú)立，難以對(duì)已學(xué)知識(shí)進(jìn)行橫向和縱向的遷移。

1.4 解決思路及實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

圍繞Java 程序設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，從大一開(kāi)始著手創(chuàng)建其他專業(yè)課程與編程的關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)案例，使學(xué)生能夠及時(shí)地將所學(xué)習(xí)到的數(shù)理知識(shí)或管理流程知識(shí)運(yùn)用于計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)求解，案例具備相當(dāng)數(shù)量與規(guī)模后，可構(gòu)建編程實(shí)驗(yàn)教程，將其投入使用到教學(xué)過(guò)程中，從而突出各科目的緊密結(jié)合度、在知識(shí)上可將各科進(jìn)行有效銜接，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與效能體驗(yàn)。學(xué)生關(guān)聯(lián)思維與發(fā)散思維可在一定程度上得到提高，并在求解過(guò)程中得到及時(shí)的正面反饋鼓勵(lì)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于自身能力的肯定，減少學(xué)生在面對(duì)就業(yè)問(wèn)題的焦慮情緒[1]。

1.5 研究方法

1）搜集大一年級(jí)至大四年級(jí)的各科目教材，羅列核心知識(shí)點(diǎn)；

2）篩選出分布在不同學(xué)期的專業(yè)代表課程，分析其轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)程序的可行性以及與計(jì)算機(jī)程序關(guān)聯(lián)教學(xué)的意義；

3）劃定程序融入的課程，如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)等；

4）確定融入角度、方式和案例，對(duì)問(wèn)題的求解過(guò)程分別用理論知識(shí)與Java程序代碼進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

2 具體問(wèn)題的程序?qū)崿F(xiàn)

為示范可行性，本文特別選取數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)兩門分布在大一與大二階段的課程進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)選取并轉(zhuǎn)換成實(shí)驗(yàn)案例[2]。

2.1 大一階段

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中最短路徑的程序化推算如下：

1)問(wèn)題陳述

單源最短路徑算法——以Dijkstra 算法為例，從一個(gè)源點(diǎn)到其他各頂點(diǎn)的最短路徑問(wèn)題稱為“單源最短路徑問(wèn)題”[3]。Dijkstra 算法用于計(jì)算源點(diǎn)到除自身以外節(jié)點(diǎn)的最短距離。主要特點(diǎn)是以起始點(diǎn)（源點(diǎn)）為中心向外一層一層擴(kuò)大范圍，結(jié)束條件為圖中無(wú)其他節(jié)點(diǎn)[3]。Dijkstra 算法在很多課程中有介紹，如離散數(shù)學(xué)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、運(yùn)籌學(xué)等。

2）例題設(shè)計(jì)

例：求昆明市部分地鐵路線如圖1 中從A 頂點(diǎn)到其余頂點(diǎn)的最短路徑。

圖1 昆明市部分地鐵路線抽象圖

解：Dijkstra 算法核心思路為將具體問(wèn)題抽象為有權(quán)無(wú)向圖，圖中所有節(jié)點(diǎn)按照“已求出”和“未求出”分為兩組，“已求出”組命名S，“未求出”組命名為U，更新距離時(shí)使用的距離為到源點(diǎn)的距離，即距離是遞增的。因此具體步驟為：①初始化；S集合包含源點(diǎn)x，U 包含除源點(diǎn)外的其他頂點(diǎn)，U 中頂點(diǎn)y 距鄰接節(jié)點(diǎn)距離為邊上的權(quán)重。通路形成條件為x 到y(tǒng) 有邊；②從U 中選擇一個(gè)距離x 最小的頂點(diǎn)y，把y 加入S 集合中。注意：距離是不斷累加的（因?yàn)樗妇嚯x表示為到源點(diǎn)的總距離）；③更新U集合中各頂點(diǎn)的距離，通過(guò)比較得出最短距離以及對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)；④重復(fù)步驟②和③直到所有頂點(diǎn)都加入S中。

3）截取部分代碼如下

4）主要掌握的知識(shí)點(diǎn)

邏輯知識(shí)點(diǎn)：①初始化是起始點(diǎn)的最短距離0，其他點(diǎn)為無(wú)窮大；②注意被收錄點(diǎn)的距離；③距離的不斷累加；④時(shí)間復(fù)雜度O(n2)；⑤空間復(fù)雜度鄰接矩陣為O(n2)。2）程序語(yǔ)法知識(shí)點(diǎn)：①初始化階段中邊和頂點(diǎn)的初始化；②輸入格式的判斷；③Try-catch 語(yǔ)句的使用；④矩陣隊(duì)列圖的輸出格式；⑤Do-while 循環(huán)的使用；⑥數(shù)字和字符的提取。

2.2 大二階段

概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)中抽球問(wèn)題的程序化推算如下：

1）問(wèn)題陳述

在古典概型中，對(duì)于概率的計(jì)算分為不同類型，可以直接計(jì)算概率的加法法則和乘法法則，全概率公式和貝葉斯公式等方法[4]。例如，將不同顏色的小球放置同一容器內(nèi)，從中取出N 個(gè)小球，此類問(wèn)題有典型意義，因?yàn)檫@可以代表工廠產(chǎn)品的檢驗(yàn)問(wèn)題、同類產(chǎn)品從不同工廠購(gòu)置等問(wèn)題，為方便統(tǒng)計(jì)將這類問(wèn)題稱為抽球問(wèn)題[4]。

2）例題設(shè)計(jì)

一個(gè)袋子中有10 個(gè)大小相同的球，白色的7 個(gè)，黑色的3個(gè)，抽取后放回，求（1）從袋子中抽取一個(gè)球，黑球的概率；（2）從袋子中任意取兩個(gè)球，剛好一黑一白的概率；（3）任取兩個(gè)球都是黑的概率。

3）截取部分代碼如下

4）主要掌握的知識(shí)點(diǎn)

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)束語(yǔ)

在各類案例實(shí)現(xiàn)過(guò)程中不斷進(jìn)行知識(shí)拓展以及解決方式的多元化，從而培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維、創(chuàng)新思維和獨(dú)立思維，有助于學(xué)生更加系統(tǒng)地理解和感悟知識(shí)。

3.2 未來(lái)展望

建設(shè)一套跨學(xué)期跨科目的程序設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)教程，教程可綜合各門編程語(yǔ)言供學(xué)生做相關(guān)語(yǔ)法對(duì)比，并可將案例組合到微信小程序中供學(xué)生進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，其中一些問(wèn)題可錄制微課進(jìn)行更為生動(dòng)的講解。同時(shí)，采用開(kāi)源模式可不斷增加新的學(xué)科內(nèi)容及解決方法，并且立足于專業(yè)特色、可以針對(duì)昆明醫(yī)科大學(xué)海源學(xué)院信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè)的醫(yī)科背景，增加更多醫(yī)院醫(yī)療背景的案例。