程序 · 学径

第 1 课

程序：机器之心

把计算步骤写成机器可执行的形式。

艾达·洛夫莱斯，约1840年，阿尔弗雷德·爱德华·查隆绘。来源：Wikimedia Commons / Science Museum Group，公有领域。

导言

课程目标

理解「程序」：先做什么、再做什么、何时停止。

写出第一行Python代码，让你的计算机向世界问好！

现象

分析机：不只是更快的算盘

查尔斯·巴贝奇的分析机试验模型 — 查尔斯·巴贝奇分析机的运算部件试验模型，1834–1871，伦敦科学博物馆藏。来源：Wikimedia Commons / Science Museum，CC BY-SA 2.0。

多数人以为：只是更快的计算器。

现象

艾达看见的，不只是算术

若能按规则操作符号，也能处理音乐与图形。

现象

ENIAC：换线缆，就换计算过程

宾夕法尼亚大学穆尔学院的 ENIAC — ENIAC 功能表前的操作，1946年。U. S. Army Photo。来源：Wikimedia Commons，公有领域。

改变连接方式，就改变机器在做什么。

原理

什么是计算过程

计算 $3\times 4 + 5$ ：

先算前两项的积 $3\times 4$ ，得到 12
再算它与第三项的和 $12 + 5$ ，得到 17

原理

步骤相同，数字可变

改变数字并不会改变计算的过程，比如：

换成 $6\times 5 + 4$ ，仍是这两步：

先算前两项的积 $6\times 5$ ，得到 30
再算它与第三项的和 $30 + 4$ ，得到 34

原理

代数化

既然如此，不如写成

$a\times b + c$

不再用于具体的数字计算，而是表示一个抽象的「计算的过程」。

原理

改写成机器能懂的语言

用 0 与 1 写成的机器语言 — 示意图：机器以二进制编码将要执行的步骤。为本课绘制。

线缆的连接，或二进制代码。

讨论

机器与程序缺一不可

单有机器：一堆耗电的器件。

单有步骤：纸上的数学题。

二者合在一起，才算计算机科学。

原理

语言是人机之间的翻译

对于我们人类来说，不论是电源的开关游戏，还是0、1的二进制谜语，都太难掌握了。

编程语言就是让人类把计算过程用特定的符号来表示，然后再把符号翻译成机器可执行的指令。

讨论

本课选用 Python

Python 语言官方标志。设计：Tim Parkin；Python Software Foundation 商标。来源：python.org。

Python语言结构简单，语法接近人类的日常语言习惯。

在今天Python以及成为了数据处理相关领域里事实上的标准语言，为了不论从事哪类科学工作，都用得到Python

在很多大学里Python都是理工科的通识必修课。

例题

hello, world!

python

print('hello, world!')

请打开顶栏「在线 IDE」，当场运行。

原理

理解print

IBM 1403 宽行打印机，1959 年起用于主机把计算结果印在纸上。摄影：Crisco 1492。来源：Wikimedia Commons，CC BY-SA 3.0。

早期没有显示器，结果印在纸上。

例证

括号与引号

python

print(2 + 3)
print('2 + 3')

括号：限定要输出的内容，须用英文括号
无引号：理解为运算符号，先完成计算再输出
有引号：只按字面输出

先让学生猜两行各自输出什么，再点破。

辨析

语法错误

python

print(hello, world!)
print（'hello, world!'）
printer('hello, world!')

可挑一两组当场运行，读出 SyntaxError。

实践

本节练习

先打印 1.2 + 0.8 这几个字。

再打印相加结果，应为 2.0。

请打开「在线 IDE」。第一行是带引号的字面算式，第二行是去掉引号后的结果。

小结

本节要点

请你总结