劉欣　陳染

如果我們把各種編程語言的標志放一起，可以湊出一個動物園，如Python的大蟒蛇、PHP的大象、Go語言的地鼠，而對于中小學(xué)教師而言，最熟悉的“動物”應(yīng)該是Scratch的小黃貓和LOGO語言的小海龜。你可能不知道的是，LOGO小海龜幾乎定義了現(xiàn)今編程教育方法的基本框架，甚至對兒童教育和計算機發(fā)展都產(chǎn)生了巨大影響。在本文中，我們將一同回顧“小海龜”的成長歷程，以及它如何影響了世界。

“小海龜”誕生

我們今天提到的“小海龜”，是指美國麻省理工學(xué)院教授西摩爾·派普特的LOGO語言和其中的繪圖小海龜。派普特在威特沃特斯蘭德大學(xué)和劍橋大學(xué)獲得了2個數(shù)學(xué)博士學(xué)位。在攻讀第2個數(shù)學(xué)博士期間，派普特結(jié)識了影響他一生的人物讓·皮亞杰。皮亞杰被公認為是僅次于弗洛伊德的心理學(xué)“巨人”，他創(chuàng)建的認知發(fā)展理論顛覆了人們原本對兒童發(fā)展的理解。在此之前，兒童的玩耍一直被認為是無關(guān)緊要的行為，皮亞杰則認為玩耍對兒童的知識建構(gòu)起到了重要的作用。在皮亞杰的影響下，派普特來到日內(nèi)瓦大學(xué)，花了4年時間，與皮亞杰共同開展數(shù)學(xué)與兒童教育的砑究工作。

派普特認為： “當(dāng)代文化中常見的數(shù)學(xué)恐懼癥讓很多人看不到數(shù)學(xué)知識的真面。一方面，他們對自己所認為的‘?dāng)?shù)學(xué)敬而遠之;另一方面，盡管他們在數(shù)學(xué)知識上沒有什么困難，但卻不認為那就是數(shù)學(xué)?！?sup>[1]吸收了皮亞杰的認知發(fā)展理論，派普特希望找到一種學(xué)習(xí)方法，既能與數(shù)學(xué)知識相關(guān)聯(lián)，又能讓兒童以他們的認知方式理解。海龜型機器人是派普特最先找到的一個人手點。

1963年，派普特加入麻省理工學(xué)院，與著名人工智能科學(xué)家馬文·明斯基共同研究人工智能。同時，派普特也在研究如何借助計算機輔助兒童學(xué)習(xí)。在派普特的帶領(lǐng)下，LOGO語言和繪圖小海龜機器人先后誕生。在20世紀40年代，神經(jīng)生理學(xué)家沃爾特設(shè)計了一批機器人，以《愛麗絲漫游仙境》中的海龜老師命名，通過讓這些機器人模擬動物行為進行大腦運行模式的研究。麻省理工學(xué)院的小海龜機器人增加了一支筆，兒童可以通過計算機上的LOGO編程控制小海龜機器人行走和繪圖。而后，LOGO語言里實現(xiàn)了可以直接在顯示器上繪制數(shù)字圖形的數(shù)字小海龜。派普特把通過控制小海龜繪圖的學(xué)習(xí)方法稱為“小龜幾何”。這是一種易于學(xué)習(xí)的幾何，它有效承載了很多普遍性的數(shù)學(xué)概念。打開LOGO語言，孩子們就能看到屏幕上呈現(xiàn)的小海龜，輸入“FD 50”，小海龜就會向前行進50個距離單位，再輸入“LT 90”，小海龜就會向左轉(zhuǎn)90°，如此重復(fù)4次，小海龜回到原點，畫出了1個正方形。小海龜?shù)某颉⑿凶?、轉(zhuǎn)彎的概念，讓孩子們得到了一種可以把自身代入到數(shù)學(xué)中的方式，并且讓他們更敢于探索和嘗試解決問題。派普特在他后來出版的《因計算機而強大：計算機如何改變我們的思考與學(xué)習(xí)）》（Mindstorrns： Chilclren，Computer and Powerful Ideas）里詳細闡述了他的計算杌輔助學(xué)習(xí)和小龜幾何的理論。

“小海龜”對兒童教育和計算機行業(yè)的影響

在今天的各種編程教育工具和機器人產(chǎn)品中，小海龜帶來的朝向、旋轉(zhuǎn)、步數(shù)已經(jīng)成為最基本的命令規(guī)范。除了在LOGO語言中發(fā)揮作用外，這只小海龜還啟發(fā)了很多影響世界的發(fā)明。這其中我們最熟知的是樂高Mindstorrns機器人和麻省理工學(xué)院媒體實驗室的Scratch。

1984年，樂高第3代掌門人克伊爾德·柯克·克里斯蒂安森在一期電視節(jié)目中，看到派普特介紹LOGO與小海龜?shù)膶W(xué)習(xí)思想?？艘翣柕铝⒖贪才殴九c派普特聯(lián)系。收到樂高公司合作邀請的派普特也很興奮，他與他的博士生米切爾·雷斯尼克當(dāng)時已經(jīng)在思考如何把樂高積木與計算機教育結(jié)合。派普特和雷斯尼克希望讓電子器件與積木兼容，更輕、更小、更便宜，并且能脫離計算機使用。1990年，派普特團隊研發(fā)出了樂高與LOGO融合的新產(chǎn)品原型，樂高公司很快轉(zhuǎn)化為正式產(chǎn)品推出。這套產(chǎn)品以上文提到的派普特著作命名，也就是樂高Mindstorrns機器人。如今樂高機器人競賽已經(jīng)成為每年有來自超過100個國家（地區(qū)）的60余萬青少年參加的賽事。

可以說，秉承了派普特教育思想的Mindstorms機器人是更強大的小海龜，學(xué)生可以給機器人設(shè)計出更多的功能，邐過編程讓機器人完成更復(fù)雜的行為。后來，雷斯尼克又創(chuàng)造了一條完全不同的方向。同樣基于“做中學(xué)、玩中學(xué)”的思想，雷斯尼克希望挑戰(zhàn)更大的目標。派普特認為，編程語言應(yīng)該有“低門檻”（容易上手學(xué)習(xí)）、“高天花板” （隨著學(xué)習(xí)深入可以開發(fā)越來越復(fù)雜的項目）和“寬闊空間” （能支持不同類型的項目以吸引有不同興趣的人）‘羽。以此為目標，雷斯尼克帶領(lǐng)麻省理工媒體實驗室推出了Scratch。Scratch的“低門檻”的實現(xiàn)主要受兒童玩樂高積木方式的啟發(fā)，兒童可以從隨意擺放積木塊開始，把它們按不同順序和組合搭在一起，看會有什么結(jié)果產(chǎn)生。像傳統(tǒng)編程語言中的晦澀的語法和符號都不復(fù)存在，Scratch實現(xiàn)了真正的“低門檻”并充滿好玩有趣的體驗。

“小海龜”不僅在教育領(lǐng)域產(chǎn)生了影響。1968年，計算機科學(xué)家艾倫·凱來到麻省理工學(xué)院人工智能實驗室參觀，孩子們使用LOGO語言學(xué)習(xí)編程的情景讓他感到十分興奮。在進一步了解了派普特和皮亞杰的學(xué)習(xí)理論后，艾倫提出了Dynabook的設(shè)計概念。Dynabook僅重2磅，采用電池供電，兒童可以輕便攜帶，隨意在任何地方使用。Dynabook使用圖形化界面（GUI），讓兒童能輕松地學(xué)會操作方法。但是很遺憾，受到當(dāng)時科技水平的限制，Dynabook沒能實際生產(chǎn)出來。艾倫在加入施樂帕克研究中心后，基于Dynabook的設(shè)想開發(fā)出了展示原型。1979年12月，艾倫的研究成果讓來訪施樂帕克研究中心的一位年輕人和他的同事們感到驚訝無比。之后這位年輕人的公司迅速推出了幾乎是定義了個人電腦的新產(chǎn)品-Macintosh電腦。這位年輕人就是史蒂夫·喬布斯。2010年，喬布斯執(zhí)掌的另一個創(chuàng)新產(chǎn)品iPad發(fā)布，計算機業(yè)界紛紛感慨：“42年后，艾倫·凱的Dynabook終于到來了。”

除了設(shè)計Dynabook，艾倫還希望能創(chuàng)造一種基于面向?qū)ο笤O(shè)計，更利于“人與計算機共生關(guān)系”的編程語言。在施樂帕克研究中心，艾倫帶領(lǐng)研發(fā)了Srnantalk語言。在早期研發(fā)工作中，面向?qū)ο笤O(shè)計、小海龜（LOGO）和圖形化界面構(gòu)成了SmaUtalk最早的藍圖。艾倫尤其提到：“FLEX，PLANNER，LOGO，META II，以及我個人基于它們的衍生思想對Smalltalk的設(shè)計產(chǎn)生了很大的影響。”^[3]2003年，艾倫因面向?qū)ο缶幊陶Z言的原創(chuàng)思想，對Smalltalk的研究工作，以及對個人計算機發(fā)展的基礎(chǔ)性貢獻而獲得圖靈獎。SrnaUtalk被稱為“面向?qū)ο缶幊陶Z言之母”，幾乎所有后來的面向?qū)ο缶幊陶Z言都是源于SrrlaUtalk的設(shè)計思想，比如我們熟知的Java、Objective-C、PHP、Perl，當(dāng)然也包括今天在編程教育領(lǐng)域備受關(guān)注的Python。

“小海龜”在今天

隨著計算機行業(yè)的蓬勃發(fā)展，“小海龜”已經(jīng)不僅存在于LOGO語言和海龜機器人?！靶『｝敗钡睦L圖方式已經(jīng)成為一種設(shè)計思想，“海龜圖形學(xué)”在多種編程語言和科學(xué)研究中都得以應(yīng)用。

Lindenmayer歪統(tǒng)，簡稱L系統(tǒng)，是由荷蘭烏特勒支大學(xué)的生物學(xué)和植物學(xué)家，匈牙利裔的林登麥伊爾于1968年提出的有關(guān)生長發(fā)展中的細胞交互作用的數(shù)學(xué)模型，尤其被廣泛應(yīng)用于植物生長過程的研究。基于L系統(tǒng)的分形圖形的繪制就使用了小海龜繪圖法，通過更高級的編程語言，能夠繪制出三維的植物生長模擬圖。

一些編程語言專門創(chuàng)建了“小海龜”的類庫，便于初學(xué)者上手學(xué)習(xí)，如SmaU Basic、Go語言、Java、Python等。伴隨著人工智能產(chǎn)業(yè)和編程教育的發(fā)展，Python近幾年受到了更廣泛的關(guān)注。Python是吉多·范·羅蘇姆于1991年開發(fā)的一種解釋型、高級編程、通用型編程語言。與其他語言相比，Python的語法更加優(yōu)雅、簡單，可讀性更高，因此全球各國都把Python視為更適合教育使用的編程語言。

Scratch是編程教育啟蒙階段的優(yōu)秀工具，Python則承擔(dān)了幫助學(xué)生學(xué)習(xí)編碼效率更高、功能更復(fù)雜的代碼式編程的重任。同樣為了實現(xiàn)“低門檻”，很多高中和大學(xué)都選擇使用Python的Turtle類庫作為起始學(xué)習(xí)內(nèi)容。即使要使用抽象的代碼和語法編碼，Python Turtle儂然為學(xué)生提供了直觀的共鳴式學(xué)習(xí)環(huán)境。學(xué)生可以很容易地預(yù)測和理解程序的結(jié)果，并且主動探究新代碼的應(yīng)用和復(fù)雜邏輯的實現(xiàn)。

2019年，由中國科協(xié)青少年科技中心和中國青少年科技輔導(dǎo)員協(xié)會主辦的全國青少年創(chuàng)意編程與智能設(shè)計大賽中新增了Python比賽項目。大賽的Python賽項面向初高中學(xué)生，賽項分為科學(xué)探索、實用工具、數(shù)字藝術(shù)和互動游戲4個類別招收作品。具體要求可以訪問大賽官網(wǎng)（http：//aisc.xiaoxiaotong.org）。

回顧“小海龜”40多年的發(fā)展，我們不禁感嘆，這只“小海龜”幾乎影響了今天所有編程教育產(chǎn)品與教育機器人產(chǎn)品，甚至間接影響了個人計算機和編程語言的基礎(chǔ)性設(shè)計。派普特與皮亞杰2位教育巨匠塑造了“小海龜”的靈魂，后來的人們與“小海龜”相遇，不斷激發(fā)出新的火花。在人工智能備受重視的時代背景下，我相信小海龜背后的思想寶庫還有源源不斷的驚喜等待我們挖掘。

參考文獻

[1]西摩爾派普特著，梁棟譯，因計算機而強大，新星出版社，2019：26-27

[2]Mitchel Resnick， John Maloney， Andrés Monroy-Hern á ndez， et al. Scratch： Programming For All. Communications of the ACM， 2009，52（11）：60-67

[3] Alan C. Kay. The early history of Smalltalk. ACM SIGPLAN Notices， 1993， 28（3）： 69-95