漫谈孩子学习编程和写软件



应该是美国中小学即将开学的缘故，家长需要给孩子们选择周末兴趣班，这几天好多朋友问我，孩子们要不要学编程，更具体的说，要不要学习Python程序设计。孩子要不要学编程，的确是个好问题。就算没有朋友问，我自己也考过很多，也曾试过。在女儿读二三年级的时候，我教过她简单的Python和Java程序设计。很可惜，成效并不大，尽管我挑选了几个很有趣的简单数学问题，用计算机去求解，仍然不能引起孩子的兴趣。这就更让我进一步思考，到底该不该现在就教孩子写程序，如果教，该教哪一种程序设计语言，怎么教。

我自己不是计算机科班出身，但是靠着科学计算混饭吃，能够熟练地使用C，C++，FORTRAN，Java, Visual Basic，MATLAB，PYTHON，Bash, GrADS, NCL甚至是AML写程序。大学期间，我正经八本上的计算机课，也只有C语言程序设计。用了不到一个月时间，我就把谭浩强先生写的《C语言程序设计》自学完了。通过这本书，我学会面向过程的软件开发方法。学期末，我就用C语言给我们班写了一个奖学金评选的程序。当时是九十年代末，C++已经开始成为潮流。写程序的人如果不会C++，是不敢出去吹牛的。我很喜欢吹牛，所以买了本C++程序设计的教材。C++比C语言丰富多了，我用了两三个月才学明白什么叫做面向对象的软件开发方法。我大学毕业的时候，用C++开发了一套人工神经网路的程序。在2000年，在好多国内的书店里，如果你问有没有人工神经网络方面的书，店员大多会让你去医学门类去寻找。所以，我那时候，作为一个地质系的学生，用基于人工神经网络的人工智能，去研究矿山稳定性，也值得大吹特吹了。自吹自擂这么多，拉回到程序设计的话题上，其实哪种语言不重要，关键是学会软件开发的方法，比如前面提到的面向过程和面向对象软件开发。

当然，一个写程序的人必须要了解计算机的体系结构。我很幸运，从C语言开始学习编程。学过C语言的，很多人都很憎恨它，就算学过，一辈子也不会用C语言写一个超过100行的程序。C语言之所以招人厌恶，是因为它太接近计算机硬件了。作为一种强类型语言，也就是说，需要直接声明和定义变量的计算机语言，写程序的人必须了解，什么是整数，什么是实数，什么数有符号，什么数无符号。解决问题，我们必须搞清楚，实数需要小数点后几位的经度，整数需要几个字节。问题复杂了，需要分配内存，需要传递复杂变量，就要涉及地址和指针。把这些细节搞清楚，的确是需要花点时间学习计算机的硬件和原理。因为这个，和多人都望而却步打了退堂鼓。然而，对那些肯花时间钻研的人，一旦弄明白了底层细节，以后操作计算机就像是庖丁解牛一样，可以轻松玩耍。

通过C语言学习编程，起点高，的确有点难。对很多人来说，就像是撞墙一样痛苦。可是一旦把墙撞破了，就可以把头伸进计算机的内部世界，能够享受把自己的想法转变成计算机程序的自由，最终可以驱使计算机替你思考。在我上大学的时候，除了计算机系的学生，肯去研究C和C++程序设计的人非常少。多数人都去学习如BASIC这样的语言。BASIC很方便，方便到变量既可以声明，也可以不声明，总之是无所谓，关系不大。灵活带来方便，也带来混乱。BASIC的程序，大都是乱七八糟，就像一盆煮熟的方便面，顺着哪根面条，也捋不出一个头绪。很多人把这个问题归咎于BASIC程序中的GO TO语句。在我看来，这多少是冤枉了GO TO。问题的主要原因是，那些从BASIC学习计算机程序设计的人，没有学会正确的软件开发方法。他们大多是图简单，图方便，图快，最后把程序搞成了涂鸦。回想一下当年我的同学，热衷短平快学习BASIC和Visual Basic之类编程工具的人，大多没有在软件一行走下去深入发展。相反，好多学习C，C++和Visual C++的同学，成了软件业的精英，现在坐拥豪宅若干。

前面谈的都是历史，现在转到现实。现如今再没有人学习什么Basic和Visual Basic。短平快的软件开发，大家都选择Python。Python可以算最成功的解释型语言，没有之一，而是唯一。Python引人指出，大概有这么几点。第一就是，严格的程序书写规范。Python的作者深受Perl语言自由灵活书写风格之苦，要求Python的开发者，必须按照既定的规则，书写每一行程序，否则Python解释器跟你没完没了地抱怨，这样确保了Python代码有良好的可读性。因此，你上周写的程序，今天还能很容易地看懂。第二，Python程序既能面向过程，也能面向对象。什么是过程，什么是对象，如果你写不了200行的程序，没必要去敲破脑袋搞清楚。 第三，Python提供了丰富的基本数据结构，例如元组(tuple)，列表(list)，字典(dictionary)和集合(set)之类的的数据结构。对于C++的开发者，如果使用这些数据街头，需要学习复杂的标准模板库，要么自己去开发，总之是费时费力。而Python的用户，可以轻松使用这些数据结构带来丰富功能。 最后也是最重要的一点，Python有极其丰富的共享资源。对于一个应用Python的软件开发人员而言，一定要记住，你是在用Python而不是开发Python。对于任何一个常用的计算机操作，不管复杂与否，开发人员基本上都可以在网上找到免费的Python代码库。开发人员需要做的，就是开发尽可能简单的Python代码，调用这些代码库，完成自己的任务。

Python容易不容易学？Python强大不强大？我的答案是Python很强大，但是我不知道对于小孩子来说，到底容易不容易学。如果没有任何数据结构的基础，我不知道怎么给孩子讲明白列表的工作原理。那些现成的Python代码库，真的既丰富又强大。有大人帮忙，孩子们可以轻松用Python写一个收发电子邮件的程序。可是电子邮件里的文字和图片，到底是怎样从这台计算机到那台计算机的，孩子们要是问起来，Python程序员应该不是很容易回答。随手抓来的Python代码库，让我们不必关注细节，直奔主题地开发程序，完成我们的工作。可是，我总觉得，孩子们学习计算机程序设计，是需要了解细节的。教孩子学习写程序，不应该是简单的让他们学会怎样用别人的代码搭积木，而更应该让他们了解每块积木是怎么工作的。我们大人用Python写程序，是因为我们只看重结果。孩子们学习写程序，更应该侧重过程。如果没有计算机基础，上来就学习Python，孩子再聪明，怕也只能是浑沦吞枣式地学习。在大人的指引下，他们能够写出小程序，离开了大人指导，他们还能走多远？我不是很乐观。

我喜欢用Python，可是我心里总是隐隐约约觉得，Python不是一个给小孩子入门的计算机语言。当然，我也不想让一个孩子硬着头皮去学习C和C++。想来想去，程序设计可能是无法快速入门的。想靠着十节八节Python程序设计课程，就让孩子去研究人工智能，为申请大学加分的想法，是不切实际的。 在我看来，学习程序设计，还得从长计议。要是我列一个课程表。第一个必修课就是数学。理解程序设计的一个基本需求就是，孩子得理解数学中函数的定义。不管是面向对象还是面向过程，我们都会把相关的一组计算机操作组织到子程序（或者叫做函数）里。理解了数学中的函数，孩子们就可以学习面相过程的程序设计了。能写出几十个子程序（函数）构成的程序，才有学习面向对象程序设计的基础。有了一定的数学基础，第二个必修课就是计算机操作。好多孩子会在计算机上打游戏，却从来没有在计算机上发过一封电子邮件。编程的一个基础就是，计算机打字。孩子正确使用键盘和鼠标，也得点功夫。学会操作计算机，就可以真正接触程序设计了。好多老师，从集成开发环境（IDE）（比如说Eclipse）开始教授程序设计。不管学习Java还是Python，都是按照老师的指导，在IDE里输入程序，然后用鼠标按一下按钮，结果一下就跑出来了。一旦离开了IDE，孩子们一脸茫然不知道那里可以写程序，更不知道程序怎样变成可执行代码，并运行处结果。要是我来上课，一定从最简单的文本编辑工具开始。我会教孩子怎样打开命令行窗口（Terminal），怎样启动文字编辑器，怎样输入程序，怎样保存代码，然后怎样编译程序，最后怎样执行程序。

到底哪一种计算机语言最适合初学的孩子呢？我想我会选择Java。Java在语言要素和语法上，继承了C和C++，基本上就是一个C++的简化版。谈到课程设置，我想我会从数据类型，条件判断（IF语句），和循环结构开始，让孩子了解一个程序的基本构造：数据，判断，和循环。我不会着急让孩子学习类和面向对象的概念。相反，我会用半个学期，甚至一个学期的时间，让孩子学习面向过程的程序设计的理念。也就是说，怎样把一个复杂的问题分解成若干步骤，每一个步骤又通过一个Java的函数来实现。让孩子们学会，怎样把这些函数组织在一起，解决他们的问题。

想想看，我们为什么要写程序？写程序的目的就是为了解决问题。在写程序之前，我们脑子里要形成一个解决方案。这个方案，往往包括多个前后衔接的步骤，甚至有条件判断，还有重复性的步骤。 这些步骤，都可以通过程序中的函数来实现。用计算机求解问题，真正的难点不是写程序的过程，而是开发问题的解决方案。计算机代码，只不过是解决方案的计算机实现。用上半个学期，甚至一个学期，教授孩子怎样去利用计算机，探讨问题的解决方案，所用时间其实并不长。家长呢，应该认识到这一点。教授孩子写程序，其实是教授孩子用计算机来解决问题。面对相抵复杂的问题，如果孩子们可以设计解决方案，可以写出包括十几个甚至更多的函数的代码，那说明孩子们可以进一步提高了。我们可以随后教授孩子，怎样以数据为中心，进行面型对象的程序设计，开发更大规模的软件了。 当然这是后话，对于初学者的父母，完全不需要上来就考虑面向对象。

Python要不要学？要！不过是在孩子们完全理解了面向过程程序设计理念之后。有了这样的基础，即便不用Python里面的“类”，孩子们也可以写出像模像样的Python程序。如果孩子有了面向对象的基础，那么就可以更加容易地理解Python中的元组，列表，字典，还有集合等数据结构以及相关的操作（或者说函数）了。如果孩子有兴趣，也完全有可能应用Python的类（class）的组织代码，开发出复杂的软件。有了程序设计基础，孩子们可以更加深入地理解并有效地利用共享的Python代码库。那时候，他们用共享代码开发出的电子邮件收发工具，不再是简单地模仿。孩子们可以设置甚至改造共享代码，把他们的有趣的想法实现到软件工具里。我相信，经历这样的过程，孩子们可以真正地了解计算机以及程序设计。深入掌握，必然帮助他们触类旁通，以后学习人工智能，自然会有坚实的基础。

最后一句话：Python便捷强大，适合急功近利式的软件开发，未必适合孩子们入门学习。