計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課堂教學(xué)模型研討

安 利，趙永梅，張紅梅

（空軍工程大學(xué) 裝備管理與無人機(jī)工程學(xué)院，陜西 西安710051）

0 引 言

計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程是各高校非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的必修課以及計(jì)算機(jī)專業(yè)的基礎(chǔ)課。C語言是當(dāng)前計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)中比較通用的語言，既有豐富的功能又有超強(qiáng)的表達(dá)能力，既有高級(jí)語言的各種優(yōu)點(diǎn)，又有低級(jí)語言的很多特點(diǎn)。學(xué)習(xí)C語言，不僅需要機(jī)械記憶，還要具有形象思維和嚴(yán)密的邏輯推理能力。

1 興趣模型

恩格斯講過“興趣是最好的老師”，興趣是學(xué)習(xí)的動(dòng)力，把學(xué)生的興趣引導(dǎo)到學(xué)習(xí)中來，是教學(xué)成功的一半。在C程序設(shè)計(jì)教學(xué)中，為了使學(xué)員盡快地進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，在課程教學(xué)初期，就要想方設(shè)法將學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和興趣調(diào)動(dòng)起來。如何調(diào)動(dòng)呢？圖1為由3個(gè)階段構(gòu)成的興趣模型，分別是設(shè)置懸念階段、分析問題階段、解決問題階段。

圖1 興趣模型

第一階段，教師可以設(shè)置富有懸念的思考題，以提出問題為切入點(diǎn)，通過收集典型的程序解決問題的實(shí)例，采用現(xiàn)實(shí)演示、屏幕演示、啟發(fā)提問等方式進(jìn)行導(dǎo)課，激發(fā)學(xué)生興趣，用興趣吸引學(xué)員自主學(xué)習(xí)體驗(yàn)學(xué)習(xí)的快樂。我們在一維數(shù)組的應(yīng)用中講到排序，教師以日常生活為例設(shè)置相關(guān)游戲，例如讓學(xué)生班長給6名班員從低到高進(jìn)行排隊(duì)，其方法任意，不可少于兩種。游戲的過程中，讓學(xué)生仔細(xì)觀察兩種方法是否一樣。之后通過老師的引導(dǎo)告訴學(xué)生這個(gè)世界不是缺少問題，而是缺少發(fā)現(xiàn)。其實(shí)在每次排隊(duì)的過程背后，都隱含一個(gè)經(jīng)典的排序算法，具體是什么算法呢？

第二階段，由教師主導(dǎo)通過學(xué)生的興趣點(diǎn)，引發(fā)其主動(dòng)探索問題，并創(chuàng)造性地多角度分析問題、求解問題。對(duì)上一階段引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)的算法問題進(jìn)一步化解，先討論如何將個(gè)子最高的隊(duì)員作為隊(duì)尾隊(duì)員，也就是求最大值的過程。將第一次排隊(duì)的過程，通過演示仔細(xì)分析采用的方法，相鄰兩個(gè)隊(duì)員比較，按排序要求調(diào)整位置。這樣個(gè)子最高的隊(duì)員就排在末尾了，這個(gè)求最大值方法可稱之為鄰位比較法。將用鄰位法找最大值的過程稱為一趟處理，那么，繼續(xù)深入探討，將剩下的5名班員依次使用同樣的方法進(jìn)行第二趟、第三趟、第四趟處理，每趟中班員都兩兩比較，判斷交換，依次得到次高隊(duì)員的排列順序，5個(gè)隊(duì)員通過4趟就可以排好序了。這就是著名的冒泡排序，小值向前，大值向后，像水中的氣泡上浮。還可以通過其他排隊(duì)的方法總結(jié)出選擇排序、快速排序等算法。之后通過算法引導(dǎo)學(xué)生一步一步寫出核心代碼。整個(gè)游戲過程都由學(xué)生主導(dǎo)，而教師僅作為配角對(duì)學(xué)生進(jìn)行啟發(fā)使其有所領(lǐng)悟。

第三階段，引導(dǎo)學(xué)生將理論與實(shí)際相結(jié)合。利用真實(shí)的編程環(huán)境讓學(xué)員直觀感受通過程序設(shè)計(jì)求解問題的過程，達(dá)到提高學(xué)員的認(rèn)知水平，并以滲透程序設(shè)計(jì)思想為關(guān)鍵點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)員創(chuàng)造性地分析問題、解決問題的意識(shí)。為了驗(yàn)證學(xué)生對(duì)之前算法的理解程度，可板書核心代碼，其間可在關(guān)鍵代碼處（如循環(huán)次數(shù)）畫線填空，讓學(xué)生自己填充。之后在Visual C++6.0環(huán)境下進(jìn)行調(diào)試。最終將枯燥無味的“語言”課變得生動(dòng)活潑。

2 類比模型

在程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)中有很多知識(shí)點(diǎn)對(duì)學(xué)生來講都屬于很抽象的內(nèi)容，例如指針對(duì)初學(xué)者來說就是一個(gè)很抽象的概念。指針比較難以從以前學(xué)過的數(shù)學(xué)等知識(shí)中找到相應(yīng)的原型，因此對(duì)于學(xué)生來說在概念的理解上會(huì)有一定的難度。指針能夠靈活處理內(nèi)存單元、分配內(nèi)存，表示復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如鏈表等這些優(yōu)點(diǎn)。如何讓學(xué)生能夠很快地理解指針概念并使用指針呢？我們可通過圖2所示類比模型逐步求解問題。類比模型分為4個(gè)階段，分別是問題啟發(fā)、層層遞進(jìn)、揭示本質(zhì)、靈活應(yīng)用。

在第一階段問題啟發(fā)中，以指針為例，教師可以啟發(fā)學(xué)生思考指針與日常生活中有無相似之處，得以使抽象的問題具體化。指針就是地址，是計(jì)算機(jī)內(nèi)存單元的地址，所以使用指針就是要靈活地運(yùn)用計(jì)算機(jī)內(nèi)存的地址。這個(gè)概念比較抽象，要使這個(gè)抽象的問題具體化就要在教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行類比。

圖2 類比模型

第二階段層層遞進(jìn)，教師帶領(lǐng)學(xué)生將理論與實(shí)踐相結(jié)合，找到形象的比喻。如圖3所示以學(xué)生宿舍形象比喻計(jì)算機(jī)的內(nèi)存，內(nèi)存單元相當(dāng)于宿舍中的每一個(gè)房間；“地址”就是內(nèi)存單元的編號(hào)，相當(dāng)于宿舍的門牌號(hào)；內(nèi)存中存放的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于各房間的學(xué)生如圖3。

第三階段揭示本質(zhì)，通過學(xué)生宿舍的比喻對(duì)指針的概念已有初步的理解，教師將引導(dǎo)學(xué)生回歸教材，主動(dòng)對(duì)指針進(jìn)行探索，進(jìn)一步創(chuàng)造性地分析以達(dá)到熟知概念。最終使得晦澀的問題直觀化、難懂的問題親切化。

指針變量就是用來存放指針（地址）的變量，即這個(gè)變量中存放的是另一個(gè)變量的地址（即存放的是指針），可用“傳達(dá)室”作比喻。傳達(dá)室也是宿舍樓中的一個(gè)房間，只是住在那里的人比較特別，他知道哪個(gè)房間里住的是哪些人。在講到“直接訪問”和“間接訪問”時(shí)，用傳達(dá)室這個(gè)比喻很容易讓學(xué)生明白。如知道門牌號(hào)，直接找到學(xué)生，相當(dāng)于“直接訪問”，如果通過傳達(dá)室查詢到門牌號(hào)再找人，相當(dāng)于“間接訪問”。

在此，必須理解“指針變量的地址”“指針變量的值”和“指針指向的目標(biāo)變量的值”3 個(gè)重要概念。例如：程序1中定義了一個(gè)整型變量i和一個(gè)指向整型變量i的指針變量p，如圖4所示指針變量p的地址就是系統(tǒng)為p分配的存儲(chǔ)空間的首地址，即1000；指針變量p的值，就是它指向的目標(biāo)變量i的首地址，即2020；p指向的目標(biāo)變量的值，就是目標(biāo)變量i的值，即整型數(shù)“5”。

程序1：

void main( )

{ ……

int i=5;

int *p=&i;

……

}

圖4 內(nèi)存分配圖

指針變量是一種特殊的變量。指針變量具有普通變量的屬性，但指針變量又不同于普通變量，它的特殊性具體表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是指針變量的值只能是地址。程序中的每一個(gè)實(shí)體（如變量、數(shù)組、函數(shù)等）在內(nèi)存中都占據(jù)一個(gè)可標(biāo)志的存儲(chǔ)空間，每一個(gè)存儲(chǔ)空間由若干個(gè)字節(jié)組成，在內(nèi)存中每一個(gè)字節(jié)都有一個(gè)地址。一個(gè)存儲(chǔ)空間的地址就是該存儲(chǔ)空間中第一個(gè)字節(jié)的地址。因此，無論指針變量存儲(chǔ)的是什么數(shù)據(jù)類型的地址，指針變量本身在內(nèi)存中所占字節(jié)數(shù)都是固定的，所以存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)體變量的地址和存儲(chǔ)簡單變量的地址需要的存儲(chǔ)空間長度是相等的。二是指針變量的類型是指針變量所指向的存儲(chǔ)空間中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的類型。特別強(qiáng)調(diào)的是，不同類型的指針變量不能直接相互賦值，如不能將一個(gè)整型變量的地址賦值給一個(gè)實(shí)型指針變量。

第四階段靈活應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)員靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的創(chuàng)新思維能力，激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)熱情。就是在熟知概念的同時(shí)，打開學(xué)員的思路，使其掌握一類問題的求解方法，并能夠觸類旁通。

3 漸近模型

由于學(xué)生是剛剛接觸計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)，必須堅(jiān)持“通俗、可接受性”的教學(xué)原則，在授課中，盡量不以傳統(tǒng)的教學(xué)方式中把重點(diǎn)放在語法規(guī)則上為側(cè)重點(diǎn)，而應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)程序的算法，介紹程序設(shè)計(jì)的基本方法和技巧，在講算法的案例中提出語法規(guī)則。由淺入深，融會(huì)貫通，逐步突破難點(diǎn)。我們可通過圖5所示漸近模型逐步解決問題。漸近模型分為3個(gè)階段，分別是由淺入深、對(duì)比分析、問題求解。

圖5 漸近模型

第一階段由淺入深。難點(diǎn)突破在教學(xué)活動(dòng)中十分重要，如何突破難點(diǎn)，根據(jù)課程的性質(zhì)不同而不同，對(duì)C語言程序設(shè)計(jì)課程而言，從課程的結(jié)構(gòu)來講，指針類型的程序設(shè)計(jì)方法就是相對(duì)的難點(diǎn)。為了使學(xué)生能夠很透徹地理解指針變量與普通變量之間的區(qū)別，我們將會(huì)從淺顯的案例著手漸近突破。比如實(shí)現(xiàn)兩個(gè)數(shù)據(jù)的交換，可采取首先利用普通變量交換數(shù)據(jù)入手，然后使用函數(shù)，逐漸引入指針的方法依次講解。以培養(yǎng)學(xué)員分析問題的能力較強(qiáng)的邏輯思維能力。

第二階段對(duì)比分析。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)之一是模塊化，因此采用函數(shù)是最簡潔的方法，我們可通過程序使用指針變量作為函數(shù)的形式參數(shù)接收主函數(shù)中實(shí)際參數(shù)的地址來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)數(shù)據(jù)之間的交換。也可以通過用指針變量作為形式參數(shù)接收主函數(shù)中實(shí)際參數(shù)的首地址來實(shí)現(xiàn)字符串拷貝，來理解使用普通變量和指針變量之間的區(qū)別。通過設(shè)問引領(lǐng)學(xué)生自行總結(jié)其概念及應(yīng)用的方式方法，然后逐步引導(dǎo)他們繼續(xù)深入理解指針的概念及其應(yīng)用，并通過實(shí)例演示和對(duì)比分析來加深學(xué)生的印象。

第三階段問題求解，可采用多種方法融入教學(xué)，提高學(xué)員的綜合素質(zhì)；分析學(xué)員現(xiàn)階段面臨的難點(diǎn)問題，引起共鳴，激發(fā)學(xué)員解決問題的欲望。

4 通過實(shí)踐全面理解和掌握知識(shí)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是課堂理論教學(xué)的重要輔助部分，是學(xué)習(xí)和回顧知識(shí)的重要環(huán)節(jié)；C語言又是一門實(shí)踐非常強(qiáng)的課程，這個(gè)環(huán)節(jié)更是不可或缺。因此，在上機(jī)實(shí)踐之前應(yīng)充分準(zhǔn)備實(shí)踐材料，對(duì)上機(jī)內(nèi)容要做到有程序草稿，并且要做到對(duì)實(shí)踐的過程非常清晰，以便能夠與理論知識(shí)相結(jié)合。

程序設(shè)計(jì)實(shí)踐的題目難度選擇在一定程度上決定了實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)能否成功。如果題目太難，學(xué)員的精力重點(diǎn)可能會(huì)偏移到專業(yè)知識(shí)方面，偏離了課程設(shè)計(jì)的初衷；題目太簡單，不能充分鍛煉學(xué)員的軟件設(shè)計(jì)能力，課程設(shè)計(jì)起不到應(yīng)有的作用。因此，課程設(shè)計(jì)題目的難度應(yīng)當(dāng)適中，學(xué)生通過一定的努力就能完成，一方面可以發(fā)現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)中自己沒有掌握的內(nèi)容，另一方面，可以提高他們的編程興趣，增強(qiáng)完成課程設(shè)計(jì)任務(wù)的信心，繼而更加鞏固編程和調(diào)試程序的能力，以達(dá)到能夠運(yùn)用計(jì)算機(jī)求解問題的能力。

5 結(jié) 語

C語言課程的教學(xué)有別于其他課程，概念多、規(guī)則多、枯燥、操作性強(qiáng)。要上好本門課程，必須不斷地探討和研究。C語言是一門計(jì)算機(jī)專業(yè)和非專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，具有很強(qiáng)的靈活性，教員不僅需要很強(qiáng)的責(zé)任心，還需要不斷地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，靈活地調(diào)整授課方法。此教學(xué)模型通過計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)應(yīng)用，達(dá)到了較好的效果。