彭旭東 王成霞 萬(wàn) 紅 王海燕 李 可

（天津理工大學(xué)，天津 300384）

C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

彭旭東 王成霞 萬(wàn) 紅 王海燕 李 可

（天津理工大學(xué)，天津 300384）

C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)是目前高校很多非計(jì)算機(jī)專業(yè)開設(shè)的必修課。學(xué)習(xí)該課程，目的是培養(yǎng)學(xué)生使用和操作計(jì)算機(jī)的綜合能力，進(jìn)而培養(yǎng)計(jì)算思維。為此，針對(duì)多數(shù)學(xué)生的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，從參與者的態(tài)度、實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)題目三個(gè)方面探討了對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的改革，取得了比較好的效果。

實(shí)踐能力；C程序設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

目前，我國(guó)高校面向非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生開設(shè)的程序設(shè)計(jì)類課程主要是C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)。該課程既適合培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，也適合培養(yǎng)計(jì)算思維。

一、計(jì)算思維與研究現(xiàn)狀

計(jì)算思維的概念由美國(guó)周以真教授于2006年提出：“計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類的行為?！浔举|(zhì)是抽象和自動(dòng)化。抽象是通過(guò)簡(jiǎn)化、轉(zhuǎn)換、遞歸、嵌入等方法，將一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題轉(zhuǎn)換成許多簡(jiǎn)單的子問(wèn)題并進(jìn)行求解的過(guò)程，……自動(dòng)化是充分利用計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力來(lái)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題求解，……因此計(jì)算思維是一種形式規(guī)整、問(wèn)題求解和人機(jī)共存的思維[1]?！?010年在西安交通大學(xué)舉辦了首屆“九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)課程研討會(huì)”，會(huì)上提出，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)是計(jì)算思維能力的培養(yǎng)[2]。

為了更好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和計(jì)算思維，許多教師從多個(gè)方面對(duì)程序設(shè)計(jì)課程進(jìn)行了改革。黃靜等借鑒任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法來(lái)構(gòu)建程序設(shè)計(jì)的教學(xué)模式[3]。喬淑云等提出在教學(xué)中采用大班授課小班實(shí)驗(yàn)的方式，制訂低起點(diǎn)、小坡度、快節(jié)奏、高標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)策略，靈活運(yùn)用多種教學(xué)方法進(jìn)行授課[4]。劉光蓉提出把實(shí)驗(yàn)分為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和綜合型實(shí)驗(yàn)，規(guī)范了預(yù)習(xí)、教師輔導(dǎo)、學(xué)生思考、總結(jié)、考核評(píng)價(jià)機(jī)制等各個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)[5]。陳杰華等強(qiáng)調(diào)了實(shí)驗(yàn)對(duì)于程序設(shè)計(jì)的重要性，提出把實(shí)驗(yàn)分為驗(yàn)證類、應(yīng)用類和創(chuàng)新類[6]。蔡潔等規(guī)范了程序設(shè)計(jì)與開發(fā)方法、程序調(diào)試技術(shù)，提供輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)資源，安排小班討論課和綜合實(shí)訓(xùn)課，鼓勵(lì)學(xué)生展示和講解自己的程序[7]。此外，陳杰華、蔡潔等都建議實(shí)驗(yàn)題目增加趣味性和綜合性，并鼓勵(lì)學(xué)生采用多種方法解決問(wèn)題[6-7]。

二、教學(xué)現(xiàn)狀

由于本校C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)采用大班教學(xué)，再加上原教學(xué)大綱中沒(méi)有明確提出培養(yǎng)計(jì)算思維的要求，所以課程結(jié)束后，多數(shù)學(xué)生不但缺乏計(jì)算思維，實(shí)踐動(dòng)手能力不理想，成績(jī)也普遍比較低。即使少數(shù)學(xué)生能夠建立起計(jì)算思維，也會(huì)因?yàn)槿鄙傧到y(tǒng)訓(xùn)練而無(wú)法保證其實(shí)際水平。經(jīng)驗(yàn)表明，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的典型問(wèn)題包括如下四種。

1.注重機(jī)械記憶程序，忽略實(shí)際應(yīng)用

此類學(xué)生能夠記憶并簡(jiǎn)單模仿教師的程序，能夠比較順利地完成與例題相似的題目，取得比較理想的成績(jī)，但不能快速解決與例題差別比較大的題目。

2.注重知識(shí)的學(xué)習(xí)，忽略動(dòng)手能力的培養(yǎng)

此類學(xué)生主要通過(guò)閱讀、書寫等方式來(lái)學(xué)習(xí)，很少編寫程序和調(diào)試程序。所以，他們能夠讀懂部分相對(duì)簡(jiǎn)單的程序，但程序設(shè)計(jì)能力和程序調(diào)試能力相對(duì)比較差。

3.注重學(xué)習(xí)概念，忽略設(shè)計(jì)與開發(fā)能力的培養(yǎng)

由于課程的總評(píng)成績(jī)中，基本概念部分的分值比例比較高，程序設(shè)計(jì)部分的分值比例比較低，所以整個(gè)教學(xué)的重點(diǎn)往往會(huì)側(cè)重于學(xué)習(xí)和掌握基本概念。受此影響，部分學(xué)生會(huì)減少設(shè)計(jì)程序、調(diào)試程序方面的訓(xùn)練。這些學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力比較差。

4.產(chǎn)生畏難情緒，放棄學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)

C語(yǔ)言及其開發(fā)工具都是針對(duì)具有一定基礎(chǔ)的用戶而設(shè)計(jì)的，所以學(xué)生在學(xué)習(xí)的初期都會(huì)遇到很多困難。這些困難會(huì)讓許多學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒。畏難情緒會(huì)從老生傳遞給新生，也會(huì)在同學(xué)之間傳遞。在傳遞的過(guò)程中，學(xué)生還會(huì)根據(jù)自己在學(xué)習(xí)和調(diào)試程序時(shí)遇到的困難來(lái)證明和放大這種感受。受此影響，最終將有部分學(xué)生喪失學(xué)習(xí)興趣，甚至對(duì)C語(yǔ)言產(chǎn)生排斥和反感情緒。

鑒于這種情況，項(xiàng)目組教師從2013年開始探討有關(guān)教學(xué)改革的方案，從2015年開始選擇本校部分非計(jì)算機(jī)專業(yè)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的教學(xué)班進(jìn)行教學(xué)改革試驗(yàn)，試圖從教學(xué)的角度緩解上述問(wèn)題，同時(shí)摸索訓(xùn)練學(xué)生計(jì)算思維、提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的教學(xué)方法。

三、改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)

通過(guò)研究各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的作用以及學(xué)生的實(shí)際情況，項(xiàng)目組老師認(rèn)為：為了達(dá)到訓(xùn)練目的，需要全面改革每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。限于篇幅，本文僅從參與者及其態(tài)度、實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)題目等方面介紹與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)的改革措施。

1.參與者及其態(tài)度

教師和學(xué)生是教學(xué)活動(dòng)的主要參與者。兩者參與教學(xué)的態(tài)度能夠相互促進(jìn)、相互影響。教師的熱情往往能夠帶動(dòng)學(xué)生參與學(xué)習(xí)的積極性；反之，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情也是教師認(rèn)真教學(xué)的源動(dòng)力。沉浸理論認(rèn)為，當(dāng)人們?cè)谶M(jìn)行某些日?；顒?dòng)時(shí)，能夠完全投入情境當(dāng)中，集中注意力，并且過(guò)濾掉所有不相關(guān)的知覺，進(jìn)入一種沉浸的狀態(tài)[8-9]。因此，在實(shí)驗(yàn)中，教師需要隨時(shí)關(guān)注并調(diào)動(dòng)學(xué)生的參與積極性，盡量讓更多的學(xué)生在更長(zhǎng)的時(shí)間里處于沉浸狀態(tài)。

學(xué)習(xí)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的學(xué)生主要是大學(xué)一年級(jí)的學(xué)生。該年齡段學(xué)生的自我體驗(yàn)具有豐富性、波動(dòng)性、敏感性、情境性等特點(diǎn)，容易受到外界因素影響。例如學(xué)習(xí)方面的挫折、其他同學(xué)（包括往屆學(xué)生）的感受等都會(huì)影響學(xué)生的心理[10]。學(xué)生一旦產(chǎn)生了負(fù)面情緒，在得不到及時(shí)調(diào)整的情況下，就會(huì)很容易出現(xiàn)消極、否定的情感體驗(yàn)，進(jìn)而影響學(xué)習(xí)。因此，教師要在教學(xué)過(guò)程中注意觀察學(xué)生的態(tài)度、學(xué)習(xí)方法、知識(shí)的掌握情況、學(xué)習(xí)能力等各個(gè)方面的表現(xiàn)，及時(shí)表?yè)P(yáng)學(xué)生的優(yōu)點(diǎn)與進(jìn)步；針對(duì)多數(shù)學(xué)生在學(xué)習(xí)方面的共性問(wèn)題，調(diào)整教學(xué)方式、教學(xué)進(jìn)度；對(duì)于個(gè)性化的問(wèn)題，根據(jù)不同的情況進(jìn)行及時(shí)提醒和指導(dǎo)。經(jīng)過(guò)師生的共同努力，學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和積極性普遍好于同專業(yè)的往屆生。

2.實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)

傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中使用的開發(fā)工具往往是Visual C++等專業(yè)開發(fā)工具。經(jīng)驗(yàn)表明，學(xué)生使用專業(yè)開發(fā)工具進(jìn)行學(xué)習(xí)會(huì)遇到許多困難，其中主要包括如下幾類。

第一，不能理解開發(fā)工具的提示信息。專業(yè)開發(fā)工具的界面、程序的各種錯(cuò)誤信息和警告信息等通常都是英文的，而且其中還會(huì)使用很多術(shù)語(yǔ)和縮寫。由于存在語(yǔ)言障礙，多數(shù)學(xué)生都看不明白錯(cuò)誤信息和警告信息。

第二，遇到了開發(fā)工具漏檢的錯(cuò)誤。為了提高效率，專業(yè)開發(fā)工具會(huì)假設(shè)用戶具有一定的基礎(chǔ)，所以它不會(huì)全面檢測(cè)程序中的所有錯(cuò)誤，例如不檢查printf函數(shù)中輸出項(xiàng)的個(gè)數(shù)。而學(xué)生恰恰缺少開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，他們錄入的程序中往往會(huì)包含漏檢的錯(cuò)誤。對(duì)很多學(xué)生來(lái)說(shuō)，發(fā)現(xiàn)和修改程序中被漏檢的錯(cuò)誤，尤其是不影響運(yùn)行結(jié)果的錯(cuò)誤，是件比較困難的事情。

第三，遇到了死循環(huán)等運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤。除數(shù)為0、指針訪問(wèn)錯(cuò)誤、死循環(huán)等很多問(wèn)題都屬于運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤。運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤具有缺乏提示信息、錯(cuò)誤表現(xiàn)形式多樣等特點(diǎn)。學(xué)生在經(jīng)驗(yàn)不足、知識(shí)掌握得也不夠牢固的情況下，很難獨(dú)立解決此類問(wèn)題。

在大班實(shí)驗(yàn)中，受到師生比例的影響，只有少量的問(wèn)題由教師指導(dǎo)解決，大部分問(wèn)題由同學(xué)間討論解決，或者利用教材、筆記、互聯(lián)網(wǎng)等自行解決?？陀^地講，利用討論或者互聯(lián)網(wǎng)解決問(wèn)題不能保證學(xué)習(xí)效率和解答的質(zhì)量。

針對(duì)這種情況，項(xiàng)目組在設(shè)計(jì)本課程實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)CAES時(shí)，設(shè)計(jì)并開發(fā)了C語(yǔ)言小程序解釋器CI。CI針對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)。

第一，錯(cuò)誤和警告的提示信息用英文、中文和中文解釋等三種形式給出。英文提示信息直接取自傳統(tǒng)編譯系統(tǒng)的提示信息，或者參考傳統(tǒng)編譯系統(tǒng)提示信息的形式撰寫。中文提示信息是英文提示信息的中文翻譯。中文解釋是錯(cuò)誤信息的解釋說(shuō)明。三種形式的提示信息既照顧到了培養(yǎng)目標(biāo)，又兼顧了學(xué)生的實(shí)際水平和學(xué)習(xí)習(xí)慣。學(xué)生在調(diào)試程序時(shí)，可以自行選擇查看哪種提示信息。為了督促學(xué)生掌握英文信息，系統(tǒng)對(duì)中文提示信息和中文解釋信息設(shè)置了延時(shí)顯示功能。各種提示信息以及信息的顯示方式的示例如表1所示。

表1 提示信息及信息顯示方式示例

第二，重新定義了“錯(cuò)誤”與“警告”。新的檢測(cè)項(xiàng)目以教學(xué)大綱和C標(biāo)準(zhǔn)99為基礎(chǔ)，增加了對(duì)教學(xué)重難點(diǎn)的檢測(cè)、學(xué)生易錯(cuò)知識(shí)點(diǎn)的檢測(cè)、部分可移植性的檢測(cè)。例如，新增加的警告包括“將整數(shù)賦值給浮點(diǎn)型變量”、“使用空語(yǔ)句作為循環(huán)體”、“使用賦值表達(dá)式作為測(cè)試表達(dá)式”等；新增加的錯(cuò)誤包括“需要使用存儲(chǔ)空間的地址作為scanf函數(shù)的參數(shù)”、“printf函數(shù)輸出項(xiàng)過(guò)少”等。

第三，補(bǔ)充了對(duì)常見運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤的監(jiān)控與處理。監(jiān)控的運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤包括：死循環(huán)、無(wú)法結(jié)束的遞歸、對(duì)內(nèi)存的錯(cuò)誤訪問(wèn)、輸入內(nèi)容與scanf函數(shù)的格式字符串不匹配等。理論上講，死循環(huán)是不可判定的[11]，但教學(xué)程序具有形式簡(jiǎn)單、規(guī)律性強(qiáng)、循環(huán)次數(shù)少等特點(diǎn)，因此CI根據(jù)循環(huán)次數(shù)是否超過(guò)閾值以及內(nèi)存的使用情況來(lái)判定程序是否進(jìn)入死循環(huán)狀態(tài)[12]，并用類似的方法，監(jiān)控遞歸是否結(jié)束。通過(guò)對(duì)內(nèi)存和運(yùn)算符的監(jiān)控，CI能夠發(fā)現(xiàn)各種常見的運(yùn)算時(shí)錯(cuò)誤。一旦檢測(cè)出運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤，CI將終止程序的運(yùn)行、清理內(nèi)存、給出錯(cuò)誤提示信息以及程序中出現(xiàn)錯(cuò)誤的大致位置。

由于CAES針對(duì)初學(xué)者而設(shè)計(jì)，所以在應(yīng)用過(guò)程中降低了對(duì)用戶的要求、提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效率，為學(xué)生掌握基本概念、培養(yǎng)計(jì)算思維提供了必要的保證。

3.實(shí)驗(yàn)題目

實(shí)驗(yàn)題目方面的改革主要包括如下三個(gè)方面。

（1）強(qiáng)調(diào)預(yù)習(xí)

實(shí)驗(yàn)題目包括預(yù)習(xí)部分和實(shí)驗(yàn)部分。預(yù)習(xí)部分包括概念填空、程序填空、程序改錯(cuò)等題型，題目圍繞實(shí)驗(yàn)涉及到的知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)部分主要是編程題，重點(diǎn)訓(xùn)練學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力。

（2）提高要求，降低難度

心理學(xué)上把一個(gè)問(wèn)題分為三部分：給定（givens）、目標(biāo)（goals）和障礙（obstacles）[10]。對(duì)于特定的題目，給定是學(xué)生已經(jīng)掌握的知識(shí)點(diǎn)，目標(biāo)是題目的最終要求，而障礙則是如何利用給定來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。題目的障礙越多，難度就越大，學(xué)生在完成題目之后的成就感也越大。為了達(dá)到訓(xùn)練目的，適當(dāng)增加了每次實(shí)驗(yàn)中編程題的數(shù)量和難度，同時(shí)為每道題都設(shè)計(jì)了一組要求，每個(gè)要求近似對(duì)應(yīng)一個(gè)障礙。依次完成所有的要求，也就完成了最終的題目。這樣設(shè)計(jì)，降低了題目完成難度，減緩了學(xué)生的畏難心理，增強(qiáng)了自信心和成就感，同時(shí)也訓(xùn)練了學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的能力。

（3）密切聯(lián)系實(shí)際

由于人們存在習(xí)慣定勢(shì)和功能固著的心理特點(diǎn)[10]，所以在實(shí)驗(yàn)題目中補(bǔ)充了一些實(shí)際問(wèn)題。例如計(jì)算積分、矩陣求和、身份確認(rèn)等。這樣設(shè)計(jì)有助于學(xué)生提高學(xué)習(xí)興趣，從實(shí)際應(yīng)用的層面理解概念，開闊思路，提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

四、結(jié)束語(yǔ)

由于本校是按專業(yè)劃分的教學(xué)班，而不同專業(yè)的學(xué)生之間往往存在很大的差異，因此最好比較同一個(gè)專業(yè)的成績(jī)，或者具有比較價(jià)值的不同專業(yè)。筆者在2015年至今的2個(gè)學(xué)年里進(jìn)行了教學(xué)試驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)來(lái)自從2013年至今的4個(gè)學(xué)年共11個(gè)專業(yè)的期末考試成績(jī)。成績(jī)統(tǒng)計(jì)情況如表2所示。

表2 成績(jī)統(tǒng)計(jì)表

總之，為了培養(yǎng)非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐能力以及計(jì)算思維，需要在教育學(xué)、教育心理學(xué)等理論的指導(dǎo)下，改革課程的每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。本文圍繞實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以“高效率掌握基礎(chǔ)，高質(zhì)量訓(xùn)練思維”為宗旨，介紹了調(diào)整師生心態(tài)、實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等方面的改革方案。經(jīng)過(guò)近幾年項(xiàng)目組老師的研究與探索、師生的共同努力，學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力普遍得到了提高，好于往屆同專業(yè)的學(xué)生。

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（責(zé)任編輯：張華凡）

Experimental Teaching of C Programming Language

PENG Xudong,WANG Chengxia,WAN Hong,WANG Haiyan,LI Ke
（Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China）

The C Programming Language is a compulsory course for many non-computer majors in colleges and universities.By studying this course,students’comprehensive abilities of using the computer can be improved,and then their ability of computational thinking can be cultivated.In the light of the present situation of most students’learning of the language,how to reform the experimental teaching is discussed from three aspects:the attitude of the participants,the computer assisted experimental system,and the experimental contents.

practice ability;C programming;experimental teaching

G642.0

彭旭東（1971—），男，副教授，研究方向：計(jì)算機(jī)輔助教育、計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

天津理工大學(xué)教學(xué)基金項(xiàng)目（YB14-09）。