李俊德，彭程，姚瑯權(quán)，李嘯宇，彭佳漢，林亭希，賴曉晨

（大連理工大學(xué)軟件學(xué)院，大連116000）

0 引言

隨著“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略的提出，軟件作為交叉學(xué)科，在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域中的作用日益重要。為了適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展，從兒童時(shí)期即開展編程訓(xùn)練已經(jīng)成為家長(zhǎng)的重要選擇之一。據(jù)Scratch統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)以及智研咨詢的調(diào)查顯示，2018年美國(guó)兒童編程滲透率為46.33%，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)1409.2億人民幣；而中國(guó)兒童編程滲透率僅為1.06%，市場(chǎng)規(guī)模為105.6億人民幣。因此，社會(huì)迫切需要加強(qiáng)兒童編程的教育力度，以使兒童在將來(lái)的軟件時(shí)代更具競(jìng)爭(zhēng)力，能夠更好地為社會(huì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

1 研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)推出了許多與兒童編程相關(guān)的App以及編程平臺(tái)，例如使用了線下組班和線上直播這種教學(xué)營(yíng)銷模式的VIPCODE、實(shí)現(xiàn)了Scratch和Py?thon編程平臺(tái)的極客晨星等。

這些平臺(tái)目前所實(shí)現(xiàn)的功能有：

（1）采用開源的Scratch作為教學(xué)內(nèi)容，提供課程給用戶去進(jìn)行學(xué)習(xí)。

（2）基于PC Web的編程平臺(tái)，可以讓用戶在網(wǎng)站上實(shí)現(xiàn)可視化的編程，在完成編程后，用戶的作品可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)被其他人所知曉。

（3）利用Scratch實(shí)現(xiàn)制作動(dòng)畫、編寫簡(jiǎn)單游戲等娛樂(lè)功能。

但是，目前研究仍有許多不足：

（1）平臺(tái)較為單一。由于Scratch是基于網(wǎng)頁(yè)實(shí)現(xiàn)的，所以大部分少兒編程產(chǎn)品是基于PC Web的編程平臺(tái)，導(dǎo)致絕大部分少兒編程實(shí)現(xiàn)需要依賴電腦，不便于隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)編程，很難深度綁定用戶。

（2）課程質(zhì)量堪憂。大多數(shù)硬件、軟件產(chǎn)品偏娛樂(lè)，只能達(dá)到編程思維啟蒙，難以真正教用戶編程開發(fā)。各平臺(tái)的講師師資力量參差不齊，導(dǎo)致部分課程質(zhì)量難以達(dá)到真正啟蒙孩子編程思維的目的。

（3）教學(xué)成本較為昂貴。線上、線下編程教學(xué)課時(shí)費(fèi)平均為80元，部分課程還有高昂的硬件購(gòu)置費(fèi)用，用戶門檻極高。同時(shí)，即使支付了高昂的費(fèi)用，也未必能達(dá)到預(yù)期效果。

針對(duì)這些空白及問(wèn)題，我們開發(fā)出了一款適合于5-16歲用戶的App，可以提高用戶的編程思維能力并且?guī)椭脩魧W(xué)習(xí)高級(jí)編程算法。該App采用Google前沿科技成果Blockly進(jìn)行可視化編程，基于Android設(shè)計(jì)，解決了目前編程平臺(tái)較為單一的問(wèn)題。同時(shí)，App中引入了以編程啟蒙游戲結(jié)合編程練習(xí)為主的教學(xué)內(nèi)容，不僅可訓(xùn)練編程思維，而且可讓用戶真正開發(fā)程序，解決了目前市場(chǎng)上大部分課程質(zhì)量堪憂的問(wèn)題。編程游戲除了可以幫助用戶學(xué)習(xí)到編程相關(guān)算法思維，還可以讓用戶學(xué)習(xí)到諸如三字經(jīng)、古詩(shī)等國(guó)學(xué)經(jīng)典以及英文單詞。編程練習(xí)提供了所有常用的編程語(yǔ)法，可讓用戶創(chuàng)造性地編寫自己的程序。最后，該App是從軟件底層開發(fā)編程來(lái)引導(dǎo)課程，大大降低人工授課成本和硬件購(gòu)置費(fèi)，減少了教學(xué)成本。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本項(xiàng)目有以下三大主要系列：知識(shí)啟蒙系列、編程游戲系列和編程開發(fā)系列，以及一份App使用指導(dǎo)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 知識(shí)啟蒙系列

如圖2所示。該系列主要面向7歲以下學(xué)齡前兒童，系列分為知識(shí)筆記和知識(shí)闖關(guān)兩個(gè)模塊。該系列主要是通過(guò)吸引幼兒注意力的方式來(lái)促進(jìn)兒童對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)，并在闖關(guān)中進(jìn)行代碼塊拼接使用思維和編程思維的訓(xùn)練。

圖2 知識(shí)啟蒙系列結(jié)構(gòu)圖

（1）知識(shí)筆記模塊

此模塊含英語(yǔ)、動(dòng)物、古詩(shī)、三字經(jīng)、名人事跡共5個(gè)子模塊的具體知識(shí)的學(xué)習(xí)，通過(guò)圖片、動(dòng)畫等能夠吸引幼兒注意力的形式向兒童介紹生活中常見的動(dòng)物、植物、日常用品、名人事跡等。與此同時(shí)，融入中國(guó)傳統(tǒng)教育的詩(shī)詞、三字經(jīng)等3～4個(gè)知識(shí)系列案例，實(shí)現(xiàn)學(xué)齡前兒童的知識(shí)啟蒙。

（2）知識(shí)闖關(guān)模塊

此模塊有5個(gè)子模塊，包括包含英語(yǔ)、動(dòng)物、古詩(shī)、三字經(jīng)、名人事跡五個(gè)子模塊的具體關(guān)卡的闖關(guān)訓(xùn)練。幼兒通過(guò)對(duì)Blockly拼圖的操作來(lái)對(duì)事物進(jìn)行分類組合、記憶。知識(shí)闖關(guān)模塊與Blockly進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，在兒童學(xué)習(xí)知識(shí)筆記模塊后進(jìn)行闖關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)齡前兒童的知識(shí)啟蒙。

2.3 編程游戲系列

如圖3所示。此系列面向7～13歲的有一定思維能力的兒童，幫助在此年齡段內(nèi)的兒童開拓智力，提高邏輯思維能力。該系列將設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)4個(gè)益智類游戲場(chǎng)景，包括小蝌蚪找媽媽、畫圖、吃豆人、推箱子四個(gè)模塊，每個(gè)模塊有10至17個(gè)關(guān)卡不等，難度依次遞增。兒童在關(guān)卡中可以拖拽、擺放封裝好的Blockly代碼塊，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的積木式編程，用“代碼”的方式來(lái)通過(guò)游戲場(chǎng)景中的關(guān)卡，在收獲游戲樂(lè)趣的同時(shí)提高邏輯思維能力和解決抽象問(wèn)題的能力。此系列也為后續(xù)第三系列的進(jìn)行奠定一個(gè)思維基礎(chǔ)。

圖3 編程游戲系列結(jié)構(gòu)圖

2.4 編程開發(fā)系列

如圖4所示。編程開發(fā)系列的功能主要是讓兒童在了解了代碼塊拼接使用以及簡(jiǎn)單編程思維訓(xùn)練之后，使用邏輯性更強(qiáng)的代碼塊，進(jìn)行簡(jiǎn)單的編程開發(fā)。編程開發(fā)系列包括編程樂(lè)園模塊和編程訓(xùn)練模塊。

圖4 編程開發(fā)系列結(jié)構(gòu)圖

（1）編程樂(lè)園模塊

該模塊向兒童開放了所有的代碼塊的使用接口，兒童不再限于題目的要求，而是可以實(shí)現(xiàn)更加豐富的功能。該模塊更加接近于IDE（集成開發(fā)環(huán)境），用戶可根據(jù)需要使用Toolbox中相應(yīng)功能的代碼塊，進(jìn)行拼接，點(diǎn)擊運(yùn)行后，結(jié)果將顯示在上方的文本框中。該模塊還為用戶提供一個(gè)代碼保存機(jī)制，讓編程更加便捷。

（2）編程訓(xùn)練模塊

該模塊根據(jù)編程中的常見內(nèi)容，將此模塊分為：輸出文本、數(shù)學(xué)、變量、邏輯、循環(huán)、數(shù)組六個(gè)子模塊。這六個(gè)子模塊大致對(duì)應(yīng)了App提供的Toolbox中的六個(gè)功能的代碼塊組。用戶可根據(jù)自身需要，對(duì)相應(yīng)章節(jié)進(jìn)行學(xué)習(xí)。相應(yīng)章節(jié)為用戶提供了答案提示的幫助，可讓用戶對(duì)學(xué)習(xí)情況進(jìn)行檢測(cè)。

2.5 AApppp使用指導(dǎo)

除以上三個(gè)系列外，我們還編寫一份App使用指導(dǎo)，告知使用此App的家長(zhǎng)和兒童如何使用本App，從而更好的幫助兒童進(jìn)行編程訓(xùn)練學(xué)習(xí)。

3.1 益智游戲的實(shí)現(xiàn)

本項(xiàng)目中各系列中包含的具體關(guān)卡的判斷流程基本一致，下面以編程游戲系列中的“小蝌蚪找媽媽”子模塊的闖關(guān)為例進(jìn)行展示。圖5（a）、圖5（b）是App中“小蝌蚪找媽媽”游戲的第一關(guān)卡的實(shí)現(xiàn)效果，圖5（a）是初始進(jìn)入第一關(guān)時(shí)的App界面，圖5（b）是該關(guān)卡下代碼拼接后的效果圖。用戶進(jìn)入相應(yīng)關(guān)卡，在觀察并思

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

考如何通關(guān)之后，選擇Toolbox中的代碼塊進(jìn)行組合拼接，小蝌蚪將依照代碼塊的內(nèi)容進(jìn)行移動(dòng)，移動(dòng)結(jié)束后，進(jìn)行結(jié)果判定，并彈出相應(yīng)關(guān)卡評(píng)分界面如圖5（c）。

圖5

實(shí)現(xiàn)過(guò)程：

Toolbox中的每一個(gè)代碼塊都對(duì)應(yīng)著JavaScript中的一段函數(shù)，例如 move_forward()、turn_left()、repeat()等，它們都是控制小蝌蚪進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)動(dòng)的代碼。同時(shí)考慮到代碼塊的拼接方式會(huì)有順序拼接與嵌套拼接，便將每一個(gè)代碼塊的連接接口進(jìn)行標(biāo)識(shí)與判定處理，使其可以正確地區(qū)分處理順序拼接和嵌套拼接的代碼。當(dāng)多個(gè)代碼塊拼接完成后，相應(yīng)的代碼段也將組合完成，從而形成一個(gè)邏輯上有先后循序的完整代碼段。

執(zhí)行代碼時(shí)，將組合好的代碼段提交給處理JavaS?cript的判定系統(tǒng)，該系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前模塊類別、游戲類別、游戲關(guān)卡找到相應(yīng)的判定機(jī)制，進(jìn)行結(jié)果的判定，判定會(huì)依據(jù)關(guān)卡中內(nèi)容的難易程度與用戶完成的時(shí)間情況進(jìn)行判定。最終再將判定結(jié)果回調(diào)給提交方，從而給出用戶展示相應(yīng)的對(duì)話框。

3.2 編程樂(lè)園的實(shí)現(xiàn)

為讓兒童可以根據(jù)自身需要進(jìn)行編程開發(fā)，而不是僅限于關(guān)卡的要求。App向用戶提供了一個(gè)擁有功能齊全代碼塊的兒童編程開發(fā)環(huán)境，在這一模塊中，Toolbox向用戶提供了邏輯、循環(huán)、數(shù)學(xué)、文本、數(shù)組、變量與函數(shù)的代碼塊，用戶根據(jù)自身需要將不同的代碼塊進(jìn)行拼接，實(shí)現(xiàn)所需要的功能?？梢岳肁pp中提供的代碼塊實(shí)現(xiàn)許多經(jīng)典的算法，例如冒泡排序、Dijk?stra算法、雞兔同籠等問(wèn)題。

如圖6是編程樂(lè)園效果圖，用戶可以從Toolbox中選取相應(yīng)代碼塊，進(jìn)行拼接，運(yùn)行之后，判定系統(tǒng)會(huì)將輸出結(jié)果返回到界面上方的輸出面板中，用戶可進(jìn)行檢查。

圖6 編程樂(lè)園界面

4 結(jié)語(yǔ)

基于Blockly的兒童編程思維訓(xùn)練App，根據(jù)兒童的年齡階段劃分出不同難度等級(jí)的內(nèi)容，兒童可根據(jù)自身情況，對(duì)不同模塊進(jìn)行學(xué)習(xí)，讓兒童完成從知識(shí)學(xué)習(xí)，到編程思維訓(xùn)練，再到獨(dú)立開發(fā)程序的分步式學(xué)習(xí)過(guò)程。該App具有界面友好度高，功能完善，上手難度低，針對(duì)兒童等特點(diǎn)。將學(xué)習(xí)與闖關(guān)游戲有機(jī)結(jié)合，可以充分滿足兒童，家長(zhǎng)和學(xué)校對(duì)兒童早期編程學(xué)習(xí)的需要。