羅 晨

（東南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210096）

淺談C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言教學(xué)與專(zhuān)業(yè)應(yīng)用的結(jié)合

羅 晨

（東南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210096）

目前，高校學(xué)生大都只是孤立的知道C++語(yǔ)法，而程序設(shè)計(jì)能力不強(qiáng)，對(duì)課程興趣度也不高。鑒于此，筆者提出了將C++程序語(yǔ)言教學(xué)與工科非電類(lèi)專(zhuān)業(yè)相結(jié)合，讓學(xué)生在了解專(zhuān)業(yè)的同時(shí)，也增添對(duì)編程的興趣。

C++；程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言；專(zhuān)業(yè)應(yīng)用

一、前言

1.C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的發(fā)展和優(yōu)點(diǎn)。計(jì)算機(jī)程序語(yǔ)言是不斷演變的。C++語(yǔ)言是由貝爾實(shí)驗(yàn)室Bjarne Stroustrup博士及其同事開(kāi)發(fā)的，他們?cè)贑語(yǔ)言的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展C++并將其完善。C語(yǔ)言是一種實(shí)用性很強(qiáng)的語(yǔ)言，它具有語(yǔ)言簡(jiǎn)介、靈活方便、可移植性好等優(yōu)點(diǎn)。C++語(yǔ)言不僅繼承了C語(yǔ)言的這些優(yōu)點(diǎn)，還克服C語(yǔ)言自身的缺點(diǎn)，在其功能上做了本質(zhì)性的革新，即面向?qū)ο蟮臋C(jī)制，有助于程序員開(kāi)發(fā)軟件的高效性和靈活性。目前C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言已在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，從而成為高校很多專(zhuān)業(yè)（尤其是工科專(zhuān)業(yè)）的一門(mén)重要基礎(chǔ)課程。

2.C++程序語(yǔ)言的教學(xué)現(xiàn)狀。C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言在給軟件開(kāi)發(fā)帶來(lái)效率和增加代碼靈活性的同時(shí)，也增加了學(xué)習(xí)的難度。Scott Meyers指出C++是一個(gè)難學(xué)易用的語(yǔ)言，它的難學(xué)不僅表現(xiàn)在廣博的語(yǔ)法、語(yǔ)法背后的語(yǔ)義、語(yǔ)義背后的深層思維，以及深層思維背后的對(duì)象模型；還在于它提供了四種不同而又相輔相成的編程范型：基于過(guò)程（procedual-based）、基于對(duì)象（object-based）、面向?qū)ο螅╫bject-oriental）和泛型（generics）[1]。目前，大多數(shù)高校的教學(xué)方式仍然是以講授語(yǔ)法概念為主，學(xué)生們只是孤立的知道語(yǔ)法，而C++程序設(shè)計(jì)的能力不足，出現(xiàn)“高分低能”的現(xiàn)象，即使考試成績(jī)很高的學(xué)生，對(duì)語(yǔ)法很清楚，但是讓他們?cè)O(shè)計(jì)簡(jiǎn)單算法，例如，工科專(zhuān)業(yè)處理數(shù)據(jù)時(shí)經(jīng)常用到的擬合算法，會(huì)出現(xiàn)無(wú)從下手的局面。這種教學(xué)方式導(dǎo)致了學(xué)生對(duì)程序語(yǔ)言語(yǔ)法十分熟練，而程序設(shè)計(jì)能力很弱的現(xiàn)狀。為了改善這種現(xiàn)狀，一些高校提出了項(xiàng)目或任務(wù)驅(qū)動(dòng)式或是以案例為主的教學(xué)方式，這種教學(xué)方式是讓學(xué)生在一個(gè)個(gè)典型的編程“項(xiàng)目”的驅(qū)動(dòng)下展開(kāi)教學(xué)活動(dòng)，讓學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)和相互合作，完成教師布置的任務(wù)，建構(gòu)真正屬于自己的知識(shí)與技能[2]。C++是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)、極富創(chuàng)造性特點(diǎn)的課程，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)方式，確實(shí)能夠更好的將教學(xué)重點(diǎn)從老師單純地教語(yǔ)法知識(shí)點(diǎn)，到學(xué)生主動(dòng)地參與到編程和學(xué)的過(guò)程中。但是目前的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)方式仍存有問(wèn)題，例如，項(xiàng)目的題目學(xué)生不感興趣，學(xué)生認(rèn)為一些項(xiàng)目和他們的關(guān)系不大，甚至認(rèn)為C++的學(xué)習(xí)對(duì)專(zhuān)業(yè)應(yīng)用沒(méi)有用，從而導(dǎo)致有些組完成的項(xiàng)目不理想。

鑒于此，本文提出將C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的教學(xué)與專(zhuān)業(yè)應(yīng)用相結(jié)合，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是解決專(zhuān)業(yè)問(wèn)題的一種重要工具。

二、C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言與專(zhuān)業(yè)知識(shí)的關(guān)系

C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言與專(zhuān)業(yè)知識(shí)是密切相關(guān)的，它為后續(xù)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)提供了基礎(chǔ)，為解決專(zhuān)業(yè)問(wèn)題提供了一種有效的工具，同時(shí)專(zhuān)業(yè)常識(shí)可以輔助學(xué)生在C++語(yǔ)言學(xué)習(xí)中加深對(duì)概念的理解。

1.C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言為解決專(zhuān)業(yè)問(wèn)題提供了一種工具。C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言工具的作用主要表現(xiàn)在它能解決一些專(zhuān)業(yè)問(wèn)題，例如，機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)和自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的單片機(jī)設(shè)計(jì)課程，單片機(jī)功能的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)編程，while、for循環(huán)語(yǔ)句及不帶參數(shù)函數(shù)十分常用；或是金融專(zhuān)業(yè)中投資組合優(yōu)化，為了得到最優(yōu)的投資方式，根據(jù)數(shù)據(jù)得到投資組合模型，采用C++編寫(xiě)投資組合模型，從而通過(guò)計(jì)算機(jī)分析出最優(yōu)的投資方式；或是化學(xué)專(zhuān)業(yè)中，為了分析兩種分子結(jié)構(gòu)的相似度，從而尋找最大公共子圖。眾所周知，最大公共子圖問(wèn)題是NP完全問(wèn)題，靠人力分析太慢，可以應(yīng)用C++編程，讓計(jì)算機(jī)代替求解；或是醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)中，研究新藥的開(kāi)發(fā)，分析新藥在小白鼠上的反應(yīng)得到的數(shù)據(jù)需要分析，分析過(guò)程中設(shè)計(jì)到擬合算法和精度分析等，用C++編程會(huì)大大簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)員的工作量。盡管C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言對(duì)于專(zhuān)業(yè)的學(xué)習(xí)十分重要，但是專(zhuān)業(yè)課老師反映多數(shù)學(xué)生對(duì)于C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的掌握不牢固，即使當(dāng)時(shí)得分很高的學(xué)生，也不能順利而高效地設(shè)計(jì)出算法。原因之一是學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的時(shí)候只是專(zhuān)注于語(yǔ)法的學(xué)習(xí)，而不專(zhuān)注于程序語(yǔ)法背后的語(yǔ)義、以及語(yǔ)義背后的深層思維、深層思維背后的對(duì)象模型的學(xué)習(xí)，而且計(jì)算機(jī)程序語(yǔ)言的教學(xué)脫離了應(yīng)用，不能讓學(xué)生真正體會(huì)到計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言是一種工具。

2.專(zhuān)業(yè)常識(shí)輔助C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言中抽象概念的理解。C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言中的一些概念是比較抽象的，例如類(lèi)的概念，學(xué)生剛開(kāi)始學(xué)習(xí)的時(shí)候不能很好地掌握類(lèi)的概念，也不能明確地區(qū)別類(lèi)和對(duì)象，而專(zhuān)業(yè)常識(shí)可以輔助抽象概念的理解。例如，機(jī)械專(zhuān)業(yè)中螺母可以看成一個(gè)類(lèi)，這個(gè)類(lèi)有規(guī)格、牙距、最大外徑、高度等屬性。有一個(gè)規(guī)格是2.5，牙距0.45mm，最大外徑6.4mm，高度2mm的六角螺母，這個(gè)螺母就對(duì)應(yīng)于對(duì)象，從而向?qū)W生們解釋了類(lèi)和對(duì)象是抽象和具體的關(guān)系，同時(shí)機(jī)械專(zhuān)業(yè)的學(xué)生也知道了螺母的屬性有哪些。

因此，專(zhuān)業(yè)知識(shí)和C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是相輔相成的，可以將這兩者結(jié)合起來(lái)，從而達(dá)到讓學(xué)生們?cè)黾訉?duì)C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的興趣，同時(shí)也對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)有所了解，深刻理解C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言對(duì)于專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)是一個(gè)重要工具。

三、C++程序語(yǔ)言與專(zhuān)業(yè)知識(shí)的結(jié)合

既然專(zhuān)業(yè)知識(shí)和C++語(yǔ)言之間相輔相成，在教學(xué)活動(dòng)中應(yīng)將兩者結(jié)合，從而使學(xué)生對(duì)C++學(xué)習(xí)提高興趣，同時(shí)也了解了專(zhuān)業(yè)知識(shí)。兩者之間的結(jié)合點(diǎn)主要表現(xiàn)在教學(xué)過(guò)程中概念的講解和項(xiàng)目的選取。

1.概念的講解。C++的概念相對(duì)于C比較多，為了讓學(xué)生能更好地掌握這些概念，可以結(jié)合具體事例，尤其是專(zhuān)業(yè)相關(guān)的實(shí)例。例如：類(lèi)的繼承性是面向?qū)ο缶幊痰囊粋€(gè)重要性質(zhì)，在講解繼承性的時(shí)候，可以結(jié)合專(zhuān)業(yè)背景知識(shí)來(lái)說(shuō)明繼承性的好處；機(jī)械專(zhuān)業(yè)中，零件的設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)新零件是基于舊的零件的基礎(chǔ)上改進(jìn)，可以看成新零件繼承了舊零件的特征，而添加了一些新特征，從而省去了大量重復(fù)的工作，C++的繼承性同樣具有這種優(yōu)點(diǎn)。C++的繼承性是指在一個(gè)基類(lèi)上定義了一個(gè)派生類(lèi)，派生類(lèi)繼承了基類(lèi)所有屬性和操作，同時(shí)增加了其他新的屬性和操作，這些新屬性和操作是基類(lèi)不具備的。這樣就可將專(zhuān)業(yè)常識(shí)和類(lèi)的繼承性結(jié)合起來(lái)，有助于C++概念的理解。

2.與專(zhuān)業(yè)背景有關(guān)的項(xiàng)目。項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)方式使得學(xué)生主動(dòng)地參與到編程的學(xué)習(xí)過(guò)程中，但是項(xiàng)目的選取十分重要，如果應(yīng)用背景學(xué)生不了解，使其對(duì)于項(xiàng)目的完成形成一定的障礙，因此項(xiàng)目的選取與專(zhuān)業(yè)應(yīng)用相結(jié)合有助于學(xué)生了解項(xiàng)目的要求，提升對(duì)項(xiàng)目的興趣。目前，很多高校采用擬合算法的實(shí)現(xiàn)作為一個(gè)典型項(xiàng)目，但是單純地講擬合算法，沒(méi)有專(zhuān)業(yè)應(yīng)用背景，學(xué)生覺(jué)得很枯燥，可以將擬合算法和專(zhuān)業(yè)背景結(jié)合起來(lái)，比如面向機(jī)械專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，可以以逆向工程為例。教師在介紹項(xiàng)目的時(shí)候可以簡(jiǎn)單介紹一下逆向工程的技術(shù)背景。逆向工程是一種能根據(jù)現(xiàn)有的物理部件通過(guò)CAD、CAM、CAE或其他軟件構(gòu)筑3D虛擬模型的方法。逆向工程的過(guò)程采用了通過(guò)丈量實(shí)際物體的尺寸并將其制作成3D模型的方法，真實(shí)的對(duì)象可以通過(guò)如CMMs、激光掃描儀、結(jié)構(gòu)光源轉(zhuǎn)換儀或者X射線(xiàn)斷層成像這些3D掃描技術(shù)進(jìn)行尺寸測(cè)量。這些測(cè)量數(shù)據(jù)通常被認(rèn)作是點(diǎn)集，缺乏拓?fù)湫畔ⅲ⑶彝ǔ?huì)被制作成更有用的格式，例如多邊形網(wǎng)格、NURBS曲線(xiàn)或者CAD模型。由此，學(xué)生知道逆向工程的定義、內(nèi)容和過(guò)程，而擬合算法是逆向工程中常用的一種方法。介紹項(xiàng)目時(shí)，將逆向工程的實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化，比如實(shí)現(xiàn)一個(gè)旋轉(zhuǎn)面的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)，并重構(gòu)出這個(gè)旋轉(zhuǎn)面，并給出旋轉(zhuǎn)面的母線(xiàn)和旋轉(zhuǎn)軸。面向醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生，可以以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析為例，例如放射后細(xì)胞存活的實(shí)驗(yàn)，教師先介紹一些放射治療的背景、效用和副作用等，并指出細(xì)胞存活實(shí)驗(yàn)的重要性。介紹細(xì)胞存活實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到一組數(shù)據(jù)，并通過(guò)C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，得到放射后細(xì)胞存活量的變化曲線(xiàn)圖。由上面可知，同樣一個(gè)算法，在不同的專(zhuān)業(yè)中應(yīng)用是不一樣的，如果在說(shuō)明擬合算法時(shí)，向機(jī)械專(zhuān)業(yè)學(xué)生介紹放射后細(xì)胞存活的實(shí)驗(yàn)，或是向醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生介紹逆向工程，他們更加難理解項(xiàng)目，項(xiàng)目的完成效果也不佳，因此項(xiàng)目的選取應(yīng)與專(zhuān)業(yè)應(yīng)用結(jié)合。

四、結(jié)論

將計(jì)算機(jī)程序語(yǔ)言的教學(xué)與專(zhuān)業(yè)相結(jié)合，讓學(xué)生了解自己的專(zhuān)業(yè)是什么，計(jì)算機(jī)程序語(yǔ)言能解決什么樣的專(zhuān)業(yè)問(wèn)題。計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言一般是大一、二的基礎(chǔ)課，很多新生都不了解自己的專(zhuān)業(yè)究竟做什么，因此，這種結(jié)合更有助于學(xué)生盡早了解自己的專(zhuān)業(yè)，也有助于他們將C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言應(yīng)用于專(zhuān)業(yè)的學(xué)習(xí)和實(shí)際問(wèn)題解決中。

[1]侯捷.改善程序與設(shè)計(jì)的55個(gè)具體的做法[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[2]陳幗鸞.“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法在C++教學(xué)中的應(yīng)用[J].科技教育創(chuàng)新，2009，（7）.

G642.0

A

1674-9324（2014）30-0239-02

東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目JG2013-003。

羅晨（1980-），女，江蘇揚(yáng)州人，博士，講師，研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)。