可視化編程在程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)中的應(yīng)用

白小軍，盧穎

（西安工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710021）

計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)是高校理工科專業(yè)普遍開設(shè)的一門基礎(chǔ)課，目標(biāo)是引導(dǎo)學(xué)生理解編程的思想和方法，并掌握一門語言工具以編程解決實(shí)際問題。近幾年來，隨著計(jì)算思維理念的發(fā)展，用計(jì)算學(xué)科的方法和工具來解決各專業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際問題已成為一種趨勢(shì)，程序設(shè)計(jì)課程的重要性越來越凸顯出來。

然而在實(shí)際教學(xué)中，要實(shí)現(xiàn)課程的目標(biāo)卻并非易事。首先，要學(xué)好該課程，學(xué)生需要投入大量的精力去編寫和調(diào)試程序，很多時(shí)候?qū)W生會(huì)對(duì)繁瑣的語法規(guī)則望而生畏，并因?yàn)槌绦驘o法運(yùn)行而對(duì)編程失去信心；其次，編程的過程是一個(gè)邏輯思維的過程，而很多學(xué)生在剛?cè)胄r(shí)邏輯思維能力還有所欠缺，需要一個(gè)循序漸進(jìn)的培養(yǎng)過程；另外，程序設(shè)計(jì)課程中通常使用流程圖來表達(dá)算法邏輯，但這種方式驗(yàn)證性差，難以看到執(zhí)行結(jié)果，無法驗(yàn)證算法的正確性。

近年來出現(xiàn)了很多可視化編程工具，最典型的有Scratch、Blockly、Snap等。在程序設(shè)計(jì)課程中引入可視化編程，可以有效解決上面提出的問題。首先，計(jì)算思維的核心是思想方法而不是繁瑣的語法，使用可視化工具可以簡(jiǎn)化編程，使學(xué)生注意力集中到程序邏輯上而不是語法規(guī)則上，有助于克服畏難情緒；其次，可視化編程能夠?qū)⒊绦蜻壿嬊逦卣宫F(xiàn)出來，編程的過程就是邏輯思維鍛煉的過程；最后，使用可視化工具建模，設(shè)計(jì)好算法后能夠立刻跟蹤算法的執(zhí)行過程并看到結(jié)果，方便驗(yàn)證算法。

一、可視化編程在課堂教學(xué)中的應(yīng)用

課程教學(xué)中，可在三個(gè)層面使用可視化編程：第一是算法層面，使用可視化程序代替流程圖，直觀地介紹常用算法的邏輯，并立刻進(jìn)行驗(yàn)證；第二是在編碼層面，結(jié)合編程語言的語法規(guī)則、控制結(jié)構(gòu)等，將可視化程序轉(zhuǎn)化為相應(yīng)語言的代碼，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)從算法邏輯到程序代碼的轉(zhuǎn)換；第三是在模塊化層面，采用自定義積木的方式創(chuàng)建程序模塊，幫助學(xué)生理解模塊化設(shè)計(jì)的思想。

（一）使用可視化編程理解基本算法設(shè)計(jì)

算法是程序的靈魂，也是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維、邏輯思維的根本。在課程開始階段，使用最簡(jiǎn)單、有趣的工具展示算法設(shè)計(jì)，容易引起學(xué)生興趣。筆者在實(shí)踐中首先使用Scratch，其既提供基于網(wǎng)頁的在線版本，也提供離線安裝版本。該系統(tǒng)面向的目標(biāo)首先是中小學(xué)生，設(shè)計(jì)的卡通形象和舞臺(tái)效果很吸引人，對(duì)大學(xué)新生也有足夠的吸引力。

在算法設(shè)計(jì)中，針對(duì)順序、選擇、循環(huán)及混合的處理邏輯，分別選取典型案例，用Scratch 積木可視化呈現(xiàn)，能起到良好的演示效果。

在順序結(jié)構(gòu)部分，選用雞兔同籠問題，讓學(xué)生理解從問題到程序的轉(zhuǎn)換過程，“輸入—處理—輸出”的程序流程，以及變量、表達(dá)式等基本概念，如圖1 所示。在選擇結(jié)構(gòu)部分，采用“輸入3 個(gè)數(shù)并輸出最大值”的示例，說明算法的流程結(jié)構(gòu)，并以“if”及“if-else”等基本結(jié)構(gòu)塊來實(shí)現(xiàn)算法，如圖2 所示。

圖1 雞兔同籠問題的算法

圖2 求3 個(gè)數(shù)最大值的算法

圖3 從1 累加到100 的算法

圖4 求π 值的算法

為幫助學(xué)生理解數(shù)組這一基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)“輸出Fibonacci 數(shù)列的前20 項(xiàng)”的示例，如圖5（a）所示，在循環(huán)結(jié)構(gòu)中，演示了Fibonacci 數(shù)列的生成過程，同時(shí)，舞臺(tái)上的變量和數(shù)列顯示如圖5（b）所示，能夠直觀地看到數(shù)組數(shù)據(jù)的組織及訪問方式。

圖5 生成Fibonacci 數(shù)列的算法

可以看出，采用可視化工具代替流程圖來描述算法，不但簡(jiǎn)單、直觀，而且能夠立刻執(zhí)行、驗(yàn)證，利于學(xué)生理解算法邏輯和數(shù)據(jù)組織方式。

（二）通過可視化編程理解高級(jí)語言代碼

可視化程序的構(gòu)造塊和高級(jí)語言的語句都是對(duì)計(jì)算機(jī)指令執(zhí)行過程的高級(jí)抽象，兩者間具有相似性，只要學(xué)習(xí)了高級(jí)語言的語法規(guī)則和控制結(jié)構(gòu)，就能很容易地將可視化程序轉(zhuǎn)化為高級(jí)語言代碼。以圖2 和圖4 為例，轉(zhuǎn)化為C 語言代碼分別如圖6 和圖7 所示。

圖6 輸入3 個(gè)數(shù)求最大值的代碼

圖7 根據(jù)公式求π 值的代碼

這種編程訓(xùn)練在課堂教學(xué)中可以分兩步來實(shí)施，首先由教師主導(dǎo)，提出問題并設(shè)計(jì)可視化程序，引導(dǎo)學(xué)生理解算法邏輯；然后由學(xué)生動(dòng)手，根據(jù)語法規(guī)則和程序結(jié)構(gòu)，將可視化程序轉(zhuǎn)化為具體的語言代碼，完成從算法邏輯到高級(jí)語言程序的轉(zhuǎn)換。在設(shè)計(jì)可視化程序的過程中，可以引出變量及其存儲(chǔ)方式、運(yùn)算符、表達(dá)式、流程控制和輸入輸出等概念，而這些概念在轉(zhuǎn)化程序時(shí)又可以方便地映射到高級(jí)語言的語法規(guī)則中。通過這一分解，將原來復(fù)雜的編程問題轉(zhuǎn)化為2 個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的步驟來完成，利于學(xué)生克服畏難情緒，也利于抓住編程的要點(diǎn)。

（三）通過可視化編程理解模塊化設(shè)計(jì)

模塊化編程是程序設(shè)計(jì)課程的核心內(nèi)容之一，高級(jí)語言中一般都通過函數(shù)來實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)。Scratch 難以模擬高級(jí)語言中函數(shù)的功能，所以需要一套更加強(qiáng)大的可視化編程工具。筆者采用功能更加強(qiáng)大的可視化編程工具Snap，其提供基于Web 的編程環(huán)境，可視化程序可以保存在客戶端或云端；且支持常用的數(shù)據(jù)類型，完全支持模塊化開發(fā)，甚至允許創(chuàng)建新的控制結(jié)構(gòu)，能夠完美地用于程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)。

Snap 采用自定義積木的方式制作程序模塊，例如，為求一組數(shù)據(jù)中的最大值，設(shè)計(jì)如圖8 和圖9 所示的程序。其中，第一個(gè)積木塊定義了函數(shù)的原型，函數(shù)名為getArrMax，需要傳遞進(jìn)來一個(gè)數(shù)組s 作為參數(shù)，并返回一個(gè)數(shù)據(jù)m 作為最大值；中間部分定義了求最大值的算法，首先假定數(shù)組第一項(xiàng)為最大值，存入變量m，其后循環(huán)遍歷所有的數(shù)組元素，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某項(xiàng)值大于m 時(shí)，用其替換m 值，這樣循環(huán)結(jié)束時(shí)，m 中存放的就是數(shù)組元素的最大值；最后一個(gè)積木塊向主調(diào)程序返回?cái)?shù)據(jù)，相當(dāng)于高級(jí)語言中的return 語句。主調(diào)程序如圖9 所示，其核心部分（第三個(gè)積木塊）調(diào)用了自定義的函數(shù)求數(shù)組中的最大值。

圖8 求最大值的自定義模塊

圖9 求數(shù)組最大值的主程序

圖10 求組合數(shù)的自定義模塊

圖11 求階乘的自定義模塊

遞歸是計(jì)算學(xué)科中一種獨(dú)特的思想方法，即：一個(gè)函數(shù)可以直接或間接地調(diào)用自身，前提是必須滿足三個(gè)基本條件：（1）有一套遞推公式；（2）每次遞推后函數(shù)的運(yùn)算規(guī)模都會(huì)減?。唬?）當(dāng)遞推到一定條件時(shí)找到出口。例如，對(duì)求階乘的函數(shù)進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)如下的遞推公式，就可以采用遞歸算法來實(shí)現(xiàn)。改造后的求階乘函數(shù)如圖12 所示。

圖12 求階乘的遞歸算法

通過以上示例，可以直觀地展示模塊化設(shè)計(jì)中的核心概念和思想方法。

二、可視化編程在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

在該課程的實(shí)踐教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生的編程能力始終跟不上課程節(jié)奏，直到課程結(jié)束，也難以獨(dú)立完成較復(fù)雜的程序。究其原因，一是程序的邏輯較為抽象，學(xué)生沒有理解程序的執(zhí)行過程，難以正確地設(shè)計(jì)程序結(jié)構(gòu)；二是高級(jí)語言的語法規(guī)則較為繁瑣，學(xué)生將大量精力都浪費(fèi)在了處理語法錯(cuò)誤上。而當(dāng)這兩個(gè)問題交織在一起的時(shí)候，調(diào)試程序的難度就急劇上升，學(xué)生很難定位錯(cuò)誤到底出在哪里，所以每次實(shí)踐課程的收獲都很有限，很多同學(xué)僅限于將教材上的代碼搬進(jìn)計(jì)算機(jī)，使之運(yùn)行起來，而獨(dú)立編寫和調(diào)試代碼的能力明顯不足。

引入可視化編程，將復(fù)雜的問題分解為兩步完成。第一步，根據(jù)實(shí)踐任務(wù)進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)，深入理解程序邏輯，并且直觀地觀察程序的運(yùn)行過程，相互對(duì)照，熟練掌握程序結(jié)構(gòu)；第二步，將可視化程序轉(zhuǎn)化為高級(jí)語言代碼，并上機(jī)調(diào)試。這樣分解的好處在于解耦了程序邏輯錯(cuò)誤與語法錯(cuò)誤之間的關(guān)系，更容易發(fā)現(xiàn)和解決問題。

以選擇排序算法為例，在課堂講解時(shí)幫助學(xué)生理清算法思路，并獨(dú)立完成可視化程序設(shè)計(jì)，如圖13 所示，該模塊在數(shù)組元素值互換的代碼塊中加入1 秒延時(shí)，運(yùn)行程序時(shí)觀察數(shù)組變量，可以清楚地看到每一輪迭代中元素的互換和移動(dòng)，便于理解算法邏輯。當(dāng)可視化程序調(diào)試成功后，可以確保算法邏輯沒有問題，這時(shí)進(jìn)入第二步，轉(zhuǎn)化高級(jí)語言代碼，由于可視化構(gòu)造塊與高級(jí)語言語句塊之間很大程度上有對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以這種轉(zhuǎn)化相對(duì)來說難度不大。基于以上步驟，學(xué)生對(duì)程序的理解更加深刻，也更容易編寫和調(diào)試程序。

圖13 選擇排序的可視化算法

三、結(jié)束語

筆者將可視化編程引入本科生計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)，從算法邏輯、代碼轉(zhuǎn)換和模塊化設(shè)計(jì)三個(gè)方面展開研究，在課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)中進(jìn)行了嘗試。從教學(xué)效果來看，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到了提高，不再畏懼編寫代碼，邏輯思維得到了鍛煉，能夠熟練地描述算法邏輯并進(jìn)行驗(yàn)證，閱讀程序和編寫程序的能力得到了明顯改進(jìn)，對(duì)程序的理解上了一個(gè)臺(tái)階。實(shí)踐證明，引入可視化編程，能夠有效改進(jìn)課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的效果。