C語言程序設計循環(huán)結構之四要素學習法

1、    c語言程序設計循環(huán)結構之“四要素學習法”    摘要：c語言程序設計中循環(huán)結構是順序、選擇、循環(huán)三大基本結構之一，功能強大，使用靈活方便，但是學生學習難度比較大。該文以累加和為切入點深入分析循環(huán)結構特點，總結出循環(huán)結構“四要素學習法”，用for、while、do-while等循環(huán)語句分別實現其循環(huán)算法，并舉例加以深入解讀，使循環(huán)結構學習思路清晰，重點突出，對于學生掌握并靈活使用循環(huán)結構非常有幫助。關鍵詞：c語言程序設計;循環(huán)結構;四要素學習法：tp311 ：a：1009-3044（2020）29-0121-031 背景c語言是面向過程的高級程序設

2、計語言之一，它具有數據類型豐富、靈活高效和結構化等特征1。c語言程序設計是自動化等工科專業(yè)非常重要的專業(yè)課程，尤其后期學習單片機時進行編程也是使用c語言。循環(huán)指事物周而復始地運動或變化。在計算機程序設計中，“循環(huán)”這一術語指的是一種專門的控制結構。特征是重復執(zhí)行循環(huán)體中的語句，比一般情況下的順序執(zhí)行復雜一些，需要跳轉命令和條件判斷組合實現2。循環(huán)結構是c語言程序設計中三大基本結構之一3，也是最為重要、使用頻率較高的結構，其特點是，在給定條件成立時，反復執(zhí)行某程序段，直到條件不成立為止。循環(huán)結構一直是學生學習程序設計的一個難點，下面筆者就以循環(huán)結構中的累加和問題s= 1+2+3+100為切人點，

3、談一下自己的授課經驗。累加和的實現有2種方案。解決方案1：考慮順序結構來完成，雖然可以實現，但是比較煩瑣，費工，計算機智能化快速化優(yōu)勢并沒有體現出來，同時順序結構算法的通用性太差，題目稍有變化如從1加到1000等，就不能解決了。也就是說，順序結構來解決重復才做問題，只能具體問題具體分析，不能解決此類問題。解決方案2：使用循環(huán)結構實現，程序代碼簡單，邏輯清晰，而且通用性強，可以推廣到類似的其他問題。比較兩種方案，循環(huán)結構用來解決重復性操作問題優(yōu)勢明顯，但是循環(huán)結構算法相對來說比較難掌握。筆者也就此算法進行了深入的課堂教學研究，從操作過程拆解、循環(huán)結構流程圖和循環(huán)語句實現三方面來進行分析講解，提出

4、了循環(huán)結構的“四要素學習法”。2 循環(huán)結構教學過程2.1 操作過程拆解對于累加和問題，本質上是相加操作的重復，所以其共性為：和=操作數1+操作數2，重復若干次;重復性相加操作的不同之處在于：每次參與相加的操作數1和操作數2是不同的，操作數1為上次相加之和，稱為舊和，操作數2為上次操作數2加l之后的值。對比重復性操作的共性和不同之處，累加和操作問題的通式可寫為：新和=舊和+操作數2。所以累加和問題就變?yōu)椋涸O置好初值，利用變量值可變的特性重復求和，直到加到100，累加結束。在此過程中，設累加和存放在變量sum中，操作數2為變量i，則初值設定為sum=0，i=1，重復相加通式為：sum=sum+i，

5、累加完成后i值增1，此后進行下一次累加操作，知道i值超過100，累加結束，共重復100次，此過程即為循環(huán)結構。對于程序設計當中涉及重復性問題，都可按照這個分析過程來進行初步分析。2.2 循環(huán)結構四要素以上分析內容用程序流程圖表示如下圖1。通過對循環(huán)結構流程圖的分析可以看出，循環(huán)結構的實現需要注意四個關鍵點：1）初值設定，是循環(huán)正確開始的基礎;2）循環(huán)條件，限定重復性操作重復執(zhí)行的條件，也是循環(huán)能適時終止的保證，避免循環(huán)陷入死循環(huán);3）循環(huán)體，是循環(huán)重復性操作的具體體現;4）循環(huán)變量的調整，是循環(huán)體正確執(zhí)行或者循環(huán)次數控制的重要環(huán)節(jié)。在使用循環(huán)結構時，這四點必須予以重視。由累加和問題推廣到一般重

6、復性問題，流程圖如圖2所示。在分析一般的具有重復性操作的問題時，都可以歸結為以上四要素的分析推理過程，所以在c語言程序設計中循環(huán)結構這一環(huán)節(jié)的授課過程中，筆者提出了“四要素學習法”，結合重復性操作問題的特點，找出重復過程中的四個方面，即起始特點、重復操作條件、重復操作本身以及每次重復操作的細微調整，對應以上講解的循環(huán)結構實現過程中的初值設定、循環(huán)是否執(zhí)行的判斷條件、循環(huán)體及循環(huán)變量調整四個要素，循環(huán)結構算法即可實現。2.3 循環(huán)語句實現循環(huán)結構的實現語句包括三種：for、while、do-while，三種語句雖然語法規(guī)則不同，但都可實現上面的循環(huán)結構，而且按照四要素法來分析這三種循環(huán)語句，都包

7、含前面所分析的循環(huán)初值設定、循環(huán)判斷條件、循環(huán)體及循環(huán)變量調整四個要素其中。1）for語句實現for語句使用十分靈活，變化多端，可以通過for語句培養(yǎng)靈活使用c語言的能力2，故我們首先以for語句為例來設計循環(huán)結構程序代碼。for語句的基本格式為：for（表達式1;表達式2;表達式3）循環(huán)體語句;其執(zhí)行過程為：先執(zhí)行表達式1，再判斷循環(huán)條件表達式2是否成立，如果條件成立則執(zhí)行循環(huán)體語句，執(zhí)行完循環(huán)體語句后執(zhí)行表達式3;之后再次判斷循環(huán)條件是否成立，若條件還成立，則繼續(xù)重復循環(huán)體語句，當條件不成立時則跳出for循環(huán)。累加和for語句實現的程序為：for（i=l，sum=o;i<=loo;i

8、+）sum=sum+i;用四要素學習法分析for語句程序段：i=1.sum=0;為循環(huán)初始條件;i<=100為循環(huán)判斷條件;sum=sum+i;為循環(huán)體語句;i+;為循環(huán)調整語句。2）while語句實現while語句在單片機程序設計中常會使用，基本格式為：while（循環(huán)條件）（循環(huán)體語句;）其執(zhí)行過程為：先判斷循環(huán)條件是否成立，如果成立就執(zhí)行循環(huán)體語句，執(zhí)行完畢后再回來判斷循環(huán)條件是否滿足，如此重復;直到條件不成立時，跳出循環(huán)，執(zhí)行while循環(huán)后邊的語句。在使用while的循環(huán)語句時一定要包括能最后判斷出while循環(huán)語句條件的真假性的操作過程。用while語句實現累加和問題：i=l

9、.sum=0;while（i（sum=sum+l;i+;）同樣用四要素法分析while語句程序段：i=1，sum=0;為循環(huán)初始條件;i<=100為循環(huán)判斷條件;sum=sum+i;為循環(huán)體語句;i+;為循環(huán)調整語句。3） do-while語句實現do-while語句的特點：do-while語句的一般形式為：do循環(huán)體語句;while（循環(huán)條件）;其執(zhí)行過程為：首先無條件地執(zhí)行一次循環(huán)體，然后判斷循環(huán)條件是否成立，成立則繼續(xù)循環(huán)，否則退出循環(huán)。因此，與while循環(huán)相比，do-while循環(huán)要無條件執(zhí)行一次循環(huán)語句，實現相同算法時要注意此區(qū)別。用do-while語句實現累加和問題：i=l

10、.sum=0;dosum=sum+1.while（i<=100）;再次用四要素法分析do-while語句程序段：i=1，sum=0為循環(huán)初始條件;i<=100為循環(huán)判斷條件;sum=sum+i為循環(huán)體語句;i+為循環(huán)調整語句。4）三種循環(huán)語句對比由以上分析可知，不論是什么語句來實現循環(huán)結構，都離不開循環(huán)結構的四要素：循環(huán)初值設定、循環(huán)判斷條件、循環(huán)體和循環(huán)變量調整，循環(huán)算法才能正常實現，否則循環(huán)有可能出現起始條件不正確，或者陷入死循環(huán)等難以發(fā)現的邏輯問題。三種語句的區(qū)別只在于四要素在循環(huán)算法中的位置不同。所以，可以把循環(huán)四要素法推廣應用到重復性操作所有問題中。在設計循環(huán)結構的算法時

11、，關鍵在于設置好循環(huán)四要素，循環(huán)算法才能成功實現。同時也可以利用四要素法來驗證循環(huán)算法是否能成功實現要求。3 循環(huán)結構四要素學習法應用接下來進行應用循環(huán)四要素學習法來實現其他循環(huán)問題案例分析。例題1：求費波那西（fibonacci）數列的前40個數。這個數列同時也是一個有趣的數學問題，可把數列問題描述為：最開始有一對兔子，從出生后第3個月起每個月都能生一對兔子。小兔子長到第3個月后又可以每個月生一對兔子。假設所有兔子都不死，則每個月的兔子總數滿足費波那西數列的規(guī)律。根據前面分析信息可總結出這個數列有如下特點：第1、2兩個數為1、1。從第3個數開始，該數是其前面兩個數之和。即：用程序的思想來解讀

12、這個數學問題，用循環(huán)結構實現最為恰當。其思路為：設置兩個數列變量fl和f2用來暫存數列當中的某兩個數，設置一個循環(huán)調整變量i，從數列第一個數到數列中的第40個數。由式1可知當i=1和i=2時，f1=1，f2=1。本問題中i的值每變化一次，f。就要重新賦一次值，故重復性操作為fn=fn-1+fn-2（n3）并輸出顯示。在數列前兩個數都為1的基礎上，循環(huán)變量的值從i=1到i=38才能把數列前40個數計算卅來。所以用循環(huán)四要素法來解讀：循環(huán)初值為f1=1，f2=1，i=1;循環(huán)判斷條件為i38;循環(huán)體語句為fn=fn+1，+fn-2（n3）和顯示語句，并且要為下次fn的賦值做準備，即進行fl和f2值

13、的調整;循環(huán)變量調整則為i值每次增1。算法流程圖如下圖3所示。用for語句實現費波那西數列循環(huán)結構，其程序代碼為：#includeint main0f int fl=l，f2=l，f3; int i;printf（”%12dn%12dn”，f1，f2）;for（i=l;i<=38;i+）f f3=fl+f2;printf（”o-/012dn”，f3）;fl=f2;f2=f3：）return 0：）接下來進行案例二的分析。例2：用;/41-1/3+1/5-1/7+公式求仃的近似值，直到某一項的絕對值小于10-6為止（該項不累計加）。由題十信息可知，公式有無窮項相加減，明顯可考慮用循環(huán)結構來

14、實現。分析題中所給公式的特點可總結為：1）每一項的分子都是1，后一項的分母是前一項的分母加2;2）相鄰兩項項分數的符號正負交替;故相鄰兩項數據的關系為：1/n=>1/n+2在設計程序時，需要用到幾個變量：flag：符號變量，用以進行每次加減運算時符號的替換;pi：變量;n：參與運算的每一項的分母值;t：由符號變量除以沒意向的分母值得到參與運算的當前項。用循環(huán)四要素法來解讀：循環(huán)初值為flag=l，pi=0，n=1，t=1;循環(huán)結束條件為某一項的絕對值小于l0-6，故判斷條件為tl0-6;循環(huán)體：計算pi值;循環(huán)變量調整：n=n+2，flag取反以及t的新值計算。程序流程圖如圖4所示。程序

15、清單如下：#include#includeint main0 int flag=l; double pi=o，n=l，t=l;while（fabs（t）>=le-6）（ pi=pi+t;n=n+2：flag=-flag;t=flag/n;）pi=pi*4;printf（”pi= o-/010.8fn”，pi）;return o：）4 結束語由以上分析可知，重復操作性問題利用循環(huán)結構可使程序結構清晰，語句簡潔。循環(huán)結構設計過程中一定需要注意四要素：初值設定、循環(huán)判斷條件、循環(huán)體、循環(huán)變量調整，只要把握住這四個要素，循環(huán)結構設計就可實現，并且也可易用循環(huán)四要素查找循環(huán)結構是否存在漏洞。同時在算法設計好之后，程序實現時也應注意for、while、do-while等循環(huán)語句的使用特點，在合適的位置上設置合適的四要素。所以利用“四要素學習法”來講解循環(huán)結構，簡單易懂