基于函數(shù)的“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”課程教學(xué)設(shè)計(jì)

魏蕾 耿楠 馮妍

摘? ? 要：“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”課程在計(jì)算機(jī)教學(xué)領(lǐng)域，既是程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)課，也是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法及后續(xù)學(xué)習(xí)的核心基礎(chǔ)課程。對(duì)于這門(mén)課程的學(xué)習(xí)有重要的現(xiàn)實(shí)意義，如考研深造、就業(yè)面試，凡是計(jì)算機(jī)專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)從事軟件開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)架構(gòu)等多項(xiàng)工作，都離不開(kāi)對(duì)“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”思想的理解和應(yīng)用。文章結(jié)合筆者教學(xué)實(shí)踐，提出基于函數(shù)的課程教學(xué)設(shè)計(jì)，探討課程的教學(xué)方法及改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：C語(yǔ)言;函數(shù);教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642.3? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1002-4107（2019）08-0068-02

一、引言

函數(shù)是結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的基本單元。在“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”課程中，函數(shù)的概念貫穿了教學(xué)的始終。從第一個(gè)C語(yǔ)言程序開(kāi)始，包括輸入輸出等，學(xué)生一直在接觸函數(shù)的思想。然而，教材中對(duì)于函數(shù)概念的正式引入比較晚，往往安排在后幾章。筆者在當(dāng)當(dāng)網(wǎng)的書(shū)城上查詢“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)教程”，相關(guān)的書(shū)籍有2444本。按好評(píng)度優(yōu)先排序，排除C++、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、單片機(jī)、二級(jí)教程等干擾，其中，91.3%都是在講授完程序控制結(jié)構(gòu)后，再介紹函數(shù)及指針的概念。其中包括廣泛使用的譚浩強(qiáng)多版C語(yǔ)言教材，也是采用這樣的順序。導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)了很多語(yǔ)法概念，還無(wú)法完整地獨(dú)立編程;沒(méi)來(lái)得及深刻理解程序設(shè)計(jì)的思想，課程已近尾聲;雖然一直都學(xué)習(xí)和使用函數(shù)，卻缺乏對(duì)函數(shù)整體認(rèn)知，遑論建立模塊化的思想;有學(xué)生在main（ ）函數(shù)中寫(xiě)出上千行代碼，以致難以跟蹤調(diào)試代碼錯(cuò)誤;甚至有學(xué)生以高分修完課程，仍不會(huì)以多文件結(jié)構(gòu)的形式來(lái)編寫(xiě)程序，不利于日后合作項(xiàng)目的參與。

因此，函數(shù)內(nèi)容不適宜集中滯后講解。本文提出基于函數(shù)的課程教學(xué)設(shè)計(jì)：（1）探討函數(shù)的本質(zhì)及作用;（2）調(diào)整函數(shù)部分的講授順序，并根據(jù)學(xué)習(xí)行為理論的指導(dǎo)，將函數(shù)內(nèi)容的講授分為三個(gè)階段;（3）針對(duì)函數(shù)部分的知識(shí)點(diǎn)，設(shè)計(jì)教學(xué)案例及教學(xué)方法;（4）根據(jù)筆者的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出幾點(diǎn)教學(xué)過(guò)程中的體會(huì)。

二、函數(shù)的本質(zhì)

程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，隨著現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的復(fù)雜化，解決問(wèn)題的代碼也會(huì)越來(lái)越長(zhǎng)。長(zhǎng)程序開(kāi)發(fā)比較困難，不易閱讀和修改，對(duì)于同類型問(wèn)題重復(fù)寫(xiě)代碼，增大了工作量。依照結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思想，處理問(wèn)題的原則是自頂向下設(shè)計(jì)，逐步求精;按功能把程序劃分為多個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的模塊;模塊之間的關(guān)系盡可能簡(jiǎn)單，功能上相對(duì)獨(dú)立。這里的模塊就是函數(shù)，通常是指抽取并封裝具有獨(dú)立功能的代碼段，形成程序中可以被反復(fù)調(diào)用的獨(dú)立實(shí)體。

函數(shù)是結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)工具，是C語(yǔ)言源程序的基本單位，也是代碼復(fù)用的重要方法。基于“高內(nèi)聚，低耦合”的設(shè)計(jì)原則，應(yīng)用程序在開(kāi)發(fā)過(guò)程中通常會(huì)進(jìn)行模塊劃分，在設(shè)計(jì)好模塊間接口的情況下可以將模塊分配給多個(gè)人員實(shí)現(xiàn)。常用的基礎(chǔ)功能模塊可以封裝為函數(shù)，集成到相應(yīng)函數(shù)庫(kù)，項(xiàng)目成員共享。正確有效地利用函數(shù)能夠使復(fù)雜問(wèn)題更容易理解，增強(qiáng)代碼的重用性，有利于提升代碼質(zhì)量并提高開(kāi)發(fā)效率，促進(jìn)了代碼的標(biāo)準(zhǔn)化。

三、教學(xué)設(shè)計(jì)

函數(shù)部分的傳統(tǒng)教學(xué)，往往圍繞著函數(shù)概念，函數(shù)定義及調(diào)用，函數(shù)參數(shù)傳遞，函數(shù)返回值等幾方面展開(kāi)[1]，最后再給出應(yīng)用實(shí)例。這種安排，由簡(jiǎn)入繁的講解循序漸進(jìn)，但如前所述，過(guò)多過(guò)早灌輸語(yǔ)法概念，學(xué)生對(duì)于算法設(shè)計(jì)和編程思路，缺乏整體認(rèn)知，難窺全貌。因此，調(diào)整函數(shù)的授課順序：學(xué)生初步理解數(shù)據(jù)類型概念并掌握運(yùn)算符用法后，開(kāi)展函數(shù)部分教學(xué)，即把函數(shù)內(nèi)容提前至程序控制結(jié)構(gòu)前講授，之后，再將函數(shù)思想融入后續(xù)章節(jié)中，達(dá)到融會(huì)貫通。這樣，函數(shù)設(shè)計(jì)的思想可以貫穿在教學(xué)整個(gè)過(guò)程的始終，也符合學(xué)習(xí)過(guò)程的螺旋式結(jié)構(gòu)，便于學(xué)生對(duì)知識(shí)的進(jìn)一步理解、應(yīng)用及升華。

美國(guó)教育心理學(xué)家布魯納關(guān)于學(xué)習(xí)行為的理論，把學(xué)習(xí)新知識(shí)的行為分為三個(gè)過(guò)程，包括知識(shí)的獲取、轉(zhuǎn)換及評(píng)估[2]。據(jù)此，筆者把函數(shù)部分的教學(xué)也分為三個(gè)過(guò)程：函數(shù)概念的引入、函數(shù)思想的理解和運(yùn)用、函數(shù)知識(shí)的滲透。

（一）函數(shù)概念的引入

函數(shù)部分，理論性和實(shí)踐性較強(qiáng)。如果一開(kāi)始就講解語(yǔ)法概念，易降低學(xué)生的求知欲。新知識(shí)的獲取，是對(duì)先驗(yàn)知識(shí)的凝練。學(xué)生接觸到新的知識(shí)范疇，會(huì)按自己經(jīng)驗(yàn)，去匹配和對(duì)照，在頭腦里組成有規(guī)律的結(jié)構(gòu)。筆者首先用啟發(fā)法，引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想到熟悉的數(shù)學(xué)函數(shù)，如sin（ ）、cos（ ）函數(shù)，從而引入C語(yǔ)言中的函數(shù)。再用類比法，加以區(qū)別：數(shù)學(xué)函數(shù)強(qiáng)調(diào)自變量x和因變量y之間的映射關(guān)系，而程序中的函數(shù)強(qiáng)調(diào)按功能劃分模塊。此處，就函數(shù)名稱，輸入，輸出，功能獨(dú)立，代碼封裝展開(kāi)論述，使學(xué)生對(duì)函數(shù)有初步印象。

按照模塊化程序設(shè)計(jì)的思想，具體問(wèn)題具體分析，幫助學(xué)生樹(shù)立函數(shù)設(shè)計(jì)的思想。

1.提出問(wèn)題。設(shè)計(jì)一個(gè)綜合引例。筆者選用簡(jiǎn)易學(xué)生成績(jī)管理系統(tǒng)。講解時(shí)盡量避免涉及具體語(yǔ)法，單純從功能劃分的角度來(lái)引入。

2.分析問(wèn)題。按照結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思想，把大任務(wù)分解成為多個(gè)功能獨(dú)立的小模塊。學(xué)生成績(jī)管理系統(tǒng)按照計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的過(guò)程可以分為三步：獲取數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)輸出。在這里，可以借助程序結(jié)構(gòu)圖來(lái)厘清思路。初步根據(jù)問(wèn)題規(guī)模，估計(jì)程序大小，并根據(jù)功能劃分模塊。結(jié)合數(shù)據(jù)的特性，再對(duì)模塊進(jìn)行細(xì)化，完成函數(shù)設(shè)計(jì)。通過(guò)引例，學(xué)生初步了解函數(shù)的作用：封裝及代碼重用。

3.解決問(wèn)題。搭建程序框架，再設(shè)計(jì)算法并優(yōu)化。在該階段，要求學(xué)生模仿函數(shù)框架寫(xiě)代碼。通過(guò)引例，學(xué)生直觀感受模塊化程序設(shè)計(jì)的流程，體會(huì)函數(shù)的重要性，并重新發(fā)現(xiàn)自己的知識(shí)狀況，促進(jìn)、改造現(xiàn)有的知識(shí)結(jié)構(gòu)，并且在此基礎(chǔ)上修正和發(fā)現(xiàn)新的學(xué)習(xí)，同時(shí)還能增強(qiáng)學(xué)習(xí)的興趣和信心。

（二）函數(shù)思想的理解及運(yùn)用

學(xué)習(xí)知識(shí)的目的不僅是學(xué)習(xí)具體內(nèi)容，而是通過(guò)學(xué)習(xí)過(guò)程，掌握學(xué)習(xí)方法和技巧，并靈活運(yùn)用新知識(shí)。即學(xué)習(xí)行為的第二過(guò)程，知識(shí)的轉(zhuǎn)換和遷移。學(xué)生對(duì)函數(shù)思想的理解和運(yùn)用是按照先驗(yàn)及對(duì)現(xiàn)有知識(shí)的理解，掌握新知識(shí)使之適應(yīng)新任務(wù)的過(guò)程。

繼而，通過(guò)一些簡(jiǎn)單問(wèn)題，啟發(fā)學(xué)生積極思考。由學(xué)生設(shè)計(jì)函數(shù)，逐步導(dǎo)出函數(shù)的名稱、返回值，參數(shù)傳遞，原型等語(yǔ)法基礎(chǔ)知識(shí)，如表1。

（三）函數(shù)知識(shí)的滲透

學(xué)習(xí)行為的第三過(guò)程，知識(shí)評(píng)估。掌握函數(shù)概念和語(yǔ)法后，核實(shí)所學(xué)函數(shù)知識(shí)能否解決現(xiàn)有問(wèn)題，還欠缺哪些知識(shí)。對(duì)照引例，在后續(xù)章節(jié)如指針、數(shù)組、文件等內(nèi)容的教學(xué)中，逐步滲透函數(shù)思想和應(yīng)用。使學(xué)生明確函數(shù)與其他部分間的聯(lián)系，并進(jìn)行深入研究和探討。通過(guò)教學(xué)，學(xué)生了解并接受模塊化程序設(shè)計(jì)流程：根據(jù)實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，確定程序框架，自頂向下，逐步細(xì)化;能夠綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，編寫(xiě)出有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的程序。學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)感越強(qiáng)，就能夠高密度長(zhǎng)時(shí)間地學(xué)習(xí)而不覺(jué)得倦怠。這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)不僅能夠提高學(xué)生的積極性，更能有效引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)并掌握學(xué)習(xí)的方法。

學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)，掌握技能的過(guò)程不可能一蹴而就，需要日積月累，循序漸進(jìn)。在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)考慮學(xué)生的認(rèn)識(shí)水平和學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知行為和潛能，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，發(fā)散思維。

四、教學(xué)實(shí)踐中的幾點(diǎn)體會(huì)

1.適當(dāng)使用程序結(jié)構(gòu)圖，有助于學(xué)生理解程序的結(jié)構(gòu)。程序結(jié)構(gòu)圖PSD（Program Structure Diagram），是描述程序結(jié)構(gòu)的圖示，一般由構(gòu)成程序的要素和表達(dá)各要素之間關(guān)系的連線或方向箭頭構(gòu)成[3]。傳統(tǒng)程序流程圖動(dòng)態(tài)反映一個(gè)模塊內(nèi)部程序的執(zhí)行順序和具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，PSD則能靜態(tài)地體現(xiàn)程序的整體思路，彌補(bǔ)了前者程序結(jié)構(gòu)不清晰的不足，更好體現(xiàn)模塊化思想，模塊間調(diào)用關(guān)系。

2.充分利用 Debug分析跟蹤技術(shù)，有助于學(xué)生深入觀察變量的存儲(chǔ)，程序的流程控制，數(shù)組及函數(shù)的調(diào)用及指針的指向。學(xué)生學(xué)會(huì)使用調(diào)試工具后，就能通過(guò)單步運(yùn)行、跟蹤和跳出;設(shè)置斷點(diǎn)、增加監(jiān)視、查看變量及表達(dá)式的值等有效手段逐步發(fā)現(xiàn)程序中的邏輯錯(cuò)誤和運(yùn)行錯(cuò)誤，獨(dú)立分析和解決問(wèn)題，增強(qiáng)了調(diào)試程序的信心及編程的興趣。

3.課程考核，不僅僅片面考查學(xué)生知識(shí)點(diǎn)的掌握，還需考核學(xué)生理解并綜合運(yùn)用程序設(shè)計(jì)思想，獨(dú)立、創(chuàng)新解決問(wèn)題的能力。筆者所在教學(xué)課組，采用了“平時(shí)成績(jī)+實(shí)驗(yàn)技能+創(chuàng)新思維+期末機(jī)試”的多元化考核方式。在機(jī)試考核中，摒棄了學(xué)生強(qiáng)識(shí)硬記就能得分的客觀題，全部采用編程題來(lái)測(cè)試，大大改善了教與學(xué)，學(xué)生的編程能力及計(jì)算思維能力有顯著提高。

總之，筆者結(jié)合“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”課程教學(xué)中的經(jīng)驗(yàn)，以學(xué)習(xí)行為理論為指導(dǎo)，提出了基于函數(shù)的教學(xué)設(shè)計(jì)，并探討了教學(xué)方法的改進(jìn)。實(shí)踐證明，本文給出的教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)改革是可行的，對(duì)于提高學(xué)生的理論認(rèn)知、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和編程實(shí)踐能力，具有十分深遠(yuǎn)的意義。

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