Scratch直觀化編程特征及實例解讀

王蘇明 鐘柏昌 李藝

近年來，Scratch積木式編程工具在國內(nèi)中小學(xué)信息技術(shù)教育領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，越來越多的地區(qū)和教師個人都加入到Scratch的教學(xué)與研究中來。Scratch之所以從起步的星星之火發(fā)展至如今的燎原之勢，與其本身的特點密不可分，國內(nèi)外研究者也從不同層面給予了解讀。首先，從一門編程語言的基本生存條件來看，它完全滿足低門檻、高上限、寬壁壘 [1]這三個要求。其次，從一門編程語言自身發(fā)展來看，在其歷代版本更新與優(yōu)化中，它始終堅持了三條核心原則：程序更易修改、項目更有意義、社交氛圍更濃厚。[2]最后，從一門編程語言給使用者帶來的用戶體驗來看，它操作簡單、指令積木化，“放棄”語法、接口標(biāo)準(zhǔn)化，所見即所得、程序可視化等。這些優(yōu)點反映在學(xué)生學(xué)習(xí)Scratch程序的過程中，他們最直觀的感受就是“直觀化編寫流程”與“直觀化調(diào)試過程”。本文嘗試就這兩個特點進行詳細解析，并結(jié)合案例闡述其在教學(xué)中的應(yīng)用。

概念解析

1.直觀化編寫流程

直觀化編寫流程是Scratch區(qū)別于其他代碼式編程語言的一個重要方面，具體體現(xiàn)在多個方面。

一是指令積木化，不需要記憶抽象的程序語句。在Scratch中，指令集、數(shù)據(jù)與運算符及程序結(jié)構(gòu)均以積木式呈現(xiàn)，免去了枯燥的語句記憶，無疑為使用者減輕了負擔(dān)。

二是語法直觀化，不需要記憶抽象的語法規(guī)則。Scratch的程序元素被具化成形狀各異的積木，這些積木不僅直觀易懂，而且將語法規(guī)則固化在積木的形狀之中，只有接口“相洽”的積木才能被連接。這樣別具匠心的設(shè)計，消弭了因各種語法規(guī)則而形成的隱形壁壘，學(xué)生幾乎是在忘卻語法規(guī)則存在的狀態(tài)下，自然習(xí)得規(guī)范編程的方法。

三是程序流程化，不需要理解抽象的程序邏輯。腳本的搭建與執(zhí)行均符合自頂向下的順序，符合日常的做事經(jīng)驗，程序意圖和功能不僅方便實現(xiàn)，而且易于理解。

這些特點帶來的好處也是顯而易見的：其一，學(xué)生的創(chuàng)作想法，通過自然語言表達可以較為容易地轉(zhuǎn)化成Scratch編程語言，完成腳本搭建實現(xiàn)其創(chuàng)意；其二，為學(xué)生運用指令集按照一定的“程序”去解決問題提供了便利；其三，這種邏輯清晰的表達在一定程度上已經(jīng)替代了流程圖的功能，即便是小學(xué)生在閱讀他人的腳本時也能較好地理解；此外，直觀化編寫流程的特點，對于學(xué)生體驗抽象與建模的過程，促進抽象思維與可視化思維的發(fā)展都提供了極大的幫助。

2.直觀化調(diào)試過程

Scratch直觀化特點還表現(xiàn)在直觀化的調(diào)試過程，其特點體現(xiàn)在：一是具有按“塊”執(zhí)行的功能，Scratch的每一個積木塊都可以單擊運行，直觀地看到代碼段的運行結(jié)果；二是具有分“段”調(diào)試的功能，在Scratch中，一個腳本可以完成多個功能，我們可以將積木塊按功能分段，分段排查。

這種直觀化調(diào)試體驗不僅便于初學(xué)者快速接受和熟悉一門新的編程語言，對于熟練者也可以輕松自由地調(diào)試復(fù)雜程序?qū)崿F(xiàn)各種創(chuàng)意，而直觀的分塊分段調(diào)試過程也有助于學(xué)生模塊化思維的培養(yǎng)。

應(yīng)用舉例

本文以Scratch程序設(shè)計的部分課例教學(xué)為例，試說明上述特點在實際教學(xué)中是如何應(yīng)用的。

1.利用“任務(wù)—指令—序化”程序設(shè)計思想理解直觀化編寫流程的本質(zhì)

盡管Scratch具有直觀化的編寫流程，但對于新手而言，依然需要在教學(xué)中進行適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，以理解這種直觀化的腳本編寫方式的實質(zhì)。就基礎(chǔ)教育階段的程序設(shè)計教育而言，必須以兒童能夠理解的方式來介紹程序設(shè)計的本質(zhì)。我們認為，建立在“任務(wù)—指令—序化”概念之上的程序設(shè)計和面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計（對象—事件—行為）都可以稱之為程序設(shè)計的“思想”。[3]實際上，Scratch直觀化的編寫流程充分體現(xiàn)了由任務(wù)到指令再到序化的腳本編寫流程。

例1：《智能倒車》之方案獲得

【情境描述】小汽車已成為我們生活中重要的交通工具，但倒車對于很多新手司機來說不是件容易的事，在給定車位和倒車引導(dǎo)線的情況下，你能設(shè)計出智能倒車系統(tǒng)嗎？今天我們嘗試利用Scratch來模擬實現(xiàn)這一任務(wù)。程序界面如圖1所示。

圖1 智能倒車

【案例解析】問題情境中有確定的條件即固定車位和倒車引導(dǎo)線，解決方案可嘗試由學(xué)生討論獲得。學(xué)生討論的結(jié)果大致可歸納如下：智能倒車系統(tǒng)要能使小汽車在倒車過程中自動調(diào)整方向，到達車位后可自動停止。這需要Scratch可以做出以下判斷：小汽車左后側(cè)碰到黃色線可左轉(zhuǎn)；右后側(cè)碰到黃色線可右轉(zhuǎn)；后部碰到藍線時停車；轉(zhuǎn)換成Scratch語言就是“如果偵測到……就……”“接收到……廣播……”按照這樣的“程序”去解決問題，可能需要用到的積木塊有：重復(fù)、條件、偵測、廣播、旋轉(zhuǎn)、停止等。由此可見，Scratch的直觀化編寫流程特點對于“任務(wù)—指令—序化”這一程序設(shè)計思想的實踐也是很好的支持。

2.利用學(xué)習(xí)支架支持直觀化編寫流程的實現(xiàn)

學(xué)生不僅要理解直觀化編寫流程的實質(zhì)，而且要真正熟練做到利用直觀化流程編寫腳本。這就需要教師采用某種方式來幫助學(xué)生梳理“任務(wù)—指令—序化”的內(nèi)容，即幫助學(xué)生梳理問題解決的過程，并從自然語言的描述轉(zhuǎn)化為Scratch的腳本編寫流程。在這里，學(xué)習(xí)支架的使用就顯得極為必要。從使用目的來看，學(xué)習(xí)支架可以分為接收支架、轉(zhuǎn)換支架和輸出支架。其中，轉(zhuǎn)換支架用來幫助學(xué)生轉(zhuǎn)換所獲得的信息，使所學(xué)的知識更為清晰、易于理解，或使劣構(gòu)的信息結(jié)構(gòu)化，尤其適用于支持原理性和方法性內(nèi)容的學(xué)習(xí)，如算法與程序設(shè)計類知識的學(xué)習(xí)。[4]我們利用任務(wù)分析表作為轉(zhuǎn)換支架，幫助學(xué)生梳理任務(wù)元素和解決過程，使之與Scratch的直觀化編寫流程產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。

例2：《狐假虎威》之任務(wù)分析表

【情境描述】

任務(wù)分析表1

主題 老虎跟隨狐貍出場

背景 森林

角色 老虎、狐貍、小猴、鴨子、小狗

角色行為 狐貍：從左邊進入屏幕，停在合適位置。

老虎：在狐貍之后，從左邊進入屏幕，停在合適位置。

操作步驟 1.打開“狐假虎威半成品”文件

2.為狐貍和老虎設(shè)置初始狀態(tài)

3.實現(xiàn)狐貍從左邊進入屏幕的效果

4.實現(xiàn)老虎從左邊進入屏幕的效果

5.調(diào)整兩者進入屏幕的時間差，實現(xiàn)“老虎跟隨狐貍出場”的效果

6.測試與保存

任務(wù)分析表2

主題 小動物們逃走

背景 森林

角色 老虎、狐貍、小猴、鴨子、小狗

角色

行為 小猴：在距離老虎200單位時，發(fā)現(xiàn)老虎，發(fā)出信號并向右移出屏幕逃走。

鴨子：在收到小猴的信號后，向右移出屏幕逃走。

小狗：在收到小猴的信號后，向右移出屏幕逃走。

操作

步驟 1.為小猴添加腳本，實現(xiàn)上述角色行為

2.為鴨子添加腳本，實現(xiàn)上述角色行為

3.為小狗添加腳本，實現(xiàn)上述角色行為

4.測試與保存

【案例解析】狐假虎威是學(xué)生都很熟悉的寓言故事，學(xué)生用自然語言描述該故事完全沒有問題，任務(wù)分析表通過對角色行為的分析與操作步驟的羅列，完成了自然語言與Scratch編程腳本之間的轉(zhuǎn)換。在學(xué)生每次動手制作之前進行這種轉(zhuǎn)換訓(xùn)練，很好地鍛煉了學(xué)生的邏輯分析能力。事實上，這種自然語言轉(zhuǎn)換為編程語言的過程，也是抽象與建模的過程，Scratch特有的直觀化編寫流程特點對于學(xué)生抽象與建模能力的培養(yǎng)大有裨益。

3.利用“分塊”調(diào)試程序

例3：顏色偵測

【情境描述】通過顏色偵測，判斷大嘴巴是否與豆子相遇。如相遇，廣播被抓獲，并計1分。有A生求助，其程序與小組內(nèi)B生的完全一樣，B生程序運行正常，他卻沒有成功。我檢查了他的腳本（如圖2），確實無誤。問他：“分‘塊’檢查了嗎？”他答：“能查的都查了。”再問：“偵測也查過了？”他茫然：“這怎么查？”問組內(nèi)其他學(xué)生，均告不知。我示意全班一起看這個問題?！霸鯓訂为氄{(diào)試某一偵測控件？”C生舉手說：“我知道！”于是向全班轉(zhuǎn)播A生屏幕，C生操作：將A生程序中的顏色偵測控件從條件中拉出，單擊，控件右上方出現(xiàn)提示框“false”。我問學(xué)生是何故，再問：“如何驗證A生的偵測是否正確？”他又將大嘴巴和豆子拖曳至一起，再次單擊顏色偵測控件，仍然提示“false”。C生：“這就是大嘴巴不吃豆子的原因，這個偵測并不能起到判斷相遇的作用，應(yīng)該是顏色選取有問題?！彼匦绿崛〈笞彀秃投棺拥念伾俅螁螕纛伾珎蓽y，出現(xiàn)提示“true”，說：“應(yīng)該沒問題了?！睖y試程序，成功執(zhí)行。至此，問題解決。

圖2 A生的豆子腳本

【案例解析】因為色差較小的緣故，學(xué)生肉眼觀察確實不易發(fā)現(xiàn)顏色不對。正是Scratch的“分塊”調(diào)試特點，幫助我們“明察秋毫”，將這些原本很難發(fā)現(xiàn)的錯誤直觀地展示出來。在平常的學(xué)習(xí)中，學(xué)生可能較多關(guān)注動作、外觀等模塊控件的“分塊”調(diào)試，忽略了偵測等其他模塊的應(yīng)用。教師在教學(xué)中應(yīng)多加提示，充分運用Scratch的直觀調(diào)試功能，對我們調(diào)試程序很有幫助。

4.利用“分段”調(diào)試程序

例4：偵測之變量困惑

【情境描述】要求為飛行器添加腳本，使之可以在有限空間躲避若干無序飛行的障礙物，若飛行器被擊中4次，游戲結(jié)束。在搭建飛行器的過程中，有不少學(xué)生都出現(xiàn)了共性問題：被1個障礙物擊中后，游戲立即結(jié)束。其腳本如圖3所示。

【案例解析】我先請學(xué)生將這段程序按功能分成3段：跟隨鼠標(biāo)移動，碰到障礙物偵測，游戲結(jié)束偵測。隨后進行分段測試，飛行器能夠執(zhí)行跟隨鼠標(biāo)移動，操控程序沒有問題。當(dāng)健康度為0時，游戲可以正常停止，結(jié)束偵測也沒有問題。顯而易見的是，碰到障礙物偵測出了問題。為便于調(diào)試，我們將結(jié)束偵測模塊斷開，再次將飛行器移過障礙物，發(fā)現(xiàn)在此過程中，健康度一直在減少。問題找到了：從碰到障礙物到離開障礙物的這一瞬間，循環(huán)體內(nèi)的控件會不停地執(zhí)行。有了明確的問題，就可以想辦法解決了：添加控件。直觀的分段調(diào)試過程使得“自下而上的修補”這一看似隨意的探索實驗式學(xué)習(xí)方式，在帶給學(xué)生舒適學(xué)習(xí)體驗的同時，也獲得了解決問題的方法。正如美國MIT終身幼兒園研究小組主任雷斯尼克教授在2012年TED主題演講《讓我們教孩子學(xué)編程吧》中指出，學(xué)習(xí)編程的意義在于“學(xué)習(xí)編程，并在編程中學(xué)習(xí)（Learning to code，coding to learn）”。

Scratch軟件作為一款優(yōu)秀的兒童編程工具，進入中小學(xué)信息技術(shù)課堂的時間并不算長，其教材教法仍有很多值得我們探尋之處。本文僅從Scratch程序之直觀化編寫流程與直觀化調(diào)試過程的特點出發(fā)，試舉例說明其在實際教學(xué)中的應(yīng)用方法，以期拋磚引玉，共同提高。

參考文獻

Resnick，M.，Maloney，J.etc.Scratch：Programming for All[DB/OL].http：//cacm.acm.org/magazines/2009/11/48421-scratch-programming-for-all/fulltext，2015-10-01.

李藝，鐘柏昌.重構(gòu)信息技術(shù)課程——從經(jīng)驗選擇走向思想投射[J].電化教育研究，2015（10）.

鐘柏昌.論支架理論視野下的局部探究教學(xué)模式[J].中國電化教育，2011（1）.

（作者單位：江蘇南京市天妃宮小學(xué) 南京師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院 南京師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院）