圖形化編程軟件Scratch對(duì)兒童編程教育的推動(dòng)力

張德宇

摘 要：我們生活在一個(gè)數(shù)字化時(shí)代，電腦和手機(jī)已經(jīng)成為孩子們生活中的一部分。除了閱讀、寫作和算術(shù)，現(xiàn)在的孩子需要的不僅僅是使用電子產(chǎn)品，而是學(xué)會(huì)如何編程。不管他們以后選擇的職業(yè)是什么，編程會(huì)像閱讀和寫作一樣成為最基本能力之一。在面對(duì)復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，孩子會(huì)像計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣，把所有的變量因素考慮進(jìn)去，再逐個(gè)分析，直到找到最優(yōu)的解決方法。未來(lái)的趨勢(shì)是什么，是大數(shù)據(jù)，是人工智能，是互聯(lián)網(wǎng)+，這些領(lǐng)域都涉及編程。

關(guān)鍵詞：Scratch;編程教育;創(chuàng)新教育;圖形化編程;創(chuàng)造力

隨著大數(shù)據(jù)和人工智能時(shí)代的到來(lái)，編程已成為人類未來(lái)發(fā)展必不可缺少的技術(shù)之一，科技的發(fā)展使得兒童有更多的機(jī)會(huì)來(lái)接觸編程。而現(xiàn)有的軟件已經(jīng)無(wú)法滿足他們，他們希望自己也能創(chuàng)作作品。學(xué)習(xí)編程不僅對(duì)數(shù)學(xué)和科學(xué)知識(shí)方面有所幫助，而且對(duì)語(yǔ)言、創(chuàng)造力等方面都能起到積極和重要的作用。Scratch作為這十年全世界最流行的兒童編程語(yǔ)言，一直延續(xù)著其誕生之初的“輝煌”，并被人們自發(fā)帶到了世界各大洲——從繁華的紐約到貧困的尼日利亞，都有它的身影。

1 我國(guó)及國(guó)外兒童編程現(xiàn)狀

《中國(guó)少兒編程行業(yè)研究報(bào)告》顯示，從大約2013年開始孕育、發(fā)展，少兒編程行業(yè)剛走過(guò)不過(guò)7年時(shí)間。實(shí)際上，編程教育的興起并非偶然。2017年7月，國(guó)務(wù)院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出完善人工智能教育體系，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育。自從教育部明令取消奧數(shù)高考加分之后，2018年初，浙江、上海等地確定把編程作為高考科目正常對(duì)待，與理綜科目平齊。南京、天津等地則將編程納入中考特招范圍。其實(shí)，在起步稍早的一些教育發(fā)達(dá)國(guó)家，編程教育的主陣地被限定在學(xué)校內(nèi)的課堂里。2014年，英國(guó)成為世界上首個(gè)強(qiáng)制在校少年兒童學(xué)習(xí)電腦編程知識(shí)的國(guó)家。2015年，美國(guó)提出計(jì)劃10年普及中小學(xué)生編程教育。2019年日本將編程納入小學(xué)必須課程。此后，多個(gè)國(guó)家相繼將編程納入中小學(xué)必修課程。

2 Scratch編程的起源和歷史發(fā)展

1958年，30歲的西蒙·派珀特（Seymour Papert）在劍橋大學(xué)拿到數(shù)學(xué)博士學(xué)位后，孤身來(lái)到瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)。這位天才24歲就拿到了數(shù)學(xué)博士學(xué)位。派珀特在日內(nèi)瓦大學(xué)的老師是著名的哲學(xué)家、兒童心理學(xué)家讓·皮亞杰。他已經(jīng)是兒童教育領(lǐng)域享譽(yù)全球的大師，他用一生的時(shí)間，致力于研究?jī)和绾涡纬蓪?duì)世界的認(rèn)知，旗幟鮮明地提出心理發(fā)展是主體與客體相互作用的結(jié)果。派珀特大受啟發(fā)：計(jì)算機(jī)完全可以對(duì)照這些模式和經(jīng)驗(yàn)，是兼顧玩耍和學(xué)習(xí)的完美載體。他開始深入思考如何利用計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)去理解和解釋學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)與思維。7年之后，派珀特結(jié)束了在日內(nèi)瓦大學(xué)的學(xué)習(xí)，來(lái)到美國(guó)的MIT。在1968年，派珀特發(fā)明了LOGO編程語(yǔ)言。通過(guò)這套語(yǔ)言程序，孩子會(huì)認(rèn)識(shí)到幾行簡(jiǎn)單的代碼可以讓屏幕上的光標(biāo)畫一朵花。這個(gè)過(guò)程就是提出一種假設(shè)，然后去驗(yàn)證，再去修正得到新的假設(shè)。1985年，派珀特的實(shí)驗(yàn)室開始了和樂(lè)高集團(tuán)的長(zhǎng)期合作，樂(lè)高機(jī)器人便是這個(gè)時(shí)期合作研發(fā)出來(lái)的明星產(chǎn)品。長(zhǎng)期接觸導(dǎo)師的LOGO語(yǔ)言，又參與樂(lè)高積木的創(chuàng)新研發(fā)的雷斯尼克領(lǐng)導(dǎo)的“終身幼兒園團(tuán)隊(duì)”開發(fā)出了新的圖形化編程工具——Scratch，基于圖形化的編程方式，通過(guò)拖拽、拼搭積木的方式，讓整個(gè)編程過(guò)程更加直觀，就像在玩樂(lè)高積木。隨后，Scratch迅速成為風(fēng)靡全球的兒童編程語(yǔ)言，其在線平臺(tái)已經(jīng)有超過(guò)2000萬(wàn)注冊(cè)用戶，被翻譯成70余種語(yǔ)言，在150個(gè)國(guó)家里使用。2016年，有超過(guò)1.2億人次訪問(wèn)了該網(wǎng)站，每月有100萬(wàn)人創(chuàng)建并分享項(xiàng)目。

3 Scratch 編程推動(dòng)兒童的數(shù)學(xué)、邏輯、創(chuàng)新思維

Scratch是一款由麻省理工學(xué)院（MIT） 設(shè)計(jì)開發(fā)的少兒編程工具。其特點(diǎn)是：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(guò)積木形狀的模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。用鼠標(biāo)拖動(dòng)模塊到程序編輯欄就可以了。Scratch不是游戲，是一款可以趣味性的編程軟件，它以圖形化的工具讓孩子拖動(dòng)即可完成編程，程序已經(jīng)被模塊化的包涵在了這些圖形當(dāng)中，讓孩子可以制作動(dòng)畫、游戲等，制作完成的動(dòng)畫還可以導(dǎo)出為動(dòng)畫。加強(qiáng)孩子興趣的持久力。

3.1 數(shù)學(xué)方面

Scratch 圖形化編程，第一技能方向就是數(shù)學(xué)。我們前面注意到，兒童學(xué)少兒編程，首先注意的就是一個(gè)或一些角色在舞臺(tái)上的行動(dòng)——這其中就包括：坐標(biāo)系：舞臺(tái)是一個(gè)以中心為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系，x軸正方向?yàn)橛遥瑈軸正方向?yàn)樯?。通過(guò)（x，y）坐標(biāo)點(diǎn)，來(lái)控制所有角色的位置。事實(shí)上，舞臺(tái)上還有一個(gè)隱含的坐標(biāo)系，通過(guò)方向、角度和距離，這是一個(gè)極坐標(biāo)系。上下左右的位置，行動(dòng)操控都是通過(guò)角色的坐標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)類型：最常見的是整數(shù)和小數(shù)，即實(shí)數(shù)集（在Scratch中所有實(shí)數(shù)是一個(gè)數(shù)據(jù)類型），另外還有布爾類型（真或假）、字符串類型（一段文本）。數(shù)據(jù)的比較：也就是數(shù)學(xué)中三種基本順序，大于、等于和小于。算術(shù)運(yùn)算：加減乘除是四種基本運(yùn)算，兒童在編程過(guò)程中，常常需要在具體的場(chǎng)景中來(lái)運(yùn)用這四種基本運(yùn)算。另外還有取模運(yùn)算和四舍五入。數(shù)學(xué)函數(shù)：在編程過(guò)程中，兒童將接觸到一些基本的數(shù)學(xué)函數(shù)，包括取絕對(duì)值，三角函數(shù)，對(duì)數(shù)函數(shù)以及指數(shù)函數(shù)等?？梢苑浅Ｖ庇^的通過(guò)函數(shù)圖像的自動(dòng)喵點(diǎn)畫圖及生活應(yīng)用來(lái)理解它們。幾何圖形：在編程過(guò)程中，一類常見的任務(wù)就是圖形繪制。兒童將大量接觸幾何圖形，并從坐標(biāo)系中進(jìn)行圖形繪制和操控。

所以這里面有著大量的數(shù)學(xué)學(xué)科內(nèi)容，而且，這些內(nèi)容都在具體的問(wèn)題和任務(wù)場(chǎng)景中出現(xiàn)，既包括基本算術(shù)和幾何圖形知識(shí)，也包括函數(shù)以及坐標(biāo)系等中學(xué)數(shù)學(xué)核心概念。通過(guò)它們?cè)诰唧w任務(wù)中的應(yīng)用，兒童不僅操控了這個(gè)虛擬世界，而且會(huì)切身鍛煉到、應(yīng)用到數(shù)學(xué)知識(shí)和能力。

3.2 邏輯方面

編程的基礎(chǔ)，既有數(shù)學(xué)，也有邏輯。邏輯思維能力，是兒童發(fā)展的一個(gè)基本能力，兒童編程，可能是第一次對(duì)兒童正式的、系統(tǒng)的進(jìn)行邏輯方面的鍛煉。

邏輯變量：起點(diǎn)就是邏輯變量或事件的真或假。真或假是邏輯世界的兩個(gè)基本值。比較邏輯：對(duì)于用比較判斷的邏輯，是兒童有直接經(jīng)驗(yàn)并可以學(xué)習(xí)的基本邏輯判斷，大于、等于、小于三種邏輯判斷。事件邏輯：其次是事件邏輯，基于事件的判斷，也是兒童比較熟悉的。少兒編程用幾種基本的事件模式，來(lái)生成事件判斷語(yǔ)句。在Scratch中都是以“觸碰”為核心動(dòng)作來(lái)構(gòu)建的。邏輯運(yùn)算：在簡(jiǎn)單的邏輯推理中，三種基本邏輯運(yùn)算是最重要的基礎(chǔ)。即與邏輯、或邏輯和非邏輯——這三種基本邏輯在少兒編程中大量的使用到。邏輯控制：然后就是一組邏輯控制，包括條件判斷、循環(huán)控制和等待。這些既是少兒編程的基本邏輯控制語(yǔ)句，也是邏輯思維鍛煉的一個(gè)基本工具。

所以，在兒童編程中，邏輯思維的訓(xùn)練是一個(gè)基本訓(xùn)練，這也是程序設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)科學(xué)方向的一個(gè)基本核心特征。兒童將在大量的問(wèn)題解決和任務(wù)控制中，形成系統(tǒng)化的有邏輯的解決方案。突出鍛煉到兒童的邏輯思維能力。

3.3 設(shè)計(jì)思維

設(shè)計(jì)思維是人們提出的對(duì)未來(lái)社會(huì)有重大意義的思維方式，它是一種面向問(wèn)題解決的、創(chuàng)新的系統(tǒng)思維方法。這也是屬于STEM課程方向內(nèi)少兒編程的優(yōu)勢(shì)之一。我們的兒童將學(xué)會(huì)系統(tǒng)的思維方法來(lái)分析、分解問(wèn)題（需求），并通過(guò)綜合的資源來(lái)解決問(wèn)題。

基本設(shè)計(jì)：在Scratch的編程世界中，任何一個(gè)問(wèn)題需求或任務(wù)，都需要在背景、角色及行為上進(jìn)行思考和分解。它們是這款編程工具提供的基本視角和思維框架。角色表達(dá)：在角色的行為表達(dá)過(guò)程中，基本的表達(dá)工具是外觀圖形的控制和聲音音樂(lè)的控制（Scratch提供21種樂(lè)器的模擬）。一個(gè)角色的外在行為和表達(dá)，無(wú)非這些方面。交互邏輯：在事件過(guò)程中，背景、角色、行為所組成的一個(gè)完整世界中，核心邏輯是通過(guò)它們交互來(lái)完成的。除了程序所控制的軟件層面的交互之外，Scratch還提供豐富指令對(duì)計(jì)算機(jī)外部設(shè)備（如鼠標(biāo)、鍵盤）以及外部的自動(dòng)化控制元件的操作能力，這使得少兒編程的解決問(wèn)題方式，擴(kuò)展到了硬件層面，擴(kuò)展到了生活中的自動(dòng)控制層面。

所以，兒童編程是一個(gè)具有豐富資源和場(chǎng)景可能性的學(xué)科方向，以驅(qū)使兒童深入的、創(chuàng)新的考慮問(wèn)題的解決方法，并鍛煉到兒童的設(shè)計(jì)思維。隨著問(wèn)題的復(fù)雜度，以及兒童問(wèn)題解決方案的復(fù)雜度，和方案中操控設(shè)備復(fù)雜度的提升，兒童的設(shè)計(jì)思維能力在不斷提升。

4 結(jié)語(yǔ)

Scratch編程培養(yǎng)孩子的創(chuàng)造力最大的挑戰(zhàn)不在于“培養(yǎng)創(chuàng)造力”，而在于能夠營(yíng)造讓創(chuàng)造力生根、發(fā)芽、茁壯成長(zhǎng)的環(huán)境。家長(zhǎng)們可以圍繞以下五點(diǎn)營(yíng)造環(huán)境：imagine（想象）：給出一個(gè)想法，讓孩子去天馬行空;create（創(chuàng)造）：通過(guò)創(chuàng)造將想象的東西和現(xiàn)實(shí)結(jié)合起來(lái);play（動(dòng)手玩）：孩子親自動(dòng)手使用工具和材料創(chuàng)作項(xiàng)目;share（分享）：孩子將完成的項(xiàng)目分享給其他人;eflect（反思）：在分享后，對(duì)項(xiàng)目的反思和改進(jìn)。

這五個(gè)部分其實(shí)就是創(chuàng)新學(xué)習(xí)螺旋模型。在這個(gè)過(guò)程中，孩子們會(huì)不斷產(chǎn)生新的想法，然后開始螺旋學(xué)習(xí)，不斷在想象、創(chuàng)造、玩耍、分享和反思的循環(huán)。在螺旋模型的每一次迭代，你都會(huì)找到支持孩子們創(chuàng)意學(xué)習(xí)的新的機(jī)會(huì)。Scratch的成功，與皮亞杰終其一生研究的兒童成長(zhǎng)理論密不可分：對(duì)活動(dòng)和交互的重視、讓孩子在玩耍中不斷創(chuàng)建和調(diào)整心智模式。Scratch編程引領(lǐng)了兒童在編程教育和創(chuàng)新教育的前瞻方向，編程教育推動(dòng)了創(chuàng)新教育的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]楊海楠.中小學(xué)Scratch編程教學(xué)模式文獻(xiàn)綜述[G].教育現(xiàn)代化，2018年第22期.

[2]趙昱鯤，王婉.終身幼兒園（美）米切爾·雷斯尼克（Mitchel Resnick）[M].第一版.浙江教育出版社，2018年7月.

[3]于欣龍，李澤譯.動(dòng)手玩轉(zhuǎn)Scratch2.0—STEAM創(chuàng)新教育指南（美）Majed Marji（馬吉德.馬吉）著，[M].第一版.電子工業(yè)出版社，2015年10月.

[4]Scratch少兒趣味編程.[日]阿部和廣[M].第一版.人民郵電出版社，2014年10月.

[5]動(dòng)手玩轉(zhuǎn)Scratch 3.0編程：人工智能科創(chuàng)教育指南.（美）Majed Marji（馬吉德.馬吉）著.[M].第一版.電子工業(yè)出版社，2020年1月.

[6]于欣龍，李澤譯.動(dòng)手玩轉(zhuǎn)ScratchJr編程——STEAM創(chuàng)新教育指南（美）Marina Umaschi Bers，Mitchel Resnick著，[M].第一版.電子工業(yè)出版社，2020年1月.

[7]張子儀，劉文靜，焦寶聰，董黎明.面向邏輯能力培養(yǎng)的編程課程教學(xué)設(shè)計(jì)研究——以Scratch為例[G].軟件導(dǎo)刊Software Guide2019年06期.