“自顶向下”思想在C++程序设计案例教学中的应用探析

相林　张菲菲

关键词：“自顶向下”；案例教学法；结构

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）14-0143-04

0 引言

程序设计语言是软件开发的直接工具，也是高校计算机专业开设的必修课程之一[1]。程序语言课程内容丰富、规则繁多，课程教学有一定的难度。许多高校都对课程进行了教学改革，如以在线网络为依托，对教学内容、教学方法和考核方式进行课程改革[2]，或者将课程教学与教师的科研相结合，实现“产学研”一体化[3-5]，还有院校以案例教学法来提高程序设计课程教学质量[6-7]。但是，由于课程抽象且理论性较强，学生对课程的理解和掌握存在较大难度，并且很难在解决实际问题时灵活使用。本文深入分析当前课程教学环节中的问题，以具体案例的分析解决为例，讨论将“自顶向下”的程序设计思想应用于C++程序设计语言的教学中，引导学生对问题进行思考分析，将大问题分解为若干小问题，并逐个解决小问题，最终完成大问题的求解。根据分解的步骤，先设计算法，再设计程序，得到目标代码。将正确编写代码这一最终的课程学习目标，分解为文字表述的算法设计和C++ 程序设计语言实现的程序设计两步骤，降低学生的学习难度，逐步提高学生的编程能力。

本文根据教学目标设计案例，以喜闻乐见的热门娱乐节目为切入点，激发学生的学习兴趣，并引出设计投票器的目标问题。利用“自顶向下”的思想设计程序后，通过对学习过程的总结归纳，让学生深刻理解新知识点的内涵与外延，并将知识点的学习升华到精神品质的教育，从数据的和谐存储上升到以和谐的态度对待万事万物，再立足到本专业的学习应以创新的精神发展人工智能，使之与人类和谐共存的职业精神教育，从而将正确的科学发展观自然融入教学过程，在教授新知识的同时完成对学生的思想教育及职业素养的培养。

1 教学背景

为了形成知识体系，每个章节的教学前都应介绍该章节在整个课程中的地位和作用，以便与前面的章节联系同时引出后续的内容[8-9]。如C++程序设计中的结构及其应用，该部分内容是C++程序设计语言课程的重要内容，也是学习面向对象程序设计的核心概念——“类”的基础，更是从面向过程程序设计走向面向对象程序设计的口岸与桥梁，起着承前启后的重要作用[10]。理解结构的概念，对于后续学习面向对象设计中的核心概念——对象，有着关键作用。

首先，该部分内容的教学目标分为知识目标、能力目标和情感目标三部分。具体而言，知识目标包括掌握结构的概念及作用，学会声明结构类型、定义结构变量和访问结构变量的成员两大方面。能力目标是利用结构实现多类型组合数据的存储及操作，学会编写结构相关代码并调试，能利用结构解决实际问题。情感目标是要在编程过程中，和谐、高效地进行沟通与合作，锤炼意志，培养扎实严谨的科学态度和健全人格，同时享受编程的乐趣，怀有为中国软件产业助力的远大理想。基于2018级-2020级学生期末试卷和同行教师教学反馈的数据得出，本部分内容教学的重点和难点如表1所示。

2 案例分析——“中国好声音”投票器

课程的自然引入是上好一节课的基础[11]。C++程序设计语言是一门在解决实际问题的过程中发展起来的学科[12]，从贴近学生课余生活的问题及案例入手，最能激发学生的兴趣，并使其印象深刻。例如，以近年来广受年轻人喜爱的娱乐节目——“中国好声音”的观众投票器设计为案例，从问题的引出、程序的设计、结果的验证，一步步带领学生解决切实的实际问题，体会理论内容在实际问题中的应用，激发学生的兴趣，调动同学们学习的积极性和主动性，往往会达到事半功倍的效果。

案例描述：在备受欢迎的选秀类节目——“中国好声音”2015年度巅峰之夜总决赛中，有4个战队5名歌手，包括周杰伦战队的李安、陈梓童，那英战队的张磊，哈林战队的谭轩辕及汪峰战队的贝贝。通过观众投票，张磊以11113票进入巅峰对决，并最终获得年度总冠军。如何设计程序在这场参与投票人数多达数万人的比赛中，用计算机自动实现票数统计得到冠军？

通过案例的描述，学生自然会有疑问：如何以选手为基本单元进行票数的存储和访问，从而实现票数的统计，进而得出冠军的姓名？通过分析案例输入数据的存储形式，以示疑、质疑、释疑的教学方式，引导学生思考用学过的数组储存数据的弊端，启发学生使用结构解决存储问题，实现新旧知识点的衔接，完成教学内容的自然切入。具体而言，对于一名選手，需要存储其编号、姓名和得票数三方面信息（图2（a）），而它们的类型并不完全相同，因此用三个数组进行数据存储极为不便。进而引导学生考虑使用结构，将描述一名选手所需的不同类型数据存储在一起，实现以选手为基本单元进行数据的存储及访问（图2（b））。因此，定义结构类型Singer，包含选手编号ID、选手姓名name和得票数voteNumber三个成员。

进一步，要存储5名选手的信息，而选手信息的类型相同，启发学生考虑使用数组完成数据的存放，从而引出结构数组的使用。定义维度为5的Singer类型的结构数组data（如图3），数组的每个元素都是Singer 类型的数据，分别包含选手编号ID、选手姓名name和得票数voteNumber三个成员。结合案例，根据问题需求，循序渐进引导学生思考问题，找到解决问题的办法。在解决问题的同时，让学生从旧知识自然过渡到新知识，在已有知识储备的基础上，学习并灵活使用新知识，从而对课程内容有更为深刻的理解和把握。

3“自顶向下”的算法设计

利用自顶向下的程序设计思想，整个投票过程的实现可分解为4个模块（图4）。首先，以选手为单位，存储每名选手的编号、姓名及得票数三方面初始信息，初始得票数都为0。然后，根据选票上的姓名统计各选手获得的票数，保存各位选手的得票数。接着，根据上一步的统计结果，查找得票数最多的选手。最后，输出每位选手的票数，并根据上一步找到的冠军编号，输出冠军姓名。

至此，利用“自顶向下”的思想，完成了模拟投票整个过程的程序设计。通过案例，学生能够理解结构的概念及使用领域，在语句中通过点运算的设计，访问和操作结构变量的成员，让学生通过实际操作更加深刻感受到结构变量的定义及运算，更利于把握知识重点和难点。而在整个程序设计过程中，通过宏观设计对大任务分解，再对小模块细化，实现投票器的程序开发，让学生学会使用自顶向下这一重要的程序设计思想。

最后，通过对结构的学习，学生了解到可以将两种及以上不同类型的数据和谐地存放在一起，既可以整体处理又可以按成员访问，求大同存小异，体现了辩证唯物主义和谐观。和而不同、和实生物，和谐是中国的文化传统，更是社会主义核心价值观的重要元素。在当前人工智能的新时代，作为计算机从业者要以创新精神发展人工智能，使其为人类服务的同时与人类和谐共存。

5 结束语

本文以设计“中国好声音”投票器为例，展示了将课程内容——结构，融入案例分析与求解的全过程，将学生喜闻乐见的娱乐节目与课程内容联系起来，激发学生的学习兴趣，提高课堂教学效果。通过知识点的自然融入，深入浅出，层层递进，逐步讲授新知识，充分展示知识点的实际应用，让学生深刻体会知识点在实际问题中的使用契机及方法。在案例分析过程中，将“自顶向下”的程序设计思想融于案例分析解决的过程中，着重培养学生形成正确的程序设计思维模式，不单着眼于编写某条语句，而是自主设计算法进行编程，学会分析和解决问题。教学中，将课程内容与思政联系起来，以数据的融合升华到唯物主义和谐观，在教授知识的同时，培养学生形成正确的世界观和人生观，完成一名合格教师“传道、授业、解惑”的使命。