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、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，進而培養(yǎng)大量人工智能人才儲備。當前我國少兒編程教育嚴重滯后，與西方發(fā)達國家存在較大差距。可視化編程工具及其課程體系f以“編程貓”為例），以游戲化學習方式進行少兒編程教育，能有效彌補我國少兒編程教育教學體系陳舊、教學方法枯燥、師資建設滯后的短板，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)提供技術支撐。

關鍵詞：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 文獻標識碼：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、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統(tǒng)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(tǒng)、自適應動態(tài)規(guī)劃、博弈論文、智能搜索與推薦、DNA編程、智能控制以及機器人技術等。在移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、生物計算等新技術推動下，人工智能呈現(xiàn)出深度學習、跨界融合、人機協(xié)同、群智開放、自主操控等新特征，成為當前技術變革的主要領域。

1少兒編程教育在AI戰(zhàn)略中的意義

國務院于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，應逐步推廣全社會智能教育措施，在中小學階段設置人工智能課程、推廣編程教育、建設人工智能專業(yè)，培養(yǎng)計算思維的復合型人才，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)濟發(fā)展的新引擎、人工智能帶來社會建設的新機遇、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，通過編程學習與訓練可以培養(yǎng)學生的邏輯思維、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、構造、模擬”，即通過概括抽象問題、建立問題模型、設計算法解決問題的過程。通常認為，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，能越早理解并利用計算思維認識和改造世界;越早開始學習編程，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作為一門計算機科學，其實質(zhì)就是對AI研究領域的問題進行抽象、建模、與計算機應用實現(xiàn)，分別對應于邏輯抽象、算法設計與算法實現(xiàn)，而算法的實現(xiàn)就是程序設計，即編程。因此，要使我國AI研究與應用在國際競爭中獲得優(yōu)勢地位，成為AI的領引者，必須培養(yǎng)我國大量的面向AI發(fā)展挑戰(zhàn)的儲備人才;而廣泛在中小學普及信息技術教育，并將編程教育（程序設計課程）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導社會各方面的重視，制定了相應的規(guī)范并進行了大規(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，計算機科學課程覆蓋了幼兒園到高中階段，培養(yǎng)青少年的計算機思維能力。早在2015年，美國時任總統(tǒng)奧巴馬認為：如果美國想要在全球科技創(chuàng)新中保持領先，所有人都應更早地學習如何編程，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科學教育》全民計算機教育計劃。目前美國是少兒編程教育滲透率最高的國家，達到44.8%。日本于2017年制訂了《IT人才強化指南》，并計劃從2020年起，把編程作為中小學的必修課程。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歲開始學習編程，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校的必修課，規(guī)定5到7歲的少兒應掌握算法的含義以及如何將算法轉(zhuǎn)換為程序進而執(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必需課程，且以各類算法作為基礎。而創(chuàng)新之都的以色列，更是要求從小學一年級開始學習編程，并能夠解決一些較為復雜的算法問題。

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，英國和澳大利亞達到了百分之十以上。從全球來看，西方發(fā)達經(jīng)濟體均非常重視少兒編程教育，并在本國實施了大規(guī)模的中小學程序設計課程。

我國少兒編程教育嚴重滯后，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%。當前，我國少兒階段（中小學階段）編程教育主要問題在于：計算機教學知識體系落后、教學方法和授課內(nèi)容陳舊枯燥、程序設計課程并沒有完整合理的教學大綱、師資建設滯后，使得我國計算機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的不斷推進，人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)絡的不斷發(fā)展，信息技術課程開始不斷獲得國家及各級教學機構的重視，少兒編程教育在我國開始蓬勃發(fā)展起來。

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

3編程學習的知識構成

通過編程學習，應能夠理解和使用計算機科學領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問題的能力。編程學習的內(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)換成為相應功能的程序，并在電子設備精確、清楚的執(zhí)行的。

（2）掌握某一程序設計語言及其編程方法。能使用順序、選擇和循環(huán)三種基本結構來表示任意邏輯;使用基本數(shù)據(jù)類型和復合數(shù)據(jù)類型表示程序中的數(shù)據(jù)結構，并設計程序的輸入和輸出;利用過程或函數(shù)進行模塊化程序設計;利用面向?qū)ο蟪绦蛟O計的相關概念實現(xiàn)程序的可靠性和重用性;掌握程序設計的工具、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)結構及其存儲方法，如邏輯結構中數(shù)組、樹、圖，以及順序存儲、鏈式存儲、散列表等。

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

（6）了解計算機系統(tǒng)內(nèi)部指令是如何存儲和執(zhí)行的;計算機內(nèi)部數(shù)據(jù)表示，例如數(shù)字的原碼、反碼、補碼、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）的二進制表示。

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

4青少年認知的特點

認知fCognitionl也稱認識過程，是指人們認識、理解事物或現(xiàn)象，保存認識結果，利用有關知識經(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）掌握上述編程學習中所涉及的知識，并培養(yǎng)其動手實踐能力、分析能力、創(chuàng)新能力，皮亞杰將少兒認知特征歸納為如表1所示的四個階段。

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

5“可視化”編程與少兒編程

信息技術飛速發(fā)展，各種應用場景的不斷出現(xiàn)，使得目前編程語言的繁榮達到了驚人的地步。程序設計語言根據(jù)應用領域劃分，可分為：商用語言、科學計算、系統(tǒng)程序設計、模擬語言、文本處理、實時處理、嵌人式應用、人工智能應用、查詢和命令語言、教學語言、打印處理、數(shù)據(jù)庫應用等類型;按具體語言來說，比女口C、C++、JAVA、JAVASCRIPT、BASIC、Pascal、SQL、Pvthon等，數(shù)量可達上百種。單純的程序設計語言的學習是枯燥而缺乏趣味性的，同時需要較強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行熟練轉(zhuǎn)換的能力。

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

（1）學習盡可能容易。

（2）生動有趣，且形象直觀。

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

（4）編程設備盡量簡潔易用，減少鍵盤與鼠標的復雜操作。

可視化編程（Visual Programming）是以高級程序設計語言為基礎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、像搭積木式地構建出整個應用程序，并保證程序與結果的同步m?？梢暬幊痰闹饕獌?yōu)勢有：第一，操作直觀和趣味體驗，能有效提升學習興趣;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，提高設計過程的探索。可視化編程的特點顯然滿足少兒編程教學的相關要求。

通過可視化編程，可以讓少兒編程實現(xiàn)游戲化學習，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、建構新知識，培養(yǎng)學生的主動性和創(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、童程童美、小碼王等，此外適合少兒機器人編程的有樂高APP、能力風暴APP等。

Scratch是美國麻省理工學院多媒體實驗室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，可謂風靡全球。Scratch具有強大的多媒體功能，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)代編程技術涉及的面向?qū)ο蟆⑹聞?、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可視化編程教學體系完整地支持美國加強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（Science）、技術（rrechnology）、工程（Engineering）、藝術（Ans）、數(shù)學（Mathematics）各學科的融合。

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、任務拆解能力、跨學科結合能力、審美能力和團隊協(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、平板等移動設備上，通過觸摸方式進行編程），其個性化、游戲化的創(chuàng)造性功能設計進一步降低了少兒學習編程的門檻。

（2）編程貓自主創(chuàng)建的語言Kitten相比于Scrach擁有更強大的功能設計，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及高校全學段核心課程，參照斯坦福計算機專業(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、算法導向、創(chuàng)意編程、硬件機器人編程范圍;且自主研發(fā)了先進的矩陣式課程體系及獨特的PBL項目制學習模式。

（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習與大數(shù)據(jù)分析成為當前計算機科學研究熱點領域，Py-thon作為當前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，并與其他學習者共同進步。

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

6結束語

人工智能作為當今產(chǎn)業(yè)變革的核心驅(qū)動力，是引領未來的戰(zhàn)略性技術，能夠推動新技術、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)濟結構重大變革，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)達國家把發(fā)展人工智能作為提升國家競爭力、維護國家安全的重大戰(zhàn)略。技術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，以游戲化的學習方式，從少兒開始進行編程教育，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技術的引領者。