基于CDIO以面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)思維為導(dǎo)向的教學(xué)研究與實(shí)踐

鐘原 劉忠慧

摘? 要：針對計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)核心課程《面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)》的教學(xué)過程中，學(xué)生普遍存在從面向過程的程序設(shè)計(jì)思維方式向面向?qū)ο蟮乃季S方式轉(zhuǎn)變的困難，本文結(jié)合理論與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，提出一種以“面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)思維”為導(dǎo)向，以CDIO理念為基礎(chǔ)的互動(dòng)教學(xué)模式，通過構(gòu)建“案例+項(xiàng)目”式的教學(xué)內(nèi)容，實(shí)施層次化、階段性、遞進(jìn)式的教學(xué)過程，使學(xué)生逐步理解并掌握了面向?qū)ο蟮乃季S方式，取得了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：面向?qū)ο笏季S;案例+項(xiàng)目驅(qū)動(dòng);互動(dòng)式教學(xué);實(shí)踐教學(xué)體系

中圖分類號：TP399? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Teaching Research and Practice of Object-Oriented Programming

Thinking Based on CDIO

ZHONG Yuan，LIU Zhonghui

（College of Computer Science，Southwest Petroleum University，Chendu 610500，China）

Abstract：In view of the difficulty of changing from the process-oriented thinking to the object-oriented thinking that the students majoring in computer science have in the teaching process of the basic course Object-Oriented Programming Design，by combining theory with practice，this paper proposes an interactive teaching mode based on CDIO concept and guided by Object-Oriented Programming thinking.By constructing the teaching content of Case + Project，the teaching process has become hierarchical，phased and progressive so that students can gradually understand and master the object-oriented programming thinking，which has achieved good teaching results.

Keywords：object-oriented thinking;Case+Project driven;interactive teaching;practical teaching system

1? ?引言（Introduction）

根據(jù)計(jì)算機(jī)專業(yè)的人才培養(yǎng)方案，《面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)》是計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，在程序設(shè)計(jì)思維培養(yǎng)和編碼能力訓(xùn)練中具有極其重要的位置。該課程開設(shè)在《C語言程序設(shè)計(jì)》之后，共有64學(xué)時(shí)（理論40，實(shí)驗(yàn)24），課程大綱涵蓋了基礎(chǔ)語法，重點(diǎn)要求掌握面向?qū)ο蟮奶匦裕悍庋b、繼承、多態(tài)等知識模塊。課程內(nèi)容的理論性較強(qiáng)，如以知識點(diǎn)的講解為主，學(xué)生無法深刻理解面向?qū)ο螅∣bject Oriented，OO）的思維模式，導(dǎo)致其程序設(shè)計(jì)思維方式依然停留在面向過程（Procedure Oriented，PO）中。本研究在CDIO[1-3]（Conceive-構(gòu)思、Design-設(shè)計(jì)、Implement-實(shí)現(xiàn)和Operate-運(yùn)作）理念指導(dǎo)下，改變以往從孤立知識點(diǎn)出發(fā)，強(qiáng)灌式的理論課堂模式[4]，提出以面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)思維為導(dǎo)向的教學(xué)過程，將理論和實(shí)踐教學(xué)緊密結(jié)合，運(yùn)用“案例+項(xiàng)目”的互動(dòng)教學(xué)模式，不斷引導(dǎo)學(xué)生從面向過程的思維過渡到面向?qū)ο蟮乃季S，從而更全面掌握面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的方法，激發(fā)創(chuàng)新型思維，培養(yǎng)具有自主創(chuàng)新和創(chuàng)造的計(jì)算機(jī)專業(yè)人才。

2? ?面向?qū)ο笏季S方式（Object-oriented thinking）

《面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)》課程以Java語言作為講授對象，傳授面向?qū)ο蟮母拍钐匦裕渲兄匾慕虒W(xué)目標(biāo)是掌握面向?qū)ο蟮木幊谭椒?，引?dǎo)學(xué)生從面向過程思維方式轉(zhuǎn)向面向?qū)ο蟮乃季S方式。但是，面向?qū)ο笈c前序課程學(xué)習(xí)的面向過程的程序思維方式有著截然不同的邏輯，如圖1所示。要轉(zhuǎn)變已形成的定向思維模式必然面臨較大的挑戰(zhàn)。

圖1 面向過程與面向?qū)ο?/p>

Fig.1 Process-oriented and object-oriented

面向過程強(qiáng)調(diào)解決問題所需要的步驟，并通過調(diào)用函數(shù)（過程）將步驟逐一實(shí)現(xiàn);而面向?qū)ο髣t把構(gòu)成問題的事物分解成各個(gè)對象，使用對象封裝事物的屬性，并通過調(diào)用對象的方法來解決問題。因此面向?qū)ο笏季S方式轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵在于建立“一切皆對象”的思維模式[5]，將面向?qū)ο笏季S中的三個(gè)重要特性：封裝，繼承和多態(tài)貫穿于整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中。因此，在理論和實(shí)踐教學(xué)過程中，教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)方法，教學(xué)過程都應(yīng)以面向?qū)ο笏季S為導(dǎo)向[6]，摸索學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，激發(fā)學(xué)生興趣，引導(dǎo)學(xué)生去思考、去設(shè)計(jì)、去實(shí)現(xiàn)、去應(yīng)用，從而掌握這種程序設(shè)計(jì)思想和方法。

3? 以面向?qū)ο鬄閷?dǎo)向的理論教學(xué)改革（Object-oriented theory teaching reform）

3.1? ?建立“案例式”的課程教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)課程教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容要求，梳理教學(xué)內(nèi)容，主要包括以下兩個(gè)方面：（1）提煉面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的理論模塊：①語言概述+開發(fā)環(huán)境（JDK、Eclipse）;②基礎(chǔ)語法（數(shù)據(jù)類型、控制流程、數(shù)組等）和基礎(chǔ)算法（最值、排序等）;③面向?qū)ο笳Z法特性（類、對象、繼承、抽象、接口、多態(tài)、異常等）以及延伸的;④開發(fā)平臺功能（網(wǎng)絡(luò)、圖形）等模塊。（2）制作案例式的教學(xué)內(nèi)容：針對不同理論模塊以及相關(guān)知識點(diǎn)設(shè)計(jì)案例，編寫代碼，制作演示文稿。重點(diǎn)針對面向?qū)ο蟮奶匦?，設(shè)計(jì)與面向過程的對比案例，形成對比的設(shè)計(jì)思路，并進(jìn)行代碼級的比較。將面向過程的設(shè)計(jì)方法與面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法進(jìn)行多維度的比較，從而引導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)變設(shè)計(jì)思維。

如案例A：編寫一個(gè)計(jì)算三角形面積的程序，分別用C語言和Java語言實(shí)現(xiàn)。首先要求學(xué)生以C語言的函數(shù)方式計(jì)算面積，并通過函數(shù)調(diào)用實(shí)現(xiàn)程序，如圖2所示;再引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)三角形類，并通過對象調(diào)用方法實(shí)現(xiàn)程序功能，如圖3所示。在此過程中，學(xué)生會(huì)潛移默化的對比兩種思維方式的差異，從而掌握面向?qū)ο笾蓄惖姆庋b功能，理解對象的含義，并學(xué)會(huì)應(yīng)用對象調(diào)用方法實(shí)現(xiàn)功能。

圖2 面向過程方式

Fig.2 Process-oriented approach

圖3 面向?qū)ο蠓绞?/p>

Fig.3 Object-oriented approach

3.2? ?基于CDIO的“互動(dòng)式”教學(xué)方法

教學(xué)過程中改變傳統(tǒng)課堂授課方式，開展基于CDIO（Conceive-構(gòu)思、Design-設(shè)計(jì)、Implement-實(shí)現(xiàn)和Operate-運(yùn)作）的互動(dòng)式教學(xué)方法，通過“提出問題/需求引導(dǎo)學(xué)生討論→設(shè)計(jì)→編碼→演示”的五大環(huán)節(jié)，將理論與實(shí)踐進(jìn)行交叉，使學(xué)生在做中完成知識理論學(xué)習(xí)[5]，提高學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)潛能。

（1）提出問題：某公司有若干雇員，需設(shè)計(jì)程序進(jìn)行員工信息的管理，思考如何表示員工的信息，并實(shí)現(xiàn)對于員工信息的操作。

（2）引導(dǎo)討論：分析員工的靜態(tài)屬性，如：name，sex，age，

salary，hireDay;分析員工行為，如：getName（），setName（），

getHireDay（），setHireDay（），raiseSalary（），…引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行小組討論。

（3）進(jìn)行設(shè)計(jì)：引導(dǎo)學(xué)生利用UML進(jìn)行類的設(shè)計(jì)，如圖4所示，理解屬性和方法的含義。

圖4 雇員UML類圖

Fig.4 Employee UML class graphic

（4）編碼與演示：課堂上設(shè)計(jì)編碼與演示的實(shí)踐環(huán)節(jié)，充分與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)，老師演示編碼與學(xué)生編碼演示交叉進(jìn)行，同時(shí)提升學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。如首先創(chuàng)建員工類，再通過類實(shí)例化對象，最后通過對象調(diào)用方法實(shí)現(xiàn)案例要求的功能。

3.3? ?實(shí)施層次化、階段性、遞進(jìn)性的教學(xué)過程

針對不同的模塊實(shí)施教學(xué)過程管理，主要包含兩個(gè)層次：①對于基礎(chǔ)語法模塊采用“點(diǎn)+線”的教學(xué)過程：“點(diǎn)”即零碎的知識點(diǎn)，如數(shù)據(jù)類型（整形、浮點(diǎn)型）、運(yùn)算符（關(guān)系運(yùn)算符、邏輯運(yùn)算符）等;“線”即由知識點(diǎn)串起的基礎(chǔ)語法。②對于面向?qū)ο筇匦阅K采用“面+塊”的教學(xué)過程：“面”即面向?qū)ο蟮奶卣髡Z法，如類和對象;由“面”可以組合成“塊”，如“類+對象”表示面向?qū)ο笾械姆庋b思想，“父類+子類”表示繼承特性，“抽象+接口”表達(dá)多態(tài)特性。通過層次化、階段性、遞進(jìn)性的教學(xué)過程，逐步加深學(xué)生理解，從而構(gòu)建面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的思維方式。

4? 以面向?qū)ο鬄閷?dǎo)向的實(shí)踐教學(xué)改革（Object-oriented practical teaching reform）

CDIO理念的核心是在“做—中—學(xué)”，將實(shí)踐貫穿到面向?qū)ο蟮乃季S訓(xùn)練中，不斷訓(xùn)練學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力[7]。本項(xiàng)目提出“3+1”層次實(shí)踐體系，如圖5所示。3代表按照“分級遞進(jìn)、逐步提高、綜合運(yùn)用”的基本思路設(shè)計(jì)的三個(gè)實(shí)踐階段，1代表一個(gè)實(shí)踐教學(xué)資源庫。

圖5 實(shí)踐教學(xué)體系

Fig.5 Practical teaching system

（1）面向?qū)ο筇匦詫?shí)踐教學(xué)：在課堂環(huán)節(jié)融入面向?qū)ο筇匦缘尿?yàn)證與體驗(yàn)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生思考與對比兩種不同的編程思路，通過即時(shí)的動(dòng)手實(shí)踐消化知識點(diǎn)。

（2）案例式實(shí)驗(yàn)教學(xué)：在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，設(shè)計(jì)“案例式”的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步驗(yàn)證理論知識點(diǎn)，通過分析、設(shè)計(jì)和編碼，將面向?qū)ο蟮奶匦匀谌朐O(shè)計(jì)中，融會(huì)貫通。

（3）項(xiàng)目式實(shí)戰(zhàn)教學(xué)：在綜合性實(shí)驗(yàn)中，以實(shí)戰(zhàn)項(xiàng)目的方式進(jìn)行分組管理、跟蹤和驗(yàn)收。以用戶需求為導(dǎo)向，分組進(jìn)行完整的項(xiàng)目開發(fā)流程。在實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練中，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考、以面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)模式進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)、編碼、測試和發(fā)布，不斷激發(fā)其創(chuàng)新和創(chuàng)造的能力。

（4）建立實(shí)踐教學(xué)資源庫：包含三個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)所需要的示例、案例、項(xiàng)目資源。其中包含三條線索：①以面向?qū)ο蟮奶匦詾榫€索建設(shè)示例分析和對應(yīng)代碼;②以特定功能為線索建設(shè)案例庫，綜合面向?qū)ο蟮亩鄠€(gè)特性;③以特定用戶需求為線索建立項(xiàng)目庫，包含項(xiàng)目的需求分析、功能設(shè)計(jì)、代碼等資源。

5? 教學(xué)改革成果分析（Analysis of teaching reform achievements）

通過以上教學(xué)改革的研究和實(shí)踐，目前取得了一定的成果。課題組按知識模塊構(gòu)建了實(shí)踐教學(xué)資源庫，圍繞案例制作了教學(xué)課件，充分融合到互動(dòng)式教學(xué)方式和漸進(jìn)式過程中;并基于網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)平臺，學(xué)生可以針對案例進(jìn)行有效練習(xí)，及時(shí)獲得練習(xí)成績。以本校網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)2016級，2017級為例，教學(xué)評價(jià)良好，以面向?qū)ο笏季S為導(dǎo)向的教學(xué)內(nèi)容以及“案例+項(xiàng)目”的互動(dòng)教學(xué)方式得到了學(xué)生的積極反饋與肯定。

6? ?結(jié)論（Conclusion）

通過以面向?qū)ο笏季S為導(dǎo)向進(jìn)行教學(xué)組織，使學(xué)生通過案例方式理清基礎(chǔ)概念，逐漸理解了面向?qū)ο蟮乃季S方式;并在案例加項(xiàng)目訓(xùn)練的動(dòng)手實(shí)踐的過程中，深入體會(huì)面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)理念，逐步掌握面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法。對計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)后續(xù)課程打下良好的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐基礎(chǔ)具有深遠(yuǎn)的影響。為了更好跟蹤教學(xué)效果和進(jìn)行教學(xué)質(zhì)量監(jiān)督，下一步將更充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，通過對教學(xué)平臺和考試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，在教學(xué)過程中分析學(xué)生的實(shí)際情況，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，通過優(yōu)化案例，調(diào)整互動(dòng)方式，以及加強(qiáng)考核校驗(yàn)進(jìn)一步提升教學(xué)質(zhì)量。

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作者簡介：

鐘? 原（1982-），女，碩士，講師.研究領(lǐng)域：機(jī)器學(xué)習(xí)，圖形圖像處理.

劉忠慧（1980-），女，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：深度學(xué)習(xí)，人工智能.

基金項(xiàng)目：2018年四川省高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學(xué)改革項(xiàng)目“多學(xué)科融合的項(xiàng)目引導(dǎo)式雙創(chuàng)人才培養(yǎng)研究與實(shí)踐”（編號：JG2018-447）;2018年西南石油大學(xué)本科課程教學(xué)改革研究項(xiàng)目“基于MSF模式的Java程序設(shè)計(jì)課程改革與實(shí)踐”（編號：X2018KZ029）;2018年西南石油大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“基于CDIO以面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)思維為導(dǎo)向的教學(xué)研究與實(shí)踐”.