การออกแบบอัลกอริทึม (Algorithm)

           แนวคิดเชิงคำนวณ (Computational Thinking) เป็นกระบวนการวิเคราะห์ปัญหา เพื่อให้ได้แนวทางหาคำตอบอย่างเป็นขั้นตอนที่สามารถนำไปปฏิบัติได้โดยบุคคลหรือคอมพิวเตอร์อย่างถูกต้อง การคิดเชิงคำนวณ เป็นกระบวนการแก้ปัญหาในหลากหลายลักษณะ เช่น การจัดลำดับเชิงตรรกศาสตร์  การวิเคราะห์ข้อมูล และการสร้างสรรค์วิธีแก้ปัญหาไปทีละขั้น รวมทั้งการย่อยปัญหาที่ช่วยให้รับมือกับปัญหาที่ซับซ้อนหรือมีลักษณะเป็นคำถามปลายเปิดได้วิธีคิดเชิงคำนวณ จะช่วยทำให้ปัญหาที่ซับซ้อนเข้าใจได้ง่ายขึ้น เป็นทักษะที่เป็นประโยชน์อย่างยิ่งต่อทุก ๆ สาขาวิชา และทุกเรื่องในชีวิตประจำวันซึ่งไม่ได้จำกัดอยู่เพียงการคิดให้เหมือนคอมพิวเตอร์แต่เป็นกระบวนการคิดแก้ปัญหาของมนุษย์ เพื่อสั่งให้คอมพิวเตอร์ทำงานและช่วยแก้ปัญหาตามที่เราต้องการได้อย่างมีประสิทธิภาพ  แนวคิดเชิงคำนวณมีองค์ประกอบที่สำคัญ 4 ส่วน ได้แก่ การแบ่งปัญหาใหญ่เป็นปัญหาย่อย (Decomposition) การพิจารณารูปแบบ (Pattern Recognition)  การคิดเชิงนามธรรม (Abstraction) การออกแบบอัลกอริทึม (Algorithm) ในบทเรียนนี้จะกล่าวเพียง การออกแบบอัลกอริทึม (Algorithm) เท่านั้น โดยมีรายละเอียดดังนี้

ภาพที่ 1 การออกแบบอัลกอริทึม
ที่มา https://www.wired.com/story/want-to-prove-your-business-is-fair-audit-your-algorithm/,JESSI HEMPEL

          การออกแบบอัลกอริทึม (Algorithm) เป็นการพัฒนากระบวนการหาคำตอบให้เป็นขั้นตอนที่บุคคลหรือคอมพิวเตอร์สามารถนำไปปฏิบัติตามเพื่อแก้ปัญหาได้ อีกทั้ง เป็นการพัฒนาแนวทางแก้ปัญหาอย่างเป็นขั้นเป็นตอน เพื่อดำเนินตามทีละขั้นตอนในการแก้ไขปัญหา เช่น เมื่อเราต้องการสั่งคอมพิวเตอร์ให้ทำงานบางอย่าง เราจะต้องเขียนโปรแกรมคำสั่งเพื่อให้คอมพิวเตอร์ทำงานไปตามขั้นตอน ตามแนวทางการแก้ปัญหาเพื่อให้คอมพิวเตอร์ทำงานตอบสนองความต้องการของเรา วิธีคิดนี้ที่เรียกว่าวิธีคิดแบบอัลกอริทึม คอมพิวเตอร์จะทำงานได้ดีเพียงใดนั้น ขึ้นอยู่กับชุดคำสั่งอัลกอริทึมที่เราออกแบบให้มันทำงานนั่นเอง การออกแบบอัลกอริทึมยังเป็นประโยชน์ต่อการคำนวณ การประมวลผลข้อมูลและการวางระบบอัตโนมัติต่าง ๆ

          การนำอัลกอริทึมไปใช้แก้ปัญหา ไม่จำกัดเฉพาะการเขียนโปรแกรมคอมพิวเตอร์ แต่สามารถใช้กับปัญหาอื่น ๆ ได้เช่นเดียวกัน เพื่อให้เกิดการใช้ทรัพยากรอย่างมีประโยชน์สูงสุด ซึ่งจำเป็นต้องวางแผนอย่างเป็นระบบ เป็นขั้นตอน จึงจำเป็นต้องอาศัยอัลกอริทึม ด้วย เพื่อให้ทราบถึงขั้นตอนต่าง ๆ และสามารถตัดทอนขั้นตอนที่เกินความจำเป็น อีกทั้งยังสามารถปรับปรุง และเพิ่มเติมขั้นตอนใหม่ เข้าไปได้ ช่วยลดความสับสนขณะทำงานด้วย อีกทั้ง ปัญหาบางปัญหาอาจจะมีอัลกอริทึมในการแก้ปัญหาได้หลายวิธี นอกจากการเขียนคำสั่งให้คอมพิวเตอร์ทำงานตามลำดับขั้นตอนที่เราวางไว้ ในชีวิตประจำวันมนุษย์ก็ล้วนมีแนวคิดการออกแบบขั้นตอนในการแก้ไขปัญหา ทำให้ทราบว่าจะต้องทำอะไรก่อนอะไรหลัง เช่น การแต่งตัวมาโรงเรียน การทำอาหาร การทำงานในชีวิตประจำวัน การเดินทาง เป็นต้น

ภาพที่ 2 การลำดับแต่งตัวมาโรงเรียน
ที่มา https://www.freepik.com/free-vector/hand-drawn-children-back-school-collection_4943651.htm#page=1&query=student%20uniform&position=43, freepik

คุณสมบัติของอัลกอริทึม

          1. มีความถูกต้อง (correctness) ความถูกต้องเป็นคุณสมบัติข้อแรกที่สำคัญจะต้องพิจารณา ต้องได้ผลลัพธ์ที่ถูกต้อง ซึ่งถ้าผลลัพธ์ที่ได้จากอัลกอริทึมไม่ถูกต้อง จะถือว่าไม่ใช่อัลกอริทึมที่ดี

          2. ใช้เวลาในการปฏิบัติงานน้อยที่สุด (efficiency) อัลกอริทึมที่ดีต้องใช้เวลาในการปฏิบัติงานน้อย มีขั้นตอนในการปฏิบัติงานที่ถูกต้อง

          3. ต้องมีลำดับขั้นตอนที่ชัดเจน ในการประมวลผลชุดคำสั่งต่าง ๆ ที่ถูกกำหนดด้วยกฎเกณฑ์ในการแก้ปัญหาของ อัลกอริทึม จะต้องประมวลผลเป็นลำดับตามขั้นตอน เพราะการแก้ปัญหาด้วยคอมพิวเตอร์จะต้อง มีลำดับขั้นตอนที่แน่นอน ซึ่งแต่ละขั้นตอนของอัลกอริทึมจะต้องทำหน้าที่อย่างชัดเจนและต่อเนื่องโดยการเริ่มต้นทำงานแต่ละขั้นตอนมีการรับและส่งข้อมูลต่อเนื่องกันไปจนสิ้นสุดการทำงาน ถ้าลำดับไม่ดีอาจจะทำให้การประมวลผลผิดพลาดได้

          4. ใช้เนื้อที่ในหน่วยความจำน้อยที่สุด เนื้อที่ในหน่วยความจำจะถูกใช้สำหรับเก็บค่าของตัวแปร และเก็บคำสั่งที่ใช้ในการทำงาน ดังนั้น ถ้าอัลกอริทึมยาวเกินความจำเป็น จะทำให้ใช้เนื้อที่มาก และ ถ้ามีตัวแปรมากเกินความจำเป็น ก็จะทำให้เสียเนื้อที่ในหน่วยความจำไปด้วย

          5. มีความยืดหยุ่นในการใช้งาน

          6. ใช้เวลาในการพัฒนาน้อยที่สุด เมื่อนำอัลกอริทึมไปแปลงเป็นโปรแกรมภาษาคอมพิวเตอร์แล้วจะต้องใช้เวลาน้อยที่สุด

          7. ง่ายต่อการทำความเข้าใจ (readability) อ่านง่ายเข้าใจลำดับขั้นตอนได้ง่าย มีความชัดเจนของขั้นตอน

เครื่องมือช่วยในการเขียนอัลกอริทึม

          การออกแบบอัลกอริทึม เป็นแนวทางในการเขียนโปรแกรม ช่วยให้การเขียนโปรแกรมทำได้ง่ายขึ้น ช่วยให้โปรแกรมมีข้อผิดพลาดน้อยลง นอกจากนี้ยังช่วยตรวจสอบการทำงานของโปรแกรม ทำให้ทราบขั้นตอนการทำงานของโปรแกรมได้อย่างรวดเร็ว โดยไม่ต้องดูจากโปรแกรมจริงในการเขียนอัลกอริทึม มีเครื่องมือช่วยในการเขียนที่นิยมใช้ 3 แบบ คือ

          1. บรรยาย (narrative description) เป็นการอธิบายแบบใช้ภาษาที่เราสื่อสารกันทั่วไป เป็นการแสดงขั้นตอนการทำงานในลักษณะการบรรยายเป็นข้อความด้วยภาษาพูดใด ๆ เช่น ภาษาไทย ภาษาอังกฤษ ภาษาญี่ปุ่น หรือ ภาษาจีน เป็นต้น ขึ้นอยู่กับความถนัดของผู้เขียนอัลกอริทึม มักเขียนบรรยายขั้นตอนการทำงานเป็นข้อ ๆ เช่น การต้มบะหมี่กึ่งสำเร็จรูป

          1. เทน้ำสะอาดใส่หม้อ และต้มน้ำจนเดือด

          2. ฉีกซองและนำบะหมี่กึ่งสำเร็จรูปใส่ลงในหม้อ

          3. เทเครื่องปรุงลงในหม้อ

          4. ปิดฝา

          5. รอประมาณ 3 นาที

          6. เทใส่ชามรับประทานได้

          2. ผังงาน (flowchart) เป็นการใช้รูปภาพสัญลักษณ์ แทนขั้นตอนการเขียนโปรแกรมช่วยลำดับขั้นตอนการทำงานของโปรแกรม และสามารถนำไปเขียนโปรแกรมได้อย่างถูกต้อง ทำให้ตรวจสอบ และแก้ไขโปรแกรมได้ง่าย เมื่อเกิดข้อผิดพลาดช่วยให้การดัดแปลง แก้ไข ทำได้อย่างสะดวกและรวดเร็ว ผู้อื่นสามารถศึกษาการทำงานของโปรแกรมได้อย่างง่าย และรวดเร็ว มากขึ้น

          3. รหัสเทียม (pseudo code) เป็นการเขียนคำอธิบายขั้นตอนการทำงานของโปรแกรม โดยใช้ถ้อยคำผสมระหว่างภาษาอังกฤษและภาษาการเขียนโปรแกรมแบบโครงสร้าง  ซึ่งจะช่วยให้ผู้เขียนโปรแกรมสามารถพัฒนาขั้นตอนต่าง ๆ  ให้เป็นโปรแกรมได้ง่ายขึ้น  ส่วนใหญ่มักใช้คำเฉพาะ  (Reserve Word)  ที่มีในภาษาการเขียนโปรแกรมและมักเขียนด้วยตัวอักษรตัวใหญ่  รหัสเทียมที่ดี  จะต้องมีความชัดเจน  สั้น  และได้ใจความ  ข้อมูลต่าง ๆ  ที่ใช้จะถูกเขียนอยู่ในรูปของตัวแปร

ภาพที่ 3 ตัวอย่างรหัสเทียม
ที่มาhttps://www.researchgate.net/figure/Pseudo-Code-Example-of-a-GEC_fig1_220930688, Joshua Adams

          การออกแบบอัลกอริทึม ในแนวคิดเชิงคำนวณจึงเป็นการพัฒนากระบวนการหาคำตอบให้เป็นขั้นตอนที่บุคคลหรือคอมพิวเตอร์สามารถนำไปปฏิบัติตามเพื่อแก้ปัญหาได้ อัลกอริทึมที่ดี จะต้องมีความถูกต้อง ต้องมีลำดับขั้นตอนที่ชัดเจน  มีความยืดหยุ่นในการใช้งาน ใช้เวลาในการพัฒนาน้อย และง่ายต่อการทำความเข้าใจ เครื่องมือที่จะช่วยให้การเขียนอัลกอริทึมของโปรแกรมทำได้ง่ายขึ้น ช่วยให้โปรแกรมมีข้อผิดพลาดน้อยลง เช่น การเขียนบรรยาย การเขียนผังงาน  หรือรหัสเทียม จะช่วยให้อัลกอริทึมมีความถูกต้องแม่นยำ และมีข้อผิดพลาดน้อยลง

แหล่งที่มา

เจ๊ะมาดีนา  กรมเมือง.  (2562, 12 สิงหาคม).   การออกแบบและการเขียนอัลกอริทึม.  สืบค้นเมื่อ 12 สิงหาคม 2562,  จาก https://sites.google.com/site/computernanajang/bth-reiyn-
hnwy-kar-reiyn-ru-thi-1-kar-xxkbaeb-laea-kar-kheiyn-xal-kx-ri-thum.

รัตนา  วงศ์ภูงา.  (2562, 12 สิงหาคม).   อัลกอริทึม.  สืบค้นเมื่อ 12  สิงหาคม 2562, จาก https://sites.google.com/a/wwk.ac.th/googlesites/hnwy-thi-2/xal-kx-ri-thum.

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี.  (2562).  เทคโนโลยี (วิทยาการคำนวณ).  สำนักพิมพ์จุฬาลงกรณ์ : กรุงเทพมหานคร.

csunplugged.org.  (2562, 12 สิงหาคม).  กิจกรรมส่งจรวดไปดาวอังคาร.   สืบค้นเมื่อ 12 สิงหาคม 2562,จาก https://csunplugged.org/en/topics/kidbots/unit-plan/sending-a-rocket-to-mars.

Tim Bell, Ian H. Witten and Mike Fellows.  (2562). ซีเอส อันปลั๊กโปรแกรมเสริมสมรรถนะและขยายความสามารถของเด็กระดับประถมศึกษา. สถาบันเทคโนโลยีนานาชาติสิรินธร มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ : ปทุมธานี

Warayuphat Panumphan.   (2562, 12 สิงหาคม).   Algorithm.  สืบค้นเมื่อ 12 สิงหาคม 2562, จากhttp://jsbg.joseph.ac.th/6150/index.php?option=com_content&view=article&id=95&Itemid=95

การคิดเชิงนามธรรม (Abstraction)

        แนวคิดเชิงคำนวณ (Computational Thinking) เป็นกระบวนการวิเคราะห์ปัญหา เพื่อให้ได้แนวทางหาคำตอบอย่างเป็นขั้นตอนที่สามารถนำไปปฏิบัติได้โดยบุคคลหรือคอมพิวเตอร์อย่างถูกต้อง การคิดเชิงคำนวณ เป็นกระบวนการแก้ปัญหาในหลากหลายลักษณะ เช่น การจัดลำดับเชิงตรรกศาสตร์  การวิเคราะห์ข้อมูล และการสร้างสรรค์วิธีแก้ปัญหาไปทีละขั้น รวมทั้งการย่อยปัญหาที่ช่วยให้รับมือกับปัญหาที่ซับซ้อนหรือมีลักษณะเป็นคำถามปลายเปิดได้วิธีคิดเชิงคำนวณ จะช่วยทำให้ปัญหาที่ซับซ้อนเข้าใจได้ง่ายขึ้น เป็นทักษะที่เป็นประโยชน์อย่างยิ่งต่อทุก ๆ สาขาวิชา และทุกเรื่องในชีวิตประจำวันซึ่งไม่ได้จำกัดอยู่เพียงการคิดให้เหมือนคอมพิวเตอร์แต่เป็นกระบวนการคิดแก้ปัญหาของมนุษย์ เพื่อสั่งให้คอมพิวเตอร์ทำงานและช่วยแก้ปัญหาตามที่เราต้องการได้อย่างมีประสิทธิภาพ  แนวคิดเชิงคำนวณมีองค์ประกอบที่สำคัญ 4 ส่วน ได้แก่ การแบ่งปัญหาใหญ่เป็นปัญหาย่อย (Decomposition) การพิจารณารูปแบบ (Pattern Recognition)  การคิดเชิงนามธรรม (Abstraction) การออกแบบอัลกอริทึม (Algorithm) ในบทเรียนนี้จะกล่าวเพียง การคิดเชิงนามธรรม (Abstraction) เท่านั้น โดยมีรายละเอียดดังนี้

การคิดเชิงนามธรรม (Abstraction)

          เป็นองค์ประกอบหนึ่งของแนวคิดเชิงคำนวณ ซึ่งใช้กระบวนการคัดแยกคุณลักษณะที่สำคัญออกจากรายละเอียดปลีกย่อย ในปัญหาหรืองานที่กำลังพิจารณา เพื่อให้ได้ข้อมูลที่จำเป็นและเพียงพอในการแก้ปัญหา เป็นการแยกรายละเอียดที่สำคัญและจำเป็นต่อการแก้ปัญหาออกจากรายละเอียดที่ไม่จำเป็น ซึ่งรวมไปถึงการแทนกลุ่มของปัญหา ขั้นตอน หรือกระบวนการที่มีรายละเอียดปลีกย่อยหลายขั้นตอนด้วยขั้นตอนใหม่เพียงขั้นตอนเดียว โดยจะยกตัวอย่างดังนี้

          1. การคิดเชิงนามธรรมที่เกี่ยวข้อกับรูปทรง

ภาพที่ 1 การคิดเชิงนามธรรมที่เกี่ยวข้อกับรูปทรง

ที่มา https://www.youtube.com/watch?v=bAVTLjhDjuw, NativLang

          จากรูปภาพดังกล่าวที่เกิดจากรูปทรงกลม ได้แก่ ล้อ ผลส้ม ลูกบาสเก็ตบอล มีลักษณะเป็นรูปทรงกลม การคิดเชิงนามธรรมนี้คือรูปทรงกลม นอกจาก ล้อ ผลส้ม ลูกบาสเก็ตบอล ยังมีวัตถุอื่น ๆ อีกมากมายที่มีลักษะเป็นทรงกล เช่น ฝาขวดน้ำดื่ม ฟุตบอล ลูกปิงปอง เหรียญ เป็นต้น

          2. การคิดเชิงนามธรรมที่เกี่ยวข้อกับตัวอักษร

         ในหนังสือแบบเรียนวิทยาการคำนวณ ของสถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ระดับชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 1 ได้ยกตัวอย่างคำว่า Hello 

ภาพที่ 2 ตัวอักษร Hello

ที่มา หนังสือเรียนวิทยาการคำนวณ ระดับชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 1, สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

          Hello แต่ละตัวจะมีรูปแบบที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับประสบการณ์ที่ผู้เขียนแต่ละคนมี จากตัวอย่างจะเห็นรายละเอียดที่แตกต่างกันเช่นสีรูปแบบตัวอักษร อักษรตัวพิมพ์ใหญ่หรือตัวพิมพ์เล็กและรายละเอียดอื่น ๆเช่นการขีดเส้นใต้หรือการเอียงของตัวอักษร โดยรูปแบบที่แต่ละคนมีอยู่ ถ้าจะถ่ายทอดให้ผู้อื่นรับรู้และเข้าใจทุกอย่างแทบจะเป็นไปไม่ได้และอาจจะไม่มีความจำเป็นที่ผู้อื่นต้องรับรู้รายละเอียดทั้งหมด

          ในที่นี้หากผู้รับข้อมูลต้องการทราบว่าคำนี้ประกอบไปด้วยอักขระใดบ้างโดยไม่สนใจประเภทของอักษรตัวพิมพ์เล็กหรือพิมพ์ใหญ่คำว่า Hello  ทุกตัวในตารางต่างก็มีองค์ประกอบเชิงนามธรรมเดียวกันคือเป็นคำที่ประกอบด้วยอักขระ H  e  l  l และ o แต่ในบางสถานการณ์อาจสื่อว่าข้อมูลดังกล่าวเป็นเพียงอักขระภาษาอังกฤษห้าตัวหรือเป็นคำภาษาอังกฤษเพียงหนึ่งคำ

          3. การคิดเชิงนามธรรมจากเกมเลขฐานสอง

ภาพที่ 3 กิจกรรมเลขฐานสอง
ที่มา https://csunplugged.org/en/topics/binary-numbers/unit-plan/how-binary-digits-work, csunplugged

          การแสดงเลขฐานสอง (เพียงแค่ใช้ 0 และ 1) เป็นแนวคิดเชิงนามธรรมที่ซ่อนความซับซ้อนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และฮาร์ดแวร์ภายในคอมพิวเตอร์ที่เก็บข้อมูล สิ่งที่เป็นนามธรรมช่วยให้เราทำให้ง่ายขึ้นเพราะเราสามารถลดทอนต่อรายละเอียดที่เราไม่จำเป็นต้องรู้ ในกรณีนี้รายละเอียดที่เราสามารถละเว้นได้ ได้แก่ : อุปกรณ์คอมพิวเตอร์ เช่น วงจรอิเล็กทรอนิกส์และแรงดันไฟฟ้าในวงจร เพื่อจัดเก็บและย้ายข้อมูล และฟิสิกส์เชิงซ้อนและทฤษฎีทางคณิตศาสตร์ที่เกี่ยวกับคอมพิวเตอร์ เราไม่จำเป็นต้องเข้าใจว่าวงจรเหล่านี้ทำงานอย่างไรเพื่อใช้ข้อมูลและแสดงสิ่งต่าง ๆ โดยใช้เลขฐานสอง การใช้เลขฐานสองเป็นสิ่งที่เป็นนามธรรมของวงจรเหล่านี้และช่วยให้เราสามารถแทนตัวเลขที่ทำจากบิต (0s และ 1s) เพื่อทำความเข้าใจข้อมูลและแก้ไขปัญหาโดยไม่ต้องคิดเกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้นภายใต้เครื่องคอมพิวเตอร์ เราสามารถใช้เลขฐานสองเพื่อแสดงข้อมูลทุกประเภทที่เก็บไว้ในคอมพิวเตอร์ เมื่อเราแสดงข้อมูลรูปแบบอื่น ๆ (เช่น ตัวอักษรรูปภาพและเสียง) เรายังใช้นามธรรมเพราะเราซ่อนรายละเอียดของตัวเลขไบนารี่ทั้งหมดที่อยู่ด้านล่างและเพียงแค่ดูข้อมูลทั้งหมด ข้อมูลทุกรูปแบบถูกแสดงเป็นตัวเลข สำหรับข้อความที่เรามีตัวเลขสำหรับตัวอักษรแต่ละตัวสำหรับภาพที่เราใช้ตัวเลขสำหรับแต่ละสีและอื่น ๆ เราใช้สิ่งที่เป็นนามธรรมหลายชั้น การแปลงและเป็นตัวแทนของเลขฐานสองโดยใช้สิ่งอื่น ๆ นอกเหนือจาก“ 1 และ 0 ”,“ ขาวดำ” และ“ ปิดและเปิด” หากคุณสามารถเปลี่ยนคำเช่น "ดำ" และ "ขาว" ด้วย 0 และ 1 โดยที่ผู้เรียนไม่ต้องกังวลเกี่ยวกับความแตกต่างผู้เรียนก็กำลังใช้สิ่งที่เป็นแนวคิดเชิงนามธรรม

          4. การคัดแยกรายละเอียดปลีกย่อย

ภาพที่ 4 แผนภาพรถไฟฟ้า
ที่มา https://computersciencewiki.org/index.php/File:Screen_Shot_2017-08-05_at_06.29.05.png, MacKenty

          แผนภาพทั้งสองให้ข้อมูลเกี่ยวกับสถานีรถไฟฟ้าและสถานีเชื่อมต่อ แผนภาพด้านซ้ายมือจะแสดงรายละเอียดของสถานี ชื่อสถานนี้ และจุดเชื่อมต่อสถานี แผนภาพด้านขวาจะลดทอนรายละเอียดของสถานีแสดงเฉพาะข้อมูลเส้นทางและการเชื่อมต่อของรถไฟฟ้า ในการใช้แผนภาพทั้งสอง หากผู้ใช้ต้องการทราบตำแหน่งของสถานีรถไฟฟ้าแผนภาพด้านซ้ายมือจะเหมาะสมกว่าแผนภาพขวามือ แต่สำหรับผู้ใช้งานเพื่อการเดินทางในชีวิตประจำวันแผนภาพด้านขวามือจะเหมาะสมกว่า ดังนั้นแบบจำลองที่ดีต้องมีรายละเอียดที่เหมาะสมกับความต้องการการใช้งานของผู้ใช้

          5. การอธิบายปัญหาโดยใช้รายละเอียด และแบบซ่อนรายละเอียด

          ปัญหาประกอบด้วยรายละเอียดที่หลากหลายโดยมีทั้งรายละเอียดที่จำเป็น และไม่จำเป็นต่อการแก้ปัญหา การคิดเชิงนามธรรมเป็นการคัดแยกรายละเอียดที่ไม่จำเป็นออกจากปัญหาที่พิจารณาอยู่ ทำให้สามารถเข้าใจ วิเคราะห์ และออกแบบวิธีการแก้ปัญหาในภาพรวมได้ง่ายขึ้น การคิดเชิงนามธรรมยังรวมถึงการซ่อนรายละเอียดโดยการแทนกลุ่มของปัญหาขั้นตอนและกระบวนการที่มีรายละเอียดปลีกย่อยหลายขั้นตอน ให้เป็นขั้นตอนเดียว เพื่อให้สามารถอธิบายวิธีแก้ปัญหาได้กระชับขึ้นดังตัวอย่างต่อไปนี้

ภาพที่ 5 บ้าน

          การอธิบายปัญหาโดยใช้รายละเอียด

          วาดตัวบ้านด้วยสี่เหลี่ยมจัตุรัสสีเหลือง ขนาดด้านละ 50 หน่วย ตั้งอยู่ตำแหน่งมุมล่างซ้ายที่พิกัด (120,90) ด้านบนของสี่เหลี่ยมวาดหลังคาเป็นรูปสามเหลี่ยมด้านเท่าสีเขียวขนาดด้านละ 50 หน่วย

          การอธิบายปัญหาแบบซ่อนรายละเอียด

          ขนาด 50 หน่วย ตัวบ้านสีเหลือง หลังคาสีเขียว ตั้งอยู่ตำแหน่ง (120,90)

          แนวคิดนามธรรมจึงเป็นองค์ประกอบหนึ่งของแนวคิดเชิงคำนวณ ซึ่งใช้กระบวนการคัดแยกคุณลักษณะที่สำคัญออกจากรายละเอียดปลีกย่อย ในปัญหาหรืองานที่กำลังพิจารณา เพื่อให้ได้ข้อมูลที่จำเป็นและเพียงพอในการแก้ปัญหา แนวคิดนามธรรมบางอย่างอาจจะอยู่ในรูปแบบของรูปร่างหรือรูปทรง ความแตกต่าง ความเหมือนรูปแบบอักขระ การแทนสัญลักษณ์ต่าง ๆ เช่น การแทน 0 1 ของเลขฐานสอง การคัดแยกรายละเอียดปลีกย่อยที่ไม่จำเป็นต่อการตัดสินใจหรือการใช้งาน เช่น การใช้แผนที่ การคำนวณระยะทาง การวาดแผนทีการเดินทางไป ณ จุดหมายใดจุดหมายหนึ่ง การเดินทางด้วยรถไฟฟ้า หรือแม้แต่การอธิบายปัญหาโดยใช้รายละเอียดและแบบซ่อนรายละเอียด ล้วนเป็นแนวคิดเชิงนามธรรมที่อยู่ในชีวิตประจำวันทั้งสิ้น

แหล่งที่มา

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี.  (2562).  เทคโนโลยี (วิทยาการคำนวณ).  สำนักพิมพ์จุฬาลงกรณ์ : กรุงเทพมหานคร.

csunplugged.org.  (2562, 12 สิงหาคม).  กิจกรรมส่งจรวดไปดาวอังคาร สืบค้นเมื่อ 12 สิงหาคม 2562,จาก https://csunplugged.org/en/topics/kidbots/unit-plan/sending-a-rocket-to-mars.

Tim Bell, Ian H. Witten and Mike Fellows.  (2562). ซีเอส อันปลั๊กโปรแกรมเสริมสมรรถนะและขยายความสามารถของเด็กระดับประถมศึกษา. สถาบันเทคโนโลยีนานาชาติสิรินธร  มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ : ปทุมธานี

 การพิจารณารูปแบบ (Pattern Recognition)

          เป็นการหารูปแบบซึ่งเป็นทักษะการหาความสัมพันธ์ที่เกี่ยวข้อง แนวโน้ม และลักษณะ ทั่วไปของสิ่งต่าง ๆ โดยทั่วไปแล้วผู้เรียนจะเริ่มพิจารณาปัญหาหรือสิ่งที่สนใจ จากนั้นอาจใช้ทักษะการแยกส่วนประกอบทำให้ได้องค์ประกอบภายในอื่น ๆ แล้วจึงใช้ทักษะการหารูปแบบเพื่อสร้างความเข้าใจระหว่างองค์ประกอบเหล่านั้น โดยพิจารณาว่าเคยพบปัญหาลักษณะนี้มาก่อนหรือไม่ หากมีรูปแบบของปัญหาที่คล้ายกันสามารถนำวิธีการแก้ปัญหานั้นมาประยุกต์ใช้ และพิจารณารูปแบบปัญหาย่อยซึ่งอยู่ภายในปัญหาเดียวกันว่ามีส่วนใดที่เหมือนกัน เพื่อใช้วิธีการแก้ปัญหาเดียวกันได้ ทำให้จัดการกับปัญหาได้ง่ายขึ้น และการทำงานมีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น เช่น ในส่วนประกอบของจักรยานผู้เรียนจะพบว่าระบบขับเคลื่อนประกอบด้วยเฟืองหน้า และเฟืองหลังเชื่อมกันด้วยโซ่จักรยานมีลักษณะเหมือนระบบรอก ดังนั้น ถ้านักเรียนทราบถึงคุณสมบัติการทดแรงของระบบรอกดังกล่าว นักเรียนก็จะเข้าใจการทดแรงของระบบขับเคลื่อนของจักรยาน เช่นเดียวกัน ในกรณี การหารูปแบบเกิดขึ้นเมื่อผู้เรียนเปรียบเทียบสิ่งที่สนใจกับสิ่งอื่นที่เคยทราบมาก่อน

ภาพที่ 1 เฟืองหน้าและเฟืองหลัง
http://www.zeedbike.com/article/28/จักรยานหลายเกียร์, zeedbike

แบบรูป (Pattern)

          เป็นการแสดงความสัมพันธ์ของสิ่งต่าง ๆ ที่มีลักษณะสำคัญบางอย่างร่วมกันอย่างมีเงื่อนไข ซึ่งสามารถอธิบายความสัมพันธ์เหล่านั้นได้โดยใช้การสังเกต การวิเคราะห์ หาเหตุผลสนับสนุนจนได้บทสรุปอันเป็นที่ยอมรับได้ แบบรูปนับเป็นปัจจัยพื้นฐานอันหนึ่งในการช่วยคิดแก้ปัญหาต่าง ๆ ในชีวิตประจำวันโดยที่เราได้เคยพบเห็นและได้ผ่านการใช้กระบวนการคิดวิเคราะห์ด้วยเหตุด้วยผลกับแบบรูปในลักษณะต่าง ๆ กันมาแล้ว แบบรูปที่จะกล่าวถึงนี้เป็นแบบรูปในลักษณะต่าง ๆ เพื่อให้เห็นรูปแบบของการจัดลำดับ และการกระทำซ้ำอย่างต่อเนื่องเพื่อจะได้ใช้การสังเกต การวิเคราะห์ การให้เหตุผลในการบอกความสัมพันธ์ของ      สิ่งต่าง ๆ ที่พบเห็นได้อย่างถูกต้องจนถึงขั้นสรุปเป็นกฎเกณฑ์

ภาพที่ 2 ความสัมพันธ์ของแบบรูป
http://www.tup.ac.th/tup/learning, นาถลดา มนต์ทอง.

          โดยทั่วไปในคณิตศาสตร์จะพบเห็นการใช้แบบรูปในเรื่องของจำนวน รูปภาพ รูป เรขาคณิตจากแบบรูปของจำนวนเราสามารถเขียนแสดงความสัมพันธ์โดยใช้ตัวแปร และสมบัติของการเท่ากันสร้างสมการเพื่อใช้แก้ปัญหาได้ จากเงื่อนไขข้างต้น สรุปได้ว่า แบบรูปจึงเป็นรูปร่าง หรือลักษณะของสิ่งต่าง ๆ ที่นำมาประกอบกันตามความสัมพันธ์ระหว่างสิ่งเหล่านั้น

          ในทางวิทยาการคำนวณ การหารูปแบบจึงเป็นการหารูปแบบที่เหมือนและแตกต่างกันระหว่างสิ่งของ    ต่าง ๆ ที่สนใจหลายชิ้นการพิจารณารูปแบบนี้จะช่วยระบุองค์ประกอบสำคัญร่วมกันของสิ่งของเหล่านั้นได้ซึ่งจะเป็นพื้นฐานในการสร้างความเข้าใจเชิงนามธรรม เช่น เมาส์จะเห็นว่าเมาส์นั้นมีรูปลักษณ์ภายนอกที่แตกต่างกันออกไปแต่สังเกตได้ว่ารูปแบบการใช้งานนั้นเหมือนกัน คือสามารถบังคับตำแหน่งตัวชี้ได้โดยการขยับเมาส์และใช้กดหรือสัมผัสบนปุ่มเมาส์เพื่อกระทำการสิ่งใดสิ่งหนึ่งตามที่โปรแกรมไว้

          ในการเขียนโปรแกรมแบบ Blockly ด้วยโปรแกรม Scratch หากเราต้องการสร้างรูปบันไดเป็นขั้น ๆ 5 ขั้น หากเราใช้คำสั่ง ดังรูปที่ 3  เราจะต้องเขียนคำสั่งดังกล่าว ถึง 5 ครั้ง ดังรูปที่ 4  

ภาพที่ 3 การเขียนโปรแกรมแบบ Blockly

ภาพที่ 4 สร้างรูปบันไดเป็นขั้น ๆ 5 ขั้น

          เมื่อเราประยุกต์การพิจารณารูปแบบสำหรับการเขียนโปรแกรมดังกล่าว แล้วใช้คำสั่ง Repeat ช่วย ดังรูปที่ 5 ในการเขียนโปรแกรม ผลปรากฏว่า แทนที่เราจะต้องเขียนโปรแกรมดังรูปที่ 3 ซ้ำกันถึง 5 ครั้ง เราสังเกตเห็นว่า รูปแบบมีลักษณะความสัมพันธ์ที่เกี่ยวข้อง โดยใช้คำสั่ง Repeat และนำรูปแบบโปรแกรมดังรูปที่ 3 เพียง 1 ครั้ง ก็จะได้ผลลัพธ์เช่นเดียวกัน และทำให้โปรแกรมสั้นลงอีกด้วย

ภาพที่ 5 สร้างรูปบันไดเป็นขั้น ๆ 5 ขั้น โดยใช้คำสั่ง Repeat

          ดังนั้นการพิจารณารูปแบบ เป็นการหารูปแบบซึ่งเป็นทักษะการหาความสัมพันธ์ที่เกี่ยวข้อง แนวโน้ม และลักษณะ ทั่วไปของสิ่งต่าง ๆ การหารูปแบบเพื่อสร้างความเข้าใจระหว่างองค์ประกอบเหล่านั้น  เช่น การจัดหมวดหมู่สัตว์ที่คล้ายคลึงกัน ให้อยู่ในสปีชีส์เดียวกัน เพื่อให้ง่ายต่อการศึกษา การหาพฤติกรรมการบริโภคของคน ว่านิยมซื้ออะไร ช่วงเวลาไหน มีรูปแบบพฤติกรรมซ้ำ ๆ อะไรบ้าง ความสัมพันธ์ของเฟืองหน้า และเฟืองหลัง ของรถจักรยานที่เชื่อมกันด้วยโซ่จักรยานมีลักษณะเหมือนระบบรอก สิ่งของเช่นมาส์นั้นมีรูปลักษณ์ภายนอกที่แตกต่างกันออกไปแต่สังเกตได้ว่ารูปแบบการใช้งานนั้นเหมือนกัน การเขียนโปรแกรมที่ทำซ้ำ ๆ กันหลาย ๆ ครั้ง จะมีลักษณะรูปแบบที่เหมือนกัน รูปแบบของปัญหาที่คล้ายกันสามารถนำวิธีการแก้ปัญหามาประยุกต์ใช้ เพื่อใช้วิธีการแก้ปัญหาเดียวกันได้

แหล่งที่มา

นาถลดา มนต์ทอง.  (8 ตุลาคม 2562).  แบบฝึกทักษะคณิตศาสตร์ ม.1 เรื่อง แบบรูปและความสัมพันธ์.  สืบค้นเมื่อ 8 ตุลาคม 2562, จาก http://www.tup.ac.th/tup/learning.

อนุวัฒน์  พานิพัด.  (8 ตุลาคม 2562).  แนวคิดเชิงคำนวณ.  สืบค้นเมื่อ 8 ตุลาคม 2562,จาก https://www.teachernu.com/2019/01/02/แนวคิดเชิงคำนวณสถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี.  (2562).  เทคโนโลยี (วิทยาการคำนวณ).  สำนักพิมพ์จุฬาลงกรณ์ : กรุงเทพมหานคร.

Tim Bell, Ian H. Witten and Mike Fellows.  (2562). ซีเอส อันปลั๊กโปรแกรมเสริมสมรรถนะและขยายความสามารถของเด็กระดับประถมศึกษา. สถาบันเทคโนโลยีนานาชาติสิรินธร มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ : ปทุมธานี

 การแก้ปัญหา

          ในการดำเนินชีวิตประจำวันเรามักประสบกับปัญหาต่าง ๆ เช่น ด้านการเรียน ด้านการทำงาน เมื่อเราเจอปัญหา มนุษย์มักจะดำเนินวิธีการแก้ปัญหาด้วยรูปแบบต่าง ๆ ตามบริบทของปัญหานั้น ๆ โดยแต่ละวิธีการอาจเหมือนหรือแตกต่างกัน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความรู้ ความสามารถ และประสบการณ์ของแต่ละบุคคล ได้มีการนำวิธีการแก้ปัญหาต่าง ๆ มาวิเคราะห์และสามารถแก้ปัญหานั้นได้ การนำหลักและวิธีการแก้ปัญหาด้วยวิธีการคอมพิวเตอร์ โดยการนำภาษาโปรแกรมคอมพิวเตอร์และเครื่องมือต่าง ๆ มาช่วยในการแก้ปัญหา นั้นมีรายละเอียดดังนี้

หลักการและความหมายการแก้ปัญหา   

          การแก้ปัญหา หมายถึงกระบวนการการแก้ปัญหาอย่างเป็นระบบ (Systematically) และมีประสิทธิภาพ (Efficiently) สามารถแก้ปัญหาได้รวดเร็ว ใช้ทรัพยากรน้อย โดยศึกษาถึงสาเหตุที่มาของปัญหา ซึ่งจะมีลักษณะแตกต่างกัน และคิดค้นหาวิธีการที่เหมาะสมที่สุดเพื่อจะแก้ไข การคิดหาวิธีการโดยการศึกษาหาความรู้จากแหล่งต่าง ๆ แล้วจึงตัดสินใจเลือกวิธีที่ดีที่สุดในการตัดสินใจนั้น นอกจากวิธีการแก้ปัญหาที่ยกตัวอย่างมาซึ่งได้แก่  วิธีการลองผิดลองถูก  การใช้เหตุผล  การใช้วิธีขจัด  ยังมีวิธีการแก้ปัญหาอีกมากมายที่ผู้แก้ปัญหาสามารถเลือกใช้ให้เข้ากับตัวปัญหาและประสบการณ์ของผู้แก้ปัญหาเอง  แต่อย่างไรก็ตาม  วิธีการเหล่านั้นล้วนมีขั้นตอนที่คล้ายคลึงกัน  และจากการศึกษาพฤติกรรมในการเรียนรู้และแก้ปัญหาของมนุษย์พบว่า โดยปกติมนุษย์มีกระบวนการในการแก้ปัญหา ได้แก่ การวิเคราะห์และกำหนดรายละเอียดของปัญหา การเลือกเครื่องมือและออกแบบขั้นตอนวิธี การดำเนินการแก้ปัญหา การตรวจสอบและการปรับปรุง

ภาพที่ 1 กระบวนการในการแก้ปัญหา 4 ขั้นตอน
ที่มา https://pixabay.com/th/illustrations/ปัญหา-การแก้ปัญหา-ช่วยให้-3303396, Geralt

ขั้นตอนการแก้ปัญหา

1. การวิเคราะห์และกำหนดรายละเอียดของปัญหา

          การวิเคราะห์และกำหนดรายละเอียดของปัญหา (State the problem) วิเคราะห์และกำหนดรายละเอียดของปัญหา จุดประสงค์ของขั้นตอนนี้ คือ เป็นการทำความเข้าใจเกี่ยวกับรายละเอียดเงื่อนไข ข้อกำหนด รวมถึงข้อจำกัดต่าง ๆ ของปัญหา ข้อมูลที่จำเป็นในการแก้ปัญหา ตรวจสอบว่ามีข้อมูลเพียงพอหรือไม่ จะหาข้อมูลเพิ่มเติมให้ครบถ้วนต่อการใช้แก้ปัญหาได้อย่างไร ข้อมูลผลลัพธ์ที่ได้คืออะไร และจะตรวจสอบความถูกต้องของผลลัพธ์ที่ได้อย่างไร ขั้นตอนนี้เป็นขั้นตอนแรกสุดก่อนที่จะลงมือแก้ปัญหา แต่ผู้แก้ปัญหามักจะมองข้ามความสำคัญของขั้นตอนนี้อยู่เสมอ โดย องค์ประกอบในการวิเคราะห์ปัญหามีดังนี้

1. การระบุข้อมูลออก (Output Specification) ต้องพิจารณาเป้าหมาย หรือวัตถุประสงค์ของงานว่าต้องการผลลัพธ์อย่างไร โดยคำนึงถึงผู้ใช้เป็นหลัก เป็นสิ่งที่โจทย์ต้องการในการแก้ปัญหาด้วยคอมพิวเตอร์จำเป็นต้องระบุให้ชัดเจนว่าสิ่งที่ต้องการให้เป็นผลลัพธ์ของปัญหาคืออะไร และต้องการให้แสดงออกในรูปแบบใด เช่น การประมวลผลข้อมูลการเบิกถอนเงินจากเครื่องเอทีเอ็ม ต้องมีการแสดงข้อมูลออกเป็นจำนวนเงินที่ถอนไป และจำนวนเงินคงเหลือในบัญชี อีกทั้งยังต้องออกแบบการจัดวางข้อมูลเหล่านี้เพื่อพิมพ์ลงในใบบันทึกรายการด้วย
2. การระบุข้อมูลเข้า (Input Specification) ต้องทราบว่ามีข้อมูลอะไรบ้างที่ต้องป้อนเข้าสู่ระบบคอมพิวเตอร์ ข้อมูลเริ่มต้นหรือเงื่อนไขที่โจทย์กำหนดมาให้ตั้งแต่แรก ในการแก้ปัญหา ผู้แก้ปัญหาจะต้องใช้ข้อมูลเหล่านี้ในการประมวลผู้เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ตามที่ต้องการ ตัวอย่าง เช่น การเบิกถอนเงินด้วยบัตรเอทีเอ็มข้างต้น ผู้ถอนเงินต้องมีข้อมูลระบุตัวตนว่าเป็นเจ้าของบัญชีตัวจริง ได้แก่ บัตรเอทีเอ็ม และรหัสประจำตัว 4 หลักและยังต้องระบุข้อมูลให้ครบถ้วนว่าต้องการเบิกถอนจากบัญชีใดเป็นจำนวนเงินเท่าใด เป็นต้น
3. กำหนดวิธีการประมวลผล (Process Specification) ต้องทราบวิธีการประมวลผล หรือวิธีคิดให้ได้ผลลัพธ์ตามต้องการ

2. การเลือกเครื่องมือและออกแบบขั้นตอนวิธี

          เป็นการคิดค้นกระบวนการต่าง ๆ  ที่เป็นลำดับขั้นตอน ซึ่งต้องอาศัยประสบการณ์และความรู้ของผู้แก้ปัญหา โดยอาจนำวิธีที่เคยแก้ปัญหา หรือค้นหาวิธีการอื่นแล้วนำมาประยุกต์เข้ากับปัญหาที่กำลังแก้ไข เครื่องมือที่ใช้ในการวางแผนแก้ไขปัญหาสำหรับการพัฒนาโปรแกรม อาจเลือกใช้รหัสลำลอง หรือผังงาน โดยวิธีการแก้ปัญหาแบบนี้ เรียกกว่า “ขั้นตอนวิธีหรืออัลกอริทึม (algorithm)”

          สำหรับปัญหาที่มีขั้นตอนในการแก้ปัญหาอย่างซับซ้อน หรือต้องมีการแก้ปัญหาในลักษณะเดิมซ้ำอีกหลายครั้ง จำเป็นต้องใช้คอมพิวเตอร์เป็นอุปกรณ์ในการแก้ปัญหา โดยเขียนโปรแกรมเพื่อรับข้อมูลเข้าไปประมวลผล และยังต้องเลือกว่าจะใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์ภาษาใด ซึ่งขึ้นอยู่กับความคุ้นเคยในการใช้งานของผู้เขียนโปรแกรม และลักษณะเฉพาะของแต่ละภาษาที่เหมาะสมกับปัญหานั้น ๆ

          ในการแก้ปัญหาโดยใช้คอมพิวเตอร์นั้น การออกแบบวิธีแก้ปัญหาอย่างเป็นขั้นตอนและง่ายต่อการทำความเข้าใจสำคัญมาก เพราะจะทำให้สามารถเขียนโปรแกรมจากขั้นตอนที่ได้ออกแบบไว้อย่างง่ายดาย เครื่องมือที่ใช้เพื่อการออกแบบขั้นตอนวิธี เช่น รหัสลำลอง (Pseudo code) ซึ่งเป็นการจำลองขั้นตอนวิธีแก้ปัญหา โดยการอธิบายด้วยคำพูดที่เข้าใจได้ง่ายเป็นขั้น ๆ หรือผังงาน (flowchart) ซึ่งเป็นการใช้สัญลักษณ์ในการแสดงรายละเอียดและลำดับของแต่ละขั้นตอนที่ใช้แก้ปัญหา ข้อดีอีกประการหนึ่งของการใช้เครื่องมือเหล่านี้ช่วยในการออกแบบวิธีแก้ปัญหาคือ จะทำให้สามารถตรวจสอบความถูกต้อง หาจุดผิดพลาด และแก้ไขขั้นตอนในการแก้ปัญหาที่ซับซ้อนได้รวดเร็ว นักเขียนโปรแกรมจึงควรฝึกฝนการใช้งานเครื่องมือเหล่านี้ให้เชี่ยวชาญ ตัวอย่างการเขียนรหัสลำลองและผังงาน

3. การดำเนินการแก้ปัญหา

          การดำเนินการแก้ปัญหา (Implementation) หลังจากที่ได้ออกแบบขั้นตอนวิธีเรียบร้อยแล้ว ขั้นตอนนี้เป็นขั้นตอนที่ต้องลงมือแก้ปัญหาโดยใช้เครื่องมือที่ได้เลือกไว้ หากการแก้ปัญหาดังกล่าวใช้คอมพิวเตอร์เข้ามาช่วยงาน ขั้นตอนนี้ก็เป็นการใช้โปรแกรมสำเร็จ หรือใช้ภาษาคอมพิวเตอร์เขียนโปรแกรมแก้ปัญหา ขั้นตอนนี้ต้องอาศัยความรู้เกี่ยวกับเครื่องมือที่เลือกใช้ซึ่งผู้แก้ปัญหาต้องศึกษาให้เข้าใจและเชี่ยวชาญ ในการดำเนินการอาจพบแนวทางที่ดีกว่าที่ออกแบบไว้ ผู้แก้ปัญหาก็สามารถปรับเปลี่ยนได้

4. การตรวจสอบและปรับปรุง

          การตรวจสอบและปรับปรุง (Refinement) หลังจากที่ลงมือแก้ปัญหาแล้ว ต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าวิธีการนี้ให้ผลลัพธ์ที่ถูกต้อง โดยผู้แก้ปัญหาต้องตรวจสอบว่าขั้นตอนวิธีที่สร้างขึ้นสอดคล้องกับรายละเอียดของปัญหา ซึ่งได้แก่ ข้อมูลเข้า และข้อมูลออก เพื่อให้มั่นใจว่าสามารถรองรับข้อมูลเข้าได้ในทุกกรณี อย่างถูกต้องและสมบูรณ์ ในขณะเดียวกันก็ต้องปรับปรุงวิธีการเพื่อให้การแก้ปัญหานี้ได้

          ดังนั้น การแก้ปัญหา จึงเป็นกระบวนการที่เป็นระบบขั้นตอนในการแก้ปัญหาใดปัญหาหนึ่ง โดยใช้วิธีการดำเนินการแก้ปัญหาด้วยรูปแบบต่าง ๆ ด้วยกระบวนการแก้ปัญหา 4 ขั้นตอน ได้แก่ การวิเคราะห์และกำหนดรายละเอียดของปัญหา การเลือกเครื่องมือและออกแบบขั้นตอนวิธี การดำเนินการแก้ปัญหา การตรวจสอบและการปรับปรุง ซึ่งรายละเอียดได้กล่าวไปแล้วนั้น จะทำให้เราสามารถแก้ปัญหาได้อย่างเป็นระบบ ตามขั้นตอนวิธีและได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด

แหล่งที่มา

ดนัยเทพ. (2562, 12 กันยายน).  หลักการแก้ปัญหาด้วยคอมพิวเตอร์.  สืบค้นเมื่อ 12 กันยายน 2562. จาก https://danaithep.wordpress.com/2012/07/23/บทที่-6-หลักการแก้ปัญหาด-2.

ปรีดาภรณ์ ไชยแสง.  แนวคิดเชิงคำนวณ.  สืบค้นเมื่อ 12 สิงหาคม 2562. จาก https://sites.google.com/a/kjn.ac.th/withyakar-khanwn/kh-naewkhid-cheing-khanwn

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี.  (2562).  เทคโนโลยี (วิทยาการคำนวณ).  สำนักพิมพ์จุฬาลงกรณ์ : กรุงเทพมหานคร.

 การเขียนรหัสลำลองและการเขียนผังงาน

          เป็นการคิดค้นกระบวนการต่าง ๆ  ที่เป็นลำดับขั้นตอน ซึ่งต้องอาศัยประสบการณ์และความรู้ของผู้แก้ปัญหา โดยอาจนำวิธีที่เคยแก้ปัญหา หรือค้นหาวิธีการอื่นแล้วนำมาประยุกต์เข้ากับปัญหาที่กำลังแก้ไข เครื่องมือที่ใช้ในการวางแผนแก้ไขปัญหาสำหรับการพัฒนาโปรแกรม อาจเลือกใช้รหัสลำลอง หรือผังงาน โดยวิธีการแก้ปัญหาแบบนี้ เรียกว่า ขั้นตอนวิธีหรืออัลกอริทึม โดยเฉพาะรหัสลำลองซึ่งเป็นเครื่องมือหนึ่งที่ช่วยให้ผู้แก้ปัญหาสามารถแก้ปัญหาได้สำเร็จ

 รหัสลำลอง

          รหัสลำลอง (Pseudo code) เป็นคำบรรยายที่เขียนแสดงขั้นตอนวิธี (algorithm) ของการเขียนโปรแกรม โดยใช้ภาษาที่กะทัดรัด สื่อสารกับโปรแกรมเมอร์ผู้เขียนโปรแกรม โดยอาจใช้ภาษาที่ใช้ทั่วไปและอาจมีภาษาที่ใช้ในการเขียนโปรแกรมประกอบ แต่ไม่มีมาตรฐานแน่นอนในการเขียนรหัสลำลอง และไม่สามารถนำไปทำงานบนคอมพิวเตอร์โดยตรงเพราะไม่ใช่คำสั่งในภาษาคอมพิวเตอร์ และไม่ขึ้นกับภาษาคอมพิวเตอร์ภาษาใดภาษาหนึ่ง

หลักเกณฑ์การเขียนรหัสลำลอง

มีการสรุปหลักเกณฑ์ ในการเขียนรหัสลำลองดังนี้

1. ถ้อยคำหรือประโยคคำสั่ง (statement) ให้เขียนอยู่ในรูปแบบของภาษาอังกฤษอย่างง่าย
2. ในหนึ่งบรรทัด ให้เขียนประโยคคำสั่งเพียงคำสั่งเดียว
3. ควรใช้ย่อหน้าให้เป็นประโยชน์เพื่อแยกคำเฉพาะ (Keywords) ได้อย่างชัดเจน รวมถึงจัดโครงสร้างการควบคุมให้เป็นสัดส่วน ซึ่งการกระทำดังกล่าวจะทำให้อ่านง่าย
4. แต่ละประโยคคำสั่งให้เขียนลำดับจากบนลงล่างโดยมีเพียงทางเข้าทางเดียวและมีทางออกทางเดียวเท่านั้น
5. กลุ่มของประโยคคำสั่งต่าง ๆ อาจจัดรวมกลุ่มเข้าด้วยกันในรูปแบบของโมดูล แต่ต้องกำหนดชื่อโมดูลเหล่านั้นด้วย เพื่อให้สามารถเรียกใช้โมดูลเหล่านั้นได้

ตัวอย่างการเขียนรหัสลำลอง (Pseudo Code)

       อัลกอริทีม (Algorithm)Algorithm การหาพื้นที่สามเหลี่ยม                  Pseudocodes Algorithm triangle

       เริ่มต้น                                                                                           START

       รับค่าความยาวของฐานมาเก็บในตัวแปร x                                         READ X

       รับค่ความยาวของสูงมาเก็บในตัวแปร Y                                            READ Y

       คำนวณหาพื้นที่                                                                             Compute ARRAY =(X"Y)/2

       แสดงผลพื้นที่                                                                                Print ARRAY

       จบ                                                                                                END

 ประโยชน์ของการเขียนรหัสลำลอง

1. เป็นเครื่องมือในการกำหนดโครงร่างกระบวนการทำงานของการเขียนโปรแกรมแต่ละโปรแกรม
2. เป็นต้นแบบในการทบทวน ปรับปรุงแก้ไข และพัฒนาโปรแกรมของโปรแกรมเมอร์ และนักวิเคราะห์ระบบ
3. เป็นตัวกำหนดงานเขียนโปรแกรม เพื่อให้โปรแกรมเมอร์นำไปพัฒนาเป็นโปรแกรมคอมพิวเตอร์ เพื่อสั่งให้ คอมพิวเตอร์ทำงานตามกระบวนการที่ได้จำลองกระบวนการจริงไว้ในรหัสลำลอง

          รหัสลำลองจึงมีความสำคัญต่อการแก้ปัญหาเป็นตัวแทนของอัลกอริทึม โดยมีถ้อยคำหรือประโยคคำสั่งที่เขียนอยู่ในรูปแบบของภาษาอังกฤษที่ไม่ขึ้นกับภาษาคอมพิวเตอร์ภาษาใดภาษาหนึ่ง โดยการเขียนรหัสลำลองจะต้องคำนึงถึงหลักเกณฑ์ของการเขียนรหัสลำลองคำสั่งให้เขียนลำดับจากบนลงล่างและมีเพียงทางเข้าทางเดียวและมีทางออกทางเดียว รหัสลำลองจึงเป็นเครื่องมือในการกำหนดโครงร่างกระบวนการทำงานเป็นตัวกำหนดงานเขียนโปรแกรมเพื่อการพัฒนาโปรแกรมต่อไป

การเขียนผังงาน

ความหมายของการเขียนผังงาน

          ผังงาน (Flowchart) คือ รูปภาพ (Image) หรือสัญลักษณ์(Symbol) ที่ใช้เขียนแทนขั้นตอน คำอธิบาย ข้อความหรือคำพูด ที่ใช้ในอัลกอริทึม (Algorithm) เพราะการนำเสนอขั้นตอนของงานให้เข้าใจตรงกัน ระหว่างผู้เกี่ยวข้อง ด้วยคำพูด หรือ ข้อความ ทำได้ยากกว่าเมื่อใช้รูปภาพ หรือสัญลักษณ์

ประเภทของผังงาน

          ในการเขียนผังงานนั้นสามารถจำแนกแบบของผังงานออกเป็น 2 แบบใหญ่ ๆ คือ

          1. ผังงานระบบ (System Flowchart) หรือผังงานในระดับกว้าง ซึ่งจะเป็นการแสดงขั้นตอนการทำงานของระบบทั้งหมด ผังงานระบบมักจะมีลักษณะย่นย่อ รวบรัด และแสดงเฉพาะตัวงานที่จะต้องทำในระบบเท่านั้น ไม่มุ่งเน้นรายละเอียดในการปฏิบัติ ไม่ได้แสดงว่างานนั้นจะทำอย่างไร ความสำคัญของผังงานระบบอยู่ที่การแสดงความสัมพันธ์ระหว่างงานต่าง ๆ ในระบบว่ามีความสัมพันธ์กันอย่างไร ตั้งแต่เรื่องของวัสดุอุปกรณ์ บุคลากร และหน่วยงานที่เกี่ยวข้อง

          2. ผังงานโปรแกรม (Program Flowchart) หรือผังงานระดับละเอียด เป็นภาพแผนผังที่แสดงลำดับขั้นตอนในการทำงานของโปรแกรม ซึ่งจะแยกย่อยมาจากผังงานระบบ คือในแต่ละขั้นตอนจะแสดงการทำงานแต่ละคำสั่งโดยละเอียด ใส่วิธีการ และจัดลำดับขั้นตอนของโปรแกรม สำหรับโปรแกรมนั้น ๆ ตั้งแต่เริ่มต้นจากการรับข้อมูล การประมวลผล และไปจนถึงการแสดงผลลัพธ์ที่ได้จากการประมวลผลที่ผู้เขียนโปรแกรมกำลังทำงานอยู่ ไม่ได้แสดงความสัมพันธ์ระหว่างโปรแกรมนั้นกับโปรแกรมอื่น ๆ

สัญลักษณ์ผังงานโปรแกรม ( Program Flowchart )

การเขียนผังโปรแกรมจะประกอบไปด้วยการใช้สัญลักษณ์มาตรฐานต่าง ๆ ที่เรียกว่า สัญลักษณ์ ANSI ( American National Standards Institute ) ในการสร้างผังงาน ดังตัวอย่างที่แสดงในรูปต่อไปนี้

ภาพที่ 1 สัญลักษณ์ ANSI
ที่มา ฉัตรพงศ์  ชูแสงนิล

 ลักษณะโครงสร้างของผังงาน

          ผังงานทั่วไปจะประกอบด้วยโครงสร้างพื้นฐาน 3 รูปแบบต่อไปนี้คือ

          1. โครงสร้างแบบเป็นลำดับ (Sequence structure)

          2. โครงสร้างแบบมีการเลือก (Selection structure)

          3. โครงสร้างแบบทำซ้ำ (Iteration structure)

โครงสร้างแบบเป็นลำดับ (Sequence Structure)

          เป็นโครงสร้างพื้นฐานของผังงาน และเป็นลักษณะขั้นตอนการทำงานที่พบมากที่สุด คือทำงานทีละขั้นตอนลำดับ

ภาพที่ 2 โครงสร้างแบบเป็นลำดับ
ที่มา https://kropomprograming.files.wordpress.com › flowchartandprogram, kropomprograming

โครงสร้างแบบมีตัวเลือก (Selection Structure)

ภาพที่ 3 โครงสร้างแบบมีตัวเลือก
ที่มา https://kropomprograming.files.wordpress.com › flowchartandprogram, kropomprograming

โครงสร้างการทำงานแบบมีการเลือกมีรูปแบบที่ซับซ้อนกว่าโครงสร้างแบบเป็นลำดับรูปแบบที่ง่ายที่สุดของโครงสร้างแบบนี้คือ การเลือกแบบมีทางออก 2 ทาง ในการเลือกแบบมีทางออก 2 ทาง นี้จะมีทางออกจากสัญลักษณ์การตัดสินใจเพียง 2 ทาง คือ ใช่หรือไม่ใช่ เท่านั้น

โครงสร้างแบบทำซ้ำ (Iteration Structure)

โครงสร้างการทำงานแบบทำซ้ำ จะทำงานแบบเดียวกันซ้ำไปเรื่อย ๆ ในขณะที่ยังเป็นไปตามเงื่อนไขหรือเงื่อนไขเป็นจริง จนกระทั่งเงื่อนไขเป็นเท็จจึงทำงานอื่นต่อไป

ภาพที่ 4 โครงสร้างแบบทำซ้ำ
ที่มา https://kropomprograming.files.wordpress.com › flowchartandprogram, kropomprograming

 ประโยชน์ของผังงาน

          ผังงานเป็นเครื่องมือที่ช่วยให้ลำดับขั้นตอนของโปรแกรมง่ายขึ้น จึงนิยมเขียนผังงานประกอบการเขียนโปรแกรม ด้วยเหตุผลดังนี้

          1. การใช้ผังงานเป็นรูปแบบที่ไม่ขึ้นอยู่กับภาษาคอมพิวเตอร์ภาษาใดภาษาหนึ่ง ทำให้เรียนรู้และทำความเข้าใจได้ง่าย 

          2. ผังงานช่วยลำดับเป็นขั้นเป็นตอน เน้นสื่อความหมายด้วยภาพทำให้ง่ายต่อการทำความเข้าใจ แตกต่างจากการใช้ข้อความหรือคำพูดอาจจะสื่อความหมายผิดไปได้

          3. เมื่อเกิดข้อผิดพลาดในขั้นตอนการเขียนโปรแกรมจะช่วยให้ตรวจสอบความถูกต้องของลำดับขั้นตอน และแก้ไขโปรแกรมได้ง่าย 

          4. ผังงานช่วยทำให้ผู้ที่มาทำต่อหรือศึกษาต่อทำความเข้าใจการทำงานของโปรแกรมได้อย่างง่าย สะดวก และรวดเร็วมากขึ้น

          ดังนั้นผังงานจึงเป็นแผนภาพแสดงลำดับขั้นตอนการทำงานของอัลกอริทึม เป็นเครื่องมือที่ใช้การรวบรวมจัดลำดับความคิด เพื่อให้เห็นขั้นตอนการทำงานที่ชัดเจนและใช้วางแผนการทำงานขั้นแรก โดยสัญลักษณ์ Flowchart แสดงถึงการทำงานลักษณะต่าง ๆ เชื่อมต่อกัน โดยแบ่งประเภทของผังงานออกเป็น 2 แบบใหญ่ ๆ ได้แก่ ผังงานระบบ และผังงานโปรแกรม  สัญลักษณ์ผังงานโปรแกรมโดยใช้สัญลักษณ์ ANSI  โดยลักษณะโครงสร้างของผังงานจะประกอบด้วยโครงสร้างพื้นฐาน 3 รูปแบบ ได้แก่โครงสร้างแบบเป็นลำดับ โครงสร้างแบบมีการเลือก โครงสร้างแบบทำซ้ำ ซึ่งจะช่วยให้ลำดับรายละเอียดของคำสั่ง เป็นภาพแผนผังที่แสดงลำดับขั้นตอนในการทำงานของโปรแกรมได้

 แหล่งที่มา

เจษฎา ก้องสาคร.  (2562, 12 กันยายน).  การเขียนผังงาน. สืบค้นเมื่อ 12 กันยายน 2562. จาก https://www.cmarea3.go.th/2562/การเขียนผังงาน-flowchart/

นิรุธ อำนวยศิลป์  (2548.) โครงสร้างข้อมูล : การเขียนโปรแกรมและการประยุกต์.  ดวงกมลสมัย : กรุงเทพฯ.

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี.  (2562).  เทคโนโลยี (วิทยาการคำนวณ).  สำนักพิมพ์จุฬาลงกรณ์ : กรุงเทพมหานคร.

โอภาส เอี่ยมสิริวงศ์.  (2549.).  โครงสร้างข้อมูลเพื่อการออกแบบโปรแกรมคอมพิวเตอร์.  ซีเอ็ดยูเคชั่น :    กรุงเทพฯ.