基于自研硬件設(shè)備編程的程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革探索

商新娜，張寶森，孫連英，楊繼萍

(1.北京聯(lián)合大學(xué) 信息學(xué)院，北京 100101；2.北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，北京 100083;3.北京聯(lián)合大學(xué) 北京市信息服務(wù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

1 程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)現(xiàn)狀

程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、通信工程、電子信息工程等相關(guān)專業(yè)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是學(xué)生在大學(xué)階段接觸的第一門程序設(shè)計(jì)課程。

程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的目標(biāo)，從狹義上來講，是讓學(xué)生掌握一門編程語言，能夠運(yùn)用該語言解決簡單的問題，但更深層的目標(biāo)應(yīng)當(dāng)是培養(yǎng)學(xué)生程序設(shè)計(jì)的思想、描述客觀事物的方法、確定解決問題的方案，并用正確的程序設(shè)計(jì)語言表達(dá)，最終調(diào)試出正確的程序。

很多文獻(xiàn)都指出程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)有很多困難，并進(jìn)行了多方面的改革。在教學(xué)計(jì)劃方面，采用明確教學(xué)目標(biāo)、精選教材[1-2]、進(jìn)行分層教學(xué)、采用甲乙類教學(xué)方案等[3]；在教授方面，采用案例驅(qū)動[4]、項(xiàng)目驅(qū)動[5]；在實(shí)驗(yàn)方面，精選實(shí)驗(yàn)題目、增加答辯環(huán)節(jié)等[6]；在考核方面，采用上機(jī)考試、網(wǎng)絡(luò)考試平臺[7]等。

程序設(shè)計(jì)課程難度大的深層的原因有兩個：

(1) 學(xué)生計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識薄弱。雖然學(xué)生能夠上網(wǎng)，擁有手機(jī)、平板電腦，但學(xué)生對信息的存儲與表達(dá)一無所知，幾乎仍然是計(jì)算機(jī)盲。在《高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)核心課程教學(xué)實(shí)施方案》[12]中關(guān)于程序設(shè)計(jì)課程有明確的建議：學(xué)生應(yīng)該先修過或已經(jīng)掌握計(jì)算機(jī)導(dǎo)論或計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)主要內(nèi)容，了解計(jì)算機(jī)的發(fā)展過程，理解信息的存儲與表達(dá)方法，理解計(jì)算機(jī)的基本構(gòu)成和工作原理，并能夠熟練地操作計(jì)算機(jī)。這個要求與學(xué)生的現(xiàn)狀有明顯差距。

(2) 與其他課程相比，程序設(shè)計(jì)課程有它獨(dú)特的鮮明特色。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生的角色已經(jīng)發(fā)生了變化，不再是被動的知識接受者，而是運(yùn)用知識進(jìn)行富于創(chuàng)造性工作的人。學(xué)生就應(yīng)該像一個電影導(dǎo)演，要自己選擇演員(選擇變量)、設(shè)計(jì)演員的動作和戲劇情節(jié)場景(過程與算法)，還要實(shí)地拍攝(調(diào)試修改)。學(xué)生從慣性的被動接受知識，轉(zhuǎn)變?yōu)檫M(jìn)行能動的創(chuàng)造勞動。角色的轉(zhuǎn)變，是程序設(shè)計(jì)課程面臨很多困難的重要因素。

2 教改思路

教改的目標(biāo)是為了在有限的學(xué)時內(nèi)完成程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的教學(xué)目標(biāo)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，讓學(xué)生主動學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)知識。結(jié)合近年來社會上對于軟硬件結(jié)合開發(fā)旺盛的發(fā)展和需求，課題組自主研發(fā)了硬件設(shè)備CCX-M256點(diǎn)陣顯示器，通過對硬件設(shè)備的控制編程，讓學(xué)生了解軟硬件結(jié)合開發(fā)的思路，體會C語言的應(yīng)用情況，也為后續(xù)的操作系統(tǒng)、硬件控制、移動應(yīng)用開發(fā)等課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

教學(xué)實(shí)施中，仍然以傳統(tǒng)的知識點(diǎn)貫穿整個教學(xué)過程。將實(shí)踐環(huán)節(jié)分為2個部分，前半部分為基礎(chǔ)知識點(diǎn)練習(xí)和應(yīng)用，通過減少驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、增加設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)來增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用知識的能力。后半部分為軟硬件結(jié)合實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程和內(nèi)容，由淺入深，綜合應(yīng)用前面學(xué)到的知識點(diǎn)，在硬件設(shè)備上調(diào)試應(yīng)用。

3 教改設(shè)計(jì)及實(shí)施

3.1 設(shè)計(jì)開發(fā)硬件設(shè)備

自主設(shè)計(jì)硬件編程設(shè)備CCX-M256點(diǎn)陣顯示器(見圖1)，由USB接口芯片、列寄存器、行譯碼和點(diǎn)陣顯示模塊組成。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。運(yùn)行原理是將某一行的列數(shù)據(jù)(16位)發(fā)送給列寄存器，將行的序數(shù)發(fā)給行序寄存器以選擇控制某行。采用逐行掃描的方式，控制點(diǎn)陣進(jìn)行工作，即顯示文字、圖案和動畫。CCX-M256點(diǎn)陣顯示器簡單小巧，與計(jì)算機(jī)連接只需USB口，可以在多種編程環(huán)境下工作，如Visual C++等。

圖1 CCX—M256點(diǎn)陣顯示器外觀

圖2 CCX-M256點(diǎn)陣顯示器硬件框圖

3.2 設(shè)備操控

為了屏蔽復(fù)雜的硬件知識和電路原理，讓學(xué)生把注意力集中在軟硬件結(jié)合開發(fā)的應(yīng)用上，自研設(shè)備提供了很多API接口函數(shù)，學(xué)生了解函數(shù)功能和調(diào)用方式后，就可以進(jìn)行編程控制硬件設(shè)備。

3.2.1 單行顯示原理

控制一行中一個或某幾個LED亮，需要將相應(yīng)的編碼一次性輸出。例如，如果要點(diǎn)亮顯示器第3行的第5個LED，則行數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)為2，該行各列的編碼為00001000 00000000，表示為16進(jìn)制為0x08和0x00。定義數(shù)組msg存儲行數(shù)據(jù)，輸出代碼應(yīng)當(dāng)是：

unsigned char msg[4];

msg[0]=0x08;

msg[1]=0x00;

msg[2]=2;

msg[3]=0; // 附加一個無符號數(shù)據(jù)，為電路需要

然后調(diào)用API函數(shù)將數(shù)組msg發(fā)給目標(biāo)設(shè)備。

3.2.2 漢字或畫面顯示原理

針對顯示器的硬件特點(diǎn)，漢字與圖形的編碼都有16行。每行的16位點(diǎn)陣碼對應(yīng)個2字節(jié)，可用2個無符號字符型數(shù)據(jù)存儲。若每行的字節(jié)數(shù)據(jù)中用0表示LED不亮，用1表示LED亮，則需2個無符號字符型數(shù)據(jù)，可以用C語言的16進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲。例如漢字的“計(jì)”字，通過點(diǎn)陣換算，形成16×2的二維無符號數(shù)組，unsigned char data[32] ={0×00,0×40,0×40,0×40,0×20,0×40,0×20,0×40,0×00,0×40,0×00,0×44,0×F7,0×FE,0×10,0×40,0×10,0×40,0×10,0×40,0×10,0×40,0×12,0×40,0×14,0×40,0×18,0×40,0×10,0×40,0×00,0×40}將這個數(shù)組利用循環(huán)逐行發(fā)送給硬件設(shè)備，就可顯示漢字，如圖3所示。

圖3 漢字顯示效果

實(shí)際上，可以借助EXCEL和WORD快速實(shí)現(xiàn)字符編碼。例如對于漢字的“王”字，編碼過程見圖4所示。

圖4 漢字編碼

3.2.3 循環(huán)穩(wěn)定與速度控制

良好的循環(huán)可以對軟件的穩(wěn)定性和速度進(jìn)行控制，也可以結(jié)合定時器完成速度控制，關(guān)于定時器的使用，可以參考有關(guān)著作[13]。CCX—M256點(diǎn)陣顯示器采用三重循環(huán)進(jìn)行穩(wěn)定性和速度控制，其原理為：內(nèi)層循環(huán)完成漢字或一幅畫面的16行點(diǎn)陣輸出，中間層循環(huán)的循環(huán)次數(shù)完成畫面穩(wěn)定性或速度控制，循環(huán)次數(shù)越少速度越快。外層循環(huán)用于切換不同漢字或畫面的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)。

3.3 典型教學(xué)案例

3.3.1 字符滾動和切換

通過循環(huán)結(jié)構(gòu)，控制多個字符和漢字的切換和滾動顯示，如顯示“北京歡迎你”這5個漢字，切換顯示的效果為5個字逐個顯示，中間有一定的時間間隔。滾動顯示分為垂直滾動和水平滾動，垂直滾動通過循環(huán)控制點(diǎn)陣數(shù)組按行滾動、送到緩沖區(qū)的次序不變實(shí)現(xiàn)，而水平滾動通過循環(huán)控制全部16行數(shù)據(jù)按位循環(huán)移動一次移動1位的方法實(shí)現(xiàn)。

3.3.2 簡單動畫

通過設(shè)計(jì)2—n幅“畫面”的輪流顯示，實(shí)現(xiàn)簡單動畫顯示，如顯示一個海鷗飛翔的畫面，可以設(shè)計(jì)4幅圖畫，程序控制輪流顯示出來如圖5所示。

圖5 簡單動畫設(shè)計(jì)過程

3.3.3 圖形旋轉(zhuǎn)

通過循環(huán)控制數(shù)據(jù)矩陣，實(shí)現(xiàn)圖形的按“環(huán)”旋轉(zhuǎn)，如圖6所示。

圖6 圖形旋轉(zhuǎn)

3.3.4 貪吃蛇

這是一個綜合應(yīng)用的案例，通過程序控制，實(shí)現(xiàn)貪吃蛇的運(yùn)動、食物的隨機(jī)出現(xiàn)、計(jì)分、蛇身長度變化等控制，如圖7所示。

4 對編程基礎(chǔ)的強(qiáng)化

通過對硬件設(shè)備編程，強(qiáng)化了學(xué)生的編程基礎(chǔ)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) 對數(shù)據(jù)類型的強(qiáng)化。通過對漢字和圖形的編碼輸出，學(xué)生自然地理解了無符號數(shù)據(jù)類型，并由此理解了其他類型數(shù)據(jù)。

圖7 貪吃蛇游戲設(shè)計(jì)及效果

(2) 對循環(huán)的強(qiáng)化。通過對漢字穩(wěn)定控制和動畫控制，學(xué)生掌握了三層循環(huán)結(jié)構(gòu)，理解了循環(huán)的作用及循環(huán)要素對程序的控制。

(3) 對數(shù)組變換的強(qiáng)化。通過對16×16到16×2矩陣的轉(zhuǎn)換，學(xué)生理解了不同維度數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，并對使用二進(jìn)制表示事物的方法有所了解。

(4) 對函數(shù)的強(qiáng)化。采用模塊編程方法，學(xué)生體會函數(shù)的設(shè)計(jì)和使用，并對團(tuán)隊(duì)協(xié)作開發(fā)過程有所了解。

(5) 對指針的強(qiáng)化。通過數(shù)組的變換和指針的移動，理解指針的奇妙和強(qiáng)大作用。在傳統(tǒng)教學(xué)中，這一直是難度很大的一個知識點(diǎn)。

(6) 對文件使用的強(qiáng)化。通過對漢字點(diǎn)陣庫的使用，使學(xué)生理解了二進(jìn)制文件的操作及其便利。

5 教學(xué)效果及評價

該教學(xué)改革分別在2010級和2011級本科生的程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程中實(shí)施，取得了較好的教學(xué)反饋和效果。所有學(xué)生都在完成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)要求的基礎(chǔ)上參與軟硬件結(jié)合實(shí)驗(yàn)。學(xué)生對于能通過C語言編程，在點(diǎn)陣顯示器上顯示出自己的名字并使它們動起來很有成就感。超過60%的學(xué)生完成了中等難度的軟硬件結(jié)合實(shí)驗(yàn)，20%的學(xué)生對硬件編程產(chǎn)生了濃厚的興趣，根據(jù)自己的想法試探更高難度、更為復(fù)雜的軟硬件編程。

我院根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)和反饋情況，舉辦程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)大賽，以點(diǎn)陣顯示器為硬件載體，以軟硬件結(jié)合開發(fā)為主題，學(xué)生參與踴躍，作品形式和內(nèi)容都非常豐富，提高了程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的影響力，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，活躍了學(xué)生的業(yè)余生活。

6 結(jié)束語

實(shí)踐教學(xué)是程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的重要環(huán)節(jié)，通過軟硬件結(jié)合開發(fā)的教學(xué)改革，提高了該課程的趣味性和實(shí)用性，對于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、動手能力以及學(xué)習(xí)的自主性和創(chuàng)新性都發(fā)揮了積極的促進(jìn)作用，是一項(xiàng)有益的教學(xué)改革。

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