例談“優(yōu)化思想” 在初中VB教學(xué)中的運(yùn)用

劉浩

在目前初中學(xué)習(xí)階段，程序設(shè)計(jì)已經(jīng)納入了信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)的范疇，而在以Visual Basic（以下簡(jiǎn)稱VB）為主要軟件的程序設(shè)計(jì)教學(xué)框架中，“優(yōu)化思想”已經(jīng)隨著教師的教學(xué)活動(dòng)的開展逐步被潛移默化地運(yùn)用。“優(yōu)化思想”是在有限種或無限種可行方案（決策）中挑選最優(yōu)的、最合理的方案（決策）的思想。問題的規(guī)模越大、復(fù)雜性越高，“優(yōu)化思想”在解決問題的過程中應(yīng)用的價(jià)值也就越明顯。全國(guó)大多數(shù)區(qū)域初中信息技術(shù)課中安排了程序設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，這部分知識(shí)在現(xiàn)階段教材中大多采用VB軟件作為教學(xué)用軟件。以這個(gè)軟件為例，教師在教學(xué)中需要不斷啟發(fā)學(xué)生對(duì)“優(yōu)化”一詞進(jìn)行體會(huì)，并且通過優(yōu)化以達(dá)到節(jié)約代碼量、高效解決問題的目的。本文就以日期格式這個(gè)實(shí)際問題來看“優(yōu)化思想”在初中VB教學(xué)中的運(yùn)用。

● 問題的提出

在生活中，我們常用某年某月某日這樣的格式來表示日期，而在計(jì)算機(jī)中提供了許多種不同的格式。但在一些特殊情況下需要將年月日全部提取出來組合為一個(gè)8位日期，如2018年10月18日對(duì)應(yīng)的8位日期值是“20181018”，2019年7月8日對(duì)應(yīng)的8位日期值是“20190708”。根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度，VB提供的函數(shù)只能獲取指定日期的月份和日期，但是當(dāng)月份和日期為一位數(shù)的時(shí)候并不會(huì)加以處理。例如，2019年7月8日利用函數(shù)實(shí)際獲得的內(nèi)容是“201978”，這就是一個(gè)常見的日期格式問題，如果不去引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用“優(yōu)化思想”來解決，將會(huì)給整個(gè)程序的運(yùn)行和后續(xù)學(xué)習(xí)的理解帶來麻煩。

● 問題的解決

在程序設(shè)計(jì)中，由于算法不同、程序語句的選擇與編寫不同，程序執(zhí)行的效果與效率也不同。為了能夠使解決問題的一般程序語句最少、占用內(nèi)存量少、處理速度最快、外部設(shè)備使用效率最高，于是便產(chǎn)生了通過對(duì)幾個(gè)不同的程序進(jìn)行比較、修改、調(diào)整或重新編寫，把一般程序變換成最優(yōu)程序的思想。當(dāng)問題被提出以后，學(xué)生開始思考是否有相應(yīng)的函數(shù)可以直接得出對(duì)應(yīng)的格式日期，但是小組之間討論了很久都沒有得出結(jié)論，于是我提醒學(xué)生，當(dāng)沒有指定功能的函數(shù)時(shí)，我們可以利用函數(shù)構(gòu)造新的更高級(jí)的函數(shù)。在我的指導(dǎo)下，學(xué)生找到了VB軟件提供的year、month、day、now等基礎(chǔ)函數(shù)，并且嘗試?yán)眠@些函數(shù)構(gòu)造8位完整的年月日數(shù)據(jù)。假設(shè)我們用變量SDate表示結(jié)果，再考慮到代碼的易讀性，就會(huì)有代碼1產(chǎn)生（如圖1）。

這樣的代碼可讀性較高，在編寫過程中學(xué)生也比較容易掌握賦值語句的寫法，但是過于繁冗。多出的3個(gè)變量，雖然不會(huì)影響程序的整體運(yùn)行效率，但是從軟件開發(fā)的整體設(shè)計(jì)思路來說，需要進(jìn)行精簡(jiǎn)，減少不必要的變量調(diào)用，那么我們的代碼可以優(yōu)化為代碼2（如上頁圖2）。

假設(shè)now（）函數(shù)取得的時(shí)間數(shù)據(jù)是“2019-7-8 12∶20∶20”，year函數(shù)用于獲取括號(hào)內(nèi)日期的年份，month函數(shù)用于獲取括號(hào)內(nèi)日期的月份，day函數(shù)用于獲取括號(hào)內(nèi)日期的日期。那么變量a的值是2019，b的值是7，c的值是8，構(gòu)造的SDate變量值為201978。因?yàn)楹瘮?shù)功能的限制，我們無法取得月份、日期兩個(gè)數(shù)據(jù)的兩位數(shù)寫法，也就是20190708。如b的值我們希望是07，而不是7。至此我們就需要在不足兩位數(shù)的月份和日期前補(bǔ)上一個(gè)“0”，才能滿足數(shù)據(jù)要求。

此刻學(xué)生開始分組研討該如何給需要補(bǔ)上“0”的數(shù)據(jù)補(bǔ)上“0”。學(xué)生在討論中得出結(jié)論：最重要的就是要判斷哪些日期需要加“0”。從月份和日期數(shù)據(jù)上看，1～9月都需要補(bǔ)一個(gè)“0”，1～9日也需要補(bǔ)一個(gè)“0”。此刻我一步步引導(dǎo)學(xué)生去觀察數(shù)據(jù)特征，得出只要判斷其長(zhǎng)度即可找到需要補(bǔ)“0”的數(shù)據(jù)解決方法。在我的不斷引導(dǎo)下，學(xué)生找到了判斷字符長(zhǎng)度的len函數(shù)，結(jié)合已經(jīng)學(xué)習(xí)的IF判斷語句即可解決問題。按照常規(guī)的代碼編寫方法，我逐步引導(dǎo)學(xué)生將代碼改寫為代碼3（如圖3）。

代碼3就是可以完整實(shí)現(xiàn)程序功能的代碼，運(yùn)行后可以輸出“20190708”這樣的結(jié)果。于是我讓學(xué)生在黑板上幫我繪制了本代碼的流程圖，多個(gè)判斷語句的存在使得流程圖非常復(fù)雜，代碼中使用了IF和多重IF判斷語句，增加了代碼的復(fù)雜性，且過多的判斷語句和多次運(yùn)用函數(shù)獲取月份和日期的做法，降低了代碼的運(yùn)行效率。于是在這里，我繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生思考如何再優(yōu)化代碼。上述代碼中SDate的構(gòu)成次數(shù)太多，而且判斷次數(shù)也多，我們可否將判斷放在最前面，構(gòu)造一個(gè)新的變量，然后將符合要求的變量進(jìn)行組合？在我的啟發(fā)下，學(xué)生找到了代碼4所示的解決方案（如圖4），進(jìn)一步提升了運(yùn)行效率。

代碼4比起代碼3已經(jīng)有了很大的優(yōu)化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且可讀性增加，重復(fù)調(diào)用的問題已經(jīng)被解決。在我的引導(dǎo)下，學(xué)生也在黑板上幫我將原先的流程圖簡(jiǎn)化了許多，但是依舊存在多個(gè)判斷語句。這部分代碼在實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下基本可以達(dá)到，“優(yōu)化思想”也不斷啟發(fā)著學(xué)生如何才能進(jìn)一步優(yōu)化代碼段。這段代碼在實(shí)際運(yùn)行中，還會(huì)建立兩次判斷語句，運(yùn)用b、c兩個(gè)新的變量。于是我進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生，充分運(yùn)用優(yōu)化的思想去剖析代碼：如何不用IF語句也能達(dá)到判斷或者解決長(zhǎng)度為1的月份、日期變成兩位數(shù)呢？

在教學(xué)的過程中我不斷啟發(fā)學(xué)生思考數(shù)學(xué)的借位算法，于是我將1到12月的12個(gè)數(shù)字在黑板上向下排開，一位數(shù)的前面加上“0”的時(shí)候，分組討論的學(xué)生瞬間想到了解決方案，即不去判斷變量長(zhǎng)度，所有月份都在前面補(bǔ)一位“0”，然后直接從右向左取兩位數(shù)即可。于是學(xué)生立刻用Right函數(shù)將代碼4優(yōu)化為代碼5（如圖5）。

最終的代碼不但實(shí)現(xiàn)了要求，解決了日期格式問題，而且大大提升了運(yùn)行的效率。學(xué)生在繪制完流程圖后驚奇地發(fā)現(xiàn)，流程圖也被精簡(jiǎn)到了最大程度。從代碼1到代碼5，體現(xiàn)的是運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件解決問題的一般過程，同時(shí)也體現(xiàn)了“優(yōu)化思想”在VB教學(xué)中的運(yùn)用，而通過本案例也總結(jié)了初中VB教學(xué)中“優(yōu)化思想”的教學(xué)建議。

● 問題的解決引發(fā)關(guān)于“優(yōu)化思想”運(yùn)用的思考

首先，將算法作為信息技術(shù)“優(yōu)化思想”的核心，讓學(xué)生運(yùn)用算法思維去優(yōu)化程序設(shè)計(jì)。不同的算法會(huì)影響程序編寫的方法、程序編寫的語言及程序編寫的難易程度，所以，算法的優(yōu)劣將直接影響所編程序的質(zhì)量，可以說算法是程序的靈魂。我們對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)際上就是對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化，在教學(xué)中，我為了解決這個(gè)實(shí)際問題，在代碼4已經(jīng)解決了問題后，又重新進(jìn)行了代碼的算法選擇，極大地提升了解決問題的效率。

類似的問題還出現(xiàn)在數(shù)學(xué)計(jì)算上，如求“1+2+…+100=”的值。對(duì)于這道題，我們可以采取循環(huán)結(jié)構(gòu)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析過程如圖6所示。

如果用VB程序進(jìn)行編寫，最后得到的程序語句如圖7所示。如果我們采用高斯算法進(jìn)行編寫，則該程序的編寫就更加簡(jiǎn)單、高效，參考程序如圖8所示。

很顯然，采用第二種算法，程序編寫更加簡(jiǎn)單，運(yùn)行起來也更加高效。因此，程序優(yōu)化要優(yōu)化程序編寫的過程與語句，使程序更容易編寫。

要想讓學(xué)生能夠在進(jìn)行程序編寫時(shí)將所編寫出來的程序最優(yōu)化，培養(yǎng)學(xué)生的算法思維必不可少。祝智庭教授在《新世紀(jì) 新理念 新教材》中提出，算法思維通常被認(rèn)為是解決問題的過程性思維方法，但我們可進(jìn)一步把算法思維看作是人與機(jī)器共通的思維形式。算法思維就是要能夠清楚地說明其規(guī)則。能將一個(gè)復(fù)雜的問題轉(zhuǎn)化成幾小塊并將其進(jìn)一步簡(jiǎn)化，這才是其本質(zhì)所在，也是數(shù)學(xué)、科學(xué)和設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技能。在程序設(shè)計(jì)教學(xué)中，教師應(yīng)通過對(duì)學(xué)生進(jìn)行算法思維訓(xùn)練與培養(yǎng)，使學(xué)生能夠清楚地懂得其中的規(guī)則，將一個(gè)復(fù)雜的問題轉(zhuǎn)化成幾小塊并將其進(jìn)一步簡(jiǎn)化。而對(duì)學(xué)生進(jìn)行算法思維的培養(yǎng)，則主要看重一個(gè)人是否具有條理化、反思性的思維習(xí)慣，能否將問題的細(xì)枝末節(jié)與總體規(guī)劃相結(jié)合地考慮問題，這是決定其是否能夠成功地解決問題的一個(gè)關(guān)鍵性因素。

其次，結(jié)合現(xiàn)實(shí)，提出問題，探討優(yōu)化策略，滲透“優(yōu)化思想”。在學(xué)科領(lǐng)域，針對(duì)學(xué)科核心思想的優(yōu)化研究，研究得比較多的是數(shù)學(xué)學(xué)科，其“優(yōu)化思想”主要集中在如何解決數(shù)學(xué)問題上。而在信息技術(shù)學(xué)科中，我們應(yīng)該結(jié)合現(xiàn)實(shí)問題，與學(xué)生展開探討，在解決實(shí)際問題的過程中讓學(xué)生體悟解決該類問題的方法，從中提煉出相關(guān)的優(yōu)化規(guī)則與思想，形成知識(shí)結(jié)構(gòu)，這樣的過程對(duì)知識(shí)的掌握和理解程度甚至學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)都大有益處。

本文用日期格式的問題展現(xiàn)了“優(yōu)化思想”如何在教師的運(yùn)用下，逐步引導(dǎo)學(xué)生去思考解決問題并用更優(yōu)化的方式解決。生活中我們常見的泡茶問題，將兩種解決方法放在一起，也會(huì)出現(xiàn)更優(yōu)的選擇：

方法一：

N1：準(zhǔn)備泡茶材料（茶杯、茶葉、水壺）;

N2：在茶杯中放茶葉;

N3：將水壺中的水燒開;

N4：泡茶。

方法二：

N1：取水壺?zé)_水;

N2：在燒水的等待中取茶杯、茶葉;

N3：水開后，泡茶。

從上面的例子中可以看出方法二明顯優(yōu)于方法一。日期格式問題只是我們?cè)诰幊探鉀Q實(shí)際問題中遇到的其中一個(gè)，還有許多問題值得研究和探索。比如計(jì)算星期幾、計(jì)算閏年等題目類型，都需要結(jié)合我們的現(xiàn)實(shí)情況給出相對(duì)應(yīng)的引導(dǎo)策略，一步步地吸引學(xué)生去開展更高效的學(xué)習(xí)。

最后，結(jié)合實(shí)踐操作，充分利用流程圖，感悟“優(yōu)化思想”。在程序編寫的過程中，帶領(lǐng)學(xué)生繪制對(duì)應(yīng)代碼的流程圖，依托流程圖去優(yōu)化代碼并且感悟“優(yōu)化思想”。這一點(diǎn)在本節(jié)課中有較多體現(xiàn)，從原來使用了IF語句的代碼結(jié)構(gòu)到后來最終的代碼，結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化。不斷優(yōu)化的過程中隨之帶來的是效率的提升和代碼量的減少，甚至解決問題的思路都發(fā)生了巨大變化，在這個(gè)過程中學(xué)生也能充分感受到“優(yōu)化思想”的巨大價(jià)值。

“優(yōu)化思想”對(duì)學(xué)生的影響是非常大的，今后他們?cè)谶\(yùn)用信息技術(shù)解決問題時(shí)，會(huì)去主動(dòng)尋找各種優(yōu)化的方法，從這個(gè)角度上講，“優(yōu)化思想”的掌握也有利于學(xué)生信息素養(yǎng)的提升。在信息技術(shù)學(xué)科的教學(xué)中，尤其是VB程序設(shè)計(jì)的教學(xué)，我們不能僅局限于優(yōu)化方法的講授，而是應(yīng)著重對(duì)學(xué)生進(jìn)行“優(yōu)化思想”的滲透，積極引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用“優(yōu)化思想”去嘗試解決遇到的問題，這對(duì)師生的教與學(xué)來說都是很有價(jià)值的。