C程序設(shè)計(jì)課程案例教學(xué)內(nèi)容研究與實(shí)踐

楊琦　張曉月　韓鑫

摘? 要：針對(duì)傳統(tǒng)C語言課程案例教學(xué)內(nèi)容不足的問題，分析開設(shè)C程序設(shè)計(jì)課程案例教學(xué)的重要意義，提出以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)、以項(xiàng)目為導(dǎo)向的程序設(shè)計(jì)案例教學(xué)方案，并結(jié)合教學(xué)案例說明程序設(shè)計(jì)的案例教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：程序設(shè)計(jì)；案例教學(xué)；EasyX庫；A*算法；搜索算法

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2023）12-0112-04

Abstract： In view of the shortcomings of traditional C programming teaching， this paper analyzes the significance of setting up C programming case teaching， and puts forward a experimental-based and project-oriented teaching scheme of C programming. Combined with the teaching cases， the teaching effect of programming is illustrated.

Keywords： programming; case teaching; EasyX; A* algorithm; search algorithm

C程序設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)專業(yè)和一些非計(jì)算機(jī)專業(yè)（如數(shù)學(xué)、數(shù)理基科班等院系與專業(yè)）的重要基礎(chǔ)。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，C程序設(shè)計(jì)對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用的設(shè)計(jì)和實(shí)踐工作起到非常重要的作用。C語言程序設(shè)計(jì)則是程序設(shè)計(jì)者的入門語言。C語言不僅可以幫助其學(xué)習(xí)其他的計(jì)算機(jī)語言，如JAVA語言、Python語言等，還能設(shè)計(jì)高級(jí)的應(yīng)用軟件，硬件對(duì)C語言的能力要求更高。目前很多高校都將C語言作為程序設(shè)計(jì)入門課程，但C語言標(biāo)準(zhǔn)中不包括有關(guān)圖形界面等高級(jí)編程技術(shù)的內(nèi)容，這在很大程度上限制了學(xué)生利用C編程解決問題的能力，使學(xué)生在學(xué)習(xí)完該課程之后，僅能編寫控制臺(tái)窗口的命令行程序。

EasyX是針對(duì)C/C++的圖形庫，可以幫助C語言初學(xué)者快速學(xué)習(xí)圖形和游戲編程。比如，可以用VC+EasyX快速地用幾何圖形畫一個(gè)迷宮背景，或者一個(gè)可以上下移動(dòng)的小人，可以編寫五子棋、捉放曹和飛行棋等小游戲，可以練習(xí)圖形學(xué)的各種算法，等等。EasyX庫與OpenGL相比，其學(xué)習(xí)成本低得多，非常適合本次的游戲開發(fā)。

一? 設(shè)計(jì)C程序設(shè)計(jì)案例教學(xué)的意義

對(duì)于大學(xué)一年級(jí)的學(xué)生而言，在學(xué)習(xí)C語言基礎(chǔ)之后，進(jìn)一步利用C語言進(jìn)行游戲開發(fā)，可以彌補(bǔ)C語言學(xué)習(xí)的短板，認(rèn)知軟件項(xiàng)目開發(fā)需要知識(shí)、技術(shù)和技能，并深刻理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與尋路算法在程序開發(fā)中的應(yīng)用。

（一）? 增加C語言教學(xué)內(nèi)容

在C#、VB.NET和Java等語言中，圖形界面設(shè)計(jì)都是編程的重要組成部分。將圖形界面和圖形圖像兩方面的編程技術(shù)統(tǒng)稱為圖形化編程。而一般的C語言程序設(shè)計(jì)課程中卻不包含這部分內(nèi)容，不能不說這是一種遺憾。本課程使用C語言和EasyX庫相結(jié)合來完成游戲中動(dòng)畫的制作、圖像的處理，彌補(bǔ)了C語言無圖形化編程的遺憾。

（二）? 認(rèn)知軟件項(xiàng)目開發(fā)需要知識(shí)、技術(shù)和技能

軟件開發(fā)流程是軟件設(shè)計(jì)思想和方法的一般過程。軟件開發(fā)流程具體的實(shí)施步驟如下：先對(duì)軟件進(jìn)行需求分析，了解所要開發(fā)的軟件的具體功能；然后對(duì)概要進(jìn)行設(shè)計(jì)，如系統(tǒng)的基本處理流程等；其次，對(duì)算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)；再次，程序員對(duì)上述所描述的需求和設(shè)計(jì)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，并對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試，以便最大地滿足顧客的需求；最后還需要對(duì)軟件進(jìn)行維護(hù)、升級(jí)處理與報(bào)廢處理。通過本課程迷宮游戲項(xiàng)目的訓(xùn)練，可使學(xué)生對(duì)軟件開發(fā)有更深刻的理解。

（三）? 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與尋路算法在程序開發(fā)中的應(yīng)用

本次課程要開發(fā)的游戲可以由玩家直接操作，也含有AI模塊。AI模塊中用得最多的是尋路算法，而本次游戲AI設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)就是高效找到最短路徑。而AI的開發(fā)中尋路算法必不可少，本次項(xiàng)目主要利用A*搜索算法來搜索最短路徑，這一算法在游戲AI的開發(fā)中被廣泛應(yīng)用，是一種常用的啟發(fā)式算法，掌握此方法有助于今后的學(xué)習(xí)與開發(fā)。

二? 優(yōu)化C程序設(shè)計(jì)案例教學(xué)的方案

C語言程序設(shè)計(jì)課程案例教學(xué)主要講授利用C語言進(jìn)行迷宮游戲開發(fā)，學(xué)生需要具有一定的C語言基礎(chǔ)。如果學(xué)生已經(jīng)具備了較好的C語言基礎(chǔ)，那么可以在后續(xù)課程中直接講解與游戲開發(fā)相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，如背景的繪制、圖像的顯示、定時(shí)器、背景音樂的添加和A*搜索算法等內(nèi)容。由于C語言的基礎(chǔ)知識(shí)和游戲開發(fā)的知識(shí)點(diǎn)較多，若放入一門課程中，會(huì)使任務(wù)難以完成。本課程的案例教學(xué)方案是通過優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、加強(qiáng)實(shí)踐訓(xùn)練和改善考核方法3個(gè)方面來提高學(xué)生軟件開發(fā)的能力。

（一）? 程序設(shè)計(jì)案例教學(xué)課程的時(shí)間安排

案例教學(xué)每期實(shí)訓(xùn)10天，共2周的時(shí)間，周六周日正常休息。每天的作息時(shí)間為上午8：30—11：30，下午1：00—4：00，每天共6個(gè)小時(shí)。

（二）? 制定合適的教學(xué)內(nèi)容

C程序設(shè)計(jì)案例教學(xué)課程給定一個(gè)迷宮游戲，該問題涉及矩陣和最短路徑的尋路算法，學(xué)生以基礎(chǔ)內(nèi)容為模板，在此基礎(chǔ)上靈活創(chuàng)新。該方案既鍛煉學(xué)生的基本能力，又培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。整個(gè)實(shí)踐過程寓教于樂，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣很高。

由于C語言游戲開發(fā)所涉及的教學(xué)內(nèi)容很多，在一門課程中很難完成全部教學(xué)內(nèi)容的講解工作，為此可以將C語言游戲開發(fā)分為兩個(gè)部分。一部分是核心教學(xué)，包括利用EasyX庫進(jìn)行圖形界面設(shè)計(jì)編程、圖像顯示、定時(shí)器編程、背景音樂添加編程和A*搜索算法設(shè)計(jì)；另一部分是靈活設(shè)置內(nèi)容，包括C語言的數(shù)組、函數(shù)、指針和結(jié)構(gòu)體及其他最短路徑尋徑算法的基本知識(shí)?；A(chǔ)內(nèi)容是教學(xué)核心內(nèi)容，是必選的教學(xué)內(nèi)容；靈活內(nèi)容是可選的模塊，根據(jù)學(xué)生編程能力、專業(yè)需求等差異，選擇適當(dāng)?shù)哪K作為教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)核心內(nèi)容中，應(yīng)重點(diǎn)講解以下兩方面的內(nèi)容。

1? EasyX庫

EasyX是針對(duì)C/C++的圖形庫，對(duì)于C語言的初學(xué)者而言，EasyX上手速度快，并且能在圖形和游戲方面進(jìn)行編程。例如，俄羅斯方塊、迷宮等小游戲就可以利用VC+EasyX進(jìn)行編寫，通過編寫這些游戲程序，也可以對(duì)圖形中的相關(guān)算法進(jìn)行練習(xí)。

本次游戲開發(fā)以VS2019為編譯環(huán)境，相應(yīng)的EasyX庫為“EasyX庫2019冬至版”，如果編譯環(huán)境為VS2015以上版本，則需要下載其他版本。EasyX庫的安裝可以選擇安裝文件自動(dòng)安裝，若自動(dòng)安裝失敗，則需要手動(dòng)配置。

2? A*搜索算法

本次課程的重點(diǎn)在于利用C語言和EasyX庫開發(fā)迷宮游戲，尋路算法必不可少，該游戲開發(fā)主要用到的是A*搜索算法。A*搜索算法是一種靜態(tài)路網(wǎng)中求解最短路徑最有效的直接搜索方法，能夠解決很多搜索類的問題。該算法對(duì)距離的估算和實(shí)際距離值很接近，搜索速度也很快。該算法的公式表示為f（n）=g（n）+h（n），式中：f（n）指從初始節(jié)點(diǎn)經(jīng)過n個(gè)節(jié)點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的代價(jià)距離；g（n）指從初始節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)n的實(shí)際距離；h（n）指從節(jié)點(diǎn)n到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最佳路徑的估計(jì)距離。

（三）? 強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)和工程訓(xùn)練

C語言作為一門程序設(shè)計(jì)課程不僅需要純理論教學(xué)，也需要足夠的上機(jī)練習(xí)。如果想達(dá)到更好的教學(xué)效果，需要將實(shí)踐環(huán)節(jié)分成3個(gè)層次，即基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、項(xiàng)目重建和修改及最終考核。其中，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是C語言課程學(xué)習(xí)的基本內(nèi)容，需要在課程本身的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)內(nèi)完成。這些實(shí)驗(yàn)涉及背景的繪制、圖像顯示、鍵盤的響應(yīng)、定時(shí)器、添加背景音樂和A*搜索算法編程實(shí)現(xiàn)。

項(xiàng)目重建和修改是讓學(xué)生基于教師的原程序，修改或擴(kuò)展部分功能，增加一些新功能。學(xué)生需要獨(dú)自完成項(xiàng)目的重建，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)難度偏中等。通過教師在課堂上講解實(shí)驗(yàn)之后學(xué)生獨(dú)自實(shí)現(xiàn)，并采用實(shí)驗(yàn)課答疑的方式完成疑難解答，通過這種模式的教學(xué)，學(xué)生可以熟悉整個(gè)小型軟件開發(fā)過程，包括最初的模塊設(shè)計(jì)、代碼編寫及代碼的調(diào)試。

最終考核是以實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練為主的實(shí)踐環(huán)節(jié)，模仿實(shí)踐軟件開發(fā)過程，一般由3～4人一組，完成一個(gè)小型軟件項(xiàng)目。本次C程序設(shè)計(jì)案例教學(xué)課程的最終考核是按小組設(shè)計(jì)完成一個(gè)迷宮游戲。每個(gè)小組可進(jìn)行獨(dú)特地創(chuàng)新，使迷宮游戲具有獨(dú)特性。最終由每個(gè)小組選派代表進(jìn)行PPT的講解，展示本小組的作品成果，展示方式可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示游戲或者錄制視頻。

（四）? 改進(jìn)課程考核方法

最終提交的游戲項(xiàng)目功能完整，項(xiàng)目演示無錯(cuò)誤，代碼書寫規(guī)范。游戲必須完成模板給定的基本功能，此外還需要有自己的創(chuàng)新，例如添加新的關(guān)卡，不同的背景圖、人物圖和游戲方式等，最終考核成績(jī)將根據(jù)基本功能的完成度與程序中的創(chuàng)新點(diǎn)給出。每一位學(xué)生的成績(jī)將根據(jù)其完成的工作結(jié)合小組項(xiàng)目成績(jī)給出。

程序設(shè)計(jì)課程的考核方式是平時(shí)成績(jī)和最后考核的加權(quán)平均，其中平時(shí)成績(jī)占30%，最后考核占70%。平時(shí)成績(jī)包括日志書寫、隨堂作業(yè)和出勤率，這些考查主要用于督促學(xué)生的日常學(xué)習(xí)。

學(xué)生的最終評(píng)分是以小組為單位完成的，組長(zhǎng)最終以PPT的形式向所有師生報(bào)告。每個(gè)小組的成績(jī)由學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)成績(jī)和教師的打分成績(jī)綜合評(píng)價(jià)，教師根據(jù)小組成員的表現(xiàn)和每個(gè)小組成員的背靠背貢獻(xiàn)率，得到每個(gè)學(xué)生的實(shí)踐成績(jī)。在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的幫助下，學(xué)生的評(píng)分過程可以很快完成。

綜上所述，本課程的教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生基本的游戲開發(fā)能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。這一目標(biāo)應(yīng)反映在評(píng)價(jià)的所有階段。

三? C程序設(shè)計(jì)案例教學(xué)的效果

為了進(jìn)一步完善人才培養(yǎng)體系，深化教學(xué)和課程體系改革，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，加強(qiáng)實(shí)踐教育，促進(jìn)教育國(guó)際化進(jìn)程，學(xué)校決定實(shí)施暑期C程序設(shè)計(jì)案例教學(xué)課程計(jì)劃。該計(jì)劃從2013年開始，對(duì)西安交通大學(xué)建立現(xiàn)代大學(xué)教學(xué)管理體系具有重大而深遠(yuǎn)的意義。經(jīng)過八年的實(shí)踐，取得了較好的教學(xué)成果，改革所帶來的教學(xué)質(zhì)量提升總體上可歸納為以下3點(diǎn)。

（一）? 提高學(xué)生編寫代碼的能力

傳統(tǒng)的C語言教學(xué)存在重視語法教學(xué)，計(jì)算思維和編程能力培養(yǎng)不到位、實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺乏完善的步驟和量化指標(biāo)、考核方式單一及學(xué)生的實(shí)驗(yàn)作業(yè)敷衍了事，甚至存在抄襲等一些問題。這些弊端使學(xué)生對(duì)C語言的學(xué)習(xí)興趣不足，只懂語法，實(shí)踐能力差。通過C程序設(shè)計(jì)案例教學(xué)的課程，既可以鞏固C語言的基礎(chǔ)知識(shí)，提高學(xué)生的編程能力，又可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，提高學(xué)習(xí)興趣。

（二）? 加強(qiáng)學(xué)生軟件模塊化設(shè)計(jì)及算法設(shè)計(jì)能力

傳統(tǒng)的C語言教學(xué)中的上機(jī)題目都是基于具體章節(jié)所設(shè)計(jì)的，對(duì)各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)融合的上機(jī)題目少之又少；而且學(xué)生上機(jī)的題目代碼量較少，對(duì)編程能力的提高促進(jìn)作用較小。通過C程序設(shè)計(jì)的案例教學(xué)課程，讓學(xué)生做迷宮游戲開發(fā)的項(xiàng)目，可以讓學(xué)生靈活應(yīng)用C語言的數(shù)組、函數(shù)、指針和結(jié)構(gòu)等知識(shí)，對(duì)C語言語法有更深的理解，學(xué)生更容易寫出結(jié)構(gòu)模塊化、流程合理的應(yīng)用程序，編寫的程序產(chǎn)生的錯(cuò)誤也更少。通過對(duì)迷宮游戲的制作，對(duì)相關(guān)的算法如A*搜索算法也有了進(jìn)一步的了解。

（三）? 培養(yǎng)學(xué)生對(duì)C語言編程技術(shù)的興趣

目前，學(xué)生接觸到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件或應(yīng)用軟件大多具有美觀、易用的用戶界面，用C語言設(shè)計(jì)的程序界面單調(diào)，操作繁瑣。比較二者，學(xué)生會(huì)有心理上的差距，對(duì)C語言不樂觀。另一方面，掌握和應(yīng)用C語言語法規(guī)則也是學(xué)生學(xué)習(xí)的主要障礙，當(dāng)程序出錯(cuò)時(shí)，甚至要從整個(gè)程序中找出錯(cuò)誤。在這種情況下，如果教師仍然采用傳統(tǒng)的方式組織教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)，盲目地解釋語法，不給出生動(dòng)有趣的例子，學(xué)生將不可避免地失去對(duì)C語言學(xué)習(xí)的興趣和信心。而C程序設(shè)計(jì)案例教學(xué)課程很好地解決了這一問題，通過制作迷宮小游戲這一貼近生活化的問題，老師有針對(duì)性地進(jìn)行指導(dǎo)，以此提升學(xué)生對(duì)編程的興趣。

根據(jù)對(duì)學(xué)生興趣提升的調(diào)查結(jié)果，C程序設(shè)計(jì)案例教學(xué)課程提升了學(xué)生對(duì)編程的興趣，配合EasyX庫很容易制作出迷宮游戲漂亮的界面，插入好聽的音樂，從而增強(qiáng)了學(xué)生的成就感。

四? 課程實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生都能較好地完成自己的案例，開發(fā)出自己的游戲，部分學(xué)生在學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，制作出了很優(yōu)秀的作品。下面以一組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)作品為例來展示學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。學(xué)生完成的項(xiàng)目是迷宮游戲。在實(shí)訓(xùn)課程中，學(xué)生將以團(tuán)隊(duì)的形式進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)過程模擬真實(shí)的開發(fā)環(huán)境，包括項(xiàng)目背景、需求分析、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、代碼編寫及軟件測(cè)試。整個(gè)軟件開發(fā)的流程全部進(jìn)行一遍，每個(gè)學(xué)生都將參與到軟件開發(fā)的過程中，有助于學(xué)生掌握項(xiàng)目分析的基本能力和具體的開發(fā)技術(shù)，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)開發(fā)能力。

有一組學(xué)生將游戲設(shè)置為三種模式：休閑模式、劇情模式和極限模式，以便給玩家?guī)砀玫挠螒蝮w驗(yàn)。1）休閑模式難度較低，迷宮構(gòu)成簡(jiǎn)單，大小也較小，適合玩家在空閑時(shí)休閑娛樂，游戲界面如圖1所示。2）劇情模式難度中等，并且有故事情節(jié)，游戲開始之前，玩家還能選擇自己喜歡的角色。玩家在游戲過程中，一步步去探索未知領(lǐng)域，少許的神秘感與緊張感更能引發(fā)玩家興趣。3）極限模式，難度極高，迷宮圖案錯(cuò)綜復(fù)雜，面積更大，有自動(dòng)尋路功能，還設(shè)有倒計(jì)時(shí)功能，每走一步還會(huì)加速時(shí)間流逝，這樣嚴(yán)苛的條件，極具挑戰(zhàn)性，帶給高玩挑戰(zhàn)極限的樂趣。自動(dòng)尋路A*搜索算法示意圖如圖2所示。

這些作品都是學(xué)習(xí)了10天的非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生制作出的游戲。學(xué)生從一開始對(duì)編程感到畏懼，到后來在課下積極編程，顯著提升了學(xué)生對(duì)程序設(shè)計(jì)的興趣。這種教學(xué)方式為將來給非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生講解程序設(shè)計(jì)提供了優(yōu)秀的借鑒。

五? 結(jié)束語

針對(duì)傳統(tǒng)C語言教學(xué)中不包含圖形界面等高級(jí)編程內(nèi)容，僅能編寫控制臺(tái)窗口的命令行程序和學(xué)生利用C語言編程能力的訓(xùn)練不足等問題，開設(shè)C程序設(shè)計(jì)案例教學(xué)課程無疑是最好的選擇。學(xué)生可通過對(duì)本次課程的實(shí)踐，提高編寫程序的能力、對(duì)軟件的整體開發(fā)過程有一定的把握，并了解相關(guān)搜索算法，提高學(xué)生對(duì)編寫程序的興趣。目前已有1 800多名學(xué)生參加了這個(gè)課程實(shí)驗(yàn)，整體反映良好，學(xué)生對(duì)C程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)內(nèi)容有較高的熱情。

“案例講解+案例改進(jìn)+學(xué)生創(chuàng)作”的教學(xué)模式取得了非常大的成功，將游戲案例開發(fā)流程貫穿課程始終，可以有效提高學(xué)生的軟件開發(fā)能力，解決傳統(tǒng)C程序設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容不足的問題，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

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基金項(xiàng)目：2020年教育部第一批產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“基于云端財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn)基地建設(shè)”（202002159042）；2019年教育部第一批產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“校企融合計(jì)算機(jī)專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式研究與探索”（201901263025）

第一作者簡(jiǎn)介：楊琦（1968-），男，漢族，陜西三原人，碩士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)閳D像處理，人工智能，信息系統(tǒng)。