程序設(shè)計課程體系的維度與層次劃分及其教學(xué)實踐

唐四薪，鄭光勇

（衡陽師范學(xué)院 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421001）

0 引言

我國軟件行業(yè)每年需要大量的程序設(shè)計人才，而我國高等教育培養(yǎng)的計算機人才雖然在數(shù)量上能滿足需求，但在質(zhì)量上仍然和軟件企業(yè)的要求有較大差距。例如，很多計算機專業(yè)學(xué)生畢業(yè)后需要再參加社會培訓(xùn)才能從事軟件開發(fā)行業(yè)工作。這說明我國程序設(shè)計類課程體系的教學(xué)效果仍然不能令人滿意，特別是對于學(xué)生基礎(chǔ)較一般的應(yīng)用型本科院校。

由于程序設(shè)計能力是計算機專業(yè)學(xué)生的核心能力，因此如何改進教學(xué)，高效地培養(yǎng)學(xué)生的程序設(shè)計能力一直是一個具有重大研究意義的課題[1]。目前大多數(shù)教學(xué)研究都是對教學(xué)方法、教學(xué)手段進行改革，但對課程體系結(jié)構(gòu)、培養(yǎng)目標(biāo)層次這類教學(xué)改革的基礎(chǔ)性問題研究較少[2-4]。

1 當(dāng)前程序設(shè)計課程體系存在的問題

與我國相比，印度的高等教育毛入學(xué)率不及我國，但卻培養(yǎng)了大量合格的軟件開發(fā)人員，說明印度的軟件教育比我國成功。有人認(rèn)為，這是因為印度的母語是英語，因此學(xué)習(xí)軟件開發(fā)有語言方面的優(yōu)勢。這種觀點實際上并沒有意識到問題的關(guān)鍵，我們認(rèn)為這是由于兩國在程序設(shè)計人才的定位、培養(yǎng)目標(biāo)、課程層次側(cè)重點方面的差異而造成的。

我國的高等教育是從精英教育開始的，程序設(shè)計教學(xué)一開始也是面向精英類學(xué)生的，因此培養(yǎng)目標(biāo)的層次比較高，導(dǎo)致課程體系中高層次的課程比較多，低層次的、應(yīng)用型的課程不足。隨著我國高等教育由精英教育逐步走向大眾化教育，雖然也做了一些調(diào)整，但仍然存在盲目拔高層次，程序設(shè)計課程體系的層次不清晰的問題，這才是引起我國程序設(shè)計類課程教學(xué)效果不良的真正原因，其主要不足可歸結(jié)為如下4點。

首先，每個層次的教學(xué)目標(biāo)不夠明確，表現(xiàn)在：①課程設(shè)置和教學(xué)內(nèi)容沒有體現(xiàn)分層的教學(xué)目標(biāo)；②一些高層次的課程或知識點在低層次教學(xué)目標(biāo)尚未達到時就開設(shè)，比如學(xué)生學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時連代碼中大量出現(xiàn)的函數(shù)定義都看不懂，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)效果不好；③一些應(yīng)用價值很高的編程技能在高校教學(xué)中講解比較空泛，沒有引向深入和重點強化。

其次，根據(jù)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，學(xué)生要掌握新知識必須和舊知識聯(lián)系在一起才能被掌握，這就要求必須厘清程序設(shè)計類課程的層次結(jié)構(gòu)，和認(rèn)知的邏輯順序，如果課程的層次結(jié)構(gòu)沒厘清，學(xué)生在構(gòu)建知識體系時就不能把新知識和已有的舊知識很好地建構(gòu)在一起。

第三，存在盲目拔高層次的現(xiàn)象，例如，高校數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課的大量內(nèi)容都在講一些比較高級的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。但實際上，這些高級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可能只在一些科研軟件的開發(fā)編程中才會用到，而在大部分行業(yè)軟件的開發(fā)中一般都用不到。與此相對的是，在軟件公司中，經(jīng)常要用到的一些技術(shù)（比如程序的封裝，軟件的設(shè)計模式）等，在高校開設(shè)的課程中又沒有系統(tǒng)地講授。比如，學(xué)生在沒有學(xué)過微觀上設(shè)計軟件的課程——“設(shè)計模式”情況下，就去學(xué)習(xí)宏觀上設(shè)計軟件的課程——“軟件工程”，其教學(xué)效果當(dāng)然不可能會好。

最后，沒有體現(xiàn)興趣引導(dǎo)、任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)策略。過去，普遍存在教程序設(shè)計課程就是教編程語言的誤區(qū)。例如，學(xué)生學(xué)習(xí)的第一門語言多為C語言或VB，而這兩種語言對于初學(xué)者來說無法做出比較有實用價值的程序；另一方面，側(cè)重于以語法為重點進行教學(xué)，使學(xué)生容易陷入繁冗的語法格式等細枝末節(jié)而忽略程序設(shè)計的本質(zhì)，忽略程序語言設(shè)計者的設(shè)計思想，降低了學(xué)生對編程的興趣，不利于學(xué)生編程思維的塑造與培養(yǎng)。

總體來說，程序設(shè)計類課程體系的設(shè)置和教學(xué)研究還處在逐漸深化的過程中，存在以下問題和不足：①由于研究者大都是教育工作者，自身缺乏開發(fā)大型軟件的實踐經(jīng)驗，因此對編程學(xué)習(xí)的層次和路線大多缺乏親身體會經(jīng)驗；②只是在教學(xué)模式上提出了層次階段模型[5]，但并未對編程課程的知識結(jié)構(gòu)進行層次分析，使得將教學(xué)模式轉(zhuǎn)換應(yīng)用到實際教學(xué)中還存在難度；③過于強調(diào)教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性和完備性，對編程中需要掌握的重點技能（如函數(shù)設(shè)計、問題抽象、團隊分工開發(fā)等）強化不足[6]。

2 程序設(shè)計課程體系的維度和層次設(shè)計

雖然程序設(shè)計課程的教學(xué)體系龐大且不斷發(fā)展變化，但是學(xué)習(xí)編程的模式和步驟是相對固定的，根據(jù)編程需要學(xué)習(xí)的各個知識面，將其抽象劃分為3個方面，稱為程序設(shè)計課程體系的3個維度，如圖1所示。

圖1 程序設(shè)計課程體系教學(xué)的維度和層次劃分

維度一：界面編程及用戶交互（主要包括Windows界面、Web界面和APP界面等的設(shè)計和交互）。

維度二：編程訪問外部資源（包括訪問文件、數(shù)據(jù)庫編程和Socket網(wǎng)絡(luò)編程）。

維度三：各種平臺下的編程（Windows平臺、Linux平臺、安卓平臺、嵌入式平臺）。

劃分維度后，根據(jù)每個維度的難易程度和學(xué)生的興趣，可以更清晰地規(guī)劃出學(xué)生的學(xué)習(xí)路徑，為更好地編寫課程標(biāo)準(zhǔn)和人才培養(yǎng)方案提供參考。對于應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)來說，教學(xué)內(nèi)容的改革應(yīng)著重放在維度一和維度二上。

接下來，研究程序設(shè)計類課程的學(xué)習(xí)層次，并按照學(xué)習(xí)層次設(shè)置相關(guān)課程。依據(jù)是編程能力是一種可分層的能力，教編程不是教語言，每種語言都有一些共同的內(nèi)容，程序設(shè)計類課程對語言的依賴性很低，而對幾種固定的能力依賴度卻很高。程序設(shè)計依賴的幾種固定的能力可劃分為圖1所示的5個層次。

第一層次：學(xué)會基本語法，基本程序結(jié)構(gòu)。

第二層次：學(xué)會程序封裝，功能和數(shù)據(jù)封裝（包括使用函數(shù)封裝程序功能，使用結(jié)構(gòu)體封裝數(shù)據(jù)，使用類封裝數(shù)據(jù)和功能）。

第三層次：學(xué)會利用設(shè)計模式抽象問題（包括UML建模、類的設(shè)計）。

第四層次：學(xué)會使用特殊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計高效算法（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）。

第五層次：掌握軟件開發(fā)的過程與方法（軟件工程）。

最后，研究初學(xué)者學(xué)習(xí)編程的習(xí)得過程，在課程內(nèi)容設(shè)置上，注重分散難點，由淺入深，問題驅(qū)動。在實驗案例設(shè)置上，注重案例的實用性、綜合性、趣味性和難易適中性。

3 課程體系的教學(xué)實施

3.1 課程體系的教學(xué)改革和重構(gòu)

依據(jù)基于維度和分層課程體系劃分，可給出一種一般化的程序設(shè)計類培養(yǎng)目標(biāo)、課程體系安排和課程教學(xué)模式，以及可操作的教學(xué)模式和程序，對計算機專業(yè)程序設(shè)計類課程的理論和實驗教學(xué)的設(shè)置提供參考和推廣價值。具體的實施步驟如下。

（1）分析程序設(shè)計類課程體系的層次和維度，根據(jù)層次找到最佳的學(xué)習(xí)路徑，培養(yǎng)目標(biāo)，根據(jù)維度確定最合適的入門點和學(xué)習(xí)范圍。

（2）根據(jù)分層教學(xué)目標(biāo)構(gòu)建課程體系，并重構(gòu)每層次課程的設(shè)置和每門課的教學(xué)內(nèi)容。

（3）分析新構(gòu)建課程的知識結(jié)構(gòu)，將知識點分類為元知識（基礎(chǔ)知識）、硬知識（識記的知識）和軟知識（實踐類知識），分別設(shè)計教學(xué)策略和教學(xué)方法。

（4）根據(jù)上述步驟進行教學(xué)實踐，再總結(jié)出一般的教學(xué)過程、教學(xué)方法和教學(xué)策略，將其用培養(yǎng)方案、課程標(biāo)準(zhǔn)和教材、研究論文等形式表現(xiàn)出來。

3.2 課程體系維度方面的教學(xué)探討

對程序設(shè)計類課程體系劃分維度和層次，并不是要求在開設(shè)課程時涉及所有的維度和層次，而應(yīng)該根據(jù)學(xué)生的實際水平，或依據(jù)社會對專業(yè)的人才需求，靈活地選擇其中某幾個層次和某些維度。以應(yīng)用型本科院校來說，課程體系的維度可如下設(shè)置。

（1）對于偏硬件開發(fā)的方向，應(yīng)側(cè)重學(xué)習(xí)維度三的內(nèi)容，即掌握各種平臺下的編程（Windows平臺、Linux平臺、安卓平臺、嵌入式平臺）；在編程層次上，學(xué)生達到第二層次就可以。

（2）對于偏網(wǎng)絡(luò)開發(fā)方向（如網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)），可重點加強維度二內(nèi)容的學(xué)習(xí)，包括網(wǎng)絡(luò)編程和Web編程。學(xué)生達到第二層次就可以。

（3）對于偏軟件開發(fā)方向（如軟件工程專業(yè)），學(xué)生至少需達到第三層次。對于維度來說，應(yīng)主要學(xué)習(xí)維度一和維度二的內(nèi)容，包括各種界面和交互的編程，以及編程訪問外部資源（包括訪問文件、數(shù)據(jù)庫編程和Socket網(wǎng)絡(luò)編程）。

3.3 基于分層和維度的課程設(shè)置

為了培養(yǎng)適應(yīng)軟件企業(yè)需要的編程人才，應(yīng)用型高校在教學(xué)中，應(yīng)將人才培養(yǎng)目標(biāo)定位在達到第三層次為宜，對第四、五層次只需有一定的了解即可。因為，第一層次是基礎(chǔ)，第二、三層次是重點，教學(xué)改革的重點應(yīng)放在第二、三層次的改革上。

基于分層和維度的方法，進行程序設(shè)計課程體系的設(shè)置。

（1）對于第一層次，主要是通過編程語言來學(xué)習(xí)基本語法和基本程序結(jié)構(gòu)，編程語言以開設(shè)2～3門為宜，教第2門語言時應(yīng)注意與第1門語言作對比分析，這樣學(xué)生才能通過比較幾種編程語言的異同對程序設(shè)計有更深的體會。在編程語言的選擇上可根據(jù)專業(yè)學(xué)習(xí)或社會的需要靈活地選擇，例如，我校一般選擇C++、Java和Python作為第一層次教學(xué)的編程語言。

第一層次的課程可以與維度一的課程結(jié)合起來開設(shè)，如開設(shè)“Windows界面編程”“Web編程”等課程。界面編程與數(shù)據(jù)交互是制作實用程序的基礎(chǔ)，且學(xué)習(xí)界面編程能有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)編程的興趣，界面編程本質(zhì)上比較簡單，適合于盡早開設(shè)，按照難易程度，可按照Web編程、Windows編程和安卓編程的順序進行學(xué)習(xí)。

（2）對于第二層次，可開設(shè)“程序封裝方法”，該課程主要內(nèi)容為函數(shù)和面向?qū)ο缶幊?，這對于應(yīng)用型本科院校的學(xué)生來說是非常必要的，因為應(yīng)用型本科學(xué)生在學(xué)完幾門編程語言之后，往往還不能領(lǐng)悟程序封裝的方法和作用，導(dǎo)致對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等后續(xù)課程的學(xué)習(xí)比較吃力，因此將程序封裝方法單獨作為一門課程開設(shè)，可起到很好的銜接作用。另一方面，在軟件開發(fā)行業(yè)，能夠編寫函數(shù)是參與團隊軟件開發(fā)的基礎(chǔ)，而類作為面向?qū)ο缶幊痰暮诵慕M件，其本質(zhì)是對函數(shù)和數(shù)據(jù)進行二次封裝，使程序進一步結(jié)構(gòu)化，可見學(xué)生掌握了程序封裝方法就相當(dāng)于擁有了進入軟件開發(fā)行業(yè)的敲門磚。

對于維度二，可開設(shè)“數(shù)據(jù)庫與Web編程”，將數(shù)據(jù)庫和Web開發(fā)結(jié)合起來學(xué)習(xí)更有效果；以及“Socket網(wǎng)絡(luò)編程”，將訪問網(wǎng)絡(luò)和訪問文件的技術(shù)結(jié)合起來。

（3）對于第三層次，可開設(shè)“設(shè)計模式”課程，該課程應(yīng)以任務(wù)驅(qū)動的方式介紹幾種常用的設(shè)計模式，以及UML軟件建模方法[7]。這樣，在學(xué)生掌握該層次后，即可適應(yīng)軟件公司程序員或系統(tǒng)架構(gòu)師的工作需要了。

（4）第四層次，應(yīng)開設(shè)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程，重點講解幾種簡單常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法。需要說明的是，第四層次和第三層次的學(xué)習(xí)也可同時進行。

（5）第五層次，開設(shè)“軟件工程”的課程。只有當(dāng)學(xué)生具備了一定的編程經(jīng)歷，才能較好地理解這門課程，因此，這門課程需要在高年級并且經(jīng)歷過程序課程設(shè)計或?qū)嵙?xí)后再開設(shè)。在該層次中，還需要重視培養(yǎng)學(xué)生的軟件團隊分工開發(fā)的技能。

3.4 教學(xué)實施案例

以衡陽師范學(xué)院網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)為例，根據(jù)課程體系維度和層次的劃分方法，對該專業(yè)的人才培養(yǎng)方案和課程設(shè)置進行了重構(gòu)。將其程序設(shè)計能力的培養(yǎng)目標(biāo)定位為達到第二層次：其中，第一層次開設(shè)C++和Java兩門編程語言的課程，第二層次開設(shè)程序封裝方法的課程。

對于課程設(shè)置，以維度一和維度二為主，開設(shè)Web編程（含數(shù)據(jù)庫編程的內(nèi)容）、Socket編程和安卓編程等。并且，還開設(shè)了幾門先修課程，如數(shù)據(jù)庫原理、計算機網(wǎng)絡(luò)、Linux操作系統(tǒng)以支撐相關(guān)程序設(shè)計課程的學(xué)習(xí)。

經(jīng)過教學(xué)改革的實施，取得了較好的實施效果，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和編程自信心都有明顯提高，經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計，學(xué)生專業(yè)滿意度提高到97.6%，軟件中級資格證書的考試通過率提高了25%，就業(yè)率提高了5個百分點，并且就業(yè)質(zhì)量也有明顯提高。

4 結(jié)語

程序設(shè)計課程體系的維度和層次的劃分方案在衡陽師范學(xué)院計算機類專業(yè)進行了初步的實踐，取得了較好的成效，較大地提高了程序設(shè)計類課程的教學(xué)效果，從而提升了應(yīng)用型院校計算機類專業(yè)人才培養(yǎng)的質(zhì)量。以此項目研究為基礎(chǔ)，可以使專業(yè)人才培養(yǎng)方案得到完善和改進，同時，將較大地提升學(xué)生對學(xué)校及專業(yè)的認(rèn)可度，提高畢業(yè)生就業(yè)率，為我國軟件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展作出一定的貢獻。