基于ＭＣＡＩ理論的整數插入排序教學軟件設計與開發

摘要：討論了職業院校《數據結構》課程中整數插入排序算法的教學軟件的開發。在軟件設計中，設計思想基于MCAI理論，使用Delphi程序設計語言，對算法實現單步執行，使靜態的算法以動態的形式在屏幕上顯示，達到良好的人機交互目的。

關鍵詞：MCAI；整數插入排序；Delphi；控件

目前，計算機輔助教學已在職業院校中廣泛開展，特別是MCAI（Multimedia Computer Aided Instruction，多媒體計算機輔助教學）的應用，以其貯存信息量大、畫面豐富、多種媒體綜合運用等特點，為學生建立了一個動態教學環境。《數據結構》中的整數插入排序算法本身是一種抽象的靜態描述，而職業院校的部分學生接受能力較弱，因此教學效果受到一定的影響。為了解決這個問題，本軟件結合MCAI理論，利用Delphi7.0作為開發工具來完成，使抽象、靜態的算法以直觀、形象、動態的形式在屏幕上顯示，從而達到提高整數插入排序算法教學效果的目的。

設計思想

MCAI理論MCAI具有如下特點：（1）學生可以控制學習內容和學習進度。允許學生選擇學習內容，設置同步措施，只有當學生學習了前一部分知識后，才能進入下一步的學習。這樣，學生的學習進展不受時間與地點的限制，可以取得最佳的學習速度。（2）學生處于一種積極、主動的精神狀態。在MCAI中，因為教學進度由學生控制和連續的提問——反饋或是操作——反應——刺激等交互活動組成，學生不像被動學習時那么容易疲勞和受干擾，從而可以取得較好的教學效果。（3）對教師或軟件開發者提供了教學決策支持。計算機可保留每個學生的學習進展紀錄，并進行每個學生的學習進程分析和群體學習分析，給教師或軟件開發者提供了教學決策支持。

關鍵技術本軟件使用Delphi7.0作為開發工具，其明顯的特點是：（1）可視化的快速Web開發，讓開發者能夠在Delphi7.0環境中可視化地創建Web應用，并且利用它的應用模型框架，不必再考慮通過的服務器端的開發任務，還能透明地處理會話管理。（2）免費的DataSnap多層應用開發。新的Delphi7.0的DataSnap授權協議允許開發者無縫升級單層和客戶/服務器應用到多層應用，而不需額外的運行使用費。（3）windowsXP應用。Delphi7.0對windows風格的支持，讓開發者能夠創建可以利用windowsXP使用者界面風格的應用。

開發方案

可行性分析交互式MCAI整數插入排序軟件開發是一個面向教學的應用系統。它可以針對不同的學生群體進行不同的操作，它可以按照要求執行一步或幾步，同時可以播放音樂、動畫等多媒體軟件，還可以設置斷點、跟蹤、單步、設置等，還可以根據人的要求修改程序，操作簡單方便，其客戶端是一個友好的界面，使用方便，其功能是比較強大的。

需求分析根據需求分析必須利用數據結構中的棧和鏈表。棧和鏈表是程序設計中的難點，然而卻是十分方便的工具，在Delphi中雖然沒有提供指針類數據類型，但利用Delphi提供的類模塊可形象地進行構造。在系統設計階段將主要利用Delphi中的控件進行圖形化設置，在腳本設計階段可以利用數據結構中的算法，最終一起達到該課程設計的目的，最后進行評價修改。

模塊設計該軟件包括順序表的插入、順序表的刪除和直接插入排序三部分，如圖1所示。

圖1模塊設計圖

功能實現

主界面的設計與實現作為軟件的首張界面，主要采用柔和底色作為整體基調，力求做到簡潔明了，給人以整潔干凈的感覺。設計上主要利用Delphi7.0中幾種基本的控件，例如文本控件、按鈕控件以及簡單的代碼編寫，實現表單之間的聯系。

圖2主界面運行效果圖

主體控件和登錄界面模塊從上一級表單中進入這個登陸窗口，主要考慮一個身份驗證的問題，只有身份合法才能進入下面的演示模塊，強調軟件的安全性能。工作重點是對登陸窗口的設計以及內部代碼的編寫。窗體的實現可以依靠強大的Delphi7.0里面現有的控件直接引用，重點就是關于用戶以及密碼控件的實現過程。其運行效果如圖3所示。

圖3登錄界面模塊運行效果圖

直接插入排序演示模塊這個模塊是整個軟件開發過程中的重點與難點，為了實現算法的單步實現，讓整個演示軟件可以更加直觀、形象。可以把原來的連續執行的算法步驟，重新按單步執行的方式編排程序的流程。我們可以運用Delphi里面的時鐘控件，讓用戶可以自行設置，鑒于程序需要單步執行，每一次跳轉前后需要保護現場和恢復現場，為此需要設置幾個全局變量用以保存狀態，同時還需要設置時間的長短來控制圖像運行的效果，時間相對長些效果就越明顯。其運行效果如圖4所示。

圖4直接插入排序演示模塊運行效果圖

數據設置模塊此模塊實際上是直接插入排序模塊的子模塊，主要工作就是針對排序的算法設置有關參數的一個階段。基本思想是根據隨機或者手動設置數據以及時間間隔的設置用以控制演示的速度與清晰度，可以更加直觀的描述直接插入排序的一個明顯的過程。此模塊主要功能是針對排序具體設置數據的一個階段。為了用戶更加自主，設計了隨機發生器與人工輸入，但是限制了個數（最多16）。其運行效果如圖5所示。

圖5數據設置模塊運行效果圖

軟件運行分析

根據軟件工程上的一些知識和方法，我們從不同的角度測試了該軟件，基本上達到了方便應用的目的。例如：

初始情況：設r[1]，r[2]，r[3]，r[4]已經有序，現插入r[5]

r[1]r[2]r[3]r[4]r[5]

210 18 25 9

j=5；r[0]=r[j]；i=j-1； //初始化，設置待插入位置

2101825□

//r[i+1]為待插入位置

i=4，r[0] < r[i]，r[i+1]=r[i]；i--；

//調整待插入位置

21018□25

i=3，r[0] < r[i]，r[i+1]=r[i]；i--；

//調整待插入位置

210□1825

i=2，r[0] < r[i]，r[i+1]=r[i]；i--；

//調整待插入位置

2□101825

i=1，r[0] ≥r[i]，r[i+1]=r[0]；

//插入記錄

29101825//插入過程結束

我們完全可以手動輸入 21018259，并設置時間間隔用以控制演示的速度與清晰度，然后運行插入排序模塊，點擊下一步或自動標識的控件來觀測系統的整個運行是否符合在《數據結構》中所學到的上述算法理論過程。經過天津輕工職業技術學校2006級數控一班的課堂實地檢驗，在正常條件下，運用MCAI理論開發的整數插入排序系統能無故障運行，完成預定的整個教學活動。學生普遍反映系統的穩定性良好，有很強的交互性，達到了提高教學效果的目的。

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作者簡介：

季淑惠（1982—），女，山東臨清人，天津工程師范學院2005級碩士研究生，研究方向為教育技術學。

曹乃龍（1984—），男，河南信陽人，天津工程師范學院2006級碩士研究生，研究方向為教育技術學。

（本文責任編輯：謝良才）

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。