信息技術(shù)實驗的程序基礎(chǔ)：手機號碼的研究

吳俊杰

主持人手記：本專欄主要介紹信息技術(shù)實驗在基礎(chǔ)教育信息技術(shù)課當中的典型案例，并期望這些案例能夠促進信息技術(shù)課程學科合法性的提升、豐富信息技術(shù)課的教學內(nèi)容、拓展信息技術(shù)教師的課程設(shè)計視野。對此欄目有任何好的主意或建議，請發(fā)送稿件至towujunjie@163.com（主持人）或tougao1@chinaitedu.cn（雜志社）。

信息技術(shù)實驗最重要的核心概念是數(shù)據(jù)和穩(wěn)定的現(xiàn)象，接下來這個案例是要分析人們每天都接觸的數(shù)據(jù)—手機號碼當中有沒有一些穩(wěn)定的現(xiàn)象。

● 數(shù)據(jù)的第一個循環(huán)：個體數(shù)據(jù)分析

任務：統(tǒng)計自己能夠背下來的3個手機號碼，其中數(shù)字0～9出現(xiàn)的次數(shù)。

面對上面的任務，在Scratch語言中可以選擇如下不同的技術(shù)路徑。

路徑1：建立變量n0、n1一直到n9，按下0～9這10個按鍵之后，將變量n0～n9的數(shù)值分別加1。

路徑2：使用詢問─回答功能，輸入一個11位的號碼到變量“電話號碼”中，分析這個電話號碼的第1項一直到第11項，存儲在10個變量中或者存儲在一個長度為10的鏈表“號碼分析”中。

路徑3：用一個鏈表“號碼數(shù)據(jù)庫”存儲3個手機號碼，然后用類似路徑2的方法分別分析這三個電話號碼。

上面提供了解決這個問題的三種不同的技術(shù)路徑，它們在數(shù)據(jù)的獲取、存儲過程中都有所區(qū)別，見下頁表。

以上的分析，在Scratch之外的其他程序語言中也成立，鏈表可以被替代為數(shù)組，這個分析過程是對研究工具的分析，可以一開始就呈現(xiàn)給學生，也可以在總結(jié)的過程中作為提升簡介，還可以作為程序編寫的一個螺旋上升的過程呈現(xiàn)給學生。

路徑1的程序比較簡單，這里就不再贅述，這里比較路徑2當中的代碼使用變量“號碼”存儲回答的手機號，分析數(shù)據(jù)的核心代碼如圖1所示。

圖1所示的代碼可以改進為圖2所示的結(jié)構(gòu)，用另外一個循環(huán)變量j來減少代碼的長度，使用鏈表替代圖1中10個如果結(jié)構(gòu)（如圖2）。

代碼改進到這個程度時已經(jīng)涉及雙重循環(huán)，其教學的難度并不比代碼語言減少多少，主要難點在于理解雙重循環(huán)過程中變量的變化，Scratch中的單步執(zhí)行功能有助于提升教學效果，讓學生“發(fā)現(xiàn)算法”的效果要比教師“講授算法”的效果好得多，但是需要設(shè)計充分的教學支架。

學習使用圖2所示的代碼之后，學生已經(jīng)掌握了循環(huán)語句的基本結(jié)構(gòu)，并會搭建雙重循環(huán)，但是善于觀察的學生可以發(fā)現(xiàn)圖2的結(jié)構(gòu)可以被圖3所示的結(jié)構(gòu)代替，這樣完全不用使用“如果”語句就可以完成數(shù)據(jù)分析，而且改進后的代碼易讀性也得到了提高。

為了比較圖2和圖3程序的效率，我們在“分析當前號碼”啟動之后，將，程序完成后，比較兩種算法分析一段取每個數(shù)字10個字符長度為100的字符串的時間，實驗發(fā)現(xiàn)圖3所示的算法耗時2.53s，圖2所示的算法耗時29.22s，很顯然算法的改進不僅僅意味著代碼長度的變短，更重要的是完成任務的效率的提升，這種提升在分析大數(shù)據(jù)的時候尤其重要。

路徑3相對于路徑2的改進是將每次的回答輸入到鏈表“號碼數(shù)據(jù)庫”，然后依次分析號碼數(shù)據(jù)庫的第1項到第3項，這可能又會涉及雙重循環(huán)代碼的編寫。

下頁圖4用鏈表號碼數(shù)據(jù)庫來存儲多個號碼，其循環(huán)次數(shù)可以用“3”代替，但是使用的好處是程序的可移植性會好很多，如果輸入的號碼不止3個，圖4的程序可以自動地適應這種變化。

至此，我們完成了一個分析3個手機號當中每個數(shù)字出現(xiàn)的次數(shù)，并且從執(zhí)行時間、代碼長度、易讀性、可移植性四個方面分析了代碼的改進過程，代碼改進的過程稱為代碼進化，讓學生理解代碼進化的過程，主動追求代碼的進化，是將學生的編程能力引向深入的一個重要教學策略。

某位同學分析3個電話號碼最終的結(jié)果（如下頁圖5），在數(shù)據(jù)的分析和表達環(huán)節(jié)，根據(jù)這個數(shù)據(jù)，能否得出在手機號中出現(xiàn)最多的數(shù)字是0，其次是1？恐怕數(shù)據(jù)量還不夠大，這時就需要增加數(shù)據(jù)量。將同學們的數(shù)據(jù)進行匯總是一個好的方法。

● 數(shù)據(jù)的第二個循環(huán)：群體數(shù)據(jù)統(tǒng)計

在群體數(shù)據(jù)統(tǒng)計的過程中，數(shù)據(jù)的獲取是難點，可以讓每個學生將3個電話號碼存儲在.txt文件中，然后用一個Word文檔插入這些文件，將數(shù)據(jù)匯總在一起（如下頁圖6）。

將Word文檔另存為一個.txt文件，導入到鏈表“號碼數(shù)據(jù)庫”中，使用圖4所示的程序分析，得出圖7所示的56個號碼的統(tǒng)計匯總結(jié)果。

匯總結(jié)論發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)最多的不是0而是1，推翻了之前的猜想，而且數(shù)字4和2明顯小于其他數(shù)字，但是這是最后的結(jié)論嗎？恐怕還需要增大數(shù)據(jù)源的數(shù)目，那么，數(shù)據(jù)量大到什么程度才能比較精確地反映整體的情況，還是一個需要進一步研究的問題。在數(shù)據(jù)表達上采取了條形圖作為數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)手段。在數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)，同學們可以分析數(shù)字出現(xiàn)頻率不同的原因。

● 數(shù)據(jù)的第三個循環(huán)：數(shù)據(jù)挖掘

在數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域，研究的是已有數(shù)據(jù)中潛在的規(guī)律，雖然相比真正的數(shù)據(jù)挖掘，100組電話號碼太少了，但是我們可以將數(shù)據(jù)挖掘的思想和方法傳遞給學生。例如，要統(tǒng)計的樣本全集為100，那么采樣樣本數(shù)為多少的時候，使得部分數(shù)據(jù)的結(jié)論和總體數(shù)據(jù)的結(jié)論基本一致？再如，電話號碼的每一位出現(xiàn)最多的字符是什么？或者分析QQ號碼當中是否還存在頻率上存在優(yōu)勢的數(shù)字。通過數(shù)據(jù)挖掘，引導學生分析數(shù)據(jù)中的潛在規(guī)律，提升其對數(shù)據(jù)蘊含的潛在規(guī)律的敏感性。

● 小結(jié)

通過本案例，學生應該可以熟練地使用變量和鏈表、循環(huán)語句和如果語句。在接下來的課程中，程序的設(shè)計難度會變得越來越低，而根據(jù)信息技術(shù)實驗的目的，設(shè)計合適的程序，在數(shù)據(jù)的獲取、存儲、分析、表達的過程中，提升學生應用程序解決問題的能力，才是課程的高級目標。本案例從信息技術(shù)實驗核心概念數(shù)據(jù)和穩(wěn)定的對應關(guān)系出發(fā)，比較了三種不同難度和特點的技術(shù)路徑的效率，讓學生體驗了個體數(shù)據(jù)分析和群體數(shù)據(jù)匯總兩種工作方式，使得原本沒有規(guī)律的手機號碼，通過信息技術(shù)實驗，得出了規(guī)律，這是一個信息量減少的過程，而通過數(shù)據(jù)挖掘手段，提出新問題，找到新結(jié)論，就是一個信息量增加的過程。