電子信息類專業(yè)“C/C++程序設(shè)計(jì)”課程的教學(xué)改革

范昊，束德勤，郭忠浩，楊傳棟

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 泰安）

一 引言

很多高等院校都在開展電子信息類、通訊類等相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)。這類人才培養(yǎng)的目的是為社會培養(yǎng)能夠在工業(yè)企業(yè)機(jī)電控制、工業(yè)自動化控制、檢測與自動化儀器儀表、信息采集和處理等領(lǐng)域從事各方面工作的具有創(chuàng)新精神的復(fù)合型工程技術(shù)人才[1]；能在電子及相關(guān)領(lǐng)域中開展研究、設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)營及在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域和國防工業(yè)中開展研發(fā)、應(yīng)用通信技術(shù)與高科技設(shè)備的工程技術(shù)人才；能夠在教育、研究院所、事業(yè)和政府管理等部門，從事電子集成系統(tǒng)開發(fā)和集成應(yīng)用以及教學(xué)和管理等工作，并且可以解決復(fù)雜工程問題的應(yīng)用型人才，以推動社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，現(xiàn)代電子類專業(yè)的的學(xué)生，除了需要掌握傳統(tǒng)的數(shù)電模電、電路原理等傳統(tǒng)課程之外，還需要掌握數(shù)據(jù)獲取、處理的基本原理和一般方法。學(xué)生們必須具備有設(shè)計(jì)、開發(fā)、處理數(shù)字信息及模擬信息的基本能力[2]。所有這些都離不開計(jì)算機(jī)技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用。因此計(jì)算機(jī)技術(shù)，特別是程序設(shè)計(jì)類課程，如C/C++語言，Python等程序設(shè)計(jì)語言類課程目前已經(jīng)成為電子類專業(yè)學(xué)生必須開設(shè)的重要課程[3,4]。

但目前在電子信息領(lǐng)域，高校開設(shè)C/C++語言課程中尚存在一些問題。造成電子類人才雖然具備了一定的電子集成電路的設(shè)計(jì)能力，但面對大量數(shù)據(jù)處理時(shí)，無從下手，培養(yǎng)的人才質(zhì)量還不能完全勝任企業(yè)的要求[5,6]。其實(shí)主要原因是，很多學(xué)生掌握了電子類的專業(yè)技術(shù)，卻不會C/C++語言設(shè)計(jì)技術(shù)，或者說不知道如何把電子專業(yè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)（特別是C/C++語言）編程技術(shù)結(jié)合起來。很多高校在開設(shè)C/C++語言課程時(shí)都制定詳細(xì)的授課計(jì)劃和課程體系。但很多的課程在實(shí)際的教學(xué)過程中并未達(dá)到很好的教學(xué)效果，學(xué)生基礎(chǔ)知識不扎實(shí)，或者即便原理掌握清楚了，但在解決實(shí)際問題過程中往往不知如何下手，無的放矢。作為一門聯(lián)系自動控制理論、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)環(huán)節(jié)的程序設(shè)計(jì)語言類課程，對電子類專業(yè)的C/C++語言的教學(xué)，應(yīng)該有所側(cè)重。C/C++課程的目的是指導(dǎo)學(xué)生掌握解決控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的一種有效的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段，提高學(xué)生實(shí)踐能力和綜合解決問題的能力。這門課程的應(yīng)用涉及很多領(lǐng)域的知識，講授內(nèi)容非常豐富，為了在有限的課時(shí)內(nèi)能夠快速讓學(xué)生入門，在理論教學(xué)與上機(jī)實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面，教學(xué)方法和內(nèi)容都要有所側(cè)重[7,8]。作者從C/C++教學(xué)內(nèi)容安排和教學(xué)方法等進(jìn)行了多方面的探索和研究工作。

二 課堂講授教學(xué)內(nèi)容的改進(jìn)

眾所周知，C/C++程序設(shè)計(jì)語言課程的主要內(nèi)容包括：基本數(shù)據(jù)類型與表達(dá)式、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的基本控制語句、函數(shù)的定義與調(diào)用機(jī)制、數(shù)組和結(jié)構(gòu)體以及類與對象、輸入輸出流等主要內(nèi)容。對電子類專業(yè)的本科生，在講授課程時(shí)，為了保持他們知識的完整性和系統(tǒng)性，課程的教學(xué)主線要保持教學(xué)內(nèi)容完備性但要有特色。在教學(xué)內(nèi)容上，首先講授教會學(xué)生C/C++語言的編輯環(huán)境、編譯方法、頭文件的使用等，讓學(xué)生對C/C++程序設(shè)計(jì)語言有個(gè)直觀了解，然后逐步講授變量、語句、函數(shù)等內(nèi)容，最后等學(xué)生把語言的基本結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)技巧掌握了再重點(diǎn)加入電子類專業(yè)使用的輸入輸出控制、計(jì)算機(jī)串口控制、winsock控件等內(nèi)容。總之，在課堂實(shí)際授課中要主線明確，內(nèi)容清晰，重點(diǎn)突出，結(jié)合電子類專業(yè)的特點(diǎn)理論與實(shí)踐并重，在課程教學(xué)過程中對課堂講授內(nèi)容進(jìn)行一定整合。

（一） 課堂講授教學(xué)內(nèi)容主線的制定

首先在實(shí)際課堂教學(xué)過程中制定了一條課堂講授教學(xué)內(nèi)容主線的主線，它考慮了課程教學(xué)內(nèi)容的完整性、加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐動手能力以及電子類專業(yè)教學(xué)的特色性等幾個(gè)方面。教學(xué)內(nèi)容主要包括基礎(chǔ)篇、核心內(nèi)容篇和高級應(yīng)用篇等幾個(gè)主要體系。圖1就是作者在實(shí)際教學(xué)過程中總結(jié)的電子類專業(yè)C/C++課堂講授教學(xué)內(nèi)容主線結(jié)構(gòu)。

圖1 課堂講授教學(xué)內(nèi)容主線

課堂講授教學(xué)內(nèi)容主線涵蓋了C/C++程序設(shè)計(jì)語言的主要內(nèi)容，同時(shí)又在數(shù)據(jù)的二進(jìn)制表示、輸入輸出控制、位運(yùn)算、程序預(yù)處理、文件等方面的教學(xué)上針對了電子類專業(yè)的特色重點(diǎn)講授。在基本篇教學(xué)中，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能條理掌握C/C++課程的基本內(nèi)容。核心內(nèi)容教學(xué)中學(xué)生能掌握程序設(shè)計(jì)的基本思路，對大量數(shù)據(jù)的處理，程序設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)，程序設(shè)計(jì)的模塊化和復(fù)雜輸入輸出有所掌握。高級篇教學(xué)中，特別針對了電子類專業(yè)學(xué)生將來在實(shí)際工程控制中常常遇到的問題進(jìn)行了重點(diǎn)的教學(xué)安排。如與計(jì)算機(jī)連接的設(shè)備沒有開啟或是設(shè)備故障時(shí)用的程序預(yù)處理功能、處理單片機(jī)PLC可編程控制器時(shí)遇到的大量二進(jìn)制轉(zhuǎn)換和位運(yùn)算問題等等。這樣的課程安排使得電子類專業(yè)的學(xué)生可以掌握完整的C/C++程序設(shè)計(jì)語言的課程內(nèi)容，使得學(xué)生的知識體系條而全面，而且在教學(xué)中特別針對了電子類專業(yè)在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中遇到的問題做了全面重點(diǎn)講授，使得學(xué)生在實(shí)際學(xué)習(xí)中突出了專業(yè)特色。通過這樣的教學(xué)安排，電子類專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)完C/C++程序設(shè)計(jì)后，在面對自己專業(yè)中的實(shí)際工程問題時(shí)會感覺到有的放矢、學(xué)以致用。

（二） 帶有電子類專業(yè)特色的案例設(shè)計(jì)

C/C++程序設(shè)計(jì)語言的學(xué)習(xí)，在課堂講授中必須有實(shí)驗(yàn)例題的涉及，否則學(xué)生會感覺非常抽象，難以理解所學(xué)內(nèi)容。當(dāng)然，要會編程必須先學(xué)會學(xué)習(xí)C/C++程序的一些基本知識。比如C語言程序結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)類型、變量和常量的概念、輸入輸出函數(shù)等，傳統(tǒng)教學(xué)方法通常是先用4個(gè)甚至更多課時(shí)集中講解，但這些內(nèi)容瑣碎繁雜，單獨(dú)記憶并不容易，往往是這些內(nèi)容講完了，同學(xué)們好奇心和熱情也消耗完了。為此，從第一堂課開始就采用案例教學(xué)法，事先根據(jù)教學(xué)內(nèi)容選擇和設(shè)計(jì)好例題。這類例題的設(shè)計(jì)和選取除了傳統(tǒng)的“Hello world”程序之外，作者精心制作和設(shè)計(jì)了部分帶有電子類專業(yè)特色的講授案例。如：表1和圖2的二極管流水燈的C/C++語言控制小程序的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

表1 C/C++控制程序

圖2 二極管流水燈的C/C++語言控制

目前電子類專業(yè)的學(xué)生都會有單片機(jī)和PLC控制器等硬件相關(guān)的課程，這些課程經(jīng)常使用到C/C++對硬件進(jìn)行編程控制。這個(gè)實(shí)例對于計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生理解起來似乎有一點(diǎn)困難，除非該學(xué)生單片機(jī)等課程比較熟練，但對電子專業(yè)的學(xué)生來說，由于他們有較好的51系列單片機(jī)基礎(chǔ)和硬件知識，反而加深了他們對程序的理解。通過這樣一個(gè)簡單的例題設(shè)計(jì)不僅使得同學(xué)對程序設(shè)計(jì)語言有較好的理解，并且將程序設(shè)計(jì)語言的知識和單片機(jī)硬件知識有機(jī)結(jié)合在一起，使得同學(xué)知道如何用語言控制硬件設(shè)備。

（三） 課堂動畫演示教學(xué)

由于C/C++語言課程里面難免要涉及一些較復(fù)雜的算法，程序中涉及到的算法講授是比較比較枯燥的，學(xué)生需要動腦筋理解。教師賣力而反復(fù)的講解，反而會使得學(xué)生不愿意去深入理解。如果教師將算法的思路和執(zhí)行過程，涉及硬件的話需要理解控制過程，在黑板上畫出來，是能加深學(xué)生對程序的理解。顯然，一些控制過程或是執(zhí)行過程非常復(fù)雜的算法，教師在黑板上畫圖，浪費(fèi)了課堂時(shí)間減少了課堂的容量，教學(xué)效果也未必會好。如果可以采用多媒體動畫教學(xué)方式，復(fù)雜程序的執(zhí)行和控制過程以容易理解的方式展現(xiàn)出來，不僅能吸引學(xué)生，同時(shí)也加強(qiáng)了學(xué)生對程序的理解。課件的動畫形式，可以對程序設(shè)計(jì)語言的內(nèi)容形象描繪，優(yōu)秀的動畫制作效果能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。當(dāng)復(fù)雜程序的設(shè)計(jì)、執(zhí)行、控制過程用優(yōu)美形象的動畫展現(xiàn)出來后，教師在授課時(shí)再配以深刻的講解和引導(dǎo)效果會更好。

三 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的案例設(shè)計(jì)

對語言類課程的學(xué)習(xí)沒有實(shí)際的上機(jī)動手編程是不可能掌握好的。特別是電子類專業(yè)的學(xué)生，他們設(shè)計(jì)的C/C++程序往往需要對硬件控制。因此，打破傳統(tǒng)教材的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，增設(shè)輸入輸出、硬件控制等，對電子類專業(yè)學(xué)生來說實(shí)用的實(shí)驗(yàn)是對該專業(yè)學(xué)生教學(xué)中必要的工作。下面將以一個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)例作為教學(xué)案例來說明如何設(shè)計(jì)這一類實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例：

1.實(shí)驗(yàn)要求

利用流式套接字編寫一個(gè)簡單的文件傳輸程序。要求：（1）服務(wù)器程序和客戶程序均為控制臺應(yīng)用程序；（2）服務(wù)器程序是文件的發(fā)送方，服務(wù)器程序啟動后要求從鍵盤輸入要發(fā)送的文件的存放位置及文件名，然后等待客戶端下載該文件；（3）客戶程序是文件的接收方，客戶程序啟動后要求輸入服務(wù)器的IP地址及所使用的TCP端口號，然后與服務(wù)器建立連接并下載服務(wù)器提供的文件，文件保存在C：盤根目錄下。

2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖3 流式套接字的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

傳輸一個(gè)文件需要傳輸兩部分內(nèi)容：一是文件的名字，二是文件的內(nèi)容，收發(fā)雙方必須約定何時(shí)發(fā)送文件名以及何時(shí)發(fā)送文件內(nèi)容。一般的做法是發(fā)送方先發(fā)送文件名給接收方，接收方收到文件名后以輸出方式（ios:out）打開文件，然后通知發(fā)送方“可以發(fā)送文件內(nèi)容了”，發(fā)送方收到允許發(fā)送文件內(nèi)容的通知后，就開始從文件中讀取文件內(nèi)容并發(fā)送給接收方。該交互過程如圖3所示，其中發(fā)送方已事先打開要發(fā)送的文件，并且收發(fā)雙方約定用字符串“OK”表示接收方允許發(fā)送方發(fā)送文件內(nèi)容的通知。

3.實(shí)現(xiàn)技術(shù)

服務(wù)器端和客戶端程序都需要用到文件操作，C++中有MFC的文件操作，但在控制臺應(yīng)用程序中通常應(yīng)使用C語言文件操作語句。C/C++中的文件處理功能是由輸入文件流ifstream和輸出文件流ofstream提供的，這兩個(gè)流在頭文件fstream中定義。C/C++中的文件操作過程應(yīng)包括以下3個(gè)步驟。①在程序中包含頭文件fstream #include “fstream”②定義文件流變量ifstream inFile定義輸入文件流對象；ofstream outFile定義輸出文件流對象③打開文 件 inFile.open( filename, inmode)； outFile.open(filename, outmode)；inFile和outFile是定義的流對象，filename是要打開的文件名，可以包含文件路徑，inmode和outmode則是打開或建立文件的方式，該參數(shù)有默認(rèn)值。

可以看到，經(jīng)過上述幾個(gè)步驟可以在完成在多臺計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單的文件傳輸。這個(gè)實(shí)驗(yàn)涉及到文件的輸入輸出、IP地址的設(shè)置、TCP端口號的配置、文件的格式、二進(jìn)制的表示等等。所有這些C/C++的這操作，對電子類專業(yè)的學(xué)生來說都是在以后工程實(shí)踐中經(jīng)常遇到的問題。經(jīng)過這樣一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)，不僅讓學(xué)生練習(xí)了許多重要的編程問題，而且讓學(xué)生感到非常實(shí)用，再遇到類似的問題時(shí)，他們可以駕輕就熟、游刃有余。也達(dá)到了我們經(jīng)常強(qiáng)調(diào)來的“利用所學(xué)知識解決實(shí)際問題”，避免了教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐的脫節(jié)。

四 課程考核方式教學(xué)改革

目前很多高校的程序設(shè)計(jì)語言類的課程考評方式一般是平時(shí)成績占30%，期末考試占70%，當(dāng)然，不同學(xué)校和專業(yè)比例也許會適當(dāng)調(diào)整，但大都是這樣一個(gè)模式。平時(shí)成績一般是考勤、課堂問答的情況來決定的，并不能完全反映學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)掌握情況。

（一） 課程考核方式改革的思路

對課程考核方式教學(xué)改革，我們是這樣來做的。首先是降低期末考試成績在總評成績中的比例，最多占總成績的一半，我們建議是占40%，平時(shí)成績則占60%。其次是改變平時(shí)成績的構(gòu)成，大幅降低考勤所占的比例，建議考勤成績只要占總成績的5%就可以了，平時(shí)的作業(yè)占總成績的15%，其余的40%則為隨堂測驗(yàn)成績。之所以要增加隨堂測驗(yàn)，主要是因?yàn)橥ㄟ^隨堂測驗(yàn)的答題情況可以使每個(gè)同學(xué)發(fā)現(xiàn)自己在學(xué)習(xí)上的不足之處，使他們能及時(shí)調(diào)整學(xué)習(xí)態(tài)度和學(xué)習(xí)方式，及時(shí)查缺補(bǔ)漏不至于落下太多，同時(shí)也能使教師及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，及時(shí)調(diào)整教學(xué)進(jìn)度優(yōu)化教學(xué)方法，幫助同學(xué)更加扎實(shí)地掌握所學(xué)知識，提高學(xué)生的程序的設(shè)計(jì)開發(fā)能力。

（二） 課程考核方式的成績構(gòu)成

隨堂測驗(yàn)成績在總成績中的占比較高，可以促使同學(xué)提高對平時(shí)測驗(yàn)的重視程度，使他們平時(shí)就會將更多的精力投入到學(xué)習(xí)之中。根據(jù)課程的教學(xué)內(nèi)容，隨堂測驗(yàn)的次數(shù)也不必太多，一般2到3次就可以達(dá)到目標(biāo)。具體課程考核方式的成績構(gòu)成，分為考試成績和平時(shí)成績，具體設(shè)置如下：

1、課程考試方式為結(jié)課后考試：閉卷。

2、成績構(gòu)成：70%考試成績+40%平時(shí)成績。

3、成績評分標(biāo)準(zhǔn)與考核過程。

課程考試評分標(biāo)準(zhǔn)（隨考卷單獨(dú)制定）

平時(shí)成績評定標(biāo)準(zhǔn)與過程為：

（1）考勤：滿分5分，根據(jù)課堂點(diǎn)名記錄考核，曠課1次扣1分，全勤為50分，最低為0分。其中無故缺勤三次以上者，取消本門課程的考試資格。

（2）課堂筆記：滿分5分，根據(jù)課堂記錄情況，由任課教師評分。

（3）課堂討論/測驗(yàn)：滿分20分，本課程進(jìn)行4次討論/測驗(yàn)，每次5分。

（4）作業(yè)：滿分10分，本課程共5次作業(yè)。每次作業(yè)滿分2分，得分根據(jù)作業(yè)情況考核。

五 教學(xué)效果與總結(jié)

我們精心進(jìn)行了教學(xué)內(nèi)容的總體安排，加強(qiáng)了課堂教授例題的選取和設(shè)計(jì)，考慮了課程教學(xué)內(nèi)容的完整性、加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐動手能力以及電子類專業(yè)教學(xué)的特色性等幾個(gè)方面。考評環(huán)節(jié)增加了課堂隨機(jī)回答問題和課堂測試與討論的環(huán)節(jié)。教學(xué)過程中，學(xué)生能在課堂上積極主動地進(jìn)行思考和回答問題，調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)的積極性。很多學(xué)生不僅能利用所學(xué)的知識、例題去解決自己遇到的實(shí)際問題，而且對于自己不懂不會的問題還能去主動查閱相關(guān)的資料，對文獻(xiàn)有一定的總結(jié)和自我學(xué)習(xí)能力。總之，經(jīng)過我們的教學(xué)改革和實(shí)踐，有效提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，使得學(xué)生基礎(chǔ)知識牢固，所學(xué)知識專業(yè)特色突出，多數(shù)學(xué)生能利用C/C++這門程序設(shè)計(jì)語言解決自己遇到的專業(yè)問題，到達(dá)了良好的教學(xué)效果。