上周和一位語文教學(xué)大師一邊賞景、一邊閑聊，聊著聊著聊到了編程教育話題，突然勾起了三十年前的記憶，回家翻箱倒柜，翻出了當(dāng)時(shí)幾個(gè)人一起合寫的兒童編程教材。沒想到教育也和衣著時(shí)尚一樣，隔一段時(shí)間便要將過去的流行重新拿回來，再創(chuàng)造一次復(fù)古的流行。
現(xiàn)今的編程教育流行風(fēng)是2010年奧巴馬總統(tǒng)將科學(xué)、科技、工程與數(shù)學(xué)等STEM教育，定調(diào)為美國基礎(chǔ)教育的發(fā)展方向之后開始盛行起來。但其實(shí)早在半個(gè)世紀(jì)前，美國麻省理工學(xué)院(MIT)人工智能實(shí)驗(yàn)室共同創(chuàng)辦人西摩爾?派普特(Seymour Papert)教授（2016年以88歲高齡去世）就已鼓吹，應(yīng)該讓每一個(gè)孩子都學(xué)習(xí)編程，他并帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在1968年以人工智能程序語言LISP為基礎(chǔ)，開發(fā)出世界上第一個(gè)兒童專用編程語言Logo。
派普特在1985年接受紐約時(shí)報(bào)專訪時(shí)曾說：「Logo是一個(gè)編程語言，它讓計(jì)算機(jī)照著你希望它怎么做的方式去完成工作。」他認(rèn)為「使計(jì)算機(jī)做事，需要在一定程度上描述基本的流程，并具有足夠的精度來由機(jī)器執(zhí)行。」因此在個(gè)人計(jì)算機(jī)上學(xué)習(xí)Logo編程，「給了孩童探索計(jì)算機(jī)潛能的機(jī)會，并讓他們能夠精熟地操控它。」
半世紀(jì)以來，Logo所帶動的兒童編程創(chuàng)新研發(fā)從來沒有停過，除了下指令式的各種版本Logo之外，近幾年大受歡迎的Scratch也是MIT基于Logo所開發(fā)的高親和性且功能更多的兒童編程語言；LEGO TC Logo則是玩具商樂高結(jié)合Logo編程所推出的可操控性積木玩具組，后來進(jìn)化為可編程機(jī)器人玩具M(jìn)indstorms(這個(gè)游戲商品是樂高玩具以派普特1980年的大作Mindstorms: Children, Computers and Powerful Ideas命名)。
既然兒童編程是STEM教育的核心，Logo做為最早的兒童專用編程語言，其開發(fā)者派普特曾與皮亞杰共事，自然深受皮亞杰認(rèn)知發(fā)展論（請參閱「融合反饋系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)式學(xué)習(xí)法」一文）的影響而成為一名建構(gòu)主義者。針對兒童學(xué)習(xí)編程，他曾說：「孩童在計(jì)算機(jī)上編寫程序時(shí)，不僅可以獲得精熟最新與最強(qiáng)大科技的感受，還能與某些來自科學(xué)、數(shù)學(xué)及智力模式建構(gòu)的最深層意識建立親密的接觸。」由此不難看出，透過編程兒童能夠在訊息的產(chǎn)出、核對與處理過程中，組織與適應(yīng)自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。實(shí)施兒童編程教學(xué)是基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)法(Project-based Learning)，讓學(xué)生設(shè)定與建立項(xiàng)目，并在完成項(xiàng)目的過程中，鍛煉邏輯思維能力及培養(yǎng)問題解決能力。
我們就以Logo為例來看看兒童編程在學(xué)些什么，建議有興趣的人可以去下載FMSLogo一起跟著做做看。
1. 角色扮演，融入情境
Logo又被稱為海龜語言(turtle language)，因?yàn)樗闹鹘鞘且恢恍『｝敚瑑和趯W(xué)習(xí)編程時(shí)就是扮演小海龜?shù)慕巧?dāng)他想前進(jìn)100步時(shí)，只需要下指令Forward 100（也可以簡寫為FD 100），就會看到海龜前進(jìn)100；而當(dāng)他想向右轉(zhuǎn)90度時(shí)，則下指令Right 90（也可以簡寫為RT 90）。在初期學(xué)習(xí)階段，教師甚至可以不需使用計(jì)算機(jī)，仍然能夠進(jìn)行編程教學(xué)（有人稱為”不插電的編程教學(xué)”），透過讓兒童融入故事情境，并以日常使用的單字和詞組來指揮主角，大幅降低學(xué)習(xí)的難度。
2. 實(shí)時(shí)獲知學(xué)習(xí)結(jié)果
兒童幾乎在學(xué)習(xí)任何學(xué)科知識時(shí)，大多要在一段時(shí)間之后，透過測驗(yàn)、作業(yè)、練習(xí)或發(fā)表等方式，以分?jǐn)?shù)或作品來得知學(xué)習(xí)的成果。而計(jì)算機(jī)最大特性就是人和機(jī)器間的高互動性，只要對計(jì)算機(jī)下指令(command)，立刻就能在畫面上看到執(zhí)行結(jié)果。例如執(zhí)行4次Forward 100和Right 90指令，就會看到屏幕上畫出一個(gè)邊長100的正方形。經(jīng)由畫面的立即回饋，馬上就能知道自己的學(xué)習(xí)正確與否。
3. 規(guī)劃與執(zhí)行一個(gè)項(xiàng)目
項(xiàng)目(project)的產(chǎn)生可以是老師指定，也可以由學(xué)生自己發(fā)想。有了項(xiàng)目之后，學(xué)生必須構(gòu)思完成它的方法，并且需要將它拆解為一個(gè)個(gè)基本的可執(zhí)行單位，這些可執(zhí)行單位就像積木塊一樣，經(jīng)過適當(dāng)組合就能產(chǎn)出想要的結(jié)果。例如想要畫出下面這個(gè)由正方形組成的花朵（當(dāng)然正式項(xiàng)目可能要遠(yuǎn)比這個(gè)例子復(fù)雜多了，在此為了便于說明，采用比較簡單的范例），看起來相當(dāng)復(fù)雜，要完成它有不同的解決方法，但仔細(xì)分析后會發(fā)現(xiàn)，它可以是由12個(gè)正方形組成，每畫完一個(gè)正方形就轉(zhuǎn)30度，再畫下一個(gè)。至于為什么要轉(zhuǎn)30度再畫，這便牽涉到數(shù)學(xué)，因?yàn)閳D中有12個(gè)角，表示有12個(gè)正方形，而轉(zhuǎn)一圈是360度，兩者相除就得到30。所以基于前面畫出正方形的經(jīng)驗(yàn)，只要每次畫完一個(gè)正方形之后讓小海龜轉(zhuǎn)30度，再接著畫下一個(gè)，連續(xù)做12次就能得到正確的結(jié)果。
但是想想每畫一個(gè)正方形需要4次的[Forward 100 Right 90]，一共有12個(gè)正方形，表示需要有48個(gè)[Forward 100 Right 90]才能完成圖形，太麻煩了！我們可以試著把正方形變成一個(gè)積木塊，讓它像指令一般能夠直接使用，這就要讓Logo認(rèn)識”新指令”，也就是要建立自己的程序(procedure)。在Logo建立新指令時(shí)要使用TO...END來命名和定義指令內(nèi)容，以后就可以直接使用這個(gè)Logo學(xué)會的新指令。
To SQUARE
Repeat 4 [Forward 100 Right 90]
END
SQUARE這個(gè)新指令是讓Logo重復(fù)(Repeat)4次向前100再右轉(zhuǎn)90度，這樣可以畫出一個(gè)邊長100的正方形。因此要畫出這個(gè)由正方形組合而成的花朵就變得非常簡單，只要每畫完1個(gè)正方形后轉(zhuǎn)30度，重復(fù)12次即可，指令變成：
Repeat 12 [SQUARE Right 30]
執(zhí)行后果然得到預(yù)期的圖案。
當(dāng)Logo學(xué)會新指令后，未來的編程都可以直接使用這些指令，例如稍微修改上面的程序，只重復(fù)4次，但每次轉(zhuǎn)90度角，可以畫出一個(gè)「田」字，程序就像下面這樣：
Repeat 4 [SQUARE Right 90]
規(guī)劃與執(zhí)行項(xiàng)目時(shí)可以訓(xùn)練學(xué)生找出項(xiàng)目中的特定模式(pattern)，以及分割大項(xiàng)目成為一個(gè)個(gè)較小的工作，執(zhí)行時(shí)再分別解決每一個(gè)模式或是小的工作，最后完成整個(gè)項(xiàng)目。例如上面例子中，畫出這個(gè)花朵的最基礎(chǔ)模式是一個(gè)正方形。
在碰到較大型項(xiàng)目的時(shí)候，可以畫流程圖(flow chart)來表示項(xiàng)目執(zhí)行的完整過程，流程圖中除了線性的順序之外，也可能需要進(jìn)行條件判斷，例如「當(dāng)距離抵達(dá)目的地時(shí)間少于6小時(shí)，搭高鐵前往，否則搭巴士」，這就是一種條件判斷。加入條件判斷的程序就不再是死板板的一條線直直走下去，而是會有一些變化的可能性，讓程序看起來有一點(diǎn)點(diǎn)”聰明”，能視情況調(diào)整。
4. 問題解決
編程時(shí)難免會碰到執(zhí)行結(jié)果和預(yù)期不同的情形，編程發(fā)生錯(cuò)誤被稱為程序中有臭蟲(bug)，必須進(jìn)行除蟲(debug)工作，這可以培養(yǎng)學(xué)生問題解決的能力。例如想要畫出一根旗桿上有一面旗子，但下面這段程序卻畫出一個(gè)梯子！
Forward 50
Right 90
Forward 50
Left 90
Forward 50
Right 90
Forward 50
Left 90
Forward 50
找得到臭蟲在哪里嗎？原來蟲子躲在程序的第6行，轉(zhuǎn)錯(cuò)方向了！只要把右轉(zhuǎn)Right改成左轉(zhuǎn)Left，畫出來就是一面旗子了。
解決問題總是無法一步到位，常需經(jīng)過不斷測試與修改的過程，也正因?yàn)檫@樣的特性，使學(xué)生可以透過編程來提升自己，擁有更好的問題解決能力。
綜合來說，編程教育是希望培養(yǎng)學(xué)生擁有運(yùn)算思維(computational thinking)。運(yùn)算思維并不是讓人像計(jì)算機(jī)一樣的”思考”，而是透過分解復(fù)雜問題、辨識與發(fā)現(xiàn)模式、將模式一般化，以及發(fā)展問題解決流程等一系列工作，達(dá)到養(yǎng)成學(xué)生高階思維以解決問題能力的目標(biāo)。至于教育政策上是不是應(yīng)該像芬蘭、愛沙尼亞、英國等許多歐洲國家一樣，將編程納入正式課程，主要牽涉到師資是否充足的問題，擔(dān)任這方面課程的教師本身必須也有相當(dāng)好的運(yùn)算思維，以及編程的專業(yè)背景，但答案顯然再清楚不過了！
注：若有興趣使用Logo但不想記憶指令，也可以發(fā)郵件到contact@turtleart.org，索取新版的TurtleArt軟件，它是正宗派普特所開發(fā)的Logo編程環(huán)境，由派普特的子女(Artemis and Brian Papert)管理。TurtleArt采用鼠標(biāo)拖拉指令的方式撰寫Logo程序，而且畫面上真的有一只小海龜喔。
