2023-2024學(xué)年教科版（2019）高中信息技術(shù)學(xué)業(yè)水平合格性考試復(fù)習(xí)講義-淺談Python程序設(shè)計(jì)與計(jì)算思維

高中信息技術(shù)學(xué)考復(fù)習(xí)——淺談Python程序設(shè)計(jì)與計(jì)算思維“計(jì)算思維”對(duì)大家來(lái)講是個(gè)比較陌生的詞匯，為了方便理解，我們可以簡(jiǎn)單地從字面意思角度加以分析，將其分解為兩個(gè)詞：“計(jì)算”和“思維”，這其中的“思維”相對(duì)好理解，但是“計(jì)算”往往會(huì)被狹隘地理解為加減乘除，也就是說(shuō)容易錯(cuò)誤地將其等同于數(shù)學(xué)中的計(jì)算。實(shí)際上，該“計(jì)算”的內(nèi)涵要更加寬泛，它不僅涵蓋了數(shù)學(xué)中的計(jì)算，同時(shí)還包括人們分析和解決實(shí)際問(wèn)題的一系列的方法和步驟，比如，我們解決諸如日常生活中的穿衣吃飯等問(wèn)題，本質(zhì)上也是“計(jì)算”，同樣也需要運(yùn)用“計(jì)算思維”。在日常工作、學(xué)習(xí)和生活中充斥著各種各樣的問(wèn)題，無(wú)不需要我們及時(shí)、正確地解決，具備一定的“計(jì)算思維”能力，并逐步加以提升，有助于我們更加科學(xué)、合理和高效地解決實(shí)際問(wèn)題。運(yùn)用“計(jì)算思維”的思想解決實(shí)際問(wèn)題，簡(jiǎn)單的看就是在對(duì)問(wèn)題進(jìn)行深入細(xì)致地分析的基礎(chǔ)上，首先將一個(gè)大的復(fù)雜的問(wèn)題，分解為若干小的簡(jiǎn)單的問(wèn)題，如果分解后的問(wèn)題仍然比較大和復(fù)雜，就繼續(xù)分解，直到簡(jiǎn)單和小到能直接解決為止。其次是確定一個(gè)解決問(wèn)題的粗略的方法和步驟，再對(duì)粗略的步驟反復(fù)進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)化，直到每一個(gè)步驟都能很容易的完成為止。而這與計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的思想有著極高的契合度，所以說(shuō)，學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)是培養(yǎng)和提高“計(jì)算思維”能力的最有效的途徑之一。下面我們通過(guò)設(shè)計(jì)程序，解決人與計(jì)算機(jī)之間玩“石頭剪刀布”游戲的人機(jī)博弈問(wèn)題，做一個(gè)簡(jiǎn)單的闡述。大家應(yīng)該對(duì)“石頭剪刀布”這一猜拳游戲都比較熟悉，該游戲一般由兩個(gè)人玩，每一局都是兩個(gè)人同時(shí)出石頭、剪刀或布中的任意一個(gè)，按照石頭贏剪刀、剪刀贏布、布贏石頭的規(guī)則判定勝負(fù)，可以一局定勝負(fù)，也可以三局兩勝，或者五局三勝等。多局定勝負(fù)的問(wèn)題相對(duì)比較復(fù)雜一些，但我們可以運(yùn)用“計(jì)算思維”的思想，將其簡(jiǎn)化，先考慮解決一局定勝負(fù)的問(wèn)題，然后運(yùn)用循環(huán)控制一局定勝負(fù)的程序代碼段執(zhí)行若干次，并相應(yīng)地做好勝負(fù)局?jǐn)?shù)的統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)工作即可。以下是關(guān)于一局定勝負(fù)情況的討論。游戲的關(guān)鍵點(diǎn)主要有兩點(diǎn)，一是兩個(gè)人所出的拳是什么，二是判定勝負(fù)的規(guī)則。實(shí)際生活場(chǎng)景中，兩個(gè)人之間玩該游戲時(shí)，石頭、剪刀、布可以通過(guò)從口中喊出來(lái)，也可以用手勢(shì)表示，勝負(fù)則直接由人來(lái)判斷，而人與計(jì)算機(jī)之間玩該游戲，實(shí)質(zhì)上，就是把兩個(gè)人中的一個(gè)變成計(jì)算機(jī)，出拳與勝負(fù)判斷保持不變。按計(jì)算思維的思想，首先來(lái)解決第一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，即人和計(jì)算機(jī)出的拳是什么的問(wèn)題。先考慮人，現(xiàn)實(shí)中兩個(gè)人之間游戲時(shí)，出拳的信息是由口喊或手勢(shì)確定的，前者出拳信息的載體是音頻，后者的載體是圖像，這兩種載體形式讓計(jì)算機(jī)來(lái)判定到底是石頭、剪刀、布中的哪個(gè)，需要通過(guò)諸如麥克風(fēng)、攝像頭等設(shè)備輸入到計(jì)算機(jī)中，并借助人工智能技術(shù)中的聲音識(shí)別或圖像識(shí)別完成，比較復(fù)雜，不是同學(xué)們當(dāng)下能夠完成的。同理，讓計(jì)算機(jī)喊出，或者用圖像顯示出石頭、剪刀、布，盡管相對(duì)容易一些，可同樣不是一件簡(jiǎn)單的事情?？梢?jiàn)，我們需要對(duì)如何確定和表示石頭、剪刀、布的問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步研究。通過(guò)分析和抽象可知，石頭、剪刀、布本質(zhì)上是三個(gè)不同的符號(hào)，是游戲中需要輸入的數(shù)據(jù)，而Python中的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)類型不外乎數(shù)值型、字符型、邏輯型等，能否從這些基本類型中選擇其中的一種來(lái)表示石頭、剪刀、布呢？答案是肯定的，最簡(jiǎn)單直接的方法是用字符類型，用漢字的石頭、剪刀、布，當(dāng)然也可以用大家比較熟悉的相應(yīng)的英文單詞表示，但是考慮到字符類型無(wú)法進(jìn)行數(shù)學(xué)中諸如加減乘除等運(yùn)算，所以我們選擇用數(shù)值類型，即用三個(gè)整數(shù)0、1、2依次代表石頭、剪刀、布，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，而且還可以進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，缺點(diǎn)是比較抽象。其次是勝負(fù)關(guān)系的判斷，依據(jù)人機(jī)出拳的組合，共有9種情況，如下面的表1所示。表1：表2：在確定好以表2的形式表示問(wèn)題后，接下來(lái)就需要考慮具體如何解決問(wèn)題了。按計(jì)算思維的思想，需要先確定解決問(wèn)題的粗略步驟。初步看大致需要以下三步：⒈輸入（Input），輸入人和計(jì)算機(jī)分別出的拳是石頭、剪刀、布中的哪一個(gè)；⒉計(jì)算處理（Process），依據(jù)人和計(jì)算機(jī)的出拳，計(jì)算判定勝負(fù)；⒊輸出（Output），輸出勝負(fù)結(jié)果。即通常所說(shuō)的IPO結(jié)構(gòu)。一、輸入的細(xì)化第一步先解決人的輸入，考慮到采用整數(shù)0、1、2依次代表石頭、剪刀、布，這樣約定盡管簡(jiǎn)單有效，但畢竟不直觀，由于不知道0、1、2到底是什么含意，所以可能會(huì)給玩游戲的人帶來(lái)困擾，解決方法是增加0、1、2含義的提示。第二步考慮計(jì)算機(jī)的輸入，即計(jì)算機(jī)如何出拳？實(shí)際上，計(jì)算機(jī)與人一樣，它應(yīng)該從石頭、剪刀、布（即0、1、2）中隨機(jī)地任意選取一個(gè)，所以，可以用計(jì)算機(jī)中的隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生0、1、2三個(gè)數(shù)字中的任意一個(gè)，代表計(jì)算機(jī)的出拳。二、計(jì)算處理的細(xì)化由表2可知，人機(jī)出拳的組合共有9種情況，分別用相應(yīng)的條件直接判斷就可以，比如：如果人出0（石頭），并且計(jì)算機(jī)也出0（石頭），則為平局。三、輸出的細(xì)化輸出比較簡(jiǎn)單，只需要結(jié)合相應(yīng)的出拳情況判斷結(jié)果，直接輸出平局、人勝、機(jī)勝即可。于是，我們可以得到如下的Python源程序代碼。顯然，上述程序可以采用條件語(yǔ)句的嵌套形式進(jìn)行優(yōu)化，此處不再贅述。上述程序盡管可以完成人機(jī)之間玩石頭剪刀布的游戲，但是在勝負(fù)結(jié)果的判定上使用了9條條件語(yǔ)句，不僅繁瑣，而且效率低下，有待改進(jìn)。為此，我們進(jìn)一步分析表1，可以看出，勝負(fù)結(jié)果有3種情況，分別是：平局、機(jī)勝、人勝，仿照石頭、剪刀、布依次用整數(shù)0、1、2表示，勝負(fù)結(jié)果中的平局、機(jī)勝、人勝也依次用整數(shù)0、1、2表示，于是可以得到如下表3所示的判斷勝負(fù)的表。表3：如果把表示勝負(fù)結(jié)果的數(shù)字連接到一起，可以得到一個(gè)數(shù)字串“021102210”，把它存儲(chǔ)到一個(gè)字符串中，再依據(jù)人機(jī)出拳的數(shù)值換算出其在字符串中的位置（表4），取出存儲(chǔ)勝負(fù)結(jié)果字符串中相應(yīng)位置上的字符，就能得出勝負(fù)結(jié)果了。表4：經(jīng)過(guò)分析和歸納總結(jié)，可以得到如下的公式（函數(shù)）：p=3*i+j（其中，i表示人的出拳，j表示計(jì)算機(jī)的出拳，p表示該出拳組合對(duì)應(yīng)的判定勝負(fù)字符串中的位置。例如，人出剪刀（i=1），計(jì)算機(jī)出布（j=2），代入公式可得：p=3*i+j=3*1+2=5，字符串5號(hào)位置上存儲(chǔ)的是字符“2”，即人勝（注：Python中字符串中第一個(gè)字符的位置編號(hào)為0）。改進(jìn)后的程序如下。上述程序中，人和計(jì)算機(jī)出的拳采用0、1、2表示，不夠直觀，需要改進(jìn)。另外，勝負(fù)關(guān)系用一個(gè)如下表5所示的二維表的形式描述，更容易理解。但這兩點(diǎn)都需要我們進(jìn)一步學(xué)習(xí)Python中更多的數(shù)據(jù)類型，尤其是列表類型，才能有效解決。在學(xué)習(xí)列表類型后，可以知道，人機(jī)的出拳可以用一個(gè)一維列表表示，勝負(fù)關(guān)系的判定可以采用一個(gè)二維列表。

將數(shù)據(jù)用相應(yīng)的列表表示后，可以得到如下的代碼?？梢钥闯?，引入列表后編寫的程序更加簡(jiǎn)捷高效了。其實(shí)，真正高效的程序應(yīng)該是從數(shù)學(xué)角度作深入的研究，將計(jì)算處理部分盡可能地用數(shù)學(xué)中的公式（函數(shù)）表示。對(duì)上述表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行更加深入地研究，得到表6的結(jié)果。表6：觀察表6可以看出：i-j的值有6種情況與勝負(fù)結(jié)果w相同，另外3種不一樣的序號(hào)分別為：1、2、5，他們共同的特點(diǎn)是：依據(jù)i-j的結(jié)果，大于等于0的與勝負(fù)結(jié)果一致，小于0的不一致。進(jìn)一步研究i-j小于0的三種情況，可以發(fā)現(xiàn)，如果用(i-j)+3就與結(jié)果一致了。直觀的想法是采用數(shù)學(xué)中的分段函數(shù)：該分段函數(shù)在Python中可以直接用條件語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)。程序大家可以自己編寫。下面我們把表6中增加一行i-j+3的計(jì)算結(jié)果，得到表7，再進(jìn)行研究。表7：可以發(fā)現(xiàn)，如果取((i-j)+3)除以3的余數(shù)，就與勝負(fù)結(jié)果一致了！也就是表8。表8：可見(jiàn)人出拳的數(shù)值i，計(jì)算機(jī)出拳的數(shù)值j，與勝負(fù)判定的數(shù)值w，存在如下函數(shù)關(guān)系：w=((i-j)+3)%3

（%表示模余運(yùn)算，即取余數(shù)）例如，人出剪刀（i=1），計(jì)算機(jī)出布（j=2），代入如上的代數(shù)式，可得：w=((i-j)+3)%3=((1-2)+3)%3=2（人勝）為了使輸出更加直觀，我們引入一個(gè)表示勝負(fù)的一維列表，代碼如下。需要指出的是，由于Python中直接對(duì)負(fù)數(shù)進(jìn)行模余運(yùn)算得到的余數(shù)與勝負(fù)結(jié)果的數(shù)值一樣，所以在上述程序中“計(jì)算勝負(fù)結(jié)果對(duì)應(yīng)的數(shù)值”的語(yǔ)句可以直接寫為：iWin=(iFingerOfPerson-iFingerOfComputer)%3程序運(yùn)行結(jié)果也正確。以上所有的程序代碼中，都僅僅是提示用戶輸入0、1、2，但萬(wàn)一有人不小心輸入了一個(gè)其他的數(shù)字或字符，就會(huì)引發(fā)程序錯(cuò)誤，為此，我們需要對(duì)人的輸入進(jìn)行檢測(cè)，強(qiáng)制其只能輸入0、1、2，直到其輸入正確為止，也就是說(shuō)在人輸入錯(cuò)誤的情況下，要求