《Fortran語言程序設(shè)計》課程教學(xué)大綱

1、Fortran語言程序設(shè)計Fortran Programming一、課程基本情況課程類別：公共基礎(chǔ)課課程學(xué)分： 4學(xué)分課程總學(xué)時：64 學(xué)時，其中講課： 48學(xué)時，實驗（含上機）：16 學(xué)時課程性質(zhì)：必修開課學(xué)期：第2學(xué)期先修課程：計算機基礎(chǔ)II適用專業(yè)：非計算機專業(yè)（理工類）教 材：FORTRAN語言程序設(shè)計，氣象出版社，薛勝軍，耿煥同，鄭玉等，2009，第1版。開課單位：計算機與軟件學(xué)院二、課程性質(zhì)、教學(xué)目標(biāo)和任務(wù)Fortran程序設(shè)計是我校大氣科學(xué)、大氣物理、大氣探測、海洋科學(xué)、應(yīng)用氣象、環(huán)境科學(xué)等專業(yè)的公共基礎(chǔ)必修課程。由于Fortran語言被廣泛應(yīng)用于數(shù)值分析、工程設(shè)計和科學(xué)計算等領(lǐng)

2、域，并且目前主流的氣象預(yù)報模式WRF和MM5等都是用Fortran語言編寫的，因此該課程是氣象類相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)方案中的主要課程。該課程在學(xué)習(xí)程序設(shè)計相關(guān)理論的同時，注重對學(xué)生程序設(shè)計能力的培養(yǎng)。該課程教學(xué)的基本任務(wù)及應(yīng)達到的主要教學(xué)目的是：通過教學(xué)，使學(xué)生了解FORTRAN語言的特點，掌握FORTRAN語言的基本組成部份及使用方法，能夠熟練閱讀程序和具備初步編程的能力；通過進行算法的初步訓(xùn)練，能夠掌握最基本算法的設(shè)計和實現(xiàn)方法；熟悉結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法，能設(shè)計出良好風(fēng)格的程序；具有調(diào)試應(yīng)用程序的基本能力。該課程的主要學(xué)習(xí)內(nèi)容包括：通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生在已有的大氣科學(xué)、大氣物理等理論的基礎(chǔ)上，了解

3、并掌握Fortran程序設(shè)計在大氣科學(xué)上應(yīng)用的基本方法和步驟，熟悉Fortran語言的軟件開發(fā)環(huán)境，能夠全面、系統(tǒng)地掌握Fortran語言程序設(shè)計的基礎(chǔ)知識，熟練掌握程序設(shè)計的基本算法。通過課堂理論學(xué)習(xí)和實驗環(huán)節(jié)，學(xué)生應(yīng)該具備以下的實踐動手能力：熟悉Fortran語言的編程開發(fā)環(huán)境，能夠熟練編寫常用的基本算法、熟練掌握程序調(diào)試的方法和步驟、能熟練運用FORTRAN語言設(shè)計和編寫比較復(fù)雜的FORTRAN程序，有效解決本專業(yè)中遇到的一些疑難問題，使學(xué)生計算機應(yīng)用能力得到顯著提高，為專業(yè)應(yīng)用和發(fā)展奠定基礎(chǔ)。三、教學(xué)內(nèi)容和要求1、Fortran語言程序設(shè)計在數(shù)值分析中的應(yīng)用（6學(xué)時）1.1預(yù)備知識（1

4、）認知并了解數(shù)據(jù)處理與分析的基本概念，了解如何使用FORTRAN語言來完成常用的數(shù)據(jù)分析程序。 （2）理解數(shù)理統(tǒng)計基本概念 .隨機變量;隨機變量共有兩種情況：連續(xù)隨機變量與離散隨機變量。連續(xù)隨機變量是一種概念上可以取其自然領(lǐng)域中任何一個值的隨機變量，比如氣象中的某地某時的氣溫、氣壓和風(fēng)向量等。離散隨機變量是一種其可能值可以與自然數(shù)集合或子集建立起一一對應(yīng)的隨機變量，因此它可能只取有限個值，也可能取到無窮多個值，視變量的實際情況而定。例如雷達回波圖中回波聚類的個數(shù)，雨量的等級等。.總體和樣本將來自某總體的隨機觀察值所服從的分布函數(shù)或分布密度函數(shù)稱為總體。用某種手段從總體中獲取的觀察值就是樣本。如

5、果作為樣本的這些觀察值是按照相互獨立原則抽取，并被保證總體中每一個體取樣的可能性是相同的，那么它們稱之為隨機樣本。.數(shù)學(xué)期望和平均值數(shù)學(xué)期望通常簡稱為期望（Expectation）或均值（Mean），它是數(shù)字特征中最重要的一個，其它數(shù)字特征大都是通過數(shù)學(xué)期望來定義的。與數(shù)學(xué)期望相對應(yīng)，統(tǒng)計量平均值是用表征某一要素樣本中數(shù)據(jù)分布的特點。平均值是一個常用的統(tǒng)計量。氣象上的月平均氣溫、年平均氣溫及某氣象要素多年平均值等就是這種統(tǒng)計量。.距平和距平序列距平是氣象上常用的一個統(tǒng)計量，也就是通常所說的異常，即對平均值的正常情況的偏差。資料中某一個資料數(shù)值與平均值之差就是距平。.標(biāo)準(zhǔn)差與方差.協(xié)方差和相關(guān)系

6、數(shù)1.2一元線性回歸分析（1）了解什么是一元回歸分析；（2）理解一元線性回歸分析建立模型的基本步驟；（3）了解采用Fortran語言實現(xiàn)的一元線性回歸分析程序設(shè)計方法；（4）掌握Fortran程序的基本架構(gòu)；（5）了解Fortran對數(shù)據(jù)文件的輸入與輸出方式；1.3多元線性回歸分析（1）了解什么是多元回歸分析；（2）理解多元線性回歸分析建立模型的基本步驟；（3）了解采用Fortran語言實現(xiàn)的多元線性回歸分析程序設(shè)計方法；1.4逐步回歸分析（1）了解什么是逐步回歸分析；（2）理解逐步回歸分析建立模型的基本步驟；（3）了解采用Fortran語言實現(xiàn)的逐步回歸分析程序設(shè)計方法；1.5主成分分析（1

7、）了解什么是主成分分析；（2）理解主成分分析建立模型的基本步驟； （3）了解采用Fortran語言實現(xiàn)的主成分分析程序設(shè)計方法； 重點：數(shù)據(jù)處理與分析的概念、一元線性、多元線性、逐步回歸分析以及主成分分析等方法的概念與建模，F(xiàn)ortran程序設(shè)計的架構(gòu)和對文件的讀寫操作； 難點：一元線性、多元線性、逐步回歸分析以及主成分分析等方法的概念與建模。2、文件（2學(xué)時）2.1 FORTRAN 90/95文件概述 （1）了解什么是文件，文件與記錄、文件的存取方式、文件的結(jié)構(gòu)（有格式存儲、無格式存儲、二進制存儲）以及文件的定位等概念。2.2 文件操作語句（1）了解并掌握OPEN語句各個參數(shù)的含義及用法；（

8、2）理解文件的讀取方式方法；（3）熟練掌握打開文件的OPEN語句的格式、用法；熟練掌握文件輸入輸出（READ/WRITE）語句，能熟練編寫讀寫文件的程序；2.3 其它文件操作 （1）理解文件狀態(tài)查詢語句（INQUIRE）及其參數(shù)、反繞文件指針語句（REWIND）及其參數(shù)、文件指針回退語句（BACKSPACE）及其參數(shù)、文件結(jié)束語句（ENDFILE）及其參數(shù)、EOF函數(shù)及其參數(shù)的用法。2.4 文件的使用（1）理解文件的訪問方式和記錄的存儲格式；（2）熟練掌握有格式順序文件、無格式順序文件、有格式直接文件、無格式直接文件、二進制順序文件和二進制直接文件數(shù)據(jù)的輸入輸出。 重點：文件的存取方式，文件的

9、組織結(jié)構(gòu)，文件的操作；難點：文件的讀寫。3、Fortran語言基礎(chǔ)（6學(xué)時）3.1 字符集與保留字（1）了解Fortran允許使用的字符集；（2）理解保留字的概念和作用；（3）掌握常用的保留字。3.2 基本數(shù)據(jù)類型（1）了解Fortran語言提供的五類九種數(shù)據(jù)類型；（2）理解Fortran語言提供的五種內(nèi)部基本數(shù)據(jù)類型的作用和性質(zhì)； 3.3 常量（1）了解Fortran語言提供的五種內(nèi)部基本數(shù)據(jù)類型的常量的概念；（2）理解五種內(nèi)部基本數(shù)據(jù)類型的常量分類；符號常量的含義； （3）掌握數(shù)值型常量（整型常量、實型常量、復(fù)型常量）的表示、所占字節(jié)空間及其值域范圍；掌握字符型常量、邏輯型常量的表示方法；

10、掌握如何定義符號常量。3.4 變量（1）了解Fortran語言變量的概念；（2）理解內(nèi)存的概念以及變量所占內(nèi)存空間的概念；理解隱含的I-N規(guī)則； （3）熟練掌握標(biāo)識符的命名規(guī)則、各種基本數(shù)據(jù)類型的聲明方式及其關(guān)鍵字、KIND值的用法和作用；并掌握與字符串處理相關(guān)的六個函數(shù)的作用與使用方法；熟練掌握各種基本數(shù)據(jù)類型的變量初始化的方式； 3.5 運算符與表達式（1）了解什么是運算符和表達式；（2）理解運算符的優(yōu)先運算級別；（3）掌握Fortran允許使用的算數(shù)運算符、字符運算符、關(guān)系運算符、邏輯運算符；熟練掌握各種運算表達式；熟練掌握復(fù)雜表達式的計算過程、不同數(shù)據(jù)類型操作數(shù)如何進行類型轉(zhuǎn)換以及各個

11、運算符的優(yōu)先級別。3.6 語句（1）了解Fortran語言提供的兩類語句（執(zhí)行語句和非執(zhí)行語句）；（2）理解GOTO語句的作用（3）熟練掌握算術(shù)賦值語句、字符賦值語句、邏輯賦值語句和DATA賦初值語句；熟練掌握程序控制語句（PROGRAM、END、STOP語句、PAUSE語句）；3.7 系統(tǒng)內(nèi)部函數(shù)（1）了解內(nèi)部函數(shù)的概念；（2）掌握常用的內(nèi)部函數(shù)的名稱和使用方法； 重點：Fortran語言提供的五類九種數(shù)據(jù)類型的作用和性質(zhì)、數(shù)值型常量（整型常量、實型常量、復(fù)型常量）的表示、所占字節(jié)空間及其值域范圍、各種基本數(shù)據(jù)類型的聲明方式及其關(guān)鍵字、KIND值的用法和作用、復(fù)雜表達式的計算過程、不同數(shù)據(jù)類

12、型操作數(shù)如何進行類型轉(zhuǎn)換以及各個運算符的優(yōu)先級別 難點：各種基本數(shù)據(jù)類型的聲明方式及其關(guān)鍵字、KIND值的用法和作用、復(fù)雜表達式的計算過程、不同數(shù)據(jù)類型操作數(shù)如何進行類型轉(zhuǎn)換以及各個運算符的優(yōu)先級別4、順序結(jié)構(gòu)程序設(shè)計（6學(xué)時）4.1 表控輸入、輸出語句（1）了解輸入輸出語句的作用；（2）理解表控輸入輸出的含義；（3）掌握表控格式輸入、輸出語句用法及保留字；4.2 可控格式輸入、輸出語句（1）了解可控格式輸入輸出強大而靈活的輸入輸出格式功能；（2）熟練掌握可控格式的輸出語句：PRINT語句和WRITE語句；熟練掌握可控格式輸入語句READ語句的3中形式；熟練掌握各種類型的格式控制符；掌握FOR

13、MAT格式說明語句。4.3 程序舉例（1）了解可控格式輸入輸出語句的用法；（2）理解并掌握強大而靈活的格式說明功能，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的按格式輸入輸出任務(wù)。重點：可控格式輸入、輸出語句用法、格式控制符的含義及作用；難點：可控格式輸入、輸出語句用法。5、選擇結(jié)構(gòu)程序設(shè)計（2學(xué)時）5.1 IF語句（1）了解Fortran語言中3種經(jīng)典的塊IF結(jié)構(gòu)；（2）理解各種IF結(jié)構(gòu)的控制流程；（3）熟練掌握單分支塊IF結(jié)構(gòu)、雙分支塊IF結(jié)構(gòu)、多分支塊IF結(jié)構(gòu)、邏輯IF語句的相關(guān)概念、表示和用法。5.2 SELECT CASE語句（1）了解IF語句塊的執(zhí)行效率，降低程序的可讀性；（2）理解2種不同的多分支選擇結(jié)構(gòu)；理

14、解嵌套選擇的概念；（3）熟練掌握SELECT CASE結(jié)構(gòu)的使用方式；5.3 選擇語句的嵌套 （1）了解嵌套的含義； （2）掌握嵌套選擇語句的書寫格式；5.4 程序舉例（1）熟練掌握基本的判斷閏年的方法；熟練掌握IF語句和SELECT CASE語句的用法。重點：關(guān)系表達式與邏輯表達式的正確書寫；IF語句與SELECT CASE語句的用法，浮點數(shù)及字符的邏輯運算；難點：IF語句的嵌套，浮點數(shù)的邏輯判斷，字符的邏輯判斷。6、循環(huán)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計（4學(xué)時）6.1 DO語句（1）了解循環(huán)的概念；（2）理解并掌握帶循環(huán)變量的DO循環(huán)的執(zhí)行過程、循環(huán)自變量的變化過程；（3）掌握帶循環(huán)變量的DO循環(huán)格式；掌握有

15、關(guān)DO循環(huán)的四個基本規(guī)定；并通過實例學(xué)習(xí)，熟練掌握基本的求階乘的算法。6.2 DO WHILE語句（1）了解處理事先不知道循環(huán)次數(shù)的循環(huán)處理方式；（2）理解DO WHILE語句的用途和用法；（3）熟練掌握DO WHILE語句循環(huán)的書寫格式、執(zhí)行過程；熟練掌握使用輾轉(zhuǎn)相除法求解兩整數(shù)的最大公約數(shù)；熟練掌握求素數(shù)的方法；6.3 循環(huán)流程控制語句 （1）熟練掌握EXIT語句和CYCLE語句的用法；6.4 無循環(huán)變量的DO語句 （1）掌握無循環(huán)變量的DO語句格式；掌握無循環(huán)變量的DO語句的執(zhí)行過程；6.5 循環(huán)語句的嵌套 （1）掌握嵌套DO循環(huán)的執(zhí)行過程；理解并掌握嵌套DO循環(huán)的有關(guān)規(guī)定；6.6 幾種

16、循環(huán)形式的比較和關(guān)系 （1）理解幾種不同形式的循環(huán)相同和不同之處及其各自的作用；6.7 程序舉例（1）熟練掌握各種循環(huán)語句的格式和用法；熟練掌握求解斐波那契數(shù)列的算法；熟練掌握根據(jù)矩形或梯形求解定積分的算法；重點：DO語句，DO While語句，exit+DO語句；難點：循環(huán)條件的設(shè)置，循環(huán)的嵌套。7、數(shù)組（8學(xué)時）7.1 概述（1）了解數(shù)組的作用及由來；7.2 數(shù)組的定義與引用（2）熟練掌握用類型說明語句定義數(shù)組；掌握利用DIMENSION語句說明數(shù)組；掌握用類型說明語句和DIMENSION語句定義數(shù)組；熟練掌握數(shù)組元素的引用方式（下標(biāo)法、數(shù)組片段法）；熟練掌握數(shù)組名的特殊作用；7.3 數(shù)組

17、的邏輯結(jié)構(gòu)與存儲結(jié)構(gòu)（1）了解二維數(shù)組的存儲結(jié)構(gòu)和邏輯結(jié)構(gòu)的不同；（2）理解二維數(shù)組存儲結(jié)構(gòu)按列存儲的概念； （3）熟練掌握一維數(shù)組、二維數(shù)組的邏輯結(jié)構(gòu)及存儲結(jié)構(gòu)；7.4 數(shù)組的輸入輸出 （1）掌握使用DO循環(huán)輸入輸出數(shù)組元素；熟練掌握使用數(shù)組名或數(shù)組片段對數(shù)組進行輸入和輸出；熟練掌握隱含DO循環(huán)的作用以及利用隱含DO循環(huán)對數(shù)組進行輸入和輸出；7.5 給數(shù)組賦值（1）熟練掌握使用DATA語句賦初值；使用數(shù)組賦值符賦初值；7.6 動態(tài)數(shù)組（1）了解動態(tài)數(shù)組的由來；（2）熟練掌握動態(tài)數(shù)組的定義、內(nèi)存分配和釋放。7.7 數(shù)組常用算法舉例（1）了解二維數(shù)組與矩陣的對應(yīng)關(guān)系；（2）理解2種不同的查找方法

18、以及2種不同的排序方法；（3）熟練掌握求解數(shù)組元素累加和、求數(shù)組的最大（最?。┲导拔恢谩⒍址ú檎?、排序（選擇排序和冒泡排序）、有序數(shù)組的插入和刪除算法，能夠熟練編寫相應(yīng)程序；重點：數(shù)組的定義、初始化、數(shù)組元素的引用、二維數(shù)組的存儲結(jié)構(gòu)、數(shù)組程序設(shè)計方法；難點：數(shù)組的定義、二維數(shù)組的I/O、二分查找法、選擇法排序算法、冒泡法排序算法。8、子程序（6學(xué)時）8.1 基本概念（1）了解子程序、實參、虛參等基本概念。8.2 外部子程序（1）理解函數(shù)子程序和子例行子程序的不同點；（2）熟練掌握外部函數(shù)子程序、外部子例行子程序的定義、調(diào)用方式以及各自的適用范圍；8.3 實參和虛參之間的數(shù)據(jù)傳遞（1）理解數(shù)

19、據(jù)傳遞的方式（地址傳遞和值傳遞）；理解變量的作用域等概念；（2）熟練掌握變量為虛參、為數(shù)組（非字符數(shù)組和字符數(shù)組）、為子程序名、為“*”號時的各種虛實結(jié)合的數(shù)據(jù)傳遞方式； 8.4 遞歸子程序（1）理解遞歸的概念；（2）掌握遞歸的算法；熟練掌握編寫遞歸函數(shù)子程序和遞歸子例行子程序的方式方法； 8.5 數(shù)據(jù)公用存儲單元與數(shù)據(jù)塊子程序（1）了解掌握數(shù)據(jù)傳遞和數(shù)據(jù)共享的另外一種方式：開辟公用區(qū)；（2）理解開辟無名公用區(qū)和有名公用區(qū)的不同；（3）掌握如何給公用區(qū)中的元素賦初值；8.6 內(nèi)部子程序（1）了解什么是內(nèi)部子程序，它與外部子程序的區(qū)別；（2）掌握內(nèi)部子程序的定義（包括函數(shù)子程序和子例行子程序）；掌握內(nèi)部子程序的調(diào)用方式；8.7 子程序應(yīng)用舉例（1）理解子程序的應(yīng)用；（2）能夠熟練編寫相應(yīng)子程序。重點：函數(shù)子程序、子例行程序的定義和調(diào)用方法難點：虛實結(jié)合的兩種方式，公用區(qū)變量的使用9、結(jié)構(gòu)體與指針（2學(xué)時）（1）了解Fortran95程序中自定義數(shù)據(jù)類型概念；（2）理解自定義數(shù)據(jù)類型和結(jié)構(gòu)體的概念；（3）掌握自