以設(shè)計思想為導(dǎo)向的面向?qū)ο缶幊探虒W(xué)改革

陳榮鑫

（集美大學(xué) 計算機工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

0 引言

面向?qū)ο缶幊淌悄壳案咝Ｓ嬎銠C專業(yè)的一門重要學(xué)科基礎(chǔ)課程。面向?qū)ο笤O(shè)計思想在現(xiàn)代軟件開發(fā)實踐中非常重要，其指導(dǎo)作用體現(xiàn)在小至對程序功能的編程實現(xiàn)，大至項目開發(fā)層面的軟件工程，因此設(shè)計思想的培養(yǎng)成為面向?qū)ο缶幊探虒W(xué)中的一個關(guān)鍵點。傳統(tǒng)的面向?qū)ο缶幊痰慕虒W(xué)過程中，通常采用主流的面向?qū)ο缶幊陶Z言，Java 或C++等作為授課載體。授課內(nèi)容組織往往以介紹語言的語法及功能為主線，再加入面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法。教學(xué)的出發(fā)點基本上局限于對特定一門編程語言的介紹，而未能真正凸顯其中的設(shè)計思想[1]。由于在現(xiàn)有的教學(xué)課程體系中，面向?qū)ο笳n程往往不是首門編程課程，學(xué)生通常已經(jīng)完成一門高級程序語言設(shè)計的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，比如大多數(shù)學(xué)完了C 語言，具備了一些自學(xué)新語言的基礎(chǔ)，如果該門課的教學(xué)定位僅限于對另一門新的高級語言的學(xué)習(xí)，將難以體現(xiàn)課堂教學(xué)的必要性。少數(shù)經(jīng)典教材[2]在內(nèi)容闡述中注重強調(diào)設(shè)計思想，但包含的內(nèi)容較為龐雜，因課時所限，教學(xué)中需要加以選擇。

1 課程定位

在編程開發(fā)的相關(guān)課程體系中，面向?qū)ο缶幊陶n程發(fā)揮著承上啟下的關(guān)鍵作用，如圖1 所示，本門課的前導(dǎo)課程是低年級開設(shè)的C 語言程序設(shè)計，其面向過程的基本語法和模塊化編程方式為學(xué)習(xí)面向?qū)ο蟮母呒壵Z言提供了編程基礎(chǔ)，而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程則為解決實際問題提供了算法設(shè)計基礎(chǔ)。后續(xù)直接相關(guān)的課程有JavaEE 架構(gòu)技術(shù)和Android 應(yīng)用開發(fā)。由于.Net 應(yīng)用開發(fā)采用面向?qū)ο蟮腃#作為授課載體，因此與本門課有較強相關(guān)性。在后續(xù)的軟件工程課程中，面向?qū)ο蟮能浖こ谭椒ㄊ且粋€重要組成內(nèi)容，而面向高年級開設(shè)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類課程是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的必修綜合實踐類課程，面向?qū)ο笤O(shè)計與編程技術(shù)在很多軟件開發(fā)類選題中不可或缺。畢業(yè)設(shè)計作為最后一個實踐環(huán)節(jié)，同樣有大量軟件類選題采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)完成設(shè)計與開發(fā)。

在當(dāng)前廣泛開展的工程教育認(rèn)證中，如何培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力是一個十分關(guān)鍵的議題[3]。面向?qū)ο蟮乃枷氡举|(zhì)是要求盡可能按照人類認(rèn)識世界的方法和思維方式分析和解決問題，而面向?qū)ο缶幊棠軌蚺囵B(yǎng)學(xué)生面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想和軟件開發(fā)技能，因此可以成為培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的一個重要途徑。本門課的教學(xué)除了向?qū)W生提供面向?qū)ο笳Z言工具的編程技能訓(xùn)練，還可以通過設(shè)計思想的系統(tǒng)訓(xùn)練向?qū)W生提供更高層次的指導(dǎo)。

圖1 編程開發(fā)主要相關(guān)課程

2 教學(xué)內(nèi)容構(gòu)建

2.1 教學(xué)內(nèi)容綱要

教學(xué)內(nèi)容組織綱要見表1。將面向?qū)ο缶幊痰慕虒W(xué)內(nèi)容劃分為5 個模塊，同時對應(yīng)3 種層級，其中基礎(chǔ)篇用于介紹Java 語言的基本語法，包括數(shù)據(jù)類型、數(shù)組、字符串、運算符、表達式和語句等內(nèi)容。鑒于學(xué)生已經(jīng)學(xué)過C語言程序設(shè)計，這部分內(nèi)容與C 語言有很大交集，采用的是面向過程的設(shè)計方法，基本上簡要介紹就可以。學(xué)完這部分后，學(xué)生基本上就可以使用Java 進行面向過程的軟件開發(fā)。接下來講授的是面向?qū)ο笃?，這部分是面向?qū)ο缶幊陶Z言特有的內(nèi)容，也是本課程的核心部分之一，該篇要引入面向?qū)ο笤O(shè)計的基本思想和設(shè)計方法。學(xué)完該篇后，學(xué)生基本上可以使用Java 進行面向?qū)ο蟮木幊獭９δ芷故玖俗鳛橐婚T完整編程語言所能提供的解決常見實際問題的基本設(shè)施，這些功能包括異常處理、泛型、GUI 界面設(shè)計、數(shù)據(jù)庫操作、多線程編程等方面。有了前面面向?qū)ο蟮幕A(chǔ)和Java實現(xiàn)功能支持，接下來講授設(shè)計模式篇。該篇是面向?qū)ο笤O(shè)計思想的延伸和提升部分，也是本課程的另一個核心部分，其內(nèi)容包括經(jīng)典設(shè)計模式和其他擴展設(shè)計模式等。最后一篇是綜合應(yīng)用，通過較為完整地解析一個應(yīng)用案例，把語言工具和設(shè)計思想加以融合應(yīng)用，該案例以重構(gòu)的方式逐步完善，把學(xué)過的關(guān)鍵知識點串聯(lián)起來。

表1 教學(xué)內(nèi)容組織綱要

考慮對設(shè)計思想系統(tǒng)化解析支撐度不夠顯著的教學(xué)內(nèi)容壓縮課時，主要涉及一些利用編程語言實現(xiàn)軟件具體功能的內(nèi)容部分，如界面開發(fā)、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用開發(fā)和多線程編程等，而一些對案例講解沒有直接支撐的獨立專題，則可根據(jù)實際情況作為選講內(nèi)容，或作為附錄安排學(xué)生課后自學(xué)，如文件IO、網(wǎng)絡(luò)編程等部分。偏重設(shè)計思想層級的教學(xué)內(nèi)容包括面向?qū)ο笃驮O(shè)計模式篇。

2.2 面向?qū)ο髢?nèi)容構(gòu)建

面向?qū)ο蠹夹g(shù)能有效用于描述現(xiàn)實世界中各種對象及其相互之間的關(guān)系，包括抽象、封裝、繼承、多態(tài)等基本特征，因此，面向?qū)ο蟮某绦蛑邪鞣N表示事物概念的類，表示具體事物的對象，表示消息操作規(guī)范的接口，體現(xiàn)不同抽象層次的繼承關(guān)系，體現(xiàn)不同操作方式和結(jié)果的多態(tài)現(xiàn)象等。這些面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)的核心內(nèi)容需要逐一解析清楚，同時要闡明各部分知識點之間的聯(lián)系。內(nèi)容構(gòu)建時需要精心編制案例以配合理論講解，案例的特點是簡明扼要，能反映基本設(shè)計思想，最好有一定的實際意義和趣味性。展示案例時應(yīng)當(dāng)在類、對象、方法等面向?qū)ο蟮幕驹氐暮侠響?yīng)用和組織上重點強調(diào)，而不能在算法和功能具體實現(xiàn)上著墨過多。在介紹綜合設(shè)計較復(fù)雜的內(nèi)容時，為了直觀地展示設(shè)計意圖，引入UML 描述手段。在銜接和綜合這兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)中教學(xué)內(nèi)容的組織如下。

（1）與面向過程編程方式的銜接。通過一個銀行賬戶處理的案例，演示把面向過程的實現(xiàn)方式改造為面向?qū)ο蟮膶崿F(xiàn)方式的過程。應(yīng)用場景中存在不同類型的銀行賬戶，要實現(xiàn)存取款、轉(zhuǎn)賬等業(yè)務(wù)。先用C 語言實現(xiàn)該案例，采用結(jié)構(gòu)體描述賬戶信息，增加一個結(jié)構(gòu)體成員描述賬戶類型以避免一個結(jié)構(gòu)體僅對應(yīng)一種賬戶；業(yè)務(wù)功能采用函數(shù)實現(xiàn)，但數(shù)據(jù)和函數(shù)無法獲得訪問保護；業(yè)務(wù)操作需要直接調(diào)用函數(shù)，邏輯上顯得凌亂。而用Java 語言實現(xiàn)時，采用類描述賬戶信息，把業(yè)務(wù)功能以方法形式封裝在類里；同時通過訪問權(quán)限設(shè)置提供了數(shù)據(jù)域和方法域的保護；不同類型賬戶則優(yōu)雅地通過繼承方式表示；業(yè)務(wù)處理時通過對象的方法調(diào)用實現(xiàn)消息傳遞。由于學(xué)生剛要接觸面向?qū)ο缶幊?，這個案例盡可能做到簡潔，但需完整可運行以便做對比。通過對比，學(xué)生對面向?qū)ο蟮奶攸c有了初步認(rèn)識，體會到面向?qū)ο笤O(shè)計的優(yōu)勢。

（2）小綜合。小綜合是介紹完面向?qū)ο蠡驹O(shè)施后的一次綜合應(yīng)用講解，同時對面向?qū)ο笤O(shè)計思想進行階段總結(jié)。舉一個經(jīng)典游戲“星際爭霸”的應(yīng)用場景。場景中有常規(guī)的人族（Terran）和蟲族（Zerg），它們既有共同的技能也有各自獨特的技能；此外要求新增一種新種族（XRace），該族同時具備人族和蟲族的特殊技能。授課時展示設(shè)計和開發(fā)的思路，先根據(jù)需求定義各種概念，通過類和接口進行描述，理順各個概念之間的關(guān)系，然后寫出代碼框架，此框架中的類和接口描述都是描述體為空的情況，但之間的繼承或?qū)崿F(xiàn)關(guān)系已經(jīng)用Java 關(guān)鍵字寫好了。接下來在該代碼框架上補充功能方法，逐步完善功能的代碼實現(xiàn)。在測試場景時，通過對上轉(zhuǎn)型對象的操作來驗證多態(tài)效果，以功能規(guī)范的視角測試接口回調(diào)。講解過程中需要強調(diào)基本設(shè)計原則，比如面向抽象原則、單一責(zé)任原則等。

2.3 設(shè)計模式內(nèi)容構(gòu)建

設(shè)計模式是人們在解決特定問題時總結(jié)出來的可復(fù)用的設(shè)計方案。軟件領(lǐng)域中，影響最為深遠堪稱經(jīng)典的是由Erich Gamma 等人總結(jié)出的面向?qū)ο筌浖_發(fā)的23 種設(shè)計模式[4]。此外，人們在各種軟件架構(gòu)的開發(fā)過程中，也發(fā)展出很多實用框架級設(shè)計模式，這些模式在經(jīng)典的23 種設(shè)計模式之外?，F(xiàn)代軟件系統(tǒng)的開發(fā)離不開設(shè)計模式的有效應(yīng)用，比如JavaEE 框架體系中就用到各種設(shè)計模式，Andriod 系統(tǒng)亦是如此。如果沒有設(shè)計模式的預(yù)備知識，對這些框架的理解和應(yīng)用將難以深入。由于設(shè)計模式源于面向?qū)ο笤O(shè)計思想，然而又超越了面向?qū)ο笳Z言的語法設(shè)施層面，這部分內(nèi)容應(yīng)當(dāng)適當(dāng)融入課程教學(xué)中[5]，以豐富面向?qū)ο笤O(shè)計思想的內(nèi)涵。鑒于設(shè)計模式內(nèi)容龐雜而課時有限，有必要選擇較為常用的模式進行講解。這部分教學(xué)內(nèi)容構(gòu)建如下。

（1）經(jīng)典設(shè)計模式。根據(jù)設(shè)計模式的目的，經(jīng)典設(shè)計模式分為3 類，即主要用于創(chuàng)建對象的創(chuàng)建型模式，主要用于處理類或?qū)ο蟮慕M合的結(jié)構(gòu)型模式，以及主要用于描述對類或?qū)ο蟮慕换ズ吐氊?zé)分配的行為型模式。為了便于對比，從這3 類模式中，每類分別選取兩種常用模式進行講解。創(chuàng)建型選擇單例（Singleton）模式和工廠方法（Factory Method）模式。學(xué)生學(xué)完這類模式后，將體會到對象的生成不再局限于new 操作，還可以根據(jù)實際需求選擇更強大的生成方式。行為型選擇命令（Command）模式和觀察者（Observer）模式。命令模式展示了如何進行調(diào)用功能的封裝。觀察者模式是JDK 中高頻使用的模式，JDK已提供相應(yīng)的類和接口可以快捷地實現(xiàn)該模式。命令模式對于新增命令很容易擴展；而觀察者模式則實現(xiàn)了主題和觀察者之間的解耦，二者均體現(xiàn)了開-閉設(shè)計原則的優(yōu)勢。結(jié)構(gòu)型選擇適配器（Adapter）模式和代理（Proxy）模式。適配器模式提供了一種轉(zhuǎn)換機制，使得接口不兼容的事物可以一起工作，提高了復(fù)用的可能性。代理模式能為其他對象提供一種代理以控制對這個對象的訪問，分布式計算架構(gòu)中的RMI 和Corba 即采用了這種機制，應(yīng)用場景十分廣泛。學(xué)完這類模式后，將體會到構(gòu)建事物之間的關(guān)系不再局限于簡單的繼承和組合，還可以通過巧妙的設(shè)計去滿足特定的需求。選用于解析設(shè)計模式的實例應(yīng)盡量有實際意義，讓學(xué)生理解設(shè)計模式在解決實際問題中的作用，體會到設(shè)計之美，進而在軟件開發(fā)實踐中考慮加以靈活應(yīng)用。

（2）擴展設(shè)計模式。在當(dāng)前很多面向?qū)ο筌浖?gòu)建中非常流行的設(shè)計方案，然而又在經(jīng)典23 種設(shè)計模式之外，我們稱之為擴展設(shè)計模式，如MVC（模型—視圖—控制器）、DAO（數(shù)據(jù)訪問對象）、DI（依賴注入）等模式。由于這些設(shè)計模式在企業(yè)級軟件框架如JavaEE 中應(yīng)用廣泛，且能很好地展示面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，有必要加以介紹。MVC 模式實現(xiàn)了業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)和界面顯示的解耦，為軟件系統(tǒng)分層可擴展提供了可能性。DAO 模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問邏輯與業(yè)務(wù)邏輯的分離，能簡化代碼量并提高程序的可移植性。DI 模式則提高了軟件組件的可復(fù)用性，便于搭建一個可靈活配置、易擴展的平臺。這些實用的擴展模式進一步充實了教學(xué)內(nèi)容。

3 教學(xué)方法探索

3.1 課堂教學(xué)方法

1）理論課教學(xué)方法。

在面向?qū)ο髢?nèi)容的教學(xué)中，強調(diào)面向?qū)ο笤O(shè)計思想在分析和設(shè)計過程中的作用，以實際例子和應(yīng)用場景的引入，讓學(xué)生理解面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言所提供的各種語法設(shè)施的必要性和優(yōu)越性。比如隨著應(yīng)用系統(tǒng)類別的增加，通過共性提煉引入了抽象類，并改造應(yīng)用場景中的調(diào)用方式，以面向抽象的風(fēng)格進行重構(gòu)；而對于語言設(shè)施的關(guān)鍵技術(shù)細節(jié)需要解析到位，讓學(xué)生知其然同時也知其所以然。比如在對象初始化和清理的講解時，深入解析在復(fù)雜的繼承條件下，以及各種訪問權(quán)限下，靜態(tài)與非靜態(tài)對象的生命周期，可結(jié)合演示在集成開發(fā)環(huán)境里設(shè)置斷點進行跟蹤調(diào)試。對于設(shè)計模式內(nèi)容的教學(xué)，原則是簡明扼要，突出設(shè)計思想的應(yīng)用。通過對精選的幾個重要的設(shè)計模式的深入解析，以點帶面，引導(dǎo)學(xué)生去自學(xué)其他模式。使用簡潔而有趣味性的案例，增強授課效果。強調(diào)設(shè)計的規(guī)范性，但不強調(diào)算法的設(shè)計與實現(xiàn)，以免分散學(xué)習(xí)注意力。在綜合類例子的講解時，突出重構(gòu)設(shè)計思想。舉同一個應(yīng)用場景案例，根據(jù)需求的變化，設(shè)計與實現(xiàn)逐步迭代，適時引入設(shè)計模式進行重構(gòu)。讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中體會到軟件開發(fā)過程是從無到有、從簡單到復(fù)雜的迭代過程，符合事物發(fā)展的一般規(guī)律。

此外，積極采用教學(xué)輔助手段幫助學(xué)生理解設(shè)計思想。自主開發(fā)一款面向?qū)ο蟪绦蚩梢暬c評分系統(tǒng)（OOPVS 系統(tǒng)），能實現(xiàn)程序的可視化處理，并提供對程序的評分功能。該軟件的可視化功能采用標(biāo)準(zhǔn)UML 類圖方式顯示，用戶可以在系統(tǒng)里直觀地查看面向?qū)ο蟪绦虻慕Y(jié)構(gòu)，有助于理解較為復(fù)雜的設(shè)計思路，尤其是帶有各種設(shè)計模式的情況。程序評分功能可對指定的程序進行比照處理，給出相應(yīng)的相似度評分值，以便為改進設(shè)計提供參考。

2）實驗課教學(xué)方法。

配套理論課的實驗設(shè)計題目有驗證型實驗和設(shè)計型實驗。驗證型實驗要求對章節(jié)主要案例進行調(diào)試并分析，促進基本知識點的掌握。對于綜合類的驗證題要求對較多相關(guān)知識融會貫通，比如要求對某個開源框架軟件進行分析，發(fā)現(xiàn)并總結(jié)其中涉及的設(shè)計模式。設(shè)計型題目既要緊扣教學(xué)知識點，給出具體的要求，又要讓學(xué)生有自由發(fā)揮的余地，鼓勵具有個性化的設(shè)計方案。綜合類的設(shè)計題目應(yīng)該覆蓋主要的知識點，給出的要求需有層次性，比如基本要求是設(shè)計某些指定的類和接口，完成特定的功能，以及應(yīng)用指定的設(shè)計模式完成重構(gòu)；進階要求是嘗試采用某幾種設(shè)計模式的組合進行重構(gòu)，分析重構(gòu)的效果。此外，我們嘗試通過OOPVS 系統(tǒng)對學(xué)生完成的作品與參考實現(xiàn)進行對比，通過積極反饋評分的結(jié)果給學(xué)生成就感，進而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，形成教與學(xué)的良性互動。

3.2 考核方法

學(xué)習(xí)效果的檢驗需要通過合理的考核機制來完成。在本門課教學(xué)實踐中，對應(yīng)各個教學(xué)階段設(shè)置了平時、中期和期末這3 種考核。

平時考核是對理論課后布置的思考題和實驗課布置的實驗作業(yè)的完成情況進行考查。實驗作業(yè)的題目內(nèi)容緊扣章節(jié)內(nèi)容，每次作業(yè)一般包括驗證型和設(shè)計型兩類題目。

中期考核安排在課程中期進行，這時已完成面向?qū)ο笃慕虒W(xué)。通過對平時考核情況進行甄別，按一定比例抽取好、中、差三類學(xué)生進行口試?？谠嚨膬?nèi)容采用隨機抽取做過的實驗作業(yè)題目進行問答，可根據(jù)實際情況臨場提新問題。中期考核的重要性在于可根據(jù)考核結(jié)果對存在的問題進行總結(jié)，為下一步的教學(xué)調(diào)整提供依據(jù)。

期末考核在課程結(jié)束后進行?？紤]到本門課程的教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計思想和編程技能，考核形式不采用傳統(tǒng)的試卷方式，而是完成一個系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)并參加答辯。學(xué)習(xí)完最后的綜合應(yīng)用篇后，學(xué)生對面向?qū)ο缶幊讨R體系和開發(fā)技能有了整體的把握，初步具備解決較為復(fù)雜工程問題的能力?？己艘髮W(xué)生全面應(yīng)用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想完成一個完整系統(tǒng)的分析與設(shè)計，采用面向?qū)ο蟮恼Z言進行編碼實現(xiàn)。給出個性化的不同選題以降低抄襲的可能性；題目要求條目具有層次性，有必做要求和選做要求。口試前一周公布選題，要求全員口試，未參加口試的學(xué)生期末考核成績記零分。口試之前同樣需要根據(jù)學(xué)生的平時學(xué)習(xí)情況進行區(qū)分，以便提問有的放矢，節(jié)省時間并提高實效。本門課的課程成績根據(jù)平時成績占40%、期末考核成績占60%的比例綜合給出。

4 結(jié)語

根據(jù)面向?qū)ο缶幊陶n程的定位，把設(shè)計思想的培養(yǎng)作為教學(xué)的核心，克服了傳統(tǒng)講授一門編程語言的局限性，促進了學(xué)生設(shè)計思維的拓展。為了系統(tǒng)化把設(shè)計思想的解析融入教學(xué)中，改革的教學(xué)內(nèi)容包含面向?qū)ο笤O(shè)計和設(shè)計模式應(yīng)用這兩個有遞進關(guān)系的不同層面的內(nèi)容，既兼顧了面向?qū)ο缶幊痰恼Z言工具內(nèi)容，又突出了面向?qū)ο笤O(shè)計思想。設(shè)計思想雖然以Java 語言作為載體進行教學(xué)，但對C++、C#等其他主流的面向?qū)ο笳Z言仍然適用。在教學(xué)實施過程中，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容發(fā)展與之相適應(yīng)的課堂教學(xué)方法和考核方法，使得操作可行且有實效。筆者在最近一屆實施教改后的學(xué)生學(xué)習(xí)情況中看到了較好的教學(xué)成效。比如在筆者講授的JavaEE 架構(gòu)技術(shù)課程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對軟件框架的理解程度和應(yīng)用掌握情況普遍好于往屆；而在后續(xù)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)這門綜合實踐課程中，涉及面向?qū)ο筌浖_發(fā)時，不少學(xué)生能自覺應(yīng)用面向?qū)ο笤O(shè)計思想，結(jié)合采用合適的設(shè)計模式完成系統(tǒng)實現(xiàn)，獲得較為理想的效果。