AI戰略下少兒編程與計算思維培養淺析

譚忠

摘 要：全球矚目的“智能+”時代加速到來，我國正逐步確立世界人工智能產業引領者地位，人工智能AI作為新一輪產業變革的核心動力，在虛擬現實、機器學習、數據挖掘、人機對弈等諸多領域推動整個社會生產力，發展人工智能已然成為我國的國家戰略。少兒編程顯然是有效培養少兒計算思維，進而培養大量人工智能儲備人才的有效路徑之一。本文以Scratch圖形化編程軟件為載體，探索其與計算思維培養的契合之處，以期為培養少兒計算思維、自主鉆研和創新能力提供一種可行方式。

關鍵詞：人工智能;少兒編程;計算思維;教學策略

2017年7月國務院頒布了《新一代人工智能發展規劃》，全面論述了發展人工智能是我國的戰略性舉措，規劃指出：應逐步推廣全社會智能教育，在中小學階段設置人工智能課程、普及編程教育，在高等教育階段建設人工智能專業，培養計算思維的復合型人才，從而提高我國人工智能人才儲備。

人工智能（Artificial Intelligence，縮寫為AI）是研究、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門計算機科學技術，其研究領域包括模式識別、自然語言和圖像理解、專家系統、自適應動態規劃、博弈論文、智能搜索與推薦、DNA編程、智能控制以及機器人技術等。

計算思維（Computational Thinking）是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計、以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。簡單理解為：人們通過分解、轉換、化簡和仿真等方法，把原本復雜、看似無法解決的問題，轉化成多個小的、簡單的、有辦法解決的問題，各個擊破進而解決原本的復雜問題。

目前，全球使用最廣泛的少兒編程語言Scratch，是麻省理工媒體實驗室（MIT Media Lab）終身幼稚園組（Lifelong Kindergarten）開發的，一款針對于少兒的編程軟件。它作為一款入門級編程工具，可以讓6-13歲的少兒創建自己的交互式故事和游戲，使用圖形化編程語言進行程序設計，充分滿足孩子們的認知、個人、社交和情感需求。其編程語言由“編程塊”組成，其中的編程塊被設計成其語法屬性與視覺屬性相對應的“積木塊”。在使用Scratch應用程序時，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、動作以及交互，從而創建編程腳本。

一、少兒計算思維培養

1、少兒編程教育現狀分析。少兒編程教育在世界各國均引起了從教育專家到國家領導社會各方面的廣泛重視，制定了相應的措施并進行了大規模的實踐。美國、日本、德國、澳大利亞等都相繼制定和出臺了一系列強化少兒編程教育的實施方案，英國甚至早在2014年就把編程作為所有學校的必修課，規定5至7歲的少兒應理解簡單算法并能將算法轉換為程序。而Scratch編程軟件在美國市場滲透率為45.60%，英國為10.97%，中國僅0.98%。筆者深感憂患。

2、少兒學習編程的認知特點。認知（Cognition）也稱認識過程，是指人們認識、理解事物或現象，保存認識結果，利用有關知識經驗解決實際問題的過程，是包括感覺、知覺、記憶、想象、思維、注意等一組相關的心理過程。少兒在學習編程過程中表現出該年齡階段的思維特點和行為特點，這是我們在教學模式模型設計時必須考慮的問題。

（1）思維特點——尚處在具體運算階段。這個階段的學生認知結構的發展正在可塑時期，對直觀形象的東西容易理解和記憶，但在發現問題、解決問題時仍需要與他們熟悉的事物或場景相聯系，不太容易進行抽象思維，但適當加以引導就可以憑借具體事物或從具體事物中獲得的表象進行邏輯思維了。

（2）行為特點——好動，好奇心強，模仿性強，有強烈的求知欲。

可以看出，少兒的認知具有感覺能力強、感覺的隨意性強的特點，理論學習過程需要借助實踐的反饋來完成，而Scratch編程恰好能夠讓少兒“在玩中學，在學中玩，通過游戲完成AI的學習”，高度吻合了少兒的認知規律。

3、運用Scratch培養少兒計算思維的教學策略。少兒編程教育的真正目的在于思維方式的訓練。行之有效的教學策略設計顯得尤為重要，幫助少兒建立問題意識，學會發現、分類和表述問題，逐步理解抽象概念，運用概念進行邏輯判斷，進而在計算機中模擬驗證，最終完成問題解決。

（1）呈現問題，創設情境。故事導入，情境創設。引導學生形成問題意識，驅動學生在創設的情境中研究不同變量對結果的影響，進而找準要研究的問題。此環節旨在培養學生發現問題的能力，讓學生能迅速進入學習情境。充分調動起他們的積極性，通過游戲或故事，團隊合作完成一個相對較復雜的任務。

（2）分解問題，各個擊破。任務驅動，探索新知。讓少兒沉浸在創設情境中明確亟待解決的問題，引導其主動進行任務拆解、任務分析，對策思考、操作實踐，完成規定主題的編程小項目。這一環節有針對性地培養學生分解與概括、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。引導學生多維度分析問題和討論解決方案，動手修改程序。由淺入深、從具象思維到抽象思維，逐步鍛煉學生分析與綜合、因果推理與逆向思維的能力。

（4）多維評價，歸納總結。交流分享，共同進步。通過分享作品和經驗，團隊成員之間充分交流，或是根據老師點評的要點完善作品，再次鞏固，都可以取長補短，全面進步。

以上教學策略設計，環環相扣，步步為營，是為實施少兒編程教育，培養計算思維的有效教學模式。

二、計算思維和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。根據以上“五環實施模型”中基于問題情境的邏輯思維發生、發展的過程，從以下五個階段分析兩者的契合度。

第一階段，問題分解。在解決目標問題之初，計算思維主張把問題分解成若干個容易解決的小問題，再依次解決每個小問題，最終即可解決目標問題。在Scratch中依然可以訓練少兒的這種能力，根據目標問題進行分解并找到解決方案，這就是程序設計思想中的“模塊化設計”思想。

第二階段，模型抽象。抽象層次是計算思維的一個重要概念，人們可以根據不同的抽象層次，有選擇的忽視某些細節，最終控制系統的復雜性。Scratch編程的過程，則很好的體現了這一特點。少兒應用Scratch時，無需關注積木塊背后的代碼是運用何種原理制作的，只需根據圖標的含義，進行拖拽式編程。這一過程，能非常有效的訓練少兒把問題抽象成模型的能力。

第三階段，算法優化。少兒在運用Scratch編程時，可使用其并不充足的數學知識來求解問題。舉一反三，引導少兒多種思路解決問題的過程就是算法優化的過程，對于后期人工智能技術的掌握至關重要。

第四階段，并行處理。多個事件同時發生，這在生活中是很常見的，培養少兒在解決問題的時候綜合考慮多種因素，訓練遞歸思維也是計算思維中重要的一環。

第五階段，遷移應用。計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，如果兩個角色有相同或類似的操作，或者兩個項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制粘貼到另一個角色或是項目里，再進行針對性修改。這就是算法的遷移應用。

綜上所述，計算思維所倡導的思維方式及問題解決模式與Scratch軟件在少兒編程時展現的特征確實能夠很好的融合在一起。Scratch少兒編程軟件可以作為培養少兒計算思維的有效工具，值得推廣應用。