前言

某天，上小學(xué)二年級的兒子突然對我說: “爸爸，我想學(xué)編程。”其實(shí)更早時候我就在網(wǎng)上看到過有關(guān)兒童學(xué)習(xí)編程的一篇文章，其中提到了幾個軟件，都是充滿游戲風(fēng)格，著重設(shè)計(jì)與規(guī)劃，以完成特定任務(wù)為目的的模式。這些軟件并沒有涉及指令或語句的概念，所傳授和培養(yǎng)的是一種更廣義的“編程”（也許翻譯為“規(guī)劃”或“設(shè)計(jì)”更合適）思維和能力。文章指出幾歲孩子就可以通過這些軟件學(xué)習(xí)編程。

兒子還在上幼兒園時就在手機(jī)上玩過LightBot游戲。當(dāng)時給他玩的是初級版本，但已經(jīng)有循環(huán)、函數(shù)調(diào)用等功能，比起網(wǎng)上那篇文章所介紹的軟件，更像計(jì)算機(jī)編程。LightBot游戲中的小機(jī)器人能夠按照玩家編寫的指令序列執(zhí)行動作，對玩家的編程成果給予直接且明確的反饋，因此即使我沒有給兒子講過任何編程概念，他也完全能夠在游戲軟件中學(xué)習(xí)、理解和掌握那些編程元素，通過不斷嘗試來修正自己的程序，完成游戲中的所有關(guān)卡任務(wù)�？梢�，一個吸引人的有趣平臺加上直觀的反饋，完全能夠讓孩子在玩中學(xué)習(xí)編程，而且是學(xué)習(xí)相對抽象的計(jì)算機(jī)指令的編程。

我在清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系取得本科、碩士和博士學(xué)位，在計(jì)算機(jī)系教程序設(shè)計(jì)課程，而且負(fù)責(zé)程序設(shè)計(jì)競賽，自然早想過什么時候讓孩子學(xué)編程、學(xué)什么程序設(shè)計(jì)語言、怎么學(xué)這類問題。雖然還沒有明確的答案和計(jì)劃，但可以肯定的是——小學(xué)階段就可以學(xué)編程，因?yàn)楹芏嗑幊痰母拍畈⒉桓呱�。更小年齡的孩子雖然也可以學(xué)一些編程，但受認(rèn)知能力所限，學(xué)不了太多，不得不淺嘗輒止。而對于小學(xué)生，特別是小學(xué)中高年級學(xué)生來說，完全能夠在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)有計(jì)劃地學(xué)習(xí)一定量的內(nèi)容，而且所學(xué)內(nèi)容足以用來進(jìn)行豐富的創(chuàng)作或解決一些實(shí)際問題。同時，正因?yàn)閷W(xué)習(xí)者是小學(xué)生，往往教與學(xué)雙方都更關(guān)注基礎(chǔ)和必要的編程元素，不易受細(xì)枝末節(jié)的干擾而偏離“大道”。

我相信和追求“快樂學(xué)習(xí)”，希望學(xué)習(xí)路徑方向正確，不走彎路。我認(rèn)為C/C++語言、Java語言用作學(xué)習(xí)編程的入門語言并不理想，因?yàn)槌鯇W(xué)者難以用所學(xué)的內(nèi)容編寫出有趣的程序，即使最簡單的“Hello world！”程序也會留給初學(xué)者一大堆問題，而且這些問題的答案不是初學(xué)者適合去了解的。如果未來想在程序設(shè)計(jì)方面往更專業(yè)一些的方向發(fā)展，我認(rèn)為不宜在學(xué)習(xí)C/C++語言、Java語言之前就接觸Python語言。我曾考慮過讓兒子學(xué)習(xí)Logo語言，我初中時就學(xué)過它，有一定了解，但Logo語言除了畫簡單圖形外好像也沒有其他直觀有趣的功能�！澳阆雽W(xué)編程，很好呀！但是你具體想學(xué)些什么呢？”我問兒子。

“我想學(xué)Scratch�！眱鹤雍敛华q豫地回答。我聽說過Scratch，但沒有專門了解過。兒子想學(xué)Scratch，是因?yàn)閷W(xué)校高年級學(xué)生在風(fēng)采展示的活動中展示了一些用Scratch編寫的程序，引起了他的興趣。我告訴兒子: “沒問題。爸爸可以幫你了解一下，看看怎么來學(xué)�！�

零基礎(chǔ)學(xué)Scratch編程前言我從MIT的Scratch網(wǎng)站上下載了Scratch 2離線編輯器，從軟件自帶的教程開始了解。教程由若干很小的編程任務(wù)組成，各個任務(wù)大體上按照從最簡單到略復(fù)雜的順序排列。我一步一步照著做，完成前幾個小任務(wù)就已經(jīng)熟悉了Scratch的常用積木語句。我認(rèn)為這些小的編程任務(wù)非常適合用來進(jìn)行Scratch入門教學(xué)，對兒子來說，只需要幫他克服語言上的障礙——將英文翻譯成中文。很自然地，我將教程內(nèi)容展開并翻譯做成PowerPoint幻燈片，同時把自己實(shí)踐時所想的一些問題，也總結(jié)并在幻燈片中提出來，鼓勵兒子通過動手嘗試來找到答案。一些我認(rèn)為基礎(chǔ)和重要的程序設(shè)計(jì)概念和思想，在編程任務(wù)涉及時，及時在幻燈片中提出來。

我將筆記本電腦與家里的電視機(jī)連接，教兒子用雙屏模式來學(xué)習(xí)，一個屏幕播放PPT幻燈片，另一個屏幕進(jìn)行Scratch編程操作。PPT幻燈片的動畫控制與頁面切換，既避免了書本內(nèi)容的一覽無余，又能形成一種有控制的交流，還能讓孩子自己來主導(dǎo)學(xué)習(xí)的進(jìn)度。兒子對Scratch的學(xué)習(xí)就這樣開始了，基本上是一種自學(xué)的模式，當(dāng)他實(shí)踐遇到困難時才找我?guī)兔�解決。

兒子學(xué)Scratch學(xué)得很快樂。教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的同事知道后，向我要了幻燈片給自己兒子學(xué)。他兒子也學(xué)得很快樂，而且會主動與老爸討論“什么是變量”之類的問題。同事建議:可以開個班，讓系里老師們的孩子一起來學(xué)Scratch。清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系教職工孩子們的第一期編程學(xué)習(xí)班就這樣開始了，每周五晚上一次課，持續(xù)大半個秋季學(xué)期。在學(xué)習(xí)內(nèi)容上，除了更新最初的PPT幻燈片以外，我認(rèn)真地規(guī)劃了各次課的內(nèi)容，一是考慮新知識循序漸進(jìn)地分布在各次課程中，二是考慮后面的課程內(nèi)容能夠起到復(fù)習(xí)鞏固前面課程內(nèi)容的作用。課程內(nèi)容前期主要來自于Scratch教程，后期來自于自己的設(shè)計(jì)安排。教學(xué)方式同樣采取雙屏自學(xué)模式，孩子們利用機(jī)房的計(jì)算機(jī)播放PPT幻燈片，同時在自帶的筆記本電腦上進(jìn)行Scratch編程操作。這個編程學(xué)習(xí)班的助教隊(duì)伍超級豪華，因?yàn)楹⒆觽兊募议L，即清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系的老師們，可以陪著孩子一起參加這個編程學(xué)習(xí)班輔導(dǎo)自己孩子，因此這個編程學(xué)習(xí)班也是一個親子活動班。系里老師們都沒有用過Scratch，對這種編程語言也很感興趣，有時兩位大牌教授會丟下孩子，相互討論眼前的Scratch編程任務(wù)。這并不奇怪，我在學(xué)習(xí)了解Scratch的過程中，同樣很快就喜歡上了它。每次課程中，我會在機(jī)房走動，了解各個孩子的自學(xué)進(jìn)展，解答他們的問題，幫他們排除一些困難，不過更多時候是引導(dǎo)他們自己來排查問題解決困難。一些共性的問題，我會總結(jié)并在下一次課程時講解。這樣的編程學(xué)習(xí)班得到了孩子和家長們廣泛的好評，有兩次我出差無法上課，還有家長主動代課，并且提前與我討論并準(zhǔn)備PPT幻燈片。同樣的課程內(nèi)容，后來又開了一期編程學(xué)習(xí)班，為了達(dá)到更好的教學(xué)效果，還專門為每次課程設(shè)計(jì)了課后練習(xí)。本書的第一部分就來自于這一期編程學(xué)習(xí)班的內(nèi)容。

在第一期編程學(xué)習(xí)班孩子與家長們的要求下，我開設(shè)了后續(xù)的Scratch編程學(xué)習(xí)班。在這后續(xù)的“提高組”（第一期相應(yīng)稱為“入門組”）編程學(xué)習(xí)班上，我主要讓孩子們體驗(yàn)編程與數(shù)學(xué)的關(guān)系，了解計(jì)算機(jī)解決問題的方式方法，普及一些基礎(chǔ)而重要的程序設(shè)計(jì)算法思想，為進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)甚至是信息學(xué)競賽打基礎(chǔ)。提高組編程學(xué)習(xí)班仍然采用PPT幻燈片自學(xué)的方式，教學(xué)內(nèi)容形成了本書的第二部分。

在組織孩子們學(xué)習(xí)Scratch編程的過程中，我看到了孩子們的學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力，多次從心底為他們的優(yōu)異表現(xiàn)喝彩。這兩種能力也是我采用這種教學(xué)模式所希望激發(fā)和培養(yǎng)的能力，相信對孩子們的一生都有裨益。言歸正傳，該系統(tǒng)地介紹一下本書的內(nèi)容了。本書共20章，分為三個部分。第1章～第10章為第一部分“基礎(chǔ)技能”，主要介紹Scratch中角色、造型等基礎(chǔ)概念，由淺入深地引入各類積木語句的實(shí)踐應(yīng)用；第11章～第16章為第二部分“思維訓(xùn)練”，從繪制圖形入手，強(qiáng)化數(shù)學(xué)思維，介紹遞歸、遞推、枚舉、篩法、二分法等算法思想；第17章～第20章為第三部分“應(yīng)用實(shí)踐”，是Scratch編程實(shí)踐的綜合與提高。

本書的前兩個部分分別來源于前文提到的“入門組”和“提高組”編程學(xué)習(xí)班的課程內(nèi)容，沒有任何編程經(jīng)驗(yàn)的孩子也能夠輕松地從第1章開始學(xué)習(xí)。在寫作本書過程中，官網(wǎng)的Scratch 2離線編輯器改版升級為Scratch 3桌面編輯器，在界面上有較大改動，在功能上也有變化，經(jīng)過考慮將章節(jié)內(nèi)容都更新為與新版編輯器一致。第三部分的內(nèi)容來源于孩子們學(xué)習(xí)Scratch過程中實(shí)際編寫的游戲項(xiàng)目，以及我本人特別想用Scratch實(shí)現(xiàn)的功能（我實(shí)在太喜歡Scratch這一編程語言了）。與PPT幻燈片相比，書本缺少了逐步呈現(xiàn)的控制，但可以用更詳細(xì)的文字進(jìn)行解釋說明，算是各有優(yōu)劣。此外，在寫作過程中，產(chǎn)生了一些新的想法和更深入的思考，也融入到本書的內(nèi)容中。如何學(xué)習(xí)本書呢？不建議小學(xué)低年級甚至更小的孩子學(xué)習(xí)本書。雖然他們也能夠完成前幾章的學(xué)習(xí)，但后續(xù)的章節(jié)對他們來說挑戰(zhàn)太大，而學(xué)得太少的話，意味著掌握的工具少，實(shí)踐與創(chuàng)新的空間小，得到的鍛煉與相應(yīng)收獲少，樂趣也少。另外，因?qū)W習(xí)內(nèi)容太難導(dǎo)致半途而廢并不是好的體驗(yàn)，沒必要給孩子留下編程很難學(xué)的印象。

建議孩子自學(xué)。家長可以給一些基礎(chǔ)的幫助，例如，安裝Scratch桌面編輯器，教孩子基本的計(jì)算機(jī)操作，例如登入系統(tǒng)、運(yùn)行程序、輸入漢字等，但學(xué)習(xí)Scratch編程還是讓孩子按自己的節(jié)奏來。自學(xué)能力是個人不斷成長的必備能力，培養(yǎng)鍛煉孩子的自學(xué)能力，是本書的重要目的之一。

學(xué)習(xí)編程的方法與學(xué)習(xí)語文、數(shù)學(xué)、英語都不一樣。編程是一種思維與實(shí)踐緊密結(jié)合的創(chuàng)造性活動。書上的內(nèi)容都理解了，并不意味著就會編程。我敬愛的導(dǎo)師吳文虎教授給學(xué)生們上課時，就多次強(qiáng)調(diào): “編程不是學(xué)會的，是練會的。”本書建議的自學(xué)方法是: 逐段地閱讀理解→實(shí)踐探索→思考總結(jié)→實(shí)踐應(yīng)用。

閱讀本書時，身邊應(yīng)該有一臺已經(jīng)打開的計(jì)算機(jī)。書中講到了什么操作，讀者就應(yīng)該同步地在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行相應(yīng)的操作；書中提出一個問題，讀者就應(yīng)該暫停住，先思考自己的想法和答案，再往下閱讀；書中提出要自己嘗試，讀者就應(yīng)該自覺地想辦法去探索和嘗試；書中有時只提出問題，并不給出答案，但讀者真正實(shí)踐了就會得到正確的答案。我希望給予孩子探索與收獲的學(xué)習(xí)樂趣。

本書并沒有采用講解展示語句功能的方式介紹Scratch語言，而是從要完成的任務(wù)、要實(shí)現(xiàn)的功能或效果出發(fā)，即從需求出發(fā)引入可用的語句，把語句、編程語言視為解決問題的工具。與編程語言相比，分析問題→設(shè)計(jì)方案→規(guī)劃程序→具體實(shí)現(xiàn)→修正調(diào)優(yōu)這種以程序設(shè)計(jì)為手段解決問題改變世界的方法，才是更重要的。這種方法，以及在方法運(yùn)用的過程中涉及的思想和技術(shù)，與具體編程語言無關(guān)，才是學(xué)習(xí)編程所真正要學(xué)的東西。我相信，這樣的編程學(xué)習(xí)才能夠更好地培養(yǎng)孩子解決問題的能力，才能更好地支持孩子將心中的創(chuàng)意展示出來，將創(chuàng)新的想法具象化，敢想敢干，能想能干。

本書剛開始的幾章內(nèi)容簡單，學(xué)起來較快，后續(xù)章節(jié)會不斷用到前面已學(xué)的內(nèi)容，越來越復(fù)雜，對思維能力和動手能力的要求也越來越高，學(xué)習(xí)進(jìn)度自然會慢下來。而且，隨著綜合的編程能力提升，孩子會想要實(shí)現(xiàn)自己設(shè)計(jì)的動畫和游戲，這是應(yīng)該鼓勵的事情。家長最好能夠給孩子一些命題編程任務(wù)，即給出一個主題，讓孩子想辦法編程來表現(xiàn)，例如，讓孩子實(shí)現(xiàn)一個堆雪人的場景或游戲。這些書本外的編程活動，是孩子學(xué)習(xí)編程最好的練習(xí)，比每章后面的練習(xí)題好百倍。能夠多做這些自由的編程練習(xí)的話，完全不必著急學(xué)后續(xù)章節(jié)。畢竟學(xué)完一本書并不是真正的目的，打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，熟能生巧，讓孩子將來學(xué)得更好才是目的。另外，本書第二部分、第三部分靠后的章節(jié)難度很大，對初中生來說也是不小的挑戰(zhàn)，因此建議孩子按自己舒適的進(jìn)度去學(xué)習(xí)，花兩年、三年甚至更長時間也可以。

編程學(xué)習(xí)遇到的最大困難可能就是查錯調(diào)試了。初學(xué)者可能犯任何錯誤，而且自己完全找不出問題來。雖然編程調(diào)試有利于培養(yǎng)孩子的耐心和細(xì)致，但最好能夠有懂程序設(shè)計(jì)的人提供“保底”的幫助，避免孩子長時間無法解決問題，學(xué)習(xí)熱情受到打擊。如果有同樣在學(xué)Scratch的小伙伴一起討論查錯，也是非常好的。本書附錄D專門介紹了一些調(diào)試的方法和技巧，但對初學(xué)者的幫助有限。有條件的家長，可以考慮和孩子一起來學(xué)Scratch，這樣與孩子有共同的語言，一起學(xué)習(xí)、一起討論、一起成長，也是珍貴和難得的體驗(yàn)。飲水思源，感謝促使本書成文的所有人！首先感謝以吳文虎教授為首的師尊前輩，本書一脈相承了他們關(guān)于程序設(shè)計(jì)教學(xué)的理念。感謝教學(xué)實(shí)驗(yàn)室和系里的同事們對編程學(xué)習(xí)班的支持，感謝孩子們、家長們對編程學(xué)習(xí)班的學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)內(nèi)容的肯定。感謝系里的喻文健老師，本書中基礎(chǔ)彈球游戲的若干項(xiàng)擴(kuò)展來自他的創(chuàng)意。特別感謝金山西山居的唐一鳴先生，本書第20章來源于特邀他給提高組編程學(xué)習(xí)班帶來的一次課程。當(dāng)然，也要感謝兒子促成我進(jìn)入了Scratch的奇妙世界。孩子是我們未來的希望，愿本書的小讀者們永保學(xué)習(xí)的愿望與樂趣！

鄔曉鈞2020年5月新冠肺炎疫情期間于清華園