歡迎來到「展望未來」(Thinking Ahead)！
在本章中，我們將探討運算思維 (computational thinking) 中最重要的一環。在程式設計師動手編寫程式碼之前，他們必須先進行規劃。展望未來的精髓在於預視程式的發展，釐清它需要什麼才能啟動、它將產生什麼結果，以及如何提升其效率。
如果起初覺得這些概念有些抽象，別擔心！其實你日常生活中已經在運用這些思維，只是自己沒察覺而已。讓我們深入了解吧！
1. 識別輸入與輸出
每個電腦程式本質上都是一個「處理機器」。它接收一些東西、進行處理，最後吐出結果。
輸入 (Inputs)：這是系統解決問題所需的數據。它們可以來自使用者（例如輸入密碼）、感應器（例如溫度計）或其他檔案。
輸出 (Outputs)：這是系統處理完輸入後，最終產生的結果或資料。
現實生活中的比喻：製作水果冰沙
想像你正在為一部果汁機「編寫程式」來製作冰沙：
• 輸入：香蕉、牛奶、冰塊，以及按下「開始」按鈕的訊號。
• 處理：刀片旋轉並攪碎食材。
• 輸出：一杯冰涼的液體冰沙，以及完成後的「嗶」聲提示。
逐步教學：如何識別輸入與輸出
在考試遇到問題時，試著問自己這兩個問題：
1. 「電腦在開始執行前需要知道什麼資訊？」（這就是你的輸入）。
2. 「使用者在最後期望看到或收到什麼？」（這就是你的輸出）。
例子：貨幣轉換器
• 輸入：金額、目前的匯率。
• 輸出：轉換後的金額。
快速回顧：
• 輸入 = 進入系統的資料。
• 輸出 = 從系統產出的資訊。
重點總結：在開端清晰地識別輸入與輸出，能防止你開發出的程式「忘記」索取關鍵資訊，或是無法提供使用者所需的結果。
2. 確定前置條件 (Preconditions)
前置條件是指在程式或特定函數成功執行前，必須滿足的需求。如果前置條件未達到，程式可能會崩潰或產生錯誤的結果。
可以這樣想：在開車之前，一個「前置條件」是你必須擁有車鑰匙和有效的駕駛執照。如果這些條件不滿足，駕駛這個「過程」就無法進行。
為什麼要使用前置條件？
• 安全性：確保程式不會嘗試執行不可能的任務（例如除以零）。
• 效率：如果程式知道前置條件已滿足，就不必在主程式碼中不斷浪費時間檢查錯誤。
• 清晰度：清楚告知其他程式設計師，程式運作所需的基本條件。
例子：計算平方根
如果你編寫了一個函數來計算數字 \( x \) 的平方根：
• 前置條件： \( x \geq 0 \)（在大多數基礎程式設計中，你無法求負數的平方根）。
• 如果使用者輸入 \(-5\)，則違反了前置條件，程式應該在嘗試計算之前就處理這個錯誤。
要避免的常見誤區：不要混淆輸入與前置條件。輸入是你給予程式的資料；而前置條件則是該資料必須遵守的規則。
重點總結：前置條件就像一份「契約」。它們的意思是：「只要你給我正確類型的輸入，我就保證給你正確的輸出。」
3. 可重複使用的程式組件
在計算機科學中，我們討厭做白工！展望未來意味著要識別出程式中未來，或在目前專案的其他部分中可以再次使用的部分。
可重複使用的組件 (Reusable components) 是指設計用來在許多不同程式中使用的程式碼區塊（例如函數、程序或函式庫）。
重複使用的好處：
• 節省時間：你不必為常見任務（如排序清單或驗證電子郵件地址）重複編寫程式碼。
• 更容易測試：如果一個組件之前已經使用過且運作良好，你就不需要再次除錯。
• 可靠性：熱門的函式庫（例如 Python 中的 math）已經過成千上萬人的測試，非常可靠。
「樂高」比喻
將可重複使用的組件想像成樂高積木。你不會每次想蓋城堡時都重新製作一塊塑膠磚；你會使用標準化的積木，因為你知道它們能完美契合。之後，你還可以用這些相同的積木來蓋一艘太空船！
記憶法：重複使用的「T.E.D.」原則
可重複使用的程式碼應該是……
• Tested（已測試：你知道它能運作）。
• Efficient（高效率：節省編碼時間）。
• Distinct（明確：它能出色地執行一個清晰的任務）。
你知道嗎？現代大多數軟體中，高達 70% 到 80% 的程式碼都是使用函式庫中可重複使用的部分！專業的程式設計師很少「從零開始」。
重點總結：透過「展望未來」並建立模組化、可重複使用的程式碼，你會讓工作變得更輕鬆、更快速，也更專業。
總結檢查清單
在進入程序化思維 (Thinking Procedurally) 之前，請確保你能夠：
• [ ] 列出簡單情境（如自動提款機）的輸入與輸出。
• [ ] 解釋什麼是前置條件並舉例說明。
• [ ] 解釋為什麼使用可重複使用的組件（函式庫/子程序）比從零開始編寫更好。
做得好！你現在已經具備運算規劃者的思維了。繼續加油！