新工科環(huán)境下基于PBL的C語言教學(xué)改革探討

冉彥中　曹婧華　楊可揚　唐明祥

摘 要：根據(jù)新工科環(huán)境下對人才實踐性和創(chuàng)新性的培養(yǎng)需求，分析了《C語言程序設(shè)計》的課程特點和改革現(xiàn)狀，建立了教學(xué)體系框架模型，提出了基于PBL的教學(xué)模式，在教學(xué)實施中將Arduino設(shè)計引入到C語言的教學(xué)中，旨在更好的理解C語言的思維和結(jié)構(gòu)，更好的將理論與實踐結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

關(guān)鍵詞：新工科;C語言;PBL;Arduino

中圖分類號：G642.0文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.11.077

Teaching Reform of C Programming Based on PBL Method

Ran Yanzhong1，Cao Jinghua1，Yang Keyang1，Tang Mingxiang2

（1.Center for Computer Fundamental Education，Jilin University，Changchun 130062， China;

2. College of plant Sience，Jilin University，Changchun 130062， China）

Absrtact：According to the demand of New Engineering for talents cultivating of practicality and innovation， firstly this paper analyzed the characteristics and reform of “C language programming”， then a teaching frame system model was established and the teaching model based on PBL is proposed， finally using Arduino to implement C language teaching. It aims to better understand the thinking and structure of C language， better combine theory and practice， and cultivate students 'innovative consciousness.

Key words： new engineering; C language programming; PBL; Arduino

0 引言

2017年教育部發(fā)布《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》，相對于傳統(tǒng)的工科人才，未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)需要的是實踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)的“新工科”人才[1-3]。作為計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)重點科目之一的《C語言程序設(shè)計》也要理論聯(lián)系實際，實現(xiàn)教學(xué)觀念的根本性改變。

1 《C語言程序設(shè)計》教學(xué)改革現(xiàn)狀

C語言在解決問題的思維方式和流程上所具有的基礎(chǔ)性優(yōu)勢不可替代，這門課程脈絡(luò)清晰，主要面向非計算機(jī)專業(yè)，作為教學(xué)的C語言因為其面向過程的編寫方式和運行結(jié)果的控制臺顯示特性，在教學(xué)過程中缺少互動與實踐，長期以來僅用來解決數(shù)學(xué)問題。目前國內(nèi)程序設(shè)計語言教學(xué)正在嘗試各種改革[4-9]，目的在于使教學(xué)內(nèi)容更吸引人、更適應(yīng)市場的需求。

西南交通大學(xué)圍繞提升本科教學(xué)質(zhì)量，開始了從以“教”為中心到以“學(xué)”為中心的轉(zhuǎn)變。新的教學(xué)模式就是要讓學(xué)生為主體，學(xué)生自己主動思考問題、解決問題，依靠自己的實踐來驗證所學(xué)理論，在學(xué)習(xí)的過程中提升自己的能力。以清華大學(xué)為代表的一流高校提出了MOOC的教學(xué)新模式[10-13]，但是這種模式在共享優(yōu)等教學(xué)資源的前提下，實際上存在弊端，一是篩選適合自己的教學(xué)內(nèi)容需要大量的時間，二是遠(yuǎn)程教學(xué)缺乏面對面的互動，不易集中學(xué)生注意力。對此，多所大學(xué)尋求改革，主要探索的是教學(xué)方法上的改革，比如啟發(fā)式教學(xué)、案例式教學(xué)，或者將教學(xué)內(nèi)容的順序做了調(diào)整，也有教師嘗試了C語言在4G網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，但大多以理論為主缺少實例。

2 《C語言程序設(shè)計》教學(xué)框架及教學(xué)實踐分析

基于工科的定位，結(jié)合課程現(xiàn)有的發(fā)展現(xiàn)狀和實際的需求，提出C語言教學(xué)體系模型[14]如圖1所示。探討教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)實踐是以“教什么”和“怎么教”為核心展開的思考。教學(xué)內(nèi)容上既要體現(xiàn)C語言的邏輯思維又要與實踐緊密結(jié)合;教學(xué)方法上要引領(lǐng)學(xué)生主動思考，以學(xué)生為主體，不再就C語言論C語言。C語言的教學(xué)改革，不僅是教學(xué)方法和教學(xué)模式上的改革，更需要將教學(xué)方法和實現(xiàn)平臺融合、實現(xiàn)創(chuàng)新性和實踐性的統(tǒng)一。沒有創(chuàng)新就沒有發(fā)展這不僅是對學(xué)生的要求，更是科技和社會進(jìn)步對教師提出的嚴(yán)峻任務(wù)，教師要與時俱進(jìn)，不斷地更新自己的觀念和知識儲備，用新的教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容去裝點課堂。充分發(fā)揮學(xué)生的積極性和主動性提高創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生自主思考的習(xí)慣，使學(xué)生成為課堂的主體，教師成為學(xué)生的引導(dǎo)者。

本文提倡在新工科的發(fā)展的環(huán)境下，采用PBL（Problem-Based Learning）以問題為主導(dǎo)的教學(xué)方式，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，極大程度的調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。講授的內(nèi)容不再停留在控制結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)模型的語法層面上，應(yīng)在以下兩個方面具有可擴(kuò)展性，一是要注重以“邏輯思維”為主線的思考問題的方式，二是要將程序設(shè)計理論結(jié)合具體的實踐，使理論具有應(yīng)用空間。

C語言的教學(xué)實踐工具比較有效的就是Arduino，近年來課題組積極尋求C語言改革的方法，2015年關(guān)注到Arduino電路板，它是一塊嵌入式的電路板，提供多種傳感器接口，硬件和軟件都有開源免費資源可用，各個專業(yè)普遍適用，可以針對不同的專業(yè)設(shè)計相應(yīng)的案例。通過教學(xué)應(yīng)用認(rèn)為Arduino是“以問題為中心”的教學(xué)方法得以實現(xiàn)的有效平臺。利用它與C語言得天獨厚的渾然一體優(yōu)勢，將程序的運行結(jié)果用Arduino的多種傳感器輸出。可以使結(jié)果顯示生動有趣，挖掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能。學(xué)生可通過多種平臺進(jìn)行編程，不再局限在機(jī)房、筆記本上，也可以把自己的程序挪到手機(jī)終端，這將極大限度的激發(fā)學(xué)生探索問題和解決問題的興趣，也使程序運行結(jié)果更為直觀和貼近現(xiàn)實，還可以進(jìn)一步指導(dǎo)學(xué)生用C語言在Arduino上制造出自己的作品，把“理論傳授+專業(yè)實踐”的傳統(tǒng)教學(xué)模式，轉(zhuǎn)變?yōu)椤疤岢鰡栴}+課堂探討+興趣小組”的新模式。PBL模式下的C語言Arduino教學(xué)實踐模型如圖2所示。將Arduino引入C語言教學(xué)通過一系列的循序漸進(jìn)的Arduino制作案例，提出問題，引導(dǎo)學(xué)生分析問題，用C語言思維指導(dǎo)實踐，在實踐中更好地理解C語言的結(jié)構(gòu)，理論與實踐相互促進(jìn)。

3 使用案例設(shè)計舉例

糧庫使用電動振動篩篩選糧食，振動期間產(chǎn)生的大量灰塵有害于身體健康，而控制振動篩的開關(guān)安裝在振動篩機(jī)體上，必須近距離操作，導(dǎo)致工作人員吸入大量灰塵。本案例開發(fā)手機(jī)APP以及振動篩下面的控制裝置取代原有的手工零距離按鈕，實現(xiàn)手機(jī)遠(yuǎn)距離控制振動篩開關(guān)。振動篩自動開關(guān)系統(tǒng)組成如圖3所示。

手機(jī)終端APP如圖4所示，語音控制部分代碼如圖5所示。

單片機(jī)控制繼電器用到選擇結(jié)構(gòu)的知識點：

int incomingByte;????? // 串口數(shù)據(jù)存儲

void setup（） {

Serial.begin（9600）;

pinMode（7， OUTPUT）;

}

void loop（） {

if （Serial.available（） > 0） {

incomingByte = Serial.read（）;

if （incomingByte == 'H'）

{

digitalWrite（7， HIGH）; //開繼電器

}

if （incomingByte == 'L'）

{

digitalWrite（7， LOW）;//關(guān)繼電器}

分支語句的H、L通過下面系列操作得到：讀單片機(jī)串口，由藍(lán)牙模塊輸入，藍(lán)牙模塊和手機(jī)終端的藍(lán)牙形成局域網(wǎng)，語音輸入開、關(guān)通過云平臺識別為文本開關(guān)，手機(jī)APP將開、關(guān)轉(zhuǎn)為H、L發(fā)送給單片機(jī)。此案例簡單有趣，引發(fā)學(xué)生的思考，拓展學(xué)生視野，具有創(chuàng)新和實踐價值。

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（03）

基金項目：基于Arduino的C語言程序設(shè)計PBL教學(xué)模式探索，項目編號：2017XYB069

作者簡介：冉彥中（1969-），男，重慶萬州人，碩士，高級工程師，研究方向：人工智能應(yīng)用，E-mail：1458485640@qq.com。

通訊作者：唐明祥（1968-），男，四川宜賓人，碩士，教授級高級工程師，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械：E-mail：279222513@qq.com。