3.2 让编程平稳起步——思维、设计、表达——《逆袭大学》连载

2024-03-03 05:48

本文主要是介绍3.2 让编程平稳起步——思维、设计、表达——《逆袭大学》连载,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

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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=(Samax–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<aiamax=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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