漫談孩子學習編程和寫軟件
應該是美國中小學即將開學的緣故，家長需要給孩子們選擇周末興趣班，這幾天好多朋友問我，孩子們要不要學編程，更具體的說，要不要學習Python程序設計。孩子要不要學編程，的確是個好問題。就算沒有朋友問，我自己也考過很多，也曾試過。在女兒讀二三年級的時候，我教過她簡單的Python和Java程序設計。很可惜，成效並不大，盡管我挑選了幾個很有趣的簡單數學問題，用計算機去求解，仍然不能引起孩子的興趣。這就更讓我進一步思考，到底該不該現在就教孩子寫程序，如果教，該教哪一種程序設計語言，怎麽教。
我自己不是計算機科班出身，但是靠著科學計算混飯吃，能夠熟練地使用C，C++，FORTRAN，Java, Visual Basic，MATLAB，PYTHON，Bash, GrADS, NCL甚至是AML寫程序。大學期間，我正經八本上的計算機課，也隻有C語言程序設計。用了不到一個月時間，我就把譚浩強先生寫的《C語言程序設計》自學完了。通過這本書，我學會麵向過程的軟件開發方法。學期末，我就用C語言給我們班寫了一個獎學金評選的程序。當時是九十年代末，C++已經開始成為潮流。寫程序的人如果不會C++，是不敢出去吹牛的。我很喜歡吹牛，所以買了本C++程序設計的教材。C++比C語言豐富多了，我用了兩三個月才學明白什麽叫做麵向對象的軟件開發方法。我大學畢業的時候，用C++開發了一套人工神經網路的程序。在2000年，在好多國內的書店裏，如果你問有沒有人工神經網絡方麵的書，店員大多會讓你去醫學門類去尋找。所以，我那時候，作為一個地質係的學生，用基於人工神經網絡的人工智能，去研究礦山穩定性，也值得大吹特吹了。自吹自擂這麽多，拉回到程序設計的話題上，其實哪種語言不重要，關鍵是學會軟件開發的方法，比如前麵提到的麵向過程和麵向對象軟件開發。
當然，一個寫程序的人必須要了解計算機的體係結構。我很幸運，從C語言開始學習編程。學過C語言的，很多人都很憎恨它，就算學過，一輩子也不會用C語言寫一個超過100行的程序。C語言之所以招人厭惡，是因為它太接近計算機硬件了。作為一種強類型語言，也就是說，需要直接聲明和定義變量的計算機語言，寫程序的人必須了解，什麽是整數，什麽是實數，什麽數有符號，什麽數無符號。解決問題，我們必須搞清楚，實數需要小數點後幾位的經度，整數需要幾個字節。問題複雜了，需要分配內存，需要傳遞複雜變量，就要涉及地址和指針。把這些細節搞清楚，的確是需要花點時間學習計算機的硬件和原理。因為這個，和多人都望而卻步打了退堂鼓。然而，對那些肯花時間鑽研的人，一旦弄明白了底層細節，以後操作計算機就像是庖丁解牛一樣，可以輕鬆玩耍。
通過C語音學習編程，起點高，的確有點難。對很多人來說，就像是撞牆一樣痛苦。可是一旦把牆撞破了，就可以把頭伸進計算機的內部世界，能夠享受把自己的想法轉變成計算機程序的自由，最終可以驅使計算機替你思考。在我上大學的時候，除了計算機係的學生，肯去研究C和C++程序設計的人非常少。多數人都去學習如BASIC這樣的語言。BASIC很方便，方便到變量既可以聲明，也可以不聲明，總之是無所謂，關係不大。靈活帶來方便，也帶來混亂。BASIC的程序，大都是亂七八糟，就像一盆煮熟的方便麵，順著哪根麵條，也捋不出一個頭緒。很多人把這個問題歸咎於BASIC程序中的GO TO語句。在我看來，這多少是冤枉了GO TO。問題的主要原因是，那些從BASIC學習計算機程序設計的人，沒有學會正確的軟件開發方法。他們大多是圖簡單，圖方便，圖快，最後把程序搞成了塗鴉。回想一下當年我的同學，熱衷短平快學習BASIC和Visual Basic之類編程工具的人，大多沒有在軟件一行走下去深入發展。相反，好多學習C，C++和Visual C++的同學，成了軟件業的精英，現在坐擁豪宅若幹。
前麵談的都是曆史，現在轉到現實。現如今再沒有人學習什麽Basic和Visual Basic。短平快的軟件開發，大家都選擇Python。Python可以算最成功的解釋型語言，沒有之一，而是唯一。Python引人指出，大概有這麽幾點。第一就是，嚴格的程序書寫規範。Python的作者深受Perl語言自由靈活書寫風格之苦，要求Python的開發者，必須按照既定的規則，書寫每一行程序，否則Python解釋器跟你沒完沒了地抱怨，這樣確保了Python代碼有良好的可讀性。因此，你上周寫的程序，今天還能很容易地看懂。第二，Python程序既能麵向過程，也能麵向對象。什麽是過程，什麽是對象，如果你寫不了200行的程序，沒必要去敲破腦袋搞清楚。 第三，Python提供了豐富的基本數據結構，例如元組(tuple)，列表(list)，字典(dictionary)和集合(set)之類的的數據結構。對於C++的開發者，如果使用這些數據街頭，需要學習複雜的標準模板庫，要麽自己去開發，總之是費時費力。而Python的用戶，可以輕鬆使用這些數據結構帶來豐富功能。 最後也是最重要的一點，Python有極其豐富的共享資源。對於一個應用Python的軟件開發人員而言，一定要記住，你是在用Python而不是開發Python。對於任何一個常用的計算機操作，不管複雜與否，開發人員基本上都可以在網上找到免費的Python代碼庫。開發人員需要做的，就是開發盡可能簡單的Python代碼，調用這些代碼庫，完成自己的任務。
Python容易不容易學？Python強大不強大？我的答案是Python很強大，但是我不知道對於小孩子來說，到底容易不容易學。如果沒有任何數據結構的基礎，我不知道怎麽給孩子講明白列表的工作原理。那些現成的Python代碼庫，真的既豐富又強大。有大人幫忙，孩子們可以輕鬆用Python寫一個收發電子郵件的程序。可是電子郵件裏的文字和圖片，到底是怎樣從這台計算機到那台計算機的，孩子們要是問起來，Python程序員應該不是很容易回答。隨手抓來的Python代碼庫，讓我們不必關注細節，直奔主題地開發程序，完成我們的工作。可是，我總覺得，孩子們學習計算機程序設計，是需要了解細節的。教孩子學習寫程序，不應該是簡單的然他們學會怎樣用別人的代碼搭積木，而更應該讓他們了解每塊積木是怎麽工作的。我們大人用Python寫程序，是因為我們隻看重結果。孩子們學習寫程序，更應該側重過程。如果沒有計算機基礎，上來就學習Python，孩子再聰明，怕也隻能是渾淪吞棗式地學習。在大人的指引下，他們能夠寫出小程序，離開了大人指導，他們還能走多遠？我不是很樂觀。
我喜歡用Python，可是我心裏總是隱隱約約覺得，Python不是一個給小孩子入門的計算機語言。當然，我也不想讓一個孩子硬著頭皮去學習C和C++。想來想去，程序設計可能是無法快速入門的。想靠著十節八節Python程序設計課程，就讓孩子去研究人工智能，為申請大學加分的想法，是不切實際的。 在我看來，學習程序設計，還得從長計議。要是我列一個課程表。第一個必修課就是數學。理解程序設計的一個基本需求就是，孩子得理解數學中函數的定義。不管是麵向對象還是麵向過程，我們都會把相關的一組計算機操作組織到子程序（或者叫做函數）裏。理解了數學中的函數，孩子們就可以學習麵相過程的程序設計了。能寫出幾十個子程序（函數）構成的程序，才有學習麵向對象程序設計的基礎。有了一定的數學基礎，第二個必修課就是計算機操作。好多孩子會在計算機上打遊戲，卻從來沒有在計算機上發過一封電子郵件。編程的一個基礎就是，計算機打字。孩子正確使用鍵盤和鼠標，也得點功夫。學會操作計算機，就可以真正接觸程序設計了。好多老師，從集成開發環境（IDE）（比如說Eclipse）開始教授程序設計。不管學習Java還是Python，都是按照老師的指導，在IDE裏輸入程序，然後用鼠標按一下按鈕，結果一下就跑出來了。一旦離開了IDE，孩子們一臉茫然不知道那裏可以寫程序，更不知道程序怎樣變成可執行代碼，並運行處結果。要是我來上課，一定從最簡單的文本編輯工具開始。我會教孩子怎樣打開命令行窗口（Terminal），怎樣啟動文字編輯器，怎樣輸入程序，怎樣保存代碼，然後怎樣編譯程序，最後怎樣執行程序。
到底哪一種計算機語言最適合初學的孩子呢？我想我會選擇Java。Java在語言要素和語法上，繼承了C和C++，基本上就是一個C++的簡化版。談到課程設置，我想我會從數據類型，條件判斷（IF語句），和循環結構開始，讓孩子了解一個程序的基本構造：數據，判斷，和循環。我不會著急讓孩子學習類和麵向對象的概念。相反，我會用半個學期，甚至一個學期的時間，讓孩子學習麵向過程的程序設計的理念。也就是說，怎樣把一個複雜的問題分解成若幹步驟，每一個步驟又通過一個Java的函數來實現。讓孩子們學會，怎樣把這些函數組織在一起，解決他們的問題。
想想看，我們為什麽要寫程序？寫程序的目的就是為了解決問題。在寫程序之前，我們腦子裏要形成一個解決方案。這個方案，往往包括多個前後銜接的步驟，甚至有條件判斷，還有重複性的步驟。 這些步驟，都可以通過程序中的函數來實現。用計算機求解問題，真正的難點不是寫程序的過程，而是開發問題的解決方案。計算機代碼，隻不過是解決方案的計算機實現。用上半個學期，甚至一個學期，教授孩子怎樣去利用計算機，探討問題的解決方案，所用時間其實並不長。家長呢，應該認識到這一點。教授孩子寫程序，其實是教授孩子用計算機來解決問題。麵對相抵複雜的問題，如果孩子們可以設計解決方案，可以寫出包括十幾個甚至更多的函數的代碼，那說明孩子們可以進一步提高了。我們可以隨後教授孩子，怎樣以數據為中心，進行麵型對象的程序設計，開發更大規模的軟件了。 當然這是後話，對於初學者的父母，完全不需要上來就考慮麵向對象。
Python要不要學？要！不過是在孩子們完全理解了麵向過程程序設計理念之後。有了這樣的基礎，即便不用Python裏麵的“類”，孩子們也可以寫出像模像樣的Python程序。如果孩子有了麵向對象的基礎，那麽就可以更加容易地理解Python中的元組，列表，字典，還有集合等數據結構以及相關的操作（或者說函數）了。如果孩子有興趣，也完全有可能應用Python的類（class）的組織代碼，開發出複雜的軟件。有了程序設計基礎，孩子們可以更加深入地理解並有效地利用共享的Python代碼庫。那時候，他們用共享代碼開發出的電子郵件收發工具，不再是簡單地模仿。孩子們可以設置甚至改造共享代碼，把他們的有趣的想法實現到軟件工具裏。我相信，經曆這樣的過程，孩子們可以真正地了解計算機以及程序設計。深入掌握，必然幫助他們觸類旁通，以後學習人工智能，自然會有堅實的基礎。
最後一句話：Python便捷強大，適合急功近利式的軟件開發，未必適合孩子們入門學習。
