基于計(jì)算思維的C 語(yǔ)言教學(xué)案例設(shè)計(jì)

魏書堤，趙輝煌，鄧紅衛(wèi)

(衡陽(yáng)師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)系，湖南 衡陽(yáng)421008)

C 語(yǔ)言介于高級(jí)語(yǔ)言與低級(jí)語(yǔ)言之間［1］，是大學(xué)理工類必修的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言類課程，也是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等課程的前趨課程。由于C 語(yǔ)言涉及的概念規(guī)則很多，且使用形式靈活，很容易出錯(cuò)。教學(xué)實(shí)踐表明:初學(xué)者對(duì)教材前面的語(yǔ)句語(yǔ)法、變量表的學(xué)習(xí)還能跟得上，但一旦講解比較復(fù)雜的章節(jié)時(shí)就困難重重，甚至有的學(xué)生學(xué)完了C 語(yǔ)言，考試成績(jī)也很好，但是讓其用C 語(yǔ)言去解決一個(gè)實(shí)際問(wèn)題時(shí)，就無(wú)從下手，沒(méi)有清晰的思路和合理的解決方案。為了使學(xué)生能更好地掌握C 語(yǔ)言解決一些實(shí)際問(wèn)題，教師要從實(shí)際生活中去挖掘一些較好的案例，對(duì)教學(xué)中的問(wèn)題進(jìn)行分析并將教學(xué)的案例設(shè)計(jì)與計(jì)算思維培養(yǎng)結(jié)合起來(lái)，以提高C 語(yǔ)言的教學(xué)質(zhì)量。

1 當(dāng)前C 語(yǔ)言教學(xué)中存在的問(wèn)題

1.1 課時(shí)減少，教學(xué)內(nèi)容未整合優(yōu)化

隨著各專業(yè)人才培養(yǎng)方案的修改，作為公共基礎(chǔ)課程的C 語(yǔ)言教學(xué)課時(shí)被壓縮，很多任課教師未能對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合優(yōu)化，上課時(shí)仍然按部就班講解C 語(yǔ)言，比較復(fù)雜的教學(xué)內(nèi)容講解不透，沒(méi)有結(jié)合生活工作實(shí)際來(lái)設(shè)計(jì)合理的案例，把知識(shí)融入到案例中去，忽視了學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)，而計(jì)算思維恰恰又是對(duì)問(wèn)題抽象的基礎(chǔ)。

1.2 實(shí)踐教學(xué)存在弊端，使得教學(xué)效果不理想

根據(jù)我們對(duì)學(xué)生的調(diào)查與了解，很多老師布置的課外作業(yè)都流于書本之上，很少根據(jù)自己的教學(xué)設(shè)計(jì)，有針對(duì)性布置一些思維性強(qiáng)的課外作業(yè)，這樣學(xué)生一上機(jī)實(shí)驗(yàn)都在驗(yàn)證一些書上已經(jīng)有的程序，而且象這些程序早已經(jīng)過(guò)教材編寫者調(diào)試，學(xué)生在調(diào)試時(shí)很少出現(xiàn)一些意想不到的錯(cuò)誤，很難分析錯(cuò)誤產(chǎn)生的原因，在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)，很難進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)方面的思維，也就是說(shuō)有了抽象方法以后，也難有成功的程序。

2 案例設(shè)計(jì)與計(jì)算思維相結(jié)合

老師在進(jìn)行教學(xué)案例設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要把握知識(shí)的易理解性，而且要把握思維規(guī)律，漸進(jìn)式地演繹分析實(shí)際問(wèn)題，找出其中內(nèi)在規(guī)律，抽象出基礎(chǔ)模型算法，講解時(shí)可以用形象類比等方法進(jìn)行啟發(fā)性教學(xué)。

2.1 精心組織教學(xué)內(nèi)容，合理設(shè)計(jì)教學(xué)案例

老師應(yīng)認(rèn)真分析教材和學(xué)生的實(shí)際情況，精心組織教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)合理的教學(xué)案例來(lái)實(shí)施教學(xué)。在實(shí)施教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)從實(shí)際問(wèn)題引入教學(xué)，通過(guò)對(duì)實(shí)際問(wèn)題的抽象來(lái)啟發(fā)學(xué)生的思維，通過(guò)問(wèn)題－算法－程序這一系列的過(guò)渡對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行解決，從而達(dá)到對(duì)知識(shí)理論的掌握和運(yùn)用。學(xué)生在學(xué)習(xí)C 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)時(shí)，不外乎2 個(gè)方面的學(xué)習(xí)，一方面是對(duì)C 語(yǔ)言課程知識(shí)的理解，另一方面是專業(yè)知識(shí)的靈活運(yùn)用，所以老師們的教學(xué)重點(diǎn)應(yīng)放在對(duì)學(xué)生思維能力的培養(yǎng)和思維習(xí)慣的養(yǎng)成上。

C 語(yǔ)言實(shí)際上是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，老師在進(jìn)行案例設(shè)計(jì)時(shí)，要堅(jiān)持以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)理解能力、計(jì)算思維能力和創(chuàng)新能力為目的［2］，案例內(nèi)容要能有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，能引導(dǎo)學(xué)生積極進(jìn)行多種抽象思維并最終解決實(shí)際問(wèn)題。老師在課堂微觀教學(xué)上采用案例遞進(jìn)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法［3］，改變滿堂灌的做法，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，活躍學(xué)生的計(jì)算機(jī)思維。精心設(shè)計(jì)實(shí)例，給學(xué)生一個(gè)比較實(shí)際的切入點(diǎn)，通過(guò)老師的講解和演示使學(xué)生有直觀感覺(jué)和理性思維，然后再通過(guò)將此實(shí)例不斷修改、擴(kuò)充，引導(dǎo)學(xué)生參與到程序的編制過(guò)程中。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生展示所編制的程序，老師評(píng)判優(yōu)劣并講解理由和規(guī)律，吸收優(yōu)點(diǎn)，修改錯(cuò)誤，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行優(yōu)化。在這樣的案例教學(xué)中，因?yàn)橛刑岢鰡?wèn)題、解決問(wèn)題、擴(kuò)展問(wèn)題、再解決問(wèn)題、對(duì)解決問(wèn)題的方法評(píng)價(jià)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等幾個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)際上是一個(gè)螺旋式滾動(dòng)向前的過(guò)程。在這個(gè)螺旋式不斷向前的過(guò)程中，能夠很好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的參與，而且通過(guò)問(wèn)題的不斷擴(kuò)展和一個(gè)問(wèn)題多種解決方法，能有效拓展學(xué)生的計(jì)算思維，使得學(xué)生在課堂上真正成為“主體”，教師只扮演“主導(dǎo)”角色［4－5］。通過(guò)老師的講解調(diào)試和演示，使學(xué)生有直觀的感覺(jué)，從而引導(dǎo)學(xué)生的思維與老師教學(xué)達(dá)成一致產(chǎn)生共鳴，達(dá)到理想的教學(xué)效果。這樣通過(guò)一個(gè)程序?qū)嵗?，引入課程內(nèi)容，使得學(xué)生的每一步學(xué)習(xí)都有基礎(chǔ)，是循序漸進(jìn)，螺旋式上升的過(guò)程。

2.2 遵循循序漸進(jìn)規(guī)律，精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的過(guò)程中，要采取循序漸進(jìn)思路。首先要讓學(xué)生做最基礎(chǔ)的理解性實(shí)驗(yàn)，通過(guò)這種理解性的實(shí)驗(yàn)來(lái)理解課堂上的理論知識(shí);然后要通過(guò)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，把書上例題和老師講解的例題進(jìn)行系統(tǒng)對(duì)比驗(yàn)證，從而達(dá)到理解和掌握程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟，達(dá)到自己可以靈活設(shè)計(jì)習(xí)題程序的目的;最后設(shè)計(jì)一個(gè)把過(guò)程設(shè)計(jì)和算法設(shè)計(jì)整合在一起的實(shí)驗(yàn)，逐漸地提高學(xué)生實(shí)踐和應(yīng)用能力，另外實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)還要具有一定的趣味性。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)案例時(shí)應(yīng)將知識(shí)點(diǎn)融入進(jìn)去，讓學(xué)生在實(shí)踐中鍛煉自己的思維，在對(duì)問(wèn)題思索中形成習(xí)慣和興趣。

3 案例設(shè)計(jì)實(shí)例

設(shè)計(jì)程序打印輸出如下螺旋方陣(見(jiàn)圖1)。

圖1 打印輸出螺旋方陣

3.1 案例分析

由上例直觀可知，以順時(shí)針?lè)较驈耐鈬_(kāi)始遞增的填充矩陣，每填充一個(gè)外圍，問(wèn)題即被分解為與此相同更小的問(wèn)題，重復(fù)地從外圍填充相應(yīng)子矩陣，即可完成。

設(shè)原問(wèn)題為N 階的螺旋方陣，起始值為ns，終止值為N* N，則矩陣也為N 階的矩陣，起始行為rows，起始列為cols.

遞歸開(kāi)始:

第一步:從映射矩陣的第一行開(kāi)始開(kāi)始向右填充n 個(gè)螺旋方陣中的值(從傳入的起始值開(kāi)始，值遞增變化)。

第二步:從映射矩陣的最后一列第二行開(kāi)始向下填充n －1 個(gè)螺旋方陣中的值(值遞增變化)。

第三步:從映射矩陣的最后一行最后一列開(kāi)始向左填充n －1 個(gè)螺旋方陣中的值(值遞增變化)。

第四步:從映射矩陣的倒數(shù)第二行第一列開(kāi)始向左填充n －2 個(gè)螺旋方陣中的值(值遞增變化)。

此時(shí)矩陣的最外圍被填充完畢，原問(wèn)題轉(zhuǎn)化為n － 2階的螺旋方陣，最小值為ns(一直遞增變化)，最大值為N* N，則映射矩陣也為n －2 階的矩陣，起始行為rows +1，起始列為cols +1 的子問(wèn)題，遞歸地解決子問(wèn)題，直到傳入的螺旋矩陣起始值大于或者等于終止值時(shí)，遞歸調(diào)用結(jié)束，函數(shù)退出，問(wèn)題解決。過(guò)程如下圖2 所示。

圖2 遞歸步驟圖

3.2 實(shí)際數(shù)據(jù)運(yùn)行

3.3 案例總結(jié)

上面案例的圖案非常有趣，教師可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行抽象思維，很容易理解螺旋矩陣算法，代碼實(shí)現(xiàn)將數(shù)組、函數(shù)、數(shù)組做函數(shù)參數(shù)、循環(huán)、條件語(yǔ)句、及遞歸有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。在布置實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以讓學(xué)生進(jìn)行反螺旋輸出如下圖案(見(jiàn)圖3)，這樣可以讓學(xué)生舉一反三，提高對(duì)實(shí)際問(wèn)題的解決能力。

圖3 輸出結(jié)果圖

4 結(jié) 語(yǔ)

如何提高學(xué)生利用c 語(yǔ)言解決實(shí)際問(wèn)題的能力，使學(xué)生的計(jì)算思維得到有效的培養(yǎng)，是擺在我們大多數(shù)計(jì)算機(jī)C 語(yǔ)言教學(xué)老師面前的一大難題。我們認(rèn)為教師只有根據(jù)教材、課時(shí)及教學(xué)計(jì)劃精心設(shè)計(jì)有趣的教學(xué)案例，將書本上的知識(shí)點(diǎn)，融于實(shí)例之間，并進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)，才能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，潛移默化地誘導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思維訓(xùn)練，提高學(xué)生對(duì)實(shí)際問(wèn)題的抽象能力。

［1］譚浩強(qiáng).C 程序設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2001.

［2］邱建林，王 波.計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言教學(xué)的探索［J］.牡丹江大學(xué)學(xué)報(bào)，2001(4):14 －15.

［3］胡 楓.C 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)6 的案例式教學(xué)的設(shè)計(jì)［J］.青海師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2012(4):48 －51.

［4］高 紅.開(kāi)設(shè)自主性實(shí)驗(yàn) 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2001(12):60 －62.

［5］耿國(guó)華.程序設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)模式的探索與實(shí)踐［J］.中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2009(3):30 －32.