摘要：針對傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)教學(xué)中以語言為重點(diǎn)而忽略編程技能培訓(xùn)的不足，提出以技能為主導(dǎo)的程序設(shè)計(jì)教學(xué)模式。該模式以“精講多練、注重技能、開拓創(chuàng)新”作為教學(xué)理念，以編程累計(jì)行數(shù)TLOC和單個(gè)程序代碼行數(shù)SLOC作為衡量學(xué)生學(xué)習(xí)效果的兩級考核指標(biāo)，獨(dú)創(chuàng)具有“數(shù)據(jù)表示”和“程序?qū)崿F(xiàn)”兩條主線的雙線索式知識體系，有效克服傳統(tǒng)教學(xué)中的瓶頸問題。

關(guān)鍵詞：編程技能；TLOC；SLOC；雙線索；高集成度程序設(shè)計(jì)綜合訓(xùn)練平臺

程序設(shè)計(jì)作為各專業(yè)程序開發(fā)基礎(chǔ)課程和實(shí)踐環(huán)節(jié)的軟件工具，是大學(xué)計(jì)算機(jī)教育的核心課程和各類專業(yè)的必修課程。該課程覆蓋面廣、影響力大，為大學(xué)生參加課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、科技制作、學(xué)科競賽等活動提供有力的實(shí)踐平臺。

大多數(shù)學(xué)校教師選擇c語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)，原因在于世界上大多數(shù)軟件都是由C/C++語言開發(fā)的。在TIOBE編程語言排行榜上，C/C++語言多年來始終名列前茅。從C語言人手學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)，對于培養(yǎng)算法設(shè)計(jì)與分析能力、抽象數(shù)據(jù)描述與表示能力、利用計(jì)算機(jī)求解現(xiàn)實(shí)問題的計(jì)算思維能力，具有其他高級語言無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。因此，我們也以C語言為重點(diǎn)進(jìn)行討論。

然而，程序設(shè)計(jì)語言的學(xué)習(xí)難度是很大的，面對龐大、復(fù)雜的語言知識系統(tǒng)，不少學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中始終感覺“一葉障目”“不見森林”，對學(xué)過的程序思路不甚了解，數(shù)據(jù)描述不清楚，算法設(shè)計(jì)不到位，最終連最基本的語言知識也掌握不住，最基本的開發(fā)環(huán)境也不會使用。因此，筆者分析教學(xué)各環(huán)節(jié)中存在的不足，結(jié)合多年程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出以技能為主導(dǎo)的程序設(shè)計(jì)教學(xué)模式。

1 教學(xué)現(xiàn)狀及不足

1.1課程知識體系重語言，與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)

國內(nèi)的程序設(shè)計(jì)課程在構(gòu)建知識體系時(shí)，多以語言本身為重點(diǎn)。知識體系偏重語言知識，教師只對詞法和語法進(jìn)行詳細(xì)介紹，千篇一律，列舉的例子大多面向某一語法，與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)；同時(shí)教師在課堂上缺少對程序設(shè)計(jì)方法的講解，不重視對學(xué)生計(jì)算思維的訓(xùn)練。

大多數(shù)學(xué)校在構(gòu)建知識體系時(shí)僅停留在程序設(shè)計(jì)語言層面，教師只注重講解語言詞法和語法細(xì)節(jié)，鮮有對程序設(shè)計(jì)方法的分析，缺少對應(yīng)用編程技術(shù)的展開講解。

1.2教學(xué)方法不成熟，難以培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的技能

由于C/C++語言等程序設(shè)計(jì)語言的語法體系十分繁雜，教師普遍感覺教學(xué)任務(wù)繁重，以函數(shù)和自定義類型等為教學(xué)中心的編程階段教學(xué)無法獲得良好的教學(xué)效果；而學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，疲于接受與記憶每一個(gè)語法細(xì)節(jié)，忽略程序設(shè)計(jì)的整體概念，抓不住學(xué)習(xí)重點(diǎn)，從而無法達(dá)到應(yīng)用程序開發(fā)的教學(xué)目標(biāo)。

盡管有些學(xué)校提出在教學(xué)中運(yùn)用諸如“案例教學(xué)”、“項(xiàng)目驅(qū)動”等教學(xué)方法，但是由于缺少成熟的教學(xué)平臺和系統(tǒng)化、規(guī)范化的教學(xué)資源，難以培養(yǎng)和提高學(xué)生應(yīng)用程序設(shè)計(jì)解決實(shí)際問題的技能。隨著社會逐漸向數(shù)字化信息時(shí)代邁進(jìn)，學(xué)生不僅應(yīng)該學(xué)會如何使用程序，而且要學(xué)會如何編寫程序。當(dāng)語言知識轉(zhuǎn)化為編程技能時(shí)，知識就不會被遺忘，應(yīng)用程序設(shè)計(jì)解決實(shí)際問題的能力也就如同本能一般。

為此，筆者在多年程序設(shè)計(jì)課程一線教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和軟件開發(fā)科研工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合自主研發(fā)的程序設(shè)計(jì)綜合訓(xùn)練教學(xué)平臺和系列教育軟件，推出以語言知識為工具、以技能為目標(biāo)、以編程技術(shù)為核心的全新程序設(shè)計(jì)教學(xué)模式。

2 以技能為主導(dǎo)的程序設(shè)計(jì)教學(xué)

2.1教學(xué)理念

以技能為主導(dǎo)的程序設(shè)計(jì)教學(xué)模式提倡“精講多練、注重技能、開拓創(chuàng)新”的教學(xué)理念。1）“精講多練”思想注重程序設(shè)計(jì)課程的強(qiáng)實(shí)踐性，強(qiáng)調(diào)教師應(yīng)將精力放在精華內(nèi)容的講解上，對于語言中很細(xì)微的語法或詞法等內(nèi)容應(yīng)盡量精煉，以留出更多的時(shí)間讓學(xué)生動手編程。實(shí)踐性課程的特點(diǎn)決定了教師在課堂上講解得再多、再細(xì)也不會對教學(xué)效果的提升起到很大作用，學(xué)生只有經(jīng)過自身實(shí)踐才會加深理解和記憶。因此，新的教學(xué)模式提倡精講多練，要求教師運(yùn)用程序設(shè)計(jì)方法從語言整體上進(jìn)行教學(xué)，而將語言細(xì)節(jié)留給學(xué)生，讓其從大量的實(shí)踐練習(xí)中體會。

2）“注重技能”是針對傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)課程教

學(xué)忽略技能培訓(xùn)而提出的。它通過常用算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序設(shè)計(jì)方法以及稍有難度的題目，讓學(xué)生嘗試使用函數(shù)、數(shù)組、結(jié)構(gòu)體、指針等程序設(shè)計(jì)高級工具，鞏固和回憶數(shù)學(xué)、物理等自然科學(xué)提供的解決現(xiàn)實(shí)問題的知識，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)踐模式中學(xué)生相關(guān)知識欠缺的問題，提高學(xué)生應(yīng)用知識求解問題的能力。這是傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)所欠缺的，也是造成學(xué)生在學(xué)習(xí)完程序設(shè)計(jì)課程后不會編程序的主要原因之一。

3）“開拓創(chuàng)新”是對學(xué)生又一個(gè)層次的拔高訓(xùn)練，讓學(xué)生通過課程設(shè)計(jì)和參與軟件開發(fā)項(xiàng)目等方式，學(xué)會怎樣將一個(gè)實(shí)際中的復(fù)雜應(yīng)用進(jìn)行分解，然后針對每個(gè)應(yīng)用子問題進(jìn)行抽象并將子問題逐個(gè)求解，最終完成一個(gè)大型應(yīng)用問題求解的程序甚至軟件?！伴_拓創(chuàng)新”培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和動手能力，使學(xué)生具備較強(qiáng)的計(jì)算思維能力和現(xiàn)實(shí)問題求解能力。

2.2考核指標(biāo)

以技能為主導(dǎo)的程序設(shè)計(jì)教學(xué)模式不再以期末紙質(zhì)考試成績作為衡量學(xué)生學(xué)習(xí)效果的標(biāo)準(zhǔn)。新教學(xué)模式提出衡量教學(xué)效果有兩個(gè)重要指標(biāo)：編程累計(jì)行數(shù)TLOC（Total Lines of Code）和單個(gè)程序行數(shù)SLOC（Source Lines ofCode）。

編程累計(jì)行數(shù)TLOC指編程者在一段時(shí)間內(nèi)編寫代碼的總行數(shù)。作為課程考核指標(biāo)使用時(shí)，它主要指學(xué)生在一個(gè)課程學(xué)期內(nèi)編寫代碼的總行數(shù)。TLOC指標(biāo)一般用以強(qiáng)化學(xué)生的基本知識訓(xùn)練，學(xué)生依靠以解題為主的編程訓(xùn)練提高能力，即通過多個(gè)基本練習(xí)題達(dá)到TLOC指標(biāo)的要求，這是程序設(shè)計(jì)課程的初級要求。

單個(gè)程序行數(shù)SLOC指單個(gè)程序或軟件的源代碼行數(shù)，是衡量軟件或程序大小的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)常被用來預(yù)測軟件開發(fā)的工程量、估算編程效率和程序的可維護(hù)性。SLOC作為以技能為主導(dǎo)的程序設(shè)計(jì)教學(xué)模式的高級考核指標(biāo)，要求學(xué)生能夠設(shè)計(jì)并編寫出具有一定規(guī)模的程序，領(lǐng)會大型程序設(shè)計(jì)以及軟件開發(fā)技術(shù)的思維方式和開發(fā)過程。

2.3知識體系

筆者重新構(gòu)建了程序設(shè)計(jì)課程的知識體系，克服傳統(tǒng)課程知識體系中以語言為唯一主線的弊端，增加用以培訓(xùn)學(xué)生編程技能的算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、高級編程技術(shù)等內(nèi)容，并在算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與程序設(shè)計(jì)的結(jié)合上精心設(shè)計(jì)，力圖適合高等院校和專業(yè)計(jì)算機(jī)培訓(xùn)教學(xué)目標(biāo)與知識結(jié)構(gòu)的要求。該知識體系有以下幾個(gè)特色。

1）創(chuàng)新的雙線索結(jié)構(gòu)。

C/C++等程序設(shè)計(jì)語言都具有龐大的語言知識內(nèi)容，以語言為唯一線索必然會使教學(xué)始終處在學(xué)時(shí)不夠的“高壓狀態(tài)”，教師疲于完成教學(xué)任務(wù)，而學(xué)生則在學(xué)習(xí)過程中抓不住主次。因此，以技能為主導(dǎo)的程序設(shè)計(jì)教學(xué)模式首創(chuàng)雙線索程序設(shè)計(jì)知識體系。該知識體系以“數(shù)據(jù)表示”和“程序?qū)崿F(xiàn)”作為教學(xué)的兩條主線索，螺旋交叉推進(jìn)。c語言知識體系雙螺旋線索結(jié)構(gòu)如圖1所示。

首先，教師通過簡單程序引出程序基本結(jié)構(gòu)，以編程為目標(biāo)給出兩條線索：數(shù)據(jù)表示和程序?qū)崿F(xiàn)。其次，從引入簡單數(shù)據(jù)開始，逐步解決運(yùn)算和程序組織，進(jìn)而上升到程序模塊化的實(shí)現(xiàn)。第三，從C語言的基本數(shù)據(jù)類型逐步提高到復(fù)雜數(shù)據(jù)類型，上升到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)層面的數(shù)據(jù)表示，程序模塊晉級到算法實(shí)現(xiàn)。最后，兩條線索交匯到高級編程技術(shù)應(yīng)用專題，揭示程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用軟件開發(fā)的一般規(guī)律。

雙線索程序語言知識體系體現(xiàn)出程序設(shè)計(jì)方法學(xué)中的理念，程序語言成為編程的工具而不是目標(biāo)，學(xué)生既獲取了語言知識，又掌握了編程技能。

2）算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和程序設(shè)計(jì)的緊密結(jié)合。

算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與程序設(shè)計(jì)實(shí)際上是一個(gè)統(tǒng)一體，我們不應(yīng)該也不可能將它們對立與分割。算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是以程序語言為基礎(chǔ)的程序設(shè)計(jì)的理論升華，可以培養(yǎng)學(xué)生向應(yīng)用程序開發(fā)轉(zhuǎn)型。本知識體系加入算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的初步知識，并克服了簡單羅列算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)容、算法與程序設(shè)計(jì)脫節(jié)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與程序數(shù)據(jù)表示脫節(jié)等問題。教師在講解每一種常用算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本思路與設(shè)計(jì)步驟時(shí)，要落實(shí)到每一個(gè)案例，從案例的提出到算法設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)描述、從程序?qū)崿F(xiàn)到案例結(jié)果的討論與分析，環(huán)環(huán)相扣，融為一體，力求理論與實(shí)際相結(jié)合，數(shù)據(jù)描述與數(shù)據(jù)表示、算法與程序?qū)崿F(xiàn)相統(tǒng)一，切實(shí)保證學(xué)生對所學(xué)算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的理解和掌握。

3）強(qiáng)調(diào)以編程技術(shù)為主的技能訓(xùn)練。

本知識體系增加了操作系統(tǒng)、人機(jī)界面、圖形圖像、多媒體、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)庫、硬件接口等高級編程技術(shù)知識，輔以研究型專題的技術(shù)，可以拓寬學(xué)生的知識面，使其充分認(rèn)識到程序是如何解決實(shí)際應(yīng)用問題的，抱著極大興趣展開研究型學(xué)習(xí)。只有在這樣的學(xué)習(xí)環(huán)境下，學(xué)生才能從根本上提高SLOC，提升技能訓(xùn)練層次。

2.4教學(xué)方法

1）理論教學(xué)。

相比傳統(tǒng)的課程體系，新的知識體系增加不少內(nèi)容。為了達(dá)到良好的教學(xué)效果，我們重新設(shè)計(jì)理論教學(xué)方法，并將其總結(jié)為“快慢結(jié)合、抓大放小”。

在新的教學(xué)方法中，我們對程序設(shè)計(jì)知識進(jìn)行優(yōu)化安排，即在程序語言知識方面采用“快節(jié)奏”，在程序設(shè)計(jì)方法和編程技術(shù)方面采用“慢節(jié)奏”，解決了多年來程序設(shè)計(jì)教與學(xué)的難題和瓶頸問題。“快節(jié)奏”體現(xiàn)為語言基礎(chǔ)知識大幅壓縮，教師一開始即以簡單程序框架展開程序，直接進(jìn)入以程序模塊為主的教學(xué)環(huán)境。這種方式方便教師精講知識，學(xué)生盡早練習(xí)程序設(shè)計(jì)和編程，使得課堂教學(xué)不在語言細(xì)節(jié)和小片段程序上反復(fù)循環(huán)?！奥?jié)奏”體現(xiàn)為以較難的編程技術(shù)為研究專題展開歷時(shí)較長的編程方法教學(xué)，方便教師組織技能訓(xùn)練，學(xué)生獲取應(yīng)用編程技巧。理論教學(xué)過程將軟件開發(fā)中的結(jié)構(gòu)化、面向?qū)ο?、組件模型、敏捷思想融入到每個(gè)知識單元的教學(xué)中，讓學(xué)生接受專業(yè)化訓(xùn)練。

適應(yīng)本知識體系的優(yōu)化的C語言教學(xué)計(jì)劃如圖2所示。從圖中可以看出，這種優(yōu)化的知識體系以快慢結(jié)合的教學(xué)方法使教師能夠“抓大”（設(shè)計(jì)方法）、“放小”（語言知識），學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)能夠始終主次分明，得到最大化的編程訓(xùn)練，并最終獲得較強(qiáng)的編程技能。

2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法可以總結(jié)為八個(gè)字：夯實(shí)基礎(chǔ)、提升創(chuàng)新。

夯實(shí)基礎(chǔ)階段主要鞏固語言基礎(chǔ)，使學(xué)生通過足量的編程訓(xùn)練掌握程序語言知識和編程方法，具備一定的編程能力，學(xué)會使用程序排錯(cuò)、動態(tài)調(diào)試技術(shù)、開發(fā)工具。本階段通過大量的簡單題目，要求學(xué)生在真實(shí)編程環(huán)境中得到充分鍛煉，熟練掌握程序語言基礎(chǔ)知識和編寫程序的流程，目的是希望學(xué)生通過大量的簡單題目訓(xùn)練具備將實(shí)際問題進(jìn)行簡單抽象的能力，培養(yǎng)學(xué)生具備扎實(shí)的計(jì)算思維能力。因此，該階段訓(xùn)練的重點(diǎn)內(nèi)容集中在語言的數(shù)據(jù)類型、表達(dá)式和控制結(jié)構(gòu)等簡單內(nèi)容的應(yīng)用上。

提升創(chuàng)新階段是教師在學(xué)生熟練掌握語言知識的基礎(chǔ)上，通過講解和剖析相關(guān)案例的方法，引導(dǎo)學(xué)生完成大型課程設(shè)計(jì)題目。在此階段，學(xué)生嘗試將所學(xué)的語言與算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等知識結(jié)合進(jìn)行大型程序設(shè)計(jì)，并借助高級編程技術(shù)完成課程設(shè)計(jì)題目中高級應(yīng)用的開發(fā)工作。這也是學(xué)生提升自身技能并嘗試創(chuàng)新的過程。

這種以技能為目標(biāo)、以編程技術(shù)為核心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)依靠傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段根本無法實(shí)施，因此我們設(shè)計(jì)了高集成度的程序設(shè)計(jì)綜合訓(xùn)練平臺以全程自動化輔助教學(xué)，并進(jìn)行教學(xué)管理。系列教學(xué)軟件包括“程序設(shè)計(jì)在線評測系統(tǒng)INPOJ”，由機(jī)器大規(guī)模訓(xùn)練學(xué)生的習(xí)題解答速度（POJ訓(xùn)練）；“軟件設(shè)計(jì)協(xié)同開發(fā)平臺DevForge”按專業(yè)軟件開發(fā)方式，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，跟蹤課程設(shè)計(jì)進(jìn)程、自動評閱學(xué)生的課程設(shè)計(jì)程序報(bào)告，并構(gòu)建程序設(shè)計(jì)課程網(wǎng)上社區(qū)，使實(shí)驗(yàn)機(jī)房變成學(xué)生討論、思考、相互交流的研究場所，形成數(shù)字化課堂、網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)、電子教室、智能答疑、綜合訓(xùn)練等立體化教學(xué)環(huán)境，為落實(shí)教學(xué)理念和教學(xué)目標(biāo)提供物質(zhì)基礎(chǔ)。3

試行效果

以技能為主導(dǎo)的程序設(shè)計(jì)教學(xué)模式從2006年開始逐步實(shí)施，到2010年全部環(huán)節(jié)得到落實(shí)。下面從幾個(gè)方面描述該教學(xué)模式的試行效果。

1）學(xué)生的編程量。

2011年，學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)課程的全部學(xué)生在課程學(xué)期內(nèi)，共完成305 236道程序設(shè)計(jì)目并由機(jī)器進(jìn)行自動評閱。每名學(xué)生的TLOC指標(biāo)從2001年的30行紙質(zhì)程序，上升到2004年的600行，2008年的1200行，再到2011年的1500行，達(dá)到了美國計(jì)算機(jī)學(xué)會ACM計(jì)算初課程體系（L-72）05建議標(biāo)準(zhǔn)，并目學(xué)生的SLOC指標(biāo)達(dá)到500行。

2）對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)等的后續(xù)影響。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，學(xué)習(xí)該課程的學(xué)生中僅有8%的學(xué)生選擇的畢業(yè)設(shè)計(jì)題目與程序或軟件無關(guān)，30%的學(xué)生選擇的畢業(yè)設(shè)計(jì)需要借助編程或軟件工具完成，62%的學(xué)生選擇的畢業(yè)設(shè)計(jì)以程序?yàn)楹诵幕蛲耆擒浖O(shè)計(jì)。在現(xiàn)有教學(xué)模式下，這些學(xué)生進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的技術(shù)預(yù)備時(shí)間趨向零。計(jì)算機(jī)等級考試機(jī)試部分的一次通過率和總體通過率得到很大提高，很多學(xué)生踴躍參加各種校級、省級、國家級、國際級競賽并取得了很好的成績。

3）對教師的影響。

理論教學(xué)從原來的48學(xué)時(shí)降低到40學(xué)時(shí)，并計(jì)劃再次降低到24學(xué)時(shí)，以留出更多的實(shí)踐學(xué)時(shí)。理論學(xué)時(shí)減少的同時(shí)教學(xué)效果反而得到優(yōu)化，教師普遍反映教學(xué)過程相比以前主次更分明，思路更清晰。而在實(shí)踐教學(xué)中，由于開發(fā)了高集成的教學(xué)輔助平臺，教師的工作量不但沒有增加，反而得到大幅度降低。其中，教師用于實(shí)踐教學(xué)的工作量降低到原來的40%，用于批改作業(yè)的工作量降低到原來的20%，處理教學(xué)事物的工作量僅為原來的5%。

4 結(jié)語

以技能為主導(dǎo)的程序設(shè)計(jì)教學(xué)模式提出全新的教學(xué)理念，重新設(shè)計(jì)了知識體系和考量方法，并指出理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施策略，保證教學(xué)過程的每一個(gè)環(huán)節(jié)都以技能為目標(biāo)和以編程技術(shù)為核心。新的教學(xué)模式下，教師的教學(xué)思路清晰，教學(xué)負(fù)擔(dān)相對減輕，學(xué)生學(xué)習(xí)主次分明，能夠獲得較強(qiáng)的編程技能。因此，該模式是一種迎合創(chuàng)新人才需求的優(yōu)秀教學(xué)模式，值得進(jìn)行大范圍推廣。