AI戰(zhàn)略下少兒編程與計(jì)算思維培養(yǎng)淺析

譚忠

摘 要：全球矚目的“智能+”時(shí)代加速到來，我國正逐步確立世界人工智能產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)者地位，人工智能AI作為新一輪產(chǎn)業(yè)變革的核心動(dòng)力，在虛擬現(xiàn)實(shí)、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、人機(jī)對(duì)弈等諸多領(lǐng)域推動(dòng)整個(gè)社會(huì)生產(chǎn)力，發(fā)展人工智能已然成為我國的國家戰(zhàn)略。少兒編程顯然是有效培養(yǎng)少兒計(jì)算思維，進(jìn)而培養(yǎng)大量人工智能儲(chǔ)備人才的有效路徑之一。本文以Scratch圖形化編程軟件為載體，探索其與計(jì)算思維培養(yǎng)的契合之處，以期為培養(yǎng)少兒計(jì)算思維、自主鉆研和創(chuàng)新能力提供一種可行方式。

關(guān)鍵詞：人工智能;少兒編程;計(jì)算思維;教學(xué)策略

2017年7月國務(wù)院頒布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，全面論述了發(fā)展人工智能是我國的戰(zhàn)略性舉措，規(guī)劃指出：應(yīng)逐步推廣全社會(huì)智能教育，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能課程、普及編程教育，在高等教育階段建設(shè)人工智能專業(yè)，培養(yǎng)計(jì)算思維的復(fù)合型人才，從而提高我國人工智能人才儲(chǔ)備。

人工智能（Artificial Intelligence，縮寫為AI）是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)，其研究領(lǐng)域包括模式識(shí)別、自然語言和圖像理解、專家系統(tǒng)、自適應(yīng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃、博弈論文、智能搜索與推薦、DNA編程、智能控制以及機(jī)器人技術(shù)等。

計(jì)算思維（Computational Thinking）是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。簡(jiǎn)單理解為：人們通過分解、轉(zhuǎn)換、化簡(jiǎn)和仿真等方法，把原本復(fù)雜、看似無法解決的問題，轉(zhuǎn)化成多個(gè)小的、簡(jiǎn)單的、有辦法解決的問題，各個(gè)擊破進(jìn)而解決原本的復(fù)雜問題。

目前，全球使用最廣泛的少兒編程語言Scratch，是麻省理工媒體實(shí)驗(yàn)室（MIT Media Lab）終身幼稚園組（Lifelong Kindergarten）開發(fā)的，一款針對(duì)于少兒的編程軟件。它作為一款入門級(jí)編程工具，可以讓6-13歲的少兒創(chuàng)建自己的交互式故事和游戲，使用圖形化編程語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，充分滿足孩子們的認(rèn)知、個(gè)人、社交和情感需求。其編程語言由“編程塊”組成，其中的編程塊被設(shè)計(jì)成其語法屬性與視覺屬性相對(duì)應(yīng)的“積木塊”。在使用Scratch應(yīng)用程序時(shí)，孩子們可以通過拖拽一系列積木塊組合來控制角色的外觀、動(dòng)作以及交互，從而創(chuàng)建編程腳本。

一、少兒計(jì)算思維培養(yǎng)

1、少兒編程教育現(xiàn)狀分析。少兒編程教育在世界各國均引起了從教育專家到國家領(lǐng)導(dǎo)社會(huì)各方面的廣泛重視，制定了相應(yīng)的措施并進(jìn)行了大規(guī)模的實(shí)踐。美國、日本、德國、澳大利亞等都相繼制定和出臺(tái)了一系列強(qiáng)化少兒編程教育的實(shí)施方案，英國甚至早在2014年就把編程作為所有學(xué)校的必修課，規(guī)定5至7歲的少兒應(yīng)理解簡(jiǎn)單算法并能將算法轉(zhuǎn)換為程序。而Scratch編程軟件在美國市場(chǎng)滲透率為45.60%，英國為10.97%，中國僅0.98%。筆者深感憂患。

2、少兒學(xué)習(xí)編程的認(rèn)知特點(diǎn)。認(rèn)知（Cognition）也稱認(rèn)識(shí)過程，是指人們認(rèn)識(shí)、理解事物或現(xiàn)象，保存認(rèn)識(shí)結(jié)果，利用有關(guān)知識(shí)經(jīng)驗(yàn)解決實(shí)際問題的過程，是包括感覺、知覺、記憶、想象、思維、注意等一組相關(guān)的心理過程。少兒在學(xué)習(xí)編程過程中表現(xiàn)出該年齡階段的思維特點(diǎn)和行為特點(diǎn)，這是我們?cè)诮虒W(xué)模式模型設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問題。

（1）思維特點(diǎn)——尚處在具體運(yùn)算階段。這個(gè)階段的學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的發(fā)展正在可塑時(shí)期，對(duì)直觀形象的東西容易理解和記憶，但在發(fā)現(xiàn)問題、解決問題時(shí)仍需要與他們熟悉的事物或場(chǎng)景相聯(lián)系，不太容易進(jìn)行抽象思維，但適當(dāng)加以引導(dǎo)就可以憑借具體事物或從具體事物中獲得的表象進(jìn)行邏輯思維了。

（2）行為特點(diǎn)——好動(dòng)，好奇心強(qiáng)，模仿性強(qiáng)，有強(qiáng)烈的求知欲。

可以看出，少兒的認(rèn)知具有感覺能力強(qiáng)、感覺的隨意性強(qiáng)的特點(diǎn)，理論學(xué)習(xí)過程需要借助實(shí)踐的反饋來完成，而Scratch編程恰好能夠讓少兒“在玩中學(xué)，在學(xué)中玩，通過游戲完成AI的學(xué)習(xí)”，高度吻合了少兒的認(rèn)知規(guī)律。

3、運(yùn)用Scratch培養(yǎng)少兒計(jì)算思維的教學(xué)策略。少兒編程教育的真正目的在于思維方式的訓(xùn)練。行之有效的教學(xué)策略設(shè)計(jì)顯得尤為重要，幫助少兒建立問題意識(shí)，學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)、分類和表述問題，逐步理解抽象概念，運(yùn)用概念進(jìn)行邏輯判斷，進(jìn)而在計(jì)算機(jī)中模擬驗(yàn)證，最終完成問題解決。

（1）呈現(xiàn)問題，創(chuàng)設(shè)情境。故事導(dǎo)入，情境創(chuàng)設(shè)。引導(dǎo)學(xué)生形成問題意識(shí)，驅(qū)動(dòng)學(xué)生在創(chuàng)設(shè)的情境中研究不同變量對(duì)結(jié)果的影響，進(jìn)而找準(zhǔn)要研究的問題。此環(huán)節(jié)旨在培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的能力，讓學(xué)生能迅速進(jìn)入學(xué)習(xí)情境。充分調(diào)動(dòng)起他們的積極性，通過游戲或故事，團(tuán)隊(duì)合作完成一個(gè)相對(duì)較復(fù)雜的任務(wù)。

（2）分解問題，各個(gè)擊破。任務(wù)驅(qū)動(dòng)，探索新知。讓少兒沉浸在創(chuàng)設(shè)情境中明確亟待解決的問題，引導(dǎo)其主動(dòng)進(jìn)行任務(wù)拆解、任務(wù)分析，對(duì)策思考、操作實(shí)踐，完成規(guī)定主題的編程小項(xiàng)目。這一環(huán)節(jié)有針對(duì)性地培養(yǎng)學(xué)生分解與概括、比較與遞推、抽象與綜合的能力。

（3）洞察問題，抽象模型。分析問題，鞏固重點(diǎn)。引導(dǎo)學(xué)生多維度分析問題和討論解決方案，動(dòng)手修改程序。由淺入深、從具象思維到抽象思維，逐步鍛煉學(xué)生分析與綜合、因果推理與逆向思維的能力。

（4）多維評(píng)價(jià)，歸納總結(jié)。交流分享，共同進(jìn)步。通過分享作品和經(jīng)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)成員之間充分交流，或是根據(jù)老師點(diǎn)評(píng)的要點(diǎn)完善作品，再次鞏固，都可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，全面進(jìn)步。

以上教學(xué)策略設(shè)計(jì)，環(huán)環(huán)相扣，步步為營，是為實(shí)施少兒編程教育，培養(yǎng)計(jì)算思維的有效教學(xué)模式。

二、計(jì)算思維和Scratch的融合

邏輯思維主要有歸納與演繹、分析與綜合、抽象與概括、比較與遞推、因果推理、逆向思維等六種重要方法。根據(jù)以上“五環(huán)實(shí)施模型”中基于問題情境的邏輯思維發(fā)生、發(fā)展的過程，從以下五個(gè)階段分析兩者的契合度。

第一階段，問題分解。在解決目標(biāo)問題之初，計(jì)算思維主張把問題分解成若干個(gè)容易解決的小問題，再依次解決每個(gè)小問題，最終即可解決目標(biāo)問題。在Scratch中依然可以訓(xùn)練少兒的這種能力，根據(jù)目標(biāo)問題進(jìn)行分解并找到解決方案，這就是程序設(shè)計(jì)思想中的“模塊化設(shè)計(jì)”思想。

第二階段，模型抽象。抽象層次是計(jì)算思維的一個(gè)重要概念，人們可以根據(jù)不同的抽象層次，有選擇的忽視某些細(xì)節(jié)，最終控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。Scratch編程的過程，則很好的體現(xiàn)了這一特點(diǎn)。少兒應(yīng)用Scratch時(shí)，無需關(guān)注積木塊背后的代碼是運(yùn)用何種原理制作的，只需根據(jù)圖標(biāo)的含義，進(jìn)行拖拽式編程。這一過程，能非常有效的訓(xùn)練少兒把問題抽象成模型的能力。

第三階段，算法優(yōu)化。少兒在運(yùn)用Scratch編程時(shí)，可使用其并不充足的數(shù)學(xué)知識(shí)來求解問題。舉一反三，引導(dǎo)少兒多種思路解決問題的過程就是算法優(yōu)化的過程，對(duì)于后期人工智能技術(shù)的掌握至關(guān)重要。

第四階段，并行處理。多個(gè)事件同時(shí)發(fā)生，這在生活中是很常見的，培養(yǎng)少兒在解決問題的時(shí)候綜合考慮多種因素，訓(xùn)練遞歸思維也是計(jì)算思維中重要的一環(huán)。

第五階段，遷移應(yīng)用。計(jì)算思維是一種思維方式，它具有“兼容性”，即：一種解決問題的方式可以移植到其他情境中去。在Scratch中，如果兩個(gè)角色有相同或類似的操作，或者兩個(gè)項(xiàng)目有相同或類似的解決模式，就能將編好的程序腳本直接復(fù)制粘貼到另一個(gè)角色或是項(xiàng)目里，再進(jìn)行針對(duì)性修改。這就是算法的遷移應(yīng)用。

綜上所述，計(jì)算思維所倡導(dǎo)的思維方式及問題解決模式與Scratch軟件在少兒編程時(shí)展現(xiàn)的特征確實(shí)能夠很好的融合在一起。Scratch少兒編程軟件可以作為培養(yǎng)少兒計(jì)算思維的有效工具，值得推廣應(yīng)用。