基于計算思維培養的人工智能實踐探索

周迎春 烏斯日格

隨著科技的不斷發展，人工智能時代悄然來臨。自然語言理解、模式識別、機器學習、數據挖掘、智能檢索、機器人技術、人工神經網絡等領域陸續開發出實用系統，很多領域的發展甚至超出我們的預期。2017 年，國務院印發《新一代人工智能發展規劃》，明確我國新一代人工智能發展的戰略目標：到2020 年，人工智能總體技術和應用與世界先進水平同步，人工智能產業成為新的重要經濟增長點，人工智能技術應用成為改善民生的新途徑；到2025 年，人工智能基礎理論實現重大突破，部分技術與應用達到世界領先水平，人工智能成為我國產業升級和經濟轉型的主要動力，智能社會建設取得積極進展；到2030 年，人工智能理論、技術與應用總體達到世界領先水平，成為世界主要人工智能創新中心[1]。由此可見，人工智能的發展是未來發展至關重要的一環。

人工智能是經濟發展的新動力、社會建設的新機遇、國際競爭的新焦點。人才是發展的重要基礎，人工智能教育是人工智能發展的關鍵幀。

一、當前人工智能教育國際與國內趨勢一覽

人工智能作為信息技術發展的重要體現，與編程等信息技術的相關方面密不可分。同樣地，人工智能教育往往會融入編程教育和信息技術教育，二者相輔相成。為適應和引領人工智能技術發展，各國在義務教育階段先后開始人工智能和編程教育。以色列自2000 年開始要求學生學習編程；2016 年，日本將人工智能編程教育列入中小學必修課；2017 年，新加坡開始實施國家人工智能計劃，包括中學“AI for Student”和小學“AI for Kid”；同年，芬蘭發布《芬蘭的人工智能時代》，提出尋求教育創新以滿足人工智能應用領域的人才需求；2018 年，英國提出為兒童學習和應用人工智能做好充分準備；同年，美國啟動K-12 人工智能教育行動并制定中小學人工智能教育的指導意見。可見，人工智能和編程教育在國際上受到廣泛重視，且重視程度逐漸加深。

我國也十分重視信息技術和人工智能的教育。早在20 世紀90 年代，鄧小平就提出“計算機要從娃娃抓起”，吹響我國開展計算機教育的號角，為我國21 世紀初IT 技術的迅猛發展奠定良好基礎。2017 年，國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》明確提出，在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育[1]。教育部印發《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》，強調對大數據、人工智能、“互聯網+”等信息技術的合理利用[2]。2018 年，教育部對十三屆全國人民代表大會和全國政協會議中有關加強小學編程教育的提案給予積極回復，提出采取多方面措施推動教學方法和人才培養模式的改革，在中小學階段推廣編程教育。2019 年，教育部啟動對義務教育課程的修訂工作，建議根據需要將人工智能教育納入課程標準。其間，中央電化教育館也適時啟動人工智能教育實驗學校的申報評審工作，全國先后成立一批開展兒童編程教育的相關機構。可見，在我國，人工智能和編程教育日益受到社會、學校、學生和家長的重視。

人工智能發展進入新階段。人工智能教育的開展和普及是時代需要，是發展需要。然而，縱觀國內外人工智能教育現狀，尚存在硬件、課程資源及師資不足等障礙。目前我國中小學義務教育階段的課程綱要中也尚未出現“人工智能教育”這一關鍵詞。

二、計算思維與人工智能教育

目前，人工智能尚未成為中小學的一門獨立學科，與之關系最緊密的是信息技術學科。我國最新修訂的《普通高中信息技術課程標準》將計算思維融入核心素養設計中，作為核心素養的核心要素，并設置如“人工智能初步”等綜合應用模塊，旨在推進和培養智能時代學生的編程能力、計算思維等核心素養[3]。可見，計算思維及其培養越來越受重視，其重要性不言而喻。

（一）計算思維的內涵

2006 年，卡內基梅隆大學的周以真教授（Jeannette M. Wing）提出，“計算思維是一種運用計算機科學基本概念求解問題、設計系統和理解人類行為的方式，涵蓋了計算機科學領域廣度的一系列思維工具”[4]。2010 年，周以真教授補充，“計算思維是一種問題解決的思維過程，能夠清晰和抽象地將問題及其解決方案用信息處理代理（機器或者人）能夠有效執行的方式表述出來”[5]。自此后，關于計算思維的討論逐漸展開，計算思維的培養也日益受到重視。

盡管研究者對計算思維的定義不甚相同，但都強調計算思維解決問題的能力特征。由此可見，計算思維被普遍認為是反映計算機科學的基本思想方法，是一種獨特的解決問題的過程。通過計算思維的運用，人們更好地理解、分析更復雜的問題，并形成自動化、模塊化、系統化等具有計算特征的問題解決方案[6]。

大體而言，計算思維的結構可概括為：對象化思維和過程思維，兼具認識世界和改造世界的功能；抽象思維和可視化思維，分別指向世界的內在本質（內容）和外在形態（形式）；工程思維和自動化思維，分別指向改造世界的必然性和自由性[7]。總而言之，計算思維聚焦于問題解決，是解決問題的過程。

（二）數字時代培養計算思維的重要意義

21 世紀以來，隨著科技的不斷發展，人們進入數字時代。如今，人工智能等新一代信息技術快速發展，社會向更智能的時代邁進，因而，計算思維成為當前時代背景下的必備素養之一。

如同數學思維一樣，計算思維有一個完整的內容體系，是普適性的，是支持其他學科發展的思維工具和方法。同時，它又具有普遍的生活和社會意義，是關乎人類生存的基本思維方式之一[7]。

當今社會，數字技術無處不在并快速發展和普及，“計算”在很多領域表現出變革性的意義。因此，若想適應計算強度日益增加的信息社會，人們必須深入感知生活中的計算，發展計算思維。然而，目前仍有很多人對計算的理解較為淺薄，停留于數值計算和工具操作層面，也少有機會接觸計算機處理非數值型數據的過程和方法，因此，更難獲得對計算的基本理解，無法形成基于此的計算思維[6]。長此以往，缺乏計算思維的人無法緊跟時代的發展，終將成為時代的“棄兒”。

目前，中小學校對計算思維的培養仍處于初級階段。盡管學界和部分一線教師廣泛關注計算思維的培養，但在實際教學過程中，培養計算思維的教學活動較少。毋庸置疑，這不利于學生計算思維的發展。因此，如何培養計算思維，成為目前亟待解決的問題。

（三）計算思維的培養與人工智能課程

計算思維是指向問題解決的思維方式，且與信息技術的發展密不可分。因此，有效培養學生的計算思維，需結合信息技術和問題解決情境進行。人工智能課程創設了信息技術與問題解決相融合的情境，為計算思維的培養提供了空間。

從政策要求看，目前我國中小學實行的《基礎教育信息技術課程標準（2012 版）》和《普通高中信息技術課程標準（2017 版）》均設置了人工智能相關模塊。2018 年，教育部印發《教育信息化2.0 行動計劃》，明確要求完善課程方案和課程標準，使中小學人工智能和編程課程內容充分適應信息時代、智能時代發展需要[8]。由此可見，培養學生的計算思維是中小學人工智能課程的一項重要任務。

從實踐經驗看，人工智能課程一般以項目為引領，讓學生在真實的情境中解決問題，這與培養計算思維的要求不謀而合。人工智能課堂的項目可以激發學生解決問題的內在動機，從而解構較為復雜的問題，進行模式識別與歸納，最后進行算法開發，并對相似問題的解決方案進行歸納泛化。其間，需要個體對知識的“差集”進行補充完善，也需要利用互聯網等工具處理相關信息，反復調適問題的解決方案。

2010 年以來，人工智能教育進入發展階段[9]。但目前，人工智能教育課程仍是以人工智能教育為主題的泛在課程系列，主要依托信息技術課程、STEM 課程、創客課程等開展，尚缺少完善的課程內容體系和課程資源，且存在重視技能訓練、輕視計算思維培養的問題[10]。因此，探析適合計算思維發展的人工智能課程顯得尤為重要。

三、基于計算思維培養的人工智能課程創設與實踐

綱要未有，實踐先行。由于學生的年齡和認知水平不同，中小學人工智能課程在不同階段有不同要求。

（一）小學階段，感悟生活中的人工智能，培養興趣

小學階段，學生的認知能力和生活經驗均有限。因此，可以從生活入手，引導學生感悟人工智能技術在生活中的應用，層層遞進，激發學生的學習興趣和好奇心。

如果開始就在教室中學習人工智能相關知識，可能會令學生感到難以理解，從而破壞其學習興趣。因此，教師可從學生喜歡和熟悉的大自然入手，在組織戶外活動時，引導學生使用人工智能App 識別所見植物。例如，“形色”“微軟識花”等App 均可識別植物花卉。“形色”App 在識別各類植物花卉時，偶爾還會“詩興大發”賦詩一首，App 的這一“舉動”在兒童的意料之外，可引發學生對人工智能的興趣。或者用內嵌植物圖片數據庫的“xDing”AI 軟件設計識圖人物程序，疊加個性化的設計創意，讓學生在使用App 時體驗到不同的樂趣。

在此基礎上，教師鼓勵學生嘗試使用識別植物的App 識別其他事物，如美食、人臉等，引導學生發現這類App 的局限性，并鼓勵學生討論，提出解決辦法——使用其他功能更強大的人工智能App，例如“百度識圖”等。在使用這些App 時，一方面引導學生盡可能多地識別各類圖片；另一方面，引導學生發現問題——有時百度AI 由于角度、亮度等原因會“開小差”，把五年級學生誤判為30 多歲，孩子們忍俊不禁的同時，也感受到目前人工智能的局限性。

在學生感受到人工智能App 的局限性后，教師可以和學生一起討論解決的辦法。例如，啟用百度的“EasyDL”定制貓狗識別的圖像分類模型，通過校驗不同數據量的模型，讓學生發現“訓練的數據量越大，圖像的識別正確率越高”的規律，體會大數據的妙處，并得出結論：機器學習是以數據為中心的問題求解方式。通過在生活中感悟人工智能的妙用，發現人工智能的局限，可以強化學生運用智能工具處理信息的意識，數字化學習與創新能力也得到同步提升。同時，因為不斷發現人工智能App 的局限所在，并探討解決辦法，學生的計算思維能力得到初步發展。

（二）中學階段，學習人工智能原理，實戰編程

編程教育是將問題解決模式自動化的關鍵環節，因此也是培養學生計算思維的重要途徑。課堂是培養思維的主陣地，在編程課堂中，在不斷解決問題的過程中，計算思維得到培養和提升。

圖1 所示的“智能識別垃圾箱”是《AI 機器人創意搭建與mBlock5 慧編程》中的一課。該案例融合了工程、電子、編程、環保、圖像識別等諸多跨學科的知識技能，是一個典型的STEM 案例。

圖1 智能識別垃圾箱

項目實施時首先需引導學生明確目標的場域邊界，然后分解問題，將看似龐大的問題拆分成三個子問題：垃圾箱3D 建模打印；光環板外圍驅動裝置搭建；mBlock5 編程自動化。有時，子問題還需進一步分解，例如mBlcok5 編程需先完成訓練模型，系統需預先拾取相關垃圾的圖像信息，然后依次完成圖像識別——說出分類（1.0 版）、光環板LED 顯示分類（2.0 版）、驅動舵機自動翻蓋（3.0 版）。在子問題的解決過程中，通過對版本的升級改造，學生汲取人工智能的前沿知識技能，勇于創新、不斷迭代，使“產品”更趨完美實用。在拓展環節，學生產生更大膽的創意：只需將垃圾放入傳送帶，系統即會自動完成分揀及入箱的動作。隨著技術的進一步發展，相信創意很快會變成現實。

學生通過完整地經歷解決問題的過程，并動手實操，對人工智能形成更深刻的理解。在實踐過程中，學生不斷提出問題并解決問題，深入探索問題解決的路徑，計算思維得到有效鍛煉。

四、對培養計算思維的人工智能課程實踐的思考

（一）小學階段夯實基礎，在感悟中培養計算思維

已有大量研究表明，計算思維在兒童早期就得以發展[11]。但與較年長的兒童不同，年齡較小的兒童的計算思維需要在非認知層面下功夫。小學階段，學生的思維發展更依賴具體形象性的內容，因此，這一階段的人工智能教育更需注重體驗和感悟，課程設計也應和兒童的日常生活相關。

小學階段的人工智能課程重在讓學生感悟人工智能，培養學生對人工智能的興趣[12]。在這一階段，除鼓勵學生使用各種人工智能的工具外，還可以讓學生適當接觸圖形編程的工具，例如ScratchJr、KIBO 和“小世界”等，讓學生初步窺見人工智能背后的秘密。需要注意的是，無論是教學還是實踐活動，都應以激發學生興趣為主，因此，在教學活動中，教師要特別注意學生的接受能力及自己的教學方式。

另外，在教學實踐過程中，要格外注意對學生計算思維的培養，引導學生發現問題、解決問題。注重體驗和感悟，不等于簡單地教孩子用人工智能App，而是在活動中引導兒童發現人工智能App 的特點和局限性，并引導兒童通過各種方式找到相應的解決辦法。教師要時刻記住，課程的目的是培養學生的計算思維，并在活動中融入解決問題的元素，為下一階段學生計算思維的發展奠定基礎。

（二）初中階段加深理解，在學習中發展計算思維

初中階段，學生的認知能力進一步發展，抽象邏輯思維開始萌芽。這時，僅依靠小學階段的感悟式學習方法是有局限的，對學生建立完整的知識結構和進一步理解人工智能的內涵不利，阻礙學生的進步。因此，在這一階段，教師可以逐漸讓學生從“感悟者”轉變為“制作者”。

在初中階段，人工智能課程應當注重人工智能技術的體驗，學生可以完成簡單的人工智能作品[12]。結合學生的認知特點，本階段學生的編程是基于人工智能某一點的編程，在編程的過程中，一方面鞏固所學人工智能知識，另一方面培養學生的計算思維及實踐能力[10]。需警惕的是，由于涉及較為系統的新知識，教師易過多使用講授法進行教學，忽略學生的自主實踐。誠然，通過教師講授的方式學習可以幫助學生高效地掌握知識，但是，在以培養計算思維為教學目的的人工智能課堂中，這種方法存在局限。因此，教師可嘗試采用講授和項目式學習相結合的方式，并且尤其注重項目式學習的應用。在學生掌握編程基本知識的前提下，教師可在課堂中營造問題情境，讓學生嘗試運用所學知識解決問題，以促進學生計算思維的進一步發展。

（三）高中階段深入分析，在實踐中運用計算思維

高中階段，學生的抽象思維得到較大發展，認知發展接近成人水平。因此，在這一階段，不僅要培養，更要鼓勵學生運用計算思維，在人工智能課程中進行創造性的活動。

高中階段的人工智能課程重在讓學生初步探索人工智能，并設計相對復雜的人工智能作品[12]。高中學生具有一定的信息化基礎，在學習內容方面，可以讓學生了解人工智能的基本概念、人工智能的歷史與技術、人工智能的基本過程及實現人工智能的典型算法和主要實現手段[10]。這一階段的人工智能課程，教師要著重運用項目式的方式教學，鼓勵學生發現問題并運用人工智能技術創造性地解決問題。

此外，在這一階段，教師可鼓勵學生走出課堂，拓展眼界。例如，教師可通過校企合作的方式，帶領學生走進互聯網企業，和企業的工程師交流，真正走近人工智能軟件開發；或者走進高校實驗室，讓學生切身體會到“像科學家一樣思考”的含義；還可以鼓勵學生參加各類競賽活動，尤其是對人工智能特別感興趣的學生，在和同齡人切磋的過程中，進一步發現自身的優勢和不足，這對學生計算思維的發展和個體的長遠發展有積極作用。

五、結語

人工智能教育對培養學生的計算思維有重要作用。數字時代，計算思維是不可或缺的能力。因此，人工智能教育應將培養計算思維作為重要的課程目標之一，從感悟、理解、分析到應用，逐步加深學生對人工智能相關知識的掌握。目前，人工智能教育尚處于發展階段，有效推進人工智能教育政策的落實、創設優秀的人工智能教育課程，需政府、中小學校、社會各方的共同努力和進一步的教學實踐研究。然而，盡管人工智能教育沒有統一的課程標準，各中小學校仍可結合兒童發展規律以及學校的實際情況，分層次設計各學段的課程內容，開展人工智能教育，促進學生計算思維發展。