C語言程序設(shè)計教學(xué)改革探究

王智

摘 ?要 在新工科建設(shè)背景下，各大高校主動設(shè)置和發(fā)展新興工科專業(yè)，推動現(xiàn)有工科專業(yè)的改革創(chuàng)新也勢在必行。針對C語言程序設(shè)計課程教學(xué)研究現(xiàn)狀，依托電工電子國家級實驗教學(xué)示范中心（長江大學(xué)），長江大學(xué)電子信息學(xué)院提出基于項目化的教學(xué)模式，大力探索課程教學(xué)改革的創(chuàng)新。以電磁場數(shù)值模擬中的正演為例，闡述課程項目化過程，該方法不僅能有效促進(jìn)學(xué)生對電磁波的理解，而且能引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科技前沿，是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的意識和提高學(xué)生探索創(chuàng)新能力的有效手段。

關(guān)鍵詞 新工科;C語言程序設(shè)計;電磁場;項目化教學(xué);教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）05-0087-03

0 前言

為了應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，教育部對高等工程教育提出發(fā)展新工科的要求[1-2]。21世紀(jì)以來，計算機技術(shù)發(fā)展越來越快，已經(jīng)成為現(xiàn)代人必須掌握的基本技能。C語言是當(dāng)今世界上最流行的計算機程序設(shè)計語言之

一[3]，在過去40多年里已經(jīng)成為最重要的編程語言之一。最近20多年里，雖然許多人從C語言轉(zhuǎn)而使用其他編程語言（如C++、Objective C、Java等），但是C語言仍憑借自身實力在眾多語言中脫穎而出，在學(xué)習(xí)C語言過程中會發(fā)現(xiàn)它的許多優(yōu)點，如高效性、可移植性、靈活性等。

1 C語言程序設(shè)計課程教學(xué)現(xiàn)狀

大部分工科非計算機專業(yè)在講C語言課程時往往存在“在空中飄著，落不了地”的情形，學(xué)完后不知道干什么。C語言是很多課程的先修課程，目前課程的理論教學(xué)過程中仍然存在一些問題。傳統(tǒng)的理論教學(xué)通常采用“填鴨式”教學(xué)，按照課本上的知識體系來授課，先介紹面向過程程序設(shè)計方法的三大基本結(jié)構(gòu)——順序程序設(shè)計、選擇結(jié)構(gòu)程序設(shè)計、循環(huán)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計，然后講解數(shù)組與函數(shù)的相關(guān)知識、指針的運用、結(jié)構(gòu)體與文件，過于注重C語言語法知識的講解[4]。實際上，C語言是一門實踐性很強的課程，很多時候?qū)W生在課堂上聽著十分明白，到了上機操作卻無法靈活運用。雖然相應(yīng)的編程實踐題是針對語法學(xué)習(xí)的一些簡單編程，但這些程序都很簡單，功能單一，與解決現(xiàn)實問題有很大差距，很難將學(xué)生的積極性調(diào)動起來，往往學(xué)生學(xué)習(xí)C語言就單純?yōu)榱藨?yīng)對考試。

2 C語言程序設(shè)計教學(xué)改革措施

針對目前C語言程序設(shè)計課程教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題，本文提出以項目化教學(xué)理論指導(dǎo)課程改革，在教學(xué)過程中結(jié)合項目進(jìn)行交流，把項目實施過程作為學(xué)生成績考核的一項指標(biāo)，解決傳統(tǒng)考核模式的單一性問題[5]。項目實施過程中需要將其他相關(guān)課程內(nèi)容聯(lián)系在一起（高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等），利用C語言編程以圖像的形式實現(xiàn)結(jié)果，既能鍛煉學(xué)生的C語言編程能力，又能加深其對專業(yè)課的理解。采用教師評定和答辯交流兩個環(huán)節(jié)相結(jié)合的考核辦法進(jìn)行科學(xué)合理的評估。通過一系列實例的訓(xùn)練，使得學(xué)生能夠通過自學(xué)或查閱相關(guān)資料，分析和研究復(fù)雜問題，具備一定的創(chuàng)業(yè)意識和創(chuàng)新精神及較強的綜合實踐能力和科學(xué)研究能力。

本文項目開發(fā)案例以電磁場數(shù)值模擬中涉及的系數(shù)矩陣壓縮存儲與線性方程組求解兩個子問題為目標(biāo)，由教師提供計算的地電模型，子問題1為子問題2做基礎(chǔ)，最終以子問題2的結(jié)果作為最終的評價對象。幾何地電模型與網(wǎng)格化后的示意圖分別如圖1與圖2所示。

系數(shù)矩陣的壓縮存儲 ?通常情況下，電磁場數(shù)值模擬中正演最后形成的方程Ku=p（2-59）的系數(shù)矩陣K是對稱、稀疏的，也稱為剛度矩陣。矩陣中非零元素很少，因此可以采用壓縮存儲的方式只存儲非零元素。采用行壓縮存儲（Compressed Sparse Row，簡稱CSR）格式，順序地按行存儲矩陣中的非零元素。CSR存儲格式使用三個一維數(shù)組存儲剛度矩陣的非零元素和相關(guān)的行列信息，具體說明如表1所示。

在存儲剛度矩陣K時，由于CSR格式需要事先知道存儲元素的位置信息，而在三維反演過程中形成的剛度矩陣沒有足夠的內(nèi)存顯式開出二維數(shù)組來存儲剛度矩陣并轉(zhuǎn)化成CSR的存儲格式，因此可以使用三元組（COO）這樣一種存儲格式來進(jìn)行過渡。具體實現(xiàn)方式如下。

1）首先使用i_ElemNodes來存儲每個單元所含的節(jié)點信息，ElemNodes（i，4）存儲了第i個單元與之相關(guān)聯(lián)的四個節(jié)點信息;r_Nodes（i，3）分別存儲了第i個節(jié)點的三個坐標(biāo)值;i_Elements與i_Nodes分別表示網(wǎng)格單元的單元總數(shù)和節(jié)點總數(shù)。

2）令i=1到i_Elements進(jìn)行循環(huán)，根據(jù)i_ElemNodes與r_Nodes兩個數(shù)組的信息進(jìn)行單元積分，將單元積分后的值存儲到三元數(shù)組r_cooa、i_cooR、i_cooC中。

3）通過求和運算將所有單元的數(shù)值擴展成總體剛度矩陣的三元數(shù)組存儲形式，利用Youcef Saad的SPARSKIT工具包中的coocsr函數(shù)將COO存儲格式轉(zhuǎn)成CSR存儲格式。

線性方程組的求解 ?方程Ku=p（2-59）是一個超大型稀疏、對稱、病態(tài)的線性方程組。通常求解該線性方程組的方法有直接法和迭代法兩大類。直接法以矩陣分解為基礎(chǔ)，是一種非常耗時的算法，通常方程的個數(shù)非常巨大，直接法求解會非常耗時。而迭代法能夠大大減少計算量和存儲的大小，常用的Krylov子空間法來求解，有共軛梯度法（CG）、雙正交共軛梯度法（BICG）、準(zhǔn)殘量最小化法（QMR）、廣義極小殘量法（GMRES）、穩(wěn)定雙共軛梯度法（BICGSTAB）法等。而迭代法收斂性的好壞取決于稀疏矩陣K的條件數(shù)，為了改善系數(shù)矩陣的條件數(shù)，提高計算收斂速度，在方程組中往往引入預(yù)條件矩陣M，形成方程組：

M-1Ax=M-1b

采用對稱超松弛預(yù)條件共軛梯度法（SSOR-PCG）實現(xiàn)快速穩(wěn)定的計算，得到各個節(jié)點的電位。SSOR-PCG算法如下：

其中D為系數(shù)矩陣的對角陣，L和U分別為系數(shù)矩陣的嚴(yán)格上三角和下三角，0<ε<2為松弛因子。

迭代過程如下：

表2是線性方程組方程的Ku=p結(jié)果，本班學(xué)生完成兩個子課題后，可以自行和表2的答案進(jìn)行比對。

3 結(jié)語

本文針對C語言程序設(shè)計課程理論教學(xué)存在的不足，提出以技術(shù)發(fā)展更改教學(xué)內(nèi)容，更新工程人才知識體系，以項目任務(wù)為學(xué)習(xí)導(dǎo)向，創(chuàng)新工程教育考核方式。以電磁波的傳播理論為例，筆者闡述了項目化教學(xué)方法在課程中實施的過程，并取得良好的教學(xué)效果。通過結(jié)合項目任務(wù)，融入新科技，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新考核方式，提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力，促進(jìn)了新工科背景下創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

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