突出案例教學和宏觀概念的函數(shù)教學方法探討

陳圣磊 劉林源 王紅霞

摘要：函數(shù)是c語言程序設計中重要的教學內(nèi)容，在實際教學中發(fā)現(xiàn)學生存在囿于細節(jié)知識、缺乏宏觀視野的問題。提出了突出案例教學和宏觀概念的函數(shù)教學方法，以手機案例引入函數(shù)概念并講解函數(shù)定義與調(diào)用的區(qū)別，強調(diào)建立函數(shù)定義與調(diào)用關(guān)系、參數(shù)傳遞方向這樣一些宏觀概念，提出了理解函數(shù)接口和局部變量概念的新視角，在教學實踐中取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：程序設計;c語言;函數(shù);案例教學;模塊化設計

中圖分類號：G642

文章編號：1009-3044（2019）29-0163-04

函數(shù)是C語言程序設計中非常重要的概念，是進行系統(tǒng)功能抽象從而實現(xiàn)模塊化程序設計的基礎。要求學生掌握函數(shù)的定義與調(diào)用方法、函數(shù)的參數(shù)與返回值、局部變量與全局變量等基礎概念，但是在實際教學中發(fā)現(xiàn)有些同學在學完函數(shù)后，仍然無法區(qū)分函數(shù)定義與函數(shù)調(diào)用，存在對函數(shù)的基本概念理解不夠透徹的問題，也就導致在實際編程中無法靈活運用函數(shù)。

已有不少學者探討了函數(shù)的教學方法，王桂平等從數(shù)學函數(shù)的使用人手，因勢利導地引人函數(shù)的概念，方紅琴等總結(jié)了函數(shù)教學的三個難點，并且從引入環(huán)節(jié)下功夫，起到事半功倍的效果，周百順討論了C語言中函數(shù)分解與定義的原則。這些研究大都強調(diào)了在函數(shù)引入中案例的重要性，但是仍然未能解決對函數(shù)基本概念理解不清的問題。本文提出突出案例教學和宏觀概念的函數(shù)教學方法，在引入函數(shù)概念和講解函數(shù)定義與調(diào)用區(qū)別兩個環(huán)節(jié)采用適當?shù)陌咐o助學生理解，并且強調(diào)建立函數(shù)的宏觀概念，包括函數(shù)要先定義后調(diào)用、參數(shù)從主調(diào)函數(shù)傳遞到被調(diào)函數(shù)等。這里的宏觀概念是相對于具體的語法細節(jié)來說的。另外，提出了理解函數(shù)基本的概念的兩個新視角，即從黑箱角度看待函數(shù)的輸入與輸出，從函數(shù)的獨立性角度理解局部變量。在教學實踐中，突出案例教學，強調(diào)宏觀概念，采用新穎的視角理解函數(shù)中的基本概念，起到了良好的效果。

1為什么需要函數(shù)

C語言課程在函數(shù)之前已經(jīng)講解了變量與數(shù)據(jù)類型、流程控制語句以及數(shù)組的概念，同學已經(jīng)能夠完成計算閏年、迭代求方程的根、對成績排序之類的任務，那么為什么還要講解函數(shù)這個概念呢？

這個問題至關(guān)重要，如果學生能理解為什么需要使用函數(shù)，那就很容易理解后面講解的具體語法格式，否則，學生會陷入具體的語法問題中，不知道自己在干什么，為什么這么做。在實際教學中，可以通過具體的案例來講解使用函數(shù)的必要性。函數(shù)是進行功能抽象從而實現(xiàn)模塊化設計的工具，同時也可以用來減少程序中重復的代碼，因此可以從模塊化程序設計和減少重復代碼需要兩個角度來講解。

1.1模塊化程序設計的需要

在實際教學中，可以結(jié)合2018年中興公司的案例來引入模塊化程序設計。

“2018年上半年美國政府宣布了對中興的禁令，禁止美國公司向中興銷售零部件和相關(guān)技術(shù)，引發(fā)了中興股價大跌。我們知道中興是全世界第四大手機生產(chǎn)商，市值達一千兩百億人民幣，怎么會輕易被美國控制呢？這是因為中興手機使用了美國高通公司的驍龍?zhí)幚砥?，一旦高通公司不再提供處理器，中興就無法繼續(xù)生產(chǎn)手機。

“從這個事件我們可以看到，像中興這樣的廠商無法自己生產(chǎn)手機中的所有零部件，而是需要使用其他公司提供的部件，而且還是核心部件。因此手機的生產(chǎn)是需要全球很多公司的分工與合作才能完成的。當然，分工合作的前提是產(chǎn)品被劃分成很多相對獨立的模塊，只要模塊之間的接口定義好了，每個廠家可以專注于改進模塊內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，提高模塊的性能，而不會對合作的其他公司造成影響。

“那么在程序設計中如何實現(xiàn)分工合作呢？答案就是函數(shù)，一個函數(shù)就是一個模塊，使用函數(shù)就可以實現(xiàn)模塊化程序設計，從而實現(xiàn)程序設計的分工合作。”

這一案例結(jié)合當下熱點新聞，容易激發(fā)學生的興趣。通過類比手機的模塊化生產(chǎn)，引導學生思考如何實現(xiàn)程序的模塊化設計，從而引入函數(shù)的概念。

1.2減少程序中重復代碼的需要

在程序設計中，有時需要多次使用某個功能，就需要多次重復編寫實現(xiàn)該功能的代碼，這使得程序存在冗長、不便于修改的問題。那么如何減少重復代碼呢？

有的同學可能想到是循環(huán)。的確，循環(huán)有減少重復代碼的功能，但這只是針對重復代碼連續(xù)出現(xiàn)的情況。如果代碼是在程序中不同的位置重復出現(xiàn)，則難以用循環(huán)消除重復。因此，有必要引入另一種減少代碼重復的機制，也即是函數(shù)。

在教學實踐中，使用下面的例子來講解如何使用函數(shù)消除重復。在程序Prol中，兩個if語句完成的功能是一樣的，都是從兩個整數(shù)中求出最大值，只不過針對的具體整數(shù)不一樣。由于兩個if語句中間有一個輸入語句，因此無法使用循環(huán)來消除重復。如果把這部分代碼抽象成一個函數(shù)max，功能就是求兩個整數(shù)的最大值，然后在主函數(shù)中兩次調(diào)用max，這就消除了重復代碼，如程序Pr02所示。

通過該實例中兩個程序的對比，學生可以理解函數(shù)是如何減少重復代碼的。同學們對函數(shù)有了這樣一個基本概念后，就很容易理解后續(xù)的語法格式了。

2函數(shù)的定義與調(diào)用

關(guān)于函數(shù)的使用，有兩個最基本的操作，定義與調(diào)用。要求學生一定要弄清定義和調(diào)用的區(qū)別與聯(lián)系，如表1所示。從時間順序來看，這兩個操作是先定義，后調(diào)用。從概念來看，函數(shù)定義就是指明功能是如何一步一步實現(xiàn)的，函數(shù)調(diào)用就是這個功能的一次使用。但是這兩者又需要聯(lián)合起來完成功能的使用，如果只有定義沒有調(diào)用，則該功能永遠都不會被執(zhí)行，如果只有調(diào)用沒有定義，則功能沒有實現(xiàn)，會在連接階段產(chǎn)生錯誤。

為加深對定義與調(diào)用之間關(guān)系的理解，仍然采用手機的案例?！芭e個例子，手機是可以實現(xiàn)通信功能，用戶可以使用手機進行通信。當然在用戶使用之前，要有生產(chǎn)商先把手機生產(chǎn)出來。廠商生產(chǎn)手機需要考慮通信功能如何實現(xiàn)，采用什么協(xié)議，電路如何設計，但是用戶使用手機通信時不需要考慮這些問題，只需要輸入號碼，按撥號按鈕就可以。手機對用戶來說是一個黑箱，即用戶看不到里面的結(jié)構(gòu)，只能通過界面操作手機。

“那么廠商生產(chǎn)手機相當于我們定義一個函數(shù)，用戶使用手機相當于調(diào)用一個函數(shù)。所以函數(shù)要先定義，后使用，這應該就容易理解了。

“在編寫函數(shù)時，我們既是函數(shù)的生產(chǎn)者，又是函數(shù)的使用者，所以要及時在這兩個身份之間轉(zhuǎn)換。作為生產(chǎn)者，就是要關(guān)注函數(shù)的功能如何實現(xiàn)。作為使用者，只需要給定參數(shù)，不需要了解函數(shù)中的功能是如何一步一步實現(xiàn)的。”

當然，這里對區(qū)別與聯(lián)系的講解僅針對函數(shù)最基本的概念，并沒有涉及參數(shù)、返回值等具體語法格式。這主要是為了讓學生建立關(guān)于函數(shù)的宏觀概念，明白函數(shù)先定義后調(diào)用的使用流程。在明確這一宏觀概念的基礎上，后續(xù)教學再逐步細化，這樣才能避免學生一開始就陷人細節(jié)問題中。

3從黑箱角度理解函數(shù)接口

在上述函數(shù)定義與調(diào)用概念的講解中，提到在調(diào)用函數(shù)時要給定參數(shù)。那么，這個參數(shù)又是什么概念呢？

我們知道一個函數(shù)代表一個特定的功能，而一個功能一般都會有輸入和輸出。可以把參數(shù)理解為函數(shù)的輸入，而返回值理解為函數(shù)的輸出。在調(diào)用函數(shù)時，只需知道參數(shù)和返回值的格式即可，無需了解函數(shù)內(nèi)部是怎么實現(xiàn)的，因此函數(shù)就是一個黑箱。同時，調(diào)用函數(shù)時需給定合適的參數(shù)，處理其返回值，因此參數(shù)和返回值就構(gòu)成了函數(shù)的接口。圖2展示了函數(shù)與黑箱的類比，通過這種類比，學生就容易理解參數(shù)的概念。當然，定義函數(shù)時程序員要實現(xiàn)函數(shù)的功能，這時就要關(guān)注函數(shù)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)了。

調(diào)用函數(shù)時要給定參數(shù)，那么在定義函數(shù)時就應該預留空間來保存這些參數(shù)。因此參數(shù)又分為實際參數(shù)和形式參數(shù)。調(diào)用函數(shù)時給定的參數(shù)稱為實際參數(shù)，而定義函數(shù)時預留的存儲空間稱為形式參數(shù)。在調(diào)用函數(shù)時，實際參數(shù)會傳遞給形式參數(shù)，使得被調(diào)用函數(shù)運行時形參具有實際的數(shù)據(jù)。

我們?nèi)匀煌ㄟ^圖1中的程序Pro2來講解函數(shù)的參數(shù)。首先看max函數(shù)的定義。從第一行可以看到，max函數(shù)有兩個參數(shù)x和v，都是整數(shù)類型，一個返回值，也是整數(shù)類型。x和v是在函數(shù)定義中使用的參數(shù)，因此是形式參數(shù)。

那么max函數(shù)實現(xiàn)了什么功能呢？我們可以看到在花括號中，定義了整型變量m，如果x大于v，把x賦值給m。否則，把v賦值給m。這樣，m就是x和v中最大的一個。因此，max函數(shù)的功能就是求兩個整數(shù)的最大值。最后通過return語句返回了這個最大值。

然后我們看主函數(shù)中對max函數(shù)的調(diào)用。首先，第4行由輸入函數(shù)scanf給變量a和b輸入值。第5行使用變量a和b調(diào)用max函數(shù)，并且把返回值賦給變量m1，即a和b的最大值，這里a和b是實際參數(shù)。

從這個例子我們可以看到，首先使用形式參數(shù)x和v定義max函數(shù)，來實現(xiàn)求最大值的功能。然后在主函數(shù)中使用實際參數(shù)a和b調(diào)用max，從而求出了a和b的最大值。

4函數(shù)調(diào)用過程演示

在之前的教學中，同學已了解到C語言的程序總是從主函數(shù)開始執(zhí)行。現(xiàn)在有了自定義函數(shù)后，程序中有了多個函數(shù)，牢記這一點尤為重要。以圖3中的程序為例，程序從主函數(shù)開始執(zhí)行，在主函數(shù)中調(diào)用max函數(shù)。

這里需要分清主調(diào)函數(shù)和被調(diào)函數(shù)的概念。由于是在主函數(shù)中調(diào)用max函數(shù)，因此主函數(shù)是主調(diào)函數(shù)（callingfunction），max函數(shù)是被調(diào)函數(shù)（called function）。當然，主調(diào)函數(shù)并非總是主函數(shù)，比如，如果在max函數(shù)中又調(diào)用了prinff函數(shù)，那么針對這次調(diào)用，max是主調(diào)函數(shù)，printf是被調(diào)函數(shù)。

在調(diào)用函數(shù)max時，程序的流程控制從主函數(shù)轉(zhuǎn)移到了max函數(shù)中，如圖3中虛線①所示，這時實參傳遞給了形參，如圖3中實線①和②所示。被調(diào)函數(shù)執(zhí)行結(jié)束時，控制又從max函數(shù)轉(zhuǎn)移回主函數(shù)中，如圖3中虛線②所示，并且由return語句把最大值返回到調(diào)用的位置，如圖3中實線③所示，賦值給變量m1。

在講解了上述程序調(diào)用過程的細節(jié)后，應當再次強調(diào)，從總體上看，參數(shù)是從主調(diào)函數(shù)傳到被調(diào)函數(shù)，返回值是從被調(diào)函數(shù)返回到主調(diào)函數(shù)。這個參數(shù)傳遞是單向的，僅能從主調(diào)函數(shù)到被調(diào)函數(shù)，而不能反向傳遞。這是由值傳遞決定的，明確這樣一個概念有助于后續(xù)理解指針類型參數(shù)如何實現(xiàn)反向傳遞。

該調(diào)用過程可以通過單步執(zhí)行演示，以觀察控制的轉(zhuǎn)移以及參數(shù)的變化。單步執(zhí)行能夠非常直觀地演示函數(shù)調(diào)用過程，加深同學們的理解。并且，單步執(zhí)行是發(fā)現(xiàn)程序邏輯錯誤的重要手段，有助于培養(yǎng)同學調(diào)試程序的能力。因此，不但要給學生演示，也要求學生在上機中進行實際操作。

之前在單步執(zhí)行時一直在使用step over按鈕，現(xiàn)在可以跟同學們說明stepinto和step out的用法，如圖4所示。如果某行有函數(shù)調(diào)用，那么在這行上點擊step into按鈕會使得控制轉(zhuǎn)移到被調(diào)用函數(shù)中，在被調(diào)函數(shù)中繼續(xù)單步執(zhí)行，而step over按鈕會使得這一行當做一個整體執(zhí)行，然后執(zhí)行下一行。在被調(diào)函數(shù)中執(zhí)行時，可以點擊step over單步執(zhí)行，如果點擊step out，則會結(jié)束當前函數(shù)的單步執(zhí)行，返回到函數(shù)被調(diào)用的位置繼續(xù)執(zhí)行。

5從函數(shù)獨立性角度看待局部變量

函數(shù)是完成特定功能的模塊，提供了參數(shù)和返回值作為與主調(diào)函數(shù)傳遞數(shù)據(jù)的渠道。除此之外，函數(shù)應該是相對獨立的，也就是內(nèi)部的數(shù)據(jù)不應該受外界干擾。因此，函數(shù)內(nèi)部定義的變量默認都是局部的，也就是只能在函數(shù)內(nèi)部訪問，而不能在函數(shù)之外訪問。這就是局部變量。

從這個角度理解局部變量的概念是比較容易的。在實際教學中發(fā)現(xiàn)有些同學在學習了函數(shù)后，會出現(xiàn)在一個函數(shù)中試圖使用另一個函數(shù)中變量的問題?，F(xiàn)在，應該強調(diào)參數(shù)和返回值是函數(shù)與外界傳遞數(shù)據(jù)的渠道，一個函數(shù)中定義的變量是不能在其他函數(shù)中使用的，否則參數(shù)和返回值就失去了意義。

與局部變量相對應的是全局變量。全局變量是在所有函數(shù)之外定義的變量，在變量定義之后的所有函數(shù)中都可以使用。由于全局變量可以在多個函數(shù)中使用，因此也是這些函數(shù)之間共享數(shù)據(jù)（或者傳遞數(shù)據(jù)）的一個渠道。但是由于全局變量破壞了函數(shù)的獨立性，所以不鼓勵過多使用全局變量。

6結(jié)束語

C語言課程有很多的細節(jié)知識，同時又借鑒了很多人類社會組織如何運行的道理，比如函數(shù)是實現(xiàn)模塊化以及分工合作的基礎。本文認為在教學中應該強調(diào)宏觀概念，同時突出案例教學，這樣才能建立整體概念，有助于理解細節(jié)知識。另外，提出了從黑箱角度看待函數(shù)的參數(shù)與返回值，從函數(shù)獨立性角度看待局部變量，這兩個視角能夠加深同學的理解。從實踐來看，這些教學方法起到了良好的效果。