2023-2024学年教科版（2019）高中信息技术学业水平合格性考试复习讲义-浅谈Python程序设计与计算思维

高中信息技术学考复习——浅谈Python程序设计与计算思维“计算思维”对大家来讲是个比较陌生的词汇，为了方便理解，我们可以简单地从字面意思角度加以分析，将其分解为两个词：“计算”和“思维”，这其中的“思维”相对好理解，但是“计算”往往会被狭隘地理解为加减乘除，也就是说容易错误地将其等同于数学中的计算。实际上，该“计算”的内涵要更加宽泛，它不仅涵盖了数学中的计算，同时还包括人们分析和解决实际问题的一系列的方法和步骤，比如，我们解决诸如日常生活中的穿衣吃饭等问题，本质上也是“计算”，同样也需要运用“计算思维”。在日常工作、学习和生活中充斥着各种各样的问题，无不需要我们及时、正确地解决，具备一定的“计算思维”能力，并逐步加以提升，有助于我们更加科学、合理和高效地解决实际问题。运用“计算思维”的思想解决实际问题，简单的看就是在对问题进行深入细致地分析的基础上，首先将一个大的复杂的问题，分解为若干小的简单的问题，如果分解后的问题仍然比较大和复杂，就继续分解，直到简单和小到能直接解决为止。其次是确定一个解决问题的粗略的方法和步骤，再对粗略的步骤反复进行进一步的细化，直到每一个步骤都能很容易的完成为止。而这与计算机程序设计的思想有着极高的契合度，所以说，学习程序设计是培养和提高“计算思维”能力的最有效的途径之一。下面我们通过设计程序，解决人与计算机之间玩“石头剪刀布”游戏的人机博弈问题，做一个简单的阐述。大家应该对“石头剪刀布”这一猜拳游戏都比较熟悉，该游戏一般由两个人玩，每一局都是两个人同时出石头、剪刀或布中的任意一个，按照石头赢剪刀、剪刀赢布、布赢石头的规则判定胜负，可以一局定胜负，也可以三局两胜，或者五局三胜等。多局定胜负的问题相对比较复杂一些，但我们可以运用“计算思维”的思想，将其简化，先考虑解决一局定胜负的问题，然后运用循环控制一局定胜负的程序代码段执行若干次，并相应地做好胜负局数的统计计数工作即可。以下是关于一局定胜负情况的讨论。游戏的关键点主要有两点，一是两个人所出的拳是什么，二是判定胜负的规则。实际生活场景中，两个人之间玩该游戏时，石头、剪刀、布可以通过从口中喊出来，也可以用手势表示，胜负则直接由人来判断，而人与计算机之间玩该游戏，实质上，就是把两个人中的一个变成计算机，出拳与胜负判断保持不变。按计算思维的思想，首先来解决第一个关键点，即人和计算机出的拳是什么的问题。先考虑人，现实中两个人之间游戏时，出拳的信息是由口喊或手势确定的，前者出拳信息的载体是音频，后者的载体是图像，这两种载体形式让计算机来判定到底是石头、剪刀、布中的哪个，需要通过诸如麦克风、摄像头等设备输入到计算机中，并借助人工智能技术中的声音识别或图像识别完成，比较复杂，不是同学们当下能够完成的。同理，让计算机喊出，或者用图像显示出石头、剪刀、布，尽管相对容易一些，可同样不是一件简单的事情。可见，我们需要对如何确定和表示石头、剪刀、布的问题进行进一步研究。通过分析和抽象可知，石头、剪刀、布本质上是三个不同的符号，是游戏中需要输入的数据，而Python中的简单数据类型不外乎数值型、字符型、逻辑型等，能否从这些基本类型中选择其中的一种来表示石头、剪刀、布呢？答案是肯定的，最简单直接的方法是用字符类型，用汉字的石头、剪刀、布，当然也可以用大家比较熟悉的相应的英文单词表示，但是考虑到字符类型无法进行数学中诸如加减乘除等运算，所以我们选择用数值类型，即用三个整数0、1、2依次代表石头、剪刀、布，这样做的优点是简单，而且还可以进行数学计算，缺点是比较抽象。其次是胜负关系的判断，依据人机出拳的组合，共有9种情况，如下面的表1所示。表1：表2：在确定好以表2的形式表示问题后，接下来就需要考虑具体如何解决问题了。按计算思维的思想，需要先确定解决问题的粗略步骤。初步看大致需要以下三步：⒈输入（Input），输入人和计算机分别出的拳是石头、剪刀、布中的哪一个；⒉计算处理（Process），依据人和计算机的出拳，计算判定胜负；⒊输出（Output），输出胜负结果。即通常所说的IPO结构。一、输入的细化第一步先解决人的输入，考虑到采用整数0、1、2依次代表石头、剪刀、布，这样约定尽管简单有效，但毕竟不直观，由于不知道0、1、2到底是什么含意，所以可能会给玩游戏的人带来困扰，解决方法是增加0、1、2含义的提示。第二步考虑计算机的输入，即计算机如何出拳？实际上，计算机与人一样，它应该从石头、剪刀、布（即0、1、2）中随机地任意选取一个，所以，可以用计算机中的随机函数产生0、1、2三个数字中的任意一个，代表计算机的出拳。二、计算处理的细化由表2可知，人机出拳的组合共有9种情况，分别用相应的条件直接判断就可以，比如：如果人出0（石头），并且计算机也出0（石头），则为平局。三、输出的细化输出比较简单，只需要结合相应的出拳情况判断结果，直接输出平局、人胜、机胜即可。于是，我们可以得到如下的Python源程序代码。显然，上述程序可以采用条件语句的嵌套形式进行优化，此处不再赘述。上述程序尽管可以完成人机之间玩石头剪刀布的游戏，但是在胜负结果的判定上使用了9条条件语句，不仅繁琐，而且效率低下，有待改进。为此，我们进一步分析表1，可以看出，胜负结果有3种情况，分别是：平局、机胜、人胜，仿照石头、剪刀、布依次用整数0、1、2表示，胜负结果中的平局、机胜、人胜也依次用整数0、1、2表示，于是可以得到如下表3所示的判断胜负的表。表3：如果把表示胜负结果的数字连接到一起，可以得到一个数字串“021102210”，把它存储到一个字符串中，再依据人机出拳的数值换算出其在字符串中的位置（表4），取出存储胜负结果字符串中相应位置上的字符，就能得出胜负结果了。表4：经过分析和归纳总结，可以得到如下的公式（函数）：p=3*i+j（其中，i表示人的出拳，j表示计算机的出拳，p表示该出拳组合对应的判定胜负字符串中的位置。例如，人出剪刀（i=1），计算机出布（j=2），代入公式可得：p=3*i+j=3*1+2=5，字符串5号位置上存储的是字符“2”，即人胜（注：Python中字符串中第一个字符的位置编号为0）。改进后的程序如下。上述程序中，人和计算机出的拳采用0、1、2表示，不够直观，需要改进。另外，胜负关系用一个如下表5所示的二维表的形式描述，更容易理解。但这两点都需要我们进一步学习Python中更多的数据类型，尤其是列表类型，才能有效解决。在学习列表类型后，可以知道，人机的出拳可以用一个一维列表表示，胜负关系的判定可以采用一个二维列表。

将数据用相应的列表表示后，可以得到如下的代码。可以看出，引入列表后编写的程序更加简捷高效了。其实，真正高效的程序应该是从数学角度作深入的研究，将计算处理部分尽可能地用数学中的公式（函数）表示。对上述表3中的数据进行更加深入地研究，得到表6的结果。表6：观察表6可以看出：i-j的值有6种情况与胜负结果w相同，另外3种不一样的序号分别为：1、2、5，他们共同的特点是：依据i-j的结果，大于等于0的与胜负结果一致，小于0的不一致。进一步研究i-j小于0的三种情况，可以发现，如果用(i-j)+3就与结果一致了。直观的想法是采用数学中的分段函数：该分段函数在Python中可以直接用条件语句实现。程序大家可以自己编写。下面我们把表6中增加一行i-j+3的计算结果，得到表7，再进行研究。表7：可以发现，如果取((i-j)+3)除以3的余数，就与胜负结果一致了！也就是表8。表8：可见人出拳的数值i，计算机出拳的数值j，与胜负判定的数值w，存在如下函数关系：w=((i-j)+3)%3

（%表示模余运算，即取余数）例如，人出剪刀（i=1），计算机出布（j=2），代入如上的代数式，可得：w=((i-j)+3)%3=((1-2)+3)%3=2（人胜）为了使输出更加直观，我们引入一个表示胜负的一维列表，代码如下。需要指出的是，由于Python中直接对负数进行模余运算得到的余数与胜负结果的数值一样，所以在上述程序中“计算胜负结果对应的数值”的语句可以直接写为：iWin=(iFingerOfPerson-iFingerOfComputer)%3程序运行结果也正确。以上所有的程序代码中，都仅仅是提示用户输入0、1、2，但万一有人不小心输入了一个其他的数字或字符，就会引发程序错误，为此，我们需要对人的输入进行检测，强制其只能输入0、1、2，直到其输入正确为止，也就是说在人输入错误的情况下，要求