器—术—道：程序设计教材建设经验谈

《计算机教育》2017年第11期 封面文章

引 言

程序设计的境界有3种：器—术—道。在程序设计能力培养方面，一般由“器”入门，通过熟悉“术”，最终达到“道”的境界。在编写程序设计教材的时候，要注意这3个层次的内容安排，并注意它们之间的过渡。

1

编程中的“器术道”

1.1 编程中的“器”

《易经》曰“形而下者谓之器”，说得通俗一些，“器”就是具体工具。在编程中，“器”首先指编程语言，如Java、C/C++。“器”的另一层意思是具体特性。要学好一门语言，首先要掌握语言的基本特性，如选择、循环、函数等；其次要掌握好这门语言的独特特性，如指针操作之于C。“器”的第三层意思是具体的开发和调试工具。学任何语言的时候，初学者都要熟练掌握一种开发和调试工具，如C/C++编程，在Linux下要学会使用GDB调试，在Windows下，要会使用Visual Studio或者其他工具开发。

1.2 编程中的“术”

“术”是中国古人对技艺、技巧、技能的一个称谓，比如武术。“术”强调的是应用，是对“器”非常熟练基础上的灵活运用。

在编程中，“术”对应套路、思路和算法。比如，在C文件编程中，要把一个二进制文件中的某些记录删除，直观的做法是：逐个记录扫描，如果记录需要删除，则将后面的记录往前挪动。两种常见的套路是：创建一个新的文件，将需要保留的数据复制到新文件中，需要删除的记录则跳过，最后将旧文件删除，将新文件重命名为旧文件，这种删除套路称为硬删除；软删除，不真正地删除记录，而是标上记号。这两种套路各有优缺点，需要灵活选用。再比如，在一个应用中如果需要将商品按照销量排序，那么需要用到某种排序算法；如果经常需要排序的话，需要考虑用某种数据结构，如B树、堆等。

1.3 编程中的“道”

《易经》说“形而上者谓之道”，也就是说，“道”是对事物蕴含思想、哲理的反思。掌握了编程之“道”的人，看透了编程工具和语言背后的差别，不再执着于某种工具和语言，通常谈论的是架构、设计模式、框架、抽象、分解等概念。如果要用一个简单的词语概括编程中的“道”，那就是常说的“计算思维”[1]。

举两个简单的例子说明“道”和“术”在编程上的区别。对于二分查找算法，得“术”者看到的是这个算法的运用前提（数据存储在线性表中且有序）、算法的基本思路等，而得“道”者看到的是这个算法背后的分治思想；当应用某一种框架的时候，得“术”者看到的是这个框架的组成、交互方式等，得“道”者看到的是这个框架背后的思维，如模型、视图和控制相分离的原则。

2

编程中的“器术道”在程序设计教材中的体现

面向初学者的程序设计课程的目标，是让学生掌握“器”，熟悉“术”，并引导他们感悟“道”。

2.1 夯实编程之“器”

C程序设计是一门非常基础的课程，在“器”这个层面上，必须要掌握两部分：一是C语言的知识点；二是C语言的开发和调试工具。

大部分教材介绍C语言知识点的时候，把这些知识点分割成若干个条块。一种常见的知识点划分见图1，其中虚线框部分可以并列，其先后顺序比较随意。

这种条块式结构的优点是：结构清晰，方便教学。学校的教学实践，初期也采取这种教学模式，但是在实践中发现，这种条块式结构存在以下不足：

（1）知识点之间的渗透不够。

（2）教学初期的例子比较简单、单调。

（3）学生的综合训练比较少。

考虑到这些问题，笔者采取一种新的层级式结构：先介绍C语言的内核，再系统地介绍C语言知识点，这个内核包含的内容如下。

C程序的构成；

最常见的数据类型：int、float和double、char 4种基本数据类型；

输入输出：printf和scanf函数（只介绍常用的格式控制符）；

常量和变量的概念；

运算符与表达式：算术运算符、关系运算符、逻辑运算符、赋值运算符；

语句：简单语句、语句块、if语句、for语句、while语句；

函数调用。

在此基础上，系统地介绍C语言的知识点。按照顺序分别是：数据类型与输入输出、运算符与表达式、分支结构、循环结构、函数、指针与数组、C程序运行原理、结构体、文件和其他。在这些章节中，有几个部分值得特别介绍。

（1）数据类型与输入输出。这一部分与其他教材差别很大。除了基本数据类型及其输入和输出，也介绍了：

数组、字符串及其输入输出。这里介绍了数组是如何创建、初始化和遍历的（用for、while语句），还介绍了puts、gets等常见的字符串输入和输出函数，但没有直接引入指针的概念。

文本文件输入输出，包括fscanf和fprintf两个格式化输入输出函数。

（2）循环结构。在介绍循环结构的时候，引入了选择排序、冒泡排序、杨辉三角、字符串单词统计、文本文件字符统计等例子，一方面让学生更好地掌握复杂的循环结构，另一方面加强了知识点的融合，扩大了知识面。

（3）C程序运行原理。这一章包含了所有系统底层的介绍，包括计算机的存储器体系结构、程序的内存布局、变量的存储类型等。这一章的目的是更好地培养学生的系统观。

（4）文件。由于在前面章节中已经对文本文件的读写操作进行了很多演练，因此这一章主要围绕二进制文件的读写进行。特别地介绍了二进制文件记录的读、写、删、查等操作场景。通过这些例子，可以让学生更熟悉文件操作，也更侧重实际应用。

通过这样的安排，不仅加强了知识点之间的融合，而且大大提高了例题的多样性，还可以在教学过程中安排更多的综合训练，比如文本文件处理。

另一方面，“器”还强调对工具的使用，这里最主要的是调试工具。笔者在教材中安排一章介绍常见开发环境的使用（介绍了Visual Studio Community和Code::Blocks），可以帮助初学者掌握调试技巧。

2.2 提炼编程之“术”

程序设计中的“术”就是应用基本的程序设计知识点解决问题的模式[2]、套路和算法。因此，它是知识点的综合应用，是一些解决问题的有效思路。为了让学生尽快熟悉编程之术，在教材中采取了以下策略。

（1）精选例题，从例题中引申出编程之术。笔者安排了综合性、有代表性的例子，例如在循环结构这一章，介绍了选择排序和冒泡排序两种排序算法；在函数这一章，安排了输出日历以及简单四则运算的例子，通过分析这些问题，学生可以学习到程序分解的过程以及关于日期的操作；在结构体这一章，介绍了基于链表的学生学籍信息管理实例，让学生掌握与记录操作相关的套路；在文件这一章，展示了如何从二进制文件中删除满足某些条件的记录的思路。

（2）注重总结，提炼出编程之术。初学者往往不善于总结，因此教材中加入了大量的总结和提炼。首先，每一章结束后都有本章小结，对本章的知识点、常见套路和算法进行了总结。其次，在一些代表性的例题后面，对例题中的关键算法进行了总结。第三，介绍一些知识点的时候，顺便介绍该知识点相关的常见套路。例如介绍了字符之后，总结大小写字符之间的转换等；在介绍浮点数的时候，提醒浮点数比较的注意事项；在介绍循环结构的时候，提炼穷举算法的思想和注意事项；在讲解递归函数调用的时候，总结递归这一技巧应用的要点。

（3）及时训练，巩固编程之术。在习题和实验中，设计了相关题目，要求学生及时应用学到的套路和算法。

在编程实践中，还有大量与编程风格和编程效率有关的经验和技巧，这些也属于“术”的范畴。这些内容在教材中的8个“编程实践”章节中有所涉及，如代码风格、命名、程序计时、软件测试、实用字符串处理、程序设计与操作系统、中文处理等。这8个章节的内容可以扩大学生的知识面，激发学生的兴趣。在实际教学中，这8个章节不一定由教师讲授，完全可以让学生自学。

2.3 感悟编程之“道”

对初学者来说，编程之“道”，或者说计算思维，往往比较抽象，难以理解。因此，需要对学生加以引导和点化。本教材中，很多地方都点出了程序背后的“道”。

（1）专门开辟了一个章节“复杂问题的求解算法”，介绍了很多面向问题求解的思想，如分治、贪心、动态规划和回溯。对于每种思想，描述了其思维模式，指出其应用范围和优缺点，并给出多个例子演示其应用。这样，对于这些抽象思想，学生就有了比较感性的认识。

（2）在介绍知识点的时候适时点化。比如，缓存的思想在计算机硬件和软件中经常用到。教材在介绍计算机存储体系的时候，不是直接介绍这些存储器，而是把内存看作CPU和磁盘之间的缓存，L2 cache看作CPU和内存之间的缓存，L1 cache又是CPU和L2 cache之间的高速缓存。最后，指出其中存在缓存思路的反复应用：为了弥补高速处理器和低速存储器之间的速度差异，可以在它们之间插入一个更小但更快的存储器，换句话说，中间存储器是低速存储器的高速缓存。

类似这样的例子还有很多。通过这些例子，点出一些典型的计算思维，也许学生不一定马上就能够应用这些思维解决问题，但是可以引导学生从一个更高的角度看待问题，这对学生理解程序设计的本质和计算机系统无疑是有巨大帮助的。

当然，真正让学生感悟这些“道”，还需要教师在教学过程中的引导。

3

教材结构

教材《C程序设计：方法与实践》[3]（以下简称本教材）的前身是2009年出版的《C语言与程序设计方法》第1版[4]和第2版[5]。在本教材正式出版之前，初稿于2015—2016年在本校试用了两年，并根据反馈意见进行了修改、定稿，最后由清华大学出版社于2017年5月出版。

3.1 教材的章节内容

本教材的章节目录和内容见表1。

与现有教材相比，本教材在结构上有所突破，在内容组织上有所创新，精选了例题，并强调工程化和规范化的开发，这些在前面都已提到，此处不再重复。

3.2 教材的辅助资源

为了配合这本教材的使用，笔者在书中安排了9个实验，其中每个实验包含了若干个实验项目。每个实验经过精心设计，题目类型多样，可以有效地巩固所学内容。

另外，为了方便教师教学，教材编写组精心准备了前13章的教学课件，该教学课件是作者教学中使用并若干次修改和增补而来，内容非常丰富，可以直接用于教学。

4

结 语

在本教材出版之前，笔者在教学实践中一直在思考和尝试，进行了一系列的教学改革。本教材的出版是笔者的教学成果之一。跟本教材配套，笔者在教学方法上进行了一系列的调整，如实施了翻转教学、加大了实践训练的力度等。实践证明，围绕这一教材展开的教学改革有明显成效，学生的学习兴趣明显提升，实践动手能力有大的改进。

参考文献：

[1] Wing J M. Computational thinking [J]. Communications of the ACM, 2006, 49(3): 33-35.

[2] 张俊, 张彦铎. 模式在程序设计教学中的应用[J]. 计算机教育, 2010(3): 108-111.

[3] 刘喜平, 万常选, 舒蔚. C程序设计: 方法与实践[M]. 北京: 清华大学出版社, 2017.

[4] 万常选, 舒蔚, 骆斯文. C语言与程序设计方法[M]. 北京: 科学出版社, 2005.

[5] 万常选, 舒蔚, 骆斯文. C语言与程序设计方法[M]. 2版. 北京:科学出版社, 2009.