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人工智能通识课:数据处理的程序化思维

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大语言模型能够生成代码,为什么还需要学习编程?因为代码生成之前,需要明确处理对象、规则和结果,并考虑计算方法与资源限制。程序化思维,就是把想法转化为可执行、可验证的处理方案。


图 1:大模型时代为什么仍要学习编程

学习 Python,既是学习表达数据与操作的方法,也是为了理解执行过程、调整代码并核验结果。将需求描述、代码实现和运行验证联系起来,才能更有效地借助大语言模型完成任务。

一、大模型时代的编程价值

1.1 从重复劳动到自动处理

比如,某学院收到 200 份 Word 个人信息登记表,包含姓名、性别、出生年月、民族和籍贯,需要把这些信息整理到一个 Excel 文件中。

人工处理时,必须反复打开文件、定位字段、读取内容、复制和粘贴。文件越多,越容易漏掉一份材料,或把姓名写入性别列。

将处理规则写成程序(Program)后,就可以把同样的操作应用于多份文件。


图 2:人工重复整理与程序辅助处理

自动处理的价值不仅在于速度,还在于规则一致、过程可重复、结果可追溯。不过,同一规则也可能带来同样的错误:如果字段位置判断有误,整批结果都会受到影响。

因此,应先验证单份文件的处理方法,再扩大处理范围。字段缺失、格式变化和重复材料,都应纳入处理规则。

程序化思维(Programmatic Thinking)是把任务表达为明确数据、规则和处理步骤的思考方式。判断是否值得借助程序,可以观察四个特征:

(1)重复性:相同或相似的操作需要多次执行。

(2)规则性:处理步骤和判断条件能够明确说明。

(3)数据化:对象可以表示为文本、数值、表格、图像或文件。

(4)可验证性:能够用样例、规则或参考结果核对输出。

登记表汇总具有重复操作、规则明确、材料数字化和结果可核对等特点。但这些特征只是判断依据,并非严格的必要条件:一次性计算也可能值得编程,重复任务也需要明确规则。

选择方法时,应先检查现有工具能否满足需求,再综合考虑处理成本和出错影响,决定是否编写专门程序。

1.2 从模糊愿望到明确需求

1.2.1 需求描述的四个要素

“帮我汇总登记表”说明了愿望,却没有完整说明程序应该怎样执行。明确的需求至少包括四个要素:

(1)输入数据:材料在哪里,接受哪些文件格式。

(2)数据结构:每份材料有哪些字段,字段怎样组织。

(3)处理规则:提取什么,如何处理缺失、重复和格式差异。

(4)输出结果:保存哪些列,怎样记录来源与待核查事项。

四个特征回答“是否适合程序化处理”,四个要素回答“如何把需求说清楚”,两者用途不同。

1.2.2 任务说明与样例约束

结构化提示词(Structured Prompt)可以看作一份简化的任务说明书:分别说明输入、数据结构、处理规则和输出,并补充运行环境、代码注释及文件保护要求。例如:

“使用 Python 汇总测试文件夹中的 .docx 登记表。字段包括姓名、性别、出生年月、民族和籍贯;字段位置以我提供的虚构样表为准。跳过 Word 临时文件,不修改原件;缺少必需字段的文件写入待核查清单,不补造内容。汇总表保留来源文件名。先说明处理步骤,再生成带关键注释的代码,并给出运行依赖和测试方法。”

样表应展示必要结构,并附正常与异常材料的预期输出。

比如,日期只有年份而没有月份时,是保留原文还是标为待核查,应先约定,不能让程序猜出一个月份。

明确表达有助于减少歧义,但不能保证生成的代码正确。所选工具也应支持实际文件格式,例如 .doc 与 .docx 的文件结构不同,不能未经确认就采用相同的读取方式。

1.2.3 把例外写入处理步骤

伪代码(Pseudocode)用接近自然语言的形式表达程序逻辑,不依赖某一种编程语言。例如:

核对数量与字段内容

“对每一份”表示重复处理,“如果”表示条件判断,读取、写入和保存体现执行顺序。把异常情况写入步骤,才能避免遗漏或错误处理。

1.3 从代码生成到结果验收

1.3.1 人机协作的基本流程

大语言模型(Large Language Model,LLM)可以协助生成代码、解释语句和提出修改方案;使用者则需要明确目标、数据约定和验收要求。编程(Programming)将这些要求落实为程序,人机协作可以按照以下流程展开:

需求描述 → 代码生成 → 代码阅读 → 运行核验 → 反馈修订


图 3:需求、程序与验证的协作流程

模型提供的是候选实现。使用者需要核对代码中的字段位置、判断条件和输出方式,并将发现的问题反馈给模型,修订后重新核验。

1.3.2 数量核对与内容核对

验收标准(Acceptance Criteria)把“完成”转为具体条件。

登记表汇总至少需要两类核对:

•数量核对:清单中的文件是否全部有处理记录,成功数与待核查数是否合计等于待处理数。

•内容核对:汇总中的姓名、性别和日期是否与来源材料对应,字段有没有错位,格式处理是否符合约定。

比如,三份测试材料中两份完整、一份缺少必需的籍贯字段,预期应得到两条汇总记录和一条待核查记录。即使每份材料都有处理记录,若程序自行补造了缺失内容,结果仍不合格。

临时文件、非目标格式和重复材料应先按约定筛选,单独记录排除理由。只有明确统计口径,数量核对才有意义。

1.3.3 编程学习的三个目标

大模型时代的编程基础,可以围绕三个相互支持的目标建立:

•想清楚:明确对象、规则、例外和正确结果。

•看得懂:沿着关键代码解释数据变化、执行路径与修改位置。

•用得好:选择工具、设计测试、反馈问题并检查修订。

二、自然语言的知识表达

把需求说明白之后,还需要理解一个差异:人用语言传达意图,程序按规则执行操作。大模型连接两种表达方式,却不会自动消除它们之间的距离。

2.1 符号与自然语言

符号(Symbol)通过约定表示事物、概念和关系。文字、数字、地图符号、乐谱和化学式,都依靠相应规则传达含义,使信息得以记录,知识得以积累和传播。

自然语言(Natural Language)借助语境和共同知识交流经验、表达意图,具有以下特点:

•模糊性:边界不明确。“很多”“大约”“高温”没有固定数值。

•歧义性:存在不同解释。“他背着妈妈去看病”可能是背负,也可能是瞒着。

•情境依赖性:含义依赖场景。“这道菜不错”可能是一般赞美,也可能是一次正式评分。

这些特点并非语言缺陷,但用于自动执行时需要补充规则。

“统一出生年月”必须明确目标格式、缺失月份的处理方式和是否保留原文;“找出高分学生”必须明确科目、阈值及是否包含边界。

2.2 形式化与精确表达

形式化语言(Formal Language)使用明确的符号和规则。数学中的 S = πr² 表达圆面积关系;编程语言(Programming Language)中的符号则按其执行规则解释。例如,Python 的 x = 5 是赋值(Assignment),将名称 x 绑定到整数对象 5,而不是数学等式。

形式化使结构和解释更加明确,但“精确”不等于“正确”。

“至少 60 分”包含 60,若代码写成“大于 60 分”,机器仍会精确执行错误条件。数学公式也不因形式严谨就自动成为可直接运行的程序。

大模型可以将自然语言中的目标和约束转换为代码中的数据对象、条件及处理流程。对于未说明的细节,它可能采用常见写法,也可能作出不符合任务需要的假设,因此仍需检查转换结果。


图 4:自然语言、明确规则与程序表达

例如,“按成绩从高到低排列”还需要说明按哪一科或总分排序、并列怎样处理、缺失成绩是否参与。模型可以生成多个语法正确的版本,只有符合约定的版本才适用。

自然语言输入并未取消执行规则,使用者仍需核实需求被转换成了哪些数据、条件和操作。

三、编程语言的计算表达

明确表达之后,需要进一步追问:规则能否形成求解方法,方法是否可以执行,结果如何得到验证。计算思维把这些问题连接起来。

3.1 可计算性与计算边界

3.1.1 机械计算与图灵机

可计算性(Computability)研究问题是否存在机械化求解方法。这里的“机械化”指按明确规则执行,不依赖临时的直觉判断;对规定范围内的有效输入,应能在有限步骤内得到所要求的结果。

图灵机(Turing Machine)用纸带、读写头和有限状态转移规则刻画这样的计算过程。纸带提供可按需扩展的符号存储,读写头读取或改写当前符号,再依规则移动。

比如,规则是“读到 0 就改为 1 并右移,读到 1 就改为 0 并右移,读到空白就停止”。对纸带上的 0110 逐格执行,得到 1001。每一步都有明确依据,不需要猜测。

邱奇—图灵论题(Church–Turing Thesis)将直观的有效计算与图灵机等形式模型联系起来,它是论题,而非已证明的定理。图灵机采用可按需扩展的纸带,实际计算机的存储则有限。

3.1.2 可计算、可行与现实执行

停机问题(Halting Problem)询问程序在指定输入上是否最终停止。可以分析许多具体程序,但不存在一个总能停止、又能正确判断任意程序与输入的通用判定程序。

这说明一般性的自动判断存在边界,但不妨碍通过阅读、测试和推理核验具体程序。

还应区分三种情况:

•尚未解决:例如哥德巴赫猜想(Goldbach’s Conjecture)。有限范围的检验不能替代对整个命题的证明,也不能因为尚未证明,就将相关求解问题判为不可计算。

•资源不足:某些任务有算法,但所需时间或内存超出现实条件。

•涉及物理动作:比如烹制汉堡,程序可以计算控制指令,真正操作还需要感知与执行设备。

数据能够编码、任务能够描述,都不等于已经找到可执行的求解算法。

3.2 计算思维:抽象与自动化

3.2.1 从现实问题到计算模型

计算思维(Computational Thinking)关注怎样表述问题和组织方案,使求解过程能够有效执行。周以真(Jeannette M. Wing)在 2006 年发表的论述推动了这一概念的广泛传播。抽象与自动化是理解程序化处理的两个重要方面。

•抽象(Abstraction)保留与目标有关的特征,建立合适的对象和关系。

•自动化(Automation)把明确的求解过程交给机器执行。

登记表汇总时,字体颜色通常可以忽略,字段位置与含义不能忽略。每份表可以抽象为“字段与值”的集合,再分为读取、检查、写入和核对几个步骤。

完整路径可以写为:现实问题 → 建立模型 → 设计算法 → 实现程序 → 运行验证。建模不一定需要复杂数学,关键是明确保留哪些对象、关系与约束。

3.2.2 七桥问题:保留关键关系

哥尼斯堡七桥问题(Seven Bridges of Königsberg)询问:能否沿一条路线,恰好经过每座桥一次?

欧拉(Leonhard Euler)通过研究陆地与桥的连接关系分析这一问题。用现代图论语言表达,可以把四块陆地表示为顶点(Vertex),把七座桥表示为边(Edge)。陆地面积、桥梁长度和地图画法都不影响结论,关键在于哪些陆地由桥相连。


图 5:七桥问题的抽象过程

顶点的度数(Degree)是与它关联的边数。七桥图四个顶点的度数为 3、3、3、5,全部为奇数。

对于所有非孤立顶点相互连通的无向图(Undirected Graph),存在恰好经过每条边一次并回到起点的路线,当且仅当所有顶点度数为偶数;存在起点与终点不同的此类路线,当且仅当恰有两个奇度顶点。七桥图有四个奇度顶点,因此两种路线都不存在。

这个例子说明,通过抽象保留陆地与桥的连接关系,可以从图的结构判断是否存在符合要求的路线。

3.2.3 积分近似:重复计算的自动化

求定积分时,可以利用原函数得到精确值,也可以通过有限次计算得到近似值。两种方法的依据和处理步骤不同。

(1)利用原函数精确求值

对于区间上的连续函数 f(x),若 F′(x) = f(x),牛顿—莱布尼茨公式(Newton–Leibniz Formula)给出:

例如,x² 的一个原函数是 x³/3,因此:

这里得到的是精确值,不需要用矩形面积近似。

(2)利用矩形面积之和近似求值

如果原函数难以用便于计算的形式表示,或只能获得离散采样数据,就可以考虑数值积分(Numerical Integration)。仍以 x² 在区间 [0,1] 上的积分为例:

(1)把区间等分为 n 段,每段宽度为 1/n。

(2)取各段右端点的函数值作为矩形高度。

(3)将 n 个矩形的面积相加,得到近似值。


图 6:矩形求和与积分近似

矩形面积之和称为黎曼和(Riemann Sum)。本例中,当 n 趋于无穷时,黎曼和趋近于黎曼积分(Riemann Integral)的值;有限次求和则给出近似值。

当 n = 4 时,右端点法得到 0.46875;当 n = 1000 时,得到 0.3338335。对于本例的等分右端点法,近似值始终大于精确值 1/3,误差随 n 增大而减小。

程序可以自动完成取点、计算和累加;使用者仍需确定区间、方法和分段数,并核查误差。

3.3 算法与程序

3.3.1 算法的基本要求

算法(Algorithm)是对某类问题求解步骤的明确描述。

常见基本要求包括有限性(Finiteness)、确定性(Definiteness)和可执行性(Effectiveness),以及明确的输入(Input)与输出(Output):输入可以为零个或多个,输出应体现求解结果。

比如,求 48 与 18 的最大公约数(Greatest Common Divisor,GCD),可以采用欧几里得算法(Euclidean Algorithm),也称“辗转相除法”:48 除以 18 余 12,18 除以 12 余 6,12 除以 6 余 0,结果是 6。每一步都有明确规则,余数逐步减小,过程最终停止。

算法独立于具体编程语言。

同一方法可以采用 Python 或其他语言实现;同一任务也可以使用不同算法。求 1 到 100 的和可以逐项累加,也可以用公式计算,两者都得到 5050,操作次数却不同。

3.3.2 猴子吃桃:迭代与递归

猴子在前九天每天早上吃掉现有桃子的一半,再多吃一个,第十天早上吃桃前剩下一个。第一天早上有多少个桃子?

若吃桃后剩下 m 个,吃桃前就有 2 × (m + 1) 个。根据这一递推关系(Recurrence Relation),可以采用两种计算方式。

(1)迭代:从已知数量逐步反推

迭代(Iteration)从第十天的一个开始,反复计算前一天的数量:

• 第九天:2 × (1 + 1) = 4。

• 第八天:2 × (4 + 1) = 10。

继续更新,依次得到 22、46、94、190、382、766、1534。

迭代的要点是明确初始值、更新规则和次数。本例共更新九次,得到第一天的数量。

(2)递归:将问题转化为同类子问题

递归(Recursion)通过求解同类子问题完成当前计算。设 a(i) 为第 i 天早上吃桃前的数量,则:

求 a(1) 需要先求 a(2),依次求到 a(10) = 1;再返回计算 a(9) = 4、a(8) = 10,最终得到 a(1) = 1534。

递归的要点是明确递归关系和终止条件,使调用逐步接近已知结果,再逐层返回计算。本例以第十天的一个桃子为终止条件。

两种方法使用相同的关系:迭代连续更新当前数量,递归通过同类调用与返回组织计算。

3.3.3 数据组织与控制结构

数据结构(Data Structure)规定数据怎样组织和访问,算法规定怎样处理。

比如,登记表的字段名称与字段值需要建立对应关系,输出列还需要保持规定顺序。

“算法 + 数据结构 = 程序”概括了程序设计的两个重要方面。

程序还涉及运行环境、输入输出与异常处理;某些持续运行的软件也不以整体终止为目的,不能把所有程序都等同于一个有限求解算法。

顺序结构(Sequence)、选择结构(Selection)和循环结构(Iteration)是程序设计的三种基本控制结构。

登记表处理中,读取和写入按顺序执行,字段是否完整决定处理路径,文件清单组织重复处理。沿这些步骤追踪数据,有助于核对代码是否符合需求。

参考阅读:

四、编程方式的演变

从任务到模型,再到算法与程序,人始终需要把意图落实为执行规则。编程方式的演变减少了表达这些规则的负担,大模型是在这条演变路径上增加的协作工具。

4.1 从机器语言到高级语言

4.1.1 表达层次的提升

机器语言(Machine Language)使用处理器能够执行的指令编码。

汇编语言(Assembly Language)用助记符表示指令,仍依赖具体架构。

高级语言(High-level Language)提供更接近问题表达的数据类型、控制结构与函数。

高级语言通过编译器(Compiler)或解释器(Interpreter)等工具运行,使人不必逐条书写机器指令。使用机器语言编写,也不保证比高级语言生成的机器代码更高效;实际效率取决于算法、实现和运行条件。

4.1.2 程序组织方式

编程范式(Programming Paradigm)关注怎样组织程序。

面向过程(Procedural Programming)围绕步骤和函数,面向对象(Object-Oriented Programming)把相关数据与操作组织到对象中,函数式编程(Functional Programming)强调函数组合并减少不必要的状态变化。

登记表汇总可以先按“读取—检查—汇总—保存”组织函数,也可以借助文档、表格和记录对象完成操作。这些方式可以配合使用,不是相互替代的历史阶段。

参考阅读:

4.2 大模型辅助编程与 Python

自然语言辅助编程(Natural Language-Assisted Programming)在需求与代码之间增加了转换层:使用者描述目标,模型生成候选实现,再通过阅读、运行和反馈逐步修订。模型也可以协助测试,但测试范围和结果仍需核查;再次解释代码,不能替代独立验证。

Python 语法相对简洁,便于从代码中辨认字段、条件判断、循环和函数调用。其标准库和第三方库提供了文档、表格、图像、统计及机器学习等处理工具,使学习者可以更多地关注任务本身和处理规则。

学习基础语法的目的,是沿着程序解释它如何执行,指出需求变化时应改哪里,再用样例核实修改。无需先背熟全部库函数;应逐步具备独立理解关键代码和查阅文档的能力。

小结

程序化思维从明确需求开始,通过抽象、算法与数据结构组织处理步骤。大语言模型可以辅助生成代码,学习者仍需理解执行过程、计算边界和资源限制,并通过运行与核验,判断程序是否符合需求。

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