結(jié)合MOOC和翻轉(zhuǎn)課堂的JavaSE接口教學(xué)研究

張 峰，趙衛(wèi)東，鄭永果，仇麗青

（山東科技大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590）

0 引言

Java具有跨平臺、安全性高、健壯性等特點(diǎn)[1]，已經(jīng)在企業(yè)級應(yīng)用、桌面應(yīng)用、移動應(yīng)用等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為當(dāng)今軟件開發(fā)領(lǐng)域最流行的編程語言之一。JavaSE是整個Java技術(shù)體系的基礎(chǔ)，而Java作為一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，接口又是JavaSE中面向?qū)ο缶幊讨械闹攸c(diǎn)[2]。理解接口的含義，熟練使用接口編程，對于學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)面向?qū)ο蟮姆治觥⒃O(shè)計及開發(fā)至關(guān)重要。

1 接口教學(xué)現(xiàn)狀分析

在JavaSE面向?qū)ο蟛糠值慕虒W(xué)中，一般在類、對象、繼承等基本概念之后講授接口。由于接口的定義和使用與類、抽象類類似，在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生往往在編程過程中不能靈活使用接口，在做具有較強(qiáng)應(yīng)用性質(zhì)的編程題目時，更習(xí)慣使用類或者抽象類，這說明，初學(xué)Java的大部分學(xué)生還沒有真正理解接口的含義和編程方法。

為解決接口教學(xué)中存在的問題，文獻(xiàn)[2]站在軟件工程的立場，結(jié)合面向?qū)ο蟮脑O(shè)計原則和設(shè)計模式的部分內(nèi)容，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了拓展。筆者曾借鑒文獻(xiàn)[2]的方法組織教學(xué)內(nèi)容，但在實際教學(xué)中同樣遇到一些問題：①由于JavaSE課程內(nèi)容面向初學(xué)者，學(xué)生對面向?qū)ο蟮睦斫膺€不夠深入，而面向?qū)ο蟮脑O(shè)計原則和設(shè)計模式等內(nèi)容對面向?qū)ο蟮囊蟾?。對于大多?shù)JavaSE初學(xué)者來說，此時引入面向?qū)ο蟮脑O(shè)計原則及設(shè)計模式的內(nèi)容并不一定適合于大多數(shù)學(xué)生；②從課時安排來看，接口部分通常限制到2～3個學(xué)時，而引入面向?qū)ο蟮脑O(shè)計原則、設(shè)計模式等內(nèi)容會延長授課學(xué)時；③教學(xué)中采用的實例相對抽象，不是生活或工程應(yīng)用中的典型實例，在調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性方面還存在不足；④沒有采用當(dāng)前流行的MOOC、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)技術(shù)與方法[3]，教學(xué)過程中與學(xué)生的互動不足，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效果還需進(jìn)一步提高。

2 接口教學(xué)內(nèi)容和方法

整個教學(xué)過程通常用2個學(xué)時，教學(xué)步驟、內(nèi)容以及采用的教學(xué)方法如圖1所示。

2.1 接口的含義

接口教學(xué)中，首先要讓學(xué)生理解Java接口的含義，重點(diǎn)理解“接口即規(guī)范”。首先介紹“寬定義”和“窄定義”的接口，讓學(xué)生知道之前學(xué)過的諸如C、C++里面提到的函數(shù)、方法是“寬定義”的接口，即通常所說的“API”中的“I”所表示的Interface。然后講解Java接口是Java語言提供的一種“窄定義”的接口，是Java中定義的一種特殊類型，表示的是一種規(guī)范。

圖1 接口教學(xué)內(nèi)容與方法

為了讓學(xué)生理解“接口即規(guī)范”，在文獻(xiàn)[4]的PCI接口實例的基礎(chǔ)上，通過學(xué)生生活中更加熟悉的USB接口來講解，主要內(nèi)容包括：①USB是一種規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，主板廠商為了支持USB設(shè)備，需要提供符合USB標(biāo)準(zhǔn)的插口；USB設(shè)備生產(chǎn)廠商（如U盤制造商），為了能夠用于主板的USB插口，必須按照USB規(guī)范來生成產(chǎn)品；②介紹主板與USB設(shè)備之間基于USB規(guī)范的耦合，引出組件之間基于規(guī)范耦合的知識點(diǎn)，為后面介紹基于接口的編程做好鋪墊。

在教學(xué)方法方面，我們通過一個MOOC短視頻提前發(fā)布給學(xué)生，學(xué)生課下自學(xué)，作為上課時翻轉(zhuǎn)課堂的基礎(chǔ)。

2.2 Java接口基礎(chǔ)知識

我們首先講解接口的定義、類實現(xiàn)接口等基礎(chǔ)知識。為了便于學(xué)生理解，從“能力”的角度講解類對接口的實現(xiàn)：一個類實現(xiàn)了一個接口，則需要實現(xiàn)該接口中定義的所有方法，也就說明該類滿足了所實現(xiàn)的接口要求的“能力”。這種“能力”是通過實現(xiàn)接口中的方法來體現(xiàn)的。在此基礎(chǔ)上，介紹Java中不支持多繼承、類可以實現(xiàn)多個接口、接口與抽象類的比較等其他知識點(diǎn)。

從教學(xué)過程來看，接口部分的基礎(chǔ)知識并不難，關(guān)鍵是讓學(xué)生真正理解接口的作用。為此，后續(xù)教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)是通過實例來講解接口的應(yīng)用，這些實例應(yīng)該是學(xué)生熟悉或者工程實踐中常用的，才能加深學(xué)生的理解。為此，我們在教學(xué)中用Java代碼模擬2.1中USB接口的實例，讓學(xué)生加深對“接口即規(guī)范”“面向接口編程”的理解。圖2給出了實例Java代碼對應(yīng)的UML類圖，以及兩個設(shè)計存在問題的UML類圖。

首先，通過代碼模擬相關(guān)的接口和類，如圖2（a）所示。具體講解的內(nèi)容包括：接口USB定義了USB規(guī)范，該規(guī)范定義了方法start和stop；提供USB接口的設(shè)備，包括無線網(wǎng)卡類WirelessNetCard和U盤類FlashDisk，都實現(xiàn)了USB接口，它們的對象都具備USB接口規(guī)范所規(guī)定的“能力”，即都具有start和stop方法。

其次，講解面向接口的編程，包括主板類MainBoard的成員slot，表示該主板所支持的插槽，其類型USB指明了該插槽所支持的規(guī)范。也就是說，MainBoard類提供的插槽slot支持USB設(shè)備。MainBoard類提供了setUSB方法，可以傳入任何支持USB的設(shè)備對象，即可以傳入任何實現(xiàn)了USB接口的類的對象。例如，可以傳入無線網(wǎng)卡類WirelessNetCard對象或U盤類FlashDisk對象。通過圖2（a）的例子，可以形象地說明面向接口編程的優(yōu)點(diǎn)： MainBoard類的成員slot是USB類型的，從而通過slot可以引用任何實現(xiàn)了USB接口的類的對象。從現(xiàn)實來說，可以理解為主板提供了一個支持USB規(guī)范的插槽，任何符合USB規(guī)范的設(shè)備都可以插在該主板的插槽上。在該實例中，類MainBoard與USB接口之間存在依賴關(guān)系，但MainBoard只依賴于USB接口，而不依賴于任何具體類，從而實現(xiàn)了松耦合。

圖2 USB實例的類圖

最后，介紹設(shè)計存在問題的情況，給出圖2中（b）和（c）兩個反例。在圖2（b）中，MainBoard類依賴于WirelessNetCard類，導(dǎo)致該主板類MainBoard提供的插槽只能接入無線網(wǎng)卡設(shè)備；同理，圖2（c）中的MainBoard類依賴于FlashDisk類，導(dǎo)致該主板類MainBoard提供的插槽只能接入U盤。在圖2（b）（c）中，兩個MainBoard依賴于具體實現(xiàn)類，導(dǎo)致了它們與具體類之間的緊耦合。通過將圖2中（a）與（b）（c）兩個反例進(jìn)行對比，讓學(xué)生理解面向接口編程的優(yōu)點(diǎn)，也加深對接口的理解。

在本部分內(nèi)容的教學(xué)方法方面，基礎(chǔ)知識部分內(nèi)容相對簡單，通過MOOC視頻讓學(xué)生課下自學(xué)，同時留下思考題，讓學(xué)生看完視頻后，自己思考USB實例該如何設(shè)計。上課時讓學(xué)生講解自己的設(shè)計，一起討論，最后由老師點(diǎn)評設(shè)計的優(yōu)劣。從實際的教學(xué)來看，部分學(xué)生的設(shè)計結(jié)果中出現(xiàn)了圖2中（b）（c）兩種設(shè)計方式。

2.3 接口應(yīng)用實例

2.2中模擬USB實例的Java代碼沒有實際的運(yùn)行效果。為了進(jìn)一步加深學(xué)生對接口功能的理解，我們通過一個實際開發(fā)中的常用功能來進(jìn)一步講解。該實例使用了JDK集合框架中Arrays類的靜態(tài)方法sort。具體的教學(xué)過程和教學(xué)方法如下。

第一，通過使用Arrays.sort(Object[]a)方法對String數(shù)組排序的一段代碼，演示該方法的排序功能，并通過API文檔的查看，說明該方法可以實現(xiàn)任意類型對象數(shù)組的排序。然后，采用啟發(fā)式教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生思考一個問題：如何實現(xiàn)sort(Object[]a)的功能？進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考：如果要實現(xiàn)該方法，是否需要知道什么前提？在教學(xué)過程中，學(xué)生一般會考慮到需要知道這些待排序?qū)ο蟮呐判蛞罁?jù)。進(jìn)一步講解，方法形參是Object[]，可以對任何對象數(shù)組排序，因此，要求這些待排序?qū)ο竽軌蜻M(jìn)行比較，即滿足“可比較”這一規(guī)范，從而引出需要待排序?qū)ο笏鶎兕悓崿F(xiàn)一個描述“可比較”這一規(guī)范的接口，最終給出需要實現(xiàn)的Comparable接口。在此基礎(chǔ)上，查看Comparable接口的API文檔、String類的implements Comparable聲明，以及String類對Comparable接口中的compareTo方法的實現(xiàn)。

第二，引導(dǎo)學(xué)生思考Arrays.sort(Object[]a)實現(xiàn)排序的方法。講解內(nèi)容包括：排序中的兩個基本操作是比較和交換， sort方法實現(xiàn)的關(guān)鍵是如何比較兩個對象。即如何比較a[i]和a[i+1]？教學(xué)中讓學(xué)生先思考，然后找學(xué)生到教師機(jī)上編寫代碼，共同討論，教師點(diǎn)評給出正確答案；最后，通過查看sort方法的源碼來驗證。該教學(xué)過程進(jìn)一步加深了學(xué)生對接口功能的理解，同時也加深了對Java中多態(tài)的理解。

第三，針對前面課程中的Java類實例，如描述學(xué)生的Student類，讓學(xué)生自己完善Student編碼，使得Student數(shù)組可以使用Arrays.sort(Object[]a)排序。同時，要求提供多種排序方法，如根據(jù)學(xué)號、成績、姓名進(jìn)行排序，還可以升序、降序排列。通過練習(xí)，讓學(xué)生熟悉使用Arrays.sort方法排序這一實用功能，加深對接口的理解。

最后，留給學(xué)生幾個稍有深度的問題課下思考，再次上課時通過討論、提問的方式講解。相關(guān)問題包括：①Arrays.sort(Object[]a)方法需要排序的類實現(xiàn)Comparable接口，但通過實現(xiàn)該接口中的compareTo方法只能實現(xiàn)一種排序方式。如果排序需求發(fā)生了改變，或者不同情況下需要不同的排序功能，該如何實現(xiàn)？通過該問題的思考，學(xué)生能發(fā)現(xiàn)僅僅使用Comparable接口所存在的問題，從而引出讓學(xué)生自學(xué)的Comparator接口，進(jìn)一步加深對接口的理解和熟練程度。②Arrays.sort(Object[]a)方法為何要求排序的對象所屬類實現(xiàn)Comparable接口，而不是繼承一個抽象類或一個普通類？通過該問題的思考，學(xué)生會加深Java中不支持多繼承以及一個類可以實現(xiàn)多個接口的理解。③Arrays.sort(Object[]a)方法內(nèi)部使用待排序?qū)ο蟮腸ompareTo方法實現(xiàn)對象之間的比較，那么，待排序?qū)ο笏鶎兕愂欠窨梢詢H添加compareTo方法而不聲明實現(xiàn)Comparable接口？通過該問題的思考，結(jié)合sort方法的源碼，學(xué)生可以加深對接口以及多態(tài)的理解。

在教學(xué)方法方面，我們關(guān)于本小節(jié)的全部授課內(nèi)容通過4個MOOC視頻提供：①Arrays.sort方法基本功能介紹；②Comparable接口簡介；③sort方法實現(xiàn)原理與源碼分析；④Student排序?qū)崿F(xiàn)。第一個視頻在課前發(fā)布給學(xué)生，作為基礎(chǔ)知識讓學(xué)生學(xué)習(xí)，而后3個視頻則在翻轉(zhuǎn)課堂后提供給學(xué)生復(fù)習(xí)。這樣做是為了讓學(xué)生在課堂上積極思考，通過啟發(fā)式教學(xué)，讓學(xué)生思考、討論sort方法能夠排序的前提、sort方法的源碼實現(xiàn)、Student排序這3個關(guān)鍵問題，提高他們的聽課效率，而課后通過MOOC視頻的觀看加以鞏固。最后，學(xué)生可以課下自學(xué)Comparator接口，并思考上述幾個有一定深度的問題。

2.4 后續(xù)授課內(nèi)容對接口的鞏固

完成上述3小節(jié)的內(nèi)容后，JavaSE面向?qū)ο蠡A(chǔ)部分的接口教學(xué)就完成了。后續(xù)授課內(nèi)容中很多章節(jié)會用到接口，通過繼續(xù)強(qiáng)化接口的應(yīng)用，進(jìn)一步鞏固接口部分的基礎(chǔ)知識。例如，JDK集合部分提供了List、Set、Map、Iterator等接口，該部分在編碼時經(jīng)常用到面向接口的編程；JDBC中提供了一組接口，而相應(yīng)數(shù)據(jù)庫廠商提供的數(shù)據(jù)庫驅(qū)動中包含了這些接口的實現(xiàn)類。同樣，Servlet中提供了若干接口，這些接口的實現(xiàn)類則由各種Java Web應(yīng)用服務(wù)器來提供。學(xué)生通過在這些后續(xù)內(nèi)容中回顧涉及的接口的基礎(chǔ)知識，更進(jìn)一步加深對接口、接口即規(guī)范的理解，從而熟練使用接口進(jìn)行開發(fā)。

3 教學(xué)效果

上述教學(xué)過程和教學(xué)方法結(jié)合MOOC視頻和翻轉(zhuǎn)課堂，明顯改善了接口部分的教學(xué)效果。一方面，從學(xué)生學(xué)習(xí)過程的表現(xiàn)來看，學(xué)生在課下學(xué)習(xí)視頻后，翻轉(zhuǎn)課堂時學(xué)生已基本掌握了接口的主要知識點(diǎn)。在翻轉(zhuǎn)課堂上，通過啟發(fā)式教學(xué)方法的運(yùn)用，討論、點(diǎn)評USB和Arrays.sort兩個典型實例，學(xué)生在課堂上參與討論和點(diǎn)評的積極性有了很大提高。另一方面，從學(xué)生的作業(yè)、實驗和考試情況來看，絕大多數(shù)學(xué)生理解了接口的含義，設(shè)計和編碼中能夠熟練使用接口，后續(xù)課程在講解集合類、JDBC、Servlet等章節(jié)時，大多數(shù)學(xué)生能夠理解其中涉及的接口方面的知識。

總體來看，上述JavaSE接口教學(xué)的授課內(nèi)容涵蓋了主要知識點(diǎn)，未涉及較有深度的其他課程內(nèi)容。結(jié)合MOOC視頻、課上翻轉(zhuǎn)加講授，一般可以在2個學(xué)時內(nèi)完成。該教學(xué)過程已經(jīng)在實際教學(xué)中實施，較好地提高了接口部分的實際教學(xué)效果。

4 結(jié)語

接口是Java面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計中最基本、最重要的內(nèi)容之一，也是整個Java技術(shù)體系和后續(xù)軟件工程相關(guān)課程的基礎(chǔ)。通過引入生活中和工程實際中的典型實例，結(jié)合MOOC視頻以及翻轉(zhuǎn)課堂上的討論和點(diǎn)評，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效果有了明顯提升。當(dāng)前，隨著MOOC和翻轉(zhuǎn)課堂的逐漸普及，如何更好地結(jié)合MOOC、翻轉(zhuǎn)課堂等現(xiàn)代教育理念和技術(shù)，提煉更多來源于生活和工程實際應(yīng)用的教學(xué)實例，推廣到程序設(shè)計和軟件工程類相關(guān)課程的教學(xué)，是需要進(jìn)一步思考和探索的問題。