Đồng hành với quá trình học hỏi và khám phá thế giới của chúng ta, việc hiểu và nắm vững các thuật toán trong học phần Cấu trúc dữ liệu và giải thuật là cực kỳ quan trọng. Tuy nhiên, đôi khi chúng ta có thể gặp khó khăn trong việc hình dung và áp dụng chúng vào thực tế. Đó là lý do tại sao mô phỏng thuật toán trở thành một công cụ hỗ trợ quan trọng trong quá trình học tập.
Mô phỏng thuật toán - Giao diện trực quan
Mô phỏng thuật toán giúp chúng ta thấy được từng bước diễn biến và thay đổi của dữ liệu, từ đó dễ dàng hình dung và hiểu được quá trình hoạt động của thuật toán. Được coi là cơ sở hỗ trợ đắc lực trong việc nắm bản chất của thuật toán, mô phỏng thuật toán là điểm đến của nhiều sinh viên khi muốn hiểu rõ hơn về quá trình sắp xếp và nguyên lý hoạt động của thuật toán.
Hình 1. Giao diện chương trình trong quá trình sắp xếp giải thuật Bubble sort
Quy trình mô phỏng thuật toán
Mô phỏng thuật toán là một quy trình có các bước cơ bản sau:
Bước 1: Phân tích thuật toán
Trước khi bắt đầu mô phỏng, chúng ta cần phân tích kỹ thuật toán đó. Xác định dữ liệu vào và dữ liệu ra của thuật toán, cũng như các trường hợp cần xét của dữ liệu và giá trị biến để thoát khỏi vòng lặp. Ví dụ, khi tìm kiếm phần tử lớn nhất trong một dãy số nguyên, chúng ta cần xác định dữ liệu vào là một mảng và xác định cách nhập mảng.
Bước 2: Xây dựng mô hình mô phỏng dữ liệu vào và dữ liệu ra
Mô phỏng dữ liệu vào là cách chọn hình thức hiển thị cho cấu trúc dữ liệu tương ứng với giải thuật. Lựa chọn hình thức mô phỏng cho dữ liệu vào quyết định tính hiệu quả của chương trình mô phỏng. Ví dụ, khi mô phỏng thuật toán sắp xếp dãy số, chúng ta có thể sử dụng các nút hình tròn để biểu diễn các phần tử và sự thay đổi của chúng.
Bước 3: Tách thuật toán thành nhiều bước nhỏ
Tách thuật toán thành nhiều bước nhỏ giúp quá trình mô phỏng dễ dàng và chi tiết hơn. Điều này tương tự như việc phân tích bài toán theo hướng module, giúp chúng ta dễ dàng hiểu và theo dõi quá trình thực hiện.
Bước 4: Tổng hợp các bước mô phỏng thành thuật toán hoàn chỉnh
Bước 5: Kiểm nghiệm giải thuật thông qua dữ liệu ra của từng bước nhỏ
Hình 2. Sơ đồ các bước mô phỏng thuật toán
Khi thực hiện mô phỏng thuật toán, chúng ta cần lưu ý rằng các hình ảnh phải phản ánh chính xác thuật toán và mô phỏng cho phép chúng ta tự do quan sát sự thay đổi dữ liệu. Điều này cho phép chúng ta dễ dàng điều chỉnh dữ liệu đầu vào và tạo độ trễ cho các thao tác để phù hợp với từng trình độ sinh viên.
Demo chương trình
Chương trình mô phỏng các thuật toán sắp xếp được xây dựng trên ngôn ngữ C#. Chương trình này cung cấp các chức năng chính sau:
- Nhập dữ liệu: Cho phép tạo một mảng với số phần tử từ 8 đến 15 hoặc lấy giá trị ngẫu nhiên cho các phần tử của mảng hoặc nhập giá trị từ bàn phím hoặc từ file TEST.TXT.
- Phần điều khiển: Cung cấp các chức năng như tiến hành sắp xếp, tạm dừng, thay đổi tốc độ và chạy từng bước của giải thuật để dễ dàng theo dõi quá trình sắp xếp.
Hình 3. Giao diện chương trình
Chương trình cũng cung cấp minh họa code C/C++ để giúp chúng ta hiểu rõ hơn về quá trình hoạt động của các giải thuật theo từng bước.
Kết luận
Nghiên cứu về mô phỏng thuật toán đã chứng minh vai trò quan trọng của nó trong giáo dục. Trên cơ sở đó, việc thiết kế chương trình mô phỏng thuật toán sắp xếp đã hỗ trợ rất nhiều trong học phần Cấu trúc dữ liệu và giải thuật. Bên cạnh đó, chương trình này cũng có thể được áp dụng để minh họa cho các thuật toán khác như các thuật toán liên quan đến đồ thị.
Tài liệu tham khảo: [1] Đỗ Xuân Lôi (2006), Cấu trúc dữ liệu và giải thuật, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội. [2] Hoàng Hữu Việt (2015), Lập trình C# cho ứng dụng cơ sở dữ liệu, NXB Trường Đại học Vinh. [3] Nguyễn Thị Chinh (2011), Luận văn thạc sĩ: Mô phỏng một số thuật toán trên đồ thị, Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại học Công nghệ.
