顧 明

（深圳職業(yè)技術(shù)學院 人工智能學院，廣東 深圳 518055）

C語言是很多國內(nèi)高職院校開設的一門編程類的基礎課，把C語言編程作為學生的第一門編程課，對于基本沒有接觸過計算機編程的大部分高職學生來講，C語言編程課程對學生的學習和教師的講授都有一定難度．C語言教學目前的主要現(xiàn)狀和問題可以歸納為 3個方面[1-2]．首先，C語言知識體系本身有一定的復雜度和難度，C語言知識體系的信息容量較大，如語言概念和語法規(guī)則、程序結(jié)構(gòu)和用戶界面、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)學算法等等．其次，作為教學對象的高職學生，他們的基礎理論知識相對薄弱，同時抽象能力和邏輯思維能力相對缺乏，學習的主動性和積極性不高．這些自身因素導致他們?nèi)狈W到的知識進行深入探究，不能融會貫通．最后，就是C語言的高職教學模式，目前大部分高職院校針對計算機編程課程設立了多媒體實訓室，多媒體實訓室的主要功能是承擔計算機公共課和專業(yè)課的訓練，這種模式雖然為學生們上機操作創(chuàng)造了條件，但上機實訓并不是隨時可以的，只是在規(guī)定的上課時間或課外時間．而且，在教學實施上并沒有擺脫教師講授為主的教學過程，缺乏真正的以學生為主體的教學模式，也沒有給學生發(fā)揮主觀能動性的時空保障和任務牽引，同時又缺乏有效的教學手段，充分調(diào)動起學生的學習主動性的積極性．因此，對高職C語言編程課程教學模式的探討[3-6]，一直都是一個受到關注的研究課題．

本文對C語言的知識點進行了分解[7-8]，從多個方面對 C語言編程能力進行了分析．在此基礎上，提出了項目牽引的C語言教學模式，選擇了一個既能覆蓋C語言知識點又能體現(xiàn)C語言編程能力，同時又能像游戲軟件一樣，能引起學生學習興趣的迷宮項目，以該項目作為學習C語言知識體系的任務牽引，結(jié)合課中和課后的學習，線上和線下的時空保障，充分調(diào)動學生的學習熱情，在完成項目的同時，掌握C語言的編程知識點．

1 C語言的知識點分解和編程能力分析

1.1 C語言的知識點分解

根據(jù)高職教育的培養(yǎng)目標和企業(yè)崗位對程序員及其相關專業(yè)人員的就業(yè)需求，再結(jié)合計算機C語言編程課程的教學要求，我們對C語言的知識點進行了分類的歸納總結(jié)，把C語言的知識點分解成5個方面，見表1．

表1 C語言知識點分解

1.2 C語言編程能力分析

1.2.1 抽象的能力

計算機在任何情況下都是人類勞動，包括思維、活動、控制等的一種替代工具．因此計算機編程的目的是獲取原來人工系統(tǒng)的方案，然后計算機化，按用戶指定的工作方式來實現(xiàn)在計算機上工作．因此，抽象來自3個方面，首先要抽象仿真現(xiàn)實人工系統(tǒng)以構(gòu)成抽象的人工系統(tǒng)，例如，C語言中的函數(shù)就是客觀系統(tǒng)中一種行為或動作的抽象．其次，從抽象的人工系統(tǒng)映射到計算機軟件系統(tǒng)也是一種抽象，再后，根據(jù)計算機軟件系統(tǒng)的復雜性，確定是否需要進行架構(gòu)設計等，最后用計算機編程語言實現(xiàn)計算機軟件系統(tǒng)．如圖1所示．

圖1 抽象的體現(xiàn)

C語言是實現(xiàn)計算機軟件系統(tǒng)中常用的一種語言，可以直接使用C語言編寫計算機軟件系統(tǒng)．首先，需要分析人工系統(tǒng)解決問題的步驟，再映射到C語言編程解決問題的處理流程，最后找出對應關系．如圖2所示．

圖2 人工系統(tǒng)和C語言編程系統(tǒng)的操作步驟分解和映射關系

1.2.2 邏輯思維的能力

邏輯思維的能力是采用科學的思維方式，對事物進行觀察、比較、分析、綜合、抽象、概括、判斷和推理等后，準確而有條理地表達自己的思維過程的能力．

邏輯思維能力是表現(xiàn)在C語言編程的整個過程中的，即：從抽象、需求獲取和分析，到算法設計、數(shù)據(jù)和操作設計和用戶界面設計．對沒有接觸過計算機編程思維訓練的學生來講，可以優(yōu)先選擇C語言來訓練計算機編程的邏輯思維能力．

在 C語言中，數(shù)據(jù)處理流程有三種基本結(jié)構(gòu)，即：順序、條件和循環(huán)．人工系統(tǒng)的邏輯思維過程需要被映射成為C語言中的三種基本控制結(jié)構(gòu)，如圖3所示．因此，在學習C語言3種基本結(jié)構(gòu)時，我們要注重培養(yǎng)學生將人的邏輯思維過程用C語言3種基本結(jié)構(gòu)表現(xiàn)的編程方法．

圖3 邏輯思維過程在C語言中的體現(xiàn)

例如，在C語言中劃分條件語句的判斷范圍，就需要一定的邏輯思維合理性，否則，程序的語法沒有錯，但運行結(jié)果在某些條件下就達不到用戶的預期結(jié)果．

假設希望成績80分以上是B，90分以上是A，C語言程序代碼片段如下：

某同學有分數(shù) 95，按照以上程序，mark取值是‘B’，并不是我們希望的‘A’．這是因為兩個區(qū)間的劃分沒有互斥，是有重疊的．這屬于編程邏輯思維能力培養(yǎng)的范疇．

再例如，對于循環(huán)語句，在設計循環(huán)初值、終值、步長值時，要注意循環(huán)初值在步長值的作用下，一定要達到并超過循環(huán)終值，這樣才能保證循環(huán)的出口．這也是編程邏輯思維的一種體現(xiàn)，否則，就會形成死循環(huán)．當然，也可以設計成永真循環(huán)，用break語句跳出循環(huán)，這也是循環(huán)語句另一種邏輯思維方式的體現(xiàn)．

1.2.3 需求獲取和分析的能力

計算機編程的目的是發(fā)揮計算機運算速度快，重復工作不會疲勞出錯等優(yōu)點，來替代現(xiàn)有的人工系統(tǒng)．因此，先要獲取人工系統(tǒng)是如何完成任務的模型，哪些需求是需要的，哪些是不需要的，這主要是涉及到計算機編程需要的數(shù)據(jù)篩選和提?。鐖D4所示．

圖4 編程需求的獲取和分析

例如，要計算機編程實現(xiàn)學生成績信息統(tǒng)計系統(tǒng)，我們需要學生的學號、姓名、班級、課程名稱等信息，但并不需要學生的視力、體重、身高等健康數(shù)據(jù)．我們除了要確定現(xiàn)實世界的某個對象自身有關的屬性，在編程時的取舍信息外，還要分析需要的信息在計算機編程時，用該語言的哪種數(shù)據(jù)組織方式表示．如在C語言中，學號是表示成整數(shù)類型，還是字符串類型，經(jīng)過分析后發(fā)現(xiàn)，還是字符串類型比較好，因為學號中也可能出現(xiàn)數(shù)字以外的其它字符．

1.2.4 算法設計的能力

算法是為解決一個問題而采取的方法和步驟，算法具有：有窮性、確切性、輸入項、輸出項和可行性．用C語言編程，算法設計的能力培養(yǎng)是很重要的，人工系統(tǒng)中的思考問題方式不同于計算機中的算法設計．例如：要實現(xiàn)在一群人中找到身高最高的人，人工系統(tǒng)可以讓所有人站在一排，用眼睛一看就知道誰最高．但計算機編程就需要設計一個算法來解決這個問題，首先，測量每個人的身高數(shù)據(jù)，然后，按照如圖5所示的算法，依據(jù)1，2，3的有窮步驟，找出最高的人．

圖5 尋找最高身高的算法設計

算法設計的是否合理和優(yōu)秀，直接關系到C語言程序能否正確執(zhí)行和執(zhí)行的效率．

1.2.5 數(shù)據(jù)和操作設計的能力

在C語言的編程中，首先要區(qū)分數(shù)據(jù)和在數(shù)據(jù)上的操作，要考慮需要哪些數(shù)據(jù)，每種數(shù)據(jù)用C語言中的什么數(shù)據(jù)組織方式來表示，對數(shù)據(jù)的操作要設計多少個函數(shù)，函數(shù)之間的調(diào)用關系如何安排等．例如，延續(xù)以上尋找最高身高的例子，可以按照如圖6設計數(shù)據(jù)和操作的函數(shù)關系．

圖6 尋找最高身高的數(shù)據(jù)和操作設計

1.2.6 用戶界面設計能力

用戶界面的設計方法和工具有很多，僅僅用C語言還不能設計出可視化 windows的用戶界面，但C語言編程也是需要設計用戶界面的，在C編程中，要考慮用C語言可以直接實現(xiàn)的方式，設計比較友好和實用的用戶界面．

輸入數(shù)據(jù)的用戶界面方式：

● 從文件讀入數(shù)據(jù)；

● C語言標準庫函數(shù)直接從鍵盤交互獲取數(shù)據(jù)；

● 設計菜單選擇方式．

輸出數(shù)據(jù)的用戶界面方式：

● 把程序運行結(jié)果放入磁盤文件；

● 用C語言的標準庫函數(shù)直接打印運行結(jié)果到屏幕上，這種方式比較常用；

● 設計菜單選擇，然后打印該菜單對應的運行結(jié)果到屏幕上．

2 迷宮項目

2.1 項目需求

項目需求的自然語言描述如下：該項目是一個正方形的二維平面的迷宮，可以指定起點，出口點在迷宮二維平面圖最右邊的一條邊上，最右邊的一條邊上可以有多個出口點，但出口點必須是在迷宮圖最右邊的一條邊上．迷宮內(nèi)有通路，也有墻等各類障礙物，有障礙物就意味著不能通過．經(jīng)過每一段路都要有一定的花費，花費可以是錢和體力消耗等．從入口到出口，只要有一段路遇到墻或障礙物，就不算是通路．只有從起點到出口的所有的路上都沒有墻或障礙物，就算是找到了一條通路．從起點到出口，如果找到的2條通路，只要有一段路不同，就算是不同的通路．起點可以由用戶指定．當指定在起點后，有可能沒有找到一條從該起點到出口的通路，這時的通路數(shù)量就是0．

該項目需要在迷宮中找到如下的信息：

● 從入口到出口的所有通路，即從指定的起點到任何一個出口沒有遇到墻或障礙物的路徑；

● 迷宮的通路數(shù)量，即不同的通路個數(shù)；

● 最短的通路，即從起點到出口的路徑總長度最短的通路；

● 最便宜的通路，即從起點到出口點路徑總長度上花費（錢或體力）最小的通路；

● 最便宜的通路的花費總數(shù)．

2.2 迷宮的二維抽象表示

根據(jù)用自然語言描述的迷宮需求，我們經(jīng)過需求的獲取和分析，需要抽象出一個能用計算機編程語言實現(xiàn)的數(shù)學模型．把一段路徑用一個點表示，點上的數(shù)字表示經(jīng)過這一段路徑的花費，我們把花費用0-9的數(shù)字等級表示，數(shù)字越大，花費越多，最小花費是0，最大花費是9．點上有*表示是墻或障礙物，意味著該段路徑不能通過．因為迷宮是正方形，該數(shù)學模型表示成（n*n）方陣，該方陣是由數(shù)字和*組成，共n行，每行n列．給定一個起點，如果能找到一條從起點到最右邊列的某個數(shù)字組成的數(shù)字串，就是存在一條通路．不同的數(shù)字串組成不同的通路．統(tǒng)計迷宮的通路數(shù)量時，只需統(tǒng)計不同的數(shù)字串的個數(shù)即可．最短的通路表示數(shù)字串中的數(shù)字個數(shù)最少，最便宜的路徑表示某通路的數(shù)字串上數(shù)字的總和最小，最便宜的路徑的花費總數(shù)就是最便宜的路徑上的數(shù)字總和．例如：圖7表示由5*5組成的迷宮方陣，如果起點選擇為左上角的1，出口是在最右邊的列上，共有4個出口點，每個點上都是1．

圖7 迷宮5*5方陣

在迷宮項目需求轉(zhuǎn)換為n*n的數(shù)學模型點方陣過程中，體現(xiàn)了對抽象能力和邏輯思維能力的需求．

2.3 算法設計的實現(xiàn)

迷宮的算法設計思想如圖8所示．

圖8 迷宮項目的算法設計

2.4 數(shù)據(jù)和操作設計實現(xiàn)

迷宮項目的程序覆蓋了C語言編程的數(shù)據(jù)組織方式．

例如，把迷宮點方陣存貯在一個雙指針的自定義類型結(jié)構(gòu)中．迷宮項目的操作設計是一個主函數(shù)和在主函數(shù)中調(diào)用的7個子函數(shù)，其中有一個是復雜情況下的遞歸函數(shù)，該函數(shù)是迷宮項目的核心函數(shù)，這個遞歸函數(shù)中又調(diào)用了一個打印迷宮通路的函數(shù)．為了判斷迷宮中的墻和障礙物，還有迷宮中的其他退出方式，該遞歸函數(shù)很多地方都體現(xiàn)了計算機編程中的邏輯思維能力需求．

該項目的操作設計如圖9所示．

圖9 迷宮項目的操作設計

2.5 用戶界面實現(xiàn)

直接打印迷宮的有關重要提示信息，然后顯示迷宮點方陣的表示圖，提示用戶輸入起點，用戶輸了迷宮的起點后，屏幕紅綠交替閃爍2次，閃爍顯示的內(nèi)容是指定了起點的迷宮二維抽象的點方陣表示圖．閃爍后，程序經(jīng)過運行，打印顯示迷宮通路的各類信息．

迷宮項目的C語言編程實現(xiàn)程序運行的用戶界面和運行結(jié)果如圖10所示．

圖10 迷宮項目C語言編程實現(xiàn)的用戶界面和運行界面

3 迷宮項目對C語言知識點和編程能力覆蓋和體現(xiàn)的分析

3.1 迷宮項目對C語言知識點的覆蓋

迷宮項目模塊（函數(shù)）分解和C語言知識點的具體覆蓋關系見表2，每個函數(shù)就是一個模塊．全覆蓋：表示覆蓋了C語言中這個知識點的所有細節(jié)內(nèi)容；部分覆蓋：表示覆蓋了C語言中這個知識點的一部分細節(jié)內(nèi)容，還有一部分細節(jié)沒有覆蓋到；無覆蓋：表示沒有覆蓋到C語言中這個知識點的任何細節(jié)內(nèi)容．

表2 迷宮項目和C語言知識點的對應關系

由表2可以看出：主函數(shù)覆蓋了C語言的所有知識點，可以用該項目作為一個牽引，綜合練習和訓練培養(yǎng)學生的編程能力．C語言的“語言符號和規(guī)則集”這個知識點，被迷宮項目的所有子模塊所覆蓋；C語言的“用戶界面”這個知識點，只是在主函數(shù)中被覆蓋；C語言的“數(shù)據(jù)組織方式”這個知識點，只是在主函數(shù)中被全覆蓋，而在其他模塊中都是部分覆蓋的．

3.2 迷宮項目對編程能力的體現(xiàn)

迷宮項目和編程能力的對應關系見表3，全體現(xiàn)：表示完成迷宮項目中的這個模塊需要具備這個能力，同時也可以在完成項目中培養(yǎng)、訓練、鞏固和加深這個能力；部分體現(xiàn)：表示迷宮項目中的這個模塊需要部分具備這個能力，即意味著對這個能力的要求程度可以相對弱一點，但可以在項目中進一步培養(yǎng)和加深這個能力；無體現(xiàn)：表示迷宮項目中的這個模塊沒有用到這個能力．

表3 迷宮項目和編程能力的對應關系

由表3可以看出：迷宮項目的主函數(shù)體現(xiàn)了對所有編程能力的需要，這說明了C語言主函數(shù)的設計是個關鍵點，要設計和實現(xiàn)迷宮項目的C語言主函數(shù)，需要所有與編程有關的能力．編程的“抽象能力”、“邏輯思維能力”和“算法設計能力”在迷宮項目的所有模塊中都需要，這也同時說明這3個能力在計算機編程的重要性和需求程度．“用戶界面設計能力”只是在主函數(shù)中有體現(xiàn)，其他函數(shù)中沒有體現(xiàn)對這個能力的需求，這又一次說明了主函數(shù)的重要性．“需求獲取和分析能力”和“數(shù)據(jù)和操作設計能力”在迷宮項目的主函數(shù)和通路遞歸函數(shù)（遞歸尋找所有通路）中是全部體現(xiàn)的，但在其他模塊中只是部分體現(xiàn)，這也說明了這兩個模塊也是整個迷宮項目的關鍵函數(shù)．

由表3得到的結(jié)論是：迷宮項目體現(xiàn)了對所有C語言編程能力的需要，越是關鍵和重要的函數(shù)（模塊），對編程能力的需求就越多．

4 迷宮項目在高職C語言網(wǎng)絡課程教學中的實踐

4.1 項目牽引的教學模式

選擇了迷宮項目后，我們的目的要是要把它應用在高職計算機編程C語言的教學中，這才是我們分析C語言知識點和編程能力同迷宮項目對應關系的意義所在．

針對疫情期間采用的網(wǎng)絡授課現(xiàn)狀，考慮到迷宮項目覆蓋了C語言的所有知識點，同時又體現(xiàn)了對C語言所有編程能力的需求，再結(jié)合高職學生的特點和迷宮項目的難度，我們設計并實踐了如圖11的迷宮項目牽引C語言網(wǎng)絡課程的教學模式．

圖11 迷宮項目牽引的C語言網(wǎng)絡課程教學模式

1）設置項目牽引問題（教師課前完成）：按照表1和2分解項目和C語言知識點和編程能力后，教師在網(wǎng)絡授課前要準備好與迷宮項目相關的多個牽引問題，設置項目牽引問題的目的是為了快速吸引學生的注意力，提高學生的學習興趣，讓學生帶著問題學習．例如：如何分析和安排主函數(shù)的應該完成的功能，用戶界面設計都需要哪些具體細節(jié)等．

2）小案例講解 C語言知識點細節(jié)（教師課中完成）：因為迷宮項目本身具有一定的難度，對于沒有計算機編程基礎的高職學生，再結(jié)合高職學生的特點，我們采用了先引導性講授，再自主學習相結(jié)合的方式．從C語言的基本知識點開始，每個細小知識點，用另外的小案例在網(wǎng)絡課堂上講解．例如：用圖5的尋找最高身高的小案例講解數(shù)據(jù)處理流程和算法設計．

3）自主學習課程網(wǎng)站資源（學生課中或課后完成）：在項目牽引和小案例完成后，把自主權(quán)交給學生，學生利用C語言課程網(wǎng)站視頻等網(wǎng)絡課程資源，課后或課中自主學習，體會、鞏固和進一步理解小案例的細小知識點．例如：用網(wǎng)絡課程資源中的排序程序進一步鞏固和提高數(shù)據(jù)處理流程和算法設計．

4）用分解的迷宮項目模塊布置課堂課后作業(yè)（師生互動環(huán)節(jié)）：以課堂或課后師生互動的方式，總結(jié)和答疑自主學習的問題，由于每個學生自主學習的深度和廣度是不同的，師生互動可以充分體現(xiàn)分層次教學的效果．用表1和表2分解的迷宮項目模塊，布置課堂課后作業(yè)，復習、鞏固、改進和提高學生的自主學習結(jié)果．通過這樣的反復學習，達到舉一反三的效果．但始終用迷宮項目作為學生的C語言編程最終目標，由這個目標牽引著，在完成迷宮項目的同時，也完成了學習C語言知識點和培養(yǎng)編程能力的目標．

5）迷宮項目中 C語言知識點和編程能力測試：如果項目模塊還沒有完成，則繼續(xù)以上1）- 4）的過程．如果項目的所有模塊都完成了，為了檢測學習效果，教師在網(wǎng)絡課堂上，總結(jié)迷宮項目知識點和編程能力體現(xiàn)，再根據(jù)項目涉及的知識點和編程能力，設計開放式綜合測試題目，上傳到網(wǎng)絡上，讓學生在指定的時間內(nèi)在線完成．

4.2 師生反饋

從學生的評教反饋來看，學生對于項目牽引的網(wǎng)絡授課教學模式是滿意的，一方面是對迷宮項目感覺同游戲類似了，激發(fā)了學生的興趣，項目的牽引也使得學生有了解決問題的成就感．

從教師的評學反饋來看，感覺學生的學習熱情提高了，自主學習有了目標．從測試結(jié)果看，項目化牽引的網(wǎng)絡授課，學生的測試成績普遍得到了提高．

5 結(jié)束語

用項目覆蓋知識點，體現(xiàn)編程能力的培養(yǎng)，是一種教學展開模式．通過我們的教學實踐，發(fā)現(xiàn)項目的選擇是重要的，首先項目要有一定的難度和復雜度，還要能覆蓋所有的知識點，同時又要體現(xiàn)編程能力的訓練和培養(yǎng)．其次，就像游戲總能引起學生的興趣一樣，項目一定要有能吸引學生注意力，引起學生興趣的作用，這種項目才能起到牽引作用．

項目牽引的教學模式在網(wǎng)絡課程中體現(xiàn)了它的重要性．這主要是同網(wǎng)絡化教學的優(yōu)點相關，網(wǎng)絡化教學的優(yōu)勢是可以充分發(fā)揮學生的自主學習能力、個性化的學習時空和個性化接受知識體系．把知識點全部融入到項目中，可以快速吸引學生的注意力，提高學生的學習興趣，讓學生感覺到是項目牽引著學習，并能使學生盡快掌握項目所涉及到的知識點，在完成項目中找到學習的樂趣和自己解決問題的成就感．