淺談“計(jì)算機(jī)編程從娃娃抓起”

肖亮英

摘 要：信息時(shí)代的發(fā)展使得編程成為核心能力，計(jì)算機(jī)編程從娃娃抓起，不只是對(duì)孩子負(fù)責(zé)，更是對(duì)未來負(fù)責(zé)。從為什么學(xué)編程、編程學(xué)什么、怎樣學(xué)編程三個(gè)維度論述“計(jì)算機(jī)編程從娃娃抓起”這一主題的必要性和可實(shí)施性，旨在呼吁中小學(xué)信息技術(shù)教育加強(qiáng)對(duì)學(xué)生編程能力和計(jì)算思維的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：編程；計(jì)算思維；素養(yǎng)

在2015年的“兩會(huì)”上，浙江省科技廳廳長周國輝提出了議案：“編程從娃娃抓起，這是對(duì)未來負(fù)責(zé)。”他認(rèn)為，當(dāng)下是一個(gè)利用互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的數(shù)字世界，發(fā)展數(shù)字世界的核心能力就是編程和數(shù)據(jù)。編程、數(shù)據(jù)科學(xué)應(yīng)該從中小學(xué)青少年教育抓起，讓代碼和數(shù)據(jù)成為我國所有青少年兒童的另一種語言?！叭昵埃∑酵咎岢觥?jì)算機(jī)要從娃娃抓起，現(xiàn)在的孩子玩計(jì)算機(jī)都溜得很，但發(fā)展到現(xiàn)在這個(gè)階段，只會(huì)基本的計(jì)算機(jī)操作已經(jīng)不夠了，需要更進(jìn)一步：編程?！敝軓d長如是說。

無獨(dú)有偶，2015年2月，美國總統(tǒng)奧巴馬公開表示，如果美國希望繼續(xù)在全球科技創(chuàng)新中保持領(lǐng)先，所有人都應(yīng)更早地學(xué)習(xí)如何編程?！熬幊虘?yīng)當(dāng)與ABC字母表和顏色同時(shí)得到教學(xué)”“編程教學(xué)如同識(shí)字一樣，應(yīng)成為基礎(chǔ)教育的一部分?！眾W巴馬本人更是身體力行，成為首位會(huì)編程的總統(tǒng)。

由以上兩例可見，隨著時(shí)代的發(fā)展及信息技術(shù)給社會(huì)生活帶來的影響和改變，人們對(duì)計(jì)算機(jī)編程的教育越來越重視。筆者長期執(zhí)教小學(xué)階段的信息技術(shù)課程，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維及程序素養(yǎng)頗有感觸，在此就小學(xué)階段的編程教育淺談幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)，以起拋磚引玉之效。

一、為什么要學(xué)編程

其實(shí)，在如今的社會(huì)，我們的孩子為什么要學(xué)編程，答案是顯而易見的，從國家層面講，未來信息產(chǎn)業(yè)的比重將逐步增加，如何搶占下一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)的制高點(diǎn)，核心在IT人員的培養(yǎng)。當(dāng)然，這是宏觀方面的意義，筆者認(rèn)為，學(xué)編程對(duì)于個(gè)人的認(rèn)知和素養(yǎng)的培養(yǎng)還有重要的作用。

1.學(xué)編程才能更好地認(rèn)識(shí)世界

世界是數(shù)字的，各種信息化產(chǎn)品越來越緊密地將我們的生活聯(lián)系起來，物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)、大數(shù)據(jù)，不斷地將我們的世界數(shù)字化，各行各業(yè)更不可缺少地跟計(jì)算機(jī)程序相關(guān)聯(lián)。要推動(dòng)時(shí)代的發(fā)展，需要有編程思維，要洞悉時(shí)代發(fā)展，也需要編程思維，在當(dāng)前時(shí)代中競(jìng)爭(zhēng)與發(fā)展，更不可缺少編程思維。

編程是一種自動(dòng)化理念，它的思想及解決問題的方法被各個(gè)學(xué)科借鑒和拓展。生物學(xué)借鑒編程對(duì)信息的處理，發(fā)展出生物信息學(xué)，甚至將DNA的配對(duì)看作編碼問題來破解。心理學(xué)從計(jì)算機(jī)的運(yùn)行機(jī)制發(fā)展出認(rèn)知心理學(xué)，某種程度上將人的認(rèn)知過程類比為計(jì)算機(jī)對(duì)信息讀取、存儲(chǔ)、處理和輸出的過程。在探討宇宙終極問題上，編程思維同樣起到了啟示作用。在斯蒂芬·沃爾夫勒姆的一篇專訪《宇宙的本質(zhì)是計(jì)算》中，這位傳奇科學(xué)家說：“我們的世界就是計(jì)算，就是一套簡(jiǎn)單的規(guī)則生成的復(fù)雜現(xiàn)象……很多時(shí)候人們說的‘隨機(jī)性……只是證明你還沒為這個(gè)系統(tǒng)建立完整的模型而已。”假如模型都有了，那么就可以在計(jì)算機(jī)中模擬宇宙的一切。如果計(jì)算機(jī)的速度足夠快，快得超過宇宙的運(yùn)算速度，那么甚至能計(jì)算出未來會(huì)發(fā)生什么，也就是能預(yù)測(cè)未來。

2.學(xué)編程，從科技的消費(fèi)者轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)造者

如今，我們的孩子生活在數(shù)字化時(shí)代，使用著各類智能產(chǎn)品和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，但他們大多數(shù)是科技的消費(fèi)者，而不是創(chuàng)造者。他們被稱為“數(shù)字原住民”，但是對(duì)科技并不熟悉，他們是經(jīng)驗(yàn)豐富的使用者但并不是創(chuàng)造者，就像會(huì)閱讀不會(huì)寫作一樣。所以需要教學(xué)生計(jì)算機(jī)，讓他們學(xué)會(huì)充分使用數(shù)字時(shí)代的科技。

同時(shí)，編程為創(chuàng)造力和創(chuàng)造性表達(dá)開辟了新途徑。現(xiàn)在的編程學(xué)習(xí)，可能更像一種高級(jí)的樂高積木，學(xué)生可以很簡(jiǎn)便地了解其規(guī)則而創(chuàng)作出豐富的產(chǎn)品。Scratch的創(chuàng)作者在瀏覽Scratch在線網(wǎng)站時(shí)，發(fā)現(xiàn)很多8～16歲孩子的作品，感慨道：“隨著孩子們創(chuàng)造和分享自己的Scratch作品，他們正在把自己鍛煉成創(chuàng)想者，并同時(shí)為這個(gè)呼喚創(chuàng)造力的時(shí)代做好準(zhǔn)備?！笔堑?，在今天瞬息萬變的世界里，沒有什么比創(chuàng)造力更重要。幫助孩子們成長為具有創(chuàng)造力的思考者，那就是給予他們創(chuàng)造的機(jī)會(huì)。我們不能僅僅讓他們?cè)陔娮赢a(chǎn)品上打游戲、和朋友聊天、上網(wǎng)、搜索信息等等，更多的是讓他們創(chuàng)造出自己的游戲、自己的程序。

3.編程可以開發(fā)學(xué)生的邏輯思維能力和問題解決能力，更好地塑造自己的素養(yǎng)

學(xué)生想通過計(jì)算機(jī)解決某個(gè)問題或者實(shí)現(xiàn)自己的想法，這并不是瞬間就能完成的事，計(jì)算機(jī)也并不是智能得通過溝通就能執(zhí)行命令。在這一過程中，學(xué)生需要將自己的問題轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)模型，比如想讓某個(gè)對(duì)象在程序上運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)是讓對(duì)象每間隔一定時(shí)間坐標(biāo)位置發(fā)生變化，將模型通過計(jì)算機(jī)語言描述出來，進(jìn)而上機(jī)實(shí)踐。從建模到編碼（coding），需要學(xué)生有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S能力，思慮縝密，稍有不慎，程序?qū)⒂新┒?。而編碼過程，也是提高學(xué)生邏輯思維能力和問題解決能力的過程。

二、學(xué)編程是學(xué)什么

1.學(xué)編程不是人人成為程序員

我們將編程看作一種新的素養(yǎng)，就像寫字一樣。我們?cè)谌松娜魏坞A段都會(huì)用到寫字這項(xiàng)技能：無論是和朋友聯(lián)系，列一張購物清單，還是跟日記說心里話。而寫作本身也為人們開啟了新的思維方式。在寫作的時(shí)候，我們學(xué)會(huì)組織和提煉語言，并反思自己的想法?！皩懽帧睂?duì)所有人都很重要，而不僅僅是對(duì)那些有志成為專業(yè)作家的人。

編程也是一樣的道理。編程并不僅僅對(duì)未來的程序員或計(jì)算機(jī)科學(xué)家才有用。在學(xué)習(xí)編程的過程中，我們學(xué)會(huì)了許多其他的東西，比如學(xué)習(xí)解決問題的策略，學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，并交流想法。這些技能對(duì)所有人都有用，不管他多大年齡、有什么興趣、做什么工作，但這樣并不意味著人人都成為程序員。

2.學(xué)編程不一定是學(xué)編碼

學(xué)編程（programming）并不是打代碼（coding），不一定要用C、C++，Java等語言，不一定只是用命令形式跟計(jì)算機(jī)交互。過去數(shù)十年計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展已經(jīng)使編程的壁壘大幅度降低，以前可能只是科學(xué)家做出的高大上程序，今天一個(gè)十幾歲的孩子可以在幾分鐘完成。隨著技術(shù)進(jìn)步，編程技能已經(jīng)可以被很多人自然掌握，不用進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)或者到專業(yè)學(xué)校深造。我們關(guān)注的是需要具備何種能力去更好更有效地編程，也就是編程背后基本素養(yǎng)的培養(yǎng)，這就是“計(jì)算思維”。

“計(jì)算思維（Computational thinking）”，這個(gè)由時(shí)任美國CMU計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任的周以真（Jeannette M. Wing）教授在2006提出的概念和一系列計(jì)劃，試圖使所有人能夠像計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣進(jìn)行思考，讓計(jì)算思維成為新人類的基本能力。世界各國包括美國、中國等的教育部門正在有計(jì)劃地推動(dòng)這一理念的實(shí)施。

計(jì)算思維實(shí)際上是人類站在機(jī)器角度的“感同身受”，從機(jī)器角度思考去制造更有效率的機(jī)器，同時(shí)更有效地指導(dǎo)我們的日常決策。抽象和自動(dòng)化是目前業(yè)界普遍共識(shí)的計(jì)算思維本質(zhì)，對(duì)于計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)的學(xué)生來說，這兩者的威力不用贅述，實(shí)踐證明其對(duì)各領(lǐng)域創(chuàng)新作用巨大。計(jì)算思維里的層次抽象、分而治之、遞歸、并行和并發(fā)，以及經(jīng)典數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（數(shù)組、棧、集合、樹等）和機(jī)制（流水線、緩沖、API等），到計(jì)算可行性和復(fù)雜性等，都無一不對(duì)我們的日常生活和工作產(chǎn)生巨大影響。我們需要的是在未來人人都具備計(jì)算思維，并用這個(gè)武器來指導(dǎo)我們，不僅是編程，而更多的是提升工作和生活效率，甚至制訂人生職業(yè)規(guī)劃。

3.學(xué)編程具體學(xué)什么

通過計(jì)算機(jī)編程，學(xué)生應(yīng)該學(xué)習(xí)信息和計(jì)算的原則，數(shù)字系統(tǒng)是如何工作的，以及如何通過程序?qū)⑦@些知識(shí)用于實(shí)踐?；谶@些知識(shí)和理解，學(xué)生能夠進(jìn)一步使用信息技術(shù)來創(chuàng)建程序、系統(tǒng)和一系列的內(nèi)容。同時(shí)，計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)能夠確保學(xué)生獲得數(shù)字素養(yǎng)，能夠通過信息和傳播技術(shù)使用、表達(dá)他們自己以及形成自己的觀點(diǎn)。具體來說，學(xué)生應(yīng)該能夠理解和使用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本原則和概念，包括抽象、邏輯、算法和數(shù)據(jù)表示法，能夠從計(jì)算的方面去分析問題，并且獲得為了解決這些問題而重復(fù)編寫計(jì)算機(jī)程序的經(jīng)驗(yàn)，包含以下六點(diǎn)：

（1）理解什么是算法，算法是如何作為程序在電子設(shè)備上執(zhí)行的；程序是如何在精確、清楚的指令下執(zhí)行的；創(chuàng)建和調(diào)試簡(jiǎn)單的程序，運(yùn)用邏輯推理來預(yù)測(cè)簡(jiǎn)單程序的行為。

（2）設(shè)計(jì)、編寫和調(diào)試能完成某一特定目的的程序，包括控制和模擬物理系統(tǒng)，通過將問題分解成更小的部分來解決問題；在程序中使用順序、選擇和循環(huán)結(jié)構(gòu)，使用變量和各種形式的輸入和輸出；利用過程或函數(shù)的模塊化進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)和開發(fā)。

（3）理解一些關(guān)鍵算法，這些算法反映了計(jì)算思維（例如，排序和搜索）；使用邏輯推理去比較針對(duì)同一問題的不同算法的實(shí)用性。

（4）了解簡(jiǎn)單的布爾邏輯（例如，AND，OR 和 NOT）和它在電路和編程方面的某些使用；理解如何用二進(jìn)制表示數(shù)據(jù)，并能夠?qū)ΧM(jìn)制數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單操作（例如，二進(jìn)制的加法運(yùn)算，以及二進(jìn)制和十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換）。

（5）了解在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部指令是如何被存儲(chǔ)和執(zhí)行的；了解各種類型的數(shù)據(jù)（包括文本、聲音和圖像），如果用二進(jìn)制來表示，是如何呈現(xiàn)的，又如何對(duì)他們進(jìn)行數(shù)字化操作。

（6）了解構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件的組件，了解它們之間如何互相溝通，以及他們又是如何與其他系統(tǒng)進(jìn)行溝通的。

三、怎么學(xué)編程

很多人都認(rèn)為編程很難學(xué)，學(xué)生不易接收，不易消化。如上所述，學(xué)編程的核心是培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，編碼（code）只是學(xué)編程的一種方式，卻不是唯一的方式。筆者認(rèn)為可以從以下方面開展編程課程的學(xué)習(xí)。

1.在信息技術(shù)課程中滲透計(jì)算思維

當(dāng)前的信息技術(shù)課程注重軟件應(yīng)用的培訓(xùn)，教師往往將過多關(guān)注點(diǎn)放在計(jì)算機(jī)常識(shí)性、操作性的目標(biāo)上，甚至強(qiáng)調(diào)某個(gè)軟件選項(xiàng)在哪一個(gè)菜單里面，畫圖中某個(gè)工具的作用，等等。筆者認(rèn)為，軟件的學(xué)習(xí)只是“技”，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，軟件的使用將會(huì)越來越友好，基本可以不學(xué)而會(huì)，而信息技術(shù)課程更應(yīng)該強(qiáng)調(diào)“道”的學(xué)習(xí)，即原理性的知識(shí)，思維層面的培養(yǎng)。筆者曾設(shè)計(jì)過小學(xué)Excel中關(guān)于排序知識(shí)點(diǎn)的課程，筆者先與學(xué)生玩一個(gè)游戲，出示五張撲克牌，請(qǐng)一個(gè)學(xué)生對(duì)五張撲克牌排序，他不能看到撲克牌的點(diǎn)數(shù)，但他能有兩個(gè)操作：（1）詢問同學(xué)，對(duì)于給出的兩張撲克牌誰大誰小；（2）交換兩張撲克牌的位置。游戲挑戰(zhàn)學(xué)生誰能用最少的交換次數(shù)給撲克牌排好序。通過這個(gè)游戲，學(xué)生自然而然地學(xué)習(xí)了計(jì)算機(jī)中冒泡排序、選擇排序、插入排序等，不但啟發(fā)了學(xué)生的思維，也讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)背后的工作原理。在對(duì)排序原理理解的基礎(chǔ)上，接著講Excel中的排序操作，水到渠成。

關(guān)于以游戲或者活動(dòng)的方式講解計(jì)算機(jī)原理，國外做了很多探究，其中“Computer Science Unplugged（不插電的計(jì)算機(jī)科學(xué)）”是面向世界范圍的信息科學(xué)普及項(xiàng)目，它透過一些既有趣又容易的活動(dòng)來達(dá)到學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)的目的。這些活動(dòng)是專門為青少年學(xué)習(xí)者所設(shè)計(jì)的。在這些活動(dòng)中，我們可以學(xué)習(xí)到計(jì)算機(jī)運(yùn)作的一些基本原理，有趣的是，你根本不必用到任何實(shí)體的計(jì)算機(jī)。隨著該項(xiàng)目在世界范圍內(nèi)的普及，具有各國特色的新穎案例不斷補(bǔ)充進(jìn)來。這種“玩中學(xué)，做中學(xué)（learning by playing，learning by doing）”的信息技術(shù)學(xué)習(xí)方法目前在美國、新西蘭、意大利、日本、韓國已產(chǎn)生廣泛影響。

2.開展豐富有趣的編程活動(dòng)

如今，編程軟件的開發(fā)可以不再抽象、繁瑣，對(duì)于小學(xué)生的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)有很多很好的工具來啟發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)，甚至這些軟件就像玩樂高積木一樣，只需要拖拉一些板塊就可以實(shí)現(xiàn)了，Scratch無疑是其中的佼佼者。Scratch是一款由麻省理工學(xué)院（MIT）設(shè)計(jì)開發(fā)的一款面向少年兒童的簡(jiǎn)易編程工具，使用者可以不認(rèn)識(shí)英文單詞，也可以不會(huì)使用鍵盤。構(gòu)成程序的命令和參數(shù)通過積木形狀的模塊來實(shí)現(xiàn)，用鼠標(biāo)拖動(dòng)模塊到程序編輯欄就可以了。在學(xué)習(xí)的過程中，每一種語言都提供了圖形化的編程環(huán)境，不僅是用于教會(huì)孩子們一些編程的概念，而且是包含物理和數(shù)學(xué)知識(shí)的模擬及講述故事的一些練習(xí)。此外，App Inventor也是一個(gè)時(shí)尚的選擇。App Inventor是一款谷歌公司開發(fā)的手機(jī)編程軟件，后面由麻省理工學(xué)院托管，與Scratch類似，App Inventor也是通過積木形狀的模塊來實(shí)現(xiàn)編程，可以在線生成apk文件在手機(jī)中運(yùn)行，簡(jiǎn)單易學(xué)，利于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。當(dāng)然，像code.org網(wǎng)站，同樣提供了豐富有趣的在線編程學(xué)習(xí)資源，學(xué)生在簡(jiǎn)單的互動(dòng)中就可以創(chuàng)造出極具創(chuàng)意的作品。

在如此豐富的編程資源面前，編程難、學(xué)生接受不了的排斥理由將無地立足，我們應(yīng)該積極跟隨時(shí)代發(fā)展，讓孩子們不僅僅是從小玩電腦，更是從小學(xué)電腦，將電腦當(dāng)作創(chuàng)作的工具。所幸，筆者所在的廣州地區(qū)頗為積極地在推進(jìn)小學(xué)編程活動(dòng)，已經(jīng)將Scratch軟件列入小學(xué)信息技術(shù)教材，也開展小學(xué)虛擬機(jī)器人編程比賽活動(dòng)，極大地激發(fā)了學(xué)生探索學(xué)習(xí)的精神。

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編輯 趙飛飛