國外編程教育工具比較分析*

付麗娟，熊天愛，余 亮

（西南大學 教育學部，重慶 400715）

一、引言

隨著智能技術的飛速發展，世界各國紛紛開始部署戰略規劃，試圖搶占人工智能領域研究與實踐的高地。[1]在2017 年國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》文件中提出，“要實施全民智能教育項目，在中小學設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育”。編程教育工具無疑是編程教育的重要輔助工具，能培養學習者的計算思維和問題解決能力。因此，想要大力發展編程教育，就需要合理地開發和使用編程教育工具。

縱觀國外編程教育的發展，大都遵循一種自上而下，政、企、社會和學校聯動促進的發展模式。[2]從2012年開始，美國、英國、澳大利亞、新加坡、日本、韓國等紛紛開始重視編程教育，相繼頒布政策將編程列入中小學的必修課程。[3]此外，由美國非盈利組織Code.org 發起的“編程一小時”活動，得到各大企業如蘋果、微軟、Facebook 等的支持，融合多種編程教育工具，讓學習者可以使用可視化編程語言，在游戲情境中體驗編程思維，學習編程方法。而且，學校作為編程教育的重要場所，不僅積極響應“編程一小時”活動，還將多種編程教育工具靈活運用于課堂教學中。例如，一些中小學教師將編程與其他學科知識進行整合，在生物課堂上用編程教育工具Scratch studio 講解動物特征及其棲息地。

我國教育界也逐漸高度重視青少年編程教育的重要性，社會融資與各類專項資金不斷流入編程教育領域，各家互聯網教育公司增加了對編程教育工具的研發。[1]但我國編程教育起步較晚，實踐與研究總體仍處于初級發展階段，雖然已經引入國外一些編程教育工具如優必選、編程貓和樂博等，但本土化的改造應用還有待深入，更需要結合本國實際情況，開發和使用具有本國特色的編程教育工具。[2]因此，本文通過文獻研究法、比較研究法等，對國外編程教育工具進行充分梳理與分析，以對我國編程教育工具的開發和使用提供一些建議。

二、編程工具比較分析

1.計算思維

編程教育工具是培養兒童計算思維的重要教輔工具。[4]國外學者的研究表明，教育工具讓編程容易實現，且非常有吸引力，有助于教孩子如何編程，發展他們的算法和計算思維技能。[5][6]

計算思維（Computational Thinking）是周以真（Jeannette M.wing）教授于2006 年3 月在美國計算機權威刊物Communications of the ACM 上首次提出的。周教授將計算思維定義為：計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計，以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。[7]針對中小學信息技術教育這一場景，南安普敦大學的Selby 博士和Woollard 博士關于計算思維的觀點更為適用，并且這一觀點得到了廣泛的認可。[8]他們認為計算思維包括算法思 維（Algorithmic Thinking）、評 估（Evaluation）、分 解（Decomposition）、抽 象（Abstraction）、概 括（Generalization）五個要素，其具體內涵如表1 所示。

表1 計算思維五要素

2.編程游戲軟件的教育性與游戲性

編程教育工具的主要作用是培養中小學生的計算思維和問題解決能力，其必然具備一定的教育性。教育性主要體現在，當學生使用某種教育工具時，一般出于特定的學習動機，例如培養他們的編程能力或訓練邏輯思維等。然后，在使用的過程中，通過工具反饋的知識信息可以促進學生的成長，培養他們的知識、技能、智力、情感、態度、價值觀等。此外，教師可以借助編程教育工具輔助教學，靈活運用于教學環節中。

現有的針對中小學生的編程教育工具多為游戲闖關的形式，包括故事情節、角色、各種挑戰任務等多種多樣的游戲性因素，具有游戲的趣味性、挑戰性、刺激性等特征。在借助編程教育工具學習時，這些特征可以提高學生的學習興趣從而提升學習效率?？梢姡幊探逃ぞ咭越逃秊槟康?，以游戲為手段，既滿足學生“玩”的需求，又讓他們在玩的時候“學”到一些知識，做到了融教育性、游戲性于一體。[9]

通過文獻調查，筆者參考了教育軟件的比較分析后，認為編程游戲軟件主要是從教育性和游戲性兩個維度進行研究的，如國外學者Annetta、Lamb&Stone 在2011 年提出的評價標準中，包括互動、反饋、沉浸感、控制感、難度、規則、學習內容、學習目標、教學效果等指標。[10]而國內學者如范云歡、崔金英在2008 年的研究中提出的評價維度包括教育性、游戲性和技術性三個方面。因此，本文從教育性和游戲性兩個維度進行評價。其中教育性包括知識反饋明確及時、關卡設計有邏輯、內容可靠形式靈活多樣、學習目標清晰四個子維度；游戲性包括適度的挑戰、合理的激勵、可選擇學習內容、有吸引力的情節、明確的游戲規則五個子維度。各子維度的具體內涵如表2 所示。

表2 教育性與游戲性

三、編程教育工具比較分析

1.編程教育工具的搜集與篩選

首先，本文通過文獻調查法收集了若干編程教育工具。其次，通過搜索熱門應用商店，關注了主流的移動平臺和桌面平臺上易于訪問的軟件工具。最后，通過國際搜索引擎搜集大眾推薦較多的工具。經以上三種途徑，共得到31 個適合中小學生使用的編程教育工具。為保證每款工具的可用性和適用性，筆者測試了所有可獲取的工具，并瀏覽工具簡介、使用情況與評論，以確定每款工具的基本信息及編程主題，將已經過時的和無法訪問的工具過濾掉，同時按照確定的評價維度對工具進行評判。最終確定了16 款國外的編程教育工具，并提供其基本信息，主要包括發行時間、類型、平臺、語言、塊或文本、適用年齡和編程基礎，以使學生、家長或教師能夠選擇更加適合自身情況的編程教育工具。如表3 所示。

編程教育工具的作用是幫助學生學習編程知識，應具有基本的編程主題——變量、條件、循環和方法。就各個工具的編程主題，筆者進行了如表4 所示的統計。

2.編程教育工具比較

（1）基本信息比較分析

通過對編程教育工具的類型、平臺、語言、代碼呈現形式、適用年齡和編程基礎的比較分析可以發現：

第一，工具類型多為益智型，比較單一。雖然故事情節、學習內容和挑戰任務不同，但工具的操作和類型都大同小異。尤其是很多基于塊的編程教育工具，其代碼塊的形狀不同，有的是不同指向的箭頭，有的是表征一個動作的圖標，但具體操作都是先將這些代碼塊進行組合，然后驗證對象的運動過程是否正確。值得一提的是，其中一個工具用代碼塊來填空，例如在某一關卡中，需要選擇一個卡通眼睛，當學習者寫到“選擇娃娃眼睛”的代碼時，會彈出一系列小球眼睛，供用戶選擇，如圖1 所示。這種形式較為新穎，易于學習者理解。

第二，平臺兼容性較強。過半的編程教育工具都有移動端，便于學習者隨時隨地使用。一半以上的工具擁有網頁端，進入網頁即可使用工具，無需專門下載?；旧纤泄ぞ叨贾С諭OS 系統。

表3 編程教育工具的基本信息

表4 編程教育工具的編程主題

圖1 代碼塊填空

第三，國外的編程教育工具基本只支持本國官方語言和英語，僅有少數工具支持多種語言，其中支持中文的僅有3 個。由此可見，我國還需大力加強自主開發編程教育工具的力度。

第四，在代碼的呈現上，工具中有11 個僅支持基于塊的編程，有4 個僅支持基于文本的編程，只有1 個是既有塊的編程又有文本的編程，這類編程教育工具更能滿足學習者的需求，促進學習者對編程知識的理解。例如Blockly Games 先是讓學習者使用塊進行編程，每完成一關就會彈出提示，提示內容為本次關卡中用到的代碼塊所對應的文本代碼。在最后的幾關中讓學習者使用文本進行編程。

第五，從適用年齡方面來看，幾乎所有的工具都適合K12 學生使用，即適合年齡在4～18 歲的用戶使用。過半的工具使用年齡為4 歲以上，相對而言，這些工具比較簡單，適合初學者使用。

第六，就編程基礎而言，一些工具針對不同年齡段的學生設置了不同難度的挑戰。例如，Tynker Games 分了三個年齡段，分別為初學者、中級、高級。其次，適用年齡在4 歲以上或者5 歲以上的工具不要求編程基礎，一些適用年齡較高的工具，則要求用戶有一定的編程基礎，如Coding games，該工具甚至為資深程序員提供了進階挑戰。

（2）編程主題比較分析

在所調查的工具中，有6 個工具的學習內容包含了以上所有基本的編程主題，另外10 個只包含部分編程主題。在編程主題的呈現形式上，Light-Bot、Turtle Academy 等將變量、條件、循環、方法以主題的形式作為獨立的關卡；Cargo-Bot、Scratch studio 等沒有明確地將它們分離出來，而是將其融入到實際的游戲情境當中。

不同編程教育工具要求學習者掌握基本編程主題的程度不同。以循環為例，個別工具只要求用戶知道需要使用循環，但用戶不用計算具體的循環次數；大多數工具都會讓用戶在使用循環時，考慮需要循環的次數，此方式比前一種對學習者的要求更高。

每個工具的編程主題中相應指令的呈現方式也有所不同。首先，就變量而言，在基于文本的工具中，直接以高級語言中聲明變量的形式來定義變量，包括定義變量的類型、名稱等；而在基于塊的工具中，用戶只需點擊創建變量的按鈕，并給其命名，無需考慮其他規則。其次，“條件”結構的呈現形式也各不相同。文本類編程工具中的條件語句與高級語言類似，需要滿足一定的語法規則。而在基于塊的工具中，條件語句可以用一個特定的代碼塊來表示，如Cargo-Bot、Robozzle、Kodable用不同顏色的代碼塊作為條件，如圖2 所示。此外，在循環結構方面，基于文本的游戲，直接以代碼的形式呈現循環，這種方式比較抽象，不易于理解；而基于塊的工具會以形象具體的圖形、圖標來呈現循環結構，如圖3 所示。最后，在方法方面，大部分基于塊的工具限制了主函數的代碼數量，當完成目標所需代碼塊過多時，用戶只有通過將部分指令寫在某一方法中，然后在主函數中調用方法。

圖2 條件

圖3 循環

（3）計算思維、教育性與游戲性的比較分析

根據確定的比較框架，下文主要從編程教育工具的計算思維和教育性與游戲性這三個方面進行比較分析。計算思維一經提出便受到各界的廣泛關注，我國也受到國際計算機協會（ACM）CC2001（計算機課程）課程體系（草案）的影響，越來越重視培養兒童的計算思維。編程教育工具是培養兒童計算思維的重要教輔工具。因此，將其作為評判一個編程教育工具的標準，按照計算思維包括的五個要素——算法思維、分解、抽象、概括、評估對編程工具做出以下分析，如表5 所示。

在測試的所有工具中，全都體現了算法思維的培養。即所有工具都是讓用戶通過明確定義的步驟來解決問題。

對于問題的分解，以上編程教育工具幾乎都體現了問題分解的過程，即學習者需事先對任務進行分解，將一個大的目標分解為若干個小目標，通過完成小目標實現最終目標。如Kodable、Code Karts 等需用戶在到達終點前，完成通過每一個轉角的小目標，如圖4 所示；Turtle Academy 中控制烏龜畫倒置的L，將問題分解為前進50 個單位、轉彎、前進50 個單位，如圖5 所示。在程序運行的過程中，很多工具都會突出顯示正在被運行的代碼塊。

表5 編程教育工具的計算思維

圖4 分解（塊）

就抽象和概括而言，抽象和概括是形成概念的兩個過程，概括是抽象的結果，抽象是概括的前提。由此可知，工具中將各種編程的基本主題（變量、選擇、循環、方法等）專門呈現出來，讓用戶感知、理解、學習，其中既有抽象的過程也有概括的過程。測試的工具均有針對各種基本主題的專門訓練，故它們都能一定程度地培養學生的抽象能力和概括能力。

圖5 分解（文本）

除了以上四個因素外，計算思維還包括評估，即用戶對自己編寫程序的有效性、簡潔性等的反思和評價。在目前測試的工具中，只有小部分能夠根據用戶代碼的運行時間、冗余度給出相應的反饋。例如完成任務時，用獲得星星數量作為用戶代碼質量的反饋。此外，還有個別工具會給出較為詳細的反饋信息，在Cargo-Bot 中會提示用戶每關最優解決方案。

除計算思維這一重要因素外，教育性與游戲性的融合也是編程教育工具成功的關鍵和難點。過分強調教育性，缺乏游戲性，則無法吸引學生的興趣；過分強調游戲性，教育的內容沒有與游戲活動有機結合，則容易把學生的注意力吸引到無意義的游戲活動中，從而無法實現教育目標。因此，本文對編程教育工具的教育性與游戲性做出的分析如表6 所示。

通過以上比較可以發現，在知識反饋方面，只有個別工具的知識反饋明確及時，具體表現為：在關卡結束時，通過及時的反饋信息反映用戶的代碼是否高效。這一點可以靈活地運用于教師的課堂。調查發現，國外一些教師讓學生先自行完成挑戰，然后根據工具給出的評價反饋相互討論最佳解決方案。在關卡設計邏輯方面，幾乎所有工具的難度都層層遞進，編程知識逐步加深，符合學生的一般認知規律。在Ruby Worrior 中，將難度劃分為初級和中級。工具的編程知識都具有一定的科學性，但在內容形式方面差異較大。例如，Blockly Games 有迷宮、鳥、烏龜等不同主題的闖關，內容形式豐富多樣；Robozzle 內容形式單一。就學習目標而言，多數工具目標清晰?；趬K的工具更側重于鍛煉學生的編程思維，基于文本的工具更多地是鍛煉學生代碼編寫的能力。

表6 編程教育工具的教育性與游戲性

首先，在工具的難易度方面，多數難度適中，個別難度較大。例如Coding games 以及Light-Bot 靠后的關卡，難度過大，很可能打消學習者的積極性。其次，大多工具都有一定的激勵機制。在Save The Animals：Coding Game 中，學習者可以通過闖關獲得勛章；還有一些工具獎勵星星。這樣能激勵學生繼續挑戰。此外，有10 個工具可以選擇學習內容，即用戶可以自主地選擇關卡，而非只能按照既定的路線闖關，這增加了他們的控制權。8 個工具的故事情節具有趣味性和吸引力。如Tynker Games 探索宇宙和譜寫樂曲的故事情節。最后，在規則方面，除了Robozzle 和Digital Puppet-Programming 之外，其余工具均有較清晰的規則。多數是初次使用時，提供新手引導，僅個別工具用專門版塊來介紹規則。

四、編程教育工具的開發與使用建議

我國編程教育正處于起步發展階段，編程教育工具的發展相對滯后，而國外編程教育起源較早，第一款編程教育工具Logo 誕生于1968 年，至今，已有半個多世紀的發展歷史。[11]結合本研究對國外編程教育工具的比較分析結果與我國的基本情況，筆者對我國編程教育工具的開發和使用提出以下建議：

1.開發編程教育工具的建議

第一，教育性方面，編程教育工具中需具備完整的知識體系。在測試的工具中，只有少數包含了所有最基本的編程主題。如果工具包含的主題不完整，即知識體系不完整，就無法支撐編程教育的開展。

除了編程主題的完整性，編程教育工具中還需增加編程知識講解。在工具體驗過程中，筆者發現很多工具都沒有知識講解或幫助提示，例如：在闖關過程中，到達一定關卡時，會突然出現循環結構。學習者要使用該結構繼續闖關，但沒有說明其作用和具體的使用方法。在這種情況下，有編程基礎的使用者可以輕松通過，但是初學者可能難以理解，進而對游戲規則感到疑惑。對于編程教育工具，開發者不能過于注重游戲性而忽視教育性，而應該以教育為目的，以游戲為手段，在開發設計中引導學生學習并運用編程知識。

另外，不同學習者的認知發展階段和認知結構不同，因此在開發工具時要明確適用對象，因材施教。例如年齡較小的或初學者可以用塊和代碼相結合的方式來呈現編程知識。

第二，游戲性方面，開發者需要設計出類型和內容更加多樣化的工具。當前編程教育工具類型較為單一，加之基于塊的編程工具操作過程都比較相似，這使大部分游戲缺少創新性和趣味性，不易于凸顯工具特色。開發團隊可適當增加有趣的游戲情境或元素，以增加工具的趣味性。例如，Save The Animals ：Coding Game 將保護野生動物的觀念與編程結合，以解救動物為故事情境，設計了自然保護區和成就版塊，可以有效地激發學生的學習興趣。此外，雖然隨著時代的發展，很多游戲趨于白癡化，用戶可以通過自行探索解決問題。但對于初學者而言，編程知識是具有一定難度的，開發者有必要提供更詳細的游戲規則和幫助文檔，避免用戶需要花太多的時間去摸索，或者困于某一關卡無法前進，進而打擊用戶的積極性。游戲規則的說明設計可以有多種形式，借助多種媒體，例如可以是文字或圖文結合形式的說明文檔，可以是規則說明的視頻等。這樣才能符合不同用戶的多樣化需求。

第三，在計算思維方面，注重培養學生評估代碼的能力。從分析結果發現，大部分編程教育工具沒有重視計算思維中評估這一要素。例如，Digital Puppet-Programming 用獲得的星星個數作為游戲的反饋，一共有三顆星星，當學習者通關時，系統會根據代碼的高效性決定獲得星星的數目，這樣的反饋信息過于簡單，且不能凸顯編程游戲特色，任何闖關游戲都可以用星星個數作為反饋信息。評估有助于學習者養成反思的習慣，提高批判性思維能力。開發者需要在游戲中利用反饋信息提醒學生評估從而改進自己的代碼，反饋信息需盡量詳細，例如可以指出本次關卡中最優代碼、代碼的最優運行速度和學習者編寫的代碼的運行速度等。

第四，課程整合方面，開發者需要開發與課程高度契合的編程教育工具。目前，很少有工具是為了配合課程而開發的，導致教師在使用時需要花費大量精力去挑選合適的工具。因此，教育軟件公司可以與學校建立合作關系，了解學校的需求，開發與課程配套的工具。還可以開發具有家、校、學生三端的編程教育工具。

2.使用編程教育工具的建議

第一，根據不同年齡段，選擇合適的編程教育工具。

初級階段（4～8 歲）是年齡較低的學生，他們幾乎沒有編程基礎，并且認知成熟度不高，不具備很強的抽象和邏輯推理能力，所以該階段主要側重于啟蒙與思維模式的培養，讓他們了解計算機基礎知識，培養編程興趣，培養對邏輯順序的認知，熟悉并學會運用程序思維，如抽象、分類、分解等，而對學習編程語言的要求不高。因此，可以選擇基于塊或塊與文本相結合的編程工具?；趬K的工具將各種指令用不同的箭頭或者圖案來代替，更形象具體，操作也更加簡單。

在中級階段（8～12 歲）學生已經有了一定的編程基礎，具備了一定的思維模式，可以開始系統地學習編程。該階段的學習內容包括基本的編程知識和高級的技巧等。學生可以選擇一個合適的平臺進行系統學習或者選擇可以進行作品創作的工具，例如Scratch Tutor、Kodable 等。

在高級階段（12 歲以上）學習者對編程有了一定的興趣，可以根據自己的興趣選擇一門語言深入學習。但編程具有一定難度，涉及的知識面非常廣泛，僅有興趣是不夠的，還需要具有一定的毅力來學習更多的知識（數學、物理等）進而不斷提高學習者的編程能力。這一階段的學生可以選擇基于文本的編程，例如Coding games。

第二，適當利用編程教育工具的游戲性，提高編程課堂的趣味性。

當下，在編程教學課堂中，教學者更偏向程序語言基礎知識的講解和傳授，課堂教學枯燥乏味，學習者的學習積極性不高。[12]游戲化學習可以有效地增加課堂趣味性，提升學生的學習興趣。2018 年教育部發布了規范入校APP、手機和平板電腦進課堂的有關規定，這些規定表明國家正在大力推行智慧校園，實現信息化教學環境，這為編程教育工具的使用提供了條件。[13]不止我國，世界多個國家和地區也對游戲在教育中的作用給予了高度重視。歐盟、英國、美國等大部分教師支持在課堂上使用游戲。合理地運用游戲，可以提升課堂趣味性，從而提升學習效果。

首先，在講解具體編程概念前，通過工具引導學生理解。編程中的概念往往比較抽象，比如循環、方法等。但編程具有可操作性，并且可以通過調試得到一定的結果。教師可以在講授知識前，讓學生動手操作工具，體驗相應的編程主題，給學生提供先行組織者材料，有助于理解具體的概念。

其次，把握好學生自行動手和知識講解的平衡點。鑒于很多工具不具備符合認知發展的知識體系以及并非針對具體的學校課程開發的，因此教師在讓學習者動手玩游戲的同時還需要補充知識點。具體表現為需要提前講解一些知識，再讓學生操作，或者在學習者操作工具的過程中補充需要的知識。

最后，注重培養學生準確評價代碼的能力。評估是計算思維的五要素之一，但測試的工具中，僅個別工具引導學習者評估自己編寫的代碼（塊）。所以，教師在使用編程教育工具時不能完全依靠工具，需要引導學生從代碼的準確性、高效性（代碼執行時間）、簡潔性（代碼多少）、便捷性等方面對自己編寫的代碼進行評價和反思。

第三，在使用編程教育工具的過程中，培養學生的自制力。

即使教育工具有一定的教育意義，但也不能過度沉迷。這些工具讓學生有了接觸網絡的機會，他們很容易迷失在網絡虛擬的世界中，從而無法控制自己學習的時間。教師在使用工具進行教學的同時需要引導學生合理使用。編程教育工具能夠傳達的教育知識是有限的，真正系統的知識學習還需教師在課堂上講解。

五、結束語

本文搜集了國外典型的編程教育工具，并根據筆者確立的評價維度，對各個工具進行比較分析，再結合我國實際情況提出了開發和使用編程教育工具的建議。但搜集到的編程教育工具都源自國外，缺乏中西方工具的比較分析。此外，本文確定的比較分析維度不夠全面，缺乏編程教育工具使用者的評價反饋。最后，隨著時代的發展，編程教育工具的應用必將越來越廣泛，我國需要加強對其進行開發與研究，讓編程教育工具靈活運用于課堂，不斷助推我國中小學編程教育的發展。