为了让孩子入门编程，Scratch的设计者操碎了心！谈谈Scratch编程环境和语言中的设计理念
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遥想当年第一次知道Scratch，还是在CS50课程的视频中。
当时只是觉得，这也叫编程？
先是满脸惊讶，同时略有一丝不屑，继而是有一点好奇，慢慢地又多了一些着迷与佩服……
然而它的是非功过，不是我们这回要讨论的主题。
如果你承认，信息时代的孩子需要从小学习编程，并且你也承认，不能把让孩子接触编程等同于成人学习的程序设计，那么往下翻看无妨。反之，则可能不会受益。
笔者既不打算去“说服”，也不打算去“论证”，而只打算通过简单的例子稍作“总结”。
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向从未有过编程经验的孩子介绍编程，是Scratch的主要目标。
这一目标要怎么实现呢？
这个问题Scratch的设计者们想了很多。
有一些设计理念是非常显而易见的，比如说使用可视化模块作为编程语言，采用单窗口的用户界面布局，随时可点击一个代码块查看运行效果，以及设计最小化的指令集等。
除此之外，还有一些不为人知的努力，比如数据类型的简化，以及异常处理的方式等。
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下面我们就来细说一下，蕴藏于Scratch编程环境和语言中的设计理念。
1. 单窗口的用户界面
用户界面当然是越简单方便越好。因此，Scratch的界面是单窗口、多窗格的。这样一来，重要的地方就会一直显示。
绝不存在其他程序里随处可见的那些浮动面板。就连只在某个命令下才显示的窗格，也尽量克制。
整个界面主要有四个窗格：积木工具箱、积木工作台、舞台、角色区。
为了方便学生编写代码脚本，积木工具箱里的代码块按功能进行了分门别类放置，每个类别有唯一的色彩标识。
可选用的代码块一直显示在左侧并不刻意隐藏，因为默认隐藏会增加学生的操作难度，像有的设计必须先点类别才能看到该类别下面的代码，对初学者而言无形中会造成一种与代码块的疏远感。
现在最左侧的类别分组，既可以直接点击充当导航，又可以在只使用滚动条找代码块时充当提示。
2. 实时反馈、鼓励鼓捣尝试
Scratch的整个编程环境是实时的，看不到大叔辈的程序员们编写完代码后再编译/运行的按钮，编辑和运行状态没有根本区别。
不区分编辑模式、运行模式，少一个编译的步骤，孩子们就可以随意尝试，直接debug。
这个都是为了方便孩子们鼓捣啊！从“熊孩子”变成“能孩子”，就是要会鼓捣。
他们可以随便从积木工具箱拎起来一个代码块，或从工作台上找一个代码片段，轻轻一点，就能在舞台上（对操作角色的代码而言）或是代码旁边（对有返回值的代码而言）看到效果了！
还可以在代码运行过程中，改变一下参数，增减一下代码块。
这在严格的程序员们看来，是不可想象的！
但是有了这种设计，就能更方便地掌握所选择的代码块或代码片段的功能，便于组装出更大的程序。
为了方便孩子看一眼代码块就知道怎么用，代码块都默默带上了需要的参数。有一些参数值还会随时变化，比如说“运动”中好多跟坐标有关的函数参数，角色在舞台上位置一变，它就变了。
暂时不用的代码，或为了debug而拆分出来一段一段的代码，都可以保留在空白的工作台上，不会影响程序的运行。放在工作台上而不拼接在事件下面，相当于注释掉了。
3. 代码运行过程的可视化
代码在运行时，正在执行的代码旁边会有一圈淡黄色的光边，这是为了给孩子增加视觉提示。
一段代码有没有在运行，运行了多长时间，都能有一个直观的感受了。
4. 隐藏错误信息
Scratch的代码块以形状提示了拼接的可能性，这样语法不正确的自然不能拼接到一起，拼到一起了自然差不多就没语法毛病了。
有的地方参数输入超出合理范围，Scratch也会尽量给出一个有意义的反馈。
比如“将大小设为……”，孩子们一兴奋容易过头，输入一个10000000是常有的事儿，但是Scratch只是将大小设为了几百而已，不可能是超级大。
这种处理，比起弹出一个烦人的错误提示，实在是高明得多！
当然，代码有错误，就是有错误。不显示错误信息，错误仍然存在。
Scratch的哲学是，有错误的代码只是不能完成预定目标的代码，但它仍然要能工作；让这样的“错误”代码正常运行，显示它运行的效果，也比只出一个生硬的错误信息，什么效果都不出来，来得体贴周到。
5. 让数据也可视化
Scratch中的变量是可以看得见，甚至是可以摸得着的——只要我们在代码工具箱里的复选框里，打上了勾。
变量可以在舞台上显示，这样就相当于有了一个变量监视器。这对帮助初学者理解变量，建立变量如何工作的心理图示，简直不要太方便。
变量可以有正常、大字、滑杆三种显示方式。
大字模式一般用于将它拖动程序中适当的位置，与程序融为一体。
而滑杆模式，还可以在程序运行时，直接改变它的大小，实时与程序互动。
Scratch对列表也能可视化，这样很多基于列表的操作，像增加删除元素、排序什么的，也就马上可以看到效果了。
6. 最小化指令集
由于Scratch中每一个代码块都要占据一定的屏幕空间，如果指令集太大，就会显得非常臃肿，增加通过滚动条寻找一个代码块的使用难度。
因此，使用最小化的指令集比起其他需求显得更为迫切。
对一些初学者不会常用的代码块，采用下拉菜单的方式进行了合并。
比如“运算”里的“绝对值”下面，就包含了许多数学运算，“外观”里的“特效”下拉菜单里，也有7种特效。
相反，对一些初学者会经常使用的类似操作，却又采用了“分”的办法，列为单独的代码块。
比如“左转……度”和“右转……度”、“换成……造型”和“下一个造型”等。
对一些只在某些特定场合才会用到的代码指令，则隐藏到了最下面的“添加扩展”里，比如“音乐”、“画笔”、“翻译”这些。
7. 代码语法图形化
在Scratch语言设计上，语法通过代码块形状的方式解决了。
总共只有四种类型的代码块：
指令代码块、函数代码块、事件触发代码块、控制结构代码块。
指令代码块，可以从上到下拼接，而函数代码块提供返回值，只能作为参数放到其他代码块里。
事件触发代码块将鼠标键盘事件与相应的代码片段连接起来。
控制结构代码块一般有一个大开口，可以嵌套使用。
8. 数据类型图形化
Scratch里只有两类三种数据类型：一类是数字和字符串，二类是布尔值。数字和字符串不单独区分。
在代码块中需要参数的地方，也会用不同的形状表示不同的数字类型。需要数字和字符串的地方，是圆角矩形框，而需要“是/否”布尔值的地方，是尖角框。
圆角矩形带向下的小三角表示可以下拉选择用作输入值，矩形带向下的小三角表示可以下拉选择操作对象。前者也可以用函数代码块的返回值作为输入。这样就灵活多了。
9. 作为对象模型的角色
Scratch中的角色怎么看怎么像我们OOP中的对象。确实，它是封装了变量和行为的对象模型，但是Scratch并没有类和继承的概念。
一段代码在哪个角色里，就只对这个角色起作用，这就是Scratch“基于对象”而不是“面向对象”的编程模式，没有相互之间的指令调用。
有点类似继承的方法，便是克隆。Scratch对一次运行里角色克隆的总数作了限制，大概是300来个，这样可以保证基本需要又不会卡死电脑。
在角色之间传递消息，需要用到专门的一对多不定向的“广播”机制。一个广播一个名字，不同名字就是不同的广播，响应不同的操作。这种机制以一种简化的方式解决了数据共享的问题。
广播可以实现角色之间的松散耦合，信息的发出者不必关心信息的接收者。同时分异步的广播，不必等收到消息的角色执行完操作，和同步的“广播并等待”。
有了这种松散的机制，角色还可以单独导出，这样就可以在不同项目中共享代码了，从而就可以支持代码复用和团队协作了。
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的确，所有的设计都是“戴着镣铐跳舞”。
在各种权衡之中，Scratch作为计算机教育领域软件的佼佼者，名副其实！
再看我们国内的自主研发，也应该更多考虑一下教学过程中的学习者的心理了。
资料来源：
Maloney, J., Resnick, M., Rusk, N., Silverman, B., and Eastmond, E. 2010. The scratch programming language and environment. ACM Trans. Comput. Educ. 10, 4, Article 16 (November 2010),
15 pages. DOI = 10.1145/1868358.1868363. http://doi.acm.org/10.1145/1868358.1868363.
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