鄭歡++陳勇

摘要：視覺化程序設(shè)計軟件，有助于提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，降低學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)困難。為此，信息技術(shù)與教育領(lǐng)域的研究者開發(fā)了許多程序設(shè)計軟件，如Alice、Scratch、Lego Mindstorms、RAPTOR、Game Maker、Baltie、Jeroo等等，它們具有可視化和敘事性等功能，受到了社會的廣泛關(guān)注。

關(guān)鍵詞：程序設(shè)計軟件；可視化；敘事性；功能

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）17-0089-04

Application and Development of Visual Programming Software

ZHENG Huan， CHEN Yong

（School of education， Shanghai Normal University， Shanghai 200234， China）

Abstract： Visual programming software can help learner improve interest in learning and reduce the difficulty of learning. Researchers in the field of information technology and education have developed a lot of programming software， such as Alice， Scratch， Lego Mindstorms， RAPTOR， Game Maker， Baltie， Jeroo etc， they have some functions of visualization and narrativity. And these visual programming software received a wide attention of the society.

Key words： programming software； visualization； narrativity； function

1 程序設(shè)計的發(fā)展歷史

19世紀(jì)的50年代到60年代初，程序設(shè)計為手工藝式的，從而高德納把程序稱為藝術(shù)品。在19世紀(jì)60年代末到70年代初，隨著程序發(fā)展規(guī)模的不斷擴(kuò)大，出現(xiàn)了軟件危機(jī)。一方面需要大量的程序軟件系統(tǒng)；但另一方面，程序軟件的設(shè)計周期長，可靠性差。一直以來，程序設(shè)計的核心是：編寫出的程序結(jié)構(gòu)清晰，程序語言簡單、易閱讀、方便修改的程序設(shè)計軟件。然而，在當(dāng)時的程序設(shè)計模型中，也面臨著錯誤隨著代碼的擴(kuò)大而級數(shù)般的擴(kuò)大的困難，甚至到了無法控制的地步。這個時候就出現(xiàn)了一種新的程序設(shè)計模型——面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計，由此也產(chǎn)生了一批支持此技術(shù)的程序設(shè)計語言，比如C++或Java?，F(xiàn)如今，程序設(shè)計軟件又發(fā)生了許多變化，呈現(xiàn)出了以可視化與敘事為顯著特征的發(fā)展趨勢，受到了程序設(shè)計軟件學(xué)習(xí)者的廣泛關(guān)注。

2 程序設(shè)計軟件的發(fā)展及其特征

由于像C++或Java類似的程序語言設(shè)計類軟件所反映的教學(xué)內(nèi)容過于抽象、概念復(fù)雜、語言編寫規(guī)則繁多、編程容易出錯等原因，導(dǎo)致了現(xiàn)在的學(xué)習(xí)者對程序設(shè)計的學(xué)習(xí)興趣越來越低。在過去的十幾年里，信息科學(xué)教育研究者發(fā)展了很多視覺化的程序設(shè)計軟件，為學(xué)習(xí)者提供富有樂趣的程序設(shè)計環(huán)境，如：Alice、Scratch、Lego Mindstorms、RAPTOR、Game Maker、Baltie、Jeroo等，可以幫助學(xué)習(xí)者充滿興趣地學(xué)習(xí)程序設(shè)計。為學(xué)習(xí)者降低了學(xué)習(xí)程序設(shè)計的難度，讓學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)程序設(shè)計時能夠獲得學(xué)習(xí)興趣，這也是現(xiàn)今可視化程序設(shè)計軟件成功的關(guān)鍵所在。

隨著社會的發(fā)展，視覺化程序設(shè)計軟件已經(jīng)在信息科學(xué)教育界中受到極大的關(guān)注。因為相比于以前程序語言編寫抽象、復(fù)雜的教學(xué)軟件，這些視覺化的程序設(shè)計軟件具有以下的共同特征：

1）具有敘事和可視化功能的特征。能夠吸引初學(xué)者的興趣，便于進(jìn)行教學(xué)活動；學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中可以收獲很大的樂趣和信心，對學(xué)習(xí)者產(chǎn)生事半功倍的學(xué)習(xí)效果。

2）簡單、易操作。它們并不過多地要求使用者需要過多的程序設(shè)計技能和知識，只需要使用者的想象力，并且通過點擊和拖拽鼠標(biāo)就基本上可以完成程序設(shè)計。

3）重在培養(yǎng)初學(xué)者的邏輯性思維。這些程序設(shè)計軟件有助于提高學(xué)習(xí)者讀對程序設(shè)計的認(rèn)識，并培養(yǎng)初學(xué)者程序設(shè)計的邏輯性思維。

4）適用于初學(xué)者。這些視覺化程序設(shè)計軟件最大的特征就是降低了初學(xué)者以前學(xué)習(xí)程序語言設(shè)計的難度，避免了對復(fù)雜的程序設(shè)計語言的編寫。因為這些軟件能把一些抽象概念形象地展現(xiàn)出來，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)難度較大的C++、Java打下良好基礎(chǔ)。

3 視覺化程序設(shè)計軟件的分類

雖然，現(xiàn)如今開發(fā)的程序設(shè)計軟件都基本具有視覺化特征，但在某些功能上還是存在著差異。鑒于此，對程序設(shè)計軟件進(jìn)行了簡單分類：

1）敘事功能的程序設(shè)計軟件（narrative tools）：讓初學(xué)者通過程序設(shè)計語言編寫一個故事情節(jié)，如：Alice，Scratch和Jeroo。

2）特定輸出實現(xiàn)的程序設(shè)計軟件（specialized output realizations）：用非文本的方式提供程序操作的回饋，譬如多媒體等方式，如：Lego Mindstorms，JES。

3）流程功能的程序設(shè)計軟件（flow-model tools）：通過程序語言組件的連結(jié)，用以呈現(xiàn)計算的程序，如：RAPTOR，Iconic Programmer，VisualLogic。

4）分層語言的程序設(shè)計軟件（tiered language tools）：讓初學(xué)者在進(jìn)一步學(xué)習(xí)中，可以逐漸使用更復(fù)雜的版本，如：Baltie，ProfessorJ，RoboLab。

4 常用視覺化程序設(shè)計軟件介紹

依照應(yīng)用的常用性，針對目前適于教育領(lǐng)域中常用的程序設(shè)計軟件進(jìn)行簡單的介紹。

4.1 Alice

Alice（http：//www.alice.org）是由美國卡耐基·梅?。–arnegie Mellon）大學(xué)開發(fā)的以學(xué)習(xí)者為中心的程序設(shè)計軟件，也被稱為3D交互式圖形編程環(huán)境（3-D Interactive Graphics Programming Environment），其作用是讓學(xué)習(xí)者在設(shè)計3D動畫的同時學(xué)習(xí)事物轉(zhuǎn)向的程序設(shè)計概念，適合初學(xué)者使用。Alice提出了這種支持面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的三維虛擬世界動畫教學(xué)軟件，具有敘事和可視化的功能?？突っ仿〈髮W(xué)開發(fā)Alice的主要目標(biāo)是：用以幫助更多的青少年學(xué)會如何在3D的環(huán)境下編寫計算機(jī)程序，并希望在學(xué)習(xí)Alice這一軟件的基礎(chǔ)上，青少年能夠?qū)W習(xí)更為復(fù)雜的Java和C++編程。

Alice最顯著的特點就是支持圖形化程序設(shè)計，并能夠生成三維虛擬世界中的對象，然后可以將場景的設(shè)計同程序設(shè)計結(jié)合起來。Alice根據(jù)功能劃分為5個區(qū)域（如圖1所示）：1）對象樹。在這一區(qū)域中顯示的是場景中出現(xiàn)的對象。2）World 窗口。把對象添加到這一窗口，可以進(jìn)行場景設(shè)計。3）事件區(qū)。這一區(qū)域是對事件的響應(yīng)而進(jìn)行的編程。4）函數(shù)方法細(xì)節(jié)區(qū)。這一區(qū)域顯示的是每個對象的屬性、方法和函數(shù)。5）代碼編輯區(qū)。通過把對象的屬性、方法、函數(shù)拖拉到這一區(qū)域，然后根據(jù)提示，并自動生成相應(yīng)的代碼。Alice提供互動、立體的模擬環(huán)境，所有的物體都具有前后、左右和上下六個方向，并提供程序語法的標(biāo)簽，學(xué)習(xí)者不需要輸入程序碼，只要利用鼠標(biāo)拖拽的方式將成式語法標(biāo)簽放到界面右下的程序編輯區(qū)即可完成程序設(shè)計編輯。

Alice系統(tǒng)為學(xué)習(xí)者提供了一種全新的方式去學(xué)習(xí)程序編程。尤其是對初學(xué)者而言，避免了對復(fù)雜的程序設(shè)計語言的編寫。因為在Alice程序設(shè)計中，一些抽象概念可以形象地展現(xiàn)出來，所以初學(xué)者在學(xué)習(xí)Alice的過程中，就能更加直觀地理解和學(xué)會類、對象、方法及事件驅(qū)動等概念，并為進(jìn)一步學(xué)習(xí)C++和Java程序設(shè)計語言打下良好的基礎(chǔ)。在美國，現(xiàn)今有300多所高等院校將Alice納入了初學(xué)編程的課程中。有的小學(xué)把Alice編程課程放在小學(xué)高年級（5、6年級）的Science課中，從小培養(yǎng)孩子學(xué)習(xí)編程的興趣與能力；不僅如此，在美國政府部門的大力支持下，很多中學(xué)和大學(xué)中，也將Alice編程課程作為選修課，面向?qū)幊逃信d趣的學(xué)生開設(shè)。像Intel、Oracle、Google等公司也設(shè)立了各種獎項，以此鼓勵中、小學(xué)生開展具有創(chuàng)意的Alice編程。

4.2 Scratch

Scratch（http：//scratch.mit.edu/）是由麻省理工大學(xué)（Massachusetts Institute of Technology， MIT）的媒體實驗室終身幼兒園組（Media Lab Lifelong Kindergarten Group）開發(fā)的一套可視性程序語言的開發(fā)平臺，旨在讓程序設(shè)計語言初學(xué)者不需先學(xué)習(xí)語言語法便能設(shè)計創(chuàng)作產(chǎn)品。作為可視性程序語言，初學(xué)者不用擔(dān)心語言文法，可以透過探索、實驗去學(xué)習(xí)創(chuàng)造交互式故事、動畫等技術(shù)。Scratch包含視覺化和敘事的兩種特征，學(xué)習(xí)者可以用來創(chuàng)作互動式故事、動畫、游戲、音樂和藝術(shù)，并在網(wǎng)絡(luò)上分享自己設(shè)計的每個作品。

Scratch的界面主要分為四大板塊（如圖2所示）：舞臺、角色列表、程序指令區(qū)和程序編輯區(qū)。Scratch的主要特色在于它適用于初學(xué)者學(xué)習(xí)程序設(shè)計，學(xué)習(xí)者只需利用鼠標(biāo)點擊和拖拽的方式進(jìn)行程序設(shè)計，完成可視化編程。不需要牢記任何指令碼或編寫復(fù)雜的程序碼，解除了學(xué)習(xí)者在程序語言輸入方面的困難，有助于提高學(xué)習(xí)者讀對程序設(shè)計的認(rèn)識，并培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的邏輯思維。因為Scratch是一款面向少年兒童的程序設(shè)計軟件，其創(chuàng)作的程序簡單、易操作，而且界面的卡通形式也能夠吸引兒童的興趣，運(yùn)用Scratch創(chuàng)作的作品進(jìn)行教學(xué)活動，在兒童認(rèn)知發(fā)展初期有著事半功倍的效果。

4.3 Lego Mindstorma

目前的研究表明，使用機(jī)器人可以幫助程序設(shè)計學(xué)習(xí)者更易理解計算機(jī)類課程中抽象的基本概念。1986年，丹麥的LEGO（樂高）公司和美國麻省理工學(xué)院的媒體實驗室（Media Lab）進(jìn)行的一項“可程式積木（Programmable Brick）”的合作案。1996年LEGO公司發(fā)布了Mindstorms機(jī)器人開發(fā)和編程工具包。而Lego Mindstorms（http：//www.lego.com/zh-cn/Mindstorms/support）則是集合了電動馬達(dá)、傳感器、可編程主機(jī)、Lego Technic部分（輪軸、插銷、橫梁、齒輪）的統(tǒng)稱。

Mindstorms是由益智玩具中可編程的傳感器模具（programmable sensor blocks）的發(fā)展而來。樂高機(jī)器人套件（LEGO Mindstorma Robotics Invention System）是面向?qū)C(jī)器人有興趣的大人和12歲以上的小孩而設(shè)計的一個教育玩具。Lego Mindstorms的第一個零售版本Robotics Invention System（RIS）于1998年上市。目前的最新版本是2013年上市的Lego Mindstorms EV3。在免費(fèi)的EV3編程軟件中，擁有25個好玩的任務(wù)，EV3軟件是給機(jī)器人編程，賦予機(jī)器人生命的關(guān)鍵，使用者只需編寫一個程序，就可以讓機(jī)器人按照指定的路徑前進(jìn)，讓機(jī)器人服從使用者的命令。

Lego Mindstorma是一套可以對其進(jìn)行編程的機(jī)器人拼裝套裝（如圖3所示），它能賦予使用者創(chuàng)建和指揮專屬于自己的樂高機(jī)器人的非凡能力。目前的最新版本Lego Mindstorms EV3套裝中包含了使用者需要的一切，根據(jù)不同的編程設(shè)置，其控制的機(jī)器人可以移動、行走、說話。總而言之，使用者可以利用直觀的編程軟件（例如：智能 EV3第三代機(jī)器人程序塊或智能設(shè)備）來自由地指揮機(jī)器人。

Mindstorms平臺最初由于LEGO機(jī)器人缺乏與高等教育相符的程序設(shè)計環(huán)境，也缺乏對大學(xué)水平的程序設(shè)計語言（如：C++和Java）的支持，所以并不適用于高等教育。十幾年以后，隨著Mindstorms使用群體的日益擴(kuò)大， Mindstorms平臺為C++和Java開發(fā)了有效的程序設(shè)計環(huán)境，從而讓更多的高校開始選用低價的LEGO機(jī)器人作為其教學(xué)的平臺。

1）麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology）的電子技術(shù)和計算機(jī)科學(xué)系專門開設(shè)了自主機(jī)器人設(shè)計課程。學(xué)生可以在這門課程中，運(yùn)用之前學(xué)到的編程知識，通過搭建物理模型，進(jìn)行編程并自由地控制機(jī)器人的活動。最后再以比賽的形式完成實驗，查看學(xué)習(xí)效果。

2）卡耐基·梅隆（Carnegie Mellon）大學(xué)作為第三方利用自身資源，開發(fā)了Robot C程序設(shè)計環(huán)境，如今Robot C已成為LEGO機(jī)器人最流行的程序設(shè)計語言之一。

3）加利福尼亞州立大學(xué)（California State University）在相應(yīng)的課程中，使用物理模型來促進(jìn)學(xué)生對程序設(shè)計結(jié)構(gòu)的理解，使用LEGO機(jī)器人作為了他們的教學(xué)實驗平臺。

到2006年，在LEGO公司發(fā)布Mindstorms NXT機(jī)器人套裝時，機(jī)器人在計算機(jī)教育中的作用已得到了普遍認(rèn)同和歡迎。

4.4 RAPTOR

RAPTOR（http：//raptor.martincarlisle.com/）是一種流程軟件形態(tài)的程序設(shè)計軟件（如圖4所示）。RAPTOR是一種基于流程圖的可視化程序設(shè)計軟件，并提供發(fā)展算法的一種可視化環(huán)境，從而讓學(xué)習(xí)者在可視化程序設(shè)計的環(huán)境中進(jìn)行算法的撰寫，并為程序和算法設(shè)計的基礎(chǔ)課程的教學(xué)提供了一種實驗環(huán)境。學(xué)習(xí)者通過鼠標(biāo)拖拉左側(cè)的流程圖符號至右側(cè)流程圖編輯區(qū)，可以隨時增減流程圖符號或改變流程圖符號的位置，使其在撰寫的過程中不斷地進(jìn)行思考、安排和控制。

RAPTOR作為一種可視化程序設(shè)計的軟件，已經(jīng)為以卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)等為代表的世界上20個以上的國家的高等院校使用，在計算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)中，也取得令人滿意的效果。在RAPTOR的可視化操作環(huán)境中，使用者無須單獨編譯和執(zhí)行，只需在其環(huán)境中執(zhí)行相應(yīng)的算法流程，所以使用RAPTOR來解決問題，就可以讓原本抽象的概念變得越加清晰。這說明程序運(yùn)作的邏輯順序不必再利用傳統(tǒng)程序設(shè)計的文字環(huán)境來進(jìn)行設(shè)計和調(diào)試，可以直接在RAPTOR可視化的表達(dá)環(huán)境中進(jìn)行，這也能夠極大減輕使用多種軟件時帶來的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。對初學(xué)者而言，RAPTOR并沒有強(qiáng)制要求自上而下的分解程序設(shè)計目標(biāo)，而是讓學(xué)習(xí)者嘗試著逐步去開發(fā)代碼，利用交互的圖形庫，創(chuàng)造出更有趣的算法。

4.5 Game Maker

Game Maker（http：//www.yoyogames.com/）是由Mark Overmars使用Delphi語言開發(fā)的視覺化程序設(shè)計軟件（如圖5所示）。Game Maker是一款可靈活編程、擁有圖形界面、以2D游戲設(shè)計為主的游戲開發(fā)軟件。Game Maker允許學(xué)習(xí)者使用圖形、按鈕和文本創(chuàng)作游戲，而無需學(xué)習(xí)復(fù)雜的諸如C++或Java編程語言，并可以在游戲設(shè)計過程中，附帶上精美的背景、動畫、音樂和聲音效果。學(xué)習(xí)者只需要拖拽圖形、輸入文字、點擊很少的幾個按鈕，選擇一些控制選項，游戲很快就可以編寫成功。憑借這些優(yōu)點，Game Maker極大地促進(jìn)了歐美乃至全世界獨立游戲界的發(fā)展。

Game Maker是個專為設(shè)計游戲而制作的軟件，不同于其他程序設(shè)計軟件的是它將復(fù)雜的游戲功能融于簡單的操作方式，適合提供給程序設(shè)計的初學(xué)者使用。因為Game Maker主要是為 2D 游戲而設(shè)計的程序軟件，它提供貼圖、移動、游戲規(guī)則以及其他多種功能，所以初學(xué)者只需通過拖拽Game Maker界面上的選項，就可以讓初學(xué)者輕松設(shè)計和制作一個中型以下簡單游戲。通過Game Maker提供的有趣環(huán)境和設(shè)計過程，讓學(xué)習(xí)者從中學(xué)會游戲設(shè)計的概念、技巧和流程；學(xué)會物體、事件等程序設(shè)計概念。當(dāng)學(xué)習(xí)者對程序設(shè)計的概念越來越熟悉之后，學(xué)習(xí)者就可以使用越來越多的程序設(shè)計語言，從而可以創(chuàng)作更高水平的游戲。

4.6 Baltie

Baltie4C# Pro（http：//www.sgpsys.com/en/）是一款視覺化和分層語言式的程序設(shè)計軟件（如圖6所示）。學(xué)習(xí)者使用鼠標(biāo)點選上方軟件列表中的符號選項進(jìn)行程序設(shè)計，適合程序設(shè)計的初學(xué)者使用。初學(xué)者可以使用Baltie的互動模式和圖形區(qū)域進(jìn)行程序設(shè)計；較高水平的程序設(shè)計學(xué)習(xí)者則還可以結(jié)合語法命令和圖像區(qū)域的C#語言進(jìn)行程序設(shè)計。學(xué)習(xí)者通過使用Baltie軟件，可以學(xué)會邏輯、條件和事件等程序設(shè)計概念。

Baltie是面向圖形的可視化編程軟件。相比于Balties會幫助使用者很快意識到什么是計算機(jī)、如何掌握和計算機(jī)程序而言，使用Baltie可以更加鍛煉使用者的邏輯思維，它并不要求使用者需要過多的程序設(shè)計技能和知識，只需要使用者的想象力。

4.7 Jeroo

Jeroo（http：//www.jeroo.org/）也是一款具有敘事功能的程序設(shè)計軟件。Jeroo適合初學(xué)者使用，學(xué)習(xí)者可以選擇Java、C++和Python等任何一種程序設(shè)計語言應(yīng)用于Jeroo中，讓學(xué)習(xí)者根據(jù)自己的實際情況學(xué)習(xí)事物轉(zhuǎn)向的程序設(shè)計概念。Jeroo的左側(cè)提供編輯來源碼的區(qū)域；它的右側(cè)則呈現(xiàn)程序編輯的結(jié)果；它的下方則顯示目前程序設(shè)計的狀態(tài)信息（如圖7所示）。根據(jù)信息科學(xué)領(lǐng)域中的研究者的研究結(jié)果顯示，Jeroo能夠顯著提高學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)程序設(shè)計的興趣與自信心；使用過Jeroo的學(xué)習(xí)者幾乎都指出：Jeroo是一套值得他們?nèi)ネ扑]別人學(xué)習(xí)的程序設(shè)計軟件，并且適合作為學(xué)習(xí)Java程序設(shè)計語言之前的學(xué)習(xí)軟件。

5 結(jié)束語

程序設(shè)計軟件越是簡單易學(xué)、易操作、可視化和智能化，越是能獲得初學(xué)者的喜愛。因為對于非計算機(jī)專業(yè)的使用者而言，他們只需要有一定的計算機(jī)操作認(rèn)知基礎(chǔ)，只需要花較少的時間和精力就可以掌握程序設(shè)計的基本知識，最好不需要用復(fù)雜的語言編程就可以實現(xiàn)大部分交互作用，減少他們學(xué)習(xí)程序設(shè)計軟件的認(rèn)知負(fù)荷。面向?qū)ο蟮目梢暬绦蛟O(shè)計軟件在現(xiàn)代程序設(shè)計思想中占有很重要的地位，未來程序設(shè)計軟件將會以一種可視化，更易表達(dá)現(xiàn)實世界，更易為人編寫的功能得到進(jìn)一步發(fā)展，其使用將不再只是為專業(yè)的編程人員服務(wù)，人們完全可以用基礎(chǔ)的程序設(shè)計知識來完成編程。

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