肖卓宇，葉嘉笑，李港，楊道武（.中南林業(yè)科技大學(xué)涉外學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙4000；.湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙4005）

應(yīng)用型高校學(xué)生程序設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)研究

肖卓宇1，葉嘉笑2，李港1，楊道武1
（1.中南林業(yè)科技大學(xué)涉外學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410200；2.湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410015）

文章以應(yīng)用型本科院校計(jì)算機(jī)專業(yè)設(shè)計(jì)模式課程為例，首先介紹學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)模式課程的前驅(qū)知識(shí)；接著依據(jù)GOF分類編程實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模式，并通過具體項(xiàng)目進(jìn)行綜合實(shí)訓(xùn)；最后引導(dǎo)學(xué)生將設(shè)計(jì)模式課程與逆向工程、數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域結(jié)合，解決涉及交叉學(xué)科的復(fù)雜問題，并取得較好的效果。事實(shí)證明，系統(tǒng)性與漸進(jìn)性融合的啟發(fā)式學(xué)習(xí)方法有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)模式課程的積極性。

設(shè)計(jì)模式；啟發(fā)式；逆向工程；數(shù)據(jù)挖掘；機(jī)器學(xué)習(xí)

應(yīng)用型本科院校側(cè)重學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，并密切關(guān)注市場(chǎng)對(duì)人才的需求，計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)對(duì)實(shí)踐應(yīng)用的要求顯得尤為重要。結(jié)合先前計(jì)算機(jī)專業(yè)大學(xué)生程序設(shè)計(jì)實(shí)踐能力培養(yǎng)改革[1-3]，通過各級(jí)程序設(shè)計(jì)大賽經(jīng)驗(yàn)的積累[4]，并以大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)與創(chuàng)新性實(shí)踐項(xiàng)目“基于設(shè)計(jì)模式角色的附加關(guān)系檢測(cè)研究”為契機(jī)，本研究以設(shè)計(jì)模式為例，著重探討應(yīng)用型本科院校程序設(shè)計(jì)的啟發(fā)式學(xué)習(xí)方法。

Erich Gamma等人提出設(shè)計(jì)模式是一套被反復(fù)使用、經(jīng)過分類編目的、代碼設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。使用設(shè)計(jì)模式是為了可重用代碼、讓代碼更容易被他人理解、保證代碼可靠性[5]。為此，眾多軟件企業(yè)為節(jié)約成本，減少研發(fā)周期，使設(shè)計(jì)模式得以廣泛應(yīng)用于項(xiàng)目研發(fā)中。

1 設(shè)計(jì)模式前置知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)

設(shè)計(jì)模式課程學(xué)習(xí)具有一定的抽象性，故對(duì)學(xué)生掌握相關(guān)知識(shí)的能力提出了一定的要求。

圖1 設(shè)計(jì)模式前驅(qū)知識(shí)圖

如圖1所示，第一階段學(xué)生首先應(yīng)該具備結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)知識(shí)，為此學(xué)院在大一階段開設(shè)了C語言程序設(shè)計(jì)課程，并制定了符合學(xué)院特點(diǎn)的C語言程序設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)書；第二階段需在第一階段的基礎(chǔ)上側(cè)重面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)知識(shí)學(xué)習(xí)，主要涉及類、實(shí)例、封裝、繼承、多態(tài)等知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，該階段學(xué)院通過多年來對(duì)多屆學(xué)生教學(xué)方式的改革，制訂了具有學(xué)院特色的Java程序設(shè)計(jì)課程及實(shí)訓(xùn)，側(cè)重案例式教學(xué)，并將多種面向?qū)ο蟮闹R(shí)融入到實(shí)訓(xùn)中來，取得了較好的效果；第三階段通過軟件工程這門課程將UML程序設(shè)計(jì)引入到項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，該階段尤其側(cè)重學(xué)生對(duì)類圖、用例圖、時(shí)序圖的掌握能力，并通過積累的經(jīng)典案例引導(dǎo)學(xué)生分小組進(jìn)行實(shí)訓(xùn)；在第三步之后逐步介入到設(shè)計(jì)模式領(lǐng)域。

2 設(shè)計(jì)模式分類學(xué)習(xí)

Erich Gamma將23種設(shè)計(jì)模式分為結(jié)構(gòu)型、行為型、創(chuàng)建型三類，每一類設(shè)計(jì)模式側(cè)重點(diǎn)各不相同，見表1，如若要較好地掌握23種設(shè)計(jì)模式，將其分類進(jìn)行實(shí)踐學(xué)習(xí)顯得尤為重要。

表1 設(shè)計(jì)模式功能分類表

在表1分類基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生依次通過編程實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)型模式、行為型模式、創(chuàng)建型模式的應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上啟發(fā)學(xué)生側(cè)重分析3類設(shè)計(jì)模式中不同模式的設(shè)計(jì)意圖，尤其注重研究其區(qū)別。如：Composite模式與Decorator模式同屬于結(jié)構(gòu)型模式，但前者側(cè)重解決“部分與整體”的層次結(jié)構(gòu)問題，后者側(cè)重動(dòng)態(tài)增加新的職責(zé)問題。通過比較分析法，讓23種看似枯燥的設(shè)計(jì)模式學(xué)習(xí)變得生動(dòng)有趣，并輔以多年來積累的經(jīng)典用例實(shí)現(xiàn)，讓學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)模式學(xué)習(xí)的積極性得到了極大的提高。在此基礎(chǔ)上，再將多個(gè)設(shè)計(jì)模式融入先前指導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)上商城購物系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)模式的融會(huì)貫通，進(jìn)一步讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到設(shè)計(jì)模式的重要性與趣味性。

3 設(shè)計(jì)模式的演化學(xué)習(xí)

在學(xué)生較好地掌握了23種經(jīng)典設(shè)計(jì)模式用例后，嘗試將學(xué)生的程序設(shè)計(jì)思維進(jìn)一步引入到更為開闊的逆向工程、數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域。

3.1 設(shè)計(jì)模式與逆向工程、數(shù)據(jù)挖掘關(guān)聯(lián)

設(shè)計(jì)模式廣泛應(yīng)用于軟件系統(tǒng)開發(fā)中，但從軟件工程的角度可知，再優(yōu)秀的軟件也存在軟件生命周期，故存在設(shè)計(jì)模式的遺產(chǎn)系統(tǒng)如能進(jìn)行有效識(shí)別，必能大大節(jié)約人力成本及時(shí)間成本。以此為契機(jī)，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生對(duì)遺產(chǎn)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)模式實(shí)例檢測(cè)進(jìn)行深入研究。

先期啟發(fā)學(xué)生以DPS（Design pattern string,DPS）表達(dá)式類圖形式檢測(cè)設(shè)計(jì)模式，該階段對(duì)遺產(chǎn)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)模式恢復(fù)的程度進(jìn)行了初步研究，其檢測(cè)結(jié)果只有完全匹配、部分匹配及完全不匹配三種形式[6]。之后，在此基礎(chǔ)上針對(duì)發(fā)生頻率較高的設(shè)計(jì)模式檢測(cè)部分匹配進(jìn)行了深入研究，并提出了基于矩陣積分評(píng)估的設(shè)計(jì)模式檢測(cè)研究方法[7]，該方法基于子圖同構(gòu)的概念，通過矩陣積分理論對(duì)候選設(shè)計(jì)模式參與者進(jìn)行檢測(cè)，并通過閾值對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行約束，從而過濾不精確的結(jié)果，并進(jìn)一步提高了設(shè)計(jì)模式檢測(cè)的精確率。此階段之后，逆向工程與數(shù)據(jù)挖掘知識(shí)漸進(jìn)式進(jìn)入學(xué)生的思考范疇，而學(xué)生對(duì)于設(shè)計(jì)模式檢測(cè)的認(rèn)知更加深刻。

此外在對(duì)檢測(cè)結(jié)果的研究分析中，部分學(xué)生甚至發(fā)現(xiàn)了假陽性與假陰性結(jié)果，為了發(fā)現(xiàn)造成假陽性檢測(cè)結(jié)果的原因，指導(dǎo)老師啟發(fā)學(xué)生對(duì)假陽性結(jié)果進(jìn)行了歸納，并發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)模式參與角色之間的附加關(guān)系會(huì)改變?cè)O(shè)計(jì)的意圖，從而導(dǎo)致假陽性結(jié)果。在歸納了典型的附加關(guān)系后，學(xué)生在指導(dǎo)老師的啟發(fā)下進(jìn)一步制定了設(shè)計(jì)模式角色間附加關(guān)系的檢測(cè)原則[8]。

為了對(duì)該附加關(guān)系進(jìn)行檢測(cè)，學(xué)生主動(dòng)分析了當(dāng)前設(shè)計(jì)模式檢測(cè)工具的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)之進(jìn)行優(yōu)化，提出了一種形式化上下無關(guān)文法關(guān)系驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)模式檢測(cè)方法[9]，該方法較好地解決了設(shè)計(jì)模式角色間的附加關(guān)系問題與設(shè)計(jì)模式參與者共享問題，進(jìn)一步提高了檢測(cè)的精確率。另一方面，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)模式檢測(cè)結(jié)果存在的假陰性問題進(jìn)行深入研究后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有23種經(jīng)典設(shè)計(jì)模式已不能完全滿足軟件設(shè)計(jì)師的需求，大多數(shù)情況下，軟件設(shè)計(jì)師在不改變?cè)O(shè)計(jì)意圖的前提下對(duì)Erich Gamma提出的23種設(shè)計(jì)模式進(jìn)行了演化，并取得了較好的效果，這類演化后的設(shè)計(jì)模式可謂之設(shè)計(jì)模式“變體”，為此在先前工作[9]基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組學(xué)生進(jìn)一步對(duì)這類難以檢測(cè)的設(shè)計(jì)模式變體進(jìn)行了檢測(cè)研究，這樣富有挑戰(zhàn)性的課題也漸進(jìn)式激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，并進(jìn)而提出了基于文法產(chǎn)生式優(yōu)化的設(shè)計(jì)模式識(shí)別方法，旨在通過特征匹配進(jìn)行設(shè)計(jì)模式變體識(shí)別[10]，過濾假陰性結(jié)果，該方法對(duì)結(jié)構(gòu)型設(shè)計(jì)模式變體檢測(cè)取得了較好的效果。但項(xiàng)目組學(xué)生通過手工驗(yàn)證恢復(fù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該方法對(duì)于行為型與創(chuàng)建型模式變體存在改進(jìn)的空間，但這類復(fù)雜的行為型與創(chuàng)建型設(shè)計(jì)模式變體規(guī)律性不太明顯，如果以全自動(dòng)的方式很難發(fā)現(xiàn)全部的變體，故項(xiàng)目組學(xué)生嘗試一種半自動(dòng)多階段交互式線索驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)模式檢測(cè)方法[11]，該方法通過調(diào)查表獲取常見的靜態(tài)線索、動(dòng)態(tài)線索、專家線索，并將之轉(zhuǎn)為CSP形式的特征形式，并可以自定義，該方法對(duì)先前工作[10]進(jìn)行了優(yōu)化，并取得了較好的效果。如此對(duì)問題進(jìn)行漸進(jìn)式累積，并逐個(gè)擊破，讓學(xué)生深刻感受到設(shè)計(jì)模式課程的重要性及樂趣。

3.2 設(shè)計(jì)模式與機(jī)器學(xué)習(xí)的聯(lián)系

考慮到現(xiàn)實(shí)生活中設(shè)計(jì)模式專家畢竟是有限的，為了讓更多的設(shè)計(jì)模式初學(xué)者能夠靈活應(yīng)用設(shè)計(jì)模式解決軟件設(shè)計(jì)問題，除開設(shè)計(jì)模式檢測(cè)領(lǐng)域，指導(dǎo)老師也引導(dǎo)另一部分同學(xué)深入設(shè)計(jì)模式推薦系統(tǒng)領(lǐng)域。項(xiàng)目組學(xué)生在指導(dǎo)老師的啟發(fā)下結(jié)合形式概念分析與實(shí)例推理技術(shù)，并依據(jù)余弦理論對(duì)用戶提出的問題要求進(jìn)行了設(shè)計(jì)模式推薦，這有助于輔助軟件設(shè)計(jì)師進(jìn)行高效的軟件項(xiàng)目設(shè)計(jì)[12]。對(duì)文獻(xiàn)[12]優(yōu)化的后續(xù)工作正有條不紊地進(jìn)行，通過設(shè)計(jì)模式與機(jī)器學(xué)習(xí)的聯(lián)系，將大大開拓學(xué)生的視野，并更進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

此外，項(xiàng)目組學(xué)生從基準(zhǔn)、變體及設(shè)計(jì)模式實(shí)例共享指標(biāo)出發(fā)，對(duì)各類設(shè)計(jì)模式檢測(cè)工具優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了評(píng)估[13]。從而更進(jìn)一步加深了對(duì)設(shè)計(jì)模式的了解。等領(lǐng)域有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了基于設(shè)計(jì)模式漸進(jìn)式學(xué)習(xí)，并取得了較好的效果。后期工作將設(shè)計(jì)模式與更多交叉學(xué)科進(jìn)行聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型本科院校學(xué)生程序設(shè)計(jì)能力的進(jìn)一步提升。

4 結(jié)束語

本研究對(duì)應(yīng)用型本科院校大學(xué)生程序能力培養(yǎng)進(jìn)行了研究，以設(shè)計(jì)模式為例，介紹了設(shè)計(jì)模式學(xué)習(xí)的前驅(qū)知識(shí)點(diǎn)，并分類引導(dǎo)學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)型、行為型及創(chuàng)建型模式進(jìn)行程序?qū)崿F(xiàn)，在此基礎(chǔ)上以具體項(xiàng)目為依托，融入多種設(shè)計(jì)模式，進(jìn)一步將學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)模式學(xué)習(xí)的成果融會(huì)貫通。此后，引導(dǎo)學(xué)生介入交叉學(xué)科學(xué)習(xí)，并將設(shè)計(jì)模式與逆向工程、數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)

[1]肖卓宇,葉嘉笑,黎妍.計(jì)算機(jī)專業(yè)大學(xué)生程序設(shè)計(jì)實(shí)踐能力培養(yǎng)改革[J].軟件導(dǎo)刊，2017(2):197-199.

[2]肖卓宇,黎妍,葉嘉笑.以計(jì)算思維為導(dǎo)向的大學(xué)生程序設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)研究[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代,2017(1):79-81.

[3]肖卓宇,陳俊旭,楊鑫維,楊邦平,胡振濤.獨(dú)立學(xué)院計(jì)算機(jī)專業(yè)大學(xué)生程序設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)的研究與實(shí)踐[J].湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2016(2):88-90.

[4]肖卓宇,余波,黎妍.以競(jìng)賽為驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的研究[J].湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2015(3):89-92.

[5]ZHANG C,BUDGEN D.What do we know about the effectiveness of software design patterns?[J].IEEE Transactions on Software Engineering,2012(5):1213-1231.

[6]肖卓宇,何锫,黎妍.基于DPS表達(dá)式類圖的設(shè)計(jì)模式檢測(cè)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2015(10):2743-2748.

[7]肖卓宇，黎妍，何锫，陳俊旭.基于矩陣積分評(píng)估的設(shè)計(jì)模式檢測(cè)研究[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2016(7):1428-1433.

[8]肖卓宇,何锫,黎妍.基于設(shè)計(jì)模式角色的附加關(guān)系檢測(cè)研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2015(7):2042-2045.

[9]肖卓宇，何锫，余波，黎妍，楊鑫維.一種形式化文法關(guān)系驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)模式檢測(cè)方法[J].工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2016(10):1499 -1508.

[10]肖卓宇，何锫，楊鑫維，楊邦平，陳俊旭，胡振濤.基于文法產(chǎn)生式優(yōu)化的設(shè)計(jì)模式識(shí)別方法[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017(3).

[11]肖卓宇,何锫,余波.一種多階段交互式線索驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)模式識(shí)別方法[J/OL].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),http://kns.cnki. net/kcms/detail/11.2625.V.20161226.1707.002.htm l.

[12]肖卓宇,何锫,余波,黎妍,胡振濤.基于FCA與CBR的設(shè)計(jì)模式檢測(cè)[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2016(2):22-28.

[13]肖卓宇,黃海,何锫,李港,楊道武,彭逸凡,董澤民.設(shè)計(jì)模式檢測(cè)工具有效性評(píng)估策略[J/OL].計(jì)算機(jī)科學(xué)與探索,http: //kns.cnki.net/kcms/detail/11.5602.TP.20170504.1312.006.htm l.

Training research of students' programm ing ability in app lied undergraduate colleges

XIAOZhuo-yu1,YE Jia-xiao2,LIGang1,YANGDao-wu1
（1.Swan CollegeofCentralSouth University of Forestry and Technology,Changsha,Hunan,China 410200;2.Hunan Postand Telecommunication College,Changsha,Hunan,China410015）

The design pattern course of computer specialty in applied undergraduate college was taken as an example.Firstly pre-knowledge of design pattern coursewas introduced.Then,design patternswere performed based on classification of Gang of Four (GOF),and detail projects were performed.Finally,the students were guided to combine the design pattern course with reverse engineering,datamining,machine learning and other fields,solving the complex problems related to cross subjects,and achieving better results.The experimental results showed that the presented method based on systematic,progressive and heuristic learning can encourage theenthusiasm ofstudents.

design pattern;heuristic;reverseengineering;datamining;machine learning

10.3969/j.issn.2095-7661.2017.02.008】

TP311;G642

A

2095-7661（2017）02-0027-03

2017-03-27

肖卓宇(1979-)，男，湖南長(zhǎng)沙人，副教授，高級(jí)工程師，研究方向：程序理解、逆向工程、軟件演化等。

湖南省教學(xué)改革研究項(xiàng)目“獨(dú)立學(xué)院IT類相關(guān)專業(yè)學(xué)生程序設(shè)計(jì)能力的研究與實(shí)踐”（課題編號(hào)：湘教通[2016]400號(hào)1068）；湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目“基于設(shè)計(jì)模式角色的附加關(guān)系檢測(cè)研究”（課題編號(hào):湘教通[2015]84號(hào)197）。