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為什麼要學習程式語言?

"為什麼要學習程式語言?"

這二張圖會很明確的告訴你: "為什麼要學習程式語言?"

長期以來我們都是用:" 心算、珠算和手算" 來計算數學的結果,可是如果沒有計算機協助,你想要快速求得精確的數值上面三種方法已經沒有辦法滿足科技社會對數據的需求。

一、     運算思維的發展

   下面這張圖勾勒出各級學校從國小、國中、高中、大學所學習的數學課程內容,學生藉由數學的學習可以培養運算思維,隨後利用程式語言或套裝軟體發展應用軟體,接下來是生活科技課程所推動的微控制單元(MCU),還有自從新興資訊科技像 VR/AR/MR 發展以來,學校都積極在推動 Arduino Micro:bits 的教學,新的十二年國教課綱把創客 (Maker) 教學作為學生DIY數位製造「想」和「做」的重要課程精神,學生學習這些資訊課程內容不外乎為未來人工智慧做準備。




1 : 推動程式語言教育的環境架構


上面的圖型說明了數學與資訊技術之間的關係,這一張圖從左到右的。上面有六個欄位,上列最左邊的是學生學年的年級,從左到右的分別是:數學基礎、運算思維,程式語言,資訊管理,創新思考和應用環境。最左欄由下到上是從小學一年級起的各學年分布直到大學期間的數學學習,這一欄列出了學生在學校學到的數學科目和單元。從一年級到六年級學到最基礎的計數和算術,升到國中之後後會學習到代數、幾何、機率等到高中就會學到三角、組合、排列、指數、對數等數學概念,大學畢業後還會學習微積分、演算法、資料結構、數值分析等等和計算機相關的運算邏輯相關主題,作為未來發展電腦軟體的基礎,運算思維在程式設計中扮演非常重要的角色。 

從圖型的左下角延伸到右上角,可以清楚地了解當前資訊技術發展的趨勢和學校教學課程的相關性。特別要注意的是在小學數學的教學中,過去算數都是徒手計算數字,只能計算很小的數字,當資訊技術發展到一定階段時,中學以後的課程如果能夠透過計算機計算,可以更快速得到更精準的數字。在此之前,當程式語言言尚未普及時,代數和幾何還有其他數學理論的學習只停留在抽象理論,很難計算精確的結果,抽象理論的學習對某些需具象學習的學生有時沒有發揮太大的幫助。自從計算機發展以後,運算數值統計一直與生活,教育,工程密切相關。如果學校的學生不學習程式語言,可能無法發揮數理想像空間,實現創造性思維,也無法滿足未來工作場所的技能需求,因此生活在資訊社會中每個人都必須學會程式語言,學習程式設計。

 

二、運算思維

過去國內中小學階段,教導學生程式語言都是在「電子計算機概論」課程中,簡單帶過程式語言和程式設計的概念,要在學校有限的課程時間中教導程式語言和程式設計是有難度的,一般都是在大學才開始學習。由於資訊科技興起,「人工智慧」快速進入人們日常生活之中,各國都積極倡導程式語言的教學,有些國家甚至在小學三年級就開始教導程式語言,培養學生運算思維的觀念。

下面這張構圖可以說明在程式語言的學習中程式語言和程式設計所扮演的角色,未經處理的數據稱為 : 資料,從外邊輸入資料之後,藉由運算思維在程式語言中運用語法和指令設計程式。這些經過邏輯安排的程式會將「資料」轉轉換成「資訊」輸出,就是經過整理、歸類、分析、運算後的資訊做為人們決策參考之依據,或者是在人工智慧中自動控制的數據。



                            (軟體、工具 )                 (方法、策略)

               1.     設定 / 運算                      1. 串列     6. 遞迴

               2.    判斷 / 決策                       2. 級數     7.

               3.    迴圈 / 重複                       3. 指標     8. 圖形

               4.    函數 / 程序                       4. 排序     9. 雜湊 /  哈希

                                                            5 . 排列    10. 結構

                     圖2 :  程式設計執行流程

程式語言其實是軟體工具,各種程式語言不管是 Python ( C)都包含四個元素,也就是: 設定 / 運算、判斷 / 決策、迴圈 / 重複、函數 / 程序等語法指令。至於程式設計就是運用演算法,也就是到大學才開設的「資料結構」課程。 這些演算法是以數學為基礎,也就是「運算思維」,一般人所稱的「程式邏輯」包括: 串列、級數、指標、排序、排列、遞迴、樹、圖形、雜湊 / 哈希、結構等等演算的方法,中學生由於沒有學習這門課程的機會,本書將這些邏輯方法或稱資料結構列在書中,以最簡單的概念陳述,希望對學生學習有幫助。



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