Raptor可視化軟件與程序設計計算思維的協同運用

谷惠敏

程序設計課程是強調“思想”與“方法”的，是基于問題的求解來貫穿于程序設計中。計算思維是程序設計教學的基本內容，而對于學生來說，程序設計課程最初學習是很有趣味的，但在后續學習中卻因算法、語法的增多，反而降低了學習熱情。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創新。

【關鍵詞】程序設計課程 計算思維

學習程序設計，要注重計算思維的滲透與養成。計算思維是基于數與形的邏輯關系，來探討問題求解的過程。在程序設計課程教學中，如何從教學方法創新上，來強調計算思維，來引導學生從計算思維中來洞曉和理解程序設計的真諦。為此，本文將結合C語言教學實際，通過引入Raptor流程可視化軟件，來創新程序設計課程教學模式，激發學生的計算思維，提升教學實效。

1 程序設計課程對計算思維的體現

在程序設計課程教學實踐中，語法規則是體現程序設計思想與方法的具體內容，也是引導學生運用程序設計來解決問題的有效途徑。但對于學生而言，程序語法在后續的學習中，因抽象性過強而容易陷入迷惑。為此，利用“Raptor”可視化程序設計流程軟件，將程序設計的“思想”與“方法”導入到流程圖中，引導學生從問題的求解思路來理解語法，幫助學生從中激發學習熱情，解決設計難題。突出計算思維的滲透，主要從三方面來體現。一是強調學生對程序設計基本知識的掌握，特別是對于相對繁瑣的程序，從基本概念的掌握學習中，來理解程序設計的思想與方法，學會調試程序；二是注重程序對問題的求解能力，程序設計的目標在于解決問題，而問題的呈現是以抽象化程序代碼形式來表現，因此，要注重對數學模型、算法的優化學習；三是注重創新能力的培養，特別是突出計算思維能力，要從算法思維多樣化上來引導學生多實踐，多感悟。

2 Raptor可視化軟件與程序設計計算思維的協同運用

2.1 明確Raptor的流程圖特色

Raptor作為可視化流程圖工具，其特色表現在三點。一是對于各類圖形符號具有可執行的流程圖，可以實現對程序設計語法的直觀呈現。二是在操作上簡便、快捷，特別是通過拖拽方式對不同圖形符號進行位置優化，以形成完整的流程圖；三是在設計思維上便于掌握和理解。另外，Raptor還能夠提供執行步驟計算與統計，為算法分析、優化提供參考。

2.2 Raptor在算法設計中的應用

計算思維在程序設計中的運用，要遵循“發現問題、分析問題、尋求解決思路、優化設計方案”等流程，并從中來強化計算思維的養成。根據《大學計算機基礎課程教學基本要求》，在引入程序設計教學與Raptor流程軟件時，要遵循教學內容的漸進性，注重計算思維的連貫性，特別是對于新生，由于對程序設計學習好奇心強，要在案例選擇上貼近學生實際，便于學生從中掌握程序設計的算法思路。以“猜數游戲”為例，對于20以內的整數，計算機隨機給出，讓學生進行猜想，正確顯示“Right”，錯誤顯示“Wrong”。在程序設計的算法分析上，一要明確猜數的功能，利用Random隨機函數功能來優化程序結構，便于學生操作；二要對所給出的數字進行判斷，利用Raptor嵌入式選擇結構來判定是大還是小；三要對程序的交互設計，利用循環結構來設計程序的連貫性，直到猜出正確數字為止；四要進行“非數字符號”判斷及處理；五要對猜測次數進行限定，利用Raptor嵌套循環結構來實現最大次數限定；六要對猜測過程數據進行存儲，利用數組知識來完成；七要對猜測的數字進行二分處理，利用二分查找方法來完成。

當然，在選擇程序設計任務時，結合學生的程序認知能力和水平，對程序設計實踐要進行層次劃分，讓學生結合自我能力來完成不同的設計題目。如雞兔同籠問題、判定閏年的算法，100以內的奇偶數之和，水仙花數、出售金魚等算法題，還有一些難度高的如抓肇事司機，打印等腰三角形，字母出現頻率統計等。通過對不同算法程序設計實踐知識的運用，讓學生從問題的抽象思維到程序設計的基本流程中，在倡導多樣化算法思維實踐與鍛煉中，實現對不同問題的不同理解與運用，來分析不同解法的優缺點，來不斷改進和完善程序設計。

2.3 注重教學方法的創新

程序設計課程教學方法的運用，與學生計算思維的培養是相關的，對于教學法的創新，需要從課堂知識講授、動手設計程序、課下教學輔導等方面來綜合。借助于Raptor可視化設計環境，其支持Novice、Intermedia和Object Oriented三種模式，分別為初級程序設計、中級程序設計和面向UML（統一建模語言）對象的程序設計，可以實現多數基本程序設計與算法設計的編程需要。為了對Raptor進行教學方法的創新與驗證，以1000以內的完全數算法設計為例，該程序設計基本上分為9個步驟。如第一步為Loop循環程序，將n從2到1000進行調用，并進行判斷是否大于1000；第二步當n小于1000時，將s作為因子的和；第三步以變量j進行Loop循環設計，當j從2到n/2時，進行取值判定；……如此以來，對于本算法的程序設計，在系統執行與運算上，需要進行百萬次運算比較，增加了運算成本。通過對本算法的分析，求解1000以內的完全數具有明顯的步驟顯示性，可以將之應有到Raptor流程圖設計中，來分析其算法的復雜度，進而可以估算出本程序的運算次數達到1124955.5次。在此基礎上，通過引入歐拉完全數獲得公式，當滿足條件2P-1時判定為質數，則（2P-1）×2P-1的結果即是完全數。對上述算法程序設計進行優化，可以在相同的數據范圍內，只需要執行252次算法表達式，即可得到相同的結果，而與之前的算法相比，其計算效率提升近4000倍。由此可見，對于一般的程序設計來說，其復雜性可以通過Raptor流程圖設計進行檢驗和分析，并從計算思維上利用可視化軟件來實現改進和優化，在這個過程中，學生可以從算法復雜性估算、驗證和優化中來激活計算思維，來提升計算思維能力。

3 結語

利用Raptor可視化程序設計工具與程序設計課程的融合，便于將抽象的程序設計教學進行可視化呈現，突出了教學直觀性，引導學生辨析程序設計的優缺點，克服程序設計的迷惑與恐懼，增強了學生的學習興趣。Raptor可視化工具的運用，在激發學生程序設計計算思維上發揮了積極作用，一方面利用流程圖來模擬程序設計，另一方面從問題的提出、求解、探討、設計中來實現編程知識的內化，強調學生計算思維的培養，提升學生的編程水平。

參考文獻

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[2]楊飛，陳浩強，劉方.基于計算思維的醫學計算機基礎教學探索[J].中國繼續醫學教育，2016（24）.

作者單位

商丘醫學高等專科學校 河南省商丘市 476100