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)室開始了和樂高集團(tuán)的長(zhǎng)期合作,樂高機(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?,y軸正方向?yàn)樯稀Mㄟ^(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的控制(Scratch提供21種樂器的模擬)。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。
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