楊琦　張曉月　韓鑫

摘? 要：針對傳統(tǒng)C語言課程案例教學內容不足的問題，分析開設C程序設計課程案例教學的重要意義，提出以實驗為基礎、以項目為導向的程序設計案例教學方案，并結合教學案例說明程序設計的案例教學效果。

關鍵詞：程序設計；案例教學；EasyX庫；A*算法；搜索算法

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）12-0112-04

Abstract： In view of the shortcomings of traditional C programming teaching， this paper analyzes the significance of setting up C programming case teaching， and puts forward a experimental-based and project-oriented teaching scheme of C programming. Combined with the teaching cases， the teaching effect of programming is illustrated.

Keywords： programming; case teaching; EasyX; A* algorithm; search algorithm

C程序設計是計算機專業(yè)和一些非計算機專業(yè)（如數學、數理基科班等院系與專業(yè)）的重要基礎。隨著互聯(lián)網技術和信息技術的發(fā)展，C程序設計對計算機應用的設計和實踐工作起到非常重要的作用。C語言程序設計則是程序設計者的入門語言。C語言不僅可以幫助其學習其他的計算機語言，如JAVA語言、Python語言等，還能設計高級的應用軟件，硬件對C語言的能力要求更高。目前很多高校都將C語言作為程序設計入門課程，但C語言標準中不包括有關圖形界面等高級編程技術的內容，這在很大程度上限制了學生利用C編程解決問題的能力，使學生在學習完該課程之后，僅能編寫控制臺窗口的命令行程序。

EasyX是針對C/C++的圖形庫，可以幫助C語言初學者快速學習圖形和游戲編程。比如，可以用VC+EasyX快速地用幾何圖形畫一個迷宮背景，或者一個可以上下移動的小人，可以編寫五子棋、捉放曹和飛行棋等小游戲，可以練習圖形學的各種算法，等等。EasyX庫與OpenGL相比，其學習成本低得多，非常適合本次的游戲開發(fā)。

一? 設計C程序設計案例教學的意義

對于大學一年級的學生而言，在學習C語言基礎之后，進一步利用C語言進行游戲開發(fā)，可以彌補C語言學習的短板，認知軟件項目開發(fā)需要知識、技術和技能，并深刻理解數據結構與尋路算法在程序開發(fā)中的應用。

（一）? 增加C語言教學內容

在C#、VB.NET和Java等語言中，圖形界面設計都是編程的重要組成部分。將圖形界面和圖形圖像兩方面的編程技術統(tǒng)稱為圖形化編程。而一般的C語言程序設計課程中卻不包含這部分內容，不能不說這是一種遺憾。本課程使用C語言和EasyX庫相結合來完成游戲中動畫的制作、圖像的處理，彌補了C語言無圖形化編程的遺憾。

（二）? 認知軟件項目開發(fā)需要知識、技術和技能

軟件開發(fā)流程是軟件設計思想和方法的一般過程。軟件開發(fā)流程具體的實施步驟如下：先對軟件進行需求分析，了解所要開發(fā)的軟件的具體功能；然后對概要進行設計，如系統(tǒng)的基本處理流程等；其次，對算法、數據結構等進行詳細的設計；再次，程序員對上述所描述的需求和設計進行編程實現(xiàn)，并對程序進行調試，以便最大地滿足顧客的需求；最后還需要對軟件進行維護、升級處理與報廢處理。通過本課程迷宮游戲項目的訓練，可使學生對軟件開發(fā)有更深刻的理解。

（三）? 數據結構與尋路算法在程序開發(fā)中的應用

本次課程要開發(fā)的游戲可以由玩家直接操作，也含有AI模塊。AI模塊中用得最多的是尋路算法，而本次游戲AI設計的基礎就是高效找到最短路徑。而AI的開發(fā)中尋路算法必不可少，本次項目主要利用A*搜索算法來搜索最短路徑，這一算法在游戲AI的開發(fā)中被廣泛應用，是一種常用的啟發(fā)式算法，掌握此方法有助于今后的學習與開發(fā)。

二? 優(yōu)化C程序設計案例教學的方案

C語言程序設計課程案例教學主要講授利用C語言進行迷宮游戲開發(fā)，學生需要具有一定的C語言基礎。如果學生已經具備了較好的C語言基礎，那么可以在后續(xù)課程中直接講解與游戲開發(fā)相關的知識點，如背景的繪制、圖像的顯示、定時器、背景音樂的添加和A*搜索算法等內容。由于C語言的基礎知識和游戲開發(fā)的知識點較多，若放入一門課程中，會使任務難以完成。本課程的案例教學方案是通過優(yōu)化教學內容、加強實踐訓練和改善考核方法3個方面來提高學生軟件開發(fā)的能力。

（一）? 程序設計案例教學課程的時間安排

案例教學每期實訓10天，共2周的時間，周六周日正常休息。每天的作息時間為上午8：30—11：30，下午1：00—4：00，每天共6個小時。

（二）? 制定合適的教學內容

C程序設計案例教學課程給定一個迷宮游戲，該問題涉及矩陣和最短路徑的尋路算法，學生以基礎內容為模板，在此基礎上靈活創(chuàng)新。該方案既鍛煉學生的基本能力，又培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力。整個實踐過程寓教于樂，學生學習興趣很高。

由于C語言游戲開發(fā)所涉及的教學內容很多，在一門課程中很難完成全部教學內容的講解工作，為此可以將C語言游戲開發(fā)分為兩個部分。一部分是核心教學，包括利用EasyX庫進行圖形界面設計編程、圖像顯示、定時器編程、背景音樂添加編程和A*搜索算法設計；另一部分是靈活設置內容，包括C語言的數組、函數、指針和結構體及其他最短路徑尋徑算法的基本知識。基礎內容是教學核心內容，是必選的教學內容；靈活內容是可選的模塊，根據學生編程能力、專業(yè)需求等差異，選擇適當的模塊作為教學內容。在教學核心內容中，應重點講解以下兩方面的內容。

1? EasyX庫

EasyX是針對C/C++的圖形庫，對于C語言的初學者而言，EasyX上手速度快，并且能在圖形和游戲方面進行編程。例如，俄羅斯方塊、迷宮等小游戲就可以利用VC+EasyX進行編寫，通過編寫這些游戲程序，也可以對圖形中的相關算法進行練習。

本次游戲開發(fā)以VS2019為編譯環(huán)境，相應的EasyX庫為“EasyX庫2019冬至版”，如果編譯環(huán)境為VS2015以上版本，則需要下載其他版本。EasyX庫的安裝可以選擇安裝文件自動安裝，若自動安裝失敗，則需要手動配置。

2? A*搜索算法

本次課程的重點在于利用C語言和EasyX庫開發(fā)迷宮游戲，尋路算法必不可少，該游戲開發(fā)主要用到的是A*搜索算法。A*搜索算法是一種靜態(tài)路網中求解最短路徑最有效的直接搜索方法，能夠解決很多搜索類的問題。該算法對距離的估算和實際距離值很接近，搜索速度也很快。該算法的公式表示為f（n）=g（n）+h（n），式中：f（n）指從初始節(jié)點經過n個節(jié)點到達目標節(jié)點的代價距離；g（n）指從初始節(jié)點到節(jié)點n的實際距離；h（n）指從節(jié)點n到目標節(jié)點的最佳路徑的估計距離。

（三）? 強化實驗和工程訓練

C語言作為一門程序設計課程不僅需要純理論教學，也需要足夠的上機練習。如果想達到更好的教學效果，需要將實踐環(huán)節(jié)分成3個層次，即基礎實驗、項目重建和修改及最終考核。其中，基礎實驗是C語言課程學習的基本內容，需要在課程本身的實驗學時內完成。這些實驗涉及背景的繪制、圖像顯示、鍵盤的響應、定時器、添加背景音樂和A*搜索算法編程實現(xiàn)。

項目重建和修改是讓學生基于教師的原程序，修改或擴展部分功能，增加一些新功能。學生需要獨自完成項目的重建，這項實驗難度偏中等。通過教師在課堂上講解實驗之后學生獨自實現(xiàn)，并采用實驗課答疑的方式完成疑難解答，通過這種模式的教學，學生可以熟悉整個小型軟件開發(fā)過程，包括最初的模塊設計、代碼編寫及代碼的調試。

最終考核是以實戰(zhàn)訓練為主的實踐環(huán)節(jié)，模仿實踐軟件開發(fā)過程，一般由3～4人一組，完成一個小型軟件項目。本次C程序設計案例教學課程的最終考核是按小組設計完成一個迷宮游戲。每個小組可進行獨特地創(chuàng)新，使迷宮游戲具有獨特性。最終由每個小組選派代表進行PPT的講解，展示本小組的作品成果，展示方式可以進行現(xiàn)場演示游戲或者錄制視頻。

（四）? 改進課程考核方法

最終提交的游戲項目功能完整，項目演示無錯誤，代碼書寫規(guī)范。游戲必須完成模板給定的基本功能，此外還需要有自己的創(chuàng)新，例如添加新的關卡，不同的背景圖、人物圖和游戲方式等，最終考核成績將根據基本功能的完成度與程序中的創(chuàng)新點給出。每一位學生的成績將根據其完成的工作結合小組項目成績給出。

程序設計課程的考核方式是平時成績和最后考核的加權平均，其中平時成績占30%，最后考核占70%。平時成績包括日志書寫、隨堂作業(yè)和出勤率，這些考查主要用于督促學生的日常學習。

學生的最終評分是以小組為單位完成的，組長最終以PPT的形式向所有師生報告。每個小組的成績由學生的網絡成績和教師的打分成績綜合評價，教師根據小組成員的表現(xiàn)和每個小組成員的背靠背貢獻率，得到每個學生的實踐成績。在網絡系統(tǒng)的幫助下，學生的評分過程可以很快完成。

綜上所述，本課程的教學目的是培養(yǎng)學生基本的游戲開發(fā)能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維能力，提高學生的學習興趣。這一目標應反映在評價的所有階段。

三? C程序設計案例教學的效果

為了進一步完善人才培養(yǎng)體系，深化教學和課程體系改革，提高人才培養(yǎng)質量，加強實踐教育，促進教育國際化進程，學校決定實施暑期C程序設計案例教學課程計劃。該計劃從2013年開始，對西安交通大學建立現(xiàn)代大學教學管理體系具有重大而深遠的意義。經過八年的實踐，取得了較好的教學成果，改革所帶來的教學質量提升總體上可歸納為以下3點。

（一）? 提高學生編寫代碼的能力

傳統(tǒng)的C語言教學存在重視語法教學，計算思維和編程能力培養(yǎng)不到位、實驗教學缺乏完善的步驟和量化指標、考核方式單一及學生的實驗作業(yè)敷衍了事，甚至存在抄襲等一些問題。這些弊端使學生對C語言的學習興趣不足，只懂語法，實踐能力差。通過C程序設計案例教學的課程，既可以鞏固C語言的基礎知識，提高學生的編程能力，又可以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力，提高學習興趣。

（二）? 加強學生軟件模塊化設計及算法設計能力

傳統(tǒng)的C語言教學中的上機題目都是基于具體章節(jié)所設計的，對各章節(jié)知識點融合的上機題目少之又少；而且學生上機的題目代碼量較少，對編程能力的提高促進作用較小。通過C程序設計的案例教學課程，讓學生做迷宮游戲開發(fā)的項目，可以讓學生靈活應用C語言的數組、函數、指針和結構等知識，對C語言語法有更深的理解，學生更容易寫出結構模塊化、流程合理的應用程序，編寫的程序產生的錯誤也更少。通過對迷宮游戲的制作，對相關的算法如A*搜索算法也有了進一步的了解。

（三）? 培養(yǎng)學生對C語言編程技術的興趣

目前，學生接觸到的計算機系統(tǒng)軟件或應用軟件大多具有美觀、易用的用戶界面，用C語言設計的程序界面單調，操作繁瑣。比較二者，學生會有心理上的差距，對C語言不樂觀。另一方面，掌握和應用C語言語法規(guī)則也是學生學習的主要障礙，當程序出錯時，甚至要從整個程序中找出錯誤。在這種情況下，如果教師仍然采用傳統(tǒng)的方式組織教學內容和教學，盲目地解釋語法，不給出生動有趣的例子，學生將不可避免地失去對C語言學習的興趣和信心。而C程序設計案例教學課程很好地解決了這一問題，通過制作迷宮小游戲這一貼近生活化的問題，老師有針對性地進行指導，以此提升學生對編程的興趣。

根據對學生興趣提升的調查結果，C程序設計案例教學課程提升了學生對編程的興趣，配合EasyX庫很容易制作出迷宮游戲漂亮的界面，插入好聽的音樂，從而增強了學生的成就感。

四? 課程實驗結果及分析

通過該課程的學習，學生都能較好地完成自己的案例，開發(fā)出自己的游戲，部分學生在學習的基礎上進行創(chuàng)新，制作出了很優(yōu)秀的作品。下面以一組學生的實驗作品為例來展示學生的學習情況。學生完成的項目是迷宮游戲。在實訓課程中，學生將以團隊的形式進行開發(fā)，開發(fā)過程模擬真實的開發(fā)環(huán)境，包括項目背景、需求分析、概要設計、詳細設計、代碼編寫及軟件測試。整個軟件開發(fā)的流程全部進行一遍，每個學生都將參與到軟件開發(fā)的過程中，有助于學生掌握項目分析的基本能力和具體的開發(fā)技術，培養(yǎng)團隊開發(fā)能力。

有一組學生將游戲設置為三種模式：休閑模式、劇情模式和極限模式，以便給玩家?guī)砀玫挠螒蝮w驗。1）休閑模式難度較低，迷宮構成簡單，大小也較小，適合玩家在空閑時休閑娛樂，游戲界面如圖1所示。2）劇情模式難度中等，并且有故事情節(jié)，游戲開始之前，玩家還能選擇自己喜歡的角色。玩家在游戲過程中，一步步去探索未知領域，少許的神秘感與緊張感更能引發(fā)玩家興趣。3）極限模式，難度極高，迷宮圖案錯綜復雜，面積更大，有自動尋路功能，還設有倒計時功能，每走一步還會加速時間流逝，這樣嚴苛的條件，極具挑戰(zhàn)性，帶給高玩挑戰(zhàn)極限的樂趣。自動尋路A*搜索算法示意圖如圖2所示。

這些作品都是學習了10天的非計算機專業(yè)的學生制作出的游戲。學生從一開始對編程感到畏懼，到后來在課下積極編程，顯著提升了學生對程序設計的興趣。這種教學方式為將來給非計算機專業(yè)的學生講解程序設計提供了優(yōu)秀的借鑒。

五? 結束語

針對傳統(tǒng)C語言教學中不包含圖形界面等高級編程內容，僅能編寫控制臺窗口的命令行程序和學生利用C語言編程能力的訓練不足等問題，開設C程序設計案例教學課程無疑是最好的選擇。學生可通過對本次課程的實踐，提高編寫程序的能力、對軟件的整體開發(fā)過程有一定的把握，并了解相關搜索算法，提高學生對編寫程序的興趣。目前已有1 800多名學生參加了這個課程實驗，整體反映良好，學生對C程序設計課程的教學內容有較高的熱情。

“案例講解+案例改進+學生創(chuàng)作”的教學模式取得了非常大的成功，將游戲案例開發(fā)流程貫穿課程始終，可以有效提高學生的軟件開發(fā)能力，解決傳統(tǒng)C程序設計教學內容不足的問題，培養(yǎng)了學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

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第一作者簡介：楊琦（1968-），男，漢族，陜西三原人，碩士，高級工程師。研究方向為圖像處理，人工智能，信息系統(tǒng)。