面向對象程序設計課程的類比教學法

摘要：面向對象程序設計課程對提高學員的編程能力具有較大幫助。為提高教學效果，文章在分析目前教學存在問題的基礎上，提出該課程的類比教學法，闡述該教學法的應用依據并指出在實施過程中要注意的問題。

關鍵詞：面向對象程序設計；類比教學法；教學方法改革

引言

面向對象程序設計課程是電子工程學院計算機及相關專業的一門基礎課程，這門課程對于培養學員的編程能力，提高利用計算機解決現實問題的能力具有很大幫助。同時，這門課程是后續很多重要的專業課程如數據庫、操作系統等的基礎，是學員畢業后順利走上技術性工作崗位的重要基礎，因此，學好這門課程對于計算機及相關專業的學員具有重要意義，教員必須精心設計教學方案，力爭取得較好的教學效果。

1 課程教學面臨的主要問題

（1）面向對象程序設計課程一般安排本科學員在大一開課。該階段學員所學專業課較少，主要是高等數學、英語、物理等課程，學員較少有使用計算機語言描述現實問題的概念和經歷，例如在數學和物理的學習過程中，解方程的時候根本無需關心變量要用幾個字節表示。這就導致教員在給學員講授各種數據結構和類型時，學員由于初次接觸，且與以前學習到的物理和數學知識不一致，感到難以理解。

（2）學員的計算機基礎水平高低不一。學員來自各個不同的中學，有些中學在信息技術課程投入較大精力，學員對計算機及網絡技術已經比較熟練；有些中學則以高考為指揮棒，全力應付高考，對高考之外的課程重視不夠，使學員對計算機的了解相對較少。此外，即使是同一所學校的學員，由于家庭經濟能力、個人喜好等方面因素的影響，學員的計算機水平也存在較大差異。

（3）該階段學員剛剛結束高中學習，還受一定的高中應試學習模式影響，想通過大量做題來提高自身的解題熟練程度，但是這種學習思路對于面向對象程序設計課程的學習來說并不是非常適用。本課程的主要教學目的是培養學員利用計算機語言對現實世界建模的能力。通過大量練習的確能夠提高學員運用某一知識點的熟練程度，但是本課程更注重學員靈活運用知識的能力，即創新思維。此外，本課程的知識點非常多，難以一一練習。

面對這些問題，可以在具體的教學實施中引人類比教學法，注重從現有知識出發，從學員熟悉的事物出發，推移到要學習的新知識嘲，降低學員理解難度，提高學習效果。

2 類比教學法的實施

在教學過程中，依據類比的角度不同，可分為依據生物學知識、依據已學知識、依據生活常識、依據社會關系等類比方法。

2.1 依據生物學知識進行類比

生物課是學員在初中和高中均需學習的一門課程，而且學員通過日常生活觀察，已經掌握了不少生物知識。依據生物學知識進行類比，不僅有利于學員理解，而且使課程講述生動形象。

在講授類的繼承與派生的時候，我們指出該概念類似于生物學的遺傳和變異。由父代生出子代，父代可以將自身的一些生物學特點遺傳給子代，所以兒女長得像自己的父母，對應在面向對象程序設計中指的就是子類擁有父類的數據成員和函數成員，這就是繼承。同時，子代在遺傳的過程中，為了適應新環境，往往會有一些新特性即產生變異，對應在面向對象程序設計中指的是子類往往會產生一些新的數據和函數成員。如果沒有變異，那么新生命就無法不斷地適應環境，不能夠進化，同樣的，不增加新成員，那么子類（派生類）就與父類（基類）一樣，無法解決新問題。

在講授單繼承與多繼承時，指出該概念類似于單性繁殖和雙性繁殖。每個人都有父母，孩子一般會同時具備父母的某些特性，多繼承也是如此。

在介紹派生類構造函數的調用順序時，我們指出該過程類似于一個嬰兒的誕生。首先必須有父母，即在派生類的生成過程中首先調用基類的構造函數；然后嬰兒的器官逐個形成，即調用派生類內嵌對象成員的構造函數；最后嬰兒形成并誕生，即調用派生類的構造函數，形成一個具體的對象。依據生物學知識進行類比，我們通過課堂提問、上機練習等環節觀察到學員們普遍容易理解并掌握相關知識。

2.2 依據已學知識進行類比

該類比方法指的是在講授新知識的過程中，將新知識與學員已經學過的知識聯系起來，使學員在一個較高的起點上學習新知識。學員在課程前期的學習中已經學習到“類是對具有相同屬性和行為的一組對象的抽象”，即對多個個體進行抽象，以便統一對其描述。因此，在介紹類模板的概念時，我們指出該概念與之前學習過的類的概念類似，類模板的目的也是為了對一組具有相同屬性和行為的對象進行抽象，只不過此時的抽象對象是類。利用類能夠聲明多個個體，在面向對象程序設計中將其稱為對象，利用類模板同樣能夠聲明多個個體，此時的個體稱為模板類。在聲明的過程中，給類傳遞參數的接口是構造函數，給類模板傳遞參數的接口是模板形參表。依據已學知識進行類比，不僅易于學員理解新知識，而且能夠及時復習已學知識，具有雙重效果。

2.3 依據生活常識進行類比

該類比方法指的是將面向對象程序設計知識與學員的日常生活知識聯系起來。在講授數據類型的時候，我們指出數據類型類似于日常生活中的衣柜。衣柜的用途在于裝衣服，數據類型的用途在于存儲數據。對應于不同的房間大小和衣物量，應該選用不同的衣柜，太小，衣物裝不下；太大，房間的空間又不允許。同樣，在面向對象程序設計過程中，選擇何種數據類型取決于待存儲數據的范圍和內存的大小，應該盡量選用恰好能夠表示待存儲數據范圍的類型，避免存儲空間的浪費。在講授靜態聯編與動態聯編時，我們指出靜態聯編只能調用到指針所對應類型的函數，而無法調用到指針所指向具體對象類型的函數，這在很多情況下會產生不便。就像舉辦主題演講比賽時，雖然每位選手都是圍繞同一個主題（調用同一個函數名），但是觀眾希望選手能夠根據自身單位特點來演講，不同單位的選手講不同的故事（實現動態聯編），而不希望所有的選手講同一個故事。

2.4 依據社會關系進行類比

該類比方法指的是采用社會關系類比講述面向對象程序設計中的數據關系。在講述派生類對基類的訪問權限控制時，我們指出這類似于父母（基類）對孩子（派生類）的訪問控制。父母對孩子總是大公無私的，因此不管是使用公有繼承、私有繼承還是保護繼承，孩子總是能自由訪問父母可以公開的事情（公有成員），但是父母總有一些個人隱私（私有成員），這些隱私無論采取何種繼承方式，都無法被孩子訪問。在講授類的友元函數時，我們指出這類似于人的好朋友。人總是有很多隱私和不便公開的事情（私有成員和保護成員），這些事情人們不希望其他人知道，對應地，私有成員和保護成員不能夠在類外訪問；但是人們也會有好朋友，會對他們知無不言，告訴他們自己的秘密，并且有時候告訴朋友秘密能夠帶來很多便利。友元函數就是類的好朋友，利用它能夠自由地訪問類的私有成員和保護成員，帶來操作上的便利。

3 類比教學法需要注意的問題

3.1 類比對象與程序世界的差異

引入類比方法能使課程講授變得生動易懂，但是也要注意類比指的是相似，而不是相同。雖然面向對象程序設計課程中有很多概念與現實事物存在相似性，但是仍在某些方面存在較大差別，教員在使用類比法時需要指出這些差異，以免學員照搬類比對象，從而產生誤解。例如，派生類對象的構造就好比嬰兒的形成，構造函數的調用順序與嬰兒的形成順序一致，首先是父母，然后是器官，最后是自身。派生類對象的析構就好比生命的消亡，但是派生類對象析構函數的調用順序則與生物界不同。在生物界中，生命的消亡一般從父輩開始，然后是子輩；但是對于派生類對象的析構而言，析構的首先是自身，然后是內嵌對象成員，最后才調用基類的析構函數，與生物界正好相反。STL中的vector類似于現實生活中的容器，能夠用來存儲物品即數據，但是現實生活中的容器容量是固定的，而vector的容量則可調整，因此在講授這些概念時，教員必須及時指出它們與類比對象的相似和差異。

3.2 與其他教學手段的配合

類比教學法雖然比較直觀易懂，但是也要與其他教學手段配合才能取得較好的效果。一要特別注意與多媒體技術的配合。在使用類比方法時，可以通過圖片、視頻等多媒體技術形象展示兩類事物的共同點，例如使用圖像展示子輩與父輩的相似性，使用視頻展示細胞到嬰兒的整個變化過程。應用多媒體技術不僅能夠使學員獲得震撼的直觀印象，使教員的類比過程易被學員接受，而且能夠使課堂變得生動活潑。二要與案例教學相配合。在課程中期，學員掌握一定的編程技巧后，教員可以布置一些小項目，讓學員通過編程解決問題，并對學員的程序進行點評，指出優點和不足。通過實踐提高學員的動手能力，加深其對知識的理解。三要讓學員閱讀和分析知名開源項目。目前網絡上有許多開源的面向對象程序項目，這些項目多由資深的程序員編寫，項目文件組織合理，代碼編寫規范。學員通過閱讀這些代碼，能夠學到很多編程知識和技巧，而且有助于培養良好的編程習慣。

4 結語

類比教學法降低了學習難度，容易記憶和理解，使學員能夠在已有知識儲備的基礎上學習新知識。通過采用該教學法與其他教學手段相結合，電子工程學院面向對象程序設計課程教學取得了較好效果。近3年來，學員計算機二級考試通過率維持在90%以上并逐年提高，參加全國軟件專業人才設計與創業大賽有14人獲得賽區一、二等獎，參加全國大學生信息安全競賽多次獲得全國二、三等獎。

類比不是簡單的比喻，它對教員提出了較高的要求，需要教員充分理解面向對象程序語言的本質，并對課程前后知識非常熟悉，因此教員在上課前必須充分備課，努力提高自身素質，其次要加強類比教學法的素材庫和示例庫建設，努力使學員樂于學、易于懂、會運用，進一步提升教學效果。