追本溯源探寻编程教育的本质

刘欣

2014年12月，时任美国总统奥巴马在“编程一小时”活动中写下自己人生第一行编程代码，从那时起，青少年编程教育就逐步成为公众关注的热点。2017年7月，我国国务院发布《新一代人工智能发展规划》，其中特别提到的“在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育”，给青少年编程教育的重要性一锤定音。提起编程教育，我们最先会想到如Scratch、Python等编程语言。是不是学会这些语言，就是学会了编程？到底学会多少语言，才算是学会了编程？想找到这些问题的答案，我们不妨从编程的发展历程中探寻。

历史上的可编程发明

如果被问到“什么是编程”，许多人的回答可能是“敲代码”。坐在电脑前，用键盘敲出一行行代码，这就是我们现在最常看到的别人编程的样子。然而，在20世纪80年代，计算机工程师编程并不是敲代码，而是写代码——真的在纸上写出程序代码。在纸上写好的代码也不能运行，工程师们还需要把程序制作成打孔纸带，把打孔纸带输入计算机，计算机才能读取程序并运行。从1943年第1台现代电子计算机发明开始，给计算机输入打孔纸带就是当时的编程方式。直到电子显示器发明并大规模应用后，纯数字化的代码输入得以实现，打孔纸带才退出了编程的舞台。

但有趣的是，使用打孔纸带、纸卡编程的历史比现代计算机还要早得多。1805年，拿破仑为法国纺织商人、发明家约瑟夫·雅卡尔颁发巨额奖金，嘉奖其发明的极大提升了纺织生产效率的自动化“可设计”织布机。雅卡尔织布机的走线由一系列串接好的打孔卡片控制。打孔卡片的每一列对应一根经线，织布机每织一次纬线时，自动根据打孔卡片当前一行每一列是否打孔，提起或不提起对应的经线。织布机织完一行，把打孔卡片向前拉动，接着根据下一行的打孔控制经线，这样就纺织出跟预先设计一模一样的花纹。后来的各种计算机设计，都借鉴了雅卡尔织布机的打孔卡片控制方法。19世纪英格兰数学家查尔斯·巴贝奇，是公认的第1个机械式可编程计算机——分析机的发明者。他为了能更快地制作更准确的对数表等数学用表，设计制造了一系列“计算机”，就是采用打孔卡片为分析机编写运算程序的。他的助手艾达为分析机编写了完整的三角函数计算、级数相乘计算和伯努利数计算等程序。

我们再向前追溯，还能发现比打孔卡片更早的编程装置。这些装置中有2种我们比较熟悉，它们是音乐盒和自动人偶（automaton）。能自动演奏音乐的音乐盒最早出现在公元9世纪，在19世纪成为大量生产的工业化产品，是当时人们的休闲娱乐用品。音乐盒内部有一个滚筒，滚筒侧面安装有一排发音簧片，每一个簧片被拨动后能发出特定的音高。工匠对照乐谱，在滚筒上对应行列的位置做出凸起。滚筒转动时，各个凸起依次拨动簧片，就形成了旋律。在19世纪末，大型音乐盒开始使用更轻便、也更容易更换的打孔圆盘替代了滚筒。

自动人偶最早的记载见于古希腊时期，我国的《列子·汤问》中也有工匠偃师给周穆王献了一个跳舞人偶的记载。有制造结构记载的和有实物保存的自动人偶都使用了凸轮编程。在故宫博物院，藏有一个由英国工匠制造并赠送给乾隆皇帝的铜镀金写字人钟。钟底部的写字机械人由发条驱动，能自动用毛笔在纸上写下“八方向化，九土来王”8个汉字。这样一套复杂的动作，就是由若干个凸轮转动控制人偶的手臂、手腕和头部同时运动的结果。中文书写非常复杂，写字人钟无法装载更多的凸轮写出更多文字。字母文字的书写则相对简单很多，18世纪的瑞士钟表匠皮埃尔·雅克德罗制作的“书写者”自动人偶就可以自由定义书写内容。虽然理论上我们可以控制自动人偶做出各种各样的动作，但更换凸轮无疑是一种低效的方式。不过直到今天，人型机器人的动作控制依然是一项复杂的工作。

往更早的历史中寻找，我们会发现在公元60年，就有一个可编程的发明。这个装置是古希腊的数学家、工程师希罗发明的可编程三轮车。这辆车有2个驱动轮和1个被动轮。2个驱动轮分别有独立的车轴，在车轴绕上绳子，绳子的另一头由挂在车子桅杆上的重物拉动，驱动轮就转动起来，带动车前进。希罗巧妙地在驱动轮车轴上钉了几根钉子，这样就可以反绕绳子，而且多次改变绕绳方向。当重物拉动绳子时，2个驱动轮的不同正转与反转的组合就可实现小车的前进、后退和左右转弯。只要预先设计好绕绳方式，希罗就能控制小车按既定路线行走，实现对小车的编程。

现代编程技术的发展

希罗的小车、八音盒、雅卡尔织布机这些发明所在的年代还没有编程、可编程的概念，但它们在解决各自问题的过程中，都设计出了使用具有通用编码的方式进行自动化控制，用绕绳、滚筒、打孔卡片控制机械按人们的意志运行。今天我们所使用的各种计算机编程语言，就是控制计算机按我们的意志运行的技术工具。

回顾这些带有编程概念的历史上的发明，我们可以看到，雅卡尔发明织布机是为了改进复杂纹样纺织的生产效率；巴贝奇设计分析机是为了快速准确地进行复杂数学计算；八音盒和自动人偶为人们提供了便利的娱乐方式。这些发明家都是在探究各自问题的解决方法中，发明了这些装置所使用的编程方法。我们熟知的各种现代计算编程语言，也是因为解决特定的問题而被设计发明的。

全球使用最为广泛的编程语言——C语言由美国贝尔实验室的肯·汤普逊和丹尼斯·里奇所设计。1969年，汤普逊和里奇正在埋头研发一种全新的、支持多用户多任务的操作系统——就是后来的UNIX。第1个版本的UNIX使用汇编语言，在1台DEC PDP-7电脑上开发完成。由于汇编语言极度依赖于硬件，当他们在把UNIX移植到更高级的电脑的过程中，觉得需要一种能够处理更多数据类型，能像机器语言一样直接操作存储器，又具有复杂易用的逻辑结构的编程语言。于是他们在当时的BCPL语言上进行了改进和改造，形成了一门简洁、规范又强大的编程语言C。1973年，二人用C语言重新编写了UNIX，形成了UNIX更为标准化的版本。1983年，汤普逊和里奇因发明UNIX系统而获得计算机科学的最高奖项——图灵奖。

而另一门与C同样流行的编程语言Java，在1990年最开始在SUN公司里被设计时，是用于有线电视和嵌入式设备的应用开发。开发小组让Java能够方便地实现基于信息传输的应用开发，同时能够快捷地在使用不同处理器的设备上部署。Java的设计理念对于当时的有线电视来说有些过于超前。但是很快，Java就找到了适合它的广阔天地——互联网。1995年，SUN正式对外发布了Java，并把Java的特性精简概括为“WORA”——一次编写，到处运行（Write Once，Run Anywhere）。从此Java也迅速流行开来。

到目前为止，全世界已经发展出超过600门编程语言。从2018年1月的统计数据看，使用量排名前10的编程语言是Java、C、C++、Python、C#、JavaScript、VisualBasic.NET、R、PHP、Perl。這10门语言占据了50%的使用量，它们普遍具有很强的通用性。比如Java就几乎覆盖了桌面软件、网络服务、嵌入式应用、操作系统、智能手机等绝大多数编程开发场景。但前10名里也有仅在特定领域使用的语言，如果不从事数据相关工作，你可能几乎没机会接触到R语言。Pethon是1991年出现的“老”编程语言，近两年大数据、机器学习的兴起，Python被发现非常适宜这两个领域的开发需求，而获得了更多的使用量。新的编程语言也不断出现，从2010年到现在，就有15门全新的编程语言问世。随着社会环境、科学技术的发展，未来还会有更多的编程语言出现，用以解决全新的问题。

不论是历史上的可编程发明，还是近代的计算机编程语言发展，我们都能从中发现，新方法、新技术随着时代前进不断涌现。除了技术本身，社会环境也在变化。

提炼编程教育的核心价值

10年前，没人会认为手机成为个人应用软件的主流平台；20年前，人们也无法想象互联网会接管我们大部分生活需求。在这样的发展节奏里，一个中学生今天接触、学习的编程技术，在10年后他步入社会时，很可能有翻天覆地的变化。所以，在中小学开始Scratch、Python等课程，只是编程教育一个小小的开始。我们必须提炼出编程教育的本质。

不论是历史中的可编程发明，还是近代的计算机编程语言发展，我们都能从中看出，编程技术的目的是驾驭机器、驾驭计算机，让它们更高效地解决问题。所以我们要让学生逐步接触、理解、体验编程的逻辑操作、算法、数据结构、工程设计等通用的工程方法与数学知识，这些核心知识是编程语言的灵魂。学生在需要使用新的编程语言时，这些核心知识能够帮助他们更快地融会贯通。更重要的是，学生可以脱离编程语言，更纯粹地思考如何让计算机解决问题，也就是让学生具有计算思维。

除掌握编程的核心知识，形成计算思维外，我们也要把学生的视野拓宽。我们在家庭、学校里看到的只有PC和移动设备，我们还要让学生看到大如“太湖之光”，小如能在人体血管里工作的M3计算机，看到汽车、航空、航天、医疗、军事、经济、人工智能等各种领域的专用计算机，并且看到这些计算机都在解决什么问题。通过计算机与编程，我们让学生能够打开一个全新的视角，观察、分析和思考社会的发展进步，以及同时面临的问题。

为青少年进行编程教育，如果不能让学生领会编程语言背后的本质知识，那不论他学会多少编程语言，也不代表真正掌握了编程，能够用编程创造价值。计算机科学的发展日新月异，未来新技术的诞生与更替会更快。我们把握住编程教育的本质，把编程的核心价值传递给学生，这才对学生在未来的发展，以及在未来真正创造价值有意义。