楊晨霞+涂風(fēng)濤

摘 要：“對象優(yōu)先法”在歷屆SIGCSE（計算機(jī)科學(xué)教育）會議上一直受到鼓吹，而提倡“基礎(chǔ)優(yōu)先法”的呼聲卻很微弱。但近年來隨著“對象優(yōu)先法”在高職院校Java語言教學(xué)過程中遇到挫折，這一切才得以扭轉(zhuǎn)。文章主要探討在高職Java語言課程教學(xué)改革中采用“基礎(chǔ)優(yōu)先”的方法，并且以問題驅(qū)動的方式教授程序設(shè)計的概念和技術(shù)。通過實踐檢驗，該教學(xué)方式提高了學(xué)生的面向?qū)ο缶幊棠芰Α?/p>

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)優(yōu)先法；問題驅(qū)動；教學(xué)改革

作者簡介：楊晨霞（1978-），女，江西瑞金人，南昌師范高等?？茖W(xué)校講師，研究方向為計算機(jī)應(yīng)用；涂風(fēng)濤（1976-），男，江西南昌人，南昌師范高等?？茖W(xué)校講師，研究方向為網(wǎng)絡(luò)安全。

基金項目：江西省高等學(xué)校教學(xué)改革研究課題“基于CDIO理念的創(chuàng)新型高技能人才培養(yǎng)模式的研究與實踐——以高職院校軟件專業(yè)為例”（編號：JXJG-14-41-5），主持人：涂風(fēng)濤。

中圖分類號：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-7518（2017）05-0071-03

隨著全球軟件服務(wù)外包和國內(nèi)第三產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，我國的軟件行業(yè)成長迅猛，產(chǎn)業(yè)對人才需求旺盛。高職軟件專業(yè)迎來發(fā)展機(jī)遇。Java是一種被廣泛使用的面向?qū)ο蟪绦蛘Z言（Object-Oriented Programming Language），有許多研究機(jī)構(gòu)和公司采用Java來發(fā)展各種用于科學(xué)計算和商業(yè)的大型應(yīng)用軟件。因此，很多高職院校都把《Java語言程序設(shè)計》作為程序設(shè)計的第一門課程，使得學(xué)生可以站在計算機(jī)應(yīng)用的前沿，并與計算機(jī)其它課程的學(xué)習(xí)相輔相成。由于Java在動態(tài)網(wǎng)頁開發(fā)和安卓操作系統(tǒng)上的廣泛應(yīng)用，隨著Internet的發(fā)展和終端智能手機(jī)的大量普及，每年我國有大量的IT企業(yè)需要招聘Java軟件開發(fā)人員，但高職院校培養(yǎng)的計算機(jī)軟件專業(yè)學(xué)生的程序開發(fā)能力與企業(yè)的要求存在很大的差距，因此進(jìn)行Java語言課程的教學(xué)改革勢在必行。

一、教學(xué)改革

（一）傳統(tǒng)的教學(xué)策略——對象優(yōu)先教學(xué)法

對象優(yōu)先教學(xué)法從一開始就強(qiáng)調(diào)面向?qū)ο蟮木幊毯驮O(shè)計原則，這種教學(xué)法直接從對象和繼承開始，然后才介紹程序設(shè)計的結(jié)構(gòu)[1]。即在面向?qū)ο笤O(shè)計的環(huán)境中學(xué)習(xí)所有內(nèi)容，包括學(xué)習(xí)程序設(shè)計的結(jié)構(gòu)。它的優(yōu)點是學(xué)習(xí)者能夠在學(xué)習(xí)初段建立起面向?qū)ο笤O(shè)計概念，有利于后續(xù)的相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。但它的缺點是提高了程序設(shè)計課程的入門難度，不僅要求學(xué)習(xí)者要掌握數(shù)據(jù)類型、變量、引用等基本概念，還需理解面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計中的類的抽象和封裝、繼承和多態(tài)等抽象概念。就像大部分學(xué)生說的，對象優(yōu)先教學(xué)法對我們來說是一種極大的挑戰(zhàn)，需要在學(xué)習(xí)的開始就要掌握許多面向?qū)ο笏枷搿⒏拍钆c編程技能。但從整個教學(xué)反饋來看，一部分學(xué)生從開始充滿興趣，到感覺自己已經(jīng)很努力了，編程能力卻沒有提高，從而產(chǎn)生畏難情緒，如果一旦沒有跟上老師的教學(xué)進(jìn)度，甚至?xí)艞墶?/p>

（二）基礎(chǔ)優(yōu)先教學(xué)法

基礎(chǔ)優(yōu)先教學(xué)法是指在學(xué)習(xí)對象和類之前，首先介紹基本程序設(shè)計的概念和技術(shù)。在整個教學(xué)改革中采用了基礎(chǔ)優(yōu)先的方法，并且以問題驅(qū)動的方式教授程序設(shè)計的概念和技術(shù)。首先是學(xué)習(xí)程序設(shè)計的基礎(chǔ)知識，其次學(xué)習(xí)面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的相關(guān)概念和內(nèi)容，最后再使用面向?qū)ο笤O(shè)計方法構(gòu)建具有異常處理功能和某些高級特性的圖形用戶程序（GUI）及applet。因此，對課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新規(guī)劃（見圖1）。

實踐證明，對于初學(xué)編程的學(xué)生來說，首先學(xué)習(xí)語言基礎(chǔ)邏輯、循環(huán)和數(shù)組這樣的基本編程技術(shù)，并逐步精通是非常重要的。如果學(xué)生不能很好地完成過程化程序代碼的編寫，也將無法學(xué)好面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計，學(xué)生扎實地掌握數(shù)據(jù)類型、控制語句、數(shù)組和方法會為學(xué)習(xí)面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計打下牢固基礎(chǔ)[2]。

在以基礎(chǔ)優(yōu)先策略教學(xué)時，首先使用過程化方案來解決某個問題，然后再演示如何使用面向?qū)ο笤O(shè)計方法來進(jìn)行改進(jìn)[3]，從而使學(xué)生更好地理解面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計思想，使他們從中學(xué)到如何更高效地使用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計方法。例如在介紹第一部分“程序設(shè)計基礎(chǔ)”中的“基本數(shù)據(jù)類型和基本操作”時，我們設(shè)計了一個“計算圓面積”的簡單程序。該程序讀入圓的半徑并顯示其面積。程序?qū)⒂米兞看鎯A的半徑和面積，使用表達(dá)式來計算面積。教學(xué)目的是讓學(xué)生掌握編寫程序需要設(shè)計算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并要把算法（algorithm）轉(zhuǎn)換為程序代碼。通過問題我們讓學(xué)生知道算法其實就是描述如何執(zhí)行一系列操作來解決一個實際問題，它指定操作的執(zhí)行順序。算法可以幫助程序設(shè)計者在用程序設(shè)計語言編寫程序之前進(jìn)行規(guī)劃。由此，學(xué)生可以很快地寫出該程序的算法描述：①讀入半徑；②利用公式計算圓面積：面積=半徑×半徑×π；③顯示面積，并完成相應(yīng)代碼的編寫。

在講解第二部分“面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計”中的“對象和類”時，教師使用統(tǒng)一建模語言（Unified Modeling Language， UML）描述了一個與前例功能相似的Circle類和建立的對象，圖2為使用UML圖形符號表示的類和對象。

根據(jù)兩個問題的對比，讓學(xué)生明白像Java等面向?qū)ο笳Z言不僅仍然具有面向過程語言的特點（程序=數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+算法），而且它還通過類的抽象和封裝、繼承以及多態(tài)增加了程序的模塊性、清晰性、重用性和靈活性等有益特性。由于在面向過程程序設(shè)計中，數(shù)據(jù)和操作是分離的，所以需要把數(shù)據(jù)傳遞到方法中。而在面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計中，卻把數(shù)據(jù)和對于它們的操作放進(jìn)一個叫做對象（object）的實體里，這種設(shè)計避免了許多在面向過程程序設(shè)計中遇到的問題。在對象的世界里，所有對象都與屬性和活動聯(lián)系在一起，因此面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計是一種更貼切真實世界的模型組織程序[4]。因為使用對象可以增強(qiáng)程序的可重用性，方便軟件的開發(fā)與維護(hù)，所以學(xué)生今后很自然都會以對象的觀點來考慮Java程序設(shè)計，并把Java程序看成是相互合作的對象所構(gòu)成的集合。通過Circle這個案例，就把面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計是軟件方法的發(fā)展必然這個問題向?qū)W生們非常形象地解釋清楚了。

在學(xué)習(xí)“異常處理”時，我們把第二部分的Circle類的setRadius方法的參數(shù)newRadius設(shè)置為負(fù)數(shù)，這樣在運行時會引起異常（exception），并導(dǎo)致程序非正常終止。通過實驗我們告訴學(xué)生，作為一名合格的Java程序員，必需利用Java提供的異常處理功能去捕獲和處理那些在程序運行時產(chǎn)生的異常，讓程序更加強(qiáng)壯和穩(wěn)定。所以要求學(xué)生對Circle類的setRadius方法進(jìn)行改寫，讓該方法拋出一個illegalArgumentException異常，告知用戶不能把半徑設(shè)置成負(fù)數(shù)。通過該問題的解決，讓學(xué)生掌握如何使用這些抽象類和接口，并按照它們的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計應(yīng)用程序。

在整個教學(xué)過程中，我們要讓學(xué)生明白，程序設(shè)計的關(guān)鍵是解決問題，語法、類和對象只是其中一部分，而循環(huán)、數(shù)組和方法是解決問題的基本技術(shù)。從基本程序設(shè)計技術(shù)到面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計存在著多種抽象層次，類只是其中一種抽象層次，在軟件項目的設(shè)計和實現(xiàn)過程中應(yīng)用抽象的概念是軟件開發(fā)的關(guān)鍵[5]。因此，學(xué)生在解決問題時能夠使用多種層次的抽象進(jìn)行分析成為我們最重要的教學(xué)目標(biāo)。所以，我們設(shè)計的教學(xué)案例和任務(wù)都是以解決問題為中心，這些例子很好地培養(yǎng)了學(xué)生們開發(fā)可重用類和方法，以及利用它們構(gòu)建實用程序的思想[6]。

程序設(shè)計課程不同于其他課程，學(xué)生要從例子中學(xué)習(xí)、從實踐中學(xué)習(xí)、從錯誤中學(xué)習(xí)，這需要花費大量的時間編寫程序、調(diào)試程序并修改錯誤[7]。對于剛接觸程序設(shè)計的學(xué)生來說，學(xué)習(xí)程序設(shè)計的基本目的就是培養(yǎng)描述問題的程序化解決方案的關(guān)鍵技能，并通過條件語句、循環(huán)和方法將方案轉(zhuǎn)變成程序[8]。在教學(xué)過程中，學(xué)生如果掌握了循環(huán)、數(shù)組和方法等編寫程序的基本技能，就能順利地進(jìn)入到面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)使用類的封裝、繼承和多態(tài)來開發(fā)面向?qū)ο蟮某绦?。學(xué)生如果理解了面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計思想，學(xué)習(xí)Java編程就變成了學(xué)習(xí)Java的API，而讓學(xué)生模仿例子并進(jìn)行練習(xí)是學(xué)習(xí)Java API的最好辦法。

實踐證明，學(xué)習(xí)基本邏輯以及循環(huán)和逐步求精這樣的基本程序設(shè)計技術(shù)，對于學(xué)生非常重要。像循環(huán)、方法和數(shù)組這樣的基本概念和技術(shù)都是程序設(shè)計的基礎(chǔ)，它們?yōu)閷W(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計、GUI、數(shù)據(jù)庫和Web程序設(shè)計做好了充分準(zhǔn)備。

（三）問題驅(qū)動

問題驅(qū)動意味著教師把教學(xué)的重點放在問題的解決而不是語法上。通過使用一些有趣的問題使得程序設(shè)計的介紹也變得更加有趣。為了支持以問題驅(qū)動的方式來講授程序設(shè)計，教師設(shè)計了大量不同難度的問題來激發(fā)學(xué)生的興趣。這些問題涉及了很多應(yīng)用領(lǐng)域，包括數(shù)學(xué)、科學(xué)、商業(yè)、金融、游戲、動畫以及多媒體等。例如，在講解多線程時，設(shè)計了一個儲蓄程序，假設(shè)在程序中創(chuàng)建并啟動100個線程，每個線程都是往同一個賬戶中存入一筆固定的金額。當(dāng)所有的線程都完成時，卻看到帳戶顯示的余額不正確，而且還發(fā)現(xiàn)余額的結(jié)果并不是可以預(yù)測的。這個問題向?qū)W生演示了當(dāng)所有線程同時訪問同一個數(shù)據(jù)源時，就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)破壞的情況。其實這是多線程程序中的一個普遍問題，稱為競爭狀態(tài)（race condition）。經(jīng)過學(xué)生們的一番討論，我們得出要避免競爭狀態(tài)，就是應(yīng)該防止多個線程同時進(jìn)入程序的某一特定部分，這個部分我們稱之為臨界區(qū)（critical region）。從而引入新課“線程同步”的概念。通過問題的解決，讓學(xué)生掌握為了避免線程破壞共享資源，可以使用同步的方法或塊，并幫助他們更好地理解一些抽象難懂的概念，像“同步方法在執(zhí)行前需要獲得一個鎖。當(dāng)同步方法是實例方法時，鎖是在調(diào)用方法的對象上；當(dāng)同步方法是靜態(tài)方法時，鎖是在方法所在的類上。”等內(nèi)容。

二、教改效果

通過Java語言課程的教學(xué)改革與實踐，學(xué)生的基礎(chǔ)知識和編程解決問題的操作能力得到了提高，學(xué)習(xí)的主動性和積極性改善明顯。學(xué)生能夠運用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的思想來分析問題，并將其進(jìn)行抽象，輔以代碼方式完成。通過教學(xué)改革，取得的主要教學(xué)成果有：

（一）提高了學(xué)生的計算思維能力

大學(xué)應(yīng)以培養(yǎng)學(xué)生的計算思維為核心，使計算思維如同實證思維、邏輯思維一樣，成為每個學(xué)生應(yīng)具備的基本科學(xué)思維能力[9]。通過教學(xué)改革，提高了學(xué)生對實際問題進(jìn)行概念抽象、問題求解和程式化描述的能力[10]，這也是進(jìn)行教學(xué)改革的一項重要內(nèi)容，其中的關(guān)鍵就是計算思維能力的培養(yǎng)。

（二）提高了學(xué)生的動手實踐能力

學(xué)習(xí)程序設(shè)計的竅門就是實踐、實踐、再實踐，這充分說明Java語言程序設(shè)計是一門實踐性很強(qiáng)的課程。通過布置由簡到繁的任務(wù)，使學(xué)生建立起上機(jī)操作的勇氣和信心，并讓他們獲得了解決問題后的成功感，培養(yǎng)了他們的動手能力和操作意識，提高了他們解決實際問題的能力。

（三）提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力

在教學(xué)過程中采用了問題驅(qū)動方式，學(xué)生的主觀能動性被充分地調(diào)動起來，學(xué)生更加積極地參與教學(xué)活動，這也激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，學(xué)生制作的部分軟件作品在省內(nèi)比賽中獲獎，并且得到了相關(guān)企業(yè)的好評。

參考文獻(xiàn)：

[1]王秀平.試論計算機(jī)科學(xué)入門課程中的對象優(yōu)先教學(xué)法[J].現(xiàn)代計算機(jī)，2008（2）：50-51.

[2][4]葉乃文，王丹.Java語言程序設(shè)計教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3][5][6]梁勇.Java語言程序設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[7]陳昊.Java語言實驗教學(xué)改革探討[J].計算機(jī)教育，2009（10）：148-150.

[8]劉松青.構(gòu)建“Java面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計”實踐教學(xué)體系[J].計算機(jī)教育，2009（2）：8-10.

[9]李廉.計算思維——概念與挑戰(zhàn)[J].中國大學(xué)教學(xué)，2012（1）：7-12.

[10]王衛(wèi)生.基于CDIO教學(xué)模式的《Java程序設(shè)計》課程開發(fā)實踐[J].軟件工程師，2010（12）：60-63.

責(zé)任編輯 時紅兵