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前言

某天，上小學(xué)二年級(jí)的兒子突然對(duì)我說(shuō): “爸爸，我想學(xué)編程�！逼鋵�(shí)更早時(shí)候我就在網(wǎng)上看到過(guò)有關(guān)兒童學(xué)習(xí)編程的一篇文章，其中提到了幾個(gè)軟件，都是充滿(mǎn)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(méi)有涉及指令或語(yǔ)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(guò)這些軟件學(xué)習(xí)編程。

兒子還在上幼兒園時(shí)就在手機(jī)上玩過(guò)LightBot游戲。當(dāng)時(shí)給他玩的是初級(jí)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(xiě)的指令序列執(zhí)行動(dòng)作，對(duì)玩家的編程成果給予直接且明確的反饋，因此即使我沒(méi)有給兒子講過(guò)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(guò)不斷嘗試來(lái)修正自己的程序，完成游戲中的所有關(guān)卡任務(wù)�？梢�(jiàn)，一個(gè)吸引人的有趣平臺(tái)加上直觀(guān)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(duì)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(jìng)賽，自然早想過(guò)什么時(shí)候讓孩子學(xué)編程、學(xué)什么程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、怎么學(xué)這類(lèi)問(wèn)題。雖然還沒(méi)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(duì)于小學(xué)生，特別是小學(xué)中高年級(jí)學(xué)生來(lái)說(shuō)，完全能夠在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)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(lái)進(jìn)行豐富的創(chuàng)作或解決一些實(shí)際問(wèn)題。同時(shí)，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(lè)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(yǔ)言、Java語(yǔ)言用作學(xué)習(xí)編程的入門(mén)語(yǔ)言并不理想，因?yàn)槌鯇W(xué)者難以用所學(xué)的內(nèi)容編寫(xiě)出有趣的程序，即使最簡(jiǎn)單的“Hello world！”程序也會(huì)留給初學(xué)者一大堆問(wèn)題，而且這些問(wèn)題的答案不是初學(xué)者適合去了解的。如果未來(lái)想在程序設(shè)計(jì)方面往更專(zhuān)業(yè)一些的方向發(fā)展，我認(rèn)為不宜在學(xué)習(xí)C/C++語(yǔ)言、Java語(yǔ)言之前就接觸Python語(yǔ)言。我曾考慮過(guò)讓兒子學(xué)習(xí)Logo語(yǔ)言，我初中時(shí)就學(xué)過(guò)它，有一定了解，但Logo語(yǔ)言除了畫(huà)簡(jiǎn)單圖形外好像也沒(méi)有其他直觀(guān)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(wèn)兒子。

“我想學(xué)Scratch�！眱鹤雍敛华q豫地回答。我聽(tīng)說(shuō)過(guò)Scratch，但沒(méi)有專(zhuān)門(mén)了解過(guò)。兒子想學(xué)Scratch，是因?yàn)閷W(xué)校高年級(jí)學(xué)生在風(fēng)采展示的活動(dòng)中展示了一些用Scratch編寫(xiě)的程序，引起了他的興趣。我告訴兒子: “沒(méi)問(wèn)題。爸爸可以幫你了解一下，看看怎么來(lái)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(xiàn)編輯器，從軟件自帶的教程開(kāi)始了解。教程由若干很小的編程任務(wù)組成，各個(gè)任務(wù)大體上按照從最簡(jiǎn)單到略復(fù)雜的順序排列。我一步一步照著做，完成前幾個(gè)小任務(wù)就已經(jīng)熟悉了Scratch的常用積木語(yǔ)句。我認(rèn)為這些小的編程任務(wù)非常適合用來(lái)進(jìn)行Scratch入門(mén)教學(xué)，對(duì)兒子來(lái)說(shuō)，只需要幫他克服語(yǔ)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(kāi)并翻譯做成PowerPoint幻燈片，同時(shí)把自己實(shí)踐時(shí)所想的一些問(wèn)題，也總結(jié)并在幻燈片中提出來(lái)，鼓勵(lì)兒子通過(guò)動(dòng)手嘗試來(lái)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(shí)，及時(shí)在幻燈片中提出來(lái)。

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(lái)學(xué)習(xí)，一個(gè)屏幕播放PPT幻燈片，另一個(gè)屏幕進(jìn)行Scratch編程操作。PPT幻燈片的動(dòng)畫(huà)控制與頁(yè)面切換，既避免了書(shū)本內(nèi)容的一覽無(wú)余，又能形成一種有控制的交流，還能讓孩子自己來(lái)主導(dǎo)學(xué)習(xí)的進(jìn)度。兒子對(duì)Scratch的學(xué)習(xí)就這樣開(kāi)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(shí)才找我?guī)兔�解決。

兒子學(xué)Scratch學(xué)得很快樂(lè)。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(lè)，而且會(huì)主動(dòng)與老爸討論“什么是變量”之類(lèi)的問(wèn)題。同事建議:可以開(kāi)個(gè)班，讓系里老師們的孩子一起來(lái)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(kāi)始了，每周五晚上一次課，持續(xù)大半個(gè)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(shí)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(lái)自于Scratch教程，后期來(lái)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(shí)在自帶的筆記本電腦上進(jìn)行Scratch編程操作。這個(gè)編程學(xué)習(xí)班的助教隊(duì)伍超級(jí)豪華，因?yàn)楹⒆觽兊募议L(zhǎng)，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(gè)編程學(xué)習(xí)班輔導(dǎo)自己孩子，因此這個(gè)編程學(xué)習(xí)班也是一個(gè)親子活動(dòng)班。系里老師們都沒(méi)有用過(guò)Scratch，對(duì)這種編程語(yǔ)言也很感興趣，有時(shí)兩位大牌教授會(huì)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(guò)程中，同樣很快就喜歡上了它。每次課程中，我會(huì)在機(jī)房走動(dòng)，了解各個(gè)孩子的自學(xué)進(jìn)展，解答他們的問(wèn)題，幫他們排除一些困難，不過(guò)更多時(shí)候是引導(dǎo)他們自己來(lái)排查問(wèn)題解決困難。一些共性的問(wèn)題，我會(huì)總結(jié)并在下一次課程時(shí)講解。這樣的編程學(xué)習(xí)班得到了孩子和家長(zhǎng)們廣泛的好評(píng)，有兩次我出差無(wú)法上課，還有家長(zhǎng)主動(dòng)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(lái)又開(kāi)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(zhuān)門(mén)為每次課程設(shè)計(jì)了課后練習(xí)。本書(shū)的第一部分就來(lái)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(zhǎng)們的要求下，我開(kāi)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(chēng)為“入門(mén)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(wèn)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(jìng)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(shū)的第二部分。

在組織孩子們學(xué)習(xí)Scratch編程的過(guò)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(duì)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(shū)的內(nèi)容了。本書(shū)共20章，分為三個(gè)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(lèi)積木語(yǔ)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(shū)的前兩個(gè)部分分別來(lái)源于前文提到的“入門(mén)組”和“提高組”編程學(xué)習(xí)班的課程內(nèi)容，沒(méi)有任何編程經(jīng)驗(yàn)的孩子也能夠輕松地從第1章開(kāi)始學(xué)習(xí)。在寫(xiě)作本書(shū)過(guò)程中，官網(wǎng)的Scratch 2離線(xiàn)編輯器改版升級(jí)為Scratch 3桌面編輯器，在界面上有較大改動(dòng)，在功能上也有變化，經(jīng)過(guò)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(lái)源于孩子們學(xué)習(xí)Scratch過(guò)程中實(shí)際編寫(xiě)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(yǔ)言了）。與PPT幻燈片相比，書(shū)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(shuō)明，算是各有優(yōu)劣。此外，在寫(xiě)作過(guò)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(shū)的內(nèi)容中。如何學(xué)習(xí)本書(shū)呢？不建議小學(xué)低年級(jí)甚至更小的孩子學(xué)習(xí)本書(shū)。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(duì)他們來(lái)說(shuō)挑戰(zhàn)太大，而學(xué)得太少的話(huà)，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(lè)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(méi)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(zhǎng)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(lái)。自學(xué)能力是個(gè)人不斷成長(zhǎng)的必備能力，培養(yǎng)鍛煉孩子的自學(xué)能力，是本書(shū)的重要目的之一。

學(xué)習(xí)編程的方法與學(xué)習(xí)語(yǔ)文、數(shù)學(xué)、英語(yǔ)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(dòng)。書(shū)上的內(nèi)容都理解了，并不意味著就會(huì)編程。我敬愛(ài)的導(dǎo)師吳文虎教授給學(xué)生們上課時(shí)，就多次強(qiáng)調(diào): “編程不是學(xué)會(huì)的，是練會(huì)的。”本書(shū)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(shū)時(shí)，身邊應(yīng)該有一臺(tái)已經(jīng)打開(kāi)的計(jì)算機(jī)。書(shū)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(shū)中提出一個(gè)問(wèn)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(shū)中提出要自己嘗試，讀者就應(yīng)該自覺(jué)地想辦法去探索和嘗試；書(shū)中有時(shí)只提出問(wèn)題，并不給出答案，但讀者真正實(shí)踐了就會(huì)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(lè)趣。

本書(shū)并沒(méi)有采用講解展示語(yǔ)句功能的方式介紹Scratch語(yǔ)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(yǔ)句，把語(yǔ)句、編程語(yǔ)言視為解決問(wèn)題的工具。與編程語(yǔ)言相比，分析問(wèn)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(wèn)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(guò)程中涉及的思想和技術(shù)，與具體編程語(yǔ)言無(wú)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(wèn)題的能力，才能更好地支持孩子將心中的創(chuàng)意展示出來(lái)，將創(chuàng)新的想法具象化，敢想敢干，能想能干。

本書(shū)剛開(kāi)始的幾章內(nèi)容簡(jiǎn)單，學(xué)起來(lái)較快，后續(xù)章節(jié)會(huì)不斷用到前面已學(xué)的內(nèi)容，越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)思維能力和動(dòng)手能力的要求也越來(lái)越高，學(xué)習(xí)進(jìn)度自然會(huì)慢下來(lái)。而且，隨著綜合的編程能力提升，孩子會(huì)想要實(shí)現(xiàn)自己設(shè)計(jì)的動(dòng)畫(huà)和游戲，這是應(yīng)該鼓勵(lì)的事情。家長(zhǎng)最好能夠給孩子一些命題編程任務(wù)，即給出一個(gè)主題，讓孩子想辦法編程來(lái)表現(xiàn)，例如，讓孩子實(shí)現(xiàn)一個(gè)堆雪人的場(chǎng)景或游戲。這些書(shū)本外的編程活動(dòng)，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(huà)，完全不必著急學(xué)后續(xù)章節(jié)。畢竟學(xué)完一本書(shū)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(lái)學(xué)得更好才是目的。另外，本書(shū)第二部分、第三部分靠后的章節(jié)難度很大，對(duì)初中生來(lái)說(shuō)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(zhǎng)時(shí)間也可以。

編程學(xué)習(xí)遇到的最大困難可能就是查錯(cuò)調(diào)試了。初學(xué)者可能犯任何錯(cuò)誤，而且自己完全找不出問(wèn)題來(lái)。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(zhǎng)時(shí)間無(wú)法解決問(wèn)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(cuò)，也是非常好的。本書(shū)附錄D專(zhuān)門(mén)介紹了一些調(diào)試的方法和技巧，但對(duì)初學(xué)者的幫助有限。有條件的家長(zhǎng)，可以考慮和孩子一起來(lái)學(xué)Scratch，這樣與孩子有共同的語(yǔ)言，一起學(xué)習(xí)、一起討論、一起成長(zhǎng)，也是珍貴和難得的體驗(yàn)。飲水思源，感謝促使本書(shū)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(shū)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(duì)編程學(xué)習(xí)班的支持，感謝孩子們、家長(zhǎng)們對(duì)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(shū)中基礎(chǔ)彈球游戲的若干項(xiàng)擴(kuò)展來(lái)自他的創(chuàng)意。特別感謝金山西山居的唐一鳴先生，本書(shū)第20章來(lái)源于特邀他給提高組編程學(xué)習(xí)班帶來(lái)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(lái)的希望，愿本書(shū)的小讀者們永保學(xué)習(xí)的愿望與樂(lè)趣！

鄔曉鈞2020年5月新冠肺炎疫情期間于清華園