李濤，任廷艷，羅剛，黎路

（黔南民族師范學(xué)院，都勻 558000）

0 引言

多態(tài)性是面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言的基本特征之一，它是指一個(gè)類的成員函數(shù)在程序運(yùn)行時(shí)具有多種形態(tài)[1]。在C++語(yǔ)言中，通常使用虛函數(shù)形式來(lái)實(shí)現(xiàn)的[2]，其核心理念通過(guò)基類指針或者引用來(lái)指向子類對(duì)象，并調(diào)用由子類重寫的個(gè)性化的虛函數(shù)[3]。但從實(shí)際教學(xué)效果來(lái)看，由于面向?qū)ο缶幊趟枷氤橄蠡?，?duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)很難理解這些抽象的概念以及虛函數(shù)運(yùn)行時(shí)調(diào)用機(jī)制[4]，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法對(duì)面向?qū)ο蟮亩鄳B(tài)性特征深入理解。

針對(duì)問題，從面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)思想出發(fā)，嘗試將設(shè)計(jì)模式的一些思想引入到課程教學(xué)中。讓學(xué)生通過(guò)案例學(xué)習(xí)，加深學(xué)生理解虛函數(shù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行多態(tài)性的基本原理[5]。教學(xué)實(shí)踐表明，在教學(xué)過(guò)程中運(yùn)用設(shè)計(jì)模式相關(guān)內(nèi)容可加深學(xué)生對(duì)面向?qū)ο缶幊趟枷氲睦斫?，以提高他們解決問題的實(shí)踐能力。

1 教學(xué)方案設(shè)計(jì)

在教學(xué)過(guò)程中，我們提出了一種啟發(fā)式的教學(xué)方法，針對(duì)教學(xué)內(nèi)容選擇設(shè)計(jì)模式中部分思想進(jìn)行輔助教學(xué)，將原先注重講解語(yǔ)法的教學(xué)模式，轉(zhuǎn)化為引入精心設(shè)計(jì)教學(xué)案例，通過(guò)案例逐步引導(dǎo)學(xué)生完成相關(guān)的類和功能設(shè)計(jì)。在完成設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)其設(shè)計(jì)代碼進(jìn)行分析、比較和優(yōu)化。在此過(guò)程中，通過(guò)教師分析與講解，學(xué)生回答問題及討論，讓學(xué)生加深對(duì)繼承、多態(tài)、虛函數(shù)等概念的理解，最后，引導(dǎo)學(xué)生完成相應(yīng)的編碼，并讓其做相應(yīng)總結(jié)。這樣大大提高了學(xué)生舉一反三的能力，對(duì)于編程的能力也有很大提升[6]。

2 模板方法模式在教學(xué)中的案例運(yùn)用

以面向?qū)ο笾卸鄳B(tài)性教學(xué)為例，通過(guò)引入設(shè)計(jì)模式中的模板方法模式讓學(xué)生了解抽象類和純虛函數(shù)的概念及用途。

（1）引入案例：教學(xué)過(guò)程中引入主題場(chǎng)景：從鍵盤輸入一個(gè)整型數(shù)組，對(duì)數(shù)組中的數(shù)由小到大進(jìn)行排序，然后把排序之后的結(jié)果打印顯示出來(lái)。任務(wù)整個(gè)流程由輸入數(shù)據(jù)、排序和打印數(shù)據(jù)三個(gè)具體步驟組成，輸入數(shù)據(jù)和打印數(shù)據(jù)兩個(gè)步驟是整個(gè)流程中不變的，而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序這一步驟，因可以選擇不同排序算法，存在可變性造成實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)不同。

（2）提出問題：遵循面向?qū)ο笏枷胪瓿上嚓P(guān)類定義及功能實(shí)現(xiàn)？在討論中，學(xué)生會(huì)指出定義一個(gè)類，將輸入數(shù)據(jù)和打印數(shù)據(jù)以成員函數(shù)的形式實(shí)現(xiàn)，同時(shí)定義兩個(gè)用于排序成員函數(shù)（簡(jiǎn)單選擇排序和冒泡排序）。然后通過(guò)定義類的對(duì)象按步驟順序依次調(diào)用輸入、排序及打印相應(yīng)的成員函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)程序。學(xué)生設(shè)計(jì)部分程序示例代碼如下。

#include

#include

using namespace std;

class AbstractSort

{

public:void inputData（）;//輸入數(shù)據(jù)void print（）;//打印數(shù)據(jù)

void SelectSort（）;//簡(jiǎn)單選擇排序void BubbleSort（）;//冒泡排序

private:

int array[6];

};

int main（）

{

AbstractSort arraysort;

arraysort.inputData（）;

arraysort.SelectSort（）;

arraysort.print（）;

return 0;

}

這段程序代碼初步實(shí)現(xiàn)整個(gè)流程，但是基于面向?qū)ο蟮?，不能體現(xiàn)面向?qū)ο蟮亩鄳B(tài)性。多態(tài)使程序調(diào)用的函數(shù)在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)確定，而不是在編譯時(shí)靜態(tài)地確定[7]。某個(gè)任務(wù)要實(shí)現(xiàn)的算法需要多個(gè)步驟，但其中有一些步驟是固定不變的，而另一些步驟則是不固定的，而設(shè)計(jì)模式中模板方法模式就是應(yīng)用于在這種場(chǎng)景下。首先在抽象類中確定整個(gè)流程的步驟順序，其次實(shí)現(xiàn)固定不變的步驟，最后把變化或不固定的步驟留給子類來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（3）模式引入：模板方法模式使得子類可以不改變算法的結(jié)構(gòu)即可重新定義該算法的某些特定步驟[8]，是由一個(gè)抽象類和一組子類通過(guò)繼承結(jié)構(gòu)組成。在抽象類中的定義一個(gè)模板方法，它是把基本操作方法組合在一起形成一個(gè)總算法或一個(gè)總行為的方法，并由子類不加以修改地完全繼承下來(lái)[9]，通常定義為成員函數(shù)。將算法中不變步驟以類成員函數(shù)形式實(shí)現(xiàn)，算法中的變化步驟或一些不確定的細(xì)節(jié)以純虛函數(shù)的形式在子類中實(shí)現(xiàn)。純虛函數(shù)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)接口來(lái)規(guī)范派生類的行為，也就是說(shuō)，規(guī)范繼承抽象類必須實(shí)現(xiàn)該函數(shù)。

設(shè)計(jì)類圖如圖1。

圖1 模板方法模式下的類圖

（4）實(shí)現(xiàn)：設(shè)計(jì)一個(gè)描述數(shù)組排序的抽象類AbstractSort，定義成員函數(shù)inputData用于輸入數(shù)據(jù)，因存在不同排序算法，把成員函數(shù)Sort設(shè)置為純虛函數(shù)，具體由子類來(lái)實(shí)現(xiàn)使用哪種排算法進(jìn)行排序。定義print成員函數(shù)作為模板方法，作為整個(gè)步驟序列總控制，依次調(diào)用inputData和Sort等成員函數(shù)。定義兩個(gè)子類，BubbleSort和SelectSort，分別繼承抽象類AbstractSort，并對(duì)sort函數(shù)進(jìn)行定義實(shí)現(xiàn)不同排序算法。下面給出抽象類AbstractSort和BubbleSort子類代碼如下：

class AbstractSort{

public:

virtual void sort（int array[]，int n）=0;//設(shè)置sort（）作為純虛函數(shù)

void inputData（int array[]，int n）{

int i;

for（i=0;i

cout<<"array["<

cin>>array[i];

cout<

}

}

void print（int array[]，int n）{//作為模板方法控制整個(gè)流程步驟順序

cout<<"輸入數(shù)據(jù)"<

inputData（array，n）;

sort（array，n）;

cout<<"排序結(jié)果: ";

for（int i=0;i

cout<

}

};

class BubbleSort:public AbstractSort{

public:

void sort（int array[]，int n）{//純虛函數(shù)的實(shí)現(xiàn)由派生類給出

int i，j，temp;

for（i=0;i

for（j=0;j

if（array[j]>array[j+1]）{

temp=array[j];

array[j]=array[j+1];

array[j+1]=temp;

}

}

}

}

};

測(cè)試程序如下：

int main（）{

int a[5];

AbstractSort*p;

SelectSort cs;

p=&cs;

p->print（a，5）;

int b[8];

BubbleSort bs;

p=&bs;

p->print（b，8）;

return 0;

}

（5）總結(jié)：抽象類是一種特殊的類，是為了抽象和設(shè)計(jì)的目的建立的，主要功能是將相關(guān)操作組織為繼承層次結(jié)構(gòu)中的結(jié)果接口，繼承層次結(jié)構(gòu)為派生類提供公共根。派生類將在其基類中具體實(shí)現(xiàn)作為接口的操作。純虛函數(shù)是在抽象類中聲明的一個(gè)虛函數(shù)，它要求任何派生類定義自己的實(shí)現(xiàn)方法以實(shí)現(xiàn)多態(tài)性。模板方法模式主要應(yīng)用于多個(gè)子類中有共有的代碼，并且邏輯基本相同[10]；對(duì)一些復(fù)雜的算法進(jìn)行了分割，將算法的固定部分設(shè)計(jì)為模板方法和父類的成員函數(shù)，而一些可變的細(xì)節(jié)則由其子類實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

在C++課程教學(xué)中引入部分設(shè)計(jì)模式的思想進(jìn)行授課，不僅是對(duì)傳統(tǒng)C++課程的革新，更是提高學(xué)生實(shí)踐能力的有效手段。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)模式對(duì)于塑造學(xué)生的編程思維，培養(yǎng)學(xué)生的編程習(xí)慣，提升學(xué)生的編程水平具有重要作用。