新課程需要選擇什么樣的編程語言

梁見斌

藍調(diào)解碼

編程教育在中小學(xué)信息技術(shù)課程中，尤其是在高中新課程中應(yīng)既展現(xiàn)其語言語法知識的特點又彰顯其算法、技能、思維的價值，這是良好編程文化形成的基礎(chǔ)。本期解碼，讓我們走進新課程中的編程語言價值分析與編程教育中的人文內(nèi)涵契合分析，繼續(xù)共同探討如何建設(shè)良好的編程文化。

新教材作為新課程的重要內(nèi)容載體，對編程教學(xué)使用何種語言來說往往具有決定性的作用。新教材都把Python列為高中必修的計算機編程語言，對此很多教師表示不解：為什么是Python？論簡單它比不過Basic或Pascal，論速度它不如C和C++。特別是長期耕耘在信息奧賽一線的教練們，經(jīng)常吐槽忍受不了Python程序運行時的“龜速”。這樣一門飽受詬病的計算機語言，為什么偏要登上中小學(xué)編程教育的大雅之堂？實際上，與其問新教材為什么選擇了Python，不如問新教材到底需要什么樣的編程語言。高中信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)由信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任四個核心要素組成。編程教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生計算思維的重要形式，我們要充分考慮中小學(xué)生的年齡特點、知識結(jié)構(gòu)和個性特征，選擇合適的計算機編程語言，引導(dǎo)孩子順利踏上編程之旅，學(xué)會利用計算機解決實際問題，培養(yǎng)數(shù)字化時代合格公民。那么，適合高中信息技術(shù)課程的編程語言應(yīng)該具備哪些特點呢？作為一名自學(xué)編程近20年的業(yè)余愛好者和高中信息技術(shù)教師，筆者想從編程實踐和課堂教學(xué)的角度談?wù)勛约旱目捶ā?/p>

● 新教材需要便于初學(xué)者入門的編程語言

我們經(jīng)常聽到人們評論某種編程語言好學(xué)或者難學(xué)，他們是根據(jù)什么標準來判斷的呢？是語法規(guī)則的簡繁性，還是代碼實現(xiàn)的難易度呢？例如，很多人認為C語言比較難學(xué)，其中一個原因是它的指針概念過于抽象，使用方法又太靈活，容易出錯;相比之下，Pascal語言就比較好掌握，容易學(xué)。

這些都是表象，初學(xué)者不需要開始就掌握所有的語言特性，隨著學(xué)習(xí)的深入，自然會熟悉各種語法規(guī)則。真正的難點不是掌握語法規(guī)則，而是理解代碼的意義。編程是抽象的藝術(shù)，初學(xué)者很難理解抽象代碼的運行過程，通常只能看到一個快速閃現(xiàn)的結(jié)果，只有長期訓(xùn)練才能學(xué)會跟蹤代碼，明白各種算法結(jié)構(gòu)的含義。

Python是一門面向初學(xué)者的語言，它的語法簡潔，貼近自然語言。例如，其中的turtle模塊（海龜繪圖）源于1966年誕生的Logo語言，是入門Python的有趣工具。turtle模塊通過繪圖來呈現(xiàn)程序運行過程，實現(xiàn)了代碼運行過程的可視化，可以將抽象的代碼和形象的動畫聯(lián)系起來，幫助初學(xué)者快速理解每一條語句的作用，“親眼看到”程序運行的過程，大大降低了學(xué)習(xí)的門檻，成為眾多編程入門者的首選。

筆者曾經(jīng)開設(shè)了一門選修課程——《海龜繪圖案例分析》，只需要6～8個簡單的繪圖案例，就能幫助學(xué)生掌握數(shù)字、字符串、列表、元組和字典等基本數(shù)據(jù)類型，熟悉順序、選擇和循環(huán)結(jié)構(gòu)，并理解自定義函數(shù)和模塊化編程的特點。整個教學(xué)過程由淺入深、層層遞進，完全根據(jù)項目需求引入相關(guān)知識點，而非強行“入戲”。

例如，學(xué)生學(xué)習(xí)了順序結(jié)構(gòu)以后，能夠繪制三角形、四邊形等簡單圖形，此時提出繪制正多邊形的任務(wù)，學(xué)生雖然能夠通過復(fù)制粘貼代碼的方式實現(xiàn)，但同時感受到了重復(fù)勞動的枯燥和煩瑣，希望能夠有更好的方法來替代。此時提出循環(huán)的概念（甚至不需要教師提出，部分學(xué)習(xí)能力強的學(xué)生會主動尋找新方法），學(xué)生會很容易接受，并主動學(xué)習(xí)循環(huán)結(jié)構(gòu)的不同表示方法。

又如，在完成“滿天繁星”項目時，需要繪制不同顏色和尺寸的五角星，雖然學(xué)生可以通過復(fù)制粘貼代碼并做簡單修改的方式實現(xiàn)，但肯定對冗長和重復(fù)的代碼不滿意。此時，教師可以引導(dǎo)學(xué)生分析經(jīng)典的circle（）和dot（）方法，模仿設(shè)計自定義函數(shù)，體會模塊化編程的優(yōu)越性。

為了降低編程的學(xué)習(xí)門檻，為初學(xué)者提供更友好的編程環(huán)境，很多教師建議使用圖形化編程語言入門，等學(xué)生對編程感興趣以后再逐步轉(zhuǎn)向代碼式編程。筆者對此有不同看法，認為不能簡單地把初學(xué)者劃為一個群體，應(yīng)該根據(jù)其年齡和心智特點做進一步細分。以寫作教學(xué)為例——編程和寫作有很大的相似之處，其學(xué)習(xí)方法也是相通的。教師在教幼兒園或小學(xué)低段的學(xué)生寫作時，并不要求孩子都用文字來表示，可以部分或者全部都用畫畫來代替;但隨著孩子心智的成熟，要表達的想法越來越抽象和復(fù)雜，此時圖案就不如文字方便和準確了。編程教學(xué)也一樣，由于低幼兒童不識字，也缺乏必要的抽象思維能力，使用圖形化編程語言可以降低入門門檻，讓孩子們體驗編程的樂趣，是一種有效的引導(dǎo)手段;但高年級學(xué)生或者成年人還是直接從代碼式編程入門較好，從實用角度出發(fā)，編寫具有實用功能的程序，才能真正激發(fā)學(xué)習(xí)的動力和創(chuàng)造力。

Python可以作為面向初學(xué)者的語言，還有另一種原因，那就是Python對初學(xué)者很友好，但對已有其他編程語言經(jīng)驗的“老手”則不盡然。不少老教師表示很不習(xí)慣Python的語法，覺得它太靈活，容易出錯，其實這些錯誤往往是因為教師混用了其他語言的語法，等他們熟悉了Python語法，這些錯誤自然就會消失。

語法錯誤容易糾正，思維僵化才是最大的阻礙。Python是一種解釋型動態(tài)語言，它和C++等編譯型靜態(tài)語言有很大的不同，看上去不夠嚴謹和規(guī)范，但這正是它更接近自然語言的地方。我們只有摒棄慣性，開放思維、排除干擾、輕裝上陣，才能更好地領(lǐng)會Python優(yōu)雅高效的特點，編寫出Pythonic代碼。

● 新教材需要便于詮釋算法思想的編程語言

算法是程序的靈魂，只有掌握了算法，才能輕松地駕馭程序開發(fā)。提升學(xué)生計算思維的一個重要途徑就是進行算法教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、抽象建模和設(shè)計算法的能力。

每種編程語言都有自己的特性。例如，C語言貼近底層，程序執(zhí)行效率高，代碼簡潔緊湊、靈活多變，但是C語言的語法限制不太嚴格，影響程序的安全性，對程序員的要求也很高，需要考慮較多的底層細節(jié)，一不小心就會出錯;從執(zhí)行速度來看，Python程序確實不如C語言編寫的程序快，這是因為C/C++是編譯型語言，直接將代碼編譯成機器指令，而Python是解釋型語言，先逐行將代碼轉(zhuǎn)換為字節(jié)碼，再轉(zhuǎn)換為機器碼來執(zhí)行。

從詮釋算法思想的角度來看，Python具有更大的優(yōu)越性。這是因為，首先Python語法更接近自然語言，表述更直接和簡明，其次Python豐富的標準庫提供了很多基礎(chǔ)功能，程序員可以很方便地實現(xiàn)算法模型，從而把注意力放在整體目標而不是底層細節(jié)上。

例如，為了提高查找的效率，我們經(jīng)常使用哈希表結(jié)構(gòu)。如果使用C語言編程的話，需要自己構(gòu)造哈希表和設(shè)計哈希函數(shù)，這需要考慮很多內(nèi)部細節(jié)和編寫較長的代碼。但使用Python就簡單多了，只需設(shè)置一個字典類型的變量即可，因為字典本身就是一個哈希表，我們只需了解字典的特征和使用方法，而無需考慮其內(nèi)部細節(jié)，大大提高了編程效率。

現(xiàn)在“力扣”和“阿里云TIANCHI天池”等在線編程網(wǎng)站，都提供了Python程序的評測功能，越來越多的優(yōu)秀Python題解出來了。通過比較，大家發(fā)現(xiàn)用Python語言詮釋算法思想確實更簡潔和自然;再加上Python動態(tài)語言的特性，使用列表或者字典可以很方便地表示復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，有利于快速建模和編寫更簡明的代碼。

目前，Noip等信息競賽規(guī)定使用的編程語言是C和C++，這里有程序執(zhí)行效率方面的原因，但不是主要原因。信息學(xué)競賽確實追求程序的速度，希望選手通過優(yōu)化算法來提高程序效率，但算法的優(yōu)化與編程語言是無關(guān)的，不同的編程語言使用不同編譯環(huán)境，簡單地比較其運行時間和所占內(nèi)存大小是沒有意義的;比賽時也會對不同語言編寫的程序進行分組，分別比較。相信隨著評測技術(shù)的進步，會允許更多的語言出現(xiàn)在信息競賽中，Python也會憑借自己的獨特優(yōu)勢占據(jù)重要一席。

● 新教材需要便于解決實際問題的編程語言

學(xué)生學(xué)習(xí)編程語言，不僅是為了考試，更是因為它有用（部分學(xué)生甚至認為它有趣）。目前，Pascal和C語言教學(xué)似乎更多的是為了考試和比賽，而非解決生活中的實際問題，很難提起學(xué)生的興趣。Python則不然，它是一門面向?qū)嶋H應(yīng)用的語言，學(xué)生只需要掌握基本的語法，就可以調(diào)用豐富的庫函數(shù)實現(xiàn)復(fù)雜的程序功能，解決生產(chǎn)生活中的實際問題。

例如，在學(xué)習(xí)了爬蟲技術(shù)以后，學(xué)生可以在網(wǎng)上爬取大量的古詩詞資料，加以整理后，就能編寫飛花令和詩詞接龍等文字游戲，提高了語文學(xué)習(xí)的興趣與效率;又如，在學(xué)習(xí)了數(shù)據(jù)分析和可視化以后，學(xué)生可以編寫成績處理軟件，幫助教師對全校甚至全市的成績進行分析和可視化處理，了解各學(xué)科之間的聯(lián)系和影響學(xué)生成績的深層次原因。

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，人類社會的數(shù)字化程度越來越高，數(shù)字化時代對人們的信息素養(yǎng)要求也會越來越高，今后編程將會像閱讀和寫作一樣成為一種基本技能，我們的學(xué)生應(yīng)該從小就學(xué)會使用數(shù)字化工具來解決實際問題。而Python語言正提供了這樣一種可能，它通過引入第三方庫，只需要簡單的幾行代碼就能實現(xiàn)復(fù)雜的程序功能，可以方便地幫助孩子實現(xiàn)爬蟲、數(shù)據(jù)分析和可視化、人工智能或游戲編程等多個領(lǐng)域的項目實踐，讓編程融入孩子們的生活。

當然，Python語言也還存在各種各樣的不足，但相信隨著技術(shù)的進步和版本的更迭，這些問題都將被克服。更重要是，語言只是工具，學(xué)習(xí)編程并不是學(xué)習(xí)語言本身，而是掌握使用計算機編程解決實際問題的方法。隨著編程技術(shù)的提高，我們自然會發(fā)現(xiàn)更好的語言工具。綜合使用多種工具來解決復(fù)雜問題，這才是新課程倡導(dǎo)的學(xué)習(xí)目標。