Raptor可視化軟件與程序設(shè)計(jì)計(jì)算思維的協(xié)同運(yùn)用

谷惠敏

程序設(shè)計(jì)課程是強(qiáng)調(diào)“思想”與“方法”的，是基于問題的求解來貫穿于程序設(shè)計(jì)中。計(jì)算思維是程序設(shè)計(jì)教學(xué)的基本內(nèi)容，而對(duì)于學(xué)生來說，程序設(shè)計(jì)課程最初學(xué)習(xí)是很有趣味的，但在后續(xù)學(xué)習(xí)中卻因算法、語法的增多，反而降低了學(xué)習(xí)熱情。為此，本文將通過引入“Raptor”可視化流程軟件來探討程序類課程的教學(xué)創(chuàng)新。

【關(guān)鍵詞】程序設(shè)計(jì)課程 計(jì)算思維

學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)，要注重計(jì)算思維的滲透與養(yǎng)成。計(jì)算思維是基于數(shù)與形的邏輯關(guān)系，來探討問題求解的過程。在程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)中，如何從教學(xué)方法創(chuàng)新上，來強(qiáng)調(diào)計(jì)算思維，來引導(dǎo)學(xué)生從計(jì)算思維中來洞曉和理解程序設(shè)計(jì)的真諦。為此，本文將結(jié)合C語言教學(xué)實(shí)際，通過引入Raptor流程可視化軟件，來創(chuàng)新程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生的計(jì)算思維，提升教學(xué)實(shí)效。

1 程序設(shè)計(jì)課程對(duì)計(jì)算思維的體現(xiàn)

在程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)實(shí)踐中，語法規(guī)則是體現(xiàn)程序設(shè)計(jì)思想與方法的具體內(nèi)容，也是引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用程序設(shè)計(jì)來解決問題的有效途徑。但對(duì)于學(xué)生而言，程序語法在后續(xù)的學(xué)習(xí)中，因抽象性過強(qiáng)而容易陷入迷惑。為此，利用“Raptor”可視化程序設(shè)計(jì)流程軟件，將程序設(shè)計(jì)的“思想”與“方法”導(dǎo)入到流程圖中，引導(dǎo)學(xué)生從問題的求解思路來理解語法，幫助學(xué)生從中激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，解決設(shè)計(jì)難題。突出計(jì)算思維的滲透，主要從三方面來體現(xiàn)。一是強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)程序設(shè)計(jì)基本知識(shí)的掌握，特別是對(duì)于相對(duì)繁瑣的程序，從基本概念的掌握學(xué)習(xí)中，來理解程序設(shè)計(jì)的思想與方法，學(xué)會(huì)調(diào)試程序；二是注重程序?qū)栴}的求解能力，程序設(shè)計(jì)的目標(biāo)在于解決問題，而問題的呈現(xiàn)是以抽象化程序代碼形式來表現(xiàn)，因此，要注重對(duì)數(shù)學(xué)模型、算法的優(yōu)化學(xué)習(xí)；三是注重創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，特別是突出計(jì)算思維能力，要從算法思維多樣化上來引導(dǎo)學(xué)生多實(shí)踐，多感悟。

2 Raptor可視化軟件與程序設(shè)計(jì)計(jì)算思維的協(xié)同運(yùn)用

2.1 明確Raptor的流程圖特色

Raptor作為可視化流程圖工具，其特色表現(xiàn)在三點(diǎn)。一是對(duì)于各類圖形符號(hào)具有可執(zhí)行的流程圖，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)程序設(shè)計(jì)語法的直觀呈現(xiàn)。二是在操作上簡便、快捷，特別是通過拖拽方式對(duì)不同圖形符號(hào)進(jìn)行位置優(yōu)化，以形成完整的流程圖；三是在設(shè)計(jì)思維上便于掌握和理解。另外，Raptor還能夠提供執(zhí)行步驟計(jì)算與統(tǒng)計(jì)，為算法分析、優(yōu)化提供參考。

2.2 Raptor在算法設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

計(jì)算思維在程序設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，要遵循“發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、尋求解決思路、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案”等流程，并從中來強(qiáng)化計(jì)算思維的養(yǎng)成。根據(jù)《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求》，在引入程序設(shè)計(jì)教學(xué)與Raptor流程軟件時(shí)，要遵循教學(xué)內(nèi)容的漸進(jìn)性，注重計(jì)算思維的連貫性，特別是對(duì)于新生，由于對(duì)程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)好奇心強(qiáng)，要在案例選擇上貼近學(xué)生實(shí)際，便于學(xué)生從中掌握程序設(shè)計(jì)的算法思路。以“猜數(shù)游戲”為例，對(duì)于20以內(nèi)的整數(shù)，計(jì)算機(jī)隨機(jī)給出，讓學(xué)生進(jìn)行猜想，正確顯示“Right”，錯(cuò)誤顯示“Wrong”。在程序設(shè)計(jì)的算法分析上，一要明確猜數(shù)的功能，利用Random隨機(jī)函數(shù)功能來優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)，便于學(xué)生操作；二要對(duì)所給出的數(shù)字進(jìn)行判斷，利用Raptor嵌入式選擇結(jié)構(gòu)來判定是大還是??；三要對(duì)程序的交互設(shè)計(jì)，利用循環(huán)結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)程序的連貫性，直到猜出正確數(shù)字為止；四要進(jìn)行“非數(shù)字符號(hào)”判斷及處理；五要對(duì)猜測(cè)次數(shù)進(jìn)行限定，利用Raptor嵌套循環(huán)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)最大次數(shù)限定；六要對(duì)猜測(cè)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，利用數(shù)組知識(shí)來完成；七要對(duì)猜測(cè)的數(shù)字進(jìn)行二分處理，利用二分查找方法來完成。

當(dāng)然，在選擇程序設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，結(jié)合學(xué)生的程序認(rèn)知能力和水平，對(duì)程序設(shè)計(jì)實(shí)踐要進(jìn)行層次劃分，讓學(xué)生結(jié)合自我能力來完成不同的設(shè)計(jì)題目。如雞兔同籠問題、判定閏年的算法，100以內(nèi)的奇偶數(shù)之和，水仙花數(shù)、出售金魚等算法題，還有一些難度高的如抓肇事司機(jī)，打印等腰三角形，字母出現(xiàn)頻率統(tǒng)計(jì)等。通過對(duì)不同算法程序設(shè)計(jì)實(shí)踐知識(shí)的運(yùn)用，讓學(xué)生從問題的抽象思維到程序設(shè)計(jì)的基本流程中，在倡導(dǎo)多樣化算法思維實(shí)踐與鍛煉中，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同問題的不同理解與運(yùn)用，來分析不同解法的優(yōu)缺點(diǎn)，來不斷改進(jìn)和完善程序設(shè)計(jì)。

2.3 注重教學(xué)方法的創(chuàng)新

程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)方法的運(yùn)用，與學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)是相關(guān)的，對(duì)于教學(xué)法的創(chuàng)新，需要從課堂知識(shí)講授、動(dòng)手設(shè)計(jì)程序、課下教學(xué)輔導(dǎo)等方面來綜合。借助于Raptor可視化設(shè)計(jì)環(huán)境，其支持Novice、Intermedia和Object Oriented三種模式，分別為初級(jí)程序設(shè)計(jì)、中級(jí)程序設(shè)計(jì)和面向UML（統(tǒng)一建模語言）對(duì)象的程序設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)多數(shù)基本程序設(shè)計(jì)與算法設(shè)計(jì)的編程需要。為了對(duì)Raptor進(jìn)行教學(xué)方法的創(chuàng)新與驗(yàn)證，以1000以內(nèi)的完全數(shù)算法設(shè)計(jì)為例，該程序設(shè)計(jì)基本上分為9個(gè)步驟。如第一步為Loop循環(huán)程序，將n從2到1000進(jìn)行調(diào)用，并進(jìn)行判斷是否大于1000；第二步當(dāng)n小于1000時(shí)，將s作為因子的和；第三步以變量j進(jìn)行Loop循環(huán)設(shè)計(jì)，當(dāng)j從2到n/2時(shí)，進(jìn)行取值判定；……如此以來，對(duì)于本算法的程序設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)執(zhí)行與運(yùn)算上，需要進(jìn)行百萬次運(yùn)算比較，增加了運(yùn)算成本。通過對(duì)本算法的分析，求解1000以內(nèi)的完全數(shù)具有明顯的步驟顯示性，可以將之應(yīng)有到Raptor流程圖設(shè)計(jì)中，來分析其算法的復(fù)雜度，進(jìn)而可以估算出本程序的運(yùn)算次數(shù)達(dá)到1124955.5次。在此基礎(chǔ)上，通過引入歐拉完全數(shù)獲得公式，當(dāng)滿足條件2P-1時(shí)判定為質(zhì)數(shù)，則（2P-1）×2P-1的結(jié)果即是完全數(shù)。對(duì)上述算法程序設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，可以在相同的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，只需要執(zhí)行252次算法表達(dá)式，即可得到相同的結(jié)果，而與之前的算法相比，其計(jì)算效率提升近4000倍。由此可見，對(duì)于一般的程序設(shè)計(jì)來說，其復(fù)雜性可以通過Raptor流程圖設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)和分析，并從計(jì)算思維上利用可視化軟件來實(shí)現(xiàn)改進(jìn)和優(yōu)化，在這個(gè)過程中，學(xué)生可以從算法復(fù)雜性估算、驗(yàn)證和優(yōu)化中來激活計(jì)算思維，來提升計(jì)算思維能力。

3 結(jié)語

利用Raptor可視化程序設(shè)計(jì)工具與程序設(shè)計(jì)課程的融合，便于將抽象的程序設(shè)計(jì)教學(xué)進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，突出了教學(xué)直觀性，引導(dǎo)學(xué)生辨析程序設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，克服程序設(shè)計(jì)的迷惑與恐懼，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。Raptor可視化工具的運(yùn)用，在激發(fā)學(xué)生程序設(shè)計(jì)計(jì)算思維上發(fā)揮了積極作用，一方面利用流程圖來模擬程序設(shè)計(jì)，另一方面從問題的提出、求解、探討、設(shè)計(jì)中來實(shí)現(xiàn)編程知識(shí)的內(nèi)化，強(qiáng)調(diào)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)，提升學(xué)生的編程水平。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

商丘醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校 河南省商丘市 476100