非計(jì)算機(jī)專業(yè)Qt程序設(shè)計(jì)教學(xué)探索

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摘要：針對(duì)高校非計(jì)算機(jī)專業(yè)C/C++教學(xué)的不足，分析開(kāi)設(shè)qt程序設(shè)計(jì)課程的重要意義，提出以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)、以項(xiàng)目為導(dǎo)向的Qt程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)方案，結(jié)合西安交通大學(xué)的實(shí)踐說(shuō)明Qt程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：非計(jì)算機(jī)專業(yè)；Qt程序設(shè)計(jì)課程；案例教學(xué)；大作業(yè)

0引言

目前，在高校面向非計(jì)算機(jī)專業(yè)的程序設(shè)計(jì)入門課程中，相當(dāng)一部分學(xué)校講授C/C++語(yǔ)言。由于C/C++語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)中不包括圖形界面等高級(jí)編程內(nèi)容，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)了該課程之后，僅能編寫控制臺(tái)窗口的命令行程序。這在很大程度上限制了學(xué)生利用C/C++編程解決問(wèn)題的能力。Qt是基于C++的跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)框架，更確切地說(shuō)，Qt是一個(gè)龐大的C++類庫(kù)。它出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代，最初主要用于圖形界面開(kāi)發(fā)。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，Qt已經(jīng)成為幾乎全能的開(kāi)發(fā)框架，除了圖形界面開(kāi)發(fā)，在數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)、多媒體、嵌入式軟件開(kāi)發(fā)等方面也常常見(jiàn)到Qt的身影。近年來(lái)，隨著嵌入式技術(shù)的廣泛應(yīng)用，Qt作為L(zhǎng)inux和嵌入式開(kāi)發(fā)的重要工具受到了前所未有的關(guān)注。Qt框架設(shè)計(jì)優(yōu)雅、功能強(qiáng)大、易于學(xué)習(xí)和使用，還兼容Windows、Linux、Mac等主流操作系統(tǒng)，這些優(yōu)點(diǎn)使它成為C++語(yǔ)言后續(xù)課程的理想教學(xué)內(nèi)容。目前各高校在Qt教學(xué)方面所做的工作并不多。文獻(xiàn)[1]提出將多維互動(dòng)模式用于Qt教學(xué)；文獻(xiàn)[2]提出在Qt教學(xué)中使用項(xiàng)目分解與整合的策略；文獻(xiàn)[3]提出在面向嵌入式開(kāi)發(fā)的Qt教學(xué)中采用邊講邊練的教學(xué)模式。西安交通大學(xué)的Qt教學(xué)強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，引入課程大作業(yè)以提升學(xué)生的實(shí)踐能力，實(shí)行多元化考核，進(jìn)一步保證教學(xué)效果。

1開(kāi)設(shè)Qt程序設(shè)計(jì)課程的意義

對(duì)非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生而言，在學(xué)習(xí)了C/C++語(yǔ)言基礎(chǔ)之后，進(jìn)一步學(xué)習(xí)一些Qt程序設(shè)計(jì)的知識(shí)，可以補(bǔ)充編程語(yǔ)言學(xué)習(xí)的短板，理解消息機(jī)制和事件處理的概念，并深刻體會(huì)面向?qū)ο缶幊谭椒ǖ膹?qiáng)大。

1.1補(bǔ)足C/C++語(yǔ)言教學(xué)短板

人們將圖形界面和圖形圖像兩方面的編程技術(shù)統(tǒng)稱圖形化編程。在C#、VB.NET、Java等語(yǔ)言中，圖形化編程都是重要組成部分，而C/C++語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)中卻不包含這部分內(nèi)容，不能不說(shuō)是一種遺憾。開(kāi)展Qt編程教學(xué)恰好可補(bǔ)充這方面的不足。事實(shí)上，Qt最強(qiáng)大、最完善的模塊就是圖形化編程模塊，使用Qt開(kāi)發(fā)界面的重要軟件包括KDE（Linux窗體系統(tǒng)）、Maya（三維動(dòng)畫）、WPS（辦公套件）、Skype（即時(shí)通訊）等。

1.2理解窗體編程重要概念

窗口系統(tǒng)及窗體應(yīng)用軟件的運(yùn)行依賴于消息機(jī)制和事件處理，這個(gè)概念在基礎(chǔ)C/C++教學(xué)中無(wú)法涉及。Qt系統(tǒng)有完善的事件處理機(jī)制，還有其專有的信號(hào)/槽通信機(jī)制，通過(guò)學(xué)習(xí)這些內(nèi)容，可以很好地理解窗口系統(tǒng)的運(yùn)行原理，進(jìn)而理解消息循環(huán)在操作系統(tǒng)中的重要作用。

1.3深刻體會(huì)面向?qū)ο蠓椒ǖ淖饔?/p>

圖形界面編程是C++最成功的領(lǐng)域之一，而Qt的圖形界面類庫(kù)更是這方面的優(yōu)秀代表。學(xué)習(xí)Qt的圖形化編程，了解各種控件類的繼承關(guān)系及其成員函數(shù)的實(shí)現(xiàn)和重載，可以讓學(xué)生深刻理解封裝、繼承、多態(tài)等面向?qū)ο蟮母拍睿w會(huì)面向?qū)ο缶幊谭椒◣?lái)的巨大便利。

2優(yōu)化Qt程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)方案

Qt課程講授C++的高級(jí)編程技術(shù)，一般要求學(xué)生有一定的C++語(yǔ)言基礎(chǔ)。如果學(xué)生有較好的C語(yǔ)言基礎(chǔ)，那么可以在后續(xù)課程中先用少量課時(shí)講解C++語(yǔ)言面向?qū)ο蟮母拍?，然后再講授Qt編程的內(nèi)容。將C++全部的基礎(chǔ)知識(shí)和Qt編程技術(shù)放到一門課中講授是難以完成的任務(wù)，原因是內(nèi)容過(guò)多。西安交通大學(xué)的教學(xué)方案主要通過(guò)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、加強(qiáng)實(shí)踐訓(xùn)練、改善考核方法3個(gè)方面的改革提升學(xué)生開(kāi)發(fā)軟件的能力.

2.1制訂合適的教學(xué)內(nèi)容

Qt編程技術(shù)的內(nèi)容十分廣泛，難以在一門課程中全部講授，因此可將Qt編程技術(shù)總體上劃分為兩部分：一部分是核心教學(xué)內(nèi)容，包括圖形界面編程、圖形圖像編程、樣式表應(yīng)用；另一部分是靈活設(shè)置內(nèi)容，包括算法設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)、嵌入式等方面的編程內(nèi)容。核心教學(xué)內(nèi)容是基礎(chǔ)，是必選的教學(xué)內(nèi)容；而靈活設(shè)置內(nèi)容則是選擇性的模塊，可根據(jù)面向?qū)ο蟮牟煌?、專業(yè)需求的差異，選擇適當(dāng)?shù)哪K作為教學(xué)內(nèi)容。在核心教學(xué)內(nèi)容中，建議把圖形界面、圖形圖像編程作為最基礎(chǔ)的內(nèi)容。掌握了圖形化編程的知識(shí)，就具備了開(kāi)發(fā)窗體應(yīng)用的基本能力，也為學(xué)習(xí)其他編程技術(shù)打下基礎(chǔ)。另外，可以將界面描述式編程工具——Qt樣式表放入核心內(nèi)容。樣式表是Qt的特色，它通過(guò)QSS腳本語(yǔ)言描述窗體組件的顏色、形狀、行為模式等屬性，極大地方便了界面的美化工作。QSS腳本實(shí)質(zhì)上就是CSS腳本功能的子集，學(xué)習(xí)和使用都相當(dāng)容易。在靈活設(shè)置的教學(xué)內(nèi)容中，建議選擇具有廣泛應(yīng)用價(jià)值的算法設(shè)計(jì)模塊。算法當(dāng)中比較簡(jiǎn)單的查找、排序、遞推等這類內(nèi)容在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)語(yǔ)言的時(shí)候就講解過(guò)，因此可以補(bǔ)充數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)算法。從實(shí)用角度出發(fā)，對(duì)于這些非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，沒(méi)有必要深入講解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)本身的實(shí)現(xiàn)方法，而應(yīng)在介紹基本概念的基礎(chǔ)上，講解利用Qt的集合類解決問(wèn)題的方法。Qt集合類與STL容器類很相似，包含向量、鏈表、棧、隊(duì)列等結(jié)構(gòu)，是有力的開(kāi)發(fā)工具。

2.2強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)和工程訓(xùn)練

與純理論課程不同，任何一門程序設(shè)計(jì)課程都需要足夠的上機(jī)練習(xí)，Qt程序設(shè)計(jì)也不例外。為了達(dá)到更好的教學(xué)效果，可以將實(shí)踐環(huán)節(jié)分成3個(gè)層次：基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、項(xiàng)目重建和修改、課程大作業(yè)?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)是課程學(xué)習(xí)的基本內(nèi)容，主要在課程本身的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)內(nèi)完成。這些實(shí)驗(yàn)涉及信號(hào)/槽、窗體控件、對(duì)話框、窗體布局、事件系統(tǒng)、二維繪圖等方面的編程。Qt擁有功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)工具QtCreator，其可視化窗體構(gòu)建能力不遜于微軟的VisualStudio開(kāi)發(fā)工具。雖然不少基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)都可以在QtCreator中以可視化操作的方式完成，但對(duì)于初學(xué)者，仍應(yīng)堅(jiān)持先學(xué)會(huì)用代碼實(shí)現(xiàn)，再用QtCreator工具實(shí)現(xiàn)，這樣學(xué)生對(duì)程序的理解更徹底。項(xiàng)目重建和修改是讓學(xué)生首先參考教師的樣例程序?qū)崿F(xiàn)一個(gè)大致相同的項(xiàng)目，然后對(duì)其中的部分內(nèi)容進(jìn)行修改或擴(kuò)充，實(shí)現(xiàn)一些新的功能。這類實(shí)驗(yàn)由每個(gè)學(xué)生獨(dú)立完成，難度中等。實(shí)驗(yàn)采用課堂講解、課后實(shí)現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)課答疑的模式完成。通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以了解一個(gè)小型軟件設(shè)計(jì)、編碼、調(diào)試、完善的整個(gè)過(guò)程。課程大作業(yè)是以綜合訓(xùn)練為主的實(shí)踐環(huán)節(jié)，一般3~4人一組，完成一個(gè)小型軟件項(xiàng)目。和項(xiàng)目重建實(shí)驗(yàn)不同，大作業(yè)沒(méi)有教師提供的軟件原型。每個(gè)小組都要完成選題、方案設(shè)計(jì)、編碼實(shí)現(xiàn)、測(cè)試和改善的開(kāi)發(fā)流程。選題類型由教師制訂，比如實(shí)驗(yàn)?zāi)M類、小型游戲類、算法演示類等。大作業(yè)的具體內(nèi)容由學(xué)生在上述幾個(gè)選題類型中自行確定，一般在課程進(jìn)展到一半時(shí)大作業(yè)題目就要確定。每個(gè)小組的人員及項(xiàng)目一旦確定并上報(bào)后，就不宜輕易改變。通過(guò)課程大作業(yè)的訓(xùn)練，可以在很大程度上提升學(xué)生的軟件開(kāi)發(fā)能力。

2.3改進(jìn)課程考核方法

程序設(shè)計(jì)課程的考核方式一般是平時(shí)成績(jī)和期末考試的加權(quán)平均，其中期末考試一般都是上機(jī)考試。由于Qt程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)環(huán)節(jié)的多樣性，建議為該課程設(shè)置多元化的考核方式，采用平時(shí)表現(xiàn)、期中考試、大作業(yè)考核、期末考試的綜合考核方式。平時(shí)表現(xiàn)包括出勤率、隨堂作業(yè)、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目重建實(shí)驗(yàn)的考查，這些考查主要用于督促學(xué)生的日常學(xué)習(xí)。期中考試采用閉卷形式的上機(jī)考試，以若干微型編程題目為主，題目可以是前半學(xué)期實(shí)驗(yàn)和作業(yè)內(nèi)容的改版。課程大作業(yè)以小組為單位完成，最后由組長(zhǎng)通過(guò)PPT的形式向全體師生匯報(bào)。由學(xué)生網(wǎng)絡(luò)評(píng)分和教師評(píng)分綜合評(píng)出每個(gè)小組的得分，再由教師根據(jù)組員表現(xiàn)和每個(gè)組員背對(duì)背的貢獻(xiàn)率自評(píng)得出每個(gè)學(xué)生的大作業(yè)分?jǐn)?shù)。學(xué)生評(píng)分過(guò)程可借助網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)快速完成。期末考試采用開(kāi)卷形式的上機(jī)考試，題目為兩道綜合型的編程題，主要考查學(xué)生的綜合編程能力。總之，本課程的目標(biāo)是使學(xué)生具備一定的圖形化編程以及算法設(shè)計(jì)的能力，所有考核環(huán)節(jié)都應(yīng)體現(xiàn)這一目標(biāo)。

3Qt程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)效果

在西安交大新一輪培養(yǎng)方案修訂過(guò)程中，機(jī)械學(xué)院部分專業(yè)要求修改可視化程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)內(nèi)容。該課程原來(lái)是以VC++的MFC圖形化編程為主要教學(xué)內(nèi)容。隨著微軟公司的技術(shù)重心轉(zhuǎn)向.NET，C#、VB.NET成為微軟公司主推的編程語(yǔ)言，MFC類庫(kù)的更新十分緩慢，且基于MFC的編程技術(shù)含有大量C語(yǔ)言的編程模式（比如宏定義等），編程難度較高。由于以上原因，非常有必要對(duì)該課程進(jìn)行大刀闊斧的改革。經(jīng)過(guò)認(rèn)真調(diào)研，開(kāi)課單位決定將Qt編程技術(shù)作為該課程的教學(xué)內(nèi)容。經(jīng)過(guò)3年實(shí)踐，取得了較好的教學(xué)效果，改革所帶來(lái)的教學(xué)質(zhì)量提升總體上可歸納為以下3點(diǎn)。1）提高學(xué)生編寫程序的效率。與MFC不同，Qt是純粹的面向?qū)ο箝_(kāi)發(fā)框架，學(xué)習(xí)和使用更加容易。例如編寫一個(gè)簡(jiǎn)單的賽車游戲，涉及圖形、位圖、文字、算法以及事件方面的編程，一般情況下學(xué)生用MFC實(shí)現(xiàn)該游戲的時(shí)間接近兩個(gè)小時(shí)，而使用Qt實(shí)現(xiàn)只需要不到一小時(shí)。2）加強(qiáng)學(xué)生軟件模塊化設(shè)計(jì)及算法設(shè)計(jì)能力。從軟件的框架結(jié)構(gòu)上看，Qt程序比MFC程序更清晰易懂，且Qt的信號(hào)/槽通信機(jī)制也較為簡(jiǎn)單易用。從學(xué)生上機(jī)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果看，利用Qt編程，學(xué)生更容易寫出模塊結(jié)構(gòu)合理、算法清晰的程序，編寫程序時(shí)產(chǎn)生的錯(cuò)誤也更少。3）培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于Qt編程技術(shù)的興趣。以前學(xué)習(xí)MFC編程時(shí)，很多學(xué)生對(duì)復(fù)雜難懂的MFC程序框架深感畏懼，而學(xué)習(xí)Qt編程的學(xué)生多數(shù)認(rèn)為Qt程序并不是很難理解。同時(shí)，配合QSS腳本可以很容易作出類似360安全衛(wèi)士、騰訊電腦管家那樣漂亮的圖形界面，感覺(jué)挺有成就感。本課程的配套教材《Qt圖形界面編程入門》由清華大學(xué)出版社出版之后，也得到了一些兄弟院校的關(guān)注，被選作對(duì)方院校相關(guān)課程的教材。

4結(jié)語(yǔ)

對(duì)于非計(jì)算機(jī)專業(yè)而言，很多學(xué)生希望能夠編寫小型的窗口界面程序解決學(xué)習(xí)工作中的一些問(wèn)題，但如果僅僅學(xué)習(xí)了C/C++語(yǔ)言，這種愿望難以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在非計(jì)算機(jī)專業(yè)開(kāi)設(shè)Qt程序設(shè)計(jì)課程作為C/C++的后續(xù)課程，能夠較快提升學(xué)生的編程能力，滿足學(xué)生開(kāi)發(fā)圖形化程序的愿望。在教學(xué)實(shí)踐中，以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)、以項(xiàng)目為導(dǎo)向，實(shí)行多元化考核，可以取得良好的效果。

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作者：仇國(guó)巍 趙英良 衛(wèi)顏俊 桂小林 單位：西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院