程序設(shè)計教導方法綜述

1、程序設(shè)計教導方法綜述 作者：楊瑞龍 朱征宇 朱慶生 單位：重慶大學計算機學院在逐步掌握面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的基本特性、原則后，大部分學生已經(jīng)能夠使用類進行程序設(shè)計，合理的使用其繼承性、多態(tài)性等性質(zhì)。在使用多個類協(xié)調(diào)完成任務(wù)時，已經(jīng)能夠使用基本的設(shè)計原則。但對于綜合性強的復雜問題，隨著類的數(shù)量、代碼量的增加，對程序整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計能力要求較高。而在教學過程中，多為驗證型和設(shè)計型的實驗，大型綜合實驗的鍛煉比較少。教學中，對于如何把這些概念應用到解決具體問題的程序設(shè)計中，并且構(gòu)造良好的程序結(jié)構(gòu)，未進行充分的講解。在面對這些復雜問題時，學生一般未考慮到程序整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化，注意力集中于局部功能特性、結(jié)構(gòu)

2、的優(yōu)化。引入軟件設(shè)計模式的可行性分析軟件設(shè)計模式2-4是一套被反復使用、經(jīng)過分類編目、面向?qū)ο蟮拇a設(shè)計經(jīng)驗的總結(jié)。隨著面向?qū)ο蠹夹g(shù)的發(fā)展和廣泛應用，已成為軟件開發(fā)人員必須掌握的開發(fā)技能和思想。軟件設(shè)計模式反應了面向?qū)ο笤O(shè)計思想在軟件設(shè)計過程中如何重復使用，并以此構(gòu)造出程序的良好結(jié)構(gòu)。每個設(shè)計模式的說明有名稱、意圖、動機、實用性、結(jié)構(gòu)、參與者、協(xié)作、效果、實現(xiàn)方法、代碼示例等2，這些設(shè)計方法可以有效提高代碼的可重用性和可維護性。計算機專業(yè)的學生一般都在學習Java之前學過了C+面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計課程，基本掌握了面向?qū)ο笤O(shè)計的基本概念和設(shè)計思想。設(shè)計模式所體現(xiàn)的面向?qū)ο笤O(shè)計思想一般會通過一種面向?qū)?/p>

3、象的程序設(shè)計語言所寫的代碼體現(xiàn)出來，且目前已有很多用C+和Java等語言描述設(shè)計模式的相關(guān)書籍，完全可以把設(shè)計模式引入面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計教學中來，有的學校已專門開設(shè)了設(shè)計模式課程5-6。引入軟件設(shè)計模式的教學方法軟件設(shè)計模式，經(jīng)過分類編目總共有20多種3,5，且不斷發(fā)展。學習設(shè)計模式不是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計課程的教學核心，不需要學習和掌握全部設(shè)計模式，而是選擇適當?shù)哪Ｊ皆谶m當?shù)臅r候引入課堂教學。這需要遵循一定的教學方法，通過實踐，我們總結(jié)出以下教學方法。1）發(fā)現(xiàn)面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言本身蘊含的設(shè)計模式思想。程序設(shè)計語言本身提供的API類蘊含著非常優(yōu)秀和豐富的面向?qū)ο笤O(shè)計思想，同時也是設(shè)計模式的靈活應用

4、和體現(xiàn)。以Java為例，創(chuàng)建線程時，可以繼承Thread類，覆蓋其run()方法，這個創(chuàng)建線程的方法就使用了模板方法模式。父類Thread定義了線程的主要方法和工作流程，子類實現(xiàn)線程體方法run()就可以了。模板方法設(shè)計模式靈活使用了面向?qū)ο筇匦缘闹匾匦裕悍庋b性、繼承性和多態(tài)性。Java中使用模板方法設(shè)計模式的地方還有很多,如創(chuàng)建Applet時，繼承JApplet類；創(chuàng)建Servlet時繼承HttpServlet等。當然，JavaAPI還體現(xiàn)了其他設(shè)計模式。通過發(fā)現(xiàn)API中的設(shè)計模式，在課堂教學中適時引入設(shè)計模式的概念，讓學生初步接觸和理解設(shè)計模式的思想；通過API的學習和使用，體會其中蘊含

5、的面向?qū)ο笤O(shè)計思想；Java工具包包含了API的源代碼，通過分析其源代碼有助于學生提高面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計能力。2）啟發(fā)式對比教學。對于一個具體問題，剛學習面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的學生習慣用非面向?qū)ο蠹夹g(shù)，甚至有些已學習過C+的學生也是如此，設(shè)計出的軟件程序一般是由簡單的變量和功能堆砌而成。沒有體現(xiàn)面向?qū)ο笤O(shè)計思想、可復用程度低、缺乏靈活性，后續(xù)軟件程序變更和功能擴展比較困難。對于這樣的情況，教師可分別用基本的面向?qū)ο笤O(shè)計方法與引入設(shè)計模式后的程序進行對比講解，詳細分析每種方法的設(shè)計過程。在教師的啟發(fā)下，學生比較兩種方法在出發(fā)點、設(shè)計思想和最終結(jié)果的差別，領(lǐng)悟出面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的優(yōu)勢以及引入設(shè)計模式后的

6、革新等。例如，學生設(shè)計程序計算不同排序算法的時間時，往往是設(shè)計出彼此沒有關(guān)系的類，忽略了抽取基類的過程，代碼可復用性差。引入設(shè)計模式后，引導學生抽取一個基類，在基類中定義好計算不同排序算法所需時間的執(zhí)行流程和代碼框架，子類只需要覆蓋父類的某一個方法實現(xiàn)具體的排序算法就可以了，提高了代碼的可復用性和擴展性。3）對開源軟件進行設(shè)計模式分析。以Java平臺為例，有很多優(yōu)秀的開源軟件。圍繞真實的開源軟件組織教學，教師指導學生應用所學面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計知識分析開源軟件的代碼設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠激發(fā)學生的創(chuàng)造力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，激發(fā)求知欲望，培養(yǎng)開拓進取的自學能力。把開源軟件分析引入教學中，首先要選擇合適的開

7、源軟件項目。目前開源軟件種類繁多、數(shù)量龐大，要選擇那些在教學中實踐性和可操作性比較高、功能相對簡單、設(shè)計精巧的小軟件或軟件框架。Java工具包包含了豐富的例子，并且附有源代碼，在教學中可以作為小軟件進行分析。在軟件框架方面可以選擇Struts等輕型軟件框架。對這些開源軟件重在分析其面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計思想和優(yōu)秀的程序整體結(jié)構(gòu)。分析過程由教師引導和輔助，學生為主體；教師從知識傳授變?yōu)閱l(fā)和引導,學生主動從開源軟件的分析中獲得啟示，促進學生自主學習。對于面向?qū)ο笤O(shè)計能力掌握得較好的學生，教師可以鼓勵其根據(jù)自己的興趣向開源軟件社區(qū)中貢獻代碼，與國際頂級高手協(xié)作。4）案例任務(wù)驅(qū)動教學。案例任務(wù)驅(qū)動教學主要

8、是引導學生把學習的面向?qū)ο笤O(shè)計知識和思想靈活融入具體實踐項目中去，體會基于面向?qū)ο笏枷氲拇a設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計對軟件穩(wěn)定性、擴展性和可維護性的影響。案例任務(wù)驅(qū)動教學，圍繞真實項目進行教學，學生可以分組協(xié)作完成,教師與學生共同討論、分析和設(shè)計軟件產(chǎn)品。案例項目的分析和設(shè)計要與課堂教學匹配，要針對課堂教學內(nèi)容科學設(shè)計。首先，要選擇難度適宜、規(guī)模較小的軟件項目。要注重軟件項目的實踐性和可操作性，如果是集中實踐，一般限定在12周內(nèi)完成。其次，要合理分解軟件設(shè)計任務(wù)，把總目標分解成多個小目標；整體軟件劃分為相對獨立的功能模塊，轉(zhuǎn)化成容易分析和設(shè)計的簡單任務(wù)。任務(wù)的合理分解直接影響到案例任務(wù)目標是否能夠?qū)崿F(xiàn)。

9、案例目標分解后，要對所解決的問題進行抽象、分析上下文環(huán)境；根據(jù)問題類型決定如何靈活應用面向?qū)ο笤O(shè)計特性，并設(shè)計問題的解決方法。在學生設(shè)計的基礎(chǔ)上，教師引導學生將所設(shè)計的內(nèi)容與設(shè)計模式進行比較，找出共性，判斷是否能選用已有模式解決所面臨的設(shè)計問題；或者對選取的設(shè)計模式進行變化、修改等應用到案例中。采取分析、設(shè)計、比較、優(yōu)化等步驟，在此過程中，逐步掌握面向?qū)ο笤O(shè)計的精髓，最后完成案例任務(wù)目標。案例任務(wù)教學中，除了教師引導外，還要注意調(diào)動學生自主學習的積極性。逐步讓學生掌握探索、分析、解決問題的主動權(quán)，根據(jù)自身行為的反饋信息形成對客觀問題的認識和解決方法。要注重小組成員之間的協(xié)作學習，通過小組討論，

10、從協(xié)作伙伴的反饋信息中形成對問題的認識和解決方法，構(gòu)建相互學習，共同提高的機制。案例任務(wù)完成后，由教師引導學生進行評價和總結(jié)。5）注重抽象思維和技術(shù)的鍛煉。抽象思維和技術(shù)是人類理解和解決復雜問題最重要的工具之一6-7，也是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計中廣泛應用的原則之一。利用抽象技術(shù)，通過層次分類方法達到自上而下地對復雜問題逐步求精和模塊化。從抽象角度分析和理解面向?qū)ο笤O(shè)計技術(shù)的主要特性。為了讓學生深刻理解面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計思想，可以適當引入符號與圖形表示方法。統(tǒng)一建模語言UML是使用面向?qū)ο笏枷雽浖到y(tǒng)進行可視化建模的一種語言，適用于軟件開發(fā)周期的各個階段。UML提供的類圖、對象圖、序列圖可以非常直觀地描述類或者對象之間的協(xié)作關(guān)系。在面向?qū)ο笤O(shè)計教學中，引入部分UML知識，能鍛煉學生用符號進行表達的抽象思維，又能可視化的描述所設(shè)計的程序或者軟件。結(jié)語面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計技術(shù)是計算機本科專業(yè)的重要教學內(nèi)容之一，為了使學生更好地掌