C語(yǔ)言中冒泡排序算法的教學(xué)設(shè)計(jì)與分析

程　妮

（運(yùn)城學(xué)院公共計(jì)算機(jī)教學(xué)部，運(yùn)城　044000）

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C語(yǔ)言中冒泡排序算法的教學(xué)設(shè)計(jì)與分析

程妮

（運(yùn)城學(xué)院公共計(jì)算機(jī)教學(xué)部，運(yùn)城044000）

摘要：冒泡排序算法是高校C語(yǔ)言教學(xué)的重難點(diǎn)，而傳統(tǒng)的教學(xué)方法效果并不理想。探討一個(gè)利用多媒體教學(xué)手段，結(jié)合問(wèn)題引導(dǎo)教學(xué)法和口訣教學(xué)法的教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)，大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，使學(xué)生更好地掌握冒泡排序算法的原理，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力和發(fā)散思維能力，取得良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：算法；冒泡排序；問(wèn)題引導(dǎo)；口訣；發(fā)散思維

0　引言

排序算法是程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言中的一個(gè)很重要的內(nèi)容，其應(yīng)用范圍廣、使用頻率高，因此專(zhuān)家學(xué)者們研究了各種排序算法。在高校的《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》課程中，也將排序算法作為重難點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)，一般以冒泡排序?yàn)槔齺?lái)講解排序的原理。傳統(tǒng)教學(xué)中，教師先講解冒泡排序的思想，然后編寫(xiě)程序代碼再執(zhí)行。這種方式比較枯燥，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，學(xué)生理解和掌握冒泡排序也比較困難，從而達(dá)不到教學(xué)目標(biāo)。因此如何合理地設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生掌握冒泡排序的思想和編程方法，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、思考問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維能力，是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

1　教學(xué)方法簡(jiǎn)述

問(wèn)題引導(dǎo)教學(xué)法是以問(wèn)題為中心，以學(xué)生為主體的一種教學(xué)方法，倡導(dǎo)將教學(xué)目標(biāo)或內(nèi)容以問(wèn)題的形式來(lái)呈現(xiàn)，基本的教學(xué)理念可以概括為五個(gè)環(huán)節(jié)，即提出問(wèn)題、解決問(wèn)題、概括歸納、拓展應(yīng)用、生成創(chuàng)新。冒泡排序法雖然原理簡(jiǎn)單，但過(guò)程復(fù)雜，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高，不易于理解，而問(wèn)題引導(dǎo)教學(xué)法的實(shí)施，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)中思想活躍，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力也增強(qiáng)了，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的發(fā)散思維和合作精神。

口訣教學(xué)法是教師把所講授的知識(shí)或內(nèi)容編制成重點(diǎn)突出、形象生動(dòng)的口訣，學(xué)生容易理解和接受。在教學(xué)過(guò)程中，實(shí)施口訣教學(xué)法能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生對(duì)冒泡排序的思想和過(guò)程有個(gè)整體、全面的認(rèn)識(shí)，并能從排序算法順利地過(guò)渡到代碼的編寫(xiě)，使學(xué)生更好地掌握冒泡排序。

2　排序算法簡(jiǎn)述

2.1算法的概念和特點(diǎn)

算法即解決問(wèn)題的方法和步驟。正確的算法有以下幾個(gè)特征：（1）可行性，算法中每條語(yǔ)句必須是可以實(shí)現(xiàn)的。（2）有窮性，算法的執(zhí)行次數(shù)必須是有限的。（3）確定性，算法的中的每一步驟必須有確切的語(yǔ)義。（4）輸入，算法可以有0個(gè)或多個(gè)輸入。（5）輸出，算法應(yīng)該有1個(gè)或多個(gè)輸出[1]。

2.2冒泡排序算法概述

在程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言中，排序算法主要有冒泡排序、快速排序、選擇排序以及計(jì)數(shù)排序等[2]。

冒泡排序（Bubble Sort）是最簡(jiǎn)單和最通用的排序方法，其基本思想是：在待排序的一組數(shù)中，將相鄰的兩個(gè)數(shù)進(jìn)行比較，若前面的數(shù)比后面的數(shù)大就交換兩數(shù)，否則不交換；如此下去，直至最終完成排序[3]。由此可得，在排序過(guò)程中，大的數(shù)據(jù)往下沉，小的數(shù)據(jù)往上浮，就像氣泡一樣，于是將這種排序算法形象地稱(chēng)為冒泡排序。

3　教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)

3.1利用多媒體手段，創(chuàng)設(shè)情境引入新知

【提出問(wèn)題】：如何利用C語(yǔ)言程序?qū)W(xué)生的課程成績(jī)進(jìn)行排序？

教師播放提前準(zhǔn)備好的冒泡排序動(dòng)畫(huà)或視頻，該動(dòng)畫(huà)生動(dòng)有趣，直觀地演繹了數(shù)據(jù)序列的排序過(guò)程，該方式吸引了學(xué)生的眼球，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。動(dòng)畫(huà)播放完成后，結(jié)合PPT課件，教師引導(dǎo)學(xué)生觀察、總結(jié)冒泡排序的基本原理：對(duì)數(shù)據(jù)序列的相鄰兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果前者比后者大，則交換兩數(shù)。

【提出問(wèn)題】：在排序過(guò)程中，如何對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和交換呢？

下面通過(guò)PPT動(dòng)畫(huà)逐步解析排序的過(guò)程，理解冒泡排序算法的基本思想。

3.2通過(guò)PPT動(dòng)畫(huà)分解排序步驟

以任務(wù)實(shí)例的形式講解冒泡排序的基本思想，有5名學(xué)生的成績(jī)?nèi)缦拢?4、51、73、95、62，現(xiàn)要求對(duì)成績(jī)序列進(jìn)行升序排列，即51、62、73、84、95。

（1）分析排序過(guò)程

由于播放的排序動(dòng)畫(huà)/視頻相對(duì)較快，教師再結(jié)合PPT課件上設(shè)計(jì)的動(dòng)畫(huà)，動(dòng)態(tài)演示數(shù)據(jù)的每一步交換的過(guò)程。在逐步播放動(dòng)畫(huà)的過(guò)程中，教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)每一次的比較和交換過(guò)程。

①第1趟排序：

第1次：先比較84和51，若前面的數(shù)大于后面的數(shù)，則交換兩數(shù)，否則不交換。因84大于51，所以交換兩數(shù)。排序后的序列為：51 84 73 95 62

第2次：比較84和73，因84大于73，所以交換兩數(shù)。排序后的序列為：51 73 84 95 62

第3次：比較84和95，因84小于95，所以不交換。排序后的序列仍為：51 73 84 95 62

第4次：比較95和62，因95大于62，所以交換兩數(shù)。排序后的序列為：51 73 84 62 95

結(jié)合前面的PPT動(dòng)畫(huà)，教師引導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題并總結(jié)規(guī)律。

【提出問(wèn)題】：第1趟排序一共進(jìn)行幾次比較？排序結(jié)束后的數(shù)據(jù)序列有什么規(guī)律？

第1趟排序共進(jìn)行了4次比較，排序結(jié)束后找到了5個(gè)數(shù)據(jù)中的最大數(shù)，95沉在最下方。

【提出問(wèn)題】：如此看來(lái)，若要對(duì)5個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行升序排列，還需要進(jìn)行幾趟排序呢？每一趟又要進(jìn)行幾次的兩兩比較？

帶著上述問(wèn)題，繼續(xù)觀看PPT動(dòng)畫(huà)，分析第2趟排序過(guò)程。

②第2趟排序：

待排序的數(shù)據(jù)序列為：51 73 84 62。結(jié)合PPT動(dòng)畫(huà)，教師引導(dǎo)學(xué)生分析每一次的比較、交換過(guò)程。

【提出問(wèn)題】：第2趟排序過(guò)程進(jìn)行幾次比較？還需進(jìn)行幾趟的排序？

第2趟排序進(jìn)行3次的兩兩比較，找到了4個(gè)數(shù)中的最大數(shù)84，還需要進(jìn)行兩趟的排序。

③第3趟排序：

待排序的數(shù)據(jù)序列為：51 73 62。結(jié)合PPT動(dòng)畫(huà)，引導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題、總結(jié)規(guī)律。

【提出問(wèn)題】：第3趟排序過(guò)程進(jìn)行幾次比較？還需進(jìn)行幾趟的排序？

第3趟排序進(jìn)行2次的兩兩比較，找到了3個(gè)數(shù)中的最大數(shù)73，還需要進(jìn)行一趟的排序。

④第4趟排序：

待排序的數(shù)據(jù)序列為：51 62。結(jié)合PPT動(dòng)畫(huà)，引導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題、總結(jié)規(guī)律。

【提出問(wèn)題】：第4趟排序過(guò)程進(jìn)行幾次比較？

第4趟排序進(jìn)行了1次比較，找到兩個(gè)數(shù)中的較大數(shù)62。

在整個(gè)分析過(guò)程中，老師借助PPT動(dòng)畫(huà)，使用問(wèn)題逐步引導(dǎo)學(xué)生，讓學(xué)生歸納總結(jié)，得出結(jié)論，大大提高了學(xué)生在課堂上的參與性，學(xué)習(xí)積極性也增強(qiáng)了。

（2）總結(jié)規(guī)律

由此可得，若要對(duì)5個(gè)數(shù)進(jìn)行升序排列，需要進(jìn)行4趟排序。若用i表示趟數(shù)，則每一趟要比較的次數(shù)為4-i次。

表1　排序過(guò)程

【提出問(wèn)題】：若要對(duì)N個(gè)數(shù)進(jìn)行升序排列，需要進(jìn)行幾趟排序呢？每一趟進(jìn)行幾次比較？

在教師的引導(dǎo)下，結(jié)合PPT課件，教師和學(xué)生一起總結(jié)規(guī)律。

【概括歸納】：若對(duì)N個(gè)數(shù)進(jìn)行排序，要排序的趟數(shù)是N-1趟；每趟比較N-1-i次；每趟都是對(duì)相鄰的兩個(gè)數(shù)進(jìn)行比較，如果前面的數(shù)比后面的數(shù)大就交換[4]。

3.3代碼演示與分析

經(jīng)分析，大海子水庫(kù)內(nèi)部收益率11.25%，大于社會(huì)折現(xiàn)率8.0%，且效益費(fèi)用比1.1，初步概算該工程在經(jīng)濟(jì)上是合理的。

運(yùn)用數(shù)組存儲(chǔ)5個(gè)成績(jī)，并通過(guò)冒泡排序算法對(duì)其進(jìn)行排序。定義一個(gè)整型數(shù)組int a[5]，則數(shù)組元素a [0]～a[4]]分別存儲(chǔ)的成績(jī)?yōu)椋?4，51，73，95，63。

若用變量i表示趟數(shù)，用j表示每一趟比較的次數(shù)，結(jié)合PPT動(dòng)畫(huà)，通過(guò)觀察得知：

第1趟：兩兩比較4次

趟數(shù)i=0：for（j=0;j＜=3;j++）if（a[j]＞a[j+1]）{t=a[j];a[j]=a[j+1];a[j+1]=t;}

第2趟：兩兩比較3次

趟數(shù)i=1：for（j=0;j＜=2;j++）

if（a[j]＞a[j+1]）{t=a[j];a[j]=a[j+1];a[j+1]=t;}

第3趟：兩兩比較2次

if（a[j]＞a[j+1]）{t=a[j];a[j]=a[j+1];a[j+1]=t;}

第4趟：兩兩比較1次

趟數(shù)i=3：for（j=0;j＜=0;j++）

if（a[j]＞a[j+1]）{t=a[j];a[j]=a[j+1];a [j+1]=t;}

【提出問(wèn)題】：觀察以上4趟排序的程序代碼，有什么共同/不同的地方？

每趟排序都經(jīng)歷了多次比較、交換的過(guò)程，均使用for循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。觀察4個(gè)for循環(huán)語(yǔ)句可知，每趟的程序結(jié)構(gòu)相同，這就意味著這個(gè)比較、交換的for循環(huán)結(jié)構(gòu)將作為循環(huán)體被執(zhí)行4趟，同樣的，采用for循環(huán)語(yǔ)句for（i=0;i＜4;i++）來(lái)實(shí)現(xiàn)。4個(gè)for循環(huán)語(yǔ)句唯一不同的地方是for語(yǔ)句的第2個(gè)表達(dá)式，通過(guò)觀察和分析，學(xué)生找到了規(guī)律，可以用表達(dá)式j(luò)＜4-i;來(lái)表示，即for（j=0; i＜4-i;j++）。由此可知，冒泡排序是一種雙重循環(huán)，外層循環(huán)控制趟數(shù)，內(nèi)層循環(huán)控制比較的次數(shù)。

借助PPT動(dòng)畫(huà)有層次地列出排序的主要代碼：

for（i=0;i＜4;i++）/*外循環(huán)：趟數(shù)，表達(dá)式2也可寫(xiě)為i＜=3 */

for（j=0;j＜4-i;j++）/*內(nèi)循環(huán)：每一趟比較的次數(shù)，表達(dá)式2也可寫(xiě)為j＜=3-i */

if（a[j]＞a[j+1]）{t=a[j];a[j]=a[j+1];a[j+1]=t;} /*比較、交換*/

【提出問(wèn)題】：雙重循環(huán)中，外循環(huán)的變量i的初值可否寫(xiě)成1呢？

教師引導(dǎo)學(xué)生分析程序的執(zhí)行過(guò)程，并解釋循環(huán)變量i和j的關(guān)系，然后修改程序。

以上程序段還可寫(xiě)成：

for（i=1;i＜5;i++）/*外循環(huán)：趟數(shù)，表達(dá)式2也可寫(xiě)為i＜=4 */

for（j=0;j＜5-i;j++）/*內(nèi)循環(huán)：每一趟比較的次數(shù)，表達(dá)式2也可寫(xiě)為j＜=4-i */

if（a[j]＞a[j+1]）{t=a[j];a[j]=a[j+1];a[j+1]=t;} /*比較、交換*/

【提出問(wèn)題】：對(duì)N個(gè)數(shù)進(jìn)行升序排序，如何編寫(xiě)代碼？

觀察以上程序代碼，總結(jié)趟數(shù)i和次數(shù)j的關(guān)系/規(guī)律，二者的關(guān)系如表2所示。

表2　趟數(shù)i和次數(shù)j的關(guān)系

掌握了趟數(shù)i和次數(shù)j的關(guān)系后，為了使學(xué)生理解和識(shí)記冒泡排序的程序代碼，結(jié)合該排序?qū)嵗處熆偨Y(jié)了以下口訣：排序N-1趟；每趟從前往后比較；相鄰兩個(gè)比較；順序不對(duì)就交換[5]。

教師在講解時(shí)，每念一句口訣，在黑板上列出相應(yīng)代碼：

for（i=1;i＜=N-1;i++）/*排序N-1趟*/

for（j=0;j＜=N-1-i;j++）/*每趟從前往后比較*/

if（a[j]＞a[j+1]）/*相鄰兩個(gè)比較*/

{t=a[j];a[j]=a[j+1];a[j+1]=t;} /*順序不對(duì)就交換*/

以上規(guī)律和口訣簡(jiǎn)潔易記，重點(diǎn)突出，高度概括了冒泡排序，便于學(xué)生理解冒泡排序算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。學(xué)生在寫(xiě)程序時(shí)只需按照以上規(guī)律和口訣進(jìn)行代碼編寫(xiě)，簡(jiǎn)單易行。然后再結(jié)合具體的數(shù)據(jù)實(shí)例，讓學(xué)生分析程序的執(zhí)行過(guò)程，大大提高了學(xué)生的理解和認(rèn)知能力。

【拓展應(yīng)用】：如果要對(duì)N個(gè)數(shù)進(jìn)行降序排列，如何編寫(xiě)代碼？

在理解以上規(guī)律和口訣的基礎(chǔ)上，學(xué)生可以很快編寫(xiě)出以下程序：

for（i=1;i＜=N-1;i++）/*排序N-1趟*/

for（j=0;j＜=N-1-i;j++）/*每趟從前往后比較*/

if（a[j]＜a[j+1]）/*相鄰兩個(gè)比較*/

{t=a[j];a[j]=a[j+1];a[j+1]=t;} /*順序不對(duì)就交換*/

【拓展應(yīng)用】：如何在VC++編譯器中編寫(xiě)完整程序代碼，將65名學(xué)生的成績(jī)升序輸出？

冒泡排序的主要代碼熟記后，學(xué)生要靈活運(yùn)用冒泡排序算法，嘗試編寫(xiě)完整的程序段。教師引導(dǎo)學(xué)生梳理程序的定義、輸入、處理（排序）、輸出4個(gè)步驟，然后通過(guò)PPT課件呈現(xiàn)完整的程序段，學(xué)生需要在下節(jié)實(shí)驗(yàn)課上加以鞏固、實(shí)踐。

3.4引導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)算法，培養(yǎng)發(fā)散思維

在教學(xué)過(guò)程中讓學(xué)生掌握知識(shí)點(diǎn)和理解算法很重要，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)算法設(shè)計(jì)中的存在的問(wèn)題或不完善的地方，由此探索改進(jìn)方法，也是教學(xué)的重要目的之一。

觀察分析排序過(guò)程的表1可發(fā)現(xiàn)，最后一趟排序未進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，是個(gè)“空操作”。由此可看出，不論初始數(shù)據(jù)序列如何，都要比較N-1趟。而在實(shí)際序列中，如果某趟排序并未進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，說(shuō)明待排序列已經(jīng)是有序序列，則沒(méi)必要繼續(xù)循環(huán)了。因此，可以設(shè)一個(gè)標(biāo)志變量flag[6]，若有交換，則flag=1；若無(wú)交換，則flag=0。這樣就可以根據(jù)flag的值來(lái)決定是否跳出循環(huán)，結(jié)束排序，以避免無(wú)交換的多余趟排序。由此可知，當(dāng)待排序的數(shù)據(jù)序列基本有序時(shí)，增設(shè)標(biāo)志變量可以有效降低傳統(tǒng)冒泡排序算法的時(shí)間復(fù)雜度，提高了算法的效率[7]。

改進(jìn)后的冒泡排序程序代碼如下：

for（i=0;i＜N-1;i++）/*排序N-1趟*/

{ flag=0;

for（j=0;j＜N-1-i;j++）/*每趟從前往后比較*/

if（a[j]＞a[j+1]）/*相鄰兩個(gè)比較*/

{ t=a[j];a[j]=a[j+1];a[j+1]=t; /*順序不對(duì)就交換*/

flag=1;}

if（flag==0）break;

}

現(xiàn)代教育注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，相對(duì)于知識(shí)的講授而言，更重要的是讓學(xué)生掌握思維方式，發(fā)散思維就是創(chuàng)造性思維的一種。通過(guò)上面的講解，引導(dǎo)學(xué)生意識(shí)到冒泡排序算法仍有不完善的地方，進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生改進(jìn)算法。從而引申出其他排序算法比如選擇排序、快速排序等，使學(xué)生能真正掌握排序算法的基本原理和思想，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，提高學(xué)生的獨(dú)立思考能力和發(fā)散思維能力。

4　結(jié)語(yǔ)

本文以冒泡排序設(shè)計(jì)教學(xué)為例，利用視頻、PPT等多媒體教學(xué)手段，使用問(wèn)題引導(dǎo)教學(xué)，并結(jié)合口訣教學(xué)法等，形象生動(dòng)地向?qū)W生展示了冒泡排序的基本思想和變換過(guò)程。一方面調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使學(xué)生順利地從排序的思想、步驟的總結(jié)過(guò)渡到代碼的書(shū)寫(xiě)，更好地掌握了冒泡排序算法；另一方面通過(guò)問(wèn)題引導(dǎo)教學(xué)，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)發(fā)散思維能力。因此，這種合理的教學(xué)設(shè)計(jì)有效地提高了教學(xué)效果，對(duì)程序設(shè)計(jì)類(lèi)課程的教學(xué)有一定借鑒意義。

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Design and Analysis of Bubble Sort Algorithm in C Language Teaching

CHENG Ni
（Department of Public Computer Teaching,Yuncheng University，Yuncheng 044000）

Abstract：Bubble sort algorithm is the important and difficult points of C language teaching in colleges and universities, but the effect of the traditional teaching method is not ideal. Discusses the design of teaching procedure that using the multimedia teaching means, the question guiding teaching method and formula method. The design of teaching procedure greatly stimulates the interest of students' learning, makes the students to better grasp the principle of bubble sort algorithm, cultivates the students' independent thinking ability and divergent thinking ability, achieves a good teaching effect.

Keywords：Algorithm; Bubble Sort; Question Guiding; Formula; Divergent Thinking

收稿日期：2016-02-02修稿日期：2016-03-10

作者簡(jiǎn)介：程妮（1986-），女，山西運(yùn)城人，碩士研究生，助教，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)

文章編號(hào)：1007-1423（2016）10-0059-05

DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.10.014

基金項(xiàng)目：2014年運(yùn)城學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目（No.JG201429）、2014年山西省高等學(xué)校教學(xué)改革項(xiàng)目（No.J2014106）