讓我們一起來談談編程！
大家好！歡迎來到精彩的編程世界。即使你從未寫過一行程式碼，也請不用擔心。把編程想像成學習一種新語言，用來與電腦溝通。你不再說「請」，而是使用特定的指令來確切地告訴電腦該做什麼。
在本章中，我們將學習如何像解難者一樣思考、規劃解決方案、編寫電腦指令，甚至找出並修正錯誤。這是一項超有用的技能，不只適用於資訊及通訊科技科，更能應用於解決現實生活中各種各樣的問題。讓我們開始吧！
1. 從問題到計劃：先思考，後編碼
在你告訴電腦該做什麼之前，你需要一個清晰的計劃。優秀的程式員花在思考和規劃上的時間，比輸入程式碼的時間更多。這個規劃階段稱為運算思維 (Computational Thinking)。
a. 理解問題
第一步始終是理解你需要達成什麼目標。
我們將其分為三個部分：
• 輸入 (Input)：程式開始時需要什麼資訊？（例如：要相加的兩個數字）
• 處理 (Process)：程式需要採取哪些步驟？（例如：相加數字的動作）
• 輸出 (Output)：程式最終應顯示什麼結果？（例如：兩個數字的總和）
想像你正在煮即食麵。
輸入：麵、熱水、調味包。
處理：1. 打開蓋子。2. 加入調味料。3. 倒水。4. 等待3分鐘。
輸出：一碗美味的麵條！
有時候，一個問題可能太大。所以我們使用拆解問題 (decomposition) — 將大問題分解成更小、更易於管理的小問題。解決許多小問題，遠比解決一個巨大問題要容易得多。
b. 設計演算法
演算法 (algorithm) 只是解決問題的一系列步驟說明，一個比較專業的術語。它是你給電腦的「食譜」。在我們編寫程式碼之前，有兩種常用方法來記錄我們的演算法。
虛擬碼
虛擬碼 (Pseudocode) 意指「假的程式碼」。這是一種使用簡單英語來寫出演算法的方式，但其結構看起來有點像真實的程式編寫。它沒有嚴格的規則，但能幫助你組織思緒。
例子：找出兩個數字平均值的演算法。
1. 從使用者取得第一個數字（我們稱之為 Num1）。
2. 從使用者取得第二個數字（我們稱之為 Num2）。
3. 將 Num1 和 Num2 相加來計算總和 (Sum)。
4. 將總和 (Sum) 除以 2 來計算平均值 (Average)。
5. 向使用者顯示平均值 (Average)。
程式流程圖
流程圖 (flowchart) 是一種使用標準符號來表示演算法的視覺化方法。它幫助你「看見」程式的流程。
常用符號：
• 橢圓形 (終止符)：用於表示「開始」和「結束」點。
• 平行四邊形 (輸入/輸出)：用於獲取輸入或顯示輸出。
• 矩形 (處理)：用於計算或賦值等動作。
• 菱形 (判斷)：當程式需要做出選擇時使用（例如：IF 語句）。它總是會有兩個輸出路徑：「是」和「否」。
• 箭頭 (流程線)：顯示程式流程的方向。
乾跑與追蹤表
你如何知道你的演算法是否有效，甚至不用編寫程式碼？你可以假裝自己是電腦！這稱為乾跑 (dry run)。
追蹤表 (trace table) 幫助你記錄演算法每一步驟中變數的值。這是找出邏輯錯誤的一項重要技能。
重點提示：在編寫任何實際程式碼之前，請務必使用虛擬碼或流程圖等工具來規劃你的解決方案。一個好的計劃能為你節省大量時間！
2. 程式的基石：變數、資料與運算子
程式與資料協同運作。為了處理資料，我們需要將它儲存在某處並給予一個名稱。這就是變數和常數發揮作用的地方。
a. 變數與常數
• 變數 (variable) 就像一個有標籤的盒子，你可以將資訊儲存在裡面。盒子裡的資訊可以隨時改變。例子：`userScore`（使用者分數）、`age`（年齡）、`name`（姓名）。
• 常數 (constant) 是一個內容設定一次後就永遠不能更改的盒子。例子：`PI = 3.14159`（圓周率π）、`MAX_ATTEMPTS = 3`（最大嘗試次數）。
b. 資料類型
電腦需要知道你正在儲存的是哪種資料。這稱為資料類型 (data type)。
• 整數 (Integer)：儲存整數。（例如：10, 0, -99）
• 實數 / 浮點數 (Real / Float)：儲存帶有小數點的數字。（例如：98.6, 3.14, -0.05）
• 字元 (Character)：儲存單個字母、數字或符號。（例如：'A', '7', '$'）
• 字串 (String)：儲存一串字元（文字）。（例如：「Hello World」、「陳先生」）
• 布林值 (Boolean)：只能有兩個值：真 (True) 或 假 (False)。它就像一個電燈開關：開或關。
快速回顧：選擇資料類型
你的年齡？ -> 整數
一杯飲料的價格？ -> 實數<
你的成績（A, B, C）？ -> 字元
你的名字？ -> 字串
門是開著的嗎？ -> 布林值
c. 簡單資料結構：陣列
陣列 (array)（或列表）是相同資料類型的項目集合，它們儲存在一起。把它想像成一排儲物櫃或一個雞蛋紙盒。每個「儲物櫃」都有一個索引號碼，以便你可以直接存取它。
例子：一個名為 `scores` 的陣列，用來儲存5位學生的測驗分數。
`scores` = [85, 92, 78, 66, 95]
要取得第二位學生的分數，你可能會使用 `scores[1]` （在許多程式語言中，索引是從0開始的！）。
d. 運算子：動作詞
運算子是用於對資料執行操作的符號。
• 算術運算子 (Arithmetic Operators)：用於數學運算！`+`（加）、`-`（減）、`*`（乘）、`/`（除），以及 `mod`（取模運算，返回除法的餘數。例如：10 mod 3 的結果是 1）。
• 關係運算子 (Relational Operators)：用於比較事物。它們的結果總是一個布林值（真/假）。
`==`（等於）、`!=` 或 `<>`（不等於）、`>`（大於）、`<`（小於）、`>=`（大於或等於）、`<=`（小於或等於）。
• 布林 (邏輯) 運算子 (Boolean (Logical) Operators)：用於組合真/假條件。
AND（與）：兩個條件都必須為真。（例如：`age > 18 AND hasTicket == True`）
OR（或）：至少一個條件必須為真。（例如：`day == "Saturday" OR day == "Sunday"`）
NOT（非）：反轉值。（例如：`NOT isRaining`）
重點提示：變數儲存資料。每項資料都有一個類型。運算子讓你能夠對該資料執行數學運算、比較和邏輯檢查等動作。
3. 控制流程：做出決策和重複動作
程式並非總是從上到下執行。我們需要使用控制結構 (control structures) 來控制其執行路徑。
a. 順序結構
這是預設的流程。指令按照它們編寫的順序一個接一個地執行。簡單直接。
1. 取得輸入。
2. 進行計算。
3. 顯示輸出。
b. 選擇結構（做出選擇）
當程式需要做出決策時，就會使用這種結構。我們使用 IF-THEN-ELSE（如果-那麼-否則）語句。
比喻：「如果下雨，那麼我會帶傘，否則我會戴太陽眼鏡。」
• 二元選擇 (IF-ELSE)：在兩條路徑之間做出簡單選擇。
• 多重選擇 (IF-ELSEIF-ELSE)：用於在兩個以上選項之間進行選擇。
例子：
如果分數 >= 80 那麼顯示「優秀」
否則如果分數 >= 60 那麼顯示「良好」
否則顯示「有待改進」
c. 重複結構（重複動作）
重複結構 (Iteration)，或稱為迴圈 (loops)，用於重複執行一段程式碼多次。這非常有用！
• 計數控制迴圈 (FOR 迴圈)：當你清楚知道要重複某件事多少次時，就使用這種迴圈。
例子：「重複10次：拍手。」
`FOR i FROM 1 TO 10`
` PRINT "拍手！"`
`ENDFOR`
• 條件控制迴圈 (WHILE 迴圈)：當你希望只要某個條件為真就重複執行時，就使用這種迴圈。你可能不知道需要重複多少次。
例子：「當杯子未滿時，繼續倒水。」
`WHILE 密碼不正確`
` 再次要求使用者輸入密碼`
`ENDWHILE`
• 巢狀迴圈 (Nested Loops)（進階）：這是一個迴圈套在另一個迴圈裡面。內層迴圈會在每執行一次外層迴圈時，完成其所有的重複次數。
想像一個時鐘：秒針（內層迴圈）跳動60次，分針（外層迴圈）才剛好跳動一次。
重點提示：三種基本的控制結構是順序結構 (Sequence)（一步一步執行）、選擇結構 (Selection)（使用 IF 進行選擇）和重複結構 (Iteration)（使用迴圈進行重複）。掌握這些是程式編寫的關鍵！
4. 進階演算法與資料結構
一旦你掌握了基礎知識，你就可以開始使用標準、經過驗證的演算法和更有組織的資料結構來解決更複雜的問題。
a. 搜尋演算法
你如何在一個列表（陣列）中找到特定項目？
循序搜尋 (Linear Search)
這是一種簡單、暴力破解的方法。你從列表的開頭開始，逐一檢查每個項目，直到找到你要找的，或者到達列表的末尾。
• 優點：超級容易實現。適用於任何列表，無論是否排序。
• 缺點：如果列表很長，可能會非常慢。
比喻：在一個完全沒有整理的書架上，從左到右逐一檢查每本書的標題，來尋找一本特定的書。
二分搜尋 (Binary Search)
這是一種快得多、「分而治之」的方法。重要：它只適用於已排序的列表。
1. 查看列表的中間項目。
2. 如果是你要的項目，你就完成了！
3. 如果你要的項目較小，你可以忽略列表的整個後半部分。
4. 如果你要的項目較大，你可以忽略列表的整個前半部分。
5. 對剩餘的部分重複此過程，直到找到該項目。
• 優點：速度極快，即使對於非常大的列表也一樣。
• 缺點：列表必須先經過排序。
比喻：在字典中查一個單字。你不會從「A」開始查起；你會翻到中間，發現翻過頭了，然後再集中搜尋前半部分。
b. 排序演算法
排序意指將一列表的項目按照特定順序（例如：升序或降序）排列。
氣泡排序 (Bubble Sort)
這種演算法會重複遍歷列表，比較相鄰項目，如果它們的順序不正確就交換它們。這個過程重複進行，直到列表排序完成。
比喻：較大的數字會像水中的氣泡一樣，慢慢地「浮」到列表的末端。它易於理解，但效率不高。
插入排序 (Insertion Sort)
這種演算法一次一個項目地建立最終的排序列表。它從輸入列表中取出每個項目，並將其「插入」到列表中已排序部分的正確位置。
比喻：就像你整理一副撲克牌一樣。你一次拿起一張牌，然後將它放入你已經拿在手中的牌中正確的位置。
選擇排序 (Selection Sort)
這種演算法將列表分成已排序和未排序兩部分。然後它會重複地從未排序部分找出最小（或最大）的元素，並將其移動到已排序部分的末尾。
比喻：在隊伍中找到最矮的人並將他移到最前面。然後從剩下的人中找到次矮的，將他移到第二個位置，依此類推。
c. 堆疊與佇列（作為陣列）
這些是在列表中管理資料的方式，對增添和移除項目有特定的規則。
堆疊 (Stack)
遵循 LIFO 原則：後進先出 (Last-In, First-Out)。
• 你只能將新項目加入到頂部（稱為推入 (push)）。
• 你只能從頂部移除項目（稱為彈出 (pop)）。
比喻：一疊盤子。你把一個乾淨的盤子放在最上面，然後你從最上面取走一個盤子。最底下的盤子是第一個放進去的，但它將是最後一個被取出來的。
佇列 (Queue)
遵循 FIFO 原則：先進先出 (First-In, First-Out)。
• 新項目會被加入到尾部（稱為入佇列 (enqueue)）。
• 項目會從頭部被移除（稱為出佇列 (dequeue)）。
比喻：等巴士的隊伍。第一個排隊的人是第一個上巴士的人。
重點提示：知道正確的演算法（例如用於排序列表的二分搜尋）可以讓你的程式運行得更快。堆疊和佇列是簡單但強大的組織資料方式，它們帶有存取規則。
5. 程式碼組織與風格
編寫好的程式碼不只是讓它能運行。它還包括讓程式碼整潔、易於閱讀和管理。
a. 模組化：子程式
與其編寫一個龐大的程式，不如將其分解成更小、獨立的迷你程式，稱為子程式 (sub-programs)（或函數 (functions)/程序 (procedures)）。每個子程式只負責一個特定的任務。
模組化的優點：
• 更容易閱讀：一個調用幾個命名良好子程式的主程式會更容易理解。
• 更容易除錯：如果計算稅款出現問題，你只需要檢查 `calculateTax()` 這個子程式。
• 程式碼重用：你可以在許多不同的地方使用相同的子程式，而無需重複編寫程式碼。
b. 參數傳遞
參數 (parameter) 是一種你「傳遞」給子程式以幫助它完成工作的資訊。
例子：在子程式 `calculateArea(length, width)` 中，`length` 和 `width` 就是參數。你給它數字，它會回傳面積給你。
c. 變數作用域：區域變數與全域變數
• 區域變數 (Local Variables)：這些變數宣告在子程式*內部*。它們只存在於該子程式內，也只能在該子程式內使用。這是一個良好的實踐，因為它可以防止程式其他部分意外地更改變數。
• 全域變數 (Global Variables)：這些變數在程式頂部宣告，可以從*任何地方*存取和更改。它們可能很有用，但也可能使你的程式難以除錯。請謹慎使用！
d. 檔案處理
變數將資料儲存在記憶體 (RAM) 中，這是暫時的。當程式結束時，資料就會遺失。為了永久儲存資料，我們使用檔案 (files)。你可以編寫程式來：
• 開啟一個文字檔。
• 從檔案中讀取資料。
• 將新資料寫入檔案。
• 將資料附加到檔案末尾。
• 修改或刪除檔案中的記錄。
• 關閉檔案（非常重要！）。
e. 良好程式編寫風格
這讓你的程式碼對你（將來）和對其他人來說都更容易理解。
• 有意義的命名：使用 `studentAge` 而不是 `x`。使用 `calculateAverage()` 而不是 `doStuff()`。
• 註解：在你的程式碼中留下簡短的註釋，解釋複雜的部分。電腦會忽略它們。
• 縮排和間距：使用一致的縮排（Tab 鍵或空格）來顯示程式碼的結構，尤其是在迴圈和 IF 語句內部。這對可讀性有巨大的影響！
重點提示：將大程式分解成更小的子程式。盡可能使用區域變數。編寫整潔、註解清晰的程式碼。這是送給未來自己的禮物！
6. 找出並修正錯誤：測試與除錯
從初學者到專家，每個程式員都會產生錯誤（bugs）。這是程式編寫過程中正常的一部分！關鍵的技能在於找出它們（測試）並修正它們（除錯）。
a. 程式錯誤的類型
語法錯誤 (Syntax Errors)
這些是你程式碼中的「文法」錯誤。你違反了程式語言的規則，例如拼錯指令或忘記了一個括號。
• 如何發現：電腦通常會拒絕運行你的程式，並會給你一個錯誤訊息，通常會指向錯誤所在的行。
• 比喻：用英文寫「The cat chase mouse」（貓追老鼠）。文法是錯的。
邏輯錯誤 (Logic Errors)
這些是最棘手的錯誤。程式運行得非常順利，沒有崩潰，但它給出的答案是錯誤的，或做了錯誤的事情。電腦正在完全按照你告訴它的去做，但你的指令在邏輯上有缺陷。
• 如何發現：你需要使用不同的輸入來測試你的程式，並檢查輸出是否正確。追蹤表是找出這些錯誤的最佳幫手！
• 比喻：一個食譜告訴你加一湯匙鹽而不是一茶匙鹽。食譜照樣能執行，但結果會很難吃。
執行階段錯誤 (Run-time Errors)
這些是程式*運行時*發生的錯誤。語法是正確的，但程式被要求做一些不可能的事情，導致其崩潰。
• 例子：試圖將一個數字除以零，或者試圖存取陣列中不存在的項目（例如：要求取得一個只有5個項目的列表中的第10個項目）。
• 比喻：完美地跟隨地圖指示，但指示卻讓你開車衝下懸崖。
b. 測試你的程式
為了找出錯誤，你必須使用一套良好的測試數據 (test data) 來測試你的程式碼。
• 正常數據：合理、預期的輸入，以查看程式是否正確運行。
• 極端數據：可能的最大和最小有效值。
• 邊界數據：恰好在允許範圍邊緣的值。這些對於找出錯誤非常重要！對於像 `age >= 18` 這樣的條件，你應該測試17、18和19。
• 無效數據：應該被拒絕的數據（例如：輸入「hello」作為你的年齡）。
c. 除錯 (Debugging)
除錯是修正錯誤的藝術。以下是一些技巧：
• 人工追蹤：使用追蹤表逐行檢查你的程式碼，就像你檢查演算法一樣。 • 輸出語句（標記）：在你的程式碼中添加臨時的打印語句，以顯示變數在不同點的值。這有助於你「看到」內部發生了什麼。 • 斷點：許多程式設計環境中的工具，讓你可以將程式暫停在特定的程式碼行。然後你可以檢查所有變數的狀態。
重點提示：錯誤是正常的。學習識別三種主要類型：語法錯誤、邏輯錯誤和執行階段錯誤。徹底測試你的程式碼，特別是使用邊界數據，以找出錯誤。使用除錯工具來修正它們。
7. 程式編寫在現實世界中的應用
程式編寫不只用於計算機和網站。它還用於與實體世界互動！
a. 與硬體互動
現代程式編寫通常涉及使用預先編寫的程式碼集合，稱為程式庫 (libraries) 或模組 (modules)。這些程式庫提供了簡單的指令，用於與以下硬體互動：
• 感應器 (Sensors)：從光線感應器、溫度感應器或加速規（檢測運動）讀取數據。
• 致動器 (Actuators)：控制馬達、LED 或揚聲器等裝置。
b. 事件驅動編程
許多現代應用程式並非從起始點運行到終點。相反，它們等待某些事情發生。這稱為事件驅動編程 (event-driven programming)。
事件 (event) 是一種動作，例如使用者點擊按鈕、計時器響起或感應器偵測到某些東西。
事件處理器 (event handler) 是一段特定的程式碼，當特定事件發生時會運行。
比喻：一部自動售賣機。它坐著等待（什麼都不做），直到「使用者按下按鈕」這個事件發生。當事件發生時，「派發飲料」的事件處理器程式碼就會運行。
圖形使用者介面 (GUIs)、智能手機應用程式和機械人技術就是這樣運作的！
重點提示：程式編寫可以使用程式庫和事件驅動的方法，來連接軟件和實體世界，讓程式對感應器輸入或使用者動作等事件作出反應。