Py(thon) Route直直行

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Ted Lee的土饅頭（To Mentor）工坊

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Nov. 1, 2021

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歹路金拍走，不用驚，擱向前行（台語）。

108課綱之科技領綱

今年（2021）翰林出版社獨樹一格，在九上資訊科技科投入一顆強大的震撼彈：編入一章12節課的Python編程（我們暫借此詞語，因為通俗的程式設計（programming design）一詞太過形下而強調。「技法（skills）」。另一方面，運算思維（computational thinking）又太形上而有摸不著邊際之感）。有人一聽到國中生要學語法程式立刻心生疑問：新課綱不是規範第四教育階段（七到九年級）宜採積木式的視覺化程式設計工具（visualized programming tools）教學嗎？我們翻出科技領綱（https://reurl.cc/Krl7Rj ，第10頁）來細究它是怎麼說的：

中學的程式設計：包含程式設計的概念、實作及應用。「可」採用視覺化程式設計工具，並搭配演算法進行教學。

就字面上來說，「可」採不需等於「必」採，也就是說視覺工具是個建議值罷了。就教學面向來說，很難有一套學習法就能適用於所有的學生。畢竟教學實施的對象是「人」，而鍾鼎山林各有所好啊！

所以，重點似乎不在課綱規範什麼，反倒是我們要教哪些。

對筆者而言，我們備完課後所擬出的三點教學目標如下：

1. 編程共創：網路是一個便於分享與交流的平台，利用它的分散多工的環境洽好適合異地協作編程來共同創作專案。
2. Python體驗：在我們備完翰林版國九資訊科技第2章的從Scratch到Python後寫下《從軟體工具提升到資訊系統觀的12堂Python專題製作之旅：以1A2B為例》（https://reurl.cc/L7n0ax） 一文，接著就有同行前輩問道：上完這套Python課程模組後，能保證學生們都一定會寫程式嗎？這一問，勾起我們最深的信念：學習編程 ≠ 程式設計（精準來說是邏輯思考訓練），也不意味著人人將來都要成為程式設計師。所以，就如同芬蘭的孩童游泳課（https://reurl.cc/NZxoDn）一樣，設計各種遊戲來誘發小朋友不怕水，並能在水中潛水遊玩。因此，這短短的12節課並不是要教出未來的程式設計師，而是希望學生游藝於文字式編程之中。
3. 雲端工具運用：共用、自動儲存、免安裝的輕量客戶端（thin client）操作，把所有非敏感性資料存在雲端上以便於隨時隨地（anytime anywhere）取用的概念對現行的學生是陌生而不熟悉的（就筆者近十年的教學經驗觀察）。雲端工具與平台的學習和程式專案的儲存，也是資訊科技的核心能力之一，尤其對於成長在這個網路世代的莘莘學子而言，這樣的雲端環境很可能就是他們畢業後的工作生態，尤其處在在世紀大疫情傳播感染的浩劫威脅之下。

編程基礎

縱觀各類程式語言（programming languages）的基礎結構，不外乎是循序（sequential）、選擇（selective）與重複（repititive）。然後才是模組化（modularized）程式，再結合陣列（array）資料結構（data structure）往下延伸。而Python亦然。換言之，初學程式設計要學的就是這些程式語言共通的原理、原則。

Python教學信念

筆者在某私立貴族私校任職期間，曾經教授過小六Scratch動畫設計（因為私校的勤管嚴教校風，資深資訊老師共商不宜教授遊戲設計）一年。上完一學期後，就有學生聽聞要續上Scratch而顯無奈。而翰林版教材中，七、八年級已上了整整兩年的Scratch了，學生們的倦怠感已然叢生，編程工具是該進化了～。

此外，當代能真正拿來開發應用軟體的程式語言仍以文字語法式為主。要嘛就升上10年級再接觸，要嘛就早早接受這必要之惡。

其實，程式語言也好，程式設計也罷，編程教育真正要訓練的是邏輯思維，程式只是表現想法的一個載體（carrier）──工具各有巧妙不同，教學存乎一心而已！

IDE（Integrated Development Environment）工具

編寫Python程式的免費Windows IDE甚多，在表1中我們將就幾個面向來分類它們的選用考量，並詳細說明我們最終採用Replit的演進過程。

表1：各種常見的Python IDE。

回顧上節我們擬定的三大教學目標：

1. 編我共創 → Colab、Replit
2. Python體驗 → Colab、Replit、IDLE、Spyder、MS Visual Studio 2019、VS Code、Thonny
3. 雲端工具運用 → Colab、Replit、VS Code

很明顯地，三目標和7工具交集的結果是Colab和Replit。跟據我們實際教學的結果，因為學生端全數採用Google教育帳號登入，上兩次後竟發生圖1的Colab服務未開啟之窘境。經我們多方詢問與甞試後，推論出可能發生的問題來自本人雖身兼學校系管師，但並不是全校Google帳號管理者（super user）的權限（permission）。Colab不是預設的Google應用程式（apps），再加上學生的年齡皆未滿18。因此，我們不敢冒然開放非預設的使用權限。

圖1：Colab服務未開啟。

最後，我們選用Replit這套老牌IDE工具。截至目前為止，至少在筆者教授的9個班約2xx人次中操作都很穩定。

學習路徑（learning routes）

請推薦Python教材、Python要怎麼學…？（本文不討論「學Python要做什麼、為什麼要學Python…」這類動機問題， 提供給有需要的讀者自行檢視自身的學習需求）優秀的航海士都備有詳盡的航海圖，出海航行時才不致迷航。以下我們將介紹幾條可行的學習路徑供讀者們參考與選擇---它們沒有最好，只有適不適合！

1. JS積木（圖2） → Python：從JavaScript（JS）積木入門（https://makecode.microbit.org/#editor）可先不管文字式語法（syntax）的繁瑣規範。待有編程基礎後再進入Python的高階程式語言。
2. JS積木 → mP積木（圖3） → Python：在JS積木和Python中插人micro Python（官方的正式名稱叫static python，https://makecode.com/language。它是Pyhon語法的簡化版加上micro:bit開發版硬體控制程式的綜合體）為了方便起見，本文皆用mP來稱呼）做為中介的過渡站。在MakeCode平台上，mP的操作是拖曳出積木就會產生對應的語法程式，讓Python的初學者可以在進入純文字程式撰寫前有一稍稍的緩衝銜接。
3. mP積木 → Python：由mP積木自動產生語法程式的輔助開始熟悉mP的語法規則後，再進入Python的編程世界。
4. Blockly積木 → Python：此類較著名的Blockly積木工具有 Edu Blocks（https://app.edublocks.org/ ）和Blockpy（https://think.cs.vt.edu/blockpy/blockpy/load ）。其中，只有後者具積木和語法同時互轉的功能。
5. Python：純文字語法的編程學習。
6. 流程圖 → Python：國內已出版百餘本各類程式語言專書的陳會安老師（https://tinyurl.com/yfk6ym82）所撰寫的「看流程圖寫Python」工具fChart（http://hueyanchen.byethost10.com/?i=1），是著眼於本國教育的地域性設計而成的「編程邏輯」訓練工具。筆者曾向大師請益，陳老師是這樣語重心長的說道：

台灣的編程教育最大的問題在哪？邏輯訓練。

外國的教育方式比較沒這方面的問題。因此，歐系（例如：芬蘭）的編程教學採語法視覺化；美系則採積木化。教學目標是把程式語言簡化成小孩比較容易理解的積木。

反觀台灣的現況卻非如此。所以，一昧的推廣Scratch是合適的嗎？

另一方面，就陳老師近年來的編程教學實務經驗，他觀察到：流程圖才是編程之母。積木不是。小朋友們拉完積木程式後，卻不一定懂程式背後的運算邏輯。

筆者自2017年推廣micro:bit編程到今（https://tinyurl.com/ygqm5rcu），也深此疑惑。如今巧遇大師解謎，也正將編程教學修正為：

想法 ---流程圖 → 程式

註1：我國國情是3~9年級推Scratch視覺化編程工具，10~12年級才進入文字式編程（目前有C／C++和Python兩派）。然而，MIT官方並未有Scratch自動產生C／C++或Python語法程的工具。因此，在編程的學習持續上一直有著很大的接軌落差存在。

註2：日前，筆者已將fChart流程圖的150個專案（https://github.com/fchart/fChartExamples2）全數做過一遍。它如何寫成Python程式碼的說明可參照筆者錄製的解說影片（https://youtu.be/bj6ZEub_nKg）。

註3：以fChart流程圖執行來訓練編程邏輯的展示如 https://youtu.be/-IJPXaCTUY8 所示。

圖2：MakeCode的JS積木編輯介面。

圖3：MakeCode的mP編輯介面。

教學法（teaching methods）

筆者以為，中學編程教學最大的挑戰是：由資訊專業走入通識教育。本來文法商…等等資訊非相關科系是一輩子也碰不到編程的。然而，自從科技以日進千里的躍進之後，編程思維竟儼然演進成未來公民必備的素養之一。因此，編程教學法就變成格外的重要了。本節將討論下列兩種常見的編程教學方式：

1. 拆解法：教學者事先將程式做細部拆解。每次示範一小塊子功能。最後再組成完整的程式。
2. 範例式（learning by examples）：以小範例練習積累為主，不介紹深入的程式語法細節。強調從做中學習。

文字形語法常見錯誤類型

筆者就目前正在教授九年級Python程式設計12堂課的經驗，整理出下列幾種學生常見的語法錯誤類型：

1. 打錯字（typo）：如圖4所示。該生將加權平均.6（60%）誤打成6，少了小數點。

圖4：打錯字。

2. 漏打字：如圖5所示，int()函式（function）只打了()，而沒打int。

圖5：漏打字。

3. 縮排（identation）問題：如圖6所示，Pyhon用空格（space）來標示程式區塊（block）。該縮的一定要縮；不該縮的不可亂縮。

圖6：縮排錯誤。

4. 函式與算式分不清：如圖7，print()是函式不是算式（expression）。

圖7：函式 vs. 算式。

5. 變數名稱不一致：例如：average打成avergae。

6. ( )、[ ]未速配：Replit會有長方形的配對「提示」，但總有人會視而不見。

7. 語法規則還未進入長期記憶：例如：print('輸出字串')自動省略' '、print(字串1 + 字串2 + …)少打+…。

註：除了上述各類的程式錯誤外，現今國內資訊教育最大的困境在「打字」。筆者目前這批授課學生已九年級了，'、%、[ ]、數字鎖定鍵NumLock、倒退鍵、Del鍵、小寫i和小寫l不分、Ctrl+c、Ctrl+v…仍有不少學生很不熟悉，甚至找不到位於鍵盤何處而要舉手尋求協助。更嚴重的是，中／英打混合輸入時，全／半形不會控制。

英文菜菜子

現今的編程教育除了我國固有的邏輯缺陷（defects）與前述的語法障礙（barriers）之外，我們還有一個很嚴重語言依賴（dependency）：非中文不可。筆者每回第一次上課示範的軟體界面只要是英文版的，馬上就「AI（會唉）」起來。這是來自心底對英文的恐懼（當然，有一部份是中文的慣性），也是政府宣示2030要邁向雙語國家的最大挑戰！
就編程英文而言，從圖8可以歸納出四個發生點：

1. 英文UI（User Interface，使用者界面）。
2. 程式語言的英文語法。
3. 程式行間的語法錯誤提示。
4. 編譯錯誤訊息（error message）。

圖8：編程英文發生處。

就筆者自己的學習經驗而言，語言的使用（usage）只是一種習慣，多聽、多看、多用自然就如呼吸般自然。單字看不懂、句子讀不會只是表層，內心深處是否想學才是最大的關鍵。

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1. 六種授權條款。