AI戰(zhàn)略下少兒可視化編程教育研究

鐘志宏 周娟娟

摘要：人工智能AI成為新一輪產(chǎn)業(yè)變革的核心驅(qū)動力，推動新產(chǎn)業(yè)、新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)品和新模式，推動整個社會生產(chǎn)力，發(fā)展人工智能被確定成為我國的國家戰(zhàn)略。少兒編程教育能夠有效培養(yǎng)少兒的計算思維，進(jìn)而培養(yǎng)大量人工智能人才儲備。當(dāng)前我國少兒編程教育嚴(yán)重滯后，與西方發(fā)達(dá)國家存在較大差距?？梢暬幊坦ぞ呒捌湔n程體系f以“編程貓”為例），以游戲化學(xué)習(xí)方式進(jìn)行少兒編程教育，能有效彌補(bǔ)我國少兒編程教育教學(xué)體系陳舊、教學(xué)方法枯燥、師資建設(shè)滯后的短板，有利培養(yǎng)青少年的計算思維、系統(tǒng)化思維、自主專研精神和創(chuàng)新精神，為我國人工智能人才培養(yǎng)提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：人工智能;少兒編程;可視化編程;編程教育;編程貓

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）32-0204-04

人工智能（Artificial InteHigence，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)的一門計算機(jī)科學(xué)技術(shù)，其研究領(lǐng)域包括模式識別、自然語言和圖像理解、專家系統(tǒng)、自適應(yīng)動態(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。在移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、生物計算等新技術(shù)推動下，人工智能呈現(xiàn)出深度學(xué)習(xí)、跨界融合、人機(jī)協(xié)同、群智開放、自主操控等新特征，成為當(dāng)前技術(shù)變革的主要領(lǐng)域。

1少兒編程教育在AI戰(zhàn)略中的意義

國務(wù)院于2017年07月頒布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，指出人工智能成為國際競爭的新焦點，應(yīng)逐步推廣全社會智能教育措施，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能課程、推廣編程教育、建設(shè)人工智能專業(yè)，培養(yǎng)計算思維的復(fù)合型人才，提高我國人工智能人才儲備。規(guī)劃從“人工智能發(fā)展進(jìn)入新階段、人工智能成為國際競爭的新焦點、人工智能成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新引擎、人工智能帶來社會建設(shè)的新機(jī)遇、人工智能發(fā)展的不確定性帶來新挑戰(zhàn)。”等四個方面，全面論述了發(fā)展人工智能是我國戰(zhàn)略性舉措。

編程是一種自動化理念，通過編程學(xué)習(xí)與訓(xùn)練可以培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維、問題解決和創(chuàng)新能力。美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)周以真教授于2006年提出了“Computational Thinking（計算思維）”的概念，其本質(zhì)是抽象和自動化，實質(zhì)是“能行、構(gòu)造、模擬”，即通過概括抽象問題、建立問題模型、設(shè)計算法解決問題的過程。通常認(rèn)為，具有計算思維的人，在信息化時代的今天，更具有解決問題的能力，更具有創(chuàng)新能力，更具有綜合競爭能力。各國對青少年編程教育研究表明，青少年越早接觸計算機(jī)，能越早理解并利用計算思維認(rèn)識和改造世界;越早開始學(xué)習(xí)編程，越能從中不斷獲得創(chuàng)新的樂趣和能力。同時，編程教育能夠幫助青少年智力發(fā)展、提升自信心、培養(yǎng)科學(xué)精神、鍛煉計算思維，形成系統(tǒng)性分析問題和解決問題的能力。

AI作為一門計算機(jī)科學(xué)，其實質(zhì)就是對AI研究領(lǐng)域的問題進(jìn)行抽象、建模、與計算機(jī)應(yīng)用實現(xiàn)，分別對應(yīng)于邏輯抽象、算法設(shè)計與算法實現(xiàn)，而算法的實現(xiàn)就是程序設(shè)計，即編程。因此，要使我國AI研究與應(yīng)用在國際競爭中獲得優(yōu)勢地位，成為AI的領(lǐng)引者，必須培養(yǎng)我國大量的面向AI發(fā)展挑戰(zhàn)的儲備人才;而廣泛在中小學(xué)普及信息技術(shù)教育，并將編程教育（程序設(shè)計課程）作為其核心是尤為重要，不可或缺的。

2少兒編程教育發(fā)展現(xiàn)狀

少兒（指年齡為6-13歲的兒童）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)社會各方面的重視，制定了相應(yīng)的規(guī)范并進(jìn)行了大規(guī)模的實踐。

作為信息化與AI發(fā)展水平最高的國家美國，從幼兒園到高中教育，計算機(jī)科學(xué)課程覆蓋了幼兒園到高中階段，培養(yǎng)青少年的計算機(jī)思維能力。早在2015年，美國時任總統(tǒng)奧巴馬認(rèn)為：如果美國想要在全球科技創(chuàng)新中保持領(lǐng)先，所有人都應(yīng)更早地學(xué)習(xí)如何編程，奧巴馬本人以身作則，成為首位會編程的總統(tǒng)。2016年，F(xiàn)acebook總裁扎克伯格呼吁美國各科技企業(yè)聯(lián)合起來，共同推行奧巴馬提出的《面向所有人的計算機(jī)科學(xué)教育》全民計算機(jī)教育計劃。目前美國是少兒編程教育滲透率最高的國家，達(dá)到44.8%。日本于2017年制訂了《IT人才強(qiáng)化指南》，并計劃從2020年起，把編程作為中小學(xué)的必修課程。澳大利亞于2016年將編程教育作為全國必修課程，青少年從10歲開始學(xué)習(xí)編程，培養(yǎng)編程思維，到12歲便可通過編程解決實際問題。英國于2014年把編程作為所有學(xué)校的必修課，規(guī)定5到7歲的少兒應(yīng)掌握算法的含義以及如何將算法轉(zhuǎn)換為程序進(jìn)而執(zhí)行。德國作為工業(yè)4.0的最初創(chuàng)立者，要求編程教育作為全國中小學(xué)必需課程，且以各類算法作為基礎(chǔ)。而創(chuàng)新之都的以色列，更是要求從小學(xué)一年級開始學(xué)習(xí)編程，并能夠解決一些較為復(fù)雜的算法問題。

HackerRank發(fā)布的《2018年開發(fā)技能報告》世界各國5—10歲少兒編程教育的比例，如圖1所示，英國和澳大利亞達(dá)到了百分之十以上。從全球來看，西方發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體均非常重視少兒編程教育，并在本國實施了大規(guī)模的中小學(xué)程序設(shè)計課程。

我國少兒編程教育嚴(yán)重滯后，以全球使用最為廣泛的少兒編程語言Scratch為例，美國市場滲透率為44.80%，英國為9.31%，中國僅0.96%。當(dāng)前，我國少兒階段（中小學(xué)階段）編程教育主要問題在于：計算機(jī)教學(xué)知識體系落后、教學(xué)方法和授課內(nèi)容陳舊枯燥、程序設(shè)計課程并沒有完整合理的教學(xué)大綱、師資建設(shè)滯后，使得我國計算機(jī)信息教育成果不明顯，而編程教育則是更加缺失。隨著我國信息化建設(shè)的不斷推進(jìn)，人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，信息技術(shù)課程開始不斷獲得國家及各級教學(xué)機(jī)構(gòu)的重視，少兒編程教育在我國開始蓬勃發(fā)展起來。

在中國知網(wǎng)國學(xué)術(shù)期刊庫中以“Scratch”“少兒編程”為關(guān)鍵詞，檢索發(fā)表于2011-2018年之間的論文，共得到文獻(xiàn)538篇。從圖2的總趨勢來看，相關(guān)的文獻(xiàn)研究逐年增長。在2016年，研究趨勢有所下降，但隨著2017年，國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》后，相關(guān)研究開始增多，相信隨著經(jīng)濟(jì)社會與市場的介入，這一趨勢將會加速。

3編程學(xué)習(xí)的知識構(gòu)成

通過編程學(xué)習(xí)，應(yīng)能夠理解和使用計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域里的基本原則和概念，能夠利用計算思維分析問題，并具備通過編寫程序解決相關(guān)問題的能力。編程學(xué)習(xí)的內(nèi)容主要包含以下幾個方面：

（1）理解算法含義，算法的基本表示方法，以及算法是如何轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)功能的程序，并在電子設(shè)備精確、清楚的執(zhí)行的。

（2）掌握某一程序設(shè)計語言及其編程方法。能使用順序、選擇和循環(huán)三種基本結(jié)構(gòu)來表示任意邏輯;使用基本數(shù)據(jù)類型和復(fù)合數(shù)據(jù)類型表示程序中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并設(shè)計程序的輸入和輸出;利用過程或函數(shù)進(jìn)行模塊化程序設(shè)計;利用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的相關(guān)概念實現(xiàn)程序的可靠性和重用性;掌握程序設(shè)計的工具、編寫和調(diào)試程序的技巧。

（3）掌握常見算法。從計算思維觀點，了解常見算法（例如排序、搜索等），并能使用邏輯推理對不同算法解決同一問題時的時空效率或優(yōu)缺點。

（4）掌握常見數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其存儲方法，如邏輯結(jié)構(gòu)中數(shù)組、樹、圖，以及順序存儲、鏈?zhǔn)酱鎯?、散列表等?/p>

（5）理解基本的邏輯運(yùn)算（例如，AND，OR和NOT）;理解計算機(jī)中的進(jìn)制數(shù)表示，例如二進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制與十進(jìn)制，并能在各進(jìn)制數(shù)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

（6）了解計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部指令是如何存儲和執(zhí)行的;計算機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)表示，例如數(shù)字的原碼、反碼、補(bǔ)碼、移碼，及各種類型數(shù)據(jù)（包括文本、聲音、圖像、動畫或視頻等）的二進(jìn)制表示。

（7）了解構(gòu)成計算機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件的組成，以及這些組件之間是如何進(jìn)行協(xié)作、通信的。

4青少年認(rèn)知的特點

認(rèn)知fCognitionl也稱認(rèn)識過程，是指人們認(rèn)識、理解事物或現(xiàn)象，保存認(rèn)識結(jié)果，利用有關(guān)知識經(jīng)驗解決實際問題的過程，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。如何讓少年兒童（指年齡為6-13歲的兒童）掌握上述編程學(xué)習(xí)中所涉及的知識，并培養(yǎng)其動手實踐能力、分析能力、創(chuàng)新能力，皮亞杰將少兒認(rèn)知特征歸納為如表1所示的四個階段。

青少年的認(rèn)知具有感覺能力強(qiáng)、感覺的隨意性強(qiáng)，理論學(xué)習(xí)過程需要借助實踐的反饋來完成，而程序設(shè)計課程能夠使少兒“在實踐中學(xué)，在學(xué)中實踐，通過游戲與玩耍來完成AI的學(xué)習(xí)”，高度切合了少兒的認(rèn)知規(guī)律。

5“可視化”編程與少兒編程

信息技術(shù)飛速發(fā)展，各種應(yīng)用場景的不斷出現(xiàn)，使得目前編程語言的繁榮達(dá)到了驚人的地步。程序設(shè)計語言根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域劃分，可分為：商用語言、科學(xué)計算、系統(tǒng)程序設(shè)計、模擬語言、文本處理、實時處理、嵌人式應(yīng)用、人工智能應(yīng)用、查詢和命令語言、教學(xué)語言、打印處理、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用等類型;按具體語言來說，比女口C、C++、JAVA、JAVASCRIPT、BASIC、Pascal、SQL、Pvthon等，數(shù)量可達(dá)上百種。單純的程序設(shè)計語言的學(xué)習(xí)是枯燥而缺乏趣味性的，同時需要較強(qiáng)的邏輯思維能力和抽象能力，還需要將邏輯和行為通過程序代碼進(jìn)行熟練轉(zhuǎn)換的能力。

因此選擇一種適宜少兒編程教學(xué)的語言及其集成開發(fā)軟件顯得至關(guān)重要，且該開發(fā)軟件應(yīng)滿足以下要求。

（1）學(xué)習(xí)盡可能容易。

（2）生動有趣，且形象直觀。

（3）能體現(xiàn)程序設(shè)計的基本方法、規(guī)則、概念，便于向高級程序設(shè)計遷移。

（4）編程設(shè)備盡量簡潔易用，減少鍵盤與鼠標(biāo)的復(fù)雜操作。

可視化編程（Visual Programming）是以高級程序設(shè)計語言為基礎(chǔ)的一種全新的編程方法，它以“所見即所得”為原則，規(guī)避抽象、煩瑣的程序語言編寫，僅通過直觀的、像搭積木式地構(gòu)建出整個應(yīng)用程序，并保證程序與結(jié)果的同步m?？梢暬幊痰闹饕獌?yōu)勢有：第一，操作直觀和趣味體驗，能有效提升學(xué)習(xí)興趣;第二，封裝和簡化的編程邏輯能加快開發(fā)速度，可有效聚焦于計算思維的培養(yǎng)和能力的發(fā)展;第三，所見即所得，提高設(shè)計過程的探索?？梢暬幊痰奶攸c顯然滿足少兒編程教學(xué)的相關(guān)要求。

通過可視化編程，可以讓少兒編程實現(xiàn)游戲化學(xué)習(xí)，采用游戲化的方式自主探究、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，在此過程中重組舊知識、建構(gòu)新知識，培養(yǎng)學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性。常用的可視化編程工具有Scratch、App Inventor、Mice、Blockpy、Daisy、the Dinosaur、Hackety-Hack、Code Monster及國內(nèi)的編程貓、阿兒法營、比特猴、邊玩邊學(xué)、童程童美、小碼王等，此外適合少兒機(jī)器人編程的有樂高APP、能力風(fēng)暴APP等。

Scratch是美國麻省理工學(xué)院多媒體實驗室2007年推出的一種可視化編程工具，目前作為少兒編程工具在國內(nèi)外被廣泛采用，可謂風(fēng)靡全球。Scratch具有強(qiáng)大的多媒體功能，集成了圖片、聲效、動作、外觀等編程部件，能高效地設(shè)計出互動性的故事、游戲、動畫等多媒體程序;同時，scratch不但包含了基本的程序設(shè)計概念：如順序、選擇，循環(huán)、變量、數(shù)組、鏈表、函數(shù)、嵌套等，還引入了現(xiàn)代編程技術(shù)涉及的面向?qū)ο?、事?wù)、并行計算等概念，通過Scratch可以無非過渡到其他專業(yè)編程語言。此外，Scratch可視化編程教學(xué)體系完整地支持美國加強(qiáng)K12的STEAM的教育理念，培養(yǎng)青少年綜合素養(yǎng)，提升其全球競爭力，所謂STEAM體系，即科學(xué)（Science）、技術(shù)（rrechnology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Ans）、數(shù)學(xué)（Mathematics）各學(xué)科的融合。

編程貓（codeMao）是一個在線少兒可視化圖形編程工具平臺，由我國深圳點貓科技有限公司2015年開發(fā)推出。編程貓包括2D圖形化編程工具“源碼編輯器”、3D圖形化編程工具“代碼島”和基于移動設(shè)備的編程工具Nemo。通過編程貓，可以輕松創(chuàng)作出生動有趣的游戲、軟件、動畫、互動故事作品，全方位鍛煉邏輯思維能力、任務(wù)拆解能力、跨學(xué)科結(jié)合能力、審美能力和團(tuán)隊協(xié)作能力等綜合素養(yǎng)，建立起堅實的STEAM綜合素養(yǎng)。

編程貓具有如下優(yōu)勢：

（1）具有完善的工具矩陣。包括2D版的Kitten、3D版的Box、面向4～6歲幼兒編程教育的Kids以及Nemo移動端圖形化編程工具（能夠在手機(jī)、平板等移動設(shè)備上，通過觸摸方式進(jìn)行編程），其個性化、游戲化的創(chuàng)造性功能設(shè)計進(jìn)一步降低了少兒學(xué)習(xí)編程的門檻。

（2）編程貓自主創(chuàng)建的語言Kitten相比于Scrach擁有更強(qiáng)大的功能設(shè)計，拋棄flash的鏈接障礙性，雙倍于Scratch的積木數(shù)量，占用內(nèi)存僅為Scratch的1/5，支持多人協(xié)作編程及強(qiáng)大的云變量功能，實現(xiàn)積木輕松轉(zhuǎn)換為Python、JavaScript語言，可接人超過100種硬件，具有長時間積累迭代的優(yōu)勢。

（3）編程貓內(nèi)置K12及高校全學(xué)段核心課程，參照斯坦福計算機(jī)專業(yè)課程打造了九級課程體系，如表2所示，全面覆蓋編程啟蒙、算法導(dǎo)向、創(chuàng)意編程、硬件機(jī)器人編程范圍;且自主研發(fā)了先進(jìn)的矩陣式課程體系及獨(dú)特的PBL項目制學(xué)習(xí)模式。

（4）隨著人工智能AI時代的來臨，作為人工智能支撐的深度學(xué)習(xí)與大數(shù)據(jù)分析成為當(dāng)前計算機(jī)科學(xué)研究熱點領(lǐng)域，Py-thon作為當(dāng)前AI編程的最佳編程語言，在編程貓的wood編輯器中被很好地支撐、并模塊化和可視化;此外，wood編輯器可以直接在線運(yùn)行代碼，無須像其他Pvthon編輯器那樣下載安裝，同時，支撐眾多Pv山嘰第三方框架，極大地擴(kuò)展了對人工智能中各類算法的支持。

（5）作為在線少兒編程平臺，編程貓?zhí)峁┝送晟频淖髌氛故窘涣魃鐓^(qū)，能夠讓學(xué)生方便快捷的在社區(qū)分享自己的作品，增加成就感和自信心，并與其他學(xué)習(xí)者共同進(jìn)步。

因此，編程貓可視化編程工具及其課程體系，能有效彌補(bǔ)我國少兒編程教育教學(xué)體系陳舊、教學(xué)方法枯燥、師資建設(shè)滯后的短板，可成為當(dāng)前我國少兒編程教育的可選方案。

6結(jié)束語

人工智能作為當(dāng)今產(chǎn)業(yè)變革的核心驅(qū)動力，是引領(lǐng)未來的戰(zhàn)略性技術(shù)，能夠推動新技術(shù)、新產(chǎn)品、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式的發(fā)展，引發(fā)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)重大變革，改變?nèi)祟惿a(chǎn)生活方式和思維模式，大幅提升社會生產(chǎn)力。世界主要發(fā)達(dá)國家把發(fā)展人工智能作為提升國家競爭力、維護(hù)國家安全的重大戰(zhàn)略。技術(shù)的競爭就是人才的競爭，而人才來自良好的、體系化的、具有創(chuàng)新驅(qū)動的教育培養(yǎng)。利用可視化編程工具，以游戲化的學(xué)習(xí)方式，從少兒開始進(jìn)行編程教育，培養(yǎng)青少年的計算思維、系統(tǒng)化思維、自主專研精神和創(chuàng)新精神，為我國人工智能技術(shù)提供有力的人才儲備，使我國贏得人工智能發(fā)展競爭的優(yōu)勢，推動我國成為世界科學(xué)技術(shù)的引領(lǐng)者。