Обучение методу

Вводные курсы

Обратимся теперь к обучению объектных технологий в академическом окружении (хотя многие замечания относятся и промышленному тренингу).

Когда программистское сообщество осознало значимость ОО-подхода, непосредственно возник вопрос, где, как и когда включать ОО-понятия, языки и инструментарий в учебные планы университетов, колледжей и средней школы.

Филогенез и онтогенез

Когда следует начинать?

Чем раньше, тем лучше. ОО-метод обеспечивает прекрасную интеллектуальную дисциплину. Если вы согласны с ее целями и техникой, то нет причин в задержке обучения им ваших студентов. Фактически это должен быть первый подход, с которого следует начинать обучение. Начинающие положительно воспринимают ОО-подход не потому, что такова тенденция, а по причине его ясности и эффективности.

Эта стратегия предпочтительнее, чем вначале учить старым подходам, а затем переучивать, прививая ОО-мышление. Нет смысла в обходных путях, когда есть прямая дорога ОО-разработки.

Преподаватели неосознанно склонны применять идею, некогда популярную в биологии: онтогенез (развитие индивидуума) повторяет филогенез (развитие вида). Человеческий эмбрион на разных этапах своего развития напоминает лягушку, свинью и т. д. Применительно к нашему предмету рассмотрения это означает, что учитель, возможно, начинавший изучать Algol, затем перешедший к структурному проектированию, затем познавший объекты, захочет, чтобы и его студенты прошли тот же путь. Что было бы с начальным образованием, если бы детей учили считать, вначале используя римские цифры, и лишь потом вводили арабские? Если вы думаете, что знаете правильный подход, учите ему сразу.

Вымощенная дорога к другим подходам

Одна из причин рекомендации (без фанатизма и узости мышления) использования ОО-технологии в начале обучения состоит в общности метода, он подготавливает студентов к введению других парадигм, таких как логическое и функциональное программирование, которые должны быть частью программистской культуры. Если ваши учебные планы требуют изучения традиционных языков программирования, то и их предпочтительнее вводить после обучения ОО-методу, поскольку это позволит использовать эти языки безопасным и более разумным способом.

ОО-обучение является также хорошей подготовкой для тематики, имеющей корни в математике и формальной логике и играющей все большую роль в современных учебных планах: формальные подходы к спецификации, конструированию и верификации программ. Использование утверждений и общего подхода Проектирования по Контракту, по моему опыту, является эффективным способом, показывающим необходимость систематического, независимого от реализации и, по меньшей мере, частично формализованного описания программных элементов. Преждевременное знакомство с механизмом языков формальных спецификаций, таких как Z или VDM, может лишь подавить студентов и вызвать реакцию отторжения. Даже если это и не произойдет, студенты вряд ли воспримут достоинства формализмов, не имея важного опыта разработки ПО. ОО-конструирование в соответствии с принципами Проектирования по Контракту дает студентам возможность начать создавать реальные программы и в то же время приводит к плавному прогрессирующему введению формальных методов.

Выбор языка

Использование ОО-метода во вводном курсе имеет смысл только тогда, когда оно основано на окружении и языке, полностью поддерживающем эту парадигму и не отягощенном призраками прошлого. В частности, гибридные подходы, основанные на расширениях старых языков, не подходят для начинающих студентов, поскольку смешивают ОО-концепции с пережитками старых методов, принуждая преподавателя тратить больше времени на извинения, чем на сами концепции.

В языках, основанных на C, например, придется объяснять, почему массив и указатель следует рассматривать как одно и то же понятие - свойство, имеющее корни в технике оптимизации старой архитектуры компьютеров; на эти объяснения потребуется время и энергия в ущерб обучению понятиям проектирования программ. Более того, это ведет к тому, что студенты приучаются мыслить в терминах низкоуровневых механизмов - адресов, указателей, памяти, сигналов. Они будут тратить неоправданно много времени на борьбу с различными жучками в своих программах.

Задачи вводного курса разнообразны. Следует снабдить студентов ясным, логически связанным множеством практических принципов. Нотация должна непосредственно поддерживать эти принципы, устанавливая взаимно однозначное соответствие между методом и языком. Время, затрачиваемое на объяснение языка самого по себе, зря потрачено. Следует объяснять концепции и использовать язык как естественный способ их применения.

Главное качество языка, используемого во вводном курсе, это его структурная простота и поддержка ОО-идей: модульность, основанная на классах, проектирование по контракту, статическая типизация и наследование. Но не следует недооценивать роли синтаксической ясности. Например, тексты на C++ и Java наполнены строками, такими как:

public static void main(String[] args {
if (this->fd == -1 && !open_fd(this))
if ((xfrm = (char*)malloc(xfrm_len + 1)) == NULL) {

Как видно, синтаксис этих языков, основанный на многих специальных операциях, затуманен и зашифрован.

Подобные штучки, оправданные историческими причинами, не для новичков. Обучение программированию достаточно трудно и без того, чтобы еще вводить недружелюбную нотацию.

Дэвид Кларк из университета Канберры на основе опыта обучения опубликовал некоторые из своих заключений в Usenet:

В последнем семестре я обучал студентов программированию, используя Java (вторые полгода из годичного курса для первокурсников). Из моего опыта следует, что студенты не находят язык Java простым в обучении. Неоднократно язык мешал мне учить тому, чему бы я хотел. Вот несколько примеров:

• Первое, с чем они сталкиваются, это главная программа с заголовком: public static void main (String [ ] args), выбрасывающая исключения вида IOException. Здесь в одной строке встречается 6 различных понятий, которые студенты не готовы воспринимать.
• Достаточно свободно можно осуществить вывод, но чтобы что-то ввести, потребуется попрыгать (import, declare, initialize). Единственный способ ввода числа с клавиатуры - это прочесть строку и разобрать ее. И снова с этим приходится сталкиваться уже на первой лекции.
• Java рассматривает примитивные типы данных (int, char, boolean, float, long, ...) не так, как другие объекты. Здесь есть их объектные эквиваленты (Integer, Boolean, Character и т. д.). Но нет связи между int и Integer.
• Класс String представляет специальный случай (для эффективности). Он используется только для строк, не меняющих значения. Есть также класс StringBuffer для строк, меняющих свое значение. Все прекрасно, но нет взаимосвязи между этими классами. Есть только несколько общих компонентов.
• Отсутствие универсальности означает необходимость преобразования типов, например, при использовании коллекций элементов, таких как Stack или Hashtable. Все это создает помехи для начинающих студентов и уводит их в сторону от главных целей обучения.

Проф. Кларк далее сравнивает этот опыт с его практикой обучения с использованием нотации этой книги, о которой он пишет: " Я фактически не учил языку, помимо некоторых примеров кода ".

Начальная нотация, используемая при обучении, крайне важна для формирования их будущего видения, она должна быть простой и ясной, позволять глубоко понимать базисные понятия. Даже Pascal, традиционный выбор вводного курса факультетов, специализирующихся в подготовке по информатике, предпочтительнее во многих отношениях, чем гибридные языки, так как обеспечивает компактный, согласованный базис, от которого позже студенты могут перейти к другому компактному, согласованному подходу. Конечно, было бы лучше, если бы базис был компактным, согласованным и объектно-ориентированным.

Некоторые гибридные языки имеют индустриальную значимость, но им следует учить позднее, когда студенты овладеют базисными концепциями. Это не новая идея: когда в семидесятых годах факультеты информатики (computing science departments) приняли Pascal, они также включали специальные курсы по изучению Fortran, Cobol или PL/I, что требовалось тогда индустрии. Аналогично современный учебный план может включать специальные курсы по C++ или Java для удовлетворения требований индустрии, давая возможность студентам включать требуемые шумовые слова в свои резюме. В любом случае студенты лучше поймут C++ и Java после изучения объектной технологии, используя чистый ОО-язык. Начальный курс, формирующий сознание у студентов, должен использовать лучший технический подход.

Некоторые преподаватели пытаются использовать гибриды C из-за ощущаемого давления индустрии. Но этого не стоит делать по ряду причин:

• Требования индустрии изменчивы. В какие-то годы все хотели что-то подобное RPG и Cobol. В конце 1996 все начали требовать Java, но еще в 1995 никто и не слышал о Java. Что же будет стоять в списке 2010 или 2020? Мы не знаем, но мы обязаны наделить наших студентов потенциалом, который будет востребован на рынке и в эти годы. По этой причине особое внимание следует уделять долговременным навыкам проектирования и разумным (intellectual) принципам.
• То, что мы начинаем обучать таким навыкам и принципам, вовсе не исключает обучения специфическим подходам. На самом деле, как отмечалось, скорее помогает. Студент, глубоко освоивший ОО-концепции, используя подходящую нотацию, будет лучшим C++- или Java-программистом, чем тот, для кого первая встреча с программированием включала битву с языком.
• Исторический прецедент с Pascal показывает, что преподаватели информатики могут добиться успеха, благодаря собственному выбору. В середине семидесятых годов в индустрии никто не требовал Pascal; фактически почти никто в индустрии и не слышал о Pascal. В те времена индустрия требовала одного из Трех Теноров - Fortran, Cobol и PL/I. В преподавании и в науке было выбрано другое решение - наилучшее техническое решение, соответствующее тому уровню, на котором находилась программистская методология - структурное программирование. Результат себя оправдал, студентов стали обучать абстрактным концепциям и техническим приемам разработки программ, подготавливая их к изучению новых языков и инструментария.