兒童如何從零開始學(xué)編程

　　有人說，未來的世界每個人都要會編程，就像每個現(xiàn)代人都會寫字說話一樣。也有人說，大眾是愚昧的，會編程的人群不可能有很大比例。我也不知道未來什么樣，但是我知道另外兩件事情。一是，程序設(shè)計的邏輯與日常和工作中的推理沒有區(qū)別，遵循和表達(dá)流程，在程序設(shè)計和現(xiàn)實世界中也是一樣的。會編程序的人，更容易相信邏輯，而不是單純的愿望。二是，曾經(jīng)，人們認(rèn)為普羅大眾都能說會寫--估且不論說寫的水平如何--是不可能的。中國掃除文盲也并沒有多久，只是大家沉浸在現(xiàn)代化里面一二十年就忘記了原本的樣子。多數(shù)人不識字因而不能讀寫家信，集市有專門的人才負(fù)責(zé)這項工作，這也不過是一百年前的事。如果你認(rèn)為一百年很久遠(yuǎn)，那么，我的小學(xué)語文老師就講過，為自己的姨輩掃盲，在鍋臺、墻壁、門窗上都貼上字，什么東西上就貼什么字，她因此得了標(biāo)兵。這應(yīng)該是發(fā)生在建國以后的事情。如今，幾乎沒有人不識字，盡管傳聞漢語有多么難學(xué)。

　　劉慈欣先生說，未來的時候，不是撓手機(jī)就能活下來的時代。鄧小平同志說，計算機(jī)要從娃娃抓起。我覺得都挺有道理。

　　0. 我的入門

　　我學(xué)習(xí)編程入門是在高中的時候，1992年左右，使用的機(jī)是蘋果II、長城6502，單色顯示器，一個或兩個軟驅(qū)，高密的是好的，一般是低密的。

　　教材是 蘋果-Ⅱ BASIC程序設(shè)計 / 張世英編，北京 : 北京師范大學(xué)出版社, 1985，500多頁的小冊子。

　　當(dāng)時最喜歡的有兩項。一個是玩現(xiàn)成的游戲，插進(jìn)軟件，似乎要怎么怎么運行，然后有一堆綠色的方塊在屏幕上扭來動去，有時嘟一聲。同學(xué)中的前輩告訴我，那是兩個武士在持劍格斗。我完全看不出來，而且確實比魂斗羅之類的效果要差很多。另一個更喜歡一些，就是把書上的BASIC代碼錄入進(jìn)去，然后修改，畫出不同的圖形，計算不同的結(jié)果。因為能看到更多可控的因素，所以編程比看不懂的游戲更有意思吧。

　　1. 失敗的嘗試

　　二貓同學(xué)在大約五六歲的時候，我嘗試了兩次教她編程，不怎么成功。

　　第一次的教材是《與孩子一起學(xué)編程》，作者[美] 桑德Warren Sande / Carter Sande，人民郵電出版社， 2010-11。

　　從第一章或第三章開始。最初的實驗是編個程序，能算出 1+2 這樣。為避免你誤會我的意思，以為是自動生成考卷之類的，具體地說，代碼就是 print 1+2這么一行。如果想算 3+5，那就手動再改一下代碼。

　　對于二貓來講，體驗是神奇的。因為除了她，居然還有這么個東西也能算加法，而且計算結(jié)果和她的一樣。所以，她一直希望，"再算一個幾加幾"。

　　然后我嘗試教她循環(huán)，這就是失敗的開始。在循環(huán)中，需要要循環(huán)變量，需要有對求和連加的抽象表達(dá)。我忘記了，連 print 這樣一個單詞她以前都沒有見過。這些全都是新的信息，風(fēng)暴一樣灌進(jìn)來。她甚至還沒有學(xué)過連加和乘法。

　　后來我們說，今天就到這里吧。印象里，她沒有特別強(qiáng)烈地要求繼續(xù)，相信已經(jīng)有些挫敗感了。雖然說，挫敗感是只有一定程度投入才能產(chǎn)生的反應(yīng)，但是我不敢繼續(xù)嘗試了。

　　另一次編程學(xué)習(xí)的嘗試，是在 ipad mini 里裝了個 logo。logo又稱海龜做圖，基于極坐標(biāo)或平面直角坐標(biāo)系，移動海龜光標(biāo)，指揮它畫圖。我用 logo 給二貓畫了個直線，畫了個三角形，畫了個多邊形，逼近了圈，她試了試改其中的幾行，覺得不錯，挺神奇。正準(zhǔn)備用極坐標(biāo)畫個萬花規(guī)圖形，發(fā)現(xiàn)二貓開始禮貌地表達(dá)興趣。

　　萬花規(guī)作圖，需要極坐標(biāo)方程，需要一堆代碼。更重要的，二貓告訴我，其實從畫三角形開始，一圈是360度，每個角應(yīng)該多少度，甚至走多少步在平面直角坐標(biāo)系上的含義，這些都是全新的知識。直角坐標(biāo)系的概念，直到最近2017年初她讀可怕的數(shù)學(xué)系列，才學(xué)到了，自覺用在了 scratch 中，極坐標(biāo)可能仍然沒有概念呢。

　　后來二貓幾次主動提出希望再玩 python，我沒有想好怎么教學(xué)，還是沒帶她玩。

　　如果沒有學(xué)過加減法，如果沒有學(xué)過角度，那么 python 和 logo 就沒法開始。那么，是不是沒有這些基礎(chǔ)，就任何程序也不能編呢？到底具備什么樣的基礎(chǔ)才能開始學(xué)習(xí)編程和邏輯。

　　約十年前，李記者、典同學(xué)、我曾經(jīng)討論過很多輪，需要具備什么樣基礎(chǔ)或者特性的人，才能成長為優(yōu)秀的程序員。其中，我提到過一個游戲《不可思議的機(jī)器》，設(shè)計路線讓小老鼠躲開貓的追擊。有針、彈簧墊、氣球這樣的道具，它們在一定程序仿真的物理引擎上交互。由玩家觸發(fā)開始以后，道具一頓亂跳，最后貓失敗老鼠跑掉。這個游戲有編程的基本思想，計劃、條件、隱含的循環(huán)。但是，這個游戲并不需要任何數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。所以，不需要數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的編程，應(yīng)該是可能的。

　　《不可思議的機(jī)器》并不適合兒童編程教學(xué)。一方面是因為難度偏好，另一方面離程序設(shè)計最終功利的目的太過遙遠(yuǎn)，從游戲里不太容易直接看出與編程思想的對應(yīng)，我擔(dān)心這樣的技能向真實編程移植可能相當(dāng)困難。

　　2. 點燈機(jī)器人 (Lightbot Hour'14, Lightbot Hour)

　　最初我在網(wǎng)上某篇文章里看到 lightbot 介紹，討論的就是兒童編程。這篇文章一時沒有找到，類似于[《編程機(jī)器人》：胸中有塊壘，大腦漲智慧 - 觸樂]。

　　lightbot看名字的暗示，程序員應(yīng)該1小時左右通關(guān)吧。實際上，我的體會，比那還要難一些。

　　我和二貓是在 ipad mini 上玩的這個游戲，剛剛注意到，還有 flash 版本可以在PC機(jī)上玩，在 bing 上搜索 點燈機(jī)器人，有不少。

　　玩家為一個機(jī)器人制定行動計劃，操作它在方塊場地行走，目的是把所有的燈都點亮。我玩的兩個版本都是8+6+6關(guān)。

　　2.1 其中第一部分8關(guān)，只使用基本操作，包括 左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)、跳、點燈/滅燈。其中點燈和滅燈是同一個動作，如果把燈的狀態(tài)由滅/亮改為亮/滅。這符合演繹思想的基本路線，由幾個基本元素，經(jīng)過幾個基本規(guī)則的組合，構(gòu)造出更復(fù)雜的行動－－行動的結(jié)果，正是意圖的目標(biāo)。這是分解，考察如何把意圖分解為若干步驟。python 和 logo 的問題在于，涉及過多的基礎(chǔ)知識，因此入門所需要的元素也就很多。lightbot限制動作只有上述5個，是這個游戲定義的，所以不需要基礎(chǔ)知識。從現(xiàn)實來的隱喻－－機(jī)器人會走、會點燈，單純所以容易掌握。就轉(zhuǎn)向而言，只提供左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，限制了機(jī)器人轉(zhuǎn)向的可能只有2種，而不會是360種，所以不需要使用 轉(zhuǎn)向(左|右) 這樣帶參函數(shù)或動賓 (動補(bǔ)？) 的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可以枚舉為 左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)。

　　在這一部分中，玩家能夠掌握 1.順序執(zhí)行的概念，2.在每個步驟中可以選用若干語句 (向前、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、跳、點燈/滅燈) ，3.這些語句只有在特定的上下文中才具有意義，比如在不是臺階的地方不能跳，臺階處不能向前，燈是開關(guān)量。

　　這些都是某些人在學(xué)習(xí)程序設(shè)計中遇到的障礙，并不是像某些一學(xué)就會的程序員認(rèn)為的那樣是顯而易見的。由原本生活所帶來的各種刻板印象支配我們對新學(xué)習(xí)的知識的猜測路線，信息和手冊往往又并不充分，所以猜錯幾次非常正常。由于程序設(shè)計與現(xiàn)實的差異，不容商議地必須完全正確，不少人錯到不知道如何繼續(xù)，挫敗感很強(qiáng)。所以，設(shè)計 少量元素+簡單規(guī)則，推演出更豐富的結(jié)果，很適合用于了解熟悉構(gòu)造性的思路。而且，又剛好不是像某些人認(rèn)為的平面幾何那么難 (初中卻學(xué)得不錯？)，所以更佳。雖然我猜，lightbot 就等價于弱的平面幾何，在抽象代數(shù)的意義上上。這是良藥何需苦口的典型范例。

　　2.2 第二部分6關(guān)，需要使用子程序 (或稱過程？)。逼近或誘導(dǎo)玩家使用子程序的原因是，原來的主程序中，能夠放置行動卡片的槽位有限。如果用"笨"辦法，那么步驟數(shù)量多于槽位，游戲不能成功。比如向前走4步點4盞燈，按基本操作，就是 走1步、點燈、走1步、點燈、走1步、點燈、走1步、點燈，需要8個槽位；按子程序的辦法，可以是 主程序中為 P1、P1、P1、P1，4個槽位，P1中是走1步、點燈，2個槽位。游戲在這一關(guān)里設(shè)定為，主程序只有4個槽位，按基本操作的8個步驟就過不了關(guān)。

　　在第二部分的開頭，有圖示和文字指導(dǎo)，表示P1可以像基本操作一樣作為卡片放在主程序中，并把P1展開表示是步驟的一部分。

　　在 lightbot 中，P1子程序入口和出口都不帶參數(shù)。我認(rèn)為這是對一般編程的合理簡化，利于掌握。

　　2.3 第三部分6關(guān)，涉及遞歸，P1可以調(diào)用P1。在 lightbot，很令我意外的，沒有循環(huán)，只能使用遞歸完成迭代。典同學(xué)會說，這才是合理的思維方式吧。同樣由于槽位的限制，如果不使用遞歸，就不可能完成任務(wù)，所以誘導(dǎo)玩家掌握遞歸思想。

　　沒有遞歸跳出條件，當(dāng)所有燈都點亮以后，游戲就通過此關(guān)。由于不需要遞歸的跳出條件，也就沒有變量和循環(huán)變量存在的必要。

　　游戲通關(guān)以后可以申請電子證書，看起來花樣繁復(fù)，很值得一顯擺的樣子�？梢灾付ò涯愕拿�字印在上面，不過似乎不支持漢字。

　　3. Robot School

　　單位黨支部組織生活，會后的路上同事們和蹭車的我學(xué)術(shù)交流。朱老師告訴我還有個游戲也很好，Robot School，也是在 ipad mini 上玩的。

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