《程序設(shè)計(jì)與問題求解》實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法探討

1、 程序設(shè)計(jì)與問題求解實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法探討 繆裕青+劉少兵+俸皓+朱細(xì)平+楊兵+劉洪波Summary：程序設(shè)計(jì)與問題求解課程強(qiáng)調(diào)以實(shí)際問題驅(qū)動(dòng)，學(xué)生通過大量實(shí)驗(yàn)來解決實(shí)際問題，從而提高編程能力。在實(shí)驗(yàn)方式上，提出以分組完成綜合性習(xí)題方式訓(xùn)練學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作和實(shí)踐動(dòng)手能力;在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收上，嘗試引入斯坦福大學(xué)的Moss系統(tǒng)來甄別實(shí)驗(yàn)抄襲，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)際教學(xué)效果驗(yàn)證了對該門課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革是值得借鑒和推廣的。Key：C語言;程序設(shè)計(jì);實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革;Moss系統(tǒng)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ：1674-9324（2015）20-0158-02一、背景程序設(shè)計(jì)與問題求解（以下簡稱求解）是2007

2、年我校對IEEE/CS和ACM任務(wù)組給出CC2005報(bào)告和CS2001核心課程進(jìn)行研究之后為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等相關(guān)專業(yè)新開的一門專業(yè)基礎(chǔ)必修課程，這門課程的前身是C語言程序設(shè)計(jì)1。求解課程教學(xué)采取實(shí)際問題驅(qū)動(dòng)方式，通過大量實(shí)例講授程序設(shè)計(jì)的基本概念、基本方法，把重點(diǎn)放在解題思路上。即通過針對實(shí)際問題進(jìn)行分析，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)算法，最后通過C語言編程實(shí)現(xiàn)這一過程來訓(xùn)練學(xué)生程序設(shè)計(jì)的能力。經(jīng)過6年多的教學(xué)實(shí)踐，取得良好的效果，但發(fā)現(xiàn)存在以下問題。1.學(xué)生對理論知識(shí)的理解和掌握不夠，具體體現(xiàn)在作業(yè)完成情況較差，考試成績不理想（卷面考試成績不及格率大于15%，勉強(qiáng)及格學(xué)生比例高達(dá)20%）。2.不能按

3、要求完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。過半數(shù)的學(xué)生不能按時(shí)獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，收獲較小。3.實(shí)驗(yàn)抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致后續(xù)課程學(xué)習(xí)上的困難。鑒于上述問題，如果再不對求解教學(xué)尤其是實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革，那么培養(yǎng)出來的學(xué)生勢必是缺乏競爭力的。任課教師已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這門課程在教學(xué)學(xué)時(shí)、教學(xué)內(nèi)容安排、理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的比例分配以及采用什么語言工具進(jìn)行教學(xué)等方面存在的問題，正在探索更加有效合理的方案。那么，是什么導(dǎo)致了上述問題呢？這是項(xiàng)目組這次研究的主要課題，通過對上面問題的研究，找出問題的癥結(jié)，探討方案，討論和更新教學(xué)大綱和實(shí)驗(yàn)大綱，更新實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，提出新的教學(xué)方式和方法。通過課題組的集體討論和教學(xué)實(shí)踐，形成一個(gè)高效合理的教學(xué)方案，具有很緊

4、迫的現(xiàn)實(shí)意義。因此改革勢在必行。目前，國內(nèi)的多所高校已經(jīng)早于我校開展了求解這門課程，但總體上說，對這門課程的教學(xué)還都處在實(shí)踐和探索的階段，因此，進(jìn)行求解這門課程的教學(xué)改革研究，具有更廣泛的實(shí)際意義。關(guān)于求解理論教學(xué)的方法探討請參考筆者的第一篇Reference。本文主要討論實(shí)驗(yàn)教學(xué)。二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容改革當(dāng)前，計(jì)算機(jī)軟件方面的實(shí)驗(yàn)課程大多都已經(jīng)按照規(guī)范文本羅列出了實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等組成元素。采用了教師輔導(dǎo)、學(xué)生主導(dǎo)一人一機(jī)獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行授課，已經(jīng)得到大家的共識(shí)和學(xué)生的認(rèn)可。但本課題組認(rèn)為，對待求解這門特別強(qiáng)調(diào)學(xué)生的動(dòng)手能力的課程，要有更高的要求：那就是學(xué)生通過本課程的學(xué)

5、習(xí)，應(yīng)該具備有解決綜合問題的編程能力。而限于實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有限，學(xué)生很難在規(guī)定的2個(gè)小時(shí)完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從而不能客觀地評價(jià)學(xué)生。這樣導(dǎo)致很多實(shí)驗(yàn)內(nèi)容顯得知識(shí)點(diǎn)單一，考核內(nèi)容單一，不能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，學(xué)生最后的動(dòng)手能力不能得到充分的挖掘和開發(fā)。某班期末考試科目為數(shù)學(xué)（MT）、英語（EN）和物理（PH），有最多不超過30人參加考試?？荚嚭笠螅河?jì)算每個(gè)學(xué)生的總分和平均分;按總分成績由高到低排出成績的名次;打印出名次表，表格內(nèi)包括學(xué)生編號、各科分?jǐn)?shù)、總分和平均分;任意輸入一個(gè)學(xué)號，能夠查找出該學(xué)生在班級中的排名及其考試分?jǐn)?shù)。應(yīng)該說上面的實(shí)驗(yàn)題基本滿足了對數(shù)組知識(shí)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐編程要求。不足之處也是顯

6、見的：一方面是考核的知識(shí)點(diǎn)單一，主要是數(shù)組;二是考核的題目太模型化，學(xué)生的建模能力不能得到很好的鍛煉;三是不適合小組形式合作完成，學(xué)生如果不能完成，但為了拿學(xué)分，必然導(dǎo)致抄襲過關(guān);四是題目太少，全班學(xué)生做相同的題目，一人做出，全班做出的局面很常見。為了較好地解決上述不足，課題組提出從函數(shù)這一章之后，每次實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容至少包含1道綜合實(shí)驗(yàn)題，一個(gè)綜合題包括34個(gè)模塊，由一個(gè)小組（建議每個(gè)小組34人）來共同完成。還是拿數(shù)組這一章的實(shí)驗(yàn)舉例，比如可以引入“驗(yàn)證哥德巴赫猜想”作為一道綜合實(shí)驗(yàn)題。哥德巴赫猜想的概要流程圖可Reference2。這里可以用數(shù)組PrimeList來存放生成的素?cái)?shù)。用函數(shù)Crea

7、tPrimeList（int PrimeList）來生成素?cái)?shù)表;用NextPrimeNumber（int p，int PrimeList）來生成下一個(gè)素?cái)?shù);用main（）函數(shù)來完成主流程編程并對上面兩個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)用2，從而完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。這樣把一個(gè)大的問題分成若干小的模塊，該題可以由3個(gè)同學(xué)協(xié)作完成，一人完成一個(gè)模塊，由于絕對工作量的減少，學(xué)生能夠在2個(gè)小時(shí)的實(shí)驗(yàn)時(shí)間完成;又是團(tuán)隊(duì)合作，學(xué)生的自信心會(huì)明顯增強(qiáng)，而在完成任務(wù)的過程中的相對工作量和知識(shí)點(diǎn)沒有減少，不影響知識(shí)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用。這樣的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）讓學(xué)生更好地體會(huì)“自頂向下，逐步取精”的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法。（2）題目綜合性強(qiáng)

8、，模塊化結(jié)構(gòu)明顯，適合分工協(xié)作?？梢杂懻摴餐瓿桑朔伪鲬?zhàn)的恐懼心理。（3）考核的知識(shí)點(diǎn)全面，內(nèi)容涉及數(shù)組、函數(shù)、循環(huán)、算法等幾乎前面所學(xué)的所有知識(shí)點(diǎn)。（4）綜合習(xí)題的完成帶來更大成就感，從而增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，形成良性循環(huán)。（5）培養(yǎng)了大學(xué)生之間的協(xié)作能力，有效地降低了學(xué)生大面積抄襲行為。具體方法如下：一是合理利用網(wǎng)絡(luò)資源。C語言已經(jīng)是除英語、高數(shù)、政治理論等課程之外開設(shè)最廣的一門課程，開設(shè)歷史悠久，因而相應(yīng)的資源很容易從網(wǎng)上獲得。每一章實(shí)驗(yàn)找到3道左右供學(xué)生選做的綜合題是完全可以實(shí)現(xiàn)的;二是實(shí)驗(yàn)題目要多，采用學(xué)生學(xué)號2位尾數(shù)（比如除4）求余數(shù)的方式做對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)題來規(guī)避大面積抄襲的風(fēng)險(xiǎn)。

9、比如一次實(shí)驗(yàn)的基本題出4道題，那么學(xué)號尾數(shù)是01、05、09的強(qiáng)制做第一題，學(xué)號尾數(shù)是10、02、06的強(qiáng)制做第二題，以此類推。 三、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收方法：嘗試引入斯坦福大學(xué)的Moss系統(tǒng)，甄別抄襲現(xiàn)象1.Moss系統(tǒng)簡介。斯坦福大學(xué)的Moss（Measure Of Software Similarity）3系統(tǒng)是一個(gè)簡單易用的編程語言雷同檢測系統(tǒng)。它主要用于計(jì)算C、C+、Java、Pascal、Ada、ML、Lisp等一些形式化語言所編寫的程序之間的相似性。哈工大計(jì)算機(jī)學(xué)院已經(jīng)成功地運(yùn)用Moss在一些程序設(shè)計(jì)類課程中檢測學(xué)生程序之間的雷同4。該系統(tǒng)目前只用于教學(xué)系統(tǒng)，是一個(gè)免費(fèi)的系統(tǒng)，因此不會(huì)增加成

10、本。2.電子作業(yè)抄襲比書面作業(yè)抄襲更可怕。當(dāng)前，作業(yè)雷同現(xiàn)象很普遍：“抄襲”會(huì)讓所有教學(xué)手段失去效能。程序拷貝抄襲他人作業(yè)比書面抄襲帶來的危害更大，通過拷貝方式在抄襲者腦海里所留下的知識(shí)點(diǎn)印象更弱，而且拷貝的獲取更容易，很容易培養(yǎng)出“慣犯”，從而導(dǎo)致教育的失敗。5因此，嚴(yán)打雷同作業(yè)必須作為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收時(shí)非常重要的手段來督促學(xué)生認(rèn)真獨(dú)立地完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。引入了Moss系統(tǒng)后，可以采用如下的制度來嚴(yán)打抄襲作業(yè)現(xiàn)象6：雷同雙方當(dāng)次作業(yè)記0分;兩次雷同以往作業(yè)成績?nèi)壳辶?三次以上雷同，所有作業(yè)成績?nèi)壳辶?。所謂“嚴(yán)師出高徒”，通過嚴(yán)打雷同作業(yè)，往往會(huì)有意想不到的收獲。激發(fā)潛能：“我”居然能把作業(yè)做出來了！

11、為了作業(yè)不雷同，“我”想到了一種特別的方法等。維持誠信：這是當(dāng)今社會(huì)正在缺失的特質(zhì)。當(dāng)然，簡單的實(shí)驗(yàn)作業(yè)可能由于巧合存在很多誤判雷同的情況，這點(diǎn)需要任課老師區(qū)別對待。四、結(jié)論到完成這篇論文之前，課題組成員已經(jīng)嘗試用上述教學(xué)方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的部分更新并按照新的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書來指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)。但對于實(shí)驗(yàn)作業(yè)的雷同部分，限于時(shí)間原因，由于要比對雷同作業(yè)要將每一批次的作業(yè)上傳到斯坦福大學(xué)網(wǎng)站進(jìn)行比對而暫時(shí)還沒有進(jìn)行。這是本課題組后面要大力積極推進(jìn)的重點(diǎn)內(nèi)容。目前已經(jīng)完成了1個(gè)學(xué)年的求解實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，表1給出了采用上述教學(xué)方法后的實(shí)驗(yàn)考試成績分布，還有通過后續(xù)課程教師的反饋來看，基本上比較客觀地反映出了這樣的教學(xué)方法還是值得大家借鑒的。當(dāng)然，每門課程都有各自的特點(diǎn)，因材施教，因課施教，是不斷摸索和積累的過程。Reference：1劉少兵，等.程序設(shè)計(jì)與問題求解理論教學(xué)方法研討J.科學(xué)時(shí)