高校計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程介紹及啟示

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摘要：以美國德州農(nóng)工大學(xué)計(jì)算機(jī)系開設(shè)的兩門程序設(shè)計(jì)課程為例，分別介紹程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程CSCE121和程序設(shè)計(jì)高級課程CSCE314的課程目標(biāo)、課程安排和評分機(jī)制，分析課堂講課、課后作業(yè)、上機(jī)實(shí)驗(yàn)、課后答疑、教學(xué)資源等各個(gè)環(huán)節(jié)的教學(xué)特色，總結(jié)在培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維、不同編程語言對比教學(xué)等方面對我國高校程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)啟示。

關(guān)鍵詞：美國高校；程序設(shè)計(jì)；計(jì)算思維；對比教學(xué)

0引言

程序設(shè)計(jì)課程是高校計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的重要課程，中國高校計(jì)算機(jī)專業(yè)通常會以C語言、C++語言或者Java語言作為載體，為學(xué)生講授程序設(shè)計(jì)思想和奠定程序設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)。美國在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域取得的研究成果一直處于領(lǐng)先地位，這無疑離不開美國高校優(yōu)質(zhì)的計(jì)算機(jī)教育水平。不少學(xué)者利用在美國訪學(xué)等機(jī)會深入了解美國高校的教學(xué)機(jī)制，學(xué)習(xí)其先進(jìn)的教學(xué)理念，給出不少啟示，關(guān)注的課程有軟件工程[1]、計(jì)算機(jī)科學(xué)原理[2]、電路與電子技術(shù)[3]、操作系統(tǒng)[4]、程序設(shè)計(jì)[5-6]等。文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]分別介紹美國羅格斯大學(xué)和斯坦福大學(xué)程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)體系，不同大學(xué)的教學(xué)體系設(shè)置也各不相同。筆者利用在美國德州農(nóng)工大學(xué)訪學(xué)一年的機(jī)會，通過旁聽課程以及與授課人員交流，對該校計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)進(jìn)行調(diào)研，總結(jié)其課程特點(diǎn)，分析對國內(nèi)相關(guān)課程的教學(xué)啟示。

1美國德州農(nóng)工大學(xué)

美國德州農(nóng)工大學(xué)（TexasA&MUniversity，TAMU）是一所世界著名的公立研究型大學(xué)，全美規(guī)模第六大的大學(xué)。學(xué)校成立于1876年，主校區(qū)位于美國德克薩斯州的卡城（CollegeStation）。德州農(nóng)工大學(xué)在2018年USNews的大學(xué)排名中位列第69位，在美國公立大學(xué)中排名第25位。工程學(xué)院是德州農(nóng)工大學(xué)最大的一個(gè)學(xué)院，擁有教師650人以上，學(xué)生19000人以上，2018年在USNews的全美最佳工程學(xué)院排名中位列第12位。工程學(xué)院下設(shè)14個(gè)系，計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系是其中的一個(gè)系，該系在機(jī)器人、機(jī)器視覺、人工智能等研究領(lǐng)域成果卓著。和國內(nèi)大學(xué)類似，德州農(nóng)工大學(xué)也將程序設(shè)計(jì)課程分為基礎(chǔ)課程和高級課程，供不同基礎(chǔ)的學(xué)生進(jìn)行修讀。

2程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程

2.1課程目標(biāo)

程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的課程名為程序設(shè)計(jì)與概念導(dǎo)論（introductiontoprogramdesignandconcepts），課程編號為CSCE121[7]。學(xué)習(xí)該門課程只需要有一些基本的編程經(jīng)驗(yàn)，如高中階段學(xué)過編程課程即可。課程目標(biāo)是以C++語言為載體，讓學(xué)生了解計(jì)算機(jī)程序結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和開發(fā)的概念，人們?nèi)绾闻c計(jì)算機(jī)溝通，計(jì)算機(jī)如何影響社會，并理解面向?qū)ο蟮木幊谈拍睿▽ο蟆㈩?、繼承、多態(tài)、封裝等），學(xué)會用高級編程語言C++編寫計(jì)算機(jī)程序，進(jìn)行算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，提高解決問題的能力，培養(yǎng)計(jì)算思維。

2.2課程安排

1）課堂講課。課程在每年的春季學(xué)期開設(shè)，每周2次課堂講課，每次75min，共計(jì)15周。每次課程的講義資料和程序源碼都可以在課程網(wǎng)站上下載。授課內(nèi)容主要是通過各種示例介紹面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法。在第一節(jié)課上，主講教師給學(xué)生提供Linux和Git之父LinusTorvalds寫的一篇文章“TheBeautyofProgramming”，很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在第二節(jié)課上，主講教師將C++的操作符、注釋方式、輸入輸出、變量、程序結(jié)構(gòu)、預(yù)編譯指令等語法層面的內(nèi)容全部羅列出來，供有一定編程基礎(chǔ)的學(xué)生與之前學(xué)過的編程語言進(jìn)行對比。與國內(nèi)大學(xué)對C++每個(gè)語法知識點(diǎn)細(xì)細(xì)講解不同，美國大學(xué)該課程的教學(xué)結(jié)合程序示例重點(diǎn)講解指針、抽象、容器、模板等面向?qū)ο箅y點(diǎn)內(nèi)容，學(xué)生課下必須提前進(jìn)行預(yù)習(xí)，才能跟上課程節(jié)奏。2）課后作業(yè)。每次課都會有課后作業(yè)。課后作業(yè)主要基于已經(jīng)學(xué)過的知識，但也會覆蓋即將學(xué)到的內(nèi)容，要求提交到學(xué)校的eCampus管理系統(tǒng)中，課堂上將針對課后作業(yè)中的問題進(jìn)行充分討論。3）上機(jī)實(shí)驗(yàn)。課程每周都配套安排1次上機(jī)實(shí)驗(yàn)課，每次50min，在機(jī)房進(jìn)行；除了剛開始的兩周以及期中考試周，其余每周上機(jī)課都在后半段安排上機(jī)測試環(huán)節(jié)，注重每節(jié)課學(xué)生學(xué)習(xí)效果的反饋。上機(jī)課由助教進(jìn)行指導(dǎo)，助教通常為主講教師的博士生。每次上機(jī)課的內(nèi)容都非常詳盡地展示在課程網(wǎng)站上，包括這節(jié)課的目標(biāo)、上機(jī)任務(wù)、參考資料、擴(kuò)展思考題、致謝等。上機(jī)課的任務(wù)難度隨著課程進(jìn)度逐步遞增，其中很多任務(wù)都帶有啟發(fā)性，如給定一個(gè)實(shí)際問題，補(bǔ)充完整某個(gè)函數(shù)，或者給定某一段代碼，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)代碼中的缺陷并進(jìn)行修訂，這些缺陷往往不是簡單的語法層面的錯(cuò)誤，而是更高級別的程序設(shè)計(jì)層面的問題，如缺乏程序安全性考慮等。上機(jī)課程的設(shè)計(jì)考慮到不同學(xué)生的基礎(chǔ)，對于比較難的上機(jī)題目，在題目下方點(diǎn)擊一個(gè)可以展開的“提示”按鈕，即可看到對該題目解決方案的提示信息，給完成編程實(shí)驗(yàn)有困難的學(xué)生使用。此外，針對能快速完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)的學(xué)生，額外提供擴(kuò)展思考題供學(xué)生提高練習(xí)。4）課后答疑。除了上課和上機(jī)之外，主講教師和每位助教每周均有1次60min的答疑時(shí)間，此外，每門課程還特別配備幾位同行教師（peerteachers），這些同行教師同樣可以在每周指定的時(shí)間段內(nèi)為這門課有困難的學(xué)生提供指導(dǎo)和幫助。由于美國大學(xué)的學(xué)生多數(shù)是住在校外的，為了便于師生溝通，美國很多高校都在使用Piazza網(wǎng)站搭建師生課后溝通的橋梁。該網(wǎng)站是一款專門為教師、助教和學(xué)生服務(wù)的問答互動平臺，集wiki和論壇模式為一體，可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的師生線上互動，支持移動手機(jī)IOS和Android應(yīng)用[8]。主講教師會在Piazza上為自己的課程創(chuàng)建一個(gè)問答中心，并在第一節(jié)后告知學(xué)生加入課程，之后學(xué)生和教師可以在上面分享問題和答案，平臺也能方便地查找問題和答案。不同的用戶可以對同一個(gè)問題進(jìn)行回答，而每位用戶的問答記錄也都會保存。如果學(xué)生急需一個(gè)問題的答案，可以對問題設(shè)置標(biāo)簽；教師可以查看問題標(biāo)簽的數(shù)量，有選擇地在課堂上詳細(xì)講解某些問題。5）教學(xué)資源。課程沒有指定的教材，只有參考書目，包括《AComputerScienceTapestry》《ProgrammingPrinciplesandPracticeUsingC++》以及經(jīng)典的《C++Primer》。主講教師的講義是最主要的教學(xué)資源，教師會經(jīng)常更新講義內(nèi)容，使學(xué)生獲得最新的知識和信息。

2.3評分機(jī)制

課程的成績組成：上機(jī)測驗(yàn)占15%，兩次期中考試各占20%，期末考試占45%。課程網(wǎng)站上顯示，往年第一次期中考試的最高分為100分，最低分為0分，平均分為68.5分；第二次期中考試的最高分為100分，最低分為0分，平均分為50.4分。綜上可見，評分總體是偏低的。期中和期末考試都是紙卷考試，主要以程序設(shè)計(jì)題為主，也有少量的多選題?？荚囋试S學(xué)生攜帶參考資料，但對攜帶的材料有明確規(guī)定，學(xué)生可以攜帶5張A4尺寸的紙張，正反面均可以做筆記，并且告知學(xué)生考試的題目基于平時(shí)課后作業(yè)和上機(jī)練習(xí)的內(nèi)容，但不會是類似的題目。

3程序設(shè)計(jì)高級課程

3.1課程目標(biāo)

程序設(shè)計(jì)高級課程的名稱是編程語言（programminglanguage），編號為CSCE314[9]，要求具有一定的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)并且已經(jīng)完成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法這門課的學(xué)生學(xué)習(xí)。課程介紹兩種不同的高級編程語言，一種是函數(shù)式編程語言Haskell，另一種是面向?qū)ο缶幊陶Z言Java。課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生在學(xué)完課程后能夠更有效地使用現(xiàn)代編程語言，更容易地學(xué)習(xí)其他新的編程語言，并對語言結(jié)構(gòu)、通用抽象機(jī)制和程序運(yùn)行效率有更深入的理解。Haskell是一種標(biāo)準(zhǔn)化的、通用純函數(shù)式編程語言，有非限定性語義和強(qiáng)靜態(tài)類型，主要的執(zhí)行環(huán)境是GHC。國內(nèi)很少有高校會教授Haskell這門編程語言，往往只介紹更加大眾化的C、C++、Java編程語言，而將Haskell和Java放在同一門課程中講授也很特別，旨在對比兩種不同編程思想的語言，讓學(xué)生學(xué)會用函數(shù)式編程方法設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)程序，同時(shí)了解面向?qū)ο笳Z言的主要特征，獲得自主學(xué)習(xí)更多編程語言的能力。

3.2課程安排

課程在每年的春季和秋季學(xué)期均可以選修，每周3次課堂講課，每次75min，共計(jì)15周。1—7周介紹Haskell語言，第8周進(jìn)行期中考試，9—15周介紹Java語言。課程共安排10次課后作業(yè)，在課程網(wǎng)站上有每次作業(yè)的詳細(xì)要求，包括作業(yè)目標(biāo)、指導(dǎo)建議、作業(yè)題目、致謝和測試用例。每次作業(yè)都由若干編程題組成，多數(shù)題目提供代碼框架或部分代碼，甚至有的題目為了使學(xué)生更清楚題目要求，還提供示例代碼。比較特別的是，教師為每道題目提供測試程序，學(xué)生只需下載并導(dǎo)入測試程序，便可以自動執(zhí)行測試用例對自己的程序進(jìn)行測試，判斷程序的運(yùn)行情況。作業(yè)中的題目有一些是經(jīng)典的數(shù)學(xué)編程題（如中國余數(shù)理論），課程網(wǎng)站上會給出詳細(xì)的問題背景資料，并在致謝中列出問題來源，甚至對首次將該問題作為編程練習(xí)題的人加以感謝，體現(xiàn)美國對知識產(chǎn)權(quán)的重視。課程的參考書目包括劍橋大學(xué)出版社的《ProgramminginHaskell》以及KenArnold等人撰寫的《TheJavaProgrammingLanguage》。學(xué)校圖書館可以下載參考書的電子版，還提供大量與課程有關(guān)的網(wǎng)絡(luò)資源鏈接供學(xué)生參考，因此，學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)的工作量很大。

3.3評分機(jī)制

課程的成績組成：課堂測驗(yàn)占10%，課后作業(yè)占30%，期中考試占30%，期末考試占30%。實(shí)際上，主講教師對自己所授課程的評分機(jī)制有絕對的自主權(quán)，每個(gè)學(xué)期都可以進(jìn)行調(diào)整，但通常期末考試都不會超過總成績的50%，更看重學(xué)生平時(shí)的階段性表現(xiàn)，注重學(xué)習(xí)過程。如果學(xué)生超過截止日期提交作業(yè)，除非有學(xué)校認(rèn)可的不可抗力原因，否則每遲交一天，成績將減少25%。學(xué)校對學(xué)術(shù)誠信非常重視，明確規(guī)定學(xué)生之間可以接受的合作和不可接受的合作?？梢越邮艿暮献靼ㄓ懻擃}目以理解其含義、討論解決該問題的可行解決方案，但具體的解決方案必須由學(xué)生獨(dú)立構(gòu)建和編寫，還要明確說明別人給予的任何幫助以及引用的任何資源，包括人、書、論文、解決方案、網(wǎng)頁或其他。不可接受的合作包括剽竊他人和給他人提供剽竊。他們認(rèn)為剽竊是最嚴(yán)重的學(xué)術(shù)不端行為，破壞同事之間的信任，影響研究的正常傳播，在學(xué)生守則中明確規(guī)定對學(xué)術(shù)不端行為的處罰條例。德州農(nóng)工大學(xué)的學(xué)生自稱為Aggie，每一位Aggie在入學(xué)時(shí)都要簽署一份學(xué)術(shù)誠信聲明：每一位Aggie都不會撒謊、欺騙、偷竊和容忍做這些事的人。在上交任何學(xué)術(shù)相關(guān)的材料之前，每位學(xué)生還會要求打印并簽署誠信誓詞：以我的名譽(yù)擔(dān)保，作為一名Aggie，我在這份學(xué)術(shù)工作中既沒有給予也沒有接受任何未經(jīng)授權(quán)的幫助。

4課程分析與啟示

1）重視培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。程序設(shè)計(jì)課程不能過多關(guān)注某個(gè)編程語言本身的語法知識，而忽略對學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。國內(nèi)程序設(shè)計(jì)課程往往對編程語言本身介紹過多，要求學(xué)生熟練掌握編程語言的每一個(gè)知識點(diǎn)，而對具體問題解決時(shí)的算法設(shè)計(jì)、方案對比、性能分析都做得不夠，往往直接拋出具體的算法，讓學(xué)生學(xué)習(xí)如何將算法變成代碼。只有多讓學(xué)生分析問題、設(shè)計(jì)算法，才能更好地鍛煉學(xué)生的邏輯思維能力。2）重視不同編程思想語言的對比教學(xué)。程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)主旨是讓學(xué)生學(xué)會如何用計(jì)算機(jī)程序結(jié)構(gòu)和邏輯框架解決實(shí)際問題，然而，編程語言更新?lián)Q代非常快，讓學(xué)生快速掌握不同的編程語言思想并能在今后的工作中快速學(xué)習(xí)新的編程語言非常重要。國內(nèi)高校每門程序設(shè)計(jì)課程只專注某一門編程語言，如C、C++或Java，沒有將不同的編程語言放在一起進(jìn)行對比教學(xué)。不同編程思想語言的對比教學(xué)，可以將學(xué)生的注意力從某一門語言的語法規(guī)則轉(zhuǎn)移到不同語言的編程思想上，體會不同語言的特性和優(yōu)缺點(diǎn)。3）注重學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)過程?？己松铣绦蛟O(shè)計(jì)課程期末考試成績不會超過總成績的50%，而是更注重每個(gè)階段的學(xué)習(xí)驗(yàn)收，將大量的隨堂測試、上機(jī)實(shí)驗(yàn)、上機(jī)測試、課后作業(yè)、期中考試均作為學(xué)生的評分依據(jù)。國內(nèi)很多高校仍然以期末考試作為主要的考核手段，期末考試通常會占比70%以上，這樣很容易導(dǎo)致學(xué)生不注重平時(shí)積累，只想著期末考試前突擊，對學(xué)習(xí)以動手實(shí)踐為主的程序設(shè)計(jì)課程是非常不利的。4）照顧不同編程基礎(chǔ)的學(xué)生。美國很多高中開設(shè)計(jì)算機(jī)課程，不少學(xué)生具有一定的編程基礎(chǔ)，因此課程網(wǎng)站上的作業(yè)布置會考慮到不同編程基礎(chǔ)的學(xué)生需求。對于編程基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生，有難度的題目都會提供解題提示信息，但開始提示信息是隱藏的，也并不鼓勵(lì)學(xué)生在充分思考前查看；而對于編程基礎(chǔ)較好的學(xué)生，擴(kuò)展的思考題會極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，豐富有趣的問題背景資料也能極大地拓寬學(xué)生的知識面。5）注重課下師生互動交流。每門課程都安排教師、助教、同行教師每周有固定的辦公室答疑時(shí)間，都開設(shè)Piazza課程問答中心，可以實(shí)現(xiàn)充分的師生互動交流，便于及時(shí)解答學(xué)生的疑問。國內(nèi)高校教師課后主要通過Email和學(xué)生進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，有些教師也建立課程的QQ群或者微信群，但是QQ群或微信群中學(xué)生的提問和教師的回答不能有效保留，因此，很可能會出現(xiàn)重復(fù)回答同一問題或者學(xué)生沒有看到答案重復(fù)提問的情況，問題和答案也不方面查找，浪費(fèi)師生的寶貴時(shí)間。6）自主靈活調(diào)整教學(xué)計(jì)劃。主講教師具有絕對的自主權(quán)，每學(xué)期教師的教學(xué)計(jì)劃都會作出調(diào)整，包括課件、案例、參考資料、作業(yè)、評分標(biāo)準(zhǔn)等，以確保教學(xué)內(nèi)容緊跟最新技術(shù)和知識。國內(nèi)高校的教學(xué)計(jì)劃調(diào)整往往是由上至下的，學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)要求調(diào)整教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃時(shí)，所有教師在同一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，并且教授同一門課程的教師講什么內(nèi)容、做什么作業(yè)、怎么評分都要保持嚴(yán)格一致，不利于教師發(fā)揮各自優(yōu)勢，作出新的教學(xué)嘗試。7）注重知識產(chǎn)權(quán)和學(xué)術(shù)誠信。美國非常注重知識產(chǎn)權(quán)，哪怕是某個(gè)數(shù)學(xué)問題用計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，都會注明誰第一個(gè)將這個(gè)問題用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生對知識產(chǎn)權(quán)的尊重。此外，非常注重學(xué)術(shù)誠信，對哪些屬于正常合作、哪些屬于抄襲都有明確的定義，并通過讓所有學(xué)生簽署誠信承諾書強(qiáng)化誠信意識，對違反學(xué)術(shù)誠信的處罰非常嚴(yán)厲，而一般學(xué)生也不會觸犯誠信守則。

5結(jié)語

計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程是高校計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，學(xué)好程序設(shè)計(jì)課程是學(xué)習(xí)其他專業(yè)課程的基礎(chǔ)?？傮w而言，我國高校計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的編程能力要強(qiáng)于計(jì)算思維能力，算法實(shí)現(xiàn)能力要優(yōu)于算法設(shè)計(jì)能力，在程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)中更好地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，仍然是學(xué)校和教師努力的方向。一方面，對于教師而言，在課堂上要注重培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，可以考慮將不同編程思想的語言放在同一門課中進(jìn)行對比教學(xué)，注重學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)過程和兼顧不同基礎(chǔ)的學(xué)生；另一方面，對于學(xué)校而言，要加大課程輔助教學(xué)平臺、師生互動交流平臺的建設(shè)，并支持教師能夠自主靈活調(diào)整教學(xué)計(jì)劃，發(fā)揮個(gè)人的教學(xué)特色，還要建立有效機(jī)制保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)和確保學(xué)術(shù)誠信。

作者：許真珍 單位：大連理工大學(xué)軟件學(xué)院