基于TRIZ理論構(gòu)建C語(yǔ)言課程復(fù)雜度模型

宋存米

(衡水學(xué)院 經(jīng)濟(jì)學(xué)與管理學(xué)系，河北 衡水 053000)

在中國(guó)知網(wǎng)(www.cnki.net)檢索到《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》課程教學(xué)研究方面的文獻(xiàn)資料有3 000多篇，其中50余篇發(fā)表在核心期刊，主要從教學(xué)模式、教學(xué)方法、教學(xué)手段、實(shí)驗(yàn)教學(xué)等幾個(gè)方面進(jìn)行了教學(xué)改革研究和探索。有作者通過(guò)小班化教學(xué)(唐曉，2016)、過(guò)程化考核(陳昕，2016)、學(xué)科競(jìng)賽(徐新愛(ài)，2015)、建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論(肖曉霞，2012)等進(jìn)行教學(xué)模式研究；通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)(馬駿，2016)、面向?qū)W生(米磊，2014)等進(jìn)行教學(xué)方法研究；通過(guò)交互式虛擬算法(蘇仰娜，2010)、自助式虛擬作業(yè)系統(tǒng)及考試系統(tǒng)(張彥航，2017)、KM教學(xué)法(周穎，2016)等進(jìn)行教學(xué)手段研究；通過(guò)微視頻(熊啟軍，2018)、計(jì)算思維(劉光蓉，2015)、教育機(jī)器人(尹華，2009)等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究。這些研究和探索對(duì)提高C語(yǔ)言課程教學(xué)效果均有促進(jìn)作用，但任何教學(xué)改革都應(yīng)該圍繞著教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行，不同的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該采用不同的教學(xué)方法和手段，不同的教學(xué)內(nèi)容對(duì)教師和學(xué)生的要求也是不同的。盡管所有的C語(yǔ)言教材所講的內(nèi)容基本是相同的，但學(xué)生完成C語(yǔ)言課程中不同章節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)所需要的工作量是不同的。如何對(duì)C語(yǔ)言課程內(nèi)容進(jìn)行科學(xué)分類，針對(duì)不同類別的內(nèi)容采取不同的教學(xué)方法和手段，在文獻(xiàn)資料中涉及較少，或有涉及也不系統(tǒng)。筆者結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用TRIZ理論對(duì)C語(yǔ)言教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行深入分析，構(gòu)建了C語(yǔ)言課程的復(fù)雜度模型，為C語(yǔ)言課程教學(xué)改革提供了一種新的思路和方法。

一、構(gòu)建C語(yǔ)言課程復(fù)雜度模型

1.C語(yǔ)言教學(xué)中存在的主要問(wèn)題

結(jié)合歷屆學(xué)生的試卷分析(見(jiàn)表1)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》課程考試中有關(guān)基本知識(shí)、簡(jiǎn)單算法方面得分較高，而在閱讀程序和設(shè)計(jì)程序方面的得分較低，尤其是復(fù)雜的程序設(shè)計(jì)題得分更低，導(dǎo)致整體的教學(xué)效果不佳。結(jié)合《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》課程的特點(diǎn)，學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)是訓(xùn)練學(xué)生思維能力逐漸提高的過(guò)程，學(xué)生通過(guò)程序設(shè)計(jì)解決實(shí)際問(wèn)題也是一個(gè)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的過(guò)程。從試卷分析結(jié)果可以看出學(xué)生通過(guò)程序設(shè)計(jì)解決復(fù)雜問(wèn)題的能力不足，而基本知識(shí)和簡(jiǎn)單算法掌握得較好，說(shuō)明在C語(yǔ)言教學(xué)過(guò)程中存在效率不高的薄弱環(huán)節(jié)。雖然在教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行了案例式、啟發(fā)式教學(xué)等多種嘗試，但教學(xué)效果并不理想，因此，需要用一種全新的思路來(lái)解決《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》教學(xué)中存在的問(wèn)題。

表1 C語(yǔ)言課程復(fù)雜度模型應(yīng)用之前試卷分析匯總表

2.應(yīng)用TRIZ理論分析問(wèn)題

在TRIZ理論中，物-場(chǎng)分析法就是指從物質(zhì)和場(chǎng)的角度來(lái)分析和構(gòu)造最小技術(shù)系統(tǒng)的理論和方法[1]，可以用物-場(chǎng)模型來(lái)描述任意級(jí)別的技術(shù)系統(tǒng)。一個(gè)完整的技術(shù)系統(tǒng)可以表示為由三個(gè)基本元素構(gòu)成的一個(gè)三角形結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)物質(zhì)(substance)和一個(gè)場(chǎng)(field)，如圖1所示。其中，S1(第一種物質(zhì))表示被生產(chǎn)、被控制、被測(cè)量的產(chǎn)品；S2(第二種物質(zhì))表示進(jìn)行生產(chǎn)、控制、測(cè)量的工具；F(場(chǎng))表示S1和S2之間的作用[2]。

圖1 基本的物-場(chǎng)模型

應(yīng)用物-場(chǎng)分析法可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的不同問(wèn)題，在TRIZ中，將問(wèn)題的類型用四種不同的物—場(chǎng)模型來(lái)描述。

(1)有效完整模型。功能的3個(gè)元素都存在且都有效，這種模型是設(shè)計(jì)者所追求的。

(2)不完整模型。功能的3個(gè)元素不齊全，可能缺少物質(zhì)，也可能是缺少場(chǎng)。

(3)非有效完整模型。功能的3個(gè)元素齊全，但設(shè)計(jì)者追求或預(yù)期的效應(yīng)未能有效實(shí)現(xiàn)或只是部分實(shí)現(xiàn)。

(4)有害效應(yīng)的完整模型。功能的3個(gè)元素齊全，但產(chǎn)生了與設(shè)計(jì)者所追求的效應(yīng)相左的、有害的效應(yīng)，需要消除這些有害效應(yīng)。

TRIZ重點(diǎn)關(guān)注的是后三種模型，只要出現(xiàn)其中的任何一種，系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題。為了分析和解決系統(tǒng)存在的問(wèn)題，TRIZ提出了物—場(chǎng)模型的一般解法和76標(biāo)準(zhǔn)解法。

TRIZ理論雖源于工程技術(shù)領(lǐng)域，但現(xiàn)已滲透至多個(gè)領(lǐng)域。在C語(yǔ)言教學(xué)系統(tǒng)中，上述的物-場(chǎng)模型可以描述為：S1為學(xué)生， S2為教師，F(xiàn)為教學(xué)場(chǎng)。顯然，教學(xué)過(guò)程中存在效率不高的薄弱環(huán)節(jié)屬于非有效完整模型，即功能的3個(gè)元素齊全，但設(shè)計(jì)者追求或預(yù)期的效應(yīng)未能有效實(shí)現(xiàn)或只是部分實(shí)現(xiàn)。據(jù)此，應(yīng)用TRIZ理論中的標(biāo)準(zhǔn)解對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，此問(wèn)題可以應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)解包括：

(1)標(biāo)準(zhǔn)解14：鏈?zhǔn)轿铩獔?chǎng)模型，即將單一的物—場(chǎng)模型轉(zhuǎn)化成鏈?zhǔn)轿铩獔?chǎng)模型。

(2)標(biāo)準(zhǔn)解16：使用更可控的場(chǎng)加強(qiáng)物—場(chǎng)模型，即用更加容易控制的場(chǎng)，來(lái)代替原來(lái)不容易控制的場(chǎng)，或者疊加到不容易控制的場(chǎng)上。

按照標(biāo)準(zhǔn)解14的提示，改善教學(xué)系統(tǒng)的效率需要形成鏈?zhǔn)轿铩獔?chǎng)，C語(yǔ)言教學(xué)系統(tǒng)也是一種鏈?zhǔn)轿?場(chǎng)系統(tǒng)，即C語(yǔ)言的教學(xué)過(guò)程是將教學(xué)內(nèi)容分為各個(gè)單元進(jìn)行的鏈?zhǔn)轿铩獔?chǎng)系統(tǒng)，這既符合TRIZ標(biāo)準(zhǔn)解的提示，也是C語(yǔ)言教學(xué)的基本要求。進(jìn)一步分析構(gòu)成鏈?zhǔn)轿铩獔?chǎng)的每一個(gè)物—場(chǎng)模型，發(fā)現(xiàn)在C語(yǔ)言教學(xué)單元完成過(guò)程中符合教學(xué)要求，但從整體教學(xué)效果來(lái)看又不理想，這就是TRIZ理論中提出的矛盾所在。

按照標(biāo)準(zhǔn)解16的提示，應(yīng)該使教學(xué)場(chǎng)更加可控，考慮C語(yǔ)言教學(xué)中存在的主要問(wèn)題，TRIZ理論給出的標(biāo)準(zhǔn)解就是使每一教學(xué)單元更加可控，或是教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)內(nèi)容更加可控。結(jié)合自己的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，每一教學(xué)單元、教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)內(nèi)容雖不十分完美，但也足以達(dá)到優(yōu)秀。經(jīng)過(guò)深入分析問(wèn)題，并將TRIZ理論中的“分割”和“組合(合并)”2條發(fā)明原理應(yīng)用于Nicklaus Wirth提出的著名公式“算法+數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)=程序”，終于找到了問(wèn)題的癥結(jié)所在。

3.應(yīng)用TRlZ理論構(gòu)建C語(yǔ)言課程復(fù)雜度模型

在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，算法的時(shí)間復(fù)雜度是一個(gè)函數(shù)，描述了該算法的運(yùn)行時(shí)間。借鑒其含義，即算法的時(shí)間復(fù)雜度是指執(zhí)行算法所需要的計(jì)算工作量。類似地，學(xué)習(xí)C語(yǔ)言課程的學(xué)習(xí)復(fù)雜度，即完成學(xué)習(xí)內(nèi)容所需要的工作量。顯然，學(xué)習(xí)內(nèi)容越簡(jiǎn)單越容易所需要的工作量越少，反之則需要的工作量越多，即學(xué)習(xí)復(fù)雜度與學(xué)習(xí)內(nèi)容的難易程度與復(fù)雜程度正相關(guān)。

在上述分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用TRlZ理論的分割和組合(合并)2條發(fā)明原理來(lái)構(gòu)建C語(yǔ)言課程復(fù)雜度模型。

(1)分割原理

分割原理是指以虛擬或真實(shí)的方式將一個(gè)系統(tǒng)分成多個(gè)部分，以便分解(分開(kāi)、分隔、抽取)或合并(結(jié)合、集成、聯(lián)合)一種有益的或有害的系統(tǒng)屬性。在多數(shù)情況下，會(huì)對(duì)分隔后得到的多個(gè)部分進(jìn)行重組(或集成)，以便實(shí)現(xiàn)某些新的功能，并(或)消除有害作用。

應(yīng)用分割原理的主要解決方法如下：

●針對(duì)不同需求的學(xué)生制訂不同的項(xiàng)目；

●利用目標(biāo)分析法制定計(jì)劃；

●創(chuàng)建項(xiàng)目組；

●利用課程單元或模塊；

●將整個(gè)教學(xué)目標(biāo)分為多個(gè)子目標(biāo)。

(2)組合(合并)原理

組合(合并)既可以是空間上的，也可以時(shí)間上的，其目的是將兩個(gè)或多個(gè)相鄰的對(duì)象(操作或部分)進(jìn)行組合或合并。或者，在多種功能、特性或部分之間建立聯(lián)系，以便產(chǎn)生一種新的、想要的或唯一的結(jié)果。通過(guò)對(duì)已有功能的組合，可以生成新的功能。

組合原理的主要解決方法如下[3]：

●利用教學(xué)小組發(fā)揮教育專家的作用；

●雇用輔助專職人員幫助教師以滿足學(xué)生的不同需求；

●基于組合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行綜合技能訓(xùn)練；

●組織分配教員進(jìn)行學(xué)生分組教學(xué)制；

●制定分組教學(xué)計(jì)劃；

●多功能教室。將“分割”和“組合(合并)”2條發(fā)明原理應(yīng)用于“算法+數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)=程序”公式可以得出學(xué)習(xí)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜度包括“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度”和“算法復(fù)雜度”，在C語(yǔ)言中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度與數(shù)據(jù)類型相關(guān)，可分為簡(jiǎn)單、低復(fù)雜度、高復(fù)雜度3個(gè)級(jí)別，分別對(duì)應(yīng)基本數(shù)據(jù)類型(如整型)、簡(jiǎn)單構(gòu)造數(shù)據(jù)類型(如數(shù)組)、復(fù)雜構(gòu)造數(shù)據(jù)類型(如結(jié)構(gòu)數(shù)組、鏈表)。算法的復(fù)雜度與控制結(jié)構(gòu)相關(guān)，可分為簡(jiǎn)單控制結(jié)構(gòu)、低復(fù)雜度控制結(jié)構(gòu)、高復(fù)雜度控制結(jié)構(gòu)3個(gè)級(jí)別，分別對(duì)應(yīng)1條語(yǔ)句的控制結(jié)構(gòu)(如1條for語(yǔ)句)、2條語(yǔ)句的控制結(jié)構(gòu)(如嵌套for語(yǔ)句)、3條及以上語(yǔ)句的控制結(jié)構(gòu)(如三重for循環(huán)語(yǔ)句)。分別將算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)按照復(fù)雜度組合之后，C語(yǔ)言課程的學(xué)習(xí)復(fù)雜度共分九級(jí)(見(jiàn)表2)，即簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)類型簡(jiǎn)單控制結(jié)構(gòu)→簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)類型低復(fù)雜度控制結(jié)構(gòu)→……→高復(fù)雜度數(shù)據(jù)類型高復(fù)雜度控制結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)復(fù)雜度呈遞增態(tài)勢(shì)，所需要的學(xué)習(xí)時(shí)間和訓(xùn)練次數(shù)呈線性增長(zhǎng)。由此可以得出，某一級(jí)復(fù)雜度的課程內(nèi)容未能完全理解和掌握，說(shuō)明相應(yīng)級(jí)別內(nèi)容的學(xué)習(xí)、訓(xùn)練時(shí)間不足，在不考慮其他因素的情況下，應(yīng)該增加學(xué)習(xí)和訓(xùn)練的時(shí)間，主要是增加學(xué)生自主學(xué)習(xí)和訓(xùn)練的時(shí)間。針對(duì)學(xué)習(xí)復(fù)雜度的不同級(jí)別，分別提供不同的案例、采用不同的教學(xué)方法和教學(xué)手段進(jìn)行教學(xué)。這樣教學(xué)過(guò)程清晰，教學(xué)目標(biāo)明確，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)則更加科學(xué)。

表2 C語(yǔ)言課程復(fù)雜度模型

表2(續(xù))

按上述復(fù)雜度模型，當(dāng)輸入一個(gè)正整數(shù)n(n為奇數(shù))的值之后，要求分別打印輸出1行n個(gè)*、打印輸出n行1—n個(gè)*、打印輸出一個(gè)高度為n行的*菱形圖案，完成上述3種輸出的程序分別對(duì)應(yīng)簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)類型簡(jiǎn)單控制結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)類型低復(fù)雜度控制結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)類型高復(fù)雜度控制結(jié)構(gòu)。顯然，其學(xué)習(xí)復(fù)雜度差別很大，針對(duì)不同學(xué)習(xí)復(fù)雜度的教學(xué)內(nèi)容，應(yīng)采用相應(yīng)的案例、教學(xué)方法和手段等有效措施，才能取得良好的教學(xué)效果。

4.應(yīng)用C語(yǔ)言課程復(fù)雜度模型教學(xué)效果

總結(jié)出C語(yǔ)言課程復(fù)雜度模型之后，將其應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，改革了原來(lái)的課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)等，通過(guò)2個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐檢驗(yàn)，學(xué)生在程序設(shè)計(jì)方面的學(xué)習(xí)效果較應(yīng)用之前有了大幅度提高(見(jiàn)表3)。

從表3的試卷分析結(jié)果與表2的試卷分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以看出：

(1)C語(yǔ)言課程復(fù)雜度模型應(yīng)用前后，在單項(xiàng)選擇題、填空題、判斷題的得分變化不大，應(yīng)用后較應(yīng)用前稍有提高。

(2)C語(yǔ)言課程復(fù)雜度模型應(yīng)用前后，在程序閱讀題、程序設(shè)計(jì)題的得分變化較大，尤其是程序設(shè)計(jì)題的得分提高較多，說(shuō)明C語(yǔ)言課程復(fù)雜度模型的建立對(duì)提高課堂教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)的效果有較大的促進(jìn)作用。

二、 結(jié)語(yǔ)

TRIZ是一種技術(shù)創(chuàng)新理論體系，源于工程技術(shù)領(lǐng)域，理論上可以解決多領(lǐng)域的問(wèn)題。本文應(yīng)用TRIZ理論進(jìn)行C語(yǔ)言課程教學(xué)改革，構(gòu)建了C語(yǔ)言課程復(fù)雜度模型，提高了教學(xué)效果，教學(xué)實(shí)踐證明TRIZ理論用于教學(xué)改革是科學(xué)的、有效的。

表3 C語(yǔ)言課程復(fù)雜度模型應(yīng)用之后試卷分析匯總表