【文章內(nèi)容簡介】 學探討 8 圖 211 用 ChIDE單步執(zhí)行、監(jiān)控變量并在調(diào)試 命令 窗格中使用調(diào)試命令 Ch 的高級科學計算功能 科學數(shù)值計算并不是 C 語言設計的最初目的。比如，在 C89 中就很難處理多維數(shù)組。 C99 為 C 語言添加了可變長數(shù)組和復數(shù)，使得數(shù)值計算得到極大簡化。 Ch 進一步擴展了 C99 的數(shù)值計算功能。在 Ch 中，數(shù)值分析方面的復雜問題往往只需調(diào)用一個函數(shù)即可解決。本部分將闡述 Ch 在科學計算方面對 C 語言進行的擴展。這些數(shù)值擴展極大地簡化了工程和科學中復雜問題的編程。很多工程和科學上的實際問題都可以在課基于 ch 平臺 c 語言程序設計的教學探討 9 堂演示，在課后練習和項目訓練中輕松解決，提高了教學的實用性，并極大地激發(fā)學生對計 算機編程的興趣和學習的積極性。 高級數(shù)值計算 Ch 支持作為一類對象 (firstclass)的計算數(shù)組 (putational array)。計算數(shù)組可以由類型聲明符 array 進行聲明。一維的計算數(shù)組作矢量處理，而二維數(shù)組則作為線性代數(shù)矩陣處理。對計算數(shù)組進行運算的操作符重載遵循線性代數(shù)的運算規(guī)則，如圖212 所示 圖 212 由 類 型 聲 明 符 array 聲 明 計 算 數(shù) 組 本例中，函數(shù) transpose()和 inverse()分別用于計算轉(zhuǎn)置矩陣 和逆矩陣。對關鍵詞 array的處理方法跟 C99中關鍵詞 plex的相同。在程序中使用計算數(shù)組時，應該包含頭文件 。如果程序中沒有包含頭文件 ，那么 標識符 array就被作為變量名使用。 Ch含有針對科學數(shù)值計算的高級數(shù)值分析函數(shù)庫。比如，線性方程組 Ax=b，其中：通過圖 213中的程序 linsolve()進行求解， array double a[2][3] = {1,2,3,4,5,6}, b[2][2] b = a*transpose(a) b*inverse(b) a = 100*a + 5 /* File: */ include include int main() { array double a[3][3] = {3, 0, 6, 0, 2, 1, 1, 0, 1}。 array double b[3] = {2, 13, 25}, x[3]。 linsolve(x, a, b)。 /* find x based on a and b */ printf(x = %.4f, x)。 printf(A*x = %.4f, a*x)。return 0。 } 基于 ch 平臺 c 語言程序設計的教學探討 10 圖 213 用數(shù)值分析函數(shù) linsolve()求解線性方程組 輸出結果如圖 214 所示。 圖 214 求解結果 頭文件 。函數(shù) linsolve()的算法基于廣為應用的開源 LAPACK，直接調(diào)用了 LAPACK中的相關函數(shù)。用戶無需擔心用快速精確的數(shù)值算法進行的潛在的優(yōu)化。通過高級數(shù)值分析函數(shù)庫，用戶只需調(diào)用一個函數(shù)就能解決諸如 LU分解、 QR分解、偽逆、奇異值分解、矩陣的特征值和特征向量、非線性方程、常微分方程等復雜數(shù)值分析問題。這些高級數(shù)值函數(shù)對解決工程和科學類后續(xù)課程的復雜問題也是非常有用的。 數(shù)字圖形繪制功能 圖形繪制對數(shù) 值結果的可視化和解釋是極為重要的。 C語言默認不支持圖形繪制，C語言程序員往往用程序先生成一個數(shù)據(jù)文件，再使用如 Excel之類的軟件包，用數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)繪制圖形，這一過程對算法開發(fā)來說很不方便。 Ch在 C/C++的框架下，為二維和三維圖形繪制提供了幾乎最簡捷的方案。使用圖形庫的繪圖函數(shù)或繪圖類成員函數(shù)，可以在 Ch中方便地生成二維和三維圖形。 Ch可以用數(shù)據(jù)數(shù)組、數(shù)據(jù)文件或函數(shù)生成圖形，將其顯示于屏幕，保存為不同格式的圖片文件，或以適當圖片格式輸出到標準 輸 出 流 ， 并 使 用 Web 服 務 器 在 Web 瀏 覽 器 上 顯 示 。 下面舉 個例子展示了在 Ch中繪制二維曲線的簡捷功能。三維繪圖與二維繪圖方法x = A*x = 基于 ch 平臺 c 語言程序設計的教學探討 11 也是一樣的。 圖 215 所示為函數(shù) sinc(x) 的二維曲線圖形： sin(x)=sin(x)/x x的取值范圍為 [10,10]。 圖 215 由程序 fplotxy() 產(chǎn)生的二維曲線 該圖形是如圖 216所示的 Ch程序 fplotxy()實現(xiàn)的。 /* File: Plot function sinc(x)= sin(x)/ x for 10=x=10 with 80 points */ include include /* for using fplotxy() in the plotting library */ /* function definition for sinc() to be plotted */ double sinc(double x) { double retval。 retval = sin(x)/x。 return retval。 } int main() { double x0 = , xf = 。 /* initial and final values for x */ intnum = 80。 /* number of data points for (x, y) for plotting */ fplotxy(sinc, x0, xf, num, function sinc(x), x, sinc(x))。 return 0。 } 基于 ch 平臺 c 語言程序設計的教學探討 12 圖 216 繪制 sinc(x)二維曲線的 Ch 程序 以高級圖形繪制和數(shù)值函數(shù)為基礎，大量教學和工程應用工具包可被開發(fā)出來。現(xiàn)已開發(fā)的工具包包括控制系統(tǒng)工具包和機構設計和分析工具包。相比傳統(tǒng)平臺只需更少得多的代碼即可實現(xiàn)該機構的數(shù)值和圖形輸出以及仿真 [8]。 3 基于 Ch 的 C 程序設計的教學改進 C程序設計是計算機學習中的一門非常重要的基礎課，主要培養(yǎng)學生正確的設計算法以及編程能力 , 熟練掌握程序設計的思想 , 培養(yǎng)學生結合所學知識解決實際問題的能力和正確的編程思維方式。在傳統(tǒng)的教學過程中受限于教學平臺功能和教學方法及內(nèi)容，使教學效果和學生積極性的效果不 甚理想。因此選擇一個合適的教學平臺和一套行之有效的教學方法是非常重要的。 Ch平臺先天具有的交互式外殼、跨平臺屬性、 界面友好的集成開發(fā)環(huán)境使其能夠更好地彌補傳統(tǒng) c程序教學中出現(xiàn)的缺點。 傳統(tǒng)教學平臺及授課的缺點 傳統(tǒng)教學平臺的缺點 傳統(tǒng)教學中教授 C語言時 ,通常都是基于 Windows開發(fā)環(huán)境來講述 C語言編程技術。由于Windows平臺的局限性 ,教師在教授計算機編程語言時 ,無法深入講解相關的一些知識和技術 ,使得學生對于編程語言的理解僅僅停留在表面 ,不能理解計算機編程語言 C的本質(zhì)。如今電 子科技的先驅(qū)和創(chuàng)新領先者已經(jīng)不是再由微軟公司一家獨大，而是由谷歌、蘋果和微軟公司形成三足鼎立之勢。以這三家公司分別為代表的 Linux、 Unix、 Windows操作系統(tǒng)及應用軟件已經(jīng)廣泛運用到了出個人電腦之外的各種電子設備中 [9]。它們在不同的領域擁有各自的優(yōu)勢，所以使用傳統(tǒng)的基于單一系統(tǒng)的教學平臺是不合時宜的。不管是針對于只想初步掌握 c語言的普通學習者還是以后有志于專門從事電子科技的人員，選擇一個符合潮流發(fā)展的學習是非常重要的第一步。另外，傳統(tǒng)的教學平臺如 Turbo C、 Vc++沒有圖形界面并且在 C語言功能 及其編譯 /鏈接 /運行 /調(diào)試等繁瑣過程不盡完美且效率不高。特別是初學者用其學習時不能明確地指示出錯誤而是用如段故障和總線錯誤之類含義模糊且令人費解的出錯提示信息。 基于 ch 平臺 c 語言程序設計的教學探討 13 傳統(tǒng)教學方法的缺點 傳統(tǒng)的教學方式從本質(zhì)上來講還是屬于“填鴨式”教學。 教師教法陳舊沒有充分調(diào)動學生學習的積極性。在目前的課堂教學中還是以教師講授為主，沒有充分發(fā)揮學生學習的主動性啟發(fā)式教學。先進直觀的交互式教學手段應用不夠，不了解學生的真正需求、難點和問題所在提不起學生學習的興趣和熱情。除此之外，對于實踐教學環(huán)節(jié)重視不夠。c語言是一 門實踐性很強的計算機語言，但目前的實踐課教學存在很多弊端。比如上機課缺乏目的性和趣味性使學生對實踐的目的模糊，導致上機操作時注意力分散對程序調(diào)試失去耐心。在實驗教學過程中 , 教師占有主導地位 , 學生處于被動狀態(tài) , 這就不利于充分發(fā)揮與調(diào)動學生學習的積極性 , 也難以實施學生分析問題、解決問題及綜合設計能力的培養(yǎng)。最終的結果就是學生學習效率低下，學習興趣逐漸減弱，增加教與學的難度。 傳統(tǒng)教學內(nèi)容的缺點 目前的國內(nèi)多數(shù)高校以譚浩強先生著的《語言程序設計》作為教材。該書簡明扼要，通俗易懂的確給初學者 帶來了很大的方便。但在選例上缺乏應用性和趣味性致使很多同學覺得語言枯燥沒有意思，因此對學習語言缺乏興趣沒有主動性 [10]。對于理工科學生來說，學習 c語言對自身專業(yè)學習和以后發(fā)展是很有必要的。但是目前的教材千篇一律沒有能夠體現(xiàn)出學科特色和高級函數(shù)圖象理解，缺乏對學生長遠培養(yǎng)。還有就是對傳統(tǒng)教學對內(nèi)容的順序選擇上太過于死板， C 語言本身具有非常靈活、知識點非常繁多的特點。為了減少學生的誤區(qū) ,應先給學生搭建整體的程序結構與程序思想 , 然后在學生領會程序的設計思想后再局部細化每一個知識點。內(nèi)容是教學的載體，內(nèi)容的空 泛，順序的僵化和缺乏學科特色是給學生一種 c語言過于困難和枯燥的一個重要原因。 ch 平臺對傳統(tǒng)教學的提高 ch平臺既可面向沒有任何編程經(jīng)驗的初學者，也適用于已經(jīng)掌握了 c程序編程的使用者。對教學而言，比其他教學平臺更加切合我國的教學實際情況。受制于傳統(tǒng) c程序教學平臺的許多缺點，我國的 c語言教育雖然意識到了需要方方面面改進以促進 c語言的教學卻一直很難有很大的突破性進展 [11]。 Ch以其自身所具有的優(yōu)勢可以更加方便簡單地為突破傳統(tǒng)教學中存在的缺點奠定一個平臺基礎。 基于 ch 平臺 c 語言程序設計的教學探討 14 提高學生學習興趣 興 趣是激發(fā)學生主動學習 C語言的關鍵 , 而加強實驗教學是激發(fā)學生學習的興趣一種重要方式。 C程序教學是一個實踐性非常強的課程 , 上機實驗是 C 語言程序設計初學者入門和學好的一條捷徑。在實驗教學中 , 通過具體形象的實例程序上機運行 ,學生便會立刻感覺到 C語言的神奇 , 有了好奇心 , 學生才能使領略 C語言的魅力 ,從而激發(fā)了學生的學習興趣。如果再在具體形象的事例程序上進行一些修改 , 使程序得到不同的結果。 然后引發(fā)學生積極思考如何修改程序以解決新的問題 , 使學生有一種成功感使學生逐步揭開 C程序設計的神秘 , 從中體會到編程的 快樂， 從而達到學生主動學習的目的。同時 , 要注重學生調(diào)試程序能力的培養(yǎng) , 例如通過單步執(zhí)行、設置斷點、觀察變量的值等調(diào)試技巧來增強學生的排錯能力 , 這樣有助于學生提高調(diào)試成功的機會 , 也有助于幫助學生理解程序的執(zhí)行過程和增強學習興趣和信心。 ch實現(xiàn)了 C語言的直觀交互式的教學方式，降低了 C語言的學習難度。 C/C++語句、表達式、函數(shù)和程序都可以在 Ch命令外殼和 ChIDE中解釋執(zhí)行。 Ch平臺中 可以設置多個斷點，單步調(diào)試時的提示清晰明確，單擊錯誤提示就可以直接跳轉(zhuǎn)到有錯誤的那一行，無需編譯鏈接就可以解釋 代碼。在調(diào)試過程中可以更改變量的值，可以觀測任何含有變量的表達式的值。甚至可以在學習控制結構時，學生可以改變變量的值，觀察每次不同的分支選擇結果，以及在什么時候會進入無限循環(huán)。 學生可以在大多數(shù)情況下發(fā)現(xiàn)并解決程序中遇到的問題，增強其學習動力和信心。 在課堂上對 C/C++語句、表達式、函數(shù)和程序等進行直觀的交互式的演示教學，幫助學生形象化地理解 C語言指針、結構體、數(shù)組、編程邏輯、編程調(diào)試等學習難點，讓學生能像學習 BASIC語言一樣學習 C語言 [12]。在授課安排上，可以增加大量的課時用于實踐操作，讓學生提出自己 的疑問去改變程序中的某些部分來深刻體會 c程序的精髓。真正做到啟發(fā)式教學，培養(yǎng)學生興趣和自學能力。 此外 Ch體積小對系統(tǒng)環(huán)境要求低適合于不同場合安裝。因為學生對 C語言基本語法和編程結構能夠快速理解和掌握，所以可以轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教學中以老師講解為主的學習方式為主的教學思想，增強學生的實踐操作能力激發(fā)學習興趣。 拓寬學習視野 我們可以看到一個非常明顯的趨勢：計算程序正趨向于使用高級數(shù)值計算、圖形繪基于 ch 平臺 c 語言程序設計的教學探討 15 制功能 [13]。一些缺乏先進性和趣味性的教學內(nèi)容不但是是在白白消耗學生的精力和熱情還不能交給學生真正可以 運用的知識。所以在教學內(nèi)容上應該有契合當前電子科技最新動態(tài)的內(nèi)容，在教學中可以結合工程用例，逐漸增強運用高級函數(shù)和繪圖能力的培養(yǎng)，既增強了 C語言學習的生動性和實用