基于Arduino的C語言課程教學(xué)改革的探討

摘要：本文論述了目前高職C語言課程教學(xué)存在的主要問題，針對C語言教學(xué)現(xiàn)狀，嘗試在教學(xué)過程中結(jié)合所教專業(yè)的實(shí)際應(yīng)用引入Arduino項(xiàng)目平臺(tái)。實(shí)踐證明，基于Arduino平臺(tái)的C語言教學(xué)，可以做到理論聯(lián)系實(shí)際，貼近具體專業(yè)的應(yīng)用，大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

關(guān)鍵詞： C語言；Arduino平臺(tái)；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G718 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-864X（2016）09-0166-02

C語言功能強(qiáng)大，編程靈活，表達(dá)能力強(qiáng)，是程序設(shè)計(jì)中的重要工具之一。隨著軟件編程技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，C語言課程已成為高職理工類專業(yè)普遍開設(shè)的一門基礎(chǔ)課程。應(yīng)用電子技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、通信及機(jī)械類等眾多專業(yè)均安排了課時(shí)不等的C語言教學(xué)內(nèi)容。但在長期的教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，C語言是一門難教難學(xué)的科目，特別在高職院校中的教學(xué)效果并不理想。C語言課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式與方法亟需改革。

一、高職C語言課程教學(xué)主要存在的問題

（一）高職學(xué)生基礎(chǔ)薄弱，學(xué)習(xí)積極性不高。

高職院校生源種類多，參差不齊。有些來自春季高考，有些是夏季高考，有些是單獨(dú)招生，還有些是來自中職合作院校。總的來說，大部分學(xué)生的文化課基礎(chǔ)普遍較差，數(shù)學(xué)邏輯思維和英語基礎(chǔ)特別薄弱，而這些方面恰恰是軟件編程人員應(yīng)具備的重要專業(yè)素質(zhì)。另外，高職學(xué)生多數(shù)缺乏堅(jiān)持不懈、積極思考的精神。面對困難，特別是面對滿屏幕的英文程序代碼，如果教師不積極引導(dǎo)，不充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，容易造成知難而退的局面。

（二）教材沿用傳統(tǒng)本科模式，教學(xué)內(nèi)容脫離實(shí)際應(yīng)用。

傳統(tǒng)的C語言程序設(shè)計(jì)教材主要圍繞語言自身的語法展開，教材的體系結(jié)構(gòu)、內(nèi)容安排和例題習(xí)題配置上，過于數(shù)學(xué)化，理解起來有一定難度。傳統(tǒng)教材普遍采用單向灌輸?shù)姆绞?，忽略了與學(xué)生的溝通與交流，忽略了給予學(xué)生自主學(xué)習(xí)與探究的機(jī)會(huì)，忽視了對學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。即便是所謂的立體化教材建設(shè)，也無非強(qiáng)化了多媒體技術(shù)應(yīng)用，擴(kuò)充了網(wǎng)絡(luò)資源，在形式上顯得豐富多彩，仍然存在諸多缺憾。

（三）教師能力欠缺，知識(shí)面與專業(yè)面不夠?qū)掗煛?/p>

教師在教學(xué)過程中，由于知識(shí)面和專業(yè)面的限制，一味的重視理論知識(shí)的講解，局限在C語言本身，脫離本專業(yè)的應(yīng)用，使得課程學(xué)習(xí)抽象而晦澀，學(xué)生缺乏貼合自身專業(yè)的實(shí)際操作的經(jīng)歷。高職院校的師資應(yīng)該是多面手，能夠執(zhí)教本專業(yè)的多門課程，熟悉相近專業(yè)的核心技術(shù)，了解相關(guān)專業(yè)的技術(shù)發(fā)展，能夠跟隨時(shí)代潮流，將新技術(shù)、新方法、新平臺(tái)運(yùn)用到傳統(tǒng)課程教學(xué)中。

二、基于Arduino平臺(tái)的C語言課程教學(xué)

（一）Arduino平臺(tái)簡介。

Arduino是一個(gè)可以用于C語言課程教學(xué)的效果很好的項(xiàng)目平臺(tái)。它源自國際上一個(gè)開放源代碼的硬件平臺(tái)，包括一塊具備簡單I/O功能的電路板以及一套程序開發(fā)環(huán)境軟件。Arduino可以用來開發(fā)交互產(chǎn)品，比如它可以讀取大量的開關(guān)和傳感器信號(hào)，并且可以控制電燈、電機(jī)和其他各式各樣的物理設(shè)備；Arduino也可以開發(fā)出與PC相連的周邊裝置，能在運(yùn)行時(shí)與PC上的軟件進(jìn)行通信。

Arduino設(shè)計(jì)之初的目的是希望讓人們能夠很快地學(xué)習(xí)電子和傳感器的基礎(chǔ)知識(shí)，并應(yīng)用到他們的設(shè)計(jì)當(dāng)中。設(shè)計(jì)中所要表現(xiàn)的想法和創(chuàng)意才是最主要的，至于核心控制器如何工作，硬件的電路是如何構(gòu)成的，用戶并不需要考慮。Arduino的出現(xiàn)，大大降低了互動(dòng)設(shè)計(jì)的門檻，沒有學(xué)過電子知識(shí)的人也能夠使用它制作出各種創(chuàng)意的作品，如巡線機(jī)器人、超聲波倒車?yán)走_(dá)、門禁控制系統(tǒng)等。由于大多數(shù)理工類專業(yè)的學(xué)生都具備一些物理、電工電子、計(jì)算機(jī)等方面的基礎(chǔ)知識(shí)，使得Arduino平臺(tái)能夠在各專業(yè)教學(xué)中得到廣泛接受。

（二）Arduino編程語言。

Arduino語言是建立在C/C++基礎(chǔ)上的，其實(shí)也就是基礎(chǔ)的C語言，Arduino語言只不過把相關(guān)的一些參數(shù)設(shè)置都函數(shù)化，用戶不必去了解其底層，即便是不了解單片機(jī)（微控制器）的學(xué)生也能輕松上手。

實(shí)際工作當(dāng)中所用到的很多應(yīng)用編程軟件都是以C/C++為基礎(chǔ)，進(jìn)行了一定的改進(jìn)和優(yōu)化。因此作為學(xué)校教師，教學(xué)過程中不必拘泥于標(biāo)準(zhǔn)C、經(jīng)典C的框架束縛，當(dāng)然在教學(xué)當(dāng)中，提示學(xué)生注意各類編程工具有些許差別還是有必要的。

在Arduino中，主函數(shù)main在內(nèi)部已經(jīng)定義，使用者只需要完成和loop（）函數(shù)就能完成Arduino程序的編寫，這兩個(gè)函數(shù)分別負(fù)責(zé)Arduino程序的初始化部分和執(zhí)行部分。setup（）函數(shù)主要用于設(shè)置一些引腳的輸出/輸入模式、初始化串口等，該函數(shù)只在上電或重啟時(shí)執(zhí)行一次；loop（）函數(shù)用于執(zhí)行程序，它是一個(gè)死循環(huán)，其中的代碼將被循環(huán)執(zhí)行，用于完成程序的功能，如讀入引腳狀態(tài)、設(shè)置引腳狀態(tài)等。

（三）教學(xué)方法。

C語言教學(xué)，特別是針對高職學(xué)生，應(yīng)偏重編程思想與邏輯思維的訓(xùn)練，強(qiáng)化各類函數(shù)的靈活調(diào)用，以與本專業(yè)相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目為導(dǎo)向，施以具體任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，通過大量生動(dòng)有趣的編程訓(xùn)練解決實(shí)際問題，提升學(xué)生的技能水平和應(yīng)用能力。

Arduino開發(fā)環(huán)境下提供了大量的基礎(chǔ)函數(shù)和擴(kuò)展函數(shù)，這些函數(shù)涉及I/O控制、時(shí)間函數(shù)、數(shù)學(xué)函數(shù)、三角函數(shù)等，使用者可以很方便地對板上的硬件資源進(jìn)行控制。同時(shí)，在Arduino開發(fā)環(huán)境下還提供了豐富的示例程序來使用這些函數(shù)。教師可以基于Arduino平臺(tái)當(dāng)堂演示各種程序的運(yùn)行效果，講解示例程序的編寫架構(gòu)和技巧，鼓勵(lì)學(xué)生參照示例程序進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)其他自定義的控制功能。

C語言教學(xué)內(nèi)容無非主要包括C語言的標(biāo)識(shí)符與關(guān)鍵字、三大程序結(jié)構(gòu)（順序、分支與循環(huán)）、函數(shù)、數(shù)組、指針、結(jié)構(gòu)體等。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，這些內(nèi)容需要按部就班的學(xué)習(xí)。在Arduino平臺(tái)下不必拘泥于以上教學(xué)順序，可以將內(nèi)容打碎，糅合在項(xiàng)目和任務(wù)中教授，在課程最后再形成完整的知識(shí)體系。

引入Arduino平臺(tái)教學(xué)模式，并不意味著徹底擯棄傳統(tǒng)的C語言教學(xué)模式。相反，如果教師認(rèn)為某些知識(shí)點(diǎn)難以在Arduino平臺(tái)的教學(xué)項(xiàng)目中講述，仍可以沿用以往的講授方式，比如結(jié)構(gòu)體，文件操作等。二者并不矛盾，應(yīng)該是相互補(bǔ)充的關(guān)系。究竟哪種教學(xué)模式占主導(dǎo)地位，筆者認(rèn)為與所教專業(yè)有很大關(guān)系。建議計(jì)算機(jī)與軟件開發(fā)類專業(yè)將Arduino平臺(tái)作為期末的集中實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，占次要地位，而其它專業(yè)可以將其作為主要學(xué)習(xí)平臺(tái)，充分發(fā)揮它的專業(yè)結(jié)合能力。

（四）教學(xué)項(xiàng)目。

Arduino平臺(tái)下可以完成的項(xiàng)目非常之多，如LED彩燈控制，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，LCD顯示，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，RFID讀卡器，無線模塊應(yīng)用等。不同專業(yè)可以選取2、3個(gè)合適的項(xiàng)目學(xué)習(xí)。如物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)可以選擇RFID應(yīng)用、各類傳感器的應(yīng)用；機(jī)電類專業(yè)選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)、機(jī)器人項(xiàng)目；通信專業(yè)選擇無線模塊的應(yīng)用，如藍(lán)牙技術(shù)等；計(jì)算機(jī)與軟件類專業(yè)可以選擇LCD和矩陣按鍵相關(guān)的編程項(xiàng)目，如小型計(jì)算器的編程應(yīng)用等。

可能有教師會(huì)有所顧忌，擔(dān)心以上編程項(xiàng)目涉及到比較深的專業(yè)知識(shí)，大一的學(xué)生會(huì)難以接受。但由于Arduino平臺(tái)已經(jīng)將涉及的硬件控制程序模塊化，用戶只需調(diào)用庫函數(shù)即可。教師只需告訴學(xué)生相關(guān)庫函數(shù)的用途，簡單講解硬件系統(tǒng)的原理。實(shí)踐證明，大一學(xué)生完全可以接受并理解，使得該專業(yè)的初學(xué)者在不太懂硬件技術(shù)的前提下也能夠?qū)τ布M(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)看似很專業(yè)的功能。對專業(yè)學(xué)習(xí)非常感興趣的學(xué)生，在Arduino平臺(tái)的引導(dǎo)下，甚至能夠在課下提前自學(xué)很多專業(yè)課程，激發(fā)自主學(xué)習(xí)積極性。

雖然學(xué)生不必花很多時(shí)間研究Arduino平臺(tái)硬件，但對于教師來說，要想充分發(fā)揮平臺(tái)的教學(xué)功能，解答學(xué)生練習(xí)中可能遇到的各種軟硬件的問題，教師必須熟練掌握Arduino平臺(tái)及涉及到的與本專業(yè)相關(guān)的技術(shù)。例如，對于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的C語言教師，不僅要求具備扎實(shí)的C語言編程技能，還應(yīng)熟悉RFID技術(shù)、傳感器技術(shù)等，能夠基于Arduino平臺(tái)把這些深?yuàn)W的技術(shù)簡化，引導(dǎo)學(xué)生在僅僅了解專業(yè)技術(shù)的基礎(chǔ)上就能夠編寫要求的C語言程序代碼。

由于以上項(xiàng)目都是實(shí)實(shí)在在的技術(shù)應(yīng)用，與本專業(yè)應(yīng)用結(jié)合緊密，項(xiàng)目任務(wù)本身活潑有趣，如LED跑馬燈項(xiàng)目，機(jī)器人行走項(xiàng)目，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性。傳統(tǒng)的C語言教學(xué)過程自始至終都是面對電腦編寫程序，程序運(yùn)行結(jié)果索然無味，無非是屏幕打印些簡單圖形，輸出運(yùn)算結(jié)果，很難吸引年輕學(xué)生的注意力。兩種教學(xué)方式相比較，孰優(yōu)孰劣，一目了然。

三、結(jié)束語

教學(xué)實(shí)踐證明，高職C語言課程教學(xué)不能再走千篇一律式的傳統(tǒng)教學(xué)模式，引入Arduino平臺(tái)，是一種很好的教學(xué)改革的模式。各專業(yè)任教教師應(yīng)針對不同專業(yè)，以“必需夠用”為原則，依托Arduino平臺(tái)，選擇貼近本專業(yè)實(shí)際應(yīng)用的教學(xué)案例，重構(gòu)教學(xué)體系，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

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[3]劉永平，郭小波.C語言教學(xué)改革探討[J].時(shí)代教育， 2016，（11）：253-255.

作者簡介：徐進(jìn)強(qiáng)（1974—），男，山東青島人，碩士，副教授，專業(yè)帶頭人，主要研究方向?yàn)楦呗毥逃?，嵌入式技術(shù)開發(fā)。