電子信息類專業“C/C++程序設計”課程的教學改革

范昊，束德勤，郭忠浩，楊傳棟

(山東農業大學 信息科學與工程學院，山東 泰安）

一 引言

很多高等院校都在開展電子信息類、通訊類等相關專業的人才培養。這類人才培養的目的是為社會培養能夠在工業企業機電控制、工業自動化控制、檢測與自動化儀器儀表、信息采集和處理等領域從事各方面工作的具有創新精神的復合型工程技術人才[1]；能在電子及相關領域中開展研究、設計、制造、運營及在國民經濟各個領域和國防工業中開展研發、應用通信技術與高科技設備的工程技術人才；能夠在教育、研究院所、事業和政府管理等部門，從事電子集成系統開發和集成應用以及教學和管理等工作，并且可以解決復雜工程問題的應用型人才，以推動社會經濟的發展。隨著大數據、物聯網等技術的發展與應用，現代電子類專業的的學生，除了需要掌握傳統的數電模電、電路原理等傳統課程之外，還需要掌握數據獲取、處理的基本原理和一般方法。學生們必須具備有設計、開發、處理數字信息及模擬信息的基本能力[2]。所有這些都離不開計算機技術的開發與應用。因此計算機技術，特別是程序設計類課程，如C/C++語言，Python等程序設計語言類課程目前已經成為電子類專業學生必須開設的重要課程[3,4]。

但目前在電子信息領域，高校開設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計能力，但面對大量數據處理時，無從下手，培養的人才質量還不能完全勝任企業的要求[5,6]。其實主要原因是，很多學生掌握了電子類的專業技術，卻不會C/C++語言設計技術，或者說不知道如何把電子專業技術和計算機（特別是C/C++語言）編程技術結合起來。很多高校在開設C/C++語言課程時都制定詳細的授課計劃和課程體系。但很多的課程在實際的教學過程中并未達到很好的教學效果，學生基礎知識不扎實，或者即便原理掌握清楚了，但在解決實際問題過程中往往不知如何下手，無的放矢。作為一門聯系自動控制理論、系統設計、課程設計和畢業設計等教學環節的程序設計語言類課程，對電子類專業的C/C++語言的教學，應該有所側重。C/C++課程的目的是指導學生掌握解決控制系統分析與設計的一種有效的計算機輔助設計手段，提高學生實踐能力和綜合解決問題的能力。這門課程的應用涉及很多領域的知識，講授內容非常豐富，為了在有限的課時內能夠快速讓學生入門，在理論教學與上機實驗兩個方面，教學方法和內容都要有所側重[7,8]。作者從C/C++教學內容安排和教學方法等進行了多方面的探索和研究工作。

二 課堂講授教學內容的改進

眾所周知，C/C++程序設計語言課程的主要內容包括：基本數據類型與表達式、結構化程序設計的基本控制語句、函數的定義與調用機制、數組和結構體以及類與對象、輸入輸出流等主要內容。對電子類專業的本科生，在講授課程時，為了保持他們知識的完整性和系統性，課程的教學主線要保持教學內容完備性但要有特色。在教學內容上，首先講授教會學生C/C++語言的編輯環境、編譯方法、頭文件的使用等，讓學生對C/C++程序設計語言有個直觀了解，然后逐步講授變量、語句、函數等內容，最后等學生把語言的基本結構和設計技巧掌握了再重點加入電子類專業使用的輸入輸出控制、計算機串口控制、winsock控件等內容。總之，在課堂實際授課中要主線明確，內容清晰，重點突出，結合電子類專業的特點理論與實踐并重，在課程教學過程中對課堂講授內容進行一定整合。

（一） 課堂講授教學內容主線的制定

首先在實際課堂教學過程中制定了一條課堂講授教學內容主線的主線，它考慮了課程教學內容的完整性、加強學生實踐動手能力以及電子類專業教學的特色性等幾個方面。教學內容主要包括基礎篇、核心內容篇和高級應用篇等幾個主要體系。圖1就是作者在實際教學過程中總結的電子類專業C/C++課堂講授教學內容主線結構。

圖1 課堂講授教學內容主線

課堂講授教學內容主線涵蓋了C/C++程序設計語言的主要內容，同時又在數據的二進制表示、輸入輸出控制、位運算、程序預處理、文件等方面的教學上針對了電子類專業的特色重點講授。在基本篇教學中，使得學生在學習過程中能條理掌握C/C++課程的基本內容。核心內容教學中學生能掌握程序設計的基本思路，對大量數據的處理，程序設計的基本結構，程序設計的模塊化和復雜輸入輸出有所掌握。高級篇教學中，特別針對了電子類專業學生將來在實際工程控制中常常遇到的問題進行了重點的教學安排。如與計算機連接的設備沒有開啟或是設備故障時用的程序預處理功能、處理單片機PLC可編程控制器時遇到的大量二進制轉換和位運算問題等等。這樣的課程安排使得電子類專業的學生可以掌握完整的C/C++程序設計語言的課程內容，使得學生的知識體系條而全面，而且在教學中特別針對了電子類專業在實際工程設計中遇到的問題做了全面重點講授，使得學生在實際學習中突出了專業特色。通過這樣的教學安排，電子類專業的學生學習完C/C++程序設計后，在面對自己專業中的實際工程問題時會感覺到有的放矢、學以致用。

（二） 帶有電子類專業特色的案例設計

C/C++程序設計語言的學習，在課堂講授中必須有實驗例題的涉及，否則學生會感覺非常抽象，難以理解所學內容。當然，要會編程必須先學會學習C/C++程序的一些基本知識。比如C語言程序結構、數據類型、變量和常量的概念、輸入輸出函數等，傳統教學方法通常是先用4個甚至更多課時集中講解，但這些內容瑣碎繁雜，單獨記憶并不容易，往往是這些內容講完了，同學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法，事先根據教學內容選擇和設計好例題。這類例題的設計和選取除了傳統的“Hello world”程序之外，作者精心制作和設計了部分帶有電子類專業特色的講授案例。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驗設計。

表1 C/C++控制程序

圖2 二極管流水燈的C/C++語言控制

目前電子類專業的學生都會有單片機和PLC控制器等硬件相關的課程，這些課程經常使用到C/C++對硬件進行編程控制。這個實例對于計算機專業的學生理解起來似乎有一點困難，除非該學生單片機等課程比較熟練，但對電子專業的學生來說，由于他們有較好的51系列單片機基礎和硬件知識，反而加深了他們對程序的理解。通過這樣一個簡單的例題設計不僅使得同學對程序設計語言有較好的理解，并且將程序設計語言的知識和單片機硬件知識有機結合在一起，使得同學知道如何用語言控制硬件設備。

（三） 課堂動畫演示教學

由于C/C++語言課程里面難免要涉及一些較復雜的算法，程序中涉及到的算法講授是比較比較枯燥的，學生需要動腦筋理解。教師賣力而反復的講解，反而會使得學生不愿意去深入理解。如果教師將算法的思路和執行過程，涉及硬件的話需要理解控制過程，在黑板上畫出來，是能加深學生對程序的理解。顯然，一些控制過程或是執行過程非常復雜的算法，教師在黑板上畫圖，浪費了課堂時間減少了課堂的容量，教學效果也未必會好。如果可以采用多媒體動畫教學方式，復雜程序的執行和控制過程以容易理解的方式展現出來，不僅能吸引學生，同時也加強了學生對程序的理解。課件的動畫形式，可以對程序設計語言的內容形象描繪，優秀的動畫制作效果能激發學生的學習興趣，調動學生學習的積極性。當復雜程序的設計、執行、控制過程用優美形象的動畫展現出來后，教師在授課時再配以深刻的講解和引導效果會更好。

三 實驗環節的案例設計

對語言類課程的學習沒有實際的上機動手編程是不可能掌握好的。特別是電子類專業的學生，他們設計的C/C++程序往往需要對硬件控制。因此，打破傳統教材的實驗設計，增設輸入輸出、硬件控制等，對電子類專業學生來說實用的實驗是對該專業學生教學中必要的工作。下面將以一個實驗實例作為教學案例來說明如何設計這一類實驗。

實驗教學案例：

1.實驗要求

利用流式套接字編寫一個簡單的文件傳輸程序。要求：（1）服務器程序和客戶程序均為控制臺應用程序；（2）服務器程序是文件的發送方，服務器程序啟動后要求從鍵盤輸入要發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器的IP地址及所使用的TCP端口號，然后與服務器建立連接并下載服務器提供的文件，文件保存在C：盤根目錄下。

2.實驗設計

圖3 流式套接字的實驗設計

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

3.實現技術

服務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，但在控制臺應用程序中通常應使用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，這兩個流在頭文件fstream中定義。C/C++中的文件操作過程應包括以下3個步驟。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，該參數有默認值。

可以看到，經過上述幾個步驟可以在完成在多臺計算機上實現一個簡單的文件傳輸。這個實驗涉及到文件的輸入輸出、IP地址的設置、TCP端口號的配置、文件的格式、二進制的表示等等。所有這些C/C++的這操作，對電子類專業的學生來說都是在以后工程實踐中經常遇到的問題。經過這樣一個簡單的實驗，不僅讓學生練習了許多重要的編程問題，而且讓學生感到非常實用，再遇到類似的問題時，他們可以駕輕就熟、游刃有余。也達到了我們經常強調來的“利用所學知識解決實際問題”，避免了教學內容和實踐的脫節。

四 課程考核方式教學改革

目前很多高校的程序設計語言類的課程考評方式一般是平時成績占30%，期末考試占70%，當然，不同學校和專業比例也許會適當調整，但大都是這樣一個模式。平時成績一般是考勤、課堂問答的情況來決定的，并不能完全反映學生平時學習掌握情況。

（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%，平時成績則占60%。其次是改變平時成績的構成，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，平時的作業占總成績的15%，其余的40%則為隨堂測驗成績。之所以要增加隨堂測驗，主要是因為通過隨堂測驗的答題情況可以使每個同學發現自己在學習上的不足之處，使他們能及時調整學習態度和學習方式，及時查缺補漏不至于落下太多，同時也能使教師及時了解學生的學習情況，及時調整教學進度優化教學方法，幫助同學更加扎實地掌握所學知識，提高學生的程序的設計開發能力。

（二） 課程考核方式的成績構成

隨堂測驗成績在總成績中的占比較高，可以促使同學提高對平時測驗的重視程度，使他們平時就會將更多的精力投入到學習之中。根據課程的教學內容，隨堂測驗的次數也不必太多，一般2到3次就可以達到目標。具體課程考核方式的成績構成，分為考試成績和平時成績，具體設置如下：

1、課程考試方式為結課后考試：閉卷。

2、成績構成：70%考試成績+40%平時成績。

3、成績評分標準與考核過程。

課程考試評分標準（隨考卷單獨制定）

平時成績評定標準與過程為：

（1）考勤：滿分5分，根據課堂點名記錄考核，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，根據課堂記錄情況，由任課教師評分。

（3）課堂討論/測驗：滿分20分，本課程進行4次討論/測驗，每次5分。

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

五 教學效果與總結

我們精心進行了教學內容的總體安排，加強了課堂教授例題的選取和設計，考慮了課程教學內容的完整性、加強學生實踐動手能力以及電子類專業教學的特色性等幾個方面。考評環節增加了課堂隨機回答問題和課堂測試與討論的環節。教學過程中，學生能在課堂上積極主動地進行思考和回答問題，調動了學生的學習熱情和學習的積極性。很多學生不僅能利用所學的知識、例題去解決自己遇到的實際問題，而且對于自己不懂不會的問題還能去主動查閱相關的資料，對文獻有一定的總結和自我學習能力?？傊?，經過我們的教學改革和實踐，有效提高了學生學習的主動性，使得學生基礎知識牢固，所學知識專業特色突出，多數學生能利用C/C++這門程序設計語言解決自己遇到的專業問題，到達了良好的教學效果。