立體化程序設計能力培養方法

周健　鄭誠

摘要：分析影響學生程序設計能力提高的關鍵因素，建立立體化的程序設計能力培養方法，以案例為中心進行教學，以問題驅動進行程序設計實踐，在師生之間、課堂內外、學生之間形成一個立體化互動學習網絡。

關鍵詞：程序設計能力；立體化培養方法；案例教學；問題驅動；學生互動

0 引言

人才是當代國家的核心競爭力，培養創新型高級專門人才已經成為社會不斷向前發展的源動力。高等教育承擔著培養高級專門人才、發展科學技術文化、促進社會主義現代化建設的重大任務。提高人才質量是高等教育發展的核心任務，是建設高等教育強國的基本要求。目前，軟件人才需求以每年40萬的規模增長，預計在2014年將達到400萬左右。軟件人才在我國依舊缺乏，軟件人才需求缺口大。對高校而言，如何提高計算機專業學生的程序設計能力，是廣大程序設計類課程教師面臨的新課題。

1 計算機專業學生程序設計能力培養現狀

程序設計能力是計算機專業學生必備的一項基本技能。程序設計能力培養不僅包含技能培養，還包含學生分析問題、解決問題以及創新能力的培養。為此，各高校從大一開始就開設了高級語言程序設計課程以及后續一系列課程，以提高學生的程序設計能力。然而，即使各高校設置了豐富的程序設計能力培養課程，學生的程序設計水平也沒有得到大幅度提高。

當前軟件企業招不到合適的人才，計算機專業學生找不到工作，這種局面的形成歸因于學生的程序設計能力并未達到軟件企業預期的要求。調查表明，企業新招聘員工中只有15%直接來自高校畢業生，而85%來自社會招聘，因為社會招聘人員動手能力強，入職后能很快適應工作崗位。程序設計能力層次見表1，從表1可以看出，要勝任企業軟件開發工作，至少需要100000行代碼量；對于本科畢業生，至少需要有10000行代碼量，而目前計算機專業大多數學生本科4年的代碼量均在1000行，有的甚至更低。

1）程序設計類課程依然重教學，輕實踐。理論教學依然是程序設計類課程的重點，理論學時多，實踐學時少。教師花費大量時間進行語法、數據結構概念、算法理論講解，因此也使得有針對性的實踐太少，基于相關知識和理論的案例教學不足，學生很難將所學知識點和理論用于解決實際問題。

2）實踐環節枯燥，學生無法提高學習積極性。

在傳統程序設計實踐教學中，教師布置3～6道作業題，學生當堂完成，然后將代碼以及運行結果截圖打包上傳到服務器，教師一一評閱。教師給出的習題往往直接針對課堂教學的知識點，無任何實際背景或故事情節，實驗枯燥乏味，學生學習積極性無法提高。

3）學生多，教師少，教師無法逐個解答學生的問題。

在大學不斷擴招的情形下，師生比進一步擴大。實踐教學過程中，教師無法一一發現和解答每個學生的問題。學生將作業代碼和運行結果截圖通過FTP上傳至服務器，教師查看運行結果，由于學生多，教師無法逐個查看和運行學生代碼，疲于應付，因而導致實踐效果差。

4）實踐能力評價方法單一。

目前的課程考核多采用筆試，學生的實踐能力只能通過平時作業和實驗進行主觀性評價，難以激發學生自主訓練實踐能力的激情。在這樣的教學模式下，久而久之學生就失去了編程興趣，同時也降低了后續程序設計類課程的學習積極性，以致形成惡性循環，學生代碼閱讀量、代碼編寫量均得不到保證，程序設計能力自然無法提高。

為了提高學生的程序設計能力，文獻[1]提出一種貫穿在系列課程中的程序設計能力培養方法，強調在一系列課程中持續不斷地進行系統化訓練，采用面向專業應用的分類教學，貫徹落實案例驅動、強化實訓等教學方法。文獻[2]初步將ACM模式應用到程序設計類課程實踐教學中，使學生的編程能力和解題思維能力得到有效訓練，教學效果顯著提高。文獻[3]也提出采用ACM競賽形式的程序設計能力層次化培養模式。這些方法都是提高學生程序設計能力的有益嘗試。

2 立體化程序設計能力培養模式

針對目前程序設計能力培養方面依然存在的一些突出問題，我們借鑒國內外一流大學的經驗，與學校、學院教學部門配合，探索并建立立體化程序設計能力培養方法。立體化程序設計能力培養方法如圖1所示。

1）培養方法和過程。

在立體化程序設計能力培養方法中，教學活動仍然分為理論知識講授與編程實踐，但理論課不再以單純介紹語法知識為主，而是以具體的程序案例分析為主，讓學生從案例中掌握語法。在實踐教學環節中，教師設計若干有趣的問題，學生在解決問題過程中學會相關的語法知識與編程技巧。學生編寫的程序代碼全部通過安徽大學程序自動評判系統進行評判，學生只需在規定時間內完成，不再局限在實踐課堂內完成，令學生有了足夠多的思考和動手編程時間。對于學生在編程過程中出現的各種問題，教師和ACM/ICPC隊員及時進行在線細致輔導。在每次作業結束后，系統公布所有學生的解題代碼，以供所有學生在線查看和評價。獲得優秀評價的代碼將在系統上公布，以便學生有機會進一步學習優秀代碼，增加代碼閱讀量。

2）立體化程序設計能力培養特點。

（1）以高級語言程序設計課程為依托。高級語言程序設計課程是學生接觸的第一門程序設計類課程，其教學與實踐對培養學生的編程興趣和能力起著至關重要的作用，可以幫助學生樹立自信心并步入程序設計的殿堂。

（2）課堂教學以案例為中心。程序設計=算法+數據結構。在高級語言程序設計課程的教學過程中，我們摒棄單純講授語法的課堂教學方法，改之以程序案例為中心。在課程早期，案例以語法知識為主，逐步增加基本數據結構和算法。整個教學過程以案例分析為中心進行語法教學，讓學生在潛移默化中學習到基本的數據結構和算法。

（3）實踐教學以問題求解為中心。在實踐環節，教師通過設置有趣的故事和實際的問題，幫助學生在求解問題過程中掌握課堂上所學的語法知識、基本數據結構和算法。endprint

（4）實踐環節從課內延伸至課外。實踐環節要求學生完成指定的編程題目。與傳統實踐環節不同，通過在線程序自動評判平臺，學生所有的編程作業只需在教師規定的時間段內提交，學生既可以在實踐課上完成，又可以利用課外時間完成課堂內沒有完成的作業。將實踐課延伸到課外的優點表現在：①學生有足夠的時間思考分析問題并最終通過編程解決問題；②實踐題目數量適當增加，學生的代碼量隨之增加，充分的課外實踐可以進一步鞏固學生的理論知識基礎。

（5）經驗豐富的ACM/ICPC隊員參與程序設計實踐環節輔導。ACM/ICPC隊員經過長期的編程實踐，積累了豐富的編程經驗，代碼能力強，因此我們利用ACM/ICPC集訓隊的優勢資源，實行“傳幫帶”機制，對于每個學生編程過程中出現的問題及時給予解答，有效提高學生的編程積極性。集訓隊學生優秀的編程水平對于低年級學生也是一種激勵，可以進一步激發其編程熱情，增加其向更高編程水平邁進的動力。

（6）學生作業采用自動化評判模式。學生提交的作業通過服務器自動評判給出程序的運行結果。自動評判模式對于編譯錯誤，會直接給出編譯出錯位置和出錯類型，方便學生自查；對于運行錯誤，包括結果錯誤和運行超時，則需要學生重新審查程序代碼。服務器自動評判能夠有效減輕教師批改作業壓力，還可以大大提高實踐教學效果。此外，服務器上保留了每個學生的做題細節，包括以往的代碼、做題的數量、錯誤類型等信息，可以進一步增強學生做題的成就感和積極性。值得一提的是該自動評判平臺不僅支持高級語言程序設計，還支持C++、Java、VB和Pascal語言，因而吸引了省內一些初中、高中學生進入該平臺進行程序設計能力實踐。

（7）優秀代碼展示有助于增加學生代碼閱讀量。學生代碼量包括代碼編寫量和代碼閱讀量。代碼閱讀量是提高編程能力的一種重要途徑，然而在實際教學過程中常常被忽視，通過教師評閱、學生互評等方式，可以篩選出優秀代碼并加以展示。優秀代碼主要指具有巧妙的算法、運行時間短、內存占用空間少、代碼格式規整、符合標準編程風格的程序代碼。展示優秀代碼可以讓學生有機會看到彼此對于同一道題目的多種解決方案，有效促進學生之間的交流，積極提高學生的代碼閱讀量。這種相互的交流還可以進一步激發學生的創新靈感，在提高學生編程能力的同時也提高創新能力。

與傳統程序設計能力培養主要依靠“教師一學生”這種二維扁平的實踐教學模式不同，立體化程序設計能力培養方法以案例教學為中心進行教學，以問題驅動為中心進行編程實踐，采用機器自動評判和學生互評相結合的方式進行學生編程實踐效果評價，在教師—ACM隊員—學生之間建立一個跨越時間和空間的三維立體互動教學網絡。這種教學方法將課內實踐延伸至課外，將實驗室實踐延伸到實驗室外，對學生的程序設計能力進行主客觀相結合的綜合評價與即時反饋。

3 實施成效

通過一系列的研究與設計，我們構建了立體化的程序設計能力培養模式，在安徽大學自主研發的自動評判系統基礎上增加了高級語言程序設計實踐模塊。自2008年以來，學生通過該自動評判平臺進行程序設計實踐呈逐年增多趨勢，多名學生參加了ACM/ICPC程序設計競賽以及省級程序設計競賽，獲得各類獎勵10余項，其中亞洲區邀請賽金獎2項、省級競賽一等獎4項。實施該培養方法后，學生進行自主程序設計訓練的積極性明顯提高，目前在校生中程序代碼量已經達到10000行的有200人左右，部分畢業學生直接進入騰訊、百度等企業工作，用人單位也對畢業生的編程能力普遍表示滿意。安徽大學計算機專業學生2008—2012年提交代碼量如圖2所示。

該培養方法不僅提高了學生的程序設計能力，而且培養了學生的創新精神和可持續發展能力，還吸引了許多非計算機專業學生學習程序設計技術。近年來，陸續有電子學院、自動化學院、數學學院、化學化工學院、資源與環境工程學院和物理學院的學生參與到程序設計實踐中，并且取得了不錯的學習效果。例如，安徽大學物理學院一名學生經過該平臺實踐后，積極參與ACM/ICPC程序設計競賽，獲得2010年ACM/ICPC亞洲區競賽銅獎并于2012年成功考取復旦大學計算機專業研究生。

4 結語

強調師生互動、實踐反饋、學生互動足立體化程序設計能力培養方法的關鍵，而利用案例教學與趣味實踐是重要途徑。實踐證明，立體化程序設計能力培養方法在提高學生編程水平和算法能力方面具有較大優勢，取得了顯著成效。今后我們將進一步注重教師與學生互動，探索更多的師生之間、學生之間互動手段，不斷提高學生編程素養和創新水平。

參考文獻：

[1]高敬陽，朱群雄，山嵐，等.貫穿在系列課程中的程序設計能力的培養[J].中國大學教學，2008（11）：46-48

[2]常子楠.基于ACM模式的程序設計類課程實踐教學探索[J].計算機教育，2010（16）：144-146.

[3]韓建民，王麗俠，賈洞.大學生程序設計能力的層次化培養模式[J].計算機教育，2012（3）：15-18.

（編輯：宋文婷）endprint