任芹樂 司冰 丁浩然 彭德坤 馬曉強

摘要：算法是解決特定問題求解決步驟的描述，在計算機中表現(xiàn)為指令的有限序列，并且每條指令表示一個或多個操作，像我們想要掌握深層次的計算機學(xué)習(xí)，我們就必須要了解與學(xué)習(xí)算法，但是我們只是通過代碼的展示，并不能直觀形象的體現(xiàn)算法的作用與效果，因此開發(fā)設(shè)計一款算法可視化[1]的系統(tǒng)是相當重要的。基于以上的背景，我們設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于 Web 端的算法可視化系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要實現(xiàn)了算法的動態(tài)可視化功能，其次為了提升用戶對算法的理解和掌握程度，設(shè)計并實現(xiàn)了算法自適應(yīng)測驗功能以及算法圖譜的學(xué)習(xí)導(dǎo)航功能，以此來實現(xiàn)人們對算法學(xué)習(xí)的目的。

關(guān)鍵詞：計算機圖形學(xué)[2];可視化教程;輔助教學(xué)系統(tǒng)[3];算法

1 引言

在今天的社會越來越多的人接觸計算機，特別是對于眾多的計算機專業(yè)的人員，大家都在學(xué)習(xí)算法，我們?yōu)槭裁匆W(xué)習(xí)算法，因為算法是我們從底層掌握計算機的基本方法，但是算法是抽象的，是計算機與基本數(shù)學(xué)的結(jié)合，我們要不斷地去改進算法學(xué)習(xí)算法，才能理解明白計算機地處理方式。具完全有效統(tǒng)計，全世界計算機專業(yè)的人員超過了一億人，但是學(xué)好算法的人，卻不到十分之一，不是因為沒人去學(xué)習(xí)算法，而是因為大家覺得學(xué)習(xí)算法太過于困難與抽象，所以設(shè)計一款可視化的算法學(xué)習(xí)系統(tǒng)是很重要的。

目前大家對算法的理解可能主要有兩類，一類是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法，另一類是現(xiàn)在很熱門的機器學(xué)習(xí)算法。對于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，套用計算機里面一句話：程序=數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+算法。寫程序就像開一輛車，當你不懂太多數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)跟算法的時候，憑借豐富的實踐經(jīng)驗?zāi)阋部梢詫⑦@輛車開好;但是，當有一天這輛車出問題跑不起來的時候呢？你不懂它內(nèi)部的運行機制，你要怎么排除和解決問題？這些都是在告訴我們學(xué)習(xí)算法的重要性。

對于機器學(xué)習(xí)算法，機器學(xué)習(xí)的作用相信很多人都有了解一些，比如你經(jīng)常用的淘寶購物猜你喜歡，網(wǎng)易云音樂推薦你感興趣的歌曲，今日頭條推送你感興趣的新聞，人臉識別，語音識別，阿爾法狗與人下棋等等。還有現(xiàn)在火熱的人工智能算法，這些無一不是對算法學(xué)習(xí)的結(jié)果，足以說明算法學(xué)習(xí)的重要性。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 需求分析

算法可視化系統(tǒng)主要針對算法學(xué)習(xí)中常見的算法進行輔助學(xué)習(xí)，讓學(xué)生更加明白與理解如何去學(xué)習(xí)算法，系統(tǒng)主要包括算法的動態(tài)可視化教學(xué)模塊，算法自適應(yīng)測驗?zāi)K以及算法圖譜學(xué)習(xí)導(dǎo)航模塊三大功能模塊。

Data Visualization即數(shù)據(jù)可視化，屬于對數(shù)據(jù)的視覺表達方式的一種科學(xué)技術(shù)的研究。其中提到的數(shù)據(jù)的視覺表現(xiàn)形式指的是，一種由與之相對應(yīng)的不同信息單位的屬性與變量構(gòu)成的信息，其主要是經(jīng)由概要的方式提取獲得的。而三維可視化技術(shù)方向的研究經(jīng)過長時間的研究、積累，已經(jīng)開發(fā)了許多豐富的、有實用價值的可視化的工具。因為可視化要求數(shù)據(jù)在圖形的硬件驅(qū)動程序和應(yīng)用程序之間進行交互，所以第一個需要想到的是它們其中的中間件，也就是用戶需要通過一個中介實現(xiàn)向底層驅(qū)動程序發(fā)送指令，同時回饋數(shù)據(jù)的操作，這樣通過相對簡單的API就可以實現(xiàn)不同參數(shù)的定義，進而使用戶和中介進行交互。目前存在兩個流行的技術(shù)標準，一個是表現(xiàn)十分優(yōu)異，便于操作并且功能齊全的GL，也就是三維圖形庫，由SGI公司提出。大量專業(yè)的技術(shù)人員偏愛GL，由GL進行研制的三維應(yīng)用軟件，涵蓋包括流體力學(xué)、產(chǎn)品設(shè)計、地球科學(xué)等眾多重要領(lǐng)域。OpenGL是由GL演變而來，現(xiàn)在主流公司圖形采用的標準都是OpenGL，它成為一種交互模式的視景處理與高性能圖形的行業(yè)標桿。

2.2系統(tǒng)功能及模塊設(shè)計

該系統(tǒng)主要由算法可視化教學(xué)、自適應(yīng)測試、算法圖譜學(xué)習(xí)組成，該系統(tǒng)采用以數(shù)學(xué)物理學(xué)習(xí)為主的動態(tài)可視化繪圖，根據(jù)學(xué)習(xí)者的自適應(yīng)程度，推薦不同等級的算法學(xué)習(xí)模型，用精美的圖形將算法的過程呈現(xiàn)出來，以供學(xué)習(xí)理解。系統(tǒng)功能模塊圖如圖2-1。

3 系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

算法動態(tài)可視化教學(xué)模塊目的在于實現(xiàn)算法原理的動態(tài)可視化展示，作為可視化教學(xué)系統(tǒng)，想要實現(xiàn)可視化模型，我們必須要解決算法的執(zhí)行過程的可視化問題，系統(tǒng)的交互性，以及必要的代碼演示及理論的講解性。

當用戶完成算法可視化教學(xué)模塊中的算法學(xué)習(xí)后，此時用戶尚未對已學(xué)習(xí)的知識形成深刻的記憶。所以我們推出給用戶的一整套的代碼練習(xí)，結(jié)合圖像來鞏固用戶的學(xué)習(xí)。因此設(shè)計自適應(yīng)測驗?zāi)K，可以讓用戶通過自適應(yīng)測驗?zāi)K來進行算法測驗，以此來加深對算法的理解。

新型領(lǐng)域龐大，涉及的算法知識繁雜，用戶在學(xué)習(xí)知識體系過程中往往會因此產(chǎn)生畏懼、厭學(xué)心理，從根本上去排斥該算法的學(xué)習(xí)，從而失去學(xué)習(xí)動力。為了建立用戶對新型領(lǐng)域常見算法的整體認識并理解算法與算法之間的關(guān)系，我們必須去建立算法知識圖譜，并將圖譜可視化的展示給用戶，通過直觀的方式，呈現(xiàn)給用戶。另外我們可以根據(jù)之前用戶的學(xué)習(xí)，實現(xiàn)基于算法知識圖譜的學(xué)習(xí)資源推薦導(dǎo)航功能。

4 結(jié)語

算法可視化學(xué)習(xí)系統(tǒng)從算法可視化教學(xué)、自適應(yīng)測驗以及算法圖譜學(xué)習(xí)推薦導(dǎo)航三個方面來實現(xiàn)算法學(xué)習(xí)的功能。系統(tǒng)針對算法傳統(tǒng)教學(xué)中面臨的困難，用算法可視化的方式來進行對算法的學(xué)習(xí)，從根本上降低了算法的學(xué)習(xí)難度，自適應(yīng)測驗?zāi)K可以根據(jù)用戶的學(xué)習(xí)情況進行有目的性地學(xué)習(xí)來提升自己的算法認識能力，知識圖譜學(xué)習(xí)模塊以可視化的方式直觀幫助用戶建立對新型領(lǐng)域算法的整體認識，并且算法圖譜可以對用戶進行學(xué)習(xí)資源推薦和導(dǎo)航。系統(tǒng)還具有可擴展性，可以根據(jù)實際教學(xué)要求設(shè)計其他的算法進行可視化教學(xué)。

參考文獻

[1].https：//blog.csdn.net/booirror/article/details/50834915

[2].王宏.大數(shù)據(jù)經(jīng)典算法可視化研究.西安石油大學(xué)，2021.

[3].武照云.算法可視化輔助教學(xué)系統(tǒng)研究及其應(yīng)用.河南工業(yè)大學(xué)，2013.

基金項目：西北民族大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助本科生科研能力項目訓(xùn)練項目（項目編號：XBMU21197）

作者簡介：任芹樂（1999— ），男，西北民族大學(xué)數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院本科生，研究方向：軟件工程。