歡迎來到「設計與編寫程式」！

你有沒有想過，你最喜愛的電子遊戲是怎樣知道你得了分數的？或者機械人是怎樣知道該往哪邊轉彎的？這一切的背後全靠編程（Programming）！

在這一課中，我們將會探索程式編寫員如何規劃、製作和修正電腦程式來達成特定目標。如果一開始覺得有點難，千萬不用擔心——寫程式就像玩一個有趣的解謎遊戲，我們會一步一步慢慢學！

1. 演算法與程式：有甚麼分別？

在我們動手按鍵盤之前，首先要明白兩個非常重要的詞彙：演算法（Algorithm）和程式（Program）。

甚麼是演算法？

演算法是一套清晰、精確且循序漸進的步驟指示，用來解決問題或完成一項任務。演算法是寫給人類閱讀和規劃用的。你可以用日常語言文字、流程圖（Flowchart）或故事板（Storyboard）來編寫演算法。

生活小比喻：試想想焗蛋糕的食譜，或是拼砌樂高（Lego）積木的說明書。如果你遺漏了其中一個步驟，蛋糕就無法順利烤好！

甚麼是程式？

程式是轉譯成代碼（Code）的演算法，好讓電腦或數碼裝置能夠執行它。在第二學習階段（KS2），你可能會使用圖形化積木程式語言（例如 Scratch），或是文字基礎的程式語言（例如 Logo 或 Python）來編寫程式。

你知道嗎？ 電腦是沒有常識的！它們不會猜測你想表達甚麼。如果你的指令不夠精確和明確，電腦只會盲目照著你給的指令去做——即使那是錯的！

核心重點： 演算法是按部就班的計劃；程式則是將這個計劃轉化成電腦代碼。

2. 計算思維的超能力

為了設計出優秀的程式，電腦科學家會使用三種特別的思考工具：

1. 拆解（Decomposition，把問題化整為零）

拆解是指將一個龐大而複雜的問題，分解成較小、較容易處理的部分。

例子：想像一下要設計一個電腦遊戲。與其一次過處理所有事情，不如將它拆解為：

• 第 1 部分：玩家角色如何移動。
• 第 2 部分：如何計算得分。
• 第 3 部分：遊戲結束時播放甚麼音效。

2. 抽象化（Abstraction，只聚焦於重要事項）

抽象化是指移除不必要的細節，讓你可以全神貫注於問題中最關鍵的部分。

例子：如果你正在編寫程式控制一輛賽車在跑道上行駛，你只需要關心它的速度和轉向方向。你完全不需要為賽車安全帶的顏色或車載收音機的牌子來編寫代碼！

3. 邏輯推理（Logical Reasoning，有條理地理清思緒）

邏輯推理是運用逐步的規則來預測程式會做出甚麼行為、解釋演算法如何運作，以及找出問題出在哪裡。

核心重點： 運用拆解將難題化整為零，運用抽象化忽略無關細節，並運用邏輯推理來預測和解釋代碼的運作方式。

3. 編程的四大核心基石

世界上幾乎所有電腦程式都是由四大核心概念構建而成的：順序、選擇、重複和變數。

A. 順序（Sequence，次序非常重要！）

順序是指指令由上至下、一項接一項執行的精確先後次序。

如果你改變了指令的順序，整個程式的運作結果就會徹底改變！

例子：想像一下早上起床穿衣服：
1. 先穿上襪子。
2. 再穿上鞋子。
如果你顛倒了順序，先穿鞋子再穿襪子，那可就大有問題了！

B. 選擇（Selection，作出決策）

選擇讓程式能夠根據某個條件是真（True）還是假（False）來作出決定。我們會使用 如果……那麼（if... then） 或 如果……那麼……否則（if... then... else） 積木來做到這一點。

例子：
• 如果 角色碰到金幣，那麼 得分增加 \(1\)。
• 如果 計時器歸 \(0\)，那麼 顯示「遊戲結束」，否則 繼續進行遊戲。

C. 重複（Repetition，迴圈與迭代）

重複（又稱為迭代 Iteration 或迴圈 Loops）是指重複執行同一組指令，而不需要將它們重複寫很多次。

迴圈主要分為兩大類：

• 次數控制迴圈（Count-Controlled Loops）： 指令會重複指定的次數（例如：「重複 \(4\) 次：向前移動 \(10\) 步，向右轉 \(90\) 度」來畫出一個正方形）。
• 條件控制迴圈（Condition-Controlled Loops）： 指令會一直重複執行，直到某些條件改變為止，或是永遠重複（例如：「重複執行直到碰到邊緣」或「重複無限次」迴圈）。

D. 變數（Variables，多變的儲存盒）

變數是電腦記憶體中一個已命名的儲存空間，用來保存可以在程式運行期間改變的資料（數值）。

記憶小貼士：想像它是一個貼了標籤的紙盒。你可以隨時打開盒子，換掉裡面裝著的數字！

在 KS2 專題研習中常見的變數例子包括：

• 得分（Score）： 由 \(0\) 開始，每次你收集到道具時增加 \(1\)（\(score = score + 1\)）。
• 計時器（Timer）： 由 \(60\) 開始倒數至 \(0\)。
• 生命值（Lives）： 由 \(3\) 開始，每次撞到障礙物時減少 \(1\)。

核心重點： 順序是步驟的先後次序；選擇用來作出決定；重複用來迴圈執行動作；變數用來儲存會改變的數值。

4. 輸入、輸出與實體系統

程式不僅僅留在電腦螢幕裡面——它們還可以與現實世界互動！

輸入與輸出（I/O）

• 輸入（Inputs）是傳送進入程式的訊號或資訊。例子包括按下鍵盤按鍵、點擊滑鼠、對著麥克風發出聲音，或按下實體裝置上的按鈕。
• 輸出（Outputs）是程式發送出來的訊號或動作。例子包括螢幕上的角色移動、揚聲器播放聲音、LED 燈亮起，或馬達開始轉動。

控制與模擬實體系統

你可以使用代碼來控制真實的實體裝置（例如 micro:bit 或 Crumble 控制板），或在螢幕上模擬（Model）真實世界的系統。

日常生活例子：

• 交通燈： 運用順序與計時器，將燈號依序切換：紅燈 \(\rightarrow\) 紅黃燈 \(\rightarrow\) 綠燈 \(\rightarrow\) 黃燈 \(\rightarrow\) 紅燈。
• 自動閘道器： 運用輸入感應器（偵測到有車輛接近）來觸發輸出馬達（升起閘桿）。
• 機械探測車： 運用傾斜感應器或光線感應器，引導探測車避開障礙物。

核心重點： 程式透過輸入接收數據，使用代碼處理這些數據，並透過輸出產生動作。

5. 軟件開發過程與除錯

要成功創作一個程式，需要經歷三個重要階段：

第 1 階段：設計（Designing）

千萬不要一開始就隨意亂拼代碼積木！首先，要用圖表、流程圖或文字步驟來規劃你的演算法，並運用拆解法將目標分解。

第 2 階段：編寫（Writing / Coding）

在你的編程環境中（例如 Scratch），將規劃好的演算法轉化為真正的代碼。一步一步慢慢建立你的代碼，切忌妄想一次過完成整個龐大的程式。

第 3 階段：除錯（Debugging，捉拿程式錯誤！）

演算法或程式中的錯誤稱為 Bug（程式漏洞）。而除錯（Debugging）就是找出、隔離並修正這些錯誤的過程。

如何成為除錯專家：

• 切勿胡亂猜測： 隨意搬動積木通常只會製造更多錯誤！
• 運用邏輯追蹤（Logical Tracing）： 就像電腦一樣，從最頂部開始逐塊積木由上而下仔細閱讀代碼。
• 檢查你的變數： 確保點擊綠旗時，所有變數都已經設定好正確的初始值。
• 逐步進行測試： 在把各部分連接起來之前，先分開單獨測試程式的每個小部分。

核心重點： 先規劃設計，分步編寫代碼，並保持冷靜運用邏輯推理來除錯，切勿靠猜測。

6. 常見錯誤與避免方法

以下是同學們最常遇到的一些陷阱——以及你可以如何避免它們：

• 「沉睡的 If」積木： 如果單獨放置一個 如果……那麼（if... then） 積木，電腦只會在程式一開始的一瞬間檢查條件一次。如果你想讓電腦持續不斷地檢查（例如：「我現在有沒有碰到迷宮的牆壁？」），請把 如果 積木放進重複無限次迴圈（Forever Loop）裡面！

• 混淆變數與靜態文字標籤： 變數不單純是螢幕上顯示的文字；它是記憶體中的一個容器，裡面的數值可以被代碼改變（例如增加 \(+1\) 或減少 \(-1\)）。

• 忽略了順序： 電腦是由上至下執行代碼的。如果你的角色在播放音效之前就隱藏了，請確保這真的是你想要的順序！

• 以為電腦擁有直覺： 電腦無法猜測你的心思。如果你的代碼指示角色移動 \(1000\) 步衝出螢幕邊緣，它就會百分之百照做！

7. 快速溫習總結

• 演算法（Algorithm）： 為解決問題而編寫的清晰、循序漸進之步驟指示。
• 程式（Program）： 用代碼編寫、可由電腦執行的演算法。
• 拆解（Decomposition）： 將大任務分解成較小、易於處理的細小部分。
• 順序（Sequence）： 嚴格由上至下按先後次序執行指令。
• 選擇（Selection）： 使用 如果……那麼……否則 來作出判斷決策。
• 重複（Repetition）： 使用次數控制迴圈或條件控制迴圈來重複執行指令。
• 變數（Variables）： 電腦記憶體中已命名的儲存盒，保存著可以改變的數值。
• 除錯（Debugging）： 運用邏輯推理找出並修正程式中的錯誤。