基于可視化圖形編程的C語言引導性教學項目設計

摘要：針對大學生初學C語言課程容易出現的枯燥、缺乏興趣的問題，本文通過結合C語言語法和EasyX圖形庫函數，設計了兩個圖形可視化編程的引導性游戲項目。結合課程教學過程，將項目內容分解為配合教學進度的小題，逐步完成整個項目內容。從而通過趣味項目引導學生自主學習和分析，提升學生的編程能力和解決問題的能力。

關鍵字：C語言；EasyX圖形庫；圖形化編程；引導性教學

一、引言

程序設計能力是應用型本科電子類專業學生的一項重要能力，尤其在新一輪智能技術革命的影響下，程序設計能力的重要性顯得更加突出[1]。而C語言程序設計課程通常開設在電子類專業的大一學年，是大部分學生首次接觸到程序設計的課程。因此C語言作為程序設計能力的基礎，對學生后續掌握單片機、嵌入式、Java程序設計、Python等課程知識的影響十分重要。

然而不少學生在學習C語言的過程中，普遍反映對C語言不感興趣或感到枯燥。這也表明部分學生在C語言的學習上存在困難和缺乏興趣引導[2]。為了在新工科建設的理念下，培養具有創新思維、解決問題能力和自學能力的新一代電子信息類新工科人才，以問題為導向的教學方式逐漸受到重視[3]。本文將以C語言為基礎，結合EasyX圖形庫，設計兩個可視化編程的趣味游戲項目。并將項目設計內容逐步分解為多個小題目，隨著課程教學內容的進行同步發布給學生。學生可以根據當前所學內容逐步完成游戲項目，直到課程結束時最終完成整個項目。讓項目貫穿在教學過程中，引導學生自主學習，自主分析，從而提升學生的編程能力和解決問題的能力[4]。

二、EasyX圖形庫

EasyX 圖形庫是一款免費繪圖庫[5]，其設計目的雖然針對C++，但也可以應用在C語言編程教學中[6]。只需要在C語言編譯環境中安裝easyX插件就可以簡單實現圖形的繪制及可視化。因此本文通過EasyX圖形庫實現C語言編程的可視化，可以加深學生對編程的直觀印象。然后通過EasyX圖形庫設計趣味游戲項目，學生完成項目后可以得到直接的反饋，形成較強的滿足感和成就感，可以進一步提升學生的學習興趣。

本文設計的兩個趣味游戲項目需要用到的EasyX函數較為簡單，涉及的內容主要有：窗口建立，直線、矩形和圓形的繪制，鼠標鍵盤的輸入，屏幕內容清空等功能。相關的函數及說明如表1所示。

三、案例1—圖形化五子棋游戲編程

本項目內容是實現一個五子棋游戲界面，可以響應鼠標點擊事件，并在點擊位置為止放置黑白棋子。最后能根據五子棋的勝負規則，程序自動判斷勝負并給出提示。游戲界面如圖1所示。該項目涉及的C語言知識包括了變量聲明、循環、函數設計、二維數組操作、文件操作等。學生根據設計功能要求逐步完成各項模塊代碼，最終完成五子棋游戲程序的設計。該項目根據教學進度可分解為五個小題，分別為：

（一）五子棋游戲項目第一題—棋盤的顯示

該小題需要使用循環的語法，可在循環課程結束后進行。要求生成600×600的窗口，使用矩形填充棋盤背景色為0x55AAAA。然后使用循環繪制15條間距為40，長度為14×40的橫線。同理使用循環繪制15條豎線。即可以顯示一個棋盤。該小題訓練學生對循環的使用，并通過可視化的方式顯示出來。循環過程中的數值出現錯誤很容易在圖形界面中體現出來，學生可以得到直觀的反饋并進行改進，從而提高學生對循環的掌握和使用能力。

（二）五子棋游戲項目第二題—棋子的顯示

該小題需要使用函數和數組語法，可在函數和數組結束后進行。要求設置一個全局變量二維數組char CHESS[15][15]，用于保存棋盤上15×15個位置的棋子信息。使用嵌套循環遍歷二維數組的所有元素，根據數組元素值，在棋盤對應的位置上繪制填充顏色為黑色或白色的圓形棋子，或不繪制棋子。最后編寫一個函數void reDraw（），將繪制棋盤和棋子的代碼打包到該函數中。該小題可訓練學生對二維數組的操作，數組操作錯誤則體現為棋子的顯示錯誤，學生通過自行調試和糾錯可以積累經驗，更深入理解數組的作用。

（三）五子棋游戲項目第三題—棋子的輸入

該小題需要使用函數和數組語法，可在函數和數組結束后進行。要求在棋盤界面上用鼠標左鍵點擊，可以在相應的位置上放置棋子。使用while（1）循環獲取鼠標點擊事件和坐標，根據鼠標點擊的坐標，計算距離最近的棋盤交叉點的行列號，修改全局二維數組CHESS[15][15]對應元素的值。然后調用reDraw（）重新繪制修改后的棋盤和棋子圖形，實現游戲動態顯示。該題目主要訓練學生對數組的操作和函數的調用，通過鼠標坐標計算二維數組的小標，讓學生更深入理解二維數組的使用。該步驟通過調用reDraw（）函數繪圖，利用模塊化設計思路避免了程序代碼間的耦合，讓學生簡化程序設計思路，體現模塊化設計的優勢。

（四）五子棋游戲項目第四題—勝負判斷

該小題需要使用函數和數組語法，可在函數和數組結束后進行。要求每次落下棋子，都要進行勝負判斷。以新下棋子的坐標為中心，四個方向（橫向、豎向、斜下和斜上）上[-4，4]的范圍內出現五個同色棋子連在一起，即該色棋子獲勝。判斷過程中要避免邊界問題，即二維數組的下標越界問題。該小題的勝負判斷雖然依然只設計到二維數組操作，但作為本題目的主要步驟，是相對較難也較容易出錯的一步，具有較高的挑戰性，卻更能激發學生的斗志和興趣。學生需要在二維數組中進行四個方向上的元素數值判斷，掌握二維數組和循環語法的靈活使用方法才能較好地完成該題。

（五）五子棋游戲項目第五題—游戲的保存

該小題需要使用文件操作語法，可在文件讀寫課程結束后進行。要求將每次下棋的坐標記錄下來，游戲結束后保存在txt文件里。并可讀取txt文件重現棋譜步驟。該小題利用C語言課程最后教授的文件操作，增加了五子棋游戲功能，可以激發學生的創新意識。學生可以自由發揮，對五子棋的各種功能進行補充和改進。

四、案例2—圖形化敲磚塊游戲編程

本項目是實現一個敲磚塊的游戲。游戲窗口上方顯示多排磚塊，有一個小球在窗口范圍內反彈，小球敲到磚塊會讓磚塊消失。游戲窗口下方有個滑板，由兩個按鍵控制滑板的左右移動，當小球下落時，滑板要能及時接住小球，否則小球落入屏幕下方則游戲失敗。游戲界面如圖2所示。

該題目涉及的C語言知識同樣包括了變量聲明、循環、條件判斷、函數設計、二維數組、文件操作等。該項目根據教學進度可分解為六個小題，分別為：

（一）敲磚塊游戲項目第一題—小球的移動

該小題需要使用循環語法，可以在循環課程結束后進行。要求利用循環和easyX圖形庫的編程知識，在界面中顯示一個移動的小球。首先生成1000×600的窗口，使用矩形填充棋盤背景色為0x55AAAA。然后繪制一個半徑為20紅色小球，設置全局變量double ball_x， ball_y， ball_speed_x， ball_speed_y，分別表示小球的x，y坐標和x，y軸上的速度。設置while（1）循環（使用Sleep（10）控制循環速度），每次循環令ball_x += ball_speed_x， ball_y + ball_speed_y，然后以新的坐標重新繪制矩形底色和紅色小球。從而實現小球的動態移動顯示。該小題通過循環操作更新小球位置，最后動態地顯示移動的小球，通過可視化直觀地體現了循環操作的作用，讓學生有較強烈的印象，從而可以激發學生的學習興趣，為下一步的學習做好準備。

（二）敲磚塊游戲項目第二題—滑板的移動

該小題同樣只需要使用循環語法，可在循環課程結束后進行。要求利用循環和easyX圖形庫的編程知識，在界面下方顯示一個可控制左右移動的滑板。要求在游戲窗口的正下方繪制一個寬高為200×20的藍色矩形滑板。設置全局變量double board_x， board_y作為滑板左上角坐標，在上一小題的while（1）循環中，每次循環內都增加按鍵判斷，實現a和d按鍵減少或增加滑板的x坐標。從而實現滑板的動態移動。該小題同樣利用循環來移動游戲界面中的圖形，但可以通過按鍵交互來控制圖形的移動方向和速度，進一步提升了編程的趣味性。

（三）敲磚塊游戲項目第三題—小球的反彈

該小題需要使用函數語法，在函數課程結束后進行。要求在界面中顯示一個能移動和反彈的小球。在上述2個小題的基礎上，編寫update（）和reDraw（）函數，update（）用于計算小球和滑板的新坐標，而reDraw（）則是清除原有繪制內容，并按新坐標繪制小球和滑板。在update（）函數中，每次計算小球的新坐標后，都要判斷小球的坐標ball_x， ball_y是否碰到邊界。然后修改速度ball_speed_x和ball_speed_y的方向。如果碰到滑板，則重新隨機生成往上方移動的小球速度。該小題通過在循環中增加判斷語句，訓練學生將循環和判斷語句聯合使用的能力，并通過可視化游戲界面體現出來。學生的判斷條件出錯能在界面中體現出來，學生獲得直觀的反饋并加以糾正，可以加快學生的學習經驗積累。隨著代碼的增加，將位置更新和圖形繪制劃分為兩個模塊函數，可以訓練學生梳理代碼和模塊劃分的能力。

（四）敲磚塊游戲項目第四題—多彩磚塊的顯示

該小題需要使用函數和數組語法，在函數課程和數組課程結束后進行。要求在界面上方顯示5行20列的磚塊。設置類型為unsigned long的全局變量二維數組，用于保存5行20列的磚塊，每個元素用于保存對應磚塊的顏色，如果該值為0，則表示沒有磚塊。并將二維數組里的值隨機設置為不同顏色。在reDraw（）函數里增加磚塊的顯示，每個磚塊的寬度應為50，高度設置為30。該小題通過二維數組保存多彩磚塊的數據，要求學生學會二維數組的使用方法。其中磚塊的顯示涉及了循環遍歷二維數組，以及數值為0的空磚塊判斷，可以訓練學生綜合運用循環、條件判斷和數組操作。

（五）敲磚塊游戲項目第五題—磚塊的碰撞

該小題需要在函數課程和數組課程結束后進行。要求實現小球和磚塊的碰撞計算，讓磚塊消失，并修改小球方向。設置一個函數int blockHited（double ball_x， double ball_y， double block_x， double block_y），用于檢測小球與一個磚塊是否發生碰撞，返回值為0表示沒有碰撞，非0值表示發生碰撞。碰撞的情況下要修改小球的速度方向。小球每移動一次，就與所有的非0磚塊遍歷一遍。該小題雖然涉及的語法與前面小題一樣，但是相對有挑戰的內容，小球需要與多個磚塊進行碰撞檢測，需要涉及循環遍歷以及二維數組的更新（磚塊的消失）。小球與每個磚塊的碰撞及方向更新，則要考慮到碰撞的范圍，以及碰撞的位置是處于磚塊的上下左右方向，還是四個對角方向，并計算出合理的反彈方向。因此學生容易在該小題上出錯，但通過界面直觀反饋錯誤現象，可以吸引學生深入研究代碼的執行過程，進而強化學生的程序設計思維，提升編程能力。

（六）敲磚塊游戲項目第六題—游戲參數設置

需要使用到文件操作語法，可在文件讀寫課程結束后進行。要求將一些重要參數保存到txt文件中，并在游戲開始時讀取txt文件中的參數，用于游戲的配置，例如游戲界面大小、磚塊數量、滑板尺寸、小球速度等。該小題利用文件操作功能擴展敲磚塊游戲的配置功能，學生編譯出程序后，只需要簡單修改配置文件就能調整游戲的難度，可以讓學生體驗軟件設計過程中參數配置過程。此外還可以增加開放性題目鼓勵學生開拓思維，發揮想象力，利用所學知識擴展游戲的功能，激發學生的創新思維。

五、結束語

對于剛接觸程序設計的學生來說， C語言里的概念會有一定的抽象和難以理解，因此對C語言的學習提不起興趣。本文設計的可視化編程引導性游戲編程項目，可以通過游戲設計提高學生編程興趣。再以項目分解成小題的形式，一步一步引導學生完成整個項目，并貫穿整個C語言編程教學內容。對提高學生的編程能力和解決問題的能力有較好的幫助作用。

作者單位：林偉銘 廈門理工學院 光電與通信工程學院

參? 考? 文? 獻

[1] 吳紫恒，王兵，李聰，等.人工智能背景下電子信息類新工科人才培養模式的研究[J].湖北工程學院學報，2021，41（03）：121-123.

[2] 柴西林，趙亞娟，趙艷，等. 應用型本科電子信息類專業C語言教學現狀分析及對策研究[J]. 科技創新導報，2017（6）：193-194.

[3] 羅春婭，李丹，馬智超，等.以問題為導向的高效課堂的研究——以中美合作辦學的電子類專業基礎課為例[J].湖北第二師范學院學報，2020，37（02）：89-91.

[4] 丁鳳娟，洪騰蛟，陳豐，等.基于新工科與專業認證背景下《C語言程序設計》教學改革與實踐[J].才智，2022（21）：84-87.

[5] 崔北元，李德川.基于EasyX的物體運動狀態模擬仿真系統分析拋體運動問題[J].教學考試，2021（49）：20-22.

[6] 尹蘭蘭，磨峰，熊水平.C語言課程中利用easyX進行算法的可視化教學[J].軟件工程，2019，22（11）：51-55.

基金項目：2021年福建省本科高校教育教學改革研究項目“新工科背景下電子信息類人才軟件創新能力培養的探索與實踐”（項目編號：FBJG20210085）；2020年福建省本科高校教育教學改革研究項目“專創融合-虛實結合打造電子信息系統綜合設計課程群”（項目編號：FBJG20200119）。

林偉銘（1983-），男，漢族，福建漳州，博士，副教授，研究方向：模式識別與機器學習研究。