开门见山与循序渐进：一种C语言指针教学方法

赵帅锋+胡绍海

（北京交通大学 计算机与信息技术学院，北京 100044）

摘 要：指针是C语言教学中的难点和重点，作者提出一种指针教学方法，即把指针的内容贯穿于C语言的整个教学过程中：在第一次课中会介绍存储器和地址的概念，在随后的教学中，从存储器和地址的角度解释所学内容，在指针教学章节重点介绍指针用法。

关键词： C语言；C程序设计；指针；教學

1 背 景

指针是C语言的精髓和灵魂，是C语言中最具魅力和最富活力的部分，C语言通过指针来实现访问硬件资源、动态分配和回收内存空间、降低函数调用中参数传递的开销、减少使用全局变量、实现函数回调等功能。没有指针的C语言不可能进行任何有实际意义的编程。

指针也是C语言中最危险的部分，程序会因指针使用不当而潜藏风险，轻则导致程序退出，重则导致系统内存泄漏，甚至系统崩溃。

使用C语言编程离不开指针，但掌握和熟练使用指针却很难，对初学者尤其如此。指针是C语言教学中的难点和重点，很多教师在教学中尝试了多种方法[1-5]，取得了不错的效果。作者经过多年C语言教学实践，逐渐摸索出“开门见山”与“循序渐进”相结合的指针教学方法，把指针教学融合在C语言教学的全过程中。“开门见山”是在课程开始，通过介绍计算机体系架构和程序运行过程，引入存储器及地址概念，尽早引入指针；“循序渐进”是在之后课堂教学内容的设计中，不断介绍和强化存储器的概念，加强学生对地址的认识。在正式介绍指针教学内容前，这种教学方法使学生已经建立并熟悉指针概念，对掌握和使用指针编程很有帮助。

2 指针学习困难的原因

学生在指针学习时，普遍感觉指针概念抽象，难以理解，影响学习、掌握和使用。主要原因在于如下3点。

（1）对学生而言，程序设计是一门全新类型的课程。其特点是知识点分散、逻辑性不强。编写代码既要符合语法规则，又要考虑逻辑关系，编码必须严格遵守语法规则：一个看上去微不足道的错误，比如语句漏写了分号，编译器会在其他没有错误的地方报告很多错误信息，这使初学者手足无措，无法排错；程序有了致命错误，比如变量没有初始化，但编译器只会轻描淡写地报个告警（warning），程序运行时，却时对时错。这些特征对于初学者都是陌生的，他们以往的学习方法和经验在面对该课程时几乎没有任何借鉴作用，这导致他们从课程开始就遇到很多困难。

（2）学生们不了解计算机。C语言是伴随着UNIX操作系统产生的，它的语言特性和计算机的构成紧密结合，甚至可以说，C语言是为对计算机了如指掌的专家设计的。而大学中常把C语言课程安排为程序设计的常识教育，学生在学习C程序设计课程前，还没有学过计算机原理等课程，他们可能听说过CPU、内存等概念，但并不了解这些概念的确切含义，不了解程序运行的过程，这会导致指针概念更加抽象，难以理解、掌握并使用。

（3）学生们通常是在学习C语言遇到困难挫折的情况下，接触和学习指针的，这增加了他们的畏惧心理，影响指针内容的掌握。基于兴趣，在课程开始阶段他们专心听讲，努力编写和调试简单的程序，但随着变量、函数、数组等内容逐渐引入，程序结构越发复杂，程序设计需要同时考虑算法，这会使学生感觉到学习的压力和困难，特别是在编译程序时，排除一个小小的错误，都要耗费很长的时间，这严重影响他们的学习热情和信心。在这种情况下，指针被引入课程中，并且指针概念抽象，又和C中的变量、函数、数组、结构等联系紧密，这些都放大了指针的学习难度，影响学生的理解和掌握。

针对如上问题，作者逐渐探索并使用了“开门见山”与“循序渐进”相结合的教学方法。

3 开门见山

所谓开门见山，指在第一次课就介绍存储器和地址的概念。在介绍“Hello world”之后，即介绍计算机的结构、存储器和地址的概念，随后介绍“第二个程序”以加深这些概念的理解。

3.1 计算机结构与存储器

初学者通过“Hello world”了解了C语言的代码风格、集成开发环境和程序编译、链接、执行的过程，随后介绍计算机的“冯·诺依曼”结构，向学生说明程序在计算机内的运行过程。课堂主要介绍如下几个方面知识。

（1）计算机构成及程序运行的方法。如图1所示，其中外存储器指硬盘，操作系统、应用程序和数据都以文件形式保存在硬盘上，内存储器保存正在运行的程序和程序所要操作的数据，这些程序是由操作系统从硬盘上装入到内存储器的。CPU（运算器、控制器）用于运行程序，CPU从程序所在的存储器起始位置开始，依次读取指令并执行，直到程序结束。

（2）内存储器是由N个连续的存储单元组成的，每个单元可以存储8比特二进制数（称为一个字节）；N称为内存容量。计算机为每个存储单元分配唯一的编号，从0开始编起，直到N-1，这个编号称为该存储单元的“地址”，CPU使用编号（地址）访问这些存储单元。

（3）内存储器中存储的既有代码，也有数据；构成程序的代码依次存储在内存储器中；程序要操作的数据也保存在内存储器中。

3.2 第二个程序

第二个程序展示计算机的计算功能，该程序引入了变量及数据类型概念，存储器和地址在程序代码中首次出现。代码如上图所示。

介绍程序强调如下几个方面的知识。

（1）计算机要计算两个整数的和，首先需要找两个地方来保存这两个整数，这两个地方就位于内存中；

（2）计算机在内存中为不同类型的数据分配大小不同的存储空间，“int a，b，r；”要求计算机分配三块内存空间，分别用变量“a，b，r”表示，每块内存空间存储一个整数，变量的值改变，表示其所代表的存储空间存储的内容发生了改变。

（3）scanf（“%d， %d”， &a， &b）表示从标准输入设备（键盘）上接收用户输入的两个整数，这两个整数分别保存在“a，b”所代表的内存中，内存用地址表示，“&a，&b”分别表示取“a，b”的地址，“%d”表示每个空间要保存的数的数据类型为整数，这确定了每个空间占据的字节个数。

（4）scanf（）实现的功能是通过很多条计算机代码实现的，这些代码在程序被装入内存时，也被装入了内存。CPU执行函数就是从这个函数的起始代码开始顺序执行。函数名scanf就是起始代码在内存中的地址，即：函数名表示的是函数代码块在内存中的开始地址。

通过第二个函数，初步介绍了数据类型、变量、函数的概念，并从存储器的角度来认识这些概念，把概念和地址结合在一起，使3.1中介绍的存储器概念具体化，加强对存储器及地址的认识，在之后每次使用scanf（）时，都会强调变量、空间、地址的对应关系，使学生熟知这些知识。

4 循序渐进

循序渐进是指初学者初步接触存储器和地址的概念之后，课程会继续从存储器和地址的角度解释所学内容，以加强这些概念及用法。以函数、数组、指针、结构为例说明。

4.1 函 数

C语言函数采用传值调用，在函数中修改形参的值，不会改变实参的值，如上图所示。

程序输出为：“a=10， b=20”。在解释上述结果时，不仅要强调语法规则：“函数内不能改变函数外变量的值”，还要从存储器的角度解释。如图2，main（）函数中两个变量“a，b”（比如占据空间从0x01001000开始）和swap（）函数中两个变量“a，b”（比如占据空间从0x01001100开始）使用不同的存储空间，swap（）函数中变量“a，b”的值修改，改变的是0x01001100开始的地址空间的值，但没有修改main（）函数中变量“a，b”所代表的存储空间的值，因此main（）中“a，b”的值不会改变。

4.2 数 组

数组是C语言的重要内容，也是C语言的难点之一，在指针章节开始之前，数组是和存储器及地址概念结合最紧密的内容，因此在数组部分会更多强调指针的内容。在介绍数组概念及例子中，主要介绍如下知识。

（1）数组是由很多相同类型的变量组成的集合，C语言通过下标改变的方式，来表示数组中的这些变量，为写查找和排序算法提供了方便。

（2）数组中每个变量在存储器中要占据一块存储空间，这些变量所占据的存储空间是连续的。比如数组float a[N]（N为常量）表示在计算机内存中的一块连续的存储器空间，空间大小为：N * sizeof（float）字节。

（3）数组名字a是这块存储空间的开始地址。a[0]表示这N个变量中的第一个变量，a和&a[0]相等，a[i]的地址和a+i*sizeof（float）相等。

（4）计算机的存储器是有限的，连续的空闲存储空间更有限，因此数组中变量的个数N是有限的。

（5）下标i的取值范围为0～N-1，但如果代码中出现对不属于数组的空间进行读操作，比如“float b=a[N+1]”，程序可能仍可以运行；如果代码中出现对不属于数组的空间进行写操作，比如“a[N+1] = 11.23”，程序可能可以正常运行，但通常会立即崩溃。因此，通过下标访问不属于程序的空间是不安全的，编程中要严格禁止。

（6）若函数的参数定义为数组，则函数对形参数组内变量修改，会同时改变实参数组变量的值，这是因为函数的形参数组是地址，实参和形参表示的是同一地址空间，内部对形参数组的访问，就是对实参表示空间的访问。

通过数组，进一步建立变量和存储空间（连续存储空间）、地址的关系，为指针学习进一步建立基础。

4.3 指 针

经过不断重复、铺垫，在指针教学开始时，学生已经熟悉了地址的概念，也更容易理解指针，之后的学习重点在于指针的用法，并逐渐习惯使用指针编程。

指针部分的主要内容包括：第一，指向变量的指针及其在函数参数传递中的作用，函数的形参定义为指针，可以在函数内部改变函数外部变量的值，实现地址调用；第二，指针与数组的关系，引入动态内存分配，学习C语言的存储器管理技术；第三，指向函数的指针，在指针指向的存储空间中，存储的是函数的代码，函数名字就是该存储空间的开始地址，初步介绍回调函数的概念；第四，指针数组的定义和使用，支持行和列都可变的二维数组定义及用法。

4.4 结 构

结构内容放在指针内容之后介绍，主要是因为指针可以是结构的成员变量，如果结构中指针变量指向的数据类型和结构相同，则可以生成链表。

介绍结构要和存储空间以及指针的概念紧密结合。定义结构时，要同时强调该结构类型变量所占据的存储空间，如以上结构定义图。结构变量的存储结构如图3所示，从中可以看到：①结构型变量中的变量，在存储器中的存储顺序和结构中变量定义的顺序相同；②基本变量、数组等占据的空间和其单独定义时占据的空间可能不同，与编译选项有关（是否设置了对齐要求）；③指针变量（pNext）占据的空间大小固定，与指针所指向的数据类型没有关系。

结构定义是否合法，主要看是否能够计算出结构变量所占据的存储器空间。结构里面不能声明同一个结構类型的变量，该递归定义会导致结构变量所占据的空间无穷大，但可以定义指向该结构类型的指针，因为指针大小固定。

结构变量和普通变量一样，变量赋值操作本质上是存储器复制。比如：Student a， b； a=b；是把b变量所占据的存储空间的内容，全部复制到a变量所占据的存储空间中。如果结构中定义了数组，则实现了数组的赋值操作，而数组自己是不支持赋值操作的。但对于指针变量的复制，会导致a.pNext和b.pNext相等，这却不是程序员想要的结果，需要特别关注。

5 结 语

C程序设计语言离不开指针，学习和掌握指针用法又非常艰难，因此在C语言教学中要精心安排教学内容，并探索各种指针教学方法。本文介绍了 “开门见山”与“循序渐进”相结合的指针教学方法，其特点是把指针教学贯穿在C语言的全部教学过程中，强调指针和C语言的密切关系，淡化指针的神秘感，几年的教学实践证明，该方法具有较好的效果。

作者简介：赵帅锋，男，讲师，研究方向为信号与信息处理、通信、嵌入式系统等，shfzhao@bjtu.edu.cn；

胡绍海（通信作者），男，教授，研究方向为信号与信息处理、多媒体通信等，shhu@bjtu.edu.cn。

参考文献：

[1]李冰， 胡海峰. 关于C语言指针教学的探讨[J]. 科技信息， 2009（23）： 521.

[2]吴琼. C语言指针教学方法研究[J]. 鄂州大学学报， 2009，16（2）： 68-70.

[3]孙丽丽. C语言指针教学方法探讨[J]. 黑龙江科技信息， 2008（11）： 128.

[4]黄晨. C语言指针教学的研究与探讨[J]. 科技信息， 2010（22）： 231-232.

[5]吴斌. C语言指针教学[J]. 安徽职业技术学院学报， 2004（3）： 67-69.

（编辑：史志伟）