基于ＭＣＡＩ理論的整數(shù)插入排序教學(xué)軟件設(shè)計與開發(fā)

摘要：討論了職業(yè)院校《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程中整數(shù)插入排序算法的教學(xué)軟件的開發(fā)。在軟件設(shè)計中，設(shè)計思想基于MCAI理論，使用Delphi程序設(shè)計語言，對算法實現(xiàn)單步執(zhí)行，使靜態(tài)的算法以動態(tài)的形式在屏幕上顯示，達(dá)到良好的人機(jī)交互目的。

關(guān)鍵詞：MCAI；整數(shù)插入排序；Delphi；控件

目前，計算機(jī)輔助教學(xué)已在職業(yè)院校中廣泛開展，特別是MCAI（Multimedia Computer Aided Instruction，多媒體計算機(jī)輔助教學(xué)）的應(yīng)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(xué)生建立了一個動態(tài)教學(xué)環(huán)境。《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》中的整數(shù)插入排序算法本身是一種抽象的靜態(tài)描述，而職業(yè)院校的部分學(xué)生接受能力較弱，因此教學(xué)效果受到一定的影響。為了解決這個問題，本軟件結(jié)合MCAI理論，利用Delphi7.0作為開發(fā)工具來完成，使抽象、靜態(tài)的算法以直觀、形象、動態(tài)的形式在屏幕上顯示，從而達(dá)到提高整數(shù)插入排序算法教學(xué)效果的目的。

設(shè)計思想

MCAI理論MCAI具有如下特點：（1）學(xué)生可以控制學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)進(jìn)度。允許學(xué)生選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，設(shè)置同步措施，只有當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)了前一部分知識后，才能進(jìn)入下一步的學(xué)習(xí)。這樣，學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)展不受時間與地點的限制，可以取得最佳的學(xué)習(xí)速度。（2）學(xué)生處于一種積極、主動的精神狀態(tài)。在MCAI中，因為教學(xué)進(jìn)度由學(xué)生控制和連續(xù)的提問——反饋或是操作——反應(yīng)——刺激等交互活動組成，學(xué)生不像被動學(xué)習(xí)時那么容易疲勞和受干擾，從而可以取得較好的教學(xué)效果。（3）對教師或軟件開發(fā)者提供了教學(xué)決策支持。計算機(jī)可保留每個學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)展紀(jì)錄，并進(jìn)行每個學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)程分析和群體學(xué)習(xí)分析，給教師或軟件開發(fā)者提供了教學(xué)決策支持。

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

開發(fā)方案

可行性分析交互式MCAI整數(shù)插入排序軟件開發(fā)是一個面向教學(xué)的應(yīng)用系統(tǒng)。它可以針對不同的學(xué)生群體進(jìn)行不同的操作，它可以按照要求執(zhí)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(shè)置斷點、跟蹤、單步、設(shè)置等，還可以根據(jù)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(qiáng)大的。

需求分析根據(jù)需求分析必須利用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧和鏈表。棧和鏈表是程序設(shè)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(shù)據(jù)類型，但利用Delphi提供的類模塊可形象地進(jìn)行構(gòu)造。在系統(tǒng)設(shè)計階段將主要利用Delphi中的控件進(jìn)行圖形化設(shè)置，在腳本設(shè)計階段可以利用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的算法，最終一起達(dá)到該課程設(shè)計的目的，最后進(jìn)行評價修改。

模塊設(shè)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(shè)計圖

功能實現(xiàn)

主界面的設(shè)計與實現(xiàn)作為軟件的首張界面，主要采用柔和底色作為整體基調(diào)，力求做到簡潔明了，給人以整潔干凈的感覺。設(shè)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(xiàn)表單之間的聯(lián)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(jìn)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(jìn)入下面的演示模塊，強(qiáng)調(diào)軟件的安全性能。工作重點是對登陸窗口的設(shè)計以及內(nèi)部代碼的編寫。窗體的實現(xiàn)可以依靠強(qiáng)大的Delphi7.0里面現(xiàn)有的控件直接引用，重點就是關(guān)于用戶以及密碼控件的實現(xiàn)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(fā)過程中的重點與難點，為了實現(xiàn)算法的單步實現(xiàn)，讓整個演示軟件可以更加直觀、形象。可以把原來的連續(xù)執(zhí)行的算法步驟，重新按單步執(zhí)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(shè)置，鑒于程序需要單步執(zhí)行，每一次跳轉(zhuǎn)前后需要保護(hù)現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場，為此需要設(shè)置幾個全局變量用以保存狀態(tài)，同時還需要設(shè)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(shù)據(jù)設(shè)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(shè)置有關(guān)參數(shù)的一個階段。基本思想是根據(jù)隨機(jī)或者手動設(shè)置數(shù)據(jù)以及時間間隔的設(shè)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(shè)置數(shù)據(jù)的一個階段。為了用戶更加自主，設(shè)計了隨機(jī)發(fā)生器與人工輸入，但是限制了個數(shù)（最多16）。其運行效果如圖5所示。

圖5數(shù)據(jù)設(shè)置模塊運行效果圖

軟件運行分析

根據(jù)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(dá)到了方便應(yīng)用的目的。例如：

初始情況：設(shè)r[1]，r[2]，r[3]，r[4]已經(jīng)有序，現(xiàn)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(shè)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(diào)整待插入位置

21018□25

i=3，r[0] < r[i]，r[i+1]=r[i]；i--；

//調(diào)整待插入位置

210□1825

i=2，r[0] < r[i]，r[i+1]=r[i]；i--；

//調(diào)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(jié)束

我們完全可以手動輸入 21018259，并設(shè)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(biāo)識的控件來觀測系統(tǒng)的整個運行是否符合在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》中所學(xué)到的上述算法理論過程。經(jīng)過天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)校2006級數(shù)控一班的課堂實地檢驗，在正常條件下，運用MCAI理論開發(fā)的整數(shù)插入排序系統(tǒng)能無故障運行，完成預(yù)定的整個教學(xué)活動。學(xué)生普遍反映系統(tǒng)的穩(wěn)定性良好，有很強(qiáng)的交互性，達(dá)到了提高教學(xué)效果的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]張春林.Delphi6程序設(shè)計導(dǎo)學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[2]彭玉青，肖國璽，楊昕.《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》算法動態(tài)演示CAI軟件的實現(xiàn)[J].河北工業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院學(xué)報，2000，（3）：14-15.

[3]游曉明，劉升.多媒體《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》CAI系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[J].湖北師范學(xué)院學(xué)報，2002，（4）：12-14.

[4]唐伎玲，劉錢.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)多媒體教學(xué)軟件的設(shè)計[J].長春大學(xué)學(xué)報，2002，（3）：13-15.

[5]王春紅.多媒體CAI在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法教學(xué)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代計算機(jī)，2002，（1）：23-24.

[6]楊紅穎，王向陽.一種新的分“檔”置換插入排序算法[J]小型微型計算機(jī)系統(tǒng).2006，27（6）：996-1001.

作者簡介：

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

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

（本文責(zé)任編輯：謝良才）

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。