斯坦福大學程序設(shè)計入門類課程研究

摘要：針對美國斯坦福大學計算機科學系面向全校開設(shè)的程序設(shè)計入門類課程設(shè)置情況，分析該類課程的整個課程體系，包括教學、輔導、作業(yè)和考核等各個環(huán)節(jié)安排，總結(jié)其課程設(shè)置人性化和科學化、輔導機制完備化、考核手段精細化的課程特點。

關(guān)鍵詞：計算機科學；程序設(shè)計；課程體系；作業(yè)寬限日政策；誠信準則

0 引 言

美國斯坦福大學地處加利福尼亞州西部的舊金山（ San Francisco）和圣何塞（San Jose）之間，位于著名的“硅谷”中心，是世界科研和高等教育領(lǐng)先機構(gòu)之一。隸屬于斯坦福大學工程學院的汁算機科學系始建于1965年，如今引領(lǐng)著世界計算機科學的科研和教育前沿。

筆者最初接觸到斯坦福大學的計算機課程是在2009年主講數(shù)據(jù)庫原理雙語課程時，當時選用了一本原版教材A First Course in DatabaseSVstems，這是由斯坦福大學的兩名計算機教授（Jeffrey D.Ullman和Jennifer Widom）合作編寫的。瀆過之后發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)的同類著名教材可以說就是這本教材的翻譯本和節(jié)選本，從此開始關(guān)注斯坦福及其計算機課程。

筆者再次接觸斯坦福大學的計算機課程是2010年底。當時，網(wǎng)易正式推出“全球名校視頻公開課項目”，其中由斯坦福大學計算機科學系教授麥蘭·薩哈米（ Mehran Sahami）講授的編程方法學（ programming methodology）引起筆者的關(guān)注，于是由此展開對斯坦福大學的計算機課程研究和探索。 1 斯坦福大學計算機程序設(shè)計入門類課程概述

斯坦福大學計算機科學系面向全校殲設(shè)了5門計算機程序設(shè)計入門類課程，供全校學生選修，這5門課程分別是CS101、CS105、CS106A、CS106B和CS106X。

1.1 CS101-計算機理論入門（introduc-tion to computing principles）和CS105-計算機入門（.ntroduction to computer science）

這兩門課程主要是計算機科學中主要領(lǐng)域的通識教育，平均每年度有大約500名學生選修。課程主要講授計算機基礎(chǔ)知識以及JavaScript、HTML、CSS等簡單的程序設(shè)計。學習CS101和CSl05花費的時間和精力相比其他程序設(shè)計入門課程要少很多，如果只是為了完成斯坦福對通識教育的要求，選修這兩門課非常適合。CS101于春季學期開課，CS105于秋季、冬季學期開課。

1.2 CS106A-編程方法學（ programming methodology）

編程方法學是斯坦福選修人數(shù)最多，也是教學規(guī)模最大的計算機程序設(shè)計入門課程，在2012年秋季學期中，有650名學生選修CS106A。CA106A教授的是良好的軟件工程思想，同時結(jié)合使用較廣泛的Java程序設(shè)計語言，比單純程序設(shè)計的知識范圍要大得多。該課程適合所有專業(yè)的學生學習，事實上，選修該課程的大多數(shù)是工程學院以外專業(yè)的學生。該課程不需任何程序設(shè)計經(jīng)驗，但課程要求嚴格，需要花費大量的精力。CS106A于每年的秋季、冬季、春季和夏季學期開課。

1.3 CS106B-抽象編程（ programming abstractions l

該課程是CS106A的直接后續(xù)課程，涵蓋高級程序設(shè)計主題，如遞歸、算法分析和數(shù)據(jù)抽象等。CSl06B[5]采用C++程序設(shè)計語言，C++類似于C和Java的結(jié)合。如果學生已經(jīng)參加了計算機科學高級課程考試并取得了4分或5分的成績，或在一門專業(yè)課程中取得了好成績，則可以從CS106B開始學起。CS106B要求學生已經(jīng)對好的程序設(shè)計風格以及軟件工程思想非常熟悉（達到CS106A的水平），在此基礎(chǔ)上，可以學習解決程序設(shè)計和數(shù)據(jù)抽象中的新問題。CS106B于秋季、冬季、春季和夏季學期開課。

1.4 CS106X-抽象編程（高級）（ progra-mming abstractions（accelerated））

CSl06X是CS106B的提高版本，它使用C++程序設(shè)計語言，講授的主題與CS106B完全相同，只是進行更深層次的探討。由于課程內(nèi)容很多，因此課程進度非常快，適合已通過計算機科學高級課程考試或有扎實的程序設(shè)計基礎(chǔ)的學生。不要錯誤地認為真正的工程師都會直接選修CS106X，實際上，大多數(shù)計算機科學家和工程師（包括2012-2013秋季學期CS106A的授課教師Mehran Sahami教授）都是從CS106A開始學習。CS106X通常于秋季學期開課。

許多斯坦福的學生在高中階段或是在他們本身從事的與計算機相關(guān)的工作領(lǐng)域中已經(jīng)獲得相當多的程序設(shè)計經(jīng)驗，這種情況下，即使從CS106X開始學習程序設(shè)計類課程也很浪費時間，但是根據(jù)以往的經(jīng)驗，每一屆新生中只有10～15位應(yīng)該從程序設(shè)計類更高起點的課程開始學習。對于大多數(shù)學生來說，還是應(yīng)該從CS106課程開始學習。大多數(shù)高中的計算機課程對現(xiàn)代軟件工程技術(shù)涉及不多，學生通過CS106可以學習科學的程序設(shè)計理念，為更高級的工作打下堅實的基礎(chǔ)。

2 課程體系——以CS106A為例

2.1 課程安排

總共上課11周，每周3節(jié)，每節(jié)50分鐘。除上課以外，學生每周必須參加50分鐘的小組討論。

2.2 課程組成員

（1）1位授課教師（instructor）。課程的負責人，主講課程，另外每周有2小時的課程輔導。

（2）l位首席助教（head to）。輔助教師完成課程所有任務(wù)，每周兩次（每次2小時）的課程輔導。

（3）多名討論小組長（section leaders）。討論小組長主要負責組織每周一次的小組討論，每個小組6～8名成員。小組長還要履行下列職責：與組員一同上課，每周一次的課程組會議以及針對每次作業(yè)與每名組員面對面交流后評分，輔助期中、期末考試成績考核，每周2小時在公共機房進行輔導答疑。

（4）多名課程輔導者（course helpers）。每周在公共機房進行2～10小時課程輔導答疑。

2.3 課程網(wǎng)站

課程通過網(wǎng)站發(fā)布課程最新公告，提供詳細的課程資料并根據(jù)課程進度隨時更新，網(wǎng)址為http：//www.stan ford.edu/clas s/cs 106/或http：//cs106a.stanford.edu/.

2.4 學分

本科生選修CS106A可獲得5學分，研究生選修這門課可獲得3學分，但是對兩者的要求完全一樣。

2.5 教材和課堂講義

（1）該課程有兩本教材。第1本名為Karelthe Robot Learns Java，這是一本35頁的書，以一個極其簡單的機器人世界為背景，介紹程序設(shè)計的主要思想。卡羅爾是一個友好的小機器人，生活在一個格子世界中。在課程的第1周，學生將和卡羅爾一起探索程序設(shè)計，解決問題和體會軟件工程思想。這本教材對于學生完成第一次作業(yè)非常有用，學生可以登錄課程網(wǎng)站下載該教材電子版，也可以在斯坦福書店買到這本書。

第2本名為The Art and Science of Java，作者是Eric Roberts。熟悉了機器人卡羅爾的世界后，學生可從第2周開始學習用Java程序設(shè)計語言構(gòu)建更大、更詳細的程序。該教材非常好地介紹了Java中的軟件工程思想。

（2）課堂講義（handouts）。除了教材，教師還會以課程講義的形式發(fā)放課程附加材料，作為教材的補充材料。每次上課時，學生都可以在教室入口處的講義箱領(lǐng)取，也可以從課程網(wǎng)站以PDF格式直接下載。

2.6 課程主要聯(lián)系方式Email

這門課程要求學生擁有Email帳戶。在斯坦福，所有學生通過LaIR都可取得Email帳戶，師生之間課后的主要交流都是通過Email完成，包括作業(yè)的提交、討論組的注冊等。

2.7 程序設(shè)計作業(yè)

（1）教學大綱已經(jīng)列出本門課有7次程序設(shè)計作業(yè)，每次作業(yè)都有截止時間。隨著課程進度的推進，作業(yè)會越來越難，時間花費也將越來越多，因而后面作業(yè)的權(quán)重比前面的要稍重一些。除了學期期末的作業(yè)，學生針對每個作業(yè)都要與小組組長一對一地交流10～15分鐘進行互動評分，包括作業(yè)中的閃光點、仍需改進的地方、在程序設(shè)計思想方面的欠缺。通過這些，學生可以獲得更詳細的信息，也可以提問評分等級及依據(jù)。

（2）作業(yè)評分等級。作業(yè)等級由高到低分別為++、+、、√+、√、√-和、√--6級，作業(yè)成績主要由討論小組長評定，但是其中的最高級++代表著“絕對完美”，必須經(jīng)由課程教師和助教同意才能給出，這種成績很稀少且不口T多得，每學期只會出現(xiàn)有限的幾個。

（3）作業(yè)寬限日政策。每次作業(yè)必須在指定的時間前提交電子版，但是學生有時還會遇到些意外而導致作業(yè)不能按時提交，因此采取作業(yè)寬限日政策，規(guī)定每學期可以有兩個作業(yè)寬限日.當寬限日用完后，上交遲到的作業(yè)（最多遲到3個上課日）會隨著遲到的時間每天降低一個級別（如√+降至√，依此類推）。與小組長的面對面交互評分將在作業(yè)上交截止日期后的兩周內(nèi)完成，超過3個上課日上交的作業(yè)將不會被評分。只有極特殊的情況出現(xiàn)（如因病、家庭緊急情況和宗教原因等），才有可能延長寬限日，這必須在作業(yè)到期日前的24小時內(nèi)經(jīng)由助教同意，小組長沒有這種權(quán)力。

2.8 課程考核方式及分數(shù)比例

課程可在實踐的過程中不斷地改革考核方式及分數(shù)比例，以兩個學期為例。

（1） 2012年冬季學期。除了7個程序設(shè)計作業(yè)外，還有2次中期考試，其中程序設(shè)計作業(yè)占55%，第1次期中考試占20%，第2次期中考試20%，小組參與占5%。

（ 2） 2010年秋季學期。除了7個程序設(shè)計作業(yè)外，還有1次中期考試和1次期末考試，其中程序設(shè)計作業(yè)占45%，期末考試占30%，期中考試占15%，小組參與占10%。

2.9 誠信準則

早在1921年，斯坦福的學生學術(shù)委員會便制定《斯坦福大學誠信準則》，通行至今。作為計算機課程的學生，在學術(shù)誠信方面應(yīng)該做到：①在提交的作業(yè)中注明在完成作業(yè)過程中接受的幫助；②不要與其他學生共享實際程序；③不要看往屆學生的程序解決方案和代碼；④做好對提交的程序進行解釋說明的準備；⑤所有提交程序都要經(jīng)過自動抄襲檢測程序的檢測。

3 幾點體會

3.1 課程設(shè)置多樣——人性化

同一門課程按不同的深度分層開設(shè)，每位學生可以結(jié)合自身的實際情況選修適合的課程。國內(nèi)大部分高校的程序設(shè)計入門課程比較單一（如只開設(shè)C程序設(shè)計），這樣容易造成兩極分化的現(xiàn)象，一是學生對程序設(shè)計沒有很大興趣或是能力不足，卻沒有第二種選擇，造成學習困難，成績不好；二是學生對程序設(shè)計興趣濃厚，學習起來游刃有余，希望有更高的起點，卻被禁錮在一定的課程范式中。

3.2 課程安排合理——科學化

（1）程序設(shè)計類課程的導向及重點清晰。這類課程首先強調(diào)的是軟件工程思想，而不是一開始就單純地學習一門程序設(shè)計語言，學會的僅僅是語言結(jié)構(gòu)，實際上，學習軟件系統(tǒng)開發(fā)過程中實用的軟件工程思想才是最重要的。

（2）課程體系結(jié)構(gòu)完善。斯坦福大學計算機系的每門課程都有完善的課程體系，關(guān)于課程的基本情況在學期一開始的第一次課，課程主講教師就會向全體學生介紹清楚并開始執(zhí)行。

3.3 課程輔導具體——完備化

課程相關(guān)資料全部上網(wǎng)，包括教材電子版、課堂資料、相關(guān)軟件、作業(yè)和授課視頻等。一門課程除了有主講教師和助教，討論組組長和課程輔導者（均由高年級的學生擔任）還為學生學習提供全方位的幫助，每周的周日至周四晚上都在公共機房為學生完成作業(yè)提供幫助。登錄http：//cs198.stanford.edu/，點擊“輔導時間表”鏈接，學生便可得到最新的輔導時間安排。

3.4 考核機制全面——精細化

首先對交作業(yè)的時間有嚴格的規(guī)定，寬限日的政策具體明確，可操作性極強；然后設(shè)計多個評分等級，同時對作業(yè)進行面對面交流評分；最后要求學生誠信地完成作業(yè)，并且有嚴格的檢測手段。

4 結(jié)語

課程設(shè)置人性化、課程安排合理化、課程輔導完備化、課程機制精細化是斯坦福大學程序設(shè)計入門類課程的特點，這值得國內(nèi)大學相關(guān)課程學習。如何借鑒斯坦福的經(jīng)驗，探索出一套更適合各高校培養(yǎng)目標的課程體系，值得我們進一步研究。