宋存米

(衡水學院 經濟學與管理學系，河北 衡水 053000)

在中國知網(www.cnki.net)檢索到《C語言程序設計》課程教學研究方面的文獻資料有3 000多篇，其中50余篇發(fā)表在核心期刊，主要從教學模式、教學方法、教學手段、實驗教學等幾個方面進行了教學改革研究和探索。有作者通過小班化教學(唐曉，2016)、過程化考核(陳昕，2016)、學科競賽(徐新愛，2015)、建構主義學習理論(肖曉霞，2012)等進行教學模式研究；通過任務驅動(馬駿，2016)、面向學生(米磊，2014)等進行教學方法研究；通過交互式虛擬算法(蘇仰娜，2010)、自助式虛擬作業(yè)系統(tǒng)及考試系統(tǒng)(張彥航，2017)、KM教學法(周穎，2016)等進行教學手段研究；通過微視頻(熊啟軍，2018)、計算思維(劉光蓉，2015)、教育機器人(尹華，2009)等進行實驗教學研究。這些研究和探索對提高C語言課程教學效果均有促進作用，但任何教學改革都應該圍繞著教學內容進行，不同的教學內容應該采用不同的教學方法和手段，不同的教學內容對教師和學生的要求也是不同的。盡管所有的C語言教材所講的內容基本是相同的，但學生完成C語言課程中不同章節(jié)內容的學習所需要的工作量是不同的。如何對C語言課程內容進行科學分類，針對不同類別的內容采取不同的教學方法和手段，在文獻資料中涉及較少，或有涉及也不系統(tǒng)。筆者結合多年的教學實踐經驗，應用TRIZ理論對C語言教學內容進行深入分析，構建了C語言課程的復雜度模型，為C語言課程教學改革提供了一種新的思路和方法。

一、構建C語言課程復雜度模型

1.C語言教學中存在的主要問題

結合歷屆學生的試卷分析(見表1)，發(fā)現學生在《C語言程序設計》課程考試中有關基本知識、簡單算法方面得分較高，而在閱讀程序和設計程序方面的得分較低，尤其是復雜的程序設計題得分更低，導致整體的教學效果不佳。結合《C語言程序設計》課程的特點，學習程序設計是訓練學生思維能力逐漸提高的過程，學生通過程序設計解決實際問題也是一個從簡單到復雜的過程。從試卷分析結果可以看出學生通過程序設計解決復雜問題的能力不足，而基本知識和簡單算法掌握得較好，說明在C語言教學過程中存在效率不高的薄弱環(huán)節(jié)。雖然在教學過程中進行了案例式、啟發(fā)式教學等多種嘗試，但教學效果并不理想，因此，需要用一種全新的思路來解決《C語言程序設計》教學中存在的問題。

表1 C語言課程復雜度模型應用之前試卷分析匯總表

2.應用TRIZ理論分析問題

在TRIZ理論中，物-場分析法就是指從物質和場的角度來分析和構造最小技術系統(tǒng)的理論和方法[1]，可以用物-場模型來描述任意級別的技術系統(tǒng)。一個完整的技術系統(tǒng)可以表示為由三個基本元素構成的一個三角形結構，包括兩個物質(substance)和一個場(field)，如圖1所示。其中，S1(第一種物質)表示被生產、被控制、被測量的產品；S2(第二種物質)表示進行生產、控制、測量的工具；F(場)表示S1和S2之間的作用[2]。

圖1 基本的物-場模型

應用物-場分析法可以發(fā)現系統(tǒng)中存在的不同問題，在TRIZ中，將問題的類型用四種不同的物—場模型來描述。

(1)有效完整模型。功能的3個元素都存在且都有效，這種模型是設計者所追求的。

(2)不完整模型。功能的3個元素不齊全，可能缺少物質，也可能是缺少場。

(3)非有效完整模型。功能的3個元素齊全，但設計者追求或預期的效應未能有效實現或只是部分實現。

(4)有害效應的完整模型。功能的3個元素齊全，但產生了與設計者所追求的效應相左的、有害的效應，需要消除這些有害效應。

TRIZ重點關注的是后三種模型，只要出現其中的任何一種，系統(tǒng)就會出現各種問題。為了分析和解決系統(tǒng)存在的問題，TRIZ提出了物—場模型的一般解法和76標準解法。

TRIZ理論雖源于工程技術領域，但現已滲透至多個領域。在C語言教學系統(tǒng)中，上述的物-場模型可以描述為：S1為學生， S2為教師，F為教學場。顯然，教學過程中存在效率不高的薄弱環(huán)節(jié)屬于非有效完整模型，即功能的3個元素齊全，但設計者追求或預期的效應未能有效實現或只是部分實現。據此，應用TRIZ理論中的標準解對系統(tǒng)進行改進，此問題可以應用的標準解包括：

(1)標準解14：鏈式物—場模型，即將單一的物—場模型轉化成鏈式物—場模型。

(2)標準解16：使用更可控的場加強物—場模型，即用更加容易控制的場，來代替原來不容易控制的場，或者疊加到不容易控制的場上。

按照標準解14的提示，改善教學系統(tǒng)的效率需要形成鏈式物—場，C語言教學系統(tǒng)也是一種鏈式物-場系統(tǒng)，即C語言的教學過程是將教學內容分為各個單元進行的鏈式物—場系統(tǒng)，這既符合TRIZ標準解的提示，也是C語言教學的基本要求。進一步分析構成鏈式物—場的每一個物—場模型，發(fā)現在C語言教學單元完成過程中符合教學要求，但從整體教學效果來看又不理想，這就是TRIZ理論中提出的矛盾所在。

按照標準解16的提示，應該使教學場更加可控，考慮C語言教學中存在的主要問題，TRIZ理論給出的標準解就是使每一教學單元更加可控，或是教學環(huán)節(jié)、教學內容更加可控。結合自己的教學經驗，每一教學單元、教學環(huán)節(jié)、教學內容雖不十分完美，但也足以達到優(yōu)秀。經過深入分析問題，并將TRIZ理論中的“分割”和“組合(合并)”2條發(fā)明原理應用于Nicklaus Wirth提出的著名公式“算法+數據結構=程序”，終于找到了問題的癥結所在。

3.應用TRlZ理論構建C語言課程復雜度模型

在計算機科學中，算法的時間復雜度是一個函數，描述了該算法的運行時間。借鑒其含義，即算法的時間復雜度是指執(zhí)行算法所需要的計算工作量。類似地，學習C語言課程的學習復雜度，即完成學習內容所需要的工作量。顯然，學習內容越簡單越容易所需要的工作量越少，反之則需要的工作量越多，即學習復雜度與學習內容的難易程度與復雜程度正相關。

在上述分析的基礎上，應用TRlZ理論的分割和組合(合并)2條發(fā)明原理來構建C語言課程復雜度模型。

(1)分割原理

分割原理是指以虛擬或真實的方式將一個系統(tǒng)分成多個部分，以便分解(分開、分隔、抽取)或合并(結合、集成、聯(lián)合)一種有益的或有害的系統(tǒng)屬性。在多數情況下，會對分隔后得到的多個部分進行重組(或集成)，以便實現某些新的功能，并(或)消除有害作用。

應用分割原理的主要解決方法如下：

●針對不同需求的學生制訂不同的項目；

●利用目標分析法制定計劃；

●創(chuàng)建項目組；

●利用課程單元或模塊；

●將整個教學目標分為多個子目標。

(2)組合(合并)原理

組合(合并)既可以是空間上的，也可以時間上的，其目的是將兩個或多個相鄰的對象(操作或部分)進行組合或合并。或者，在多種功能、特性或部分之間建立聯(lián)系，以便產生一種新的、想要的或唯一的結果。通過對已有功能的組合，可以生成新的功能。

組合原理的主要解決方法如下[3]：

●利用教學小組發(fā)揮教育專家的作用；

●雇用輔助專職人員幫助教師以滿足學生的不同需求；

●基于組合實驗進行綜合技能訓練；

●組織分配教員進行學生分組教學制；

●制定分組教學計劃；

●多功能教室。將“分割”和“組合(合并)”2條發(fā)明原理應用于“算法+數據結構=程序”公式可以得出學習C語言程序設計的復雜度包括“數據結構復雜度”和“算法復雜度”，在C語言中，數據結構的復雜度與數據類型相關，可分為簡單、低復雜度、高復雜度3個級別，分別對應基本數據類型(如整型)、簡單構造數據類型(如數組)、復雜構造數據類型(如結構數組、鏈表)。算法的復雜度與控制結構相關，可分為簡單控制結構、低復雜度控制結構、高復雜度控制結構3個級別，分別對應1條語句的控制結構(如1條for語句)、2條語句的控制結構(如嵌套for語句)、3條及以上語句的控制結構(如三重for循環(huán)語句)。分別將算法和數據結構按照復雜度組合之后，C語言課程的學習復雜度共分九級(見表2)，即簡單數據類型簡單控制結構→簡單數據類型低復雜度控制結構→……→高復雜度數據類型高復雜度控制結構，學習復雜度呈遞增態(tài)勢，所需要的學習時間和訓練次數呈線性增長。由此可以得出，某一級復雜度的課程內容未能完全理解和掌握，說明相應級別內容的學習、訓練時間不足，在不考慮其他因素的情況下，應該增加學習和訓練的時間，主要是增加學生自主學習和訓練的時間。針對學習復雜度的不同級別，分別提供不同的案例、采用不同的教學方法和教學手段進行教學。這樣教學過程清晰，教學目標明確，對學生的學習效果進行分級評價則更加科學。

表2 C語言課程復雜度模型

表2(續(xù))

按上述復雜度模型，當輸入一個正整數n(n為奇數)的值之后，要求分別打印輸出1行n個*、打印輸出n行1—n個*、打印輸出一個高度為n行的*菱形圖案，完成上述3種輸出的程序分別對應簡單數據類型簡單控制結構、簡單數據類型低復雜度控制結構、簡單數據類型高復雜度控制結構。顯然，其學習復雜度差別很大，針對不同學習復雜度的教學內容，應采用相應的案例、教學方法和手段等有效措施，才能取得良好的教學效果。

4.應用C語言課程復雜度模型教學效果

總結出C語言課程復雜度模型之后，將其應用于教學實踐，改革了原來的課堂教學和實踐教學等，通過2個學期的教學實踐檢驗，學生在程序設計方面的學習效果較應用之前有了大幅度提高(見表3)。

從表3的試卷分析結果與表2的試卷分析結果進行對比可以看出：

(1)C語言課程復雜度模型應用前后，在單項選擇題、填空題、判斷題的得分變化不大，應用后較應用前稍有提高。

(2)C語言課程復雜度模型應用前后，在程序閱讀題、程序設計題的得分變化較大，尤其是程序設計題的得分提高較多，說明C語言課程復雜度模型的建立對提高課堂教學、實踐教學的效果有較大的促進作用。

二、 結語

TRIZ是一種技術創(chuàng)新理論體系，源于工程技術領域，理論上可以解決多領域的問題。本文應用TRIZ理論進行C語言課程教學改革，構建了C語言課程復雜度模型，提高了教學效果，教學實踐證明TRIZ理論用于教學改革是科學的、有效的。

表3 C語言課程復雜度模型應用之后試卷分析匯總表