Scratch — язык программирования для детей
Применения визуального языка программирования Scratch и возможности его использования.
Тенденция на повышение компьютерной грамотности и освоение технологий с самого раннего возраста привела к тому, что все больше родителей хотят обучать детей основам программирования с раннего возраста. Создание сайтов или своих проектов в привычных средах разработки вряд ли заинтересует 7-летнего ребенка, и для решения этой проблемы в 2003 году в MIT появился первый прототип языка Scratch, специально предназначенного для обучения школьников младших и средних классов основам создания собственных игр, анимаций и совместной работы над проектами.
Что такое Scratch
Скретч создан как продолжение идей языка Лого и конструктора Лего. Скретч 1.4 был написан на языке Squeak, Скретч 2.0 и 3.0 ориентированы на работу онлайн. Скретч 2.0 был переписан на Flash и ActionScript. Скретч 3.0 (текущая версия) является улучшенной версией Скретч 2.0 и сделана на HTML5, используя движок WebGL, что даёт ему возможность работать на мобильных устройствах и планшетах. Скретч разрабатывается небольшой командой программистов для детей в Массачусетском технологическом институте. Текущая версия — Скретч 3.0, выпущена в январе 2019 года.
Scratch — это визуальная объектно-ориентированная среда программирования. В ней ученики управляют объектами-спрайтами. Для них задается графическое представление, которое может быть импортировано из любого источника изображения, и скрипт действий, который составляется из блоков по принципу drag-and-drop. Эти блоки бывают нескольких видов:
Самое распространенное применение Scratch — это обучение детей программированию в форме создания мультфильмов или игр. Помимо этих применений, Scratch можно использовать для образовательных целей и создавать в программе иллюстративные материалы для уроков не только по программированию, но и по истории, биологии, физике и другим предметам. С версии 2.0 была добавлена функция звукового редактора, что расширяет возможности работы с разными видами данных.
Примеры приложений
Вот несколько примеров проектов, созданных при помощи платформы:
Как начать разработку на Скретч
Пользоваться Scratch можно полностью бесплатно как в онлайн-версии, так и в офлайн-редакторе. В 2014 году также вышла версия Scratch для детей младшего возраста под названием ScratchJr. Это мобильное приложение для Android и iOS, в котором дети так же управляют спрайтами, только в более упрощенной форме. В блоках не используется текст, поэтому дети могут учиться программировать до того, как научатся читать, и им доступен ограниченный набор действий: простые движения спрайтов и работа со звуками и изображениями.
Скретч (язык программирования)
Митчелл Резник (Mitchel Resnick)
Лого, Smalltalk, HyperCard, StarLogo, AgentSheets, Etoys, Tweak
Скретч (произносится «скрэтч») — это визуальная объектно-ориентированная среда программирования для обучения школьников младших и средних классов. Название Scratch произошло от слова scratching — техники, используемой хип-хоп диджеями, которые крутят виниловые пластинки взад-вперёд руками для того, чтобы смешать музыкальные темы. [1]
Скретч создан как продолжение идей языка Лого и конструктора Лего. Написан на языке Сквик. Скретч разрабатывается небольшой командой исследователей из «Lifelong Kindergarten Group» [2] в Массачусетском технологическом институте. Текущая версия — 1.4, выпущена 2 июня 2009 года.
Программы на скретче состоят из графических блоков, подписи к которым зависят от выбранного для интерфейса языка. Может быть выбран один из 50 языков интерфейса, включая русский. Для подключения интерфейса на новом языке используются стандартные gettext файлы.
Содержание
Программирование
Основными компонентами Скретч-программы являются объекты-спрайты. Спрайт состоит из графического представления — набора кадров-костюмов (англ. costume ) и сценария-скрипта. Для редактирования костюмов спрайтов в скретч встроен графический редактор (англ. Paint Editor ). Действие скретч-программы происходит на сцене (англ. stage ) размером 480×360 (условных) пикселей с центром координат в середине сцены.
Для программирования сценариев в скретче используется drag-and-drop-подход: блоки из Окна блоков перетаскиваются в область скриптов.
По функциональному назначению блоки делятся на 8 групп, принадлежность блока к той или иной группе обозначается его цветом.
| Группа | английское название | Цвет | Примечание |
|---|---|---|---|
| Движение | movement | синий | |
| Внешность | looks | сиреневый | |
| Звук | sound | розовый | |
| Перо | pen | зелёный | используется для черепашьей графики |
| Контроль | control | жёлтый | управляющие конструкции, заголовки обработчиков событий |
| Сенсоры | sensing | голубой | опрос устройств ввода |
| Операции [4] | operators | салатовый | арифметико-логические операции |
| Переменные | variables | оранжевый |
У многих блоков имеется редактируемое белое поле для вводимых скретч-программистом параметров.
Блоки бывают трёх видов: блоки стека, блоки заголовков и блоки ссылок.
Блоки стека (англ. Stack Blocks ) сверху имеют выемку, а снизу — выступ, их помощью они объединяются в группу блоков, называемую стеком. Стеки можно копировать и перемещать как единый блок. Особой разновидностью блоков стека являются управляющие конструкции, такие как циклы — они имеют С-образную форму, и могут охватывать собой вложенный стек скретч-блоков.
Блоки заголовков (англ. Hats ) имеют выпуклый верхний край и выступ для объединения снизу — они образуют заголовки скретч-стеков. К блокам-заголовкам относятся блоки «когда …» (англ. when … ) из группы «Контроль», позволяющие организовать обработчики сообщений: внешних — от клавиатуры и мыши, и внутренних — передаваемых между спрайтами и позволяющих объектно-ориентированное программирование в smalltalk-стиле.
Наконец, блоки ссылок (англ. Reporters ) предназначаются для заполнения внутренних полей других блоков.
Язык скретч (как и Лого) оперирует числами, текстовыми строками, логическими значениями, а также списками, играющими роль динамических массивов.
Хотя архитектура скретч-программ, в виде набора спрайтов скретча, обменивающиеся друг с другом событиями, напоминает объектно-ориентированную, скретч не является объектно-ориентированным языком в нём (ни в каком виде) нет механизмов наследования (в последних версиях расширенного диалекта скретча BYOB введено прототипное наследование).
Исходный код
После выхода версии 1.4 исходный код Скретча был открыт на условиях Scratch Source Code License — представляющей собой простую копилефтную лицензию, с дополнительными ограничениями по неиспользованию оригинальных торговых марок (в более мягкой форме подобные ограничения включены, к примеру, в PHP License).
Код может быть загружен с официального сайта. [5] Условия его использования и распространения следующие:
Распространяемый исходный код уже удовлетворяет данным условиям: в нём заменены логотип и спрайт с котом и удалён код сохранения скретч-проекта на scratch.mit.edu.
Впрочем, поскольку Scratch написан на Squeak, доступ к его исходным текстам существует и без предоставления их пользователю в явном виде — они хранятся вместе с результатом их компиляции в файле образа (англ.) смолток-системы. Хотя доступ к инструментам программирования и отладки языка Smalltalk, таким, как, System Browser по умолчанию в Scratch закрыт, разработчики оставили лёгкий способ получения доступа к этим возможностям. Достаточно зажать клавишу ⇧ Shift и кликнуть мышью по букве «R» в логотипе Scratch в левом верхнем углу окна программы, и выбрать в появившемся выпадающем меню пункт «Turn fill screen off». [6] [7]
Модификации и дальнейшее развитие
На основе исходного кода Scratch 1.4 был создан ряд модификаций языка, [8] таких как:
Разработан в Университете Беркли. Основным расширением языка, которое было введено в BYOB стала возможность построения составных пользовательских блоков — аналога процедур обычных языков программирования. Поддерживаются рекурсия, замыкания и лямбда-выражения. Также добавлены отладчик и возможность компиляции в исполняемые файлы, вложенные спрайты, многомерные списки, улучшенная работа со скроллингом и компиляция исполняемых файлов. Начиная с версии 3.1 в BYOB добавлена поддержка ООП — спрайты BYOB теперь позволяют наследование на основе прототипов. Для этого в язык, в частности, введен механизм клонирования спрайтов.
Panther
Panther — расширяет скретч поддержкой drag-n-drop управления спрайтами, возможностью клонирования спрайтов (объектов), и подсистемой CYOB (которая, как и BYOB, позволяет создавать собственные командные блоки, но требует для этого знания языка Squeak (современный диалект Smalltalk, на котором написан Scratch и его модификации).
Механизм Mesh
И BYOB, и Panther включают поддержку механизма mesh, [15] обеспечивающее взаимодействие scratch-программ через сеть посредством разделяемых переменных и посылки широковещательных сообщений.
Slash
Slash дополняет возможности BYOB 3.0 новыми возможностями Panther: клонированием и перетаскиванием спрайтов (объектов).
StarLogo TNG
В 2008 году в Массачусетском технологическом институте также разработан образовательный язык программирования StarLogo TNG, [16] который расширяет возможности системы StarLogo возможностями трёхмерной графики и скретчподобным языком визуального блочного программирования. В отличие от оригинального OpenStarLogo [17] и MIT Scratch — StarLogo TNG в настоящее время не является программным продуктом с открытым исходным кодом.
Scratch 2
В феврале 2011 была выпущена первая онлайновая бета-версия Scratch 2.0, [18] в который планируется включение некоторых из возможностей BYOB (такие, как создание пользовательских процедур), векторной графики, клонирование спрайтов, возможность групповой работы над проектами и т. д.
App Invertor
Ещё одной средой программирования, использующей стыковку визуальных логических блоков в стиле паззла стал App Inventor — экспериментальная система визуального программирования для платформы Android.
Scratch для «продвинутых»
Клонирование и переменные в Scratch
Моему ученику нравилась игра — «Зомби против растений». И ему было интересно самому запрограммировать её. Давайте вспомним как данная игра работает? С правой стороны у нас есть шеренга растений, которая расстреливает приближающихся зомби.
Есть множество решений данной задачи, но на мой взгляд более элегантное решение — задействовать минимально возможное количество спрайтов, т.е. использовать клонирование.
Как сделать так, чтобы у каждого отдельного клона был собственный уровень жизни? Что выбрать переменные или списки? Сделали попытку использовать списки, но после более детальной проработки поняли, что данная структура данных не помогает решить проблему. У переменных и списков, в Scratch есть 2 типа видимости для каждого типа данных — это «для всех спрайтов» или «только для этого спрайта». Пришлось проверять область видимости. Начали мы с переменных.
Дойдя до рабочего варианта переменной с областью видимостью «только для этого спрайта». В классических языках программирования такой тип видимости называют — локальным или приватным в зависимости от контекста.
Оказывается, что если эта переменная с данной областью видимости используется в клоне, то в клоне создается экземпляр переменной, принадлежащий конкретному клону и который используется для внутренних вычислений/работы клона. В нашем случае, у каждого клона есть своя «жизнь». Если стало интересно, то советую обратиться к справочнику. А вот картинка, которая показывает, как спрайты или клоны работают с переменными разных типов видимости.
Переменная с областью видимости «для всех спрайтов» (рисунок слева) — одна на всех. Кстати, здесь вы можете с детьми посмотреть работу с критическими секциями и что такое гонка за ресурс. А если область видимости переменной — «только для этого спрайта», то у спрайта и у его клонов появляется собственная переменная с тем же именем, с которой они работают (рисунок с права). И клоны не имеют доступа к переменной оригинала и переменной другого клона.
Это стало неожиданным и приятным открытием свойств Scratch для создания подобных алгоритмов.
ВАЖНО: Переменная — это очень мощный инструмент настоящего программиста, поэтому я сразу учу детей правильному именованию переменных, так как этот навык поможет им в проектах разной сложности.
Имена объектов как их идентификаторы
ВАЖНО: все переменные с зоной видимостью «только для этого спрайта».
Данный инструмент для меня стал совсем неожиданным. Давайте начнем с истории о том, как мы с учеником наткнулись на данную особенность языка. Мой ученик решил, создать игру с «искусственным интеллектом». Игра представляет звездные войны на космических кораблях и у игрока есть возможность управлять одним кораблем, в то время как противники гоняются за вами и за друг другом. Чтобы они могли преследовать вас или друг друга, им нужно как-то принимать решение о том, кого преследовать. Данную задачу можно решить в лоб и задать очередность преследования кораблей, но игра потеряет свою интеллектуальность и быстро наскучит. Поэтому ученик решил настроить интеллект таким образом, чтобы корабли с интеллектом преследовали ближайшего противника. Давайте посмотрим, как он начал решать данную задачу.
На мой взгляд хорошее решение для создания быстрого прототипа. Но какие ограничения здесь есть? Первое, усложнение кода по мере добавления новых кораблей. Следовательно, сложность кода повышается и не исключены мутации кода из-за усложнения. Время поиска ошибки и отладки алгоритма будет расти. И конечно, никто не отменял такую прикольную метрику, как старение кода (advance level SW Development). Что же делать? А делать необходимо следующее, нужно сделать обобщеный алгоритм, который будет динамично приспосабливаться к увеличению или уменьшению количества кораблей.
Для данного алгоритма нам и понадобиться свойство языка — имя как идентификатор объекта. Пришло время больших изменений и здесь вы, как учитель, можете рассказать про такое явление как рефакторинг. Это последовательное изменение кода, улучшение его структуры и его оптимизация. А главное, чтобы каждое изменение не ломало работу программы, и объем изменений тоже должен очень аккуратно подобран. Слишком много изменений — плохо, слишком мало — долго. Сформированный навык рефакторинга даст преимущество и эффективность работы программиста. Но для формирования навыка нужно работать головой, а не просто тыкаться. У меня получилось сделать 4 изменения в первоначальной программе и результат не изменился.
Заметьте, что я еще не удалил блоки, а оставил их. Зачем? Потому, что если что-то пойдет не так, мы можем вернуть предыдущий вариант, начав все заново. Но как только я проверю правильность выполнения обновленного скрипта, я сразу же их удалю, чтобы не отвлекаться на них в последующем.
Заметили? Сейчас в блоке «повернуться к …» стоит переменная и эта штука работает. Т.е. мы минимальными усилиями проверили, что данный подход работает. Это просто круто. Теперь мы можем начать писать алгоритмы, которые позволят определять объект преследования ближайшего корабля.
Что нам пригодится? Это из структур данных — это переменные и списки. Из алгоритмов — это нахождение минимального числа (расстояния) в списке. Еще нам необходим алгоритм, который определит имя объекта для преследования по минимальному расстоянию.
Сейчас будет написано много кода. Но для того, чтобы потом не захлебнуться и не запутаться в куче скриптов, нам необходимо использовать еще одну классную функцию, а именно создание собственных блоков. Эта функция очень мощная, но ее редко используют школьники, да и некоторые программисты, а ведь она позволяет создать понятный с первого прочтения алгоритм программы. Кстати, можете почитать про приемы создания понятного кода в книге Мартина Фаулера «Рефакторинг. Улучшение существующего кода»
Как и перед любым масштабным строительством нам необходимо все спланировать. Давайте спланируем в каком порядке будем разрабатывать блоки:
Для того, чтобы создать обобщенный алгоритм нам чем-то нужно пожертвовать, например, оригинальными именами спрайтов, придется их стандартизировать и получим следующий расклад.
И теперь мы готовы описать 1 часть программы. Все пишем для 1-ого корабля. Запускаем отдельно данный скрипт и смотрим результат. Поехали!
Если мы добавим новый корабль, нам нужно изменить в данном алгоритме лишь одну циферку. Клево? Клево!
Погнали дальше. А давайте научим его 2 алгоритму. Смотрим, что получилось. Это сразу конечный результат со вспомогательными функциями.
Ура! Работает. Проверить это можно следующим образом, должен быть обязательно 0 одним из значений в списке расстояний. Если у вас это не так, ищите ошибку.
Едем дальше! Поиск минимального расстояния. Заметили, что расстояние всегда положительно. И всегда будет минимальное число — 0. Ай-я-яй! Вывод — искать минимум, но не ноль. Можете попробовать свои силы и оптимизировать код самостоятельно, чтобы не делать расчет расстояния от корабля 1 до корабля 1 (это не опечатка).
Обучаем спрайт новой функции и получаем.
Не забываем проверять! Для этого можно даже остановить игру и запустить отдельный скрипт.
Мы написали все, что необходимо, теперь главное правильно использовать данные функции.
Если у вас все работает правильно, то вы должны увидеть следующее:
Заметили, что корабль с «искусственным интеллектом» разрывается между разными противниками. Вы можете усовершенствовать программу и усложнить принятие решения. Например, если у преследуемого корабля осталось мало жизни, то он добивает его, а если он нашел, ближе и с еще меньшим здоровьем, то добить сначала слабейшего.
Кстати, в данной программе можно уменьшить количество действий и усовершенствовать алгоритмы. Попробуйте свои силы. Взять данную программу можно здесь.
Подводим итоги
Вот на таких кейсах я узнал, как Scratch дает возможность ученикам быстрее освоить множество реальных техник программирования. На нем можно рассказывать про работу критических секций, про обобщенные алгоритмы, про переменные и их области видимости, про создание собственных блоков и структурирование кода. А также на данном языке можно рассказывать про профессиональные навыки, например, рефакторинг.
Это лишь малая часть инструментария программиста, но она являет очень важной. А в Scratch это объяснить становится чуточку легче.
Общие сведения
Что такое Scratch?
Если вы хотите научиться создавать компьютерные программы, мобильные приложения, сайты, игры или любое другое программное обеспечение, вам, нужно научиться программировать. Программы пишутся на языках программирования, которые и дают программе возможность работать – быть выполненной компьютером, смартфоном или иным вычислительным устройством. Когда люди думают о языках программирования, им представляется постоянная морока, как выучить правила синтаксиса, куда поставить квадратные скобки и двоеточия. Некоторыми языками умеет пользоваться только небольшое число их собственных разработчиков, другие становятся доступны миллионам людей.
На Scratch компьютерные программы создаются практически как конструктор LEGO: на экране собираются графические блоки, которые управляют анимированными героями. Таким образом можно создать историю или игру и контролировать поведение разных героев, соединяя графические блоки. Точно так же как из конструктора LEGO собирают различные конструкции, на Scratch можно создавать интерактивные истории и игры, а потом, что важно, делиться ими с ребятами по всему миру на сайте Scratch.
Scratch – это простой и доступный всем в использовании язык программирования.
Почему сегодня важно уметь программировать?
Сегодня у молодого поколения есть большой опыт и знания о пользовании информационными технологиями, но намного меньше о создании программ с помощью новых технологий, выражении себя при помощи новых технологий. Почти как если бы они могли читать, но не умели писать при помощи технологий.
Постепенно, люди начинают осознавать важность навыков программирования. Программирование открывает детям множество новых явлений, множество новых возможностей для обучения. Так же, как это происходит с чтением и письмом: если вы умеете читать и писать, вы сможете узнать много разных новых вещей. Сначала вы учитесь читать, а потом читаете, чтобы учиться. То же самое происходит с программированием: сперва вы учитесь программировать, а затем программируете, чтобы учиться. В цифровом мире самым важным и необходимым языком является язык программирования.
Программирование – это вторая грамотность.
А если мой ребенок не хочет быть программистом?
Когда говорят, что человек умеет думать, обычно, подразумевают развитое алгоритмическое мышление. Такой тип мышления очень сильно помогает освоению многих знаний и навыков, в том числе и школьных предметов. Мышление правильными, оптимальными алгоритмами помогает делать все быстрее и, как правило, более качественно. Большинство детей которые «учатся жизни» по проверенным временем алгоритмам решения «житейских» проблем, чувствуют себя увереннее сверстников и проще справляются с любыми трудностями.
Пониманием и построением алгоритмов занимается информатика. Информатика также изучает их свойства. Логично предположить, что изучение дисциплин, связанных с информатикой и программированием, разовьёт алгоритмическое мышление наилучшим образом. Развитие алгоритмического мышления учащихся происходит тем эффективнее, чем раньше оно начинается.
Конечно, большинство детей, изучающих Scratch, не станут потом программистами. Но обучение программированию принесет пользу и им: оно помогает более полному творческому самовыражению, бесценно для развития логического мышления и позволяет лучше понимать, как работают новые технологии, которые окружают нас в повседневной жизни. Независимо от того, кем хочет стать ваш ребенок в будущем, умение программировать на Scarcth позволит ему в будущем планировать свои действия и находить необходимую информацию для решения любых жизненных задач.
В чем преимущества Scratch как образовательной среды?
Для успеха сегодня, наверное, важно не столько, что ты знаешь, сколько – можешь ли изучить что-то новое, можешь ли ты найти креативное решение нестандартной задачи. Люди все чаще сталкиваются с нестандартными ситуациями, в которых необходимо мыслить креативно. Так что способность креативно думать и действовать важна как никогда раньше. С помощью Scratch у детей появляется возможность развить свой голос, найти вдохновение в работе других и сделать что-то похожее, но свое, выразить свои собственные идеи и поделиться ими с другими людьми по всему миру.
Кроме того, по мере изучения программирования на языке Scratch у ребят формируется не только логическое и алгоритмическое мышление, но и навыки работы с мультимедиа, создаются условия для активного, поискового учения, разнообразного программирования. Ребята научатся понимать и создавать компьютерные программы, использовать компьютер для решения различных задач. Таким образом от устаревшего понятия ”пользователя ПК“ (офисного планктона) будет осуществляться переход к ”создателю и соавтору информационного пространства“.
Вам не кажется, что пришло время и Вам подумать о том, чтобы научиться программировать?
Митчел Резник
профессор (LEGO Papert Professor of Learning Research) лаборатории Media Lab Массачусетского технологического института, занимается разработкой новых технологий и видов деятельности для вовлечения людей (детей в первую очередь) в креативное обучение.
Исследовательская группа Lifelong Kindergarten под его руководством разработала и развивает язык программирования Scratch и онлайн-сообщество на сайте scratch.mit.edu, участниками которого являются миллионы людей по всему миру. Совместно с компанией LEGO группа работает над развитием новых образовательных идей и продуктов, в том числе конструкторов LEGO Mindstorms для создания роботов и робототехнической платформы WeDo. Резник является сооснователем проекта Computer Clubhouse, международной сети 100 центров дополнительного образования, в которых дети из небогатых семей учатся творческому самовыражению с помощью новых технологий.
Резник получил степень бакалавра по физике в Принстонском университете (1978 г.), степень магистра и докторскую степень по информатике в Массачусетском технологическом институте (1988 г. и 1992 г.). С 1978 по 1983 гг. работал журналистом, специализирующимся на науке и технологиях. Автор книги “Черепахи, термиты и пробки” (Turtles, Termites, and Traffic Jams, 1994 г.), соредактор книги “Конструктивизм на практике” (Constructionism in Practice, 1996 г.) и соавтор книг “Приключения в моделировании” (Adventures in Modeling, 2001 г.) и “Официальная книга ScratchJr” (The Official ScratchJr Book, 2015 г.). Лауреат Премии Гарольда В. Макгроу-мл. в образовании (2011 г.) и премии Ассоциации по развитию компьютерных технологий в образовании (Association for the Advancement of Computing in Education, AACE) EdMedia Pioneer Award (2013 г.).
