儿童编程语言的进化史
奥巴马提出“计算机从娃娃抓起”的倡议和人们对科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、数学(Mathematics)教育日渐增长的关注都说明了一个问题,那就是,为了教导孩子们学习计算机知识,我们需要建立一套标准,还要找到好的教学方案。
从2014年12月,美国前总统奥巴马在“编程一小时”活动中写下自己人生第一行编程代码开始,青少年编程教育逐步成为公众关注的热点。2023年7月,国务院发布《新一代人工智能发展规划》,其中特别提到的在中小学阶段设置人工智能相关课程,逐步推广编程教育,给青少年编程教育的重要性一锤定音。
Logo 语言的更新换代
在过去50 年里,设计师们以 Seymour Papert 创造的Logo 语言为基础,造出了一大堆编程工具,它们虽然在界面上稍有不同,但其目的都是为了引导孩子们对编程进行思考。同时,由于 MIT 设计的 Scratch 的流行,基于模块的编程方法便成为了教学的标准。在 CSTA 为中小学生制定的计算机课程教学标准中,也明确地将“在基于模块的可视化编程语言上进行构建和测试的能力”用于评估小学 5 年级学生的编程水平。
趋向幼龄化
引入机器人技术
看着自己写的代码变成现实是件很神奇的事。在本世纪初,乐高和 MIT 合作了一个项目,致力于将基于模块的编程带入到现实世界中。学生可以在电脑上写程序,然后把代码下载到他们搭建的机器人上。早期的 RIS (机器人发明系统)和 Scratch 十分相似。
2013 年推出的乐高机器人虽然变得更加复杂,但工作原理仍然不变。现在学生们能够给组件增加输入参数,用来指定距离、时间、输出和其它的一些特性。
MartinExner 在 Logo 和更晚一些的 Scratch 的启发之下,发明了这种简单的信息图,它被用来描述可视化的编程工具。
事实上,Logo 语言的大部分衍生产品都是为了特定的场景而被设计出来的:用于游戏、创建 3D 场景、画图、对机器人进行编程甚至是用来操纵一个虚拟的鱼缸。
但即使这些东西能够吸引许多不同的孩子,很多小孩在之后学着编写语句时仍会觉得很难。
超越 Logo
在现实世界里,计算机程序总是需要考虑一大堆的输入,以及一个逻辑条件是否成立。举一个例子,我们要决定今天需不需要早起。如果今天是星期六或者星期天,那么我们就会出去外面玩。如果今天是星期一,我们就得去收拾运动服。如果是星期四,就得倒垃圾。另外除了周末之后的日子,都要上学。下面这幅图展示了如何使用 Scratch 对这个问题进行解答。
除了基于模块的编程方法之外,还有一种新的语言采用了不同的方法来教孩子编程。在 2015 年,Wonder Workshop 设计了一种流式的编程语言,叫做 Wonder。Wonder 让学生将注意力放在多个功能单元之间的连接,通过这种方法来创造一个状态机。这个状态机在任意时刻都只能处于一个状态,如果它正在处理某个任务,给定一个输入就可以让它改变状态去做一些其它的事情。
除了使学生们摆脱了线性的编程范式,Wonder 还让他们能以一种简单的方法来对现实世界的问题建立模型。
学生们可以更容易地把一个问题分解成小的模块,然后用这些模块来解决一个复杂的问题。这样他们在解决一个复杂的问题的时候,就能把注意力放在在一个个子问题上。这个分解问题的过程,既是计算机科学的基础知识,也是 Wonder 语言的设计初衷。
在我们日常生活里也有很多机器人和状态机的例子,并且它们正在变得越来越普遍。自动售货机会在你投入正确的金额时吐出商品。自动驾驶汽车能够根据周围的障碍物决定如何前进。状态机还能对很多其他的问题进行建模,就像句法分析、人工智能、通信协议、游戏中的角色发展,甚至包括神经系统。
不论是历史中的可编程发明,还是近代的计算机编程语言发展,我们都能从中看出,编程技术的目的是驾驭机器、驾驭计算机,让它们更高效的解决问题。所以我们要让学生逐步接触、理解、体验编程的逻辑操作、算法、数据结构、工程设计等通用的工程方法与数学知识。这些核心知识是编程语言的灵魂。学生在需要使用新的编程语言时,这些核心知识能够帮助他们更快的融汇贯通。更重要的是,学生可以脱离编程语言,更纯粹的思考如何让计算机解决问题,也就是让学生具有“计算思维”
除掌握编程的核心知识,形成计算思维外,我们也要把学生的视野拓宽。我们在家庭、学校里看到的只有PC(个人计算机)和移动设备,我们还要让学生看到“大”如太湖之光,“小”如能在人体血管里工作的M3计算机,看到汽车、航空、航天、医疗、军事、经济、人工智能等各种领域的专用计算机,并且看到这些计算机都在解决什么问题。通过计算机与编程,我们让学生能够打开一个全新的视角,来观察、分析和思考社会的发展进步,以及同时面临的问题。
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