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本书着眼于编程教学，可作为小学生信息科技的拓展教材。旨在启发学生的想象力、创造力及动手实践能力，使学生通过学习本书，掌握使用数字化编程工具设计与制作的方法，为之后的进阶编程学习打下坚实的基础，切实提高学生的数字核心素养。
书名：青少年学三维图形化编程
ISBN：978-7-115-63026-1
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著 史陈新
责任编辑 李永涛
人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
邮编 100164 电子邮件 315@ptpress.com.cn
网址 http://www.ptpress.com.cn
读者服务热线：(010)81055410
反盗版热线：(010)81055315
本书基于三维图形化编程软件—沐木编程，通过简单有趣的编程任务，引导学生通过拖曳编程积木学会三维图形化编程。
本书共9章，第1章和第2章介绍沐木编程及编程的基本概念。第3章～第5章分为初级、中级和高级编程，分别以十二生肖为主要角色来设计项目任务，引导学生逐步熟练使用沐木编程，并能根据任务要求进行程序设计与开发。第6章～第8章通过3个编程挑战项目，帮助学生提升对沐木编程的掌握程度，深入理解各类编程积木的运用方法。第9章介绍绘本故事编程，强化学生对角色模型、事件模块和广播消息的综合运用能力。
本书旨在启发学生的想象力、创造力及培养他们的动手实践能力，帮助他们掌握使用三维图形化编程工具进行程序设计与开发的方法，切实提高他们的编程素养。
本书适合想要学习三维图形化编程的读者，尤其适合编程零基础或编程基础比较薄弱的中小学生学习，也可作为中小学信息科技相关课程的拓展教材。
主 编：史陈新
副 主 编：季茂生 王振强 史 远
编 委：肖 明 金 文 刘建琦 田迎春 秦 源 吕学敏 马 郑
刘 硕 郑志宏 殷 玥 孙成革 王 健 高思思 柳宏伟
张海涛 孙雨漫 刘嘉琪 张 玮 成玲娜 王玥茗 刘 寅
孙路瑶 李瑞雪 李 倩 石明伟 蒋晓欣 薛 晖
特约编辑：赵筱妹
思维训练在新课程改革和教育发展中的地位举足轻重，其中对计算思维、设计思维和空间思维等思维方式的培养在21世纪的教育教学活动中愈发重要。对这些思维方式的培养模式在众多中小学校积极推行STEM教育和创新教育模式的过程中，被视为关键和核心，并得到了广泛的实践和探索。针对中小学生须适应时代发展的培养需求，有利于培养学生创新思维的软件工具和配套教材的提供显得尤为重要。教育部等十八部门联合印发的《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》明确强调，应“在科学教育教材中加强国产软件应用引导”，从而为学生创新能力和实践能力的培养创造新的育人环境。
本书以三维图形化编程软件——沐木编程为支撑，聚焦于“编程”“3D”“空间”等主题，为学生提供了创新实践性和具身体验性的学习环境。首先，通过三维视角的编程学习方式，学生可以更好地理解前后、左右、上下、远近等概念，提高观察力、想象力和三维空间理解能力。学生可以在编程中全方位地融入“空间感”，将抽象知识转化成立体可见的三维物体，激发学习兴趣，达到体验探究性学习效果。而且三维视角的引入可以让学生更好地投入到自己创造的世界中，减少了软硬件设施的制约，学生可以在三维图形化编程软件中有更大的创作自由度，更好地发挥自身想象力。其次，基于沐木编程的多种可选择的编程积木和实现步骤，学生可以快速掌握编程软件的基本使用方法，提高逻辑思维能力并养成严谨的思维习惯；同时，在每一个项目任务中，都为学生提供明确、真实的调试目标，并确保程序正常有效运行，从而培养学生仔细检查的习惯，提高他们提出问题和解决问题的能力。最后，使用不同种类的编程积木设计不同的算法，基于算法应用重点培养学生的逻辑思维和计算思维。在自由编程创作过程中，学生亦综合运用了所学的物理、数学、空间等知识，能获得更接近专业创作者的思考模式和工作方式训练。
当前，随着数字化社会的发展，教育越来越注重培养学生的思维能力和数字素养，其中，中小学信息科技课程对中小学生的成长和发展有着重要的影响，教师不再过于注重理论知识的灌输，他们逐渐意识到信息科技课程对于学生发展的时代性作用，若在小学阶段就基于三维图形化编程课程开展信息科技教育，则更有利于激发学生兴趣，提升学生的核心素养。在教育领域，教育数字化战略行动带来数字化转型、智能化升级发展的新境界，教育现代化发展已经进入新阶段，创新的教育技术形态不断涌现，人工智能已成为世界科技竞争的方向，拥有编程思维和编程能力的大批创新型人才培养将极大地影响全社会的未来发展，教育工作者需要在计算思维的培养上有所突破，以帮助学生应对人工智能时代的学习和生活，并成为能为科技强国发展而奋斗的合格建设者。
北京师范大学教育学部 教授、博士生导师 李玉顺
亲爱的读者：
你正在阅读的是一本专门针对三维图形化编程的图书，这本书主要面向对计算机编程和图形学充满热情的青少年。在新一轮的基础教育课程改革中，由于人工智能技术的快速发展，计算思维已被纳入信息科技课程的重要体系之中。在数字化时代，科技发展日新月异，编程在青少年中越来越受欢迎。相较于代码编程，图形化编程直观易懂，降低了程序编写的难度，为广大学生提供了更多学习编程的机会。
本书的目标是引导读者从基本编程概念开始学习三维图形化编程，并逐步深入理解和掌握各种相关技术和工具。在书中，我们将借助沐木编程这一国产软件来深入探讨三维图形化编程的方式方法。通过学习，你将能够创建令人惊叹的虚拟世界，实现你的创意并将作品展示给朋友。当你的作品被他人使用的时候，那种感觉将无比美妙。
本书涵盖的知识点包括编程基础知识、编程软件的使用、程序结构（顺序、循环、分支）、变量（数字、布尔、文字）、运算符以及各种功能模块的使用。在学习的过程中，你可能会遇到各种挑战和困难。请放心，本书提供了大量的实例和练习，只要你认真学习并勤于练习，即便你是编程零基础的学习者，也能逐步掌握三维图形化编程技术，提升计算思维能力和数字素养。
最后，希望你能享受这个富有趣味性的学习过程，并希望你在学习过程中获得丰富的知识和宝贵的经验。
祝你成功！
北京市海淀区教育科学研究院 北京市正高级教师、特级教师 马涛
随着计算机和互联网技术的日益普及，智能化已深度融入各行业的各项服务中，物联网技术则进一步将智能化广泛应用于生活中的各种实物。这一发展趋势进一步推动了编程技术普及率的提升。编程技能对学生的成长，尤其是培养有效的思维模式具有很大的帮助。
沐木编程是一种独特的三维图形化编程软件，可以通过拖曳编程积木的方式进行指令设计，具有作品发布功能，并且支持开源硬件、VR设备和人工智能等接口。沐木编程可以支持学生在三维环境中编写脚本，创建作品并实现三维特效，同时可以全视角查看程序运行效果。发布的作品可以独立运行，并可打包成单独的Windows程序。
本书以“快乐学习知识，养成思考能力”为宗旨，介绍以十二生肖为游戏角色进行游戏编程，将编程知识融入具体情境中，可使学生在游戏中逐渐摸索出编程的规律，从而培养其编程思维。
本书基于以下培养宗旨进行编写。
（1）致力于激发学生的编程潜能，帮助学生在掌握三大基本程序逻辑结构的基础上，将复杂的数理问题转化为有条理的程序逻辑。同时，本书强调培养学生主动学习的精神，教导学生如何发现并纠正错误，对已完成的任务进行全面复盘。
（2）注重培养学生的专注力和洞察力。学生通过系统性的训练，可以学会如何将问题拆解为一个个更小的组成部分，并运用逻辑思维逐一解决。
（3）着重培养学生的科技特长。本书指导学生从单纯的玩游戏转变为自主编写游戏。通过学习编程语言和游戏设计原理，学生可以创造出属于自己的动画、故事、音乐和游戏，享受创造的乐趣。同时，学生还可以在实践中不断提高自己的编程技能，提升自己在科技领域的综合素质。
本书共分为9章，旨在引领学生掌握沐木编程的基本使用技巧和创意编程设计的基本思路及方法。此外，本书还特别结合中国传统文化，为十二生肖赋予了现代社会中的不同品质，学生在学习过程中，能够领悟到不同角色所具有的美好品性。
第1章主要介绍了编程是什么，以及学习编程对我们的帮助。此外，本章还详细解读了沐木编程的特点、功能及安装过程。
第2章通过编写一个基础程序，带领学生熟悉沐木编程的项目编辑器。
第3章～第5章分别介绍了初级、中级和高级难度游戏的程序编写，其中涉及钻研鼠、毅力牛、勇敢虎、谦让兔、正义龙、自主蛇、互助马、自律羊、创新猴、分享鸡、细心狗和诚实猪等游戏的开发，帮助学生快速掌握沐木编程的操作技巧。
第6章～第8章通过打地鼠、赛马和连连看3个编程挑战项目，让学生进一步熟悉沐木编程的操作过程，学习“运动”“事件”“控制”程序模块的使用方法，为后续游戏的制作奠定基础。
第9章展示了如何通过编程将绘本故事——“小蛇搭桥”制作成具有互动性的立体化作品。这是对学生在本书学习过程中所学知识的综合检验和提升。
最后，感谢所有为本书编写提供支持和帮助的朋友们。书中可能仍存在一些不足和缺陷，我们诚挚邀请广大读者批评指正。联系邮箱：liyongtao@ptpress.com.cn。
北京市数字教育中心（北京电化教育馆） 史陈新
自1946年第一台计算机问世以来，计算机已有七十多年的发展历程。它现已广泛渗透至人类社会的各个角落，成为人们日常工作、学习和生活中不可或缺的实用工具。
编程语言是一种用于计算机理解的沟通工具。它们是由人类设计和编写的，以便计算机可以理解和执行指令。这些指令可以是简单的数学运算，也可以是复杂的逻辑运算。通过使用编程语言，我们可以让计算机执行各种任务，例如处理数据、运行程序、控制硬件等。
掌握编程能力后，我们可以更好地理解和利用计算机的工作原理，从而更高效地解决问题。我们可以编写代码来自动化重复的任务，优化算法以提高效率，开发新的工具和应用来改善工作流程。
通过学习与编程相关的知识和技能，我们可以逐渐形成计算思维、逻辑思维、设计思维。同时，我们亦能将已掌握的科学、技术、工程、数学和艺术方面的知识应用于实际操作和场景中。
在我们变得勇于探索、大胆实践的过程中，我们的自主学习能力会大大提高，编程会变得很简单。
逻辑思维是人类在探究外部世界时，运用概念、判断、推理等思维手段，能动地反映客观现实的理性理解过程。它在解析人们的思维模式及其运作规律的过程中被催生和成长。唯有经由逻辑思维，人们才能准确把握事物的本质和规律，进而认识和理解客观世界。逻辑思维代表了人类认知的高级阶段，也就是理性认知阶段。
编程是将自己的想法变成一个逻辑条理清晰、可以照此执行代码的过程。代码是以技术形式呈现的人类思维。我们调试程序的过程，实际上就是在调试我们的想法。软件开发专家杰拉尔德·温伯格曾说，“人们对自己正在谈论的内容往往只有一种模糊的认识，通过把这种认识转换成计算机程序，我学会了拨开迷雾的许多技能”。
编程不仅是一个将自然语言变换成逻辑语言的过程，更是一个不断试错的过程，在学生反复调试程序、修改程序中的错误的过程中，学生的思维严谨性也得到了锻炼，他们的思考更加全面，逻辑更加缜密。
在编写程序的过程中，如果少写一个字母或在某一行末尾少一个分号，程序运行就会报错，如果程序出现逻辑问题更会导致程序无法正常运行或者运行失败。在程序中排查错误也称找“bug”，在找“bug”的过程中充满了乐趣和挑战，学生会逐渐养成做事仔细、专注的好习惯。
当学生完成某件事并得到他人的认可时，有助于增强自信心。同样，在编程过程中，每一次调试，每一步调整，每一次效果的完美呈现，都会让学生参与交流的时候更加自信，有更多的话题。而每一个新发现都会让学生增强自信心、激发兴趣，更深入学习编程。
计算思维被称为“21世纪必备能力”，它对每个人都很重要。学习计算思维对于了解数字世界的运作方式、利用计算机的力量解决棘手的问题以及成就伟大的事业至关重要！
2006年周以真教授提出计算思维的概念：“计算思维是运用计算机科技的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。”
学生在学习编程的过程中，基于计算机科学来分析问题（顺序－重复－分支）、解决问题（调试－优化－重构），在不断训练中培养计算思维，从而能够更好地应对未来的变化。
创新能力属于一种复杂的综合性能力，褚宏启教授认为培养学生创新能力的中心任务是培养其创新性思维，其中包括发散性思维、元认知能力和批判性思维。对于创新而言，主要源于对于问题的解决。在具体的学科教学过程中，教师通过创设真实的问题情境，引导学生对所遇到的问题进行分析、解决，在这个过程中，学生的创新性思维得到了训练及提升。
“做中学”理论要求通过对实践过程中的感知形成知识，强调实践的重要性。基于三维图形化编程的课堂学习活动实际上就是一个“做中学”的过程──教师创设情境，学生在情境中自主探究或者以小组协作的形式，完成三维空间的建模设计，最后解决问题，最终培养学生的创新能力。
心理旋转能力即人在头脑中运用表象对物体进行二维或者三维的旋转能力，是发挥创新思维的必要条件。利用心理旋转可以实现空间能力的评估，对于诸多发明创造而言，都是依赖空间能力，因此空间思维能力的培养是创新能力发展的重要途径之一。在三维图形化编程学习中，除去编程算法外，最考验学生的内容就是三维空间思维能力，利用三维空间设计可以有效培养学生的创新能力。
编程是一种跨学科的学习，它强调知识跨界、场景多元、问题生成、批判建构、创新驱动，既体现出知识综合化、实践化、活动化的诸多特征，又反映了回归生活、回归社会、回归自然的本质诉求。在学习过程中是对科学、技术、工程、数学等各种学科的综合运用，属于STEM创新教育。近些年，国家对STEM课程的建设尤为重视，更是将科技创新提升到了国家重大战略的地位。
学生在编程过程中，需不断思考并寻找解决程序问题的方法。他们可以通过查阅资料或向教师请教等方式来寻找解决方案。每当学生成功解决问题，这会给他们带来喜悦，这种喜悦感反过来又能刺激他们的学习积极性。随着时间的推移，这种解决问题的习惯将逐渐形成并培养，学生将自然尝试自主解决生活或课业中的问题，从而有效培养他们的自主学习习惯。
很多科技界的名人从小开始学习编程，如乔布斯11岁开始编程，创办了苹果公司；比尔·盖茨13岁开始编程，创立了微软公司；扎克伯格10岁开始编程，创立了FaceBook；埃隆·马斯克10岁开始编程，创立了特斯拉公司。编程的世界中，技术开源是一种流行模式，学生可以通过各种流行的技术了解全球各地开发者的思想、行为，慢慢成为其中的一员，这样就构成了一个国际的交流环境，可以相互交流、学习与分享。
我们在学习三维图形化编程之前，先认识一下沐木编程这款三维图形化编程软件，了解沐木编程的功能、特点，以及如何下载和安装。
沐木编程是国内拥有完全自主知识产权的三维图形化编程软件，图1-1所示为利用该软件设计的程序。沐木编程使用积木式程序指令在三维舞台环境中对角色进行操作，学生能够在三维环境中制作各种多媒体交互作品，并且可以结合VR技术和智能硬件实现更加真实的交互体验。
图1-1
沐木编程可以实现顺序、分支、循环等控制功能，并具有公有变量、共享变量、私有变量、自定义函数、递归等高级编程功能。沐木编程以事件驱动，包含事件、控制、运算、侦测、变量、外观、特效、运动、环境、声音、自定义积木、智能硬件、人工智能等13大类，超过180种编程积木，如图1-2～图1-5所示。使用编程积木可以控制角色位置、尺寸、方向、颜色、运动方式等，以及虚拟世界环境、光照强度、重力、仿真碰撞等。
图1-2
图1-3
图1-4
图1-5
沐木编程支持开源硬件直接编程，如图1-6所示，生成程序代码并上传到硬件上，使硬件可以脱离计算机实现对应功能。支持为开源硬件上传底板程序，使开源硬件无须上传程序代码即可快速实现相应功能，并且可以通过有线或无线与软件作品进行通信，实现软硬件之间的双向互相控制功能。提供与硬件相对应的编程积木，可以支持包括LED灯、避障传感器、红外循迹传感器、超声波传感器、温湿度传感器、摇杆、按键、水银开关、光敏传感器、电位器、4位数码管、干簧管、触摸传感器、调速电机、舵机等多种传感器和输入输出设备。支持第三方硬件机器人，可以对机器人的各个关节进行细微控制，或者直接指挥机器人做出某种动作。
图1-6
沐木编程支持制作VR作品，如图1-7所示，可以一键切换到VR设备。支持SteamVR标准VR硬件设备，实现VR设备的即插即用。具有支持VR硬件设备的相关编程积木，包括VR虚拟尺寸、VR头盔、VR手柄等硬件的相关数据的获取、设置、检测等功能。
图1-7
沐木编程提供海量的编程素材，如图1-8所示，包括10个场景库、基础模型库（大写字母、符号、基础素材包、木质积木、阿拉伯数字共589个）、声音库（默认声音、背景音乐、动物、动作、生活、声效、自然环境共260个）、9个天空布景、我的编程世界（A－安全、B－兵器、C－材质积木、C－餐具、C－厨具、C－传统艺术、D－地图、D－冬奥、D－动物、G－工具、G－国家名称（文字）、H－害虫、H－环保、H－环境、J－机器人、J－机械、J－建筑、J－交通+设施、J－居家、P－拼图、Q－其他、R－人物、S－商务、S－食物、S－手势、S－数字、T－太空+火箭、T－图片、W－玩具、W－文字、W－物品、X－校园系列、X－形状、X－学习用品、Y－乐器、Y－医疗、Y－游乐园、Y－运动、Z－植物、Z－装饰、Z－字母共2000个）。
图1-8
（1）独特的三维环境的创作工具。
沐木编程可以在三维环境中编写脚本，通过三维角色和场景创建作品，实现三维特效，并且可以全视角地查看程序运行效果，如图1-9所示。
图1-9
（2）可视化的编程方式。
通过拖放编程积木拼接成脚本进行程序设计，既降低了指令记忆的难度，也避免了语法错误，让使用者更专注于思考如何解决问题。
（3）发布的作品可独立运行。
沐木编程具有作品发布功能，可以将作品打包成单独的Windows程序，使其脱离开发环境独立运行。
（4）丰富的扩展功能。
支持开源硬件，支持VR设备，具有人工智能等接口。
（1）安装的必备条件。
● 操作系统：Windows 7/10/11，支持64位的版本。
● 计算机硬件：CPU要求3.0GHz及以上，内存要求4GB及以上，可用磁盘空间不低于2GB。
（2）登录沐木教育官网下载安装程序，如图1-10所示。
图1-10
（3）启动安装程序。
以系统管理员身份直接双击下载的安装程序，如图1-11所示。运行后会弹出安装界面，如图1-12所示。
图1-11
图1-12
（4）选择安装位置并安装。
选择好安装位置后单击“立即安装”按钮，如图1-13所示。
图1-13
（5）安装成功并启用。
软件安装成功后，双击软件的快捷启动图标启动软件，复制机器码，通过扫描二维码添加微信进行授权，如图1-14所示，注册后即可使用。
图1-14
（6）卸载。
卸载沐木编程非常简单，和卸载Windows中的其他应用程序一样，直接在控制面板中选择“添加或删除程序”，并在其中选择沐木编程进行卸载。
本章主要介绍了沐木编程的特点、功能、安装及卸载等。在接下来的章节中，同学们将学习沐木编程的使用，学习编程技巧。在学习编程的过程中，同学们的逻辑思维、计算思维、创新思维的能力也会得到锻炼和提高。
