立体化程序设计能力培养方法

周健　郑诚

摘要：分析影响学生程序设计能力提高的关键因素，建立立体化的程序设计能力培养方法，以案例为中心进行教学，以问题驱动进行程序设计实践，在师生之间、课堂内外、学生之间形成一个立体化互动学习网络。

关键词：程序设计能力；立体化培养方法；案例教学；问题驱动；学生互动

0 引言

人才是当代国家的核心竞争力，培养创新型高级专门人才已经成为社会不断向前发展的源动力。高等教育承担着培养高级专门人才、发展科学技术文化、促进社会主义现代化建设的重大任务。提高人才质量是高等教育发展的核心任务，是建设高等教育强国的基本要求。目前，软件人才需求以每年40万的规模增长，预计在2014年将达到400万左右。软件人才在我国依旧缺乏，软件人才需求缺口大。对高校而言，如何提高计算机专业学生的程序设计能力，是广大程序设计类课程教师面临的新课题。

1 计算机专业学生程序设计能力培养现状

程序设计能力是计算机专业学生必备的一项基本技能。程序设计能力培养不仅包含技能培养，还包含学生分析问题、解决问题以及创新能力的培养。为此，各高校从大一开始就开设了高级语言程序设计课程以及后续一系列课程，以提高学生的程序设计能力。然而，即使各高校设置了丰富的程序设计能力培养课程，学生的程序设计水平也没有得到大幅度提高。

当前软件企业招不到合适的人才，计算机专业学生找不到工作，这种局面的形成归因于学生的程序设计能力并未达到软件企业预期的要求。调查表明，企业新招聘员工中只有15%直接来自高校毕业生，而85%来自社会招聘，因为社会招聘人员动手能力强，入职后能很快适应工作岗位。程序设计能力层次见表1，从表1可以看出，要胜任企业软件开发工作，至少需要100000行代码量；对于本科毕业生，至少需要有10000行代码量，而目前计算机专业大多数学生本科4年的代码量均在1000行，有的甚至更低。

1）程序设计类课程依然重教学，轻实践。理论教学依然是程序设计类课程的重点，理论学时多，实践学时少。教师花费大量时间进行语法、数据结构概念、算法理论讲解，因此也使得有针对性的实践太少，基于相关知识和理论的案例教学不足，学生很难将所学知识点和理论用于解决实际问题。

2）实践环节枯燥，学生无法提高学习积极性。

在传统程序设计实践教学中，教师布置3～6道作业题，学生当堂完成，然后将代码以及运行结果截图打包上传到服务器，教师一一评阅。教师给出的习题往往直接针对课堂教学的知识点，无任何实际背景或故事情节，实验枯燥乏味，学生学习积极性无法提高。

3）学生多，教师少，教师无法逐个解答学生的问题。

在大学不断扩招的情形下，师生比进一步扩大。实践教学过程中，教师无法一一发现和解答每个学生的问题。学生将作业代码和运行结果截图通过FTP上传至服务器，教师查看运行结果，由于学生多，教师无法逐个查看和运行学生代码，疲于应付，因而导致实践效果差。

4）实践能力评价方法单一。

目前的课程考核多采用笔试，学生的实践能力只能通过平时作业和实验进行主观性评价，难以激发学生自主训练实践能力的激情。在这样的教学模式下，久而久之学生就失去了编程兴趣，同时也降低了后续程序设计类课程的学习积极性，以致形成恶性循环，学生代码阅读量、代码编写量均得不到保证，程序设计能力自然无法提高。

为了提高学生的程序设计能力，文献[1]提出一种贯穿在系列课程中的程序设计能力培养方法，强调在一系列课程中持续不断地进行系统化训练，采用面向专业应用的分类教学，贯彻落实案例驱动、强化实训等教学方法。文献[2]初步将ACM模式应用到程序设计类课程实践教学中，使学生的编程能力和解题思维能力得到有效训练，教学效果显著提高。文献[3]也提出采用ACM竞赛形式的程序设计能力层次化培养模式。这些方法都是提高学生程序设计能力的有益尝试。

2 立体化程序设计能力培养模式

针对目前程序设计能力培养方面依然存在的一些突出问题，我们借鉴国内外一流大学的经验，与学校、学院教学部门配合，探索并建立立体化程序设计能力培养方法。立体化程序设计能力培养方法如图1所示。

1）培养方法和过程。

在立体化程序设计能力培养方法中，教学活动仍然分为理论知识讲授与编程实践，但理论课不再以单纯介绍语法知识为主，而是以具体的程序案例分析为主，让学生从案例中掌握语法。在实践教学环节中，教师设计若干有趣的问题，学生在解决问题过程中学会相关的语法知识与编程技巧。学生编写的程序代码全部通过安徽大学程序自动评判系统进行评判，学生只需在规定时间内完成，不再局限在实践课堂内完成，令学生有了足够多的思考和动手编程时间。对于学生在编程过程中出现的各种问题，教师和ACM/ICPC队员及时进行在线细致辅导。在每次作业结束后，系统公布所有学生的解题代码，以供所有学生在线查看和评价。获得优秀评价的代码将在系统上公布，以便学生有机会进一步学习优秀代码，增加代码阅读量。

2）立体化程序设计能力培养特点。

（1）以高级语言程序设计课程为依托。高级语言程序设计课程是学生接触的第一门程序设计类课程，其教学与实践对培养学生的编程兴趣和能力起着至关重要的作用，可以帮助学生树立自信心并步入程序设计的殿堂。

（2）课堂教学以案例为中心。程序设计=算法+数据结构。在高级语言程序设计课程的教学过程中，我们摒弃单纯讲授语法的课堂教学方法，改之以程序案例为中心。在课程早期，案例以语法知识为主，逐步增加基本数据结构和算法。整个教学过程以案例分析为中心进行语法教学，让学生在潜移默化中学习到基本的数据结构和算法。

（3）实践教学以问题求解为中心。在实践环节，教师通过设置有趣的故事和实际的问题，帮助学生在求解问题过程中掌握课堂上所学的语法知识、基本数据结构和算法。endprint

（4）实践环节从课内延伸至课外。实践环节要求学生完成指定的编程题目。与传统实践环节不同，通过在线程序自动评判平台，学生所有的编程作业只需在教师规定的时间段内提交，学生既可以在实践课上完成，又可以利用课外时间完成课堂内没有完成的作业。将实践课延伸到课外的优点表现在：①学生有足够的时间思考分析问题并最终通过编程解决问题；②实践题目数量适当增加，学生的代码量随之增加，充分的课外实践可以进一步巩固学生的理论知识基础。

（5）经验丰富的ACM/ICPC队员参与程序设计实践环节辅导。ACM/ICPC队员经过长期的编程实践，积累了丰富的编程经验，代码能力强，因此我们利用ACM/ICPC集训队的优势资源，实行“传帮带”机制，对于每个学生编程过程中出现的问题及时给予解答，有效提高学生的编程积极性。集训队学生优秀的编程水平对于低年级学生也是一种激励，可以进一步激发其编程热情，增加其向更高编程水平迈进的动力。

（6）学生作业采用自动化评判模式。学生提交的作业通过服务器自动评判给出程序的运行结果。自动评判模式对于编译错误，会直接给出编译出错位置和出错类型，方便学生自查；对于运行错误，包括结果错误和运行超时，则需要学生重新审查程序代码。服务器自动评判能够有效减轻教师批改作业压力，还可以大大提高实践教学效果。此外，服务器上保留了每个学生的做题细节，包括以往的代码、做题的数量、错误类型等信息，可以进一步增强学生做题的成就感和积极性。值得一提的是该自动评判平台不仅支持高级语言程序设计，还支持C++、Java、VB和Pascal语言，因而吸引了省内一些初中、高中学生进入该平台进行程序设计能力实践。

（7）优秀代码展示有助于增加学生代码阅读量。学生代码量包括代码编写量和代码阅读量。代码阅读量是提高编程能力的一种重要途径，然而在实际教学过程中常常被忽视，通过教师评阅、学生互评等方式，可以筛选出优秀代码并加以展示。优秀代码主要指具有巧妙的算法、运行时间短、内存占用空间少、代码格式规整、符合标准编程风格的程序代码。展示优秀代码可以让学生有机会看到彼此对于同一道题目的多种解决方案，有效促进学生之间的交流，积极提高学生的代码阅读量。这种相互的交流还可以进一步激发学生的创新灵感，在提高学生编程能力的同时也提高创新能力。

与传统程序设计能力培养主要依靠“教师一学生”这种二维扁平的实践教学模式不同，立体化程序设计能力培养方法以案例教学为中心进行教学，以问题驱动为中心进行编程实践，采用机器自动评判和学生互评相结合的方式进行学生编程实践效果评价，在教师—ACM队员—学生之间建立一个跨越时间和空间的三维立体互动教学网络。这种教学方法将课内实践延伸至课外，将实验室实践延伸到实验室外，对学生的程序设计能力进行主客观相结合的综合评价与即时反馈。

3 实施成效

通过一系列的研究与设计，我们构建了立体化的程序设计能力培养模式，在安徽大学自主研发的自动评判系统基础上增加了高级语言程序设计实践模块。自2008年以来，学生通过该自动评判平台进行程序设计实践呈逐年增多趋势，多名学生参加了ACM/ICPC程序设计竞赛以及省级程序设计竞赛，获得各类奖励10余项，其中亚洲区邀请赛金奖2项、省级竞赛一等奖4项。实施该培养方法后，学生进行自主程序设计训练的积极性明显提高，目前在校生中程序代码量已经达到10000行的有200人左右，部分毕业学生直接进入腾讯、百度等企业工作，用人单位也对毕业生的编程能力普遍表示满意。安徽大学计算机专业学生2008—2012年提交代码量如图2所示。

该培养方法不仅提高了学生的程序设计能力，而且培养了学生的创新精神和可持续发展能力，还吸引了许多非计算机专业学生学习程序设计技术。近年来，陆续有电子学院、自动化学院、数学学院、化学化工学院、资源与环境工程学院和物理学院的学生参与到程序设计实践中，并且取得了不错的学习效果。例如，安徽大学物理学院一名学生经过该平台实践后，积极参与ACM/ICPC程序设计竞赛，获得2010年ACM/ICPC亚洲区竞赛铜奖并于2012年成功考取复旦大学计算机专业研究生。

4 结语

强调师生互动、实践反馈、学生互动足立体化程序设计能力培养方法的关键，而利用案例教学与趣味实践是重要途径。实践证明，立体化程序设计能力培养方法在提高学生编程水平和算法能力方面具有较大优势，取得了显著成效。今后我们将进一步注重教师与学生互动，探索更多的师生之间、学生之间互动手段，不断提高学生编程素养和创新水平。

参考文献：

[1]高敬阳，朱群雄，山岚，等.贯穿在系列课程中的程序设计能力的培养[J].中国大学教学，2008（11）：46-48

[2]常子楠.基于ACM模式的程序设计类课程实践教学探索[J].计算机教育，2010（16）：144-146.

[3]韩建民，王丽侠，贾洞.大学生程序设计能力的层次化培养模式[J].计算机教育，2012（3）：15-18.

（编辑：宋文婷）endprint