基于翻轉(zhuǎn)課堂的冒泡排序算法的函數(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計

邊倩 王振鐸 陳曉范 王振輝

摘要：在C語言中，函數(shù)是完成相對獨(dú)立功能的一段程序，函數(shù)的應(yīng)用突出C是函數(shù)式的語言特征。冒泡排序算法是C語言程序設(shè)計的經(jīng)典案例，算法涉及C語言的數(shù)組的使用、循環(huán)的應(yīng)用。該文將冒泡排序算法的實(shí)現(xiàn)與函數(shù)結(jié)合起來，采用層層遞進(jìn)的方式分析了算法的函數(shù)實(shí)現(xiàn)過程。利用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，嘗試將函數(shù)實(shí)現(xiàn)的三要素：函數(shù)定義、函數(shù)調(diào)用、參數(shù)傳遞融入算法的實(shí)現(xiàn)過程中，目的在于使學(xué)生能夠靈活運(yùn)用數(shù)組，掌握用數(shù)組來解決一系列問題的方法和技巧；進(jìn)一步提高學(xué)生綜合運(yùn)用函數(shù)的能力。

關(guān)鍵詞：翻轉(zhuǎn)課堂；函數(shù)；冒泡排序算法

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）29-0095-03

1 引言

翻轉(zhuǎn)課堂“The Flipped Classroom”，作為一種基于信息技術(shù)的新型教學(xué)模式，近年來在國內(nèi)外頗受關(guān)注。翻轉(zhuǎn)課堂不是在線課程，它是直接指導(dǎo)和建議式學(xué)習(xí)的混合模式；翻轉(zhuǎn)課堂并非用視頻替代教師，它是一種增加師生互動的方法；翻轉(zhuǎn)課堂為學(xué)生提供了一個自主學(xué)習(xí)的環(huán)境，讓學(xué)生都能跟進(jìn)學(xué)習(xí)進(jìn)度，獲得個性化教育[1]。將翻轉(zhuǎn)課堂理念引入到程序設(shè)計類課程的教學(xué)中，強(qiáng)調(diào)“學(xué)生自主學(xué)習(xí)+教師引導(dǎo)解惑”的教學(xué)模式，提高教學(xué)效果，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生計算機(jī)實(shí)際動手能力的目的。

本講翻轉(zhuǎn)課堂內(nèi)容隸屬C語言程序設(shè)計這門課程。在計算機(jī)教育方面，C語言是為數(shù)不多的與國外保持內(nèi)容同步的課程之一，在本科生教學(xué)中的地位之重要不言而喻，因而，它是全校各專業(yè)本科教學(xué)中的一門重要公共技術(shù)基礎(chǔ)課，初步系統(tǒng)地介紹了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的思想和方法。課程教學(xué)要求學(xué)生在掌握相關(guān)C語言的語言知識，編程技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步掌握程序設(shè)計的思想和方法，進(jìn)而用編程手段來解決各種實(shí)際問題。由于C語言是許多后續(xù)專業(yè)課程的基礎(chǔ)，因此，在本科生教學(xué)體系中，C語言教學(xué)僅是起點(diǎn)，而非終點(diǎn)。在課程教學(xué)思路，借助程序設(shè)計的知識作為載體，通過傳授基本問題的求解過程和基本思路，力求讓學(xué)生逐步建立用編程手段來解決人們遇到的各式各樣問題的計算思維。旨在培養(yǎng)學(xué)生分析問題，解決問題的能力。為了培養(yǎng)計算思維能力，課程重點(diǎn)放在講思路上。授課理念為：以基礎(chǔ)概念和結(jié)構(gòu)為主線，以程序設(shè)計方法和解題思路為核心[2]。本講翻轉(zhuǎn)課堂內(nèi)容的設(shè)計思路是將函數(shù)、數(shù)組知識點(diǎn)有機(jī)地融入微課中，利用冒泡排序算法案例，合理的設(shè)計翻轉(zhuǎn)課堂內(nèi)容，使學(xué)生通過課下自學(xué)能夠充分掌握所學(xué)內(nèi)容。

2 本講教學(xué)總體思想

本講翻轉(zhuǎn)課堂的設(shè)計思想是：以算法設(shè)計為主線，函數(shù)應(yīng)用為目的展開整個教學(xué)活動的[3]。首先，從應(yīng)用方面進(jìn)行問題導(dǎo)入，引起學(xué)生的興趣。接下來，從算法設(shè)計角度出發(fā)，進(jìn)行算法分析，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力。然后，用函數(shù)實(shí)現(xiàn)算法，培養(yǎng)學(xué)生的程序設(shè)計能力；進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生函數(shù)的應(yīng)用能力。最后，提出算法的優(yōu)化改進(jìn)，擴(kuò)展學(xué)生的思維。

3 翻轉(zhuǎn)課堂設(shè)計

3.1 課程引入

課程首先引入函數(shù)的功能特性。對于大型程序的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)的方法往往采用自頂向下，分而治之的方法，即將程序按功能分割成相對獨(dú)立的模塊，那么每一個相對獨(dú)立的模塊用什么來實(shí)現(xiàn)呢？就是函數(shù)。所以說：函數(shù)是一段可以重復(fù)調(diào)用的，功能相對獨(dú)立的完整的一段程序。如圖1所示。

接下來，向?qū)W生進(jìn)一步提出問題：函數(shù)功能如何實(shí)現(xiàn)？

向?qū)W生總結(jié)出函數(shù)實(shí)現(xiàn)的三要素：函數(shù)定義、函數(shù)調(diào)用、參數(shù)調(diào)用[4]。首先要定義好函數(shù)，函數(shù)的定義包括函數(shù)首部和函數(shù)體，函數(shù)體先進(jìn)行聲明，然后是語句設(shè)計；接下來，函數(shù)必須通過調(diào)用才能實(shí)現(xiàn)其功能，函數(shù)調(diào)用有三種形式：函數(shù)語句調(diào)用、函數(shù)表達(dá)式調(diào)用，函數(shù)參數(shù)調(diào)用；最后，在函數(shù)調(diào)用時，要完成函數(shù)參數(shù)的傳遞，將實(shí)際參數(shù)傳遞給形參。函數(shù)定義是功能的設(shè)計，函數(shù)調(diào)用和參數(shù)傳遞是功能的實(shí)現(xiàn)。為了說明函數(shù)的實(shí)現(xiàn)三要素，以冒泡排序算法函數(shù)設(shè)計為例來理解函數(shù)的三要素。圖2所示為微課堂函數(shù)三要素講解。

3.2 冒泡排序算法函數(shù)設(shè)計

通過對函數(shù)的實(shí)現(xiàn)的三要素解析，用冒泡排序算法的實(shí)現(xiàn)來剖析函數(shù)實(shí)現(xiàn)的三要素。具體給出算法實(shí)現(xiàn)的流程分析和函數(shù)設(shè)計。

1） 冒泡排序的基本思想[4]

先以五個隨機(jī)數(shù)由小到大的排序過程為例，說明冒泡排序算法的基本思想。通過排序過程的動畫演示，分析出排序的核心思想是：相鄰者比較，逆序則交換。對于n個數(shù)，共進(jìn)行n-1趟排序，在第j趟排序中共兩兩比較n-j次。

2）提取要點(diǎn)

通過排序的動畫演示過程及核心思想分析，梳理思路，提取排序過程的要點(diǎn)。

排序采用什么樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)？一維數(shù)組。

如何實(shí)現(xiàn)比較的趟數(shù)和每趟兩兩比較次數(shù)，二重循環(huán)。

如何進(jìn)行每趟的兩兩比較？相鄰元素，逆序交換。

3） 冒泡排序的算法設(shè)計

介紹冒泡排序流程分析時，采用提取要素及推演歸納的方法。首先提取算法實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵要素，然后對算法的實(shí)現(xiàn)過程推演歸納，給出算法實(shí)現(xiàn)的流程。在要點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步來進(jìn)行排序算法流程設(shè)計。設(shè)：j 為外循環(huán)控制變量，i 為內(nèi)循環(huán)控制變量。第一步，確定排序趟數(shù)，n-1趟，這是外循環(huán)，循環(huán)語句為：控制變量J初值從零開始，控制條件是小于n-1，第二步，確定第J趟兩兩比較的次數(shù)，n-j次，這是內(nèi)循環(huán)，循環(huán)語句為：i初值為0，控制條件為n-j-1。最后，確定第j趟待排序元素依次比較交換，用條件表達(dá)式實(shí)現(xiàn)，如果前一個元素a[i]大于后一個元素a[i+1]，則進(jìn)行交換。

4） 冒泡排序算法函數(shù)實(shí)現(xiàn)

介紹冒泡排序函數(shù)實(shí)現(xiàn)時，采用逐層遞進(jìn)的方法，在流程分析的基礎(chǔ)上，按照函數(shù)設(shè)計的三要素，層層遞進(jìn)完成函數(shù)設(shè)計。依據(jù)算法流程設(shè)計，來實(shí)現(xiàn)排序函數(shù)功能。根據(jù)前面分析的算法流程，和函數(shù)定義格式[5]，完成函數(shù)設(shè)計。如圖2所示。

首先設(shè)計函數(shù)首部。由于排序不帶回返回值，所以函數(shù)類型為void。這里我們給函數(shù)取名bubble（形參表？），根據(jù)前面的分析，可以知道，此處形式參數(shù)為：排序數(shù)組和待排序元素（這里設(shè)排序整形數(shù)組為a，排序元素個數(shù)為n）；

5） 冒泡排序算法主函數(shù)設(shè)計

排序算法的函數(shù)雖然設(shè)計好了，但是，并沒有實(shí)現(xiàn)其功能。函數(shù)必須通過調(diào)用，才能完成功能的實(shí)現(xiàn)。下面來設(shè)計主調(diào)函數(shù)。主調(diào)函數(shù)的語句設(shè)計中，啟發(fā)學(xué)生思考主調(diào)函數(shù)主要完成的任務(wù)：排序元素的輸入；調(diào)用排序函數(shù)實(shí)現(xiàn)元素排序；將排序結(jié)果輸出。這里排序元素個數(shù)采用宏定義來完成。

6）函數(shù)調(diào)用及參數(shù)傳遞

主函數(shù)中設(shè)計中，如果定義的排序函數(shù)置于主調(diào)函數(shù)后面，在主函數(shù)里要對被調(diào)函數(shù)進(jìn)行聲明。翻轉(zhuǎn)課堂的視頻講解中要向?qū)W生強(qiáng)調(diào)：函數(shù)聲明要同函數(shù)定義的類型、名稱、參數(shù)保持一致。如何進(jìn)行調(diào)用呢？根據(jù)學(xué)習(xí)的內(nèi)容，應(yīng)該知道，采用函數(shù)語句的調(diào)用形式，調(diào)用時要進(jìn)行參數(shù)的傳遞了。重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)，參數(shù)傳遞為實(shí)際參與比較的參數(shù)傳遞給函數(shù)定義的形式參數(shù)。

3.3 思維擴(kuò)展

完成了排序算法的函數(shù)實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂設(shè)計，為了啟發(fā)學(xué)生擴(kuò)展思維，案例設(shè)計中突出某趟排序已經(jīng)有序（例如第四趟排序），如圖4所示。在執(zhí)行第4趟排序時，沒有發(fā)生數(shù)組元素交換，表明此時數(shù)組已經(jīng)達(dá)到有序[6]，若讓排序繼續(xù)執(zhí)行沒有實(shí)際意義。

能否從“優(yōu)化”角度出發(fā)對算法加以改進(jìn)？請學(xué)生們在學(xué)完本次課程之后，課后完成優(yōu)化程序的設(shè)計，課堂上進(jìn)行程序設(shè)計優(yōu)化算法的討論。

3.4 內(nèi)容小結(jié)

針對函數(shù)的綜合應(yīng)用，設(shè)計了本講翻轉(zhuǎn)課堂。內(nèi)容的設(shè)計上突出函數(shù)的含義、冒泡排序算法的函數(shù)設(shè)計。對函數(shù)實(shí)現(xiàn)分，重點(diǎn)完成剖析算法思想和算法流程，通過算法的函數(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計，目的是讓學(xué)生更深入的理解函數(shù)功能實(shí)現(xiàn)的基本三要素。翻轉(zhuǎn)課堂小結(jié)內(nèi)容設(shè)計如圖5所示。

4 結(jié)束語

基于程序設(shè)計課程的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的探索研究實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是：探索基于翻轉(zhuǎn)課堂的《C語言程序設(shè)計》課程中的教學(xué)實(shí)施模式和策略。翻轉(zhuǎn)課堂首先是以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為中心的一種學(xué)習(xí)方式的探索[7]，作為教師需要了解學(xué)生有什么樣的學(xué)習(xí)需求，教師要根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容，認(rèn)真組織設(shè)計好講授內(nèi)容，便于學(xué)生課下自主反復(fù)認(rèn)真學(xué)習(xí)教學(xué)內(nèi)容，啟發(fā)學(xué)生獨(dú)立思索講授內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 邊倩，王振鐸.基于慕課的“C語言程序設(shè)計”課程翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的探索研究[J].微型電腦應(yīng)用，2018，34（3）：35-37.

[4] 邊倩，焦康，王忠.“C語言程序設(shè)計”課程數(shù)組教學(xué)方法的探索[J].計算機(jī)工程與科學(xué)，2014，36（S2）：101-103.

[5] 朱安平.一種C語言函數(shù)教學(xué)的設(shè)計與實(shí)踐[J].計算機(jī)工程與科學(xué)，2014，36（S1）：139-142.

[6] 代文征.高效冒泡排序算法設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].軟件導(dǎo)刊，2016，15（6）：63-64.

[7] 王鑒.論翻轉(zhuǎn)課堂的本質(zhì)[J].高等教育研究，2016，37（8）：53-59.

【通聯(lián)編輯：朱寶貴】