以視景仿真為應用導向的計算機算法類課程教學改革

摘要：針對當前計算機算法類課程邏輯性強又極為抽象的問題，我院引入三維視景仿真技術，研究開發(fā)出一套以應用為導向結合計算機專業(yè)關鍵算法的輔助教學演示工具。它能有效改善算法實驗環(huán)境的二維空間局限性，實現算法可視化從二維到三維的跳變，從而獲得更好的教學效果和更大的教育意義。

關鍵詞：視景仿真；計算機算法；教學改革；算法可視化

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）46-0276-02

一、引言

在我國，“模擬與仿真教學”這一概念正在逐步被人們所認識和接受，同時也引起了有關部門和教學機構的重視。近年來，我國的一些職業(yè)學校首先在計算機類、信息傳達、經濟類專業(yè)實踐教學方面進行了積極的探索和改革，相繼建立了國家級信息技術仿真實驗室等[1]。然而傳統(tǒng)的結合仿真系統(tǒng)的教學模式，是側重于教會學生如何“使用”這些仿真教學軟件，而沒有培養(yǎng)學生站在一個“開發(fā)者”的角度上將所學的理論算法用于去設計開發(fā)以解決實際問題為需求的仿真系統(tǒng)。

針對上述問題，本文通過設計并使用在MFC-VS集成環(huán)境下所開發(fā)的三維視景仿真系統(tǒng)，改善了傳統(tǒng)仿真教學“重使用不重開發(fā)”教育模式的弊端。該系統(tǒng)預留有算法接口，可嵌入計算機專業(yè)課程中所講述的各種關鍵算法。本文結合計算機專業(yè)課程中的各種算法，包括《數據結構》課程[2]中的遞歸算法、《人工智能》課程中的經典A*算法及群智能算法等，給出其在該仿真系統(tǒng)中的實用效果，結合該仿真系統(tǒng)對計算機算法課程的教學模式改革進行分析研究。

二、算法課程中教學現狀分析

計算機的算法類課程所涉及的知識面廣，研究內容深，使初學者覺得抽象、乏味，在教學中存在很大困難。

1.課程教學分析。計算機關于算法的專業(yè)課程內容抽象，學生往往因為不知道這些理論知識的講解到底與具體算法實現及應用之間有何關系，而陷入一種只知道學習某部分內容的局部認識中。而且算法類課程涉及太多的數理邏輯知識，顯得難以理解，往往讓學生感到比較枯燥，這樣學生的學習興趣就漸漸淡了。

2.實驗教學分析。目前，算法類課程大多注重理論知識的講授，實驗環(huán)節(jié)滯后，這不利于培養(yǎng)學生的實踐能力，更談不上實踐創(chuàng)新。而且即使有少量的實驗安排，也是基于二維字符界面的實驗環(huán)境。實驗環(huán)境滯留在二維空間，難以激發(fā)學生做實驗的興趣，且實驗題目未與實際應用相結合，導致學生不了解所學算法的實際用途，從而興趣不高。

三、基于3D仿真技術設計的仿真教學輔助軟件的開發(fā)

在技術上采用3D視景仿真軟件（MultiGen Vega Prime 2.0）、建模軟件（MultiGen Creator）及基于MFC的VS開發(fā)集成環(huán)境，設計并開發(fā)出性能穩(wěn)定的多通道觀測的仿真系統(tǒng)，主要用于作為計算機主干課程《數據結構與算法》、《人工智能》中的遞歸算法、A*算法、粒子群算法、蟻群算法、人工勢場法等在實際3D視景環(huán)境中尋路效果的應用展示，同時系統(tǒng)預留有接口，可啟發(fā)學生動手編寫并嵌入新的算法，并查看實用效果。

本仿真系統(tǒng)融合了多種具有代表性的智能算法[3]，如《數據結構與算法》課程中的遞歸求解等算法，《人工智能》課程中的A*算法、改進后的粒子群算法、改進的蟻群算法、人工勢場法等智能近似最優(yōu)算法。針對三維空間搜索最優(yōu)路徑點的特點，對《人工智能》中的這幾種群智能算法分別進行了改進，增強了算法的實用性。

四、以應用為導向的教學模式改革探索

結合仿真演示系統(tǒng)，使學生經歷由“被動學習”到“深入理解”再到“主動開發(fā)”的角色轉變，融入到教學改革中，極大地改變了學生的學習方式和學習習慣[4]。

1.結合三維仿真系統(tǒng)的課堂教學模式改革。在課堂授課過程中，如講授《人工智能》課程的“圖搜索類算法”中的“經典A*算法”時，可結合所設計的三維視景仿真系統(tǒng)，給學生們講解A*算法的基本原理，及其在機器人路徑規(guī)劃中的實用性，從而讓學生有更直觀全面的認識，激發(fā)其濃厚的學習興趣，吸引其注意力，活躍了課堂氣氛，激發(fā)了學生探索算法實現的興趣?！度斯ぶ悄堋氛n程是一門交叉和綜合的學科，這注定了它教學方法的多樣性，因此在實際教學過程中，可以將啟發(fā)式、參與式、討論式、問題式、案例式等多種教學方法融合在課程教學活動中。比如在講解“A*算法”時，可以啟發(fā)學生思考“A*啟發(fā)式智能搜索算法”和我們之前在《數據結構》里所學習的“盲目搜索算法”——如八方向遞歸搜索算法[6]之間有什么不同，啟發(fā)學生思考算法間的同構性和異構性。經過學生思考討論后再進行講解，然后再用本教學演示系統(tǒng)進行演示。學生可直觀地看到兩種算法在三維視景場景中尋路路線的特點，分析出其算法間的區(qū)別，比較算法的優(yōu)劣性，形成更好的教學效果。在整個課堂教學過程中，教師扮演好組織者和引導者的角色，充分發(fā)揮“以學生為主體，應用為主導”的作用。通過采用仿真系統(tǒng)為應用導向的教學方法，更有效地培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力[7]。

2.設計仿真型實驗。以該仿真系統(tǒng)為實驗平臺，設計一系列的算法實驗。全部學生分成若干個小組，每個小組獨立完成基于仿真平臺的實驗環(huán)境的配置。然后，各小組擬定一種或多種智能搜索算法，并寫出源代碼文件，完成后直接將其include進仿真實驗系統(tǒng)，運行后即可直觀看到算法在三維視景環(huán)境中的應用效果。這種仿真實驗的設置可有效改善傳統(tǒng)的二維字符界面的編程環(huán)境[8]，使學生親身感受算法的三維應用效果，增加了學生對實驗的興趣，充分調動了學生的積極性和創(chuàng)造性，極大地鍛煉了學生的動手能力和邏輯思維能力。

五、小結

計算機算法類課程內容抽象，理論性強，結合本仿真系統(tǒng)的教學模式能夠較好地解決傳統(tǒng)教學方法中算法抽象晦澀難懂等問題。通過本文的研究成果可以改革傳統(tǒng)的單一灌輸式、知識儲備型的教學模式；便于在《數據結構與算法》、《算法設計與分析》及《人工智能》等計算機算法類課程的教學過程中針對某種典型算法和實際問題（路徑規(guī)劃問題）相結合進行教學演示，即將其作為計算機算法類課程的輔助教學演示系統(tǒng)，能夠增強課程生動性，改善目前計算機算法類課程教學過程中算法可視化時的二維空間局限性，實現算法可視化從二維到三維的跳變，增強算法的直觀性、真實性及實用性，從而使學生所學知識更貼近現實需求。

參考文獻：

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