程序語言本質(zhì)是思維的工具

余宙華

我曾經(jīng)在飯桌上和一個朋友發(fā)生了爭執(zhí)，起因是一篇報道，它說農(nóng)村居民有一個習(xí)慣，他們會不停地生孩子，一直要到生出兒子才算完！

我覺得這樣偏向男孩兒的生育習(xí)慣一定會導(dǎo)致人口失衡。我的這位朋友則認(rèn)為生男生女的概率始終是50%，所以不管怎么安排生育，最后都是男女各一半。

我們使用各種圖形、文字、公式推演分析，總是不能說服對方。

怎么辦呢？我們決定用程序來模擬一下！

三下五除二，我們編寫了一段程序。結(jié)果顯示：如果對大樣本進(jìn)行重復(fù)計算，那么人口分布中男女概率是相等的，也就是男女比例會保持不變。

但是，這樣的“偏心”策略難道不會有任何影響嗎？有的！因為我們?nèi)绻淖兂绦蜻壿嫞屓丝谙到y(tǒng)向前演化，就會發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。如果樣本量比較小，甚至?xí)霈F(xiàn)人口系統(tǒng)瞬間崩潰的情況，比如所有家庭突然第一胎都是男孩，然后他們不再生育，于是因為無法婚配直接后代斷絕了。

如果我們不懂編程語言，我們不會想到用程序來交流思想。

人類的思想表達(dá)必須借助工具，也就是語言。這些符號體系極為重要，因為人類的智力成果是通過它們來表達(dá)的。符號是外在經(jīng)驗的心理內(nèi)化產(chǎn)物，借助含義豐富的符號，人類可以憑借智力就進(jìn)行復(fù)雜的沙盤演繹，相當(dāng)有效地掌控外部現(xiàn)實。

人類迄今為止發(fā)明了三種標(biāo)志性的語言，分別是自然語言、數(shù)學(xué)語言、程序語言。它們對應(yīng)了人類的三個文明時代，農(nóng)業(yè)與手工業(yè)時代、工業(yè)時代、信息時代。

語言的學(xué)習(xí)是孩子們基礎(chǔ)教育階段的核心。中國歷來重視文化教育，漢語教育更是博大精深。但是，我們的現(xiàn)代數(shù)學(xué)教育卻出現(xiàn)得很晚，到民國才有。沒有盡早引入現(xiàn)代數(shù)學(xué)符號，使得中國文化落后于世界一個時代，未能進(jìn)入工業(yè)時代。眾所周知，現(xiàn)代的電磁學(xué)、熱力學(xué)知識都需要使用現(xiàn)代數(shù)學(xué)符號進(jìn)行表達(dá)。

在1859年出版的由李善蘭和偉列亞力合譯的《代數(shù)學(xué)》 開始嘗試介紹西方的數(shù)學(xué)符號，其中偉列亞力評論道：“微分積分為中土算書所未有，然觀當(dāng)代天算家所著各書，其理有甚近微分者，因不用代數(shù)式，故或言之甚繁推之甚難……”意思就是說，中國的數(shù)學(xué)研究已經(jīng)顯露出微積分的思想，但是因為用中文表達(dá)極度煩瑣，所以無法取得有效的發(fā)展進(jìn)步，始終處于原始萌芽狀態(tài)。

每一種符號體系的建立都是人類智慧跨越式的發(fā)展，是上了一個大臺階。借助簡潔、清晰的數(shù)學(xué)符號，小學(xué)生學(xué)習(xí)乘除法也沒有困難，而這些算術(shù)以前被認(rèn)為是非常艱深困難的。

我們曾經(jīng)錯過了現(xiàn)代數(shù)學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵年代，今天我們不能再錯過編程語言迅猛前進(jìn)的大潮流。正如海德格爾所說：“語言并非僅僅是一種用以交流思想的工具，而且是存在的住所。”讓我們帶領(lǐng)孩子們進(jìn)入這個程序語言創(chuàng)造的住所吧！

建立起編程語言課程體系

在孩子們很小的時候引入編程語言，是否符合孩子的心智發(fā)育階段呢？對于這個問題有很多爭論。在20世紀(jì)70年代，美國把Basic語言推廣到中小學(xué)，期望編程課能夠為基礎(chǔ)教育帶來革命性的變化。但是，結(jié)果卻是不成功的。根本原因在于語法的煩瑣、程序調(diào)試?yán)щy、編程內(nèi)容乏味。

直到近幾年圖形化編程工具出現(xiàn)，少兒編程教育才真正迎來春天。孩子不再糾結(jié)于應(yīng)該輸入一個“；”還是“，”了。編程教育直接進(jìn)入真正的核心，那就是時間與空間的操作。時間是操作順序、流程；空間是存放信息的結(jié)構(gòu)。

圖形化編程工具把動畫指令結(jié)合進(jìn)來，使得創(chuàng)作內(nèi)容能迅速切入孩子的興趣。同時也更加易于把其他的學(xué)科涵蓋其中，更是增添了編程的魅力。

我在幾年的編程教育中體會到，少兒編程課的體系應(yīng)該把程序設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、工程系統(tǒng)規(guī)劃、創(chuàng)意培養(yǎng)、多學(xué)科融合作為每一個階段的目標(biāo)。在課程遞進(jìn)過程中，整體呈現(xiàn)螺旋上升的格局。

比如，每一個階段都有程序設(shè)計的觀念引入，在最基礎(chǔ)的部分只需要掌握“順序執(zhí)行”“重復(fù)執(zhí)行”“條件分支”的分解動作就夠了，再往后慢慢引入幾種控制結(jié)構(gòu)的嵌套組合，直至循環(huán)變量間有復(fù)雜耦合關(guān)系的情況。

另外一個極其重要的方面，就是編程內(nèi)容要有“意義”。這可以說是少兒編程教育的全新課題，以前也沒有類似的教育學(xué)成果可以借鑒。之前的計算機(jī)課程都是面向成年人的，課程通常只是講授原理、方法，至于具體應(yīng)用，那就是看個人的興趣、悟性了。

但是，孩子的編程教育不能這樣做，必須在課程設(shè)計時把豐富的意義填充進(jìn)去。教師要為學(xué)生設(shè)計很多有趣的“應(yīng)用題”，這些應(yīng)用題將延伸到生活的每個方面，激發(fā)起孩子們的嚴(yán)肅思考，比如人類的經(jīng)濟(jì)生活、倫理關(guān)系。

當(dāng)然，編程語言的核心知識體系也要巧妙地編織進(jìn)去。以多學(xué)科知識為緯線，以程序設(shè)計語言為經(jīng)線，構(gòu)造一個趣味性、知識性兼具的課程體系。這樣的課程一定能夠讓孩子們樂此不疲，持續(xù)前行。

說起來容易，做起來難。創(chuàng)新的少兒編程教育方法的探索，課程研究的積累，絕非數(shù)年之功可以達(dá)成。

我創(chuàng)辦阿兒法營這幾年，一直在努力研究課程建設(shè)。我愿意在這里分享阿兒法營的部分教學(xué)記錄，希望能起到拋磚引玉的作用。

教學(xué)實例：編程與倫理學(xué)（中級課程）

深秋的下午，北風(fēng)透出陣陣寒意，樹枝上已經(jīng)沒有幾片葉子了。

洋爸在阿兒法營教室里看馮友蘭的《中國哲學(xué)史》。桌上的龍井茶飄散著怡人的清香，外面不時傳來隔壁幼兒園的歡笑聲。

咚咚咚，一陣敲門聲。

洋爸打開門：嘿，羅西，快進(jìn)來！怎么了？今兒情緒不高啊！

羅西是阿兒法營高級班的學(xué)員，是一個性格靦腆的小學(xué)六年級男生。

羅西低聲打招呼：老師好！

洋爸注意到孩子臉上青色的瘀傷，拍了拍他的肩膀：和同學(xué)打架了？

羅西有點委屈地說：打籃球的時候和胖熊撞了一下，被胖熊打了好幾拳，我沒還手……還沒等我回答，Tony沖了進(jìn)來，他也注意到羅西的傷：啊，被人打了？又是胖熊？狠狠揍他呀！

羅西：我媽說不能和人動手打架。

Tony：那你白白被人打啊，真傻！我老爸說在外面就要厲害點兒，不能被人欺負(fù)！

羅西：做好人真倒霉，還不如做個壞人，想打誰就打誰。老師您說呢？

洋爸心想這真是一個很難回答的問題，厚厚一本《中國哲學(xué)史》，翻來覆去地就在討論善與惡的問題。此時給孩子一個固定而僵硬的答案有什么意義呢？應(yīng)該啟發(fā)孩子去思考這些人生大問題。

洋爸沉吟半晌道：我也不知道應(yīng)該做一個善良的好人還是做一個兇惡的壞人。

羅西：啊！老師你也不知道？

洋爸：嗯，這個問題不像你們想象得那么簡單。我們一起來研究一下吧。

羅西、Tony：怎么研究？

兩個小男孩兒眼睛突然發(fā)亮，讓洋爸感到孩子的求知欲如此可貴！

洋爸：當(dāng)然用我們強(qiáng)大的計算機(jī)啊！借助程序來幫助我們思考。讓我們想象一下，在一個游戲世界里面有三個種族：第一種是善良的老好人；第二種是兇惡的大壞蛋；第三種是普通的正直人。用程序可以模擬這個世界的演化，看看每個種族會有什么結(jié)果。

Tony：真有趣，怎么做呢？

洋爸：先要思考一下，想明白就好做了。

兩個人表示同意：嗯，對對，先設(shè)計一下！

洋爸描述道：程序開始的時候，這三個種族都會有很多人，比如50個人，每個人都有自己的生命值。

Tony喜歡插話：就是血，對吧？

洋爸：對，程序開始的時候，所有人的生命值都是100。

Tony：建一個變量來存儲這個數(shù)字。

洋爸：對！接下來我們要想一想，這三個種族會發(fā)生什么事情。

我們用程序控制這些人在舞臺上隨機(jī)亂走，當(dāng)兩個人碰到一起就發(fā)生一次“事件”。

事件有三種情況：

第一種是好人和惡人相遇了，那么好人就會被壞人欺負(fù)。結(jié)果就是好人的生命值減少了一些，壞人的生命值增加了一些。我們說發(fā)生了一次“盜竊”。

Tony：哈哈，羅西碰到胖熊，就會減血了。

羅西：去去去！

洋爸接著說：第二種情況是兩個好人相遇了，那么他們會友好地合作，雙方的血都增加。你們覺得合理嗎？

羅西：挺合理的，我猜要是倆惡人相遇就是打架斗毆了。

洋爸：說得沒錯。第三種情況是兩個惡人相遇，惡斗一場，雙方減血。這叫“戰(zhàn)爭”。

羅西：那么，遇到普通正直人會怎樣呢？

洋爸：正直人是這樣一種生物，當(dāng)別人對他好，他也對別人好，那么就會合作，雙方增血；當(dāng)別人對他惡，他也對別人惡，那么就會戰(zhàn)爭，雙方減血。

Tony：以牙還牙，以眼還眼！

洋爸：呵呵，就是這種樣子。

現(xiàn)在，總結(jié)一下我們的設(shè)計：三個種族，好人、惡人、正直人。程序開始的時候，每種人都有50個，所有人的血都是100。所有人都在舞臺上隨機(jī)移動，當(dāng)兩個人相遇，會發(fā)生三種事件中的一種：戰(zhàn)爭、合作、盜竊。根據(jù)相遇的情況，程序會自動修改雙方的生命值。OK， 設(shè)計完成，開始編寫程序。

經(jīng)過洋爸指導(dǎo)，一個小時后，兩個人都完成了程序。

洋爸：還等什么，立刻讓程序運行起來吧！

開始的時候，壞人似乎占了上風(fēng)，他們的人數(shù)增加很快。老好人慢慢在減少，5分鐘后，老好人快滅絕了。

兩個孩子都有些遺憾。接下來，壞人也碰到了麻煩，人數(shù)開始慢慢減少，3分鐘后也消失了。

咦？他們有些驚奇。

最后，正直的人群持續(xù)不斷地慢慢增長……

洋爸：羅西你能解釋一下原因嗎？

羅西：老好人很早就滅絕，是因為他們的血都被惡人偷走了！

Tony：對，老好人就是惡人的食物。

洋爸：那后來為什么惡人跟著滅絕了？

Tony大嗓門地喊：惡人互相戰(zhàn)爭，而且正直人也和他們戰(zhàn)爭，惡人把血都用完了。

洋爸：有理，惡人沒了食物，又到處戰(zhàn)爭，注定滅亡。最后，為什么正直人種族可以生存下去呢？

因為他們能互相合作，所以會增加生命值，Tony和羅西兩個人搶著說。

洋爸總結(jié)道：按照我們的研究，簡簡單單做一個老好人，或者做一個見人就欺負(fù)的惡人，都不是正確的做人方法。我們應(yīng)該做一個普通的正直人。

但是，要做一個普通的正直人并不容易，因為你必須能分辨哪些是善，哪些是惡。如果你分不清楚，對好人使用兇惡的態(tài)度，你自己其實已經(jīng)變成了大惡人。

你們要多讀書、多思考，在慢慢長大的過程里，逐漸學(xué)會分清黑白，明辨善惡。

兩個孩子都若有所思……

程序語言是表征這個世界的抽象思維符號系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)與手工業(yè)時代，人類對上帝的隱喻就是一個農(nóng)夫；工業(yè)時代，上帝被假想為一個偉大的機(jī)械工程師；而今天，最精妙的隱喻就是——上帝是一個程序員。當(dāng)你觀察DNA上基因的序列時，你一定覺得那是偉大程序員的作品。

即使對于一個立志于在文科方面有所專長的少年，也必須知道0、1是如何構(gòu)造出整個“第二現(xiàn)實”世界的。用0和1來表達(dá)數(shù)字、英文、漢字，如果這還不稀奇，我們還可以用0和1來表達(dá)聲音、圖像、視頻，最終我們將用0和1來構(gòu)造整個世界。

在人工智能領(lǐng)域的發(fā)展中，我們甚至用0和1創(chuàng)造了人類無法企及的思維模式，比如，深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。我們創(chuàng)作了一個“人化”的世界。我們無需掌握每一個細(xì)節(jié)，但是我們要能理解它。

也許你不懂高等數(shù)學(xué)，但是如果你連初等數(shù)學(xué)都一無所知，那只能說你真的不屬于這個時代。同樣，若干年后，你可以不懂卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，但是你連變量、循環(huán)、條件判斷之類都無感，那么你真的是被時代拋棄了。

行文至此，我非常感慨，從事少兒編程教育多年，太多的人把編程當(dāng)成一種吃飯的手藝，聯(lián)想到的常常是碼農(nóng)“蓬頭垢面”的形象。他們不曾明白，在今天，對程序語言的理解、掌握已經(jīng)成為一種重要的人文素質(zhì)，而且在未來會更加重要！

另外，有的教師也習(xí)慣于把編程教育和STEM教育混同起來，或者說編程是STEM的一部分。我認(rèn)為這樣的理解是錯誤的。STEM教育是一種外延廣泛的活動，從各種涉及電子設(shè)備的小發(fā)明、小創(chuàng)造，到比較復(fù)雜大型設(shè)備（大型航模之類）都可以涵蓋其中。每一位教師和學(xué)生都可以因地制宜地開展具備個人特色的STEM教育，STEM教育不是一種學(xué)科邊界清晰的課程。

程序語言則是一種簡潔的、高純度的、形式化的知識系統(tǒng)。編程教育不僅僅是一種有教育意義的活動，這一點和STEM教育迥然不同。

程序語言既然是一種“語言”，就意味著它是表征這個世界的抽象思維符號系統(tǒng)。它的關(guān)鍵作用是塑造一種全新的世界觀、思維方式、解決問題的手段，掌握它的人可以發(fā)掘出這個世界更深、更廣的可能性。

程序語言的類比對象是自然語言、數(shù)學(xué)語言，是一種思維工具。鑒于它對于思維方式的基礎(chǔ)作用、清晰的學(xué)科內(nèi)涵，編程教育進(jìn)入中小學(xué)教育大綱已經(jīng)刻不容緩。

英國、韓國已經(jīng)完成了這一步，但愿中國不會等得太久。

讓我們暢想一下，在不遠(yuǎn)的將來，所有的中國學(xué)生能夠在課堂上學(xué)習(xí)編程，從認(rèn)識順序執(zhí)行開始，認(rèn)識一個變量開始，最終進(jìn)入層次復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、循環(huán)往復(fù)的算法流程，明亮的雙眼仿佛看穿了宇宙的脈動。

這個世界的本質(zhì)既不是“物質(zhì)”，也不再是“能量”，而是“信息”！