3.2 让编程平稳起步——思维、设计、表达——《逆袭大学》连载

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3.2 让编程平稳起步——思维、设计、表达

机械化的思维 

有层次地设计 

学会利用工具表述问题 

3.2 让编程平稳起步——思维、设计、表达

踩离合、挂档、踩油门、抬离合，拿捏得当，汽车这台铁家伙才能缓缓起步。老司机只要坐上驾驶位，想都不想，就顺顺当当起步了。而对新手而言，常被这几个步骤搞得焦头烂额，熄火、倒溜、猛冲出去，所有的不当操作组合起来，老手看到的是相当热闹的场面。

这和编程新手遇到的场面有些类似。这也告诉我们，一些基本的环节熟悉以后，不论要解决什么问题，按那些套路走下来，也便有了眉目。汽车起步的几个要领，需要在一次次的练习中实践，久而会养成习惯；而编程起步时需要的基本动作也不是有谁天生就会，只要在编程初期有意品味，日久也会内化于心。初学开车的会手忙脚乱，我十几年前学车用的是辆破吉普车，一起学习的几个女孩没少掉眼泪；初学编程的，一时找不到要点，气恼、着急的也有不少，甚至有人急忙给自己贴个“学不了编程”的标签。这个标签贴上了，是安心一阵子了，但也可能路就被堵死了，麻烦在后面。

汽车起步其实真不难，踩离合、挂档、踩油门、抬离合。在编程新手的各种慌乱中，也有几个基本动作，做到了，起步不需要忙乱。

机械化的思维 

还记得那年春晚“张惠妹”大妈问，将大象放到冰箱需要几个步骤？需要三步：打开冰箱门，把大象放进去，把冰箱门带上。能给出这种回答的人，都能编得了程序。这个回答中体现的就是一种机械化，就是要将解决问题的步骤详细地一一列出来，可以自己去实施，也可以指导别人去实施。给计算机编程序，就是通过指令列出解决问题的步骤，让计算机实施这些步骤就行了。能机械化的，就能自动化，只要分清楚一步一步做什么，写成程序由计算机自动执行就行了。

烧水泡茶需要做四项工作，即洗好水壶，洗好茶杯，准备茶叶，烧开水泡茶。列出这四项来，是让烧水泡茶工作能够机械化的前提。在此基础上，可能的做法可以是：（1）洗好水壶，灌上凉水，放在火上，等待水开；水开后，再洗茶杯，准备茶叶，冲水泡茶；（2）先洗好水壶，洗好茶杯，放好茶叶，一切就绪，再放水烧水，水开后再冲水饮茶；（3）洗净开水壶，灌水烧水；烧水过程中，洗茶杯，放茶叶，水开后泡茶喝。这就是三种烧水泡茶的程序。

现实生活中的程序，就是事情进行的先后次序的安排。可以看出，在不同的程序的指导下，做事还是有些区别的。在为计算机编程序时，也需要分离出计算机要完成的操作，然后将这些操作的顺序安排妥当。

初学编程的大学生，不适应这样的思维。我们总是习惯于自己亲自做一些事情，作为一个有高度智能的人，做完一步顺理成章地接着做下一步，而各步之间的衔接却常常意识不到。在我们日常的行事中，已经逐渐地适应了在整体上看一件事情的方式，而不是将一件完整的事情分解开来去描述。比如，当你要离家上大学独立生活时，妈妈可能也只一句“要注意勤洗衣服”，而不再唠叨：“放好水，加入洗衣粉，泡上半小时，……”

然而，对于想学编程的人来说，现在能做且有必要做的事情，可以将想要完成的任何事情都分解成一些更具体的细节，并乐于这样描述，从而将机械化思维养成习惯。这样的事情很多：一次班级活动、国庆长假的旅行、高等数学要复习了，等等，都可以试着列一列步骤。我们面对的，是运算能力强大，但就是不会自己做出安排的计算机，我们要学习的，就是学会为它安排第一步打开冰箱，第二步……

这样的一种思维习惯目标在于让计算机能明白“求解问题”。这样的思维习惯，将使你习惯站在一个更宏观的角度看问题，学会将整个的问题分解开来，具体到一个个可行的步骤。这种思维将是我们在清清楚楚地做任何事情的时候都需要的，是从事计算机行业工作的需要，也是一种普适的思维。清晰的编程思路可以得来，有序的人生其实也是一样。

有层次地设计 

看别人的程序相对容易，一到自己写程序，直接卡壳，编程不顺的同学说：“没思路。”

没思路就是列不出前面的机械化思维的步骤，这是需要在编程的实践中逐步提高的能力。对于一个新手而言，看问题就是一个整体，天狗吃天，找不到下口的地方，怎么都看不出这一步、下一步。其实，面对复杂的问题，我们需要有一种方法，帮助找出这些步骤。

我们要做的是有层次地思考。从问题的总体，细分一些，再具体一些，最后得到的是让计算机可以直接执行的步骤。这种有层次地思考，叫做“自顶向下，逐步求精”。

案例3–1  举一个例子。学校举办校园歌手大奖赛，敲计算器算分太慢了，把加号按成减号之类自摆乌龙的情况屡有发生。（其实，这样的做法也算是一个程序，只不过计算的工作由计算器完成，而计算的过程是由人控制着的。）现在就有人要请你设计一个程序，计算歌手成绩。打分规则是：七位评委各给出一个分数，去掉一个最高分，去掉一个最低分，余下五个分数的平均值作为选手的最后得分。

这个事情让人做，看见七个数字，戳计算器算就得了。而要交给计算机做，就得列步骤。我们的注意力放到了七个数字上来，而没有管评委是男是女，是俊是丑，高矮胖瘦，运用的是抽象的方法，在此我们只关心分数这样一个最核心的要素，而将其他与问题实质无关的因素剔除掉了。现在要求解的问题就是，利用七个输入数据，最后得到一个输出数据。用七个输入数据计算得到这一个输出数据，这就是解决这个问题所涉及的信息的因果关系。这样，为一个歌手打分的过程中要做的事情，包括了以下的工作：（1）输入七个数；（2）求出除了最大值和最小值以外的其他五个数的平均值；（3）输出平均值。这个平均值就是歌手的得分。这样的分解结果可以表示如下，作为初学者编程没有思路时就需要这样列出：

（1）输入七个数：a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7

（2）求出除了最大值和最小值以外的其他五个数的平均值：V

（3）输出平均值：V

这是在“自顶向下”分析中最“顶”层的一个分解，是对问题“总体”的解决方法。下面我们逐步深入到细节中考虑。其中“（2）求出除了最大值和最小值以外的其他五个数的平均值”是最核心的工作，还没有具体到可以直接解决的程度，需要继续分解下去。其中的一种思路是，先求出最大值和最小值，将七个数累加起来之后，再将最大和最小值减去，也便得到了所需要的平均值。也就是说，将（2）分解为下面的4个步骤：

（2.1）求出最大值amax

（2.2）求出最小值amin

（2.3）求出七个数的和：S=a1+a2+a3+a4+a5+a6+a7

（2.4）V=(S–amax–amin)/5

体会一下，这样的“机械化”的节奏是否更鲜明一些了？一个“整体”的问题，被我们清楚地分成了几个步骤。这样的过程可以继续下去。例如，对于（2.1），我们可以继续得到第三级的分解：

（2.1.1）设amax=a1，即暂时认为第一个数就是最大的

（2.1.2）对于a2到a7中的每一个数ai//在编程时，这里需要一个循环解决

（2.1.3）如果amax<ai，amax=ai//如果amax比ai小，ai应该就是当前最大的

对一个已经有一些编程体验的人，求最大值、最小值及求和的问题，可能是能够直接去实现了，将不需要做第三级的分解，这也体现了在学习编程过程中循序渐进的必要性。而如果对求最大值等功能还不能直接解决的同学，不妨多写一级，将分解继续进行下去。

逐步求精的方法，是人类解决复杂问题时采用的基本方法，是为了集中精力解决重要问题而尽量推迟对问题的细节的考虑。在人类的认知规律中，注意力只能集中7±2个知识块。逐步求精方法要遵循的法则，就要求当一个宏观的描述进一步求精时，如果涉及的细节太多，最好将其限制在7个以内，更多的细节可以在下一级再进行处理。

自顶向下的策略，先宏观再微观，把一个时期内必须解决的问题排出一个先后顺序来，用逐步求精的方法，确保每个问题都能被解决，而且安排在合适的时候解决。用这样一种有层次的设计，层层递进，最终得到能够直接用程序设计语言编写的程序。

想一想，我们做任何工作，例如对大学生活做一个宏观的规划、制定一天的学习计划、组织一次班级活动、完成一个工程项目开发、策划一项商业活动，无论复杂还是简单，有意或无意地，都可以践行“自顶向下，逐步求精”的伟大思想。用心体会，这将成为无论学习编程还是处理其他事务中的有效的思维习惯。

学会利用工具表述问题 

编程序的最终目标是写出能够正确完成任务的程序来。其实，比写出语句更关键的能力，是会用程序设计的思维思考。由问题到代码，中间的跨度比较大，企图在大脑中完成所有的过渡，至少对于初学者而言显得不切实际。机械化的思维，分层次的设计，都是为此做的过渡。事实上，在软件工程发展历程的实践中，产生了很多实用的表达工具，能够帮助人们完成这个过渡。

图3–1是案例3–1中在进行求解歌手大奖赛成绩的问题分析时，画出的程序流程图。流程图是表示算法的一种图形工具。随着箭头的方向，是否能发现这样的表达更形象，更自然？有了这样的流程图，可以很容易地写出对应的程序来。一张图顶一千字，在软件工程中，有很多图形工具可供使用。这些工具可以帮助我们整理思维，也成了在产业中分工合作、相互交流的介质。

在传统的工程学科，如机械工程、土木工程等领域，设计和施工中都需要用到图纸。软件工程中的很多环节也需要有图形工具表现设计结果，并形成了诸多标准。由于软件和程序的不可见的性质，这些图形工具更加必要。系统需求分析中要用到的系统流程图；在软件结构设计中，有软件结构图；做数据需求分析时，有数据流图（DF图）；设计数据库的逻辑结构时，要用到实体—联系图（E-R图）。在采用面向对象的程序设计方法时，常用到图形化的统一建模语言UML，在其中共涉及到了五类共十种图，包括用例图、类图、对象图、状态图、活动图等。

这些设计工具的使用，体现的是重要的设计方法，也将是大学学习中逐步要接触到的内容。对于程序设计的初学者而言，直接能够使用到的是描述算法的程序流程图，而盒图（N-S图）中不涉及线条的转移而更具有结构化的特点，也经常应用。应用中学会使用各种各样的设计工具，是对程序设计初学者的基本要求。

流程图这样的工具，老师会在课堂中讲，大多数的程序设计的教材、参考书中也会涉及，本书中不再深入。但在我的教学实践中发现，即使知道了这些工具，同学们却很少在实践中主动应用，仅限于布置作业后画一画。他们太在意最终的成果——程序了，以至于一旦拿到任务，满脑子也就是程序。在这样一种状况下，不重视画流程图之类的基本功的训练，就一直学不会有效利用工具。等到遇到复杂问题需要解决，只靠大脑不能够完成构思时，也才想起流程图的好处，却用不得法，于是转而继续搁置。如此循环，越学越糊涂，乃至信心也在丧失。设计工具在实践中被大量地用于支持设计流程，帮助开发人员整理和表达思路，描述算法，指导实现，起着非凡的作用。业内有不少的高级技术人员在设计的层面上工作，他们也在大量用此类的工具进行表达，而不是直接在代码层面上工作。作为程序设计的初学者，更是需要在在实践中主动使用这些工具，学会用设计工具思考和表达的方法，体会到这样做的好处。

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