基于Web的算法可視化系統(tǒng)

任芹樂 司冰 丁浩然 彭德坤 馬曉強(qiáng)

摘要：算法是解決特定問題求解決步驟的描述，在計(jì)算機(jī)中表現(xiàn)為指令的有限序列，并且每條指令表示一個(gè)或多個(gè)操作，像我們想要掌握深層次的計(jì)算機(jī)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(jì)一款算法可視化[1]的系統(tǒng)是相當(dāng)重要的?；谝陨系谋尘埃覀?cè)O(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于 Web 端的算法可視化系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了算法的動(dòng)態(tài)可視化功能，其次為了提升用戶對(duì)算法的理解和掌握程度，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了算法自適應(yīng)測(cè)驗(yàn)功能以及算法圖譜的學(xué)習(xí)導(dǎo)航功能，以此來實(shí)現(xiàn)人們對(duì)算法學(xué)習(xí)的目的。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)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(huì)越來越多的人接觸計(jì)算機(jī)，特別是對(duì)于眾多的計(jì)算機(jī)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?yàn)樗惴ㄊ俏覀儚牡讓诱莆沼?jì)算機(jī)的基本方法，但是算法是抽象的，是計(jì)算機(jī)與基本數(shù)學(xué)的結(jié)合，我們要不斷地去改進(jìn)算法學(xué)習(xí)算法，才能理解明白計(jì)算機(jī)地處理方式。具完全有效統(tǒng)計(jì)，全世界計(jì)算機(jī)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?yàn)闆]人去學(xué)習(xí)算法，而是因?yàn)榇蠹矣X得學(xué)習(xí)算法太過于困難與抽象，所以設(shè)計(jì)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(duì)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(jī)器學(xué)習(xí)算法。對(duì)于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，套用計(jì)算機(jī)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(dāng)你不懂太多數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)跟算法的時(shí)候，憑借豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)?zāi)阋部梢詫⑦@輛車開好;但是，當(dāng)有一天這輛車出問題跑不起來的時(shí)候呢？你不懂它內(nèi)部的運(yùn)行機(jī)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(duì)于機(jī)器學(xué)習(xí)算法，機(jī)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(shí)別，語音識(shí)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(duì)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(jì)

2.1 需求分析

算法可視化系統(tǒng)主要針對(duì)算法學(xué)習(xí)中常見的算法進(jìn)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(dòng)態(tài)可視化教學(xué)模塊，算法自適應(yīng)測(cè)驗(yàn)?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(duì)數(shù)據(jù)的視覺表達(dá)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(duì)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(zhǎng)時(shí)間的研究、積累，已經(jīng)開發(fā)了許多豐富的、有實(shí)用價(jià)值的可視化的工具。因?yàn)榭梢暬髷?shù)據(jù)在圖形的硬件驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序之間進(jìn)行交互，所以第一個(gè)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(gè)中介實(shí)現(xiàn)向底層驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送指令，同時(shí)回饋數(shù)據(jù)的操作，這樣通過相對(duì)簡(jiǎn)單的API就可以實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)的定義，進(jìn)而使用戶和中介進(jìn)行交互。目前存在兩個(gè)流行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)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(jìn)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(jì)、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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)桿。

2.2系統(tǒng)功能及模塊設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由算法可視化教學(xué)、自適應(yīng)測(cè)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(dòng)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(jí)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(jì)實(shí)現(xiàn)

算法動(dòng)態(tài)可視化教學(xué)模塊目的在于實(shí)現(xiàn)算法原理的動(dòng)態(tài)可視化展示，作為可視化教學(xué)系統(tǒng)，想要實(shí)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(dāng)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(shí)用戶尚未對(duì)已學(xué)習(xí)的知識(shí)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(jì)自適應(yīng)測(cè)驗(yàn)?zāi)K，可以讓用戶通過自適應(yīng)測(cè)驗(yàn)?zāi)K來進(jìn)行算法測(cè)驗(yàn)，以此來加深對(duì)算法的理解。

新型領(lǐng)域龐大，涉及的算法知識(shí)繁雜，用戶在學(xué)習(xí)知識(shí)體系過程中往往會(huì)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(dòng)力。為了建立用戶對(duì)新型領(lǐng)域常見算法的整體認(rèn)識(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)基于算法知識(shí)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(cè)驗(yàn)以及算法圖譜學(xué)習(xí)推薦導(dǎo)航三個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)算法學(xué)習(xí)的功能。系統(tǒng)針對(duì)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(jìn)行對(duì)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(cè)驗(yàn)?zāi)K可以根據(jù)用戶的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行有目的性地學(xué)習(xí)來提升自己的算法認(rèn)識(shí)能力，知識(shí)圖譜學(xué)習(xí)模塊以可視化的方式直觀幫助用戶建立對(duì)新型領(lǐng)域算法的整體認(rèn)識(shí)，并且算法圖譜可以對(duì)用戶進(jìn)行學(xué)習(xí)資源推薦和導(dǎo)航。系統(tǒng)還具有可擴(kuò)展性，可以根據(jù)實(shí)際教學(xué)要求設(shè)計(jì)其他的算法進(jìn)行可視化教學(xué)。

參考文獻(xiàn)

[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(xiàng)目：西北民族大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助本科生科研能力項(xiàng)目訓(xùn)練項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：XBMU21197）

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