1、復(fù)雜算法可視化框架構(gòu)建方案研究         關(guān)鍵字  算法；可視化模擬；框架     程序設(shè)計(jì)能力是計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，同時(shí)也是學(xué)生能夠向軟件開發(fā)更高層次邁進(jìn)的前提，而算法的設(shè)計(jì)能力又是程序設(shè)計(jì)能力提高的關(guān)鍵因素。在學(xué)生進(jìn)入計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)習(xí)的初期，常常因?yàn)閷?duì)于算法理解困難，從而失去專業(yè)學(xué)習(xí)興趣，甚至是喪失繼續(xù)學(xué)習(xí)的勇氣。本人經(jīng)過(guò)深入的研究發(fā)現(xiàn)，理解算法的難度在于其抽象性和不可見性。即使是很簡(jiǎn)單的算法，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，由于沒(méi)有直觀的外在表現(xiàn)，也是很難理解的。那么通過(guò)一套算法

2、圖形模擬系統(tǒng)，使任何復(fù)雜的算法能夠讓計(jì)算機(jī)在運(yùn)行中來(lái)動(dòng)態(tài)的模擬其實(shí)現(xiàn)的全過(guò)程。1  設(shè)計(jì)思想    本系統(tǒng)主要進(jìn)行兩個(gè)階段工作：對(duì)程序設(shè)計(jì)教學(xué)中遇到的算法進(jìn)行收集和分類。搭建算法模擬系統(tǒng)框架1。1.1 算法的收集和分類    算法的收集和分類是前期的基礎(chǔ)準(zhǔn)備工作，也是本系統(tǒng)能否成功的關(guān)鍵。首先，確定此系統(tǒng)所支持的課程體系，例如程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等入門級(jí)課程體系。其次，收集在這些課程中所需要的算法及基本程序。最后，對(duì)這些算法及基本程序，按照難易度、知識(shí)點(diǎn)、及學(xué)習(xí)面進(jìn)行分類和細(xì)化。1.2 搭建算法模擬系統(tǒng)框架 &#

3、160;  本系統(tǒng)主要分為三個(gè)主體部分：算法以及基本程序部分。系統(tǒng)核心及調(diào)度控制部分。系統(tǒng)交互控制及演示界面部分。如圖1所示。圖1 系統(tǒng)框架    算法及基本程序部分是指需要模擬演示的程序，該部分的所有算法必須用可運(yùn)行的程序?qū)崿F(xiàn)，同時(shí)在該部分中，確定其內(nèi)存單元的控制和數(shù)據(jù)的變化。    系統(tǒng)核心及控制調(diào)度部分是本系統(tǒng)的中心部分，主要由中心調(diào)度和控制子系統(tǒng)、算法公共接口子系統(tǒng)、交互管理子系統(tǒng)、文件管理子系統(tǒng)、圖形顯示子系統(tǒng)、文檔管理子系統(tǒng)、幫助子系統(tǒng)構(gòu)成。如圖2所示。    系統(tǒng)交互及演示界面部分

4、，主要是系統(tǒng)的主體操作界面、算法程序代碼的運(yùn)行界面、圖形化模擬界面、人機(jī)交互界面、內(nèi)存控制及數(shù)據(jù)變化演示界面、通用接口掛接界面、出錯(cuò)提示界面、數(shù)據(jù)初始化及結(jié)果輸出界面、幫助及算法解釋界面。2  關(guān)鍵問(wèn)題2.1對(duì)算法的研究    因?yàn)楸鞠到y(tǒng)的根本是解決其所支持的課程體系中的算法和基本程序的圖形化模擬，所以需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)者要詳細(xì)的研究這些課程中每一個(gè)要可視化圖形模擬的算法，確定其數(shù)據(jù)初始化及變化范圍，存儲(chǔ)空間變化過(guò)程，程序執(zhí)行流程，程序編寫技巧等環(huán)節(jié)。2.2 程序動(dòng)態(tài)跟蹤及演示    在算法設(shè)計(jì)中常常也配有相關(guān)的圖形工具來(lái)幫助學(xué)生

5、對(duì)算法的理解，例如流程圖、N-S圖、PAD圖等。但是這些圖形只是能靜態(tài)的反映程序的執(zhí)行過(guò)程，對(duì)于復(fù)雜的算法并不能很好的捕捉程序的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程以及數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)空間的狀態(tài)變化。在本系統(tǒng)中可以對(duì)程序進(jìn)行中斷和單步執(zhí)行來(lái)利用圖形化演示程序的動(dòng)態(tài)執(zhí)行過(guò)程，以及數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)空間的狀態(tài)變化。2.3 圖形化演示    圖形化演示是將算法由抽象變具體，不可見變?yōu)榭梢姡箤W(xué)生的學(xué)習(xí)由枯燥變生動(dòng)的關(guān)鍵。對(duì)于眾多的、不同知識(shí)點(diǎn)的、不同類型的算法，以其各自的特點(diǎn)用圖形模擬。建立圖形庫(kù)與程序的語(yǔ)句進(jìn)行映射，系統(tǒng)通過(guò)捕捉程序的每一部執(zhí)行來(lái)觸發(fā)圖形界面的切換控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)圖形的變化。2.4算法的文字

6、解釋    對(duì)于任何圖形化模擬都不能完全描述算法的細(xì)節(jié)和其中的技巧，這恰好需要文字來(lái)進(jìn)行必要的補(bǔ)充和描述。在算法程序運(yùn)行時(shí)，幫助系統(tǒng)可以同步用文字來(lái)描述算法的核心思想和執(zhí)行步驟，并且對(duì)于程序的每一步運(yùn)行，調(diào)用幫助及解釋子系統(tǒng)2進(jìn)行配套的文字解釋。圖2 系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)2.5 界面設(shè)計(jì)    界面設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的關(guān)鍵工作之一，其直接影響到系統(tǒng)的可用性和趣味性。特別是人機(jī)交互界面，通過(guò)此界面來(lái)對(duì)算法進(jìn)行初始化數(shù)據(jù)設(shè)置和算法程序的運(yùn)行操作控制。對(duì)于不同的算法程序采用與其相匹配的初始化設(shè)置界面，例如對(duì)于遞歸算法應(yīng)限制其遞歸的深度，對(duì)于排序算法即可以

7、讓用戶自行輸入，也可以設(shè)定隨機(jī)數(shù)據(jù)序列。3  系統(tǒng)應(yīng)深入研究的方面    對(duì)于同樣的問(wèn)題，必將會(huì)有多種算法。為了提高學(xué)生的探索能力，應(yīng)讓學(xué)生嘗試自己設(shè)計(jì)算法并編寫程序，能夠通過(guò)本系統(tǒng)進(jìn)行圖形化模擬演示。這就需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)通用公共算法接口子系統(tǒng)3，使用戶自己的算法能掛接到本系統(tǒng)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)一套框架，來(lái)使用通用圖形庫(kù)、通用幫助庫(kù)與需要模擬演示的程序進(jìn)行掛接。    因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是一個(gè)算法教學(xué)輔助系統(tǒng)，那么能夠給予使用者提供動(dòng)態(tài)的智能化學(xué)習(xí)幫助是本系統(tǒng)的關(guān)鍵特色。在下一步研究中將與人工智能、數(shù)據(jù)挖掘、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停尤胩釂?wèn)推理單元4，對(duì)于不同的使用者構(gòu)建問(wèn)題資料庫(kù)。能夠給學(xué)習(xí)者建立算法幫助和學(xué)習(xí)路徑，達(dá)到自動(dòng)化算法教學(xué)的目的。4  結(jié)束語(yǔ)