软件技术基础教学方法研究.doc

软件技术基础教学方法研究 本文针对“软件技术基础”课程的特点和要求，总结笔者多年来的教学实践经验，提出了基于案例驱动的软件技术基础教学方法、基于抽象模型的软件技术基础教学方法以及实际课堂教学与虚拟课堂教学相结合的软件技术基础教学方法等。实践结果表明这些教学方法可操作性强，且行之有效。 “软件技术基础”是同济大学电子与信息工程学院的公共平台课程，它面向非计算机专业本科生，旨在介绍有关软件方面的一些基础知识。本课程的特点(1)内容多，涉及面广。它主要包括数据结构、操作系统、数据库技术及软件工程等内容，对于计算机专业的本科生来说，这里的每一个知识点都单独开设一门课程，且四部分内容缺乏内在联系。(2)软件开发技术和开发平台更新快。(3)面向的对象来自不同专业，有关计算机方面的基础知识差异较大。(4)课时较少，周学时为2。从2018级开始，该课程被列入学院公共平台课程，因为它面向的是非计算机专业的本科生，它不属于主干专业课程，所以其课时也由原来的周学时3缩减为2。上述因素给该课程的教与学工作带来很大困难和问题。如，(1)部分同学感到内容繁多，难以抓住重点。(2)有些概念或理念建立不起来，如算法概念，算法和程序总是混淆。(3)面临实际问题感到无从下手，理论和实际脱节。另一方面，传统的教学方法所产生的矛盾也更加突出重算法，轻案例；重理论，轻实验；考试方法也存在着片面性，有的学生可能考试成绩优良，但遇到实际问题不知所措，有“纸上谈兵”之弊。鉴于此，本文基于笔者长期对教学方法的探索和教学经验的积累，提出了基于案例驱动的、基于抽象模型的以及与虚拟课堂相结合等几种软件技术基础课程教学方法。 1基于案例驱动的教学方法 案例驱动的教学方法笔者之前已经有所探索1，但当时仅限于提出了一种教学理念和教学方法实施框架，其可操作性和有效性还存在严重不足。其原因是(1)应用案例过于复杂，且与相关知识点的对应性不强。(2)应用案例少，不足以构成丰富的、系统的、组织结构合理以及便于检索的案例库。在近两年多的时间里，笔者重点研究了如下问 题(1)案例的设计与实现。设计的应用案例力求难易适中、针对性强和对本课程的覆盖面广，以便于基于案例驱动的教学方法可以贯穿本课程教学的全过程。(2)设计并建立了案例库。研究了案例库中案例的组织、存储和检索方法，使所提出的教学方法具有可操作性。 1.1案例库及其三要素 所谓基于案例驱动的教学方法是指针对该课程教学大纲内容，首先设计并实现若干个典型应用案例，每个案例都对应一个或多个相关知识点，并对这些案例进行合理组织和存放，以便于检索和查找。由这些案例组成该课程的案例库。在教学活动中，当教授到某个知识点时，通过一定的检索方法在案例库中查找相关案例，如按知识点关键字检索。然后，教师通过演示案例(包括演示案例实现过程-Flash程序和案例实现结果-Visual C+程序)使学生对该知识点有了感性认识，同时使相应的抽象概念或理念具体化和形象化。更进一步，教师通过分析案例的设计步骤需求分析、概念设计，详细设计和代码实现，引导学生掌握面临实际问题时，如何应用学过的理论知识，去分析问题和解决问题的能力。 基于案例驱动的教学方法成功实施的关键要素是案例库。一个成功的案例库必须满足如下三个要素(1)案例具有代表性和针对性。只有案例库中的应用案例设计合理，且具有代表性和针对性，才能对相关知识点的学习起到辅助功能。(2)案例具有多样性。只有案例库中有丰富多样的案例，才能覆盖该课程的绝大部分知识点，使关键知识点都有案例可以演示。否则，如果库中案例太少，那么基于案例驱动的教学方法的效果将大打折扣，最多只是一种教学理念而已。(3)案例组织结构合理性。随着案例库中案例的不断积s累，对案例的组织和存放形式必须合理规划，以便于检索、查找和链接。 1.2案例设计与实现 依据相关知识点的学习，精心设计一些典型应用案例，帮助学生掌握相关理论知识的学习，提高学生理论联系实际、分析问题和解决问题的能力。经过前期教学积累和2018年校教改项目的实施，目前为止，我们案例库中已设计并实现了十几个典型应用案例。主要包括三类(1)针对算法概念的案例，目的是帮助学生区分算法、程序和计算方法，使学生能由之前的程序概念提升到算法设计理念。(2)针对数据结构知识点的案例，目的是让学生理解数据作为软件处理的主要对象，其数据结构的设计在软件设计中的重要性。同时让学生区分数据的逻辑结构和物理结构，以及掌握数据物理结构的实现方法等。(3)针对数据库技术知识点的案例，目的是帮助学生了解数据库相关技术、数据库应用程序的设计和实现方法。 1.2.1基于算法知识点的案例设计与实现 讲解数据结构的切入点是算法。首先要让学生掌握算法概念，理解算法和程序以及计算方法的区别，培养学生面临实际问题时先设计算法而不是直接编写代码的习惯，这样在设计前期无需考虑许多与方法和分析无关的细节问题，把主要精力放在算法设计上，以便于设计出更优的算法。除此之外，该知识点还要让学生熟悉并应用常用的几种算法设计方法列举法、回溯法、归纳法和递推法等。目前，我们已经开发了两个案例分别对应列举法和回溯法百鸡问题和皇后问题。限于篇幅，下面仅对皇后问题的设计与实现给出简单说明。 问题描述由n×n个方格排成具有n行和n列的正方形，称为“n元棋盘”。如果两个皇后位于棋盘上的同一行、同一列或同一对角线上，则称她们为互相攻击。要求找出n个皇后在n元棋盘上互不攻击的所有布局。 实现方法n个皇后在n元棋盘上有n2种布局，如果用列举法，则需在n2种布局中剔除相互攻击的布局。那么，当问题尺度n较大时，该算法的时间开销(时间复杂度)将会急剧增加，这也不符合算法设计的初衷。所以我们采用了回溯法，也称试探法。即分析实际问题，找出一种解决问题的路径。然后，沿着这个路径逐步试探。对于每一步的试探，如试探成功，则继续，直到求得问题的解。如试探不成功，则原路逐步返回，换另外路径试探。如果所有路径都试探不成功，则问题无解。在布局第i(i=1n)个皇后时假设前面i-1个皇后已经布好，寻找第i个皇后与前i-1个皇后互不攻击的布局，若找不到，则沿原路逐步返回，撤消第i-1个皇后的布局，重新寻找新的布点，以此类推。实现结果如图1所示。 1.2.2数据结构知识点的案例设计与实现 数据结构知识点是软件技术基础的重要组成部分，它占用了相对多的篇幅和课时，是该课程的重点和难点。传统的教学方法是占用大量课时讲解各种伪码描述的算法，而教学效果不尽人意，学生仅仅限于理解了伪码描述的算法思想，但遇到实际问题时对数据的逻辑结构和物理结构的设计，尤其是物理结构的实现往往感到无从下手。 数据结构是指同一数据对象中各数据元素之间的关系。数据结构可分为4类(1)集合-数据元素之间除了“同属于一个集合”外，再无其他关系；(2)线性结构-元素之间存在一对一(11)的关系；(3)树型结构-元素之间存在一对多(1n)的关系；(4)图状结构-元素之间存在多对多(mn)的关系。我们设计并实现了如下三个应用案例对应上述第24种数据结构，以辅助相关知识点的教与学。限于篇幅，下文所有案例仅就其设计目的以及它们与相关知识点的对应关系进行论述，同时部分案例给出实现结果。至于设计与实现的过程和方法不是此文的关键，故不赘述。 (1) 学生信息管理系统该案例实现学生信息查找、修改、插入、删除和显示等功能。它对应线性链表知识点。通过设计、实现和运行该案例，使学生加深理解并掌握线性表、线性表的链式存储结构以及线性链表的各种基本运算(查找、修改、插入、删除、排序及显示等功能)2。 (2) 哈夫曼编码与译码该案例实现哈夫曼树构造(哈夫曼编码)与哈夫曼译码功能。它对应树结构。通过该案例的设计和实现步骤，学生对树及其同构型多重链表存储结构的理解更加具体化，并通过演示Flash程序，帮助学生掌握哈夫曼树生成和哈夫曼译码的算法实现思想。目前该案例经过功能完善和技术优化，很好地解决了叶结点输入方式(实现了键盘输入、文件导入和文章字符统计三种输入方式。)、哈夫曼树的显示模式以及大问题规模尺度(问题尺度可达100)等难点问题3。实现结果如图2所示。 (3) 旅行商(TSP Traveling Salesman Problem)问题该案例也称为交通咨询系统，它可以解答旅客提出的各种问题，如从A城市到B城市，选择一条途中中转次数最少的路径(假设城市交通网络图中的每一站都需要换乘)；从A城市到B城市，选择一条交通费用最少的路径；从A城市到B城市，选择一条旅行时间最短的路径等。该案例旨在帮助学生理解并掌握图形结构(有向网)、图的物理存储结构(邻接表和邻接矩阵)、图的遍历以及图的应用(单源最短路径)等相关知识点。 1.2.3数据库技术知识点的案例设计与实现 数据库技术是研究数据的分类、组织、储存、检索及维护等功能的一门计算技术，是发展最快的领域之一，也是应用最广的技术之一。图书管理系统4、企业设备管理系统5和客户关系管理系统6都属于数据库应用系统，它们都包含一个小型数据库系统，是一种以处理为中心的应用系统。这些案例的目标是通过完成从用户需求分析、数据库设计到上机编程及应用等全过程，进一步理解和掌握数据库技术、面向对象方法(OO)以及软件工程方法等相关理论知识的学习。下面对企业设备管理系统作一简单介绍，其他案例见相应第 8 页