曾越　楊偉鵬　白明麗

【摘要】在人工智能時代，計算思維是個體應當具備的一系列解決問題的思維品質。計算思維的培養(yǎng)應從幼兒階段開始。計算思維包括計算概念、計算實踐和計算態(tài)度三個同等重要、密不可分的維度，包括問題分解、抽象、模式識別和算法設計等核心要素。本文重點介紹如何在一日生活和活動中培養(yǎng)幼兒的計算思維，以促進幼兒信息科技素養(yǎng)提升。

【關鍵詞】計算思維；問題分解；抽象；模式識別；算法設計

【中圖分類號】G612 【文獻標識碼】A? ?【文章編號】1004-4604（2023）04-0003-06

2022年，中華人民共和國教育部發(fā)布《義務教育信息科技課程標準》，將計算思維作為信息科技課程的核心素養(yǎng)之一，將其定義為“個體運用計算機科學領域的思想方法，在問題解決過程中涉及的抽象、分解、建模、算法設計等思維活動”。由此可見，“計算思維”與數學活動中的“計算”是截然不同的概念。在人工智能時代，計算思維是個體應當具備的一系列解決問題的思維品質。作為建設現(xiàn)代化中國的接班人，兒童應當從小習得計算思維這一核心素養(yǎng)，從而更好地理解周圍的社會環(huán)境，適應未來的社會發(fā)展。本文擬對人工智能時代幼兒計算思維的核心要素與培養(yǎng)策略進行深入探討。

一、幼兒計算思維的核心要素

目前學前教育領域研究者尚未對幼兒計算思維的框架達成共識。〔1〕在比較了不同的計算思維框架后，曾越等人認為，凱倫·布倫南（Karen Brennan）和米切爾·雷斯尼克（Mitchel Resnick）提出的三維框架〔2〕為幼兒計算思維的培養(yǎng)提供了基礎框架。該框架包含三個維度，分別是計算概念（編程時所使用的概念）、計算實踐（創(chuàng)建項目時的問題解決策略）和計算態(tài)度（所形成的對自己及周圍世界的看法）。三個維度同等重要，密不可分。這表明計算思維不僅包括編程知識，而且包括問題分析與解決能力、創(chuàng)造性與合作性等超越知識技能之外的內容。曾越等人將這三個維度作為幼兒計算思維的基礎框架，系統(tǒng)回顧相關實證研究，梳理出每個維度下幼兒計算思維的核心要素（見表1）?！?〕

雖然不同組織和研究者所提出的幼兒計算思維框架并不一致，但均將問題分解、抽象、模式識別和算法設計這四種核心要素納入其中。由此可見，這四種核心要素是幼兒計算思維的關鍵內容。因此，本文將對這四種計算思維的核心要素進行重點介紹。

1.問題分解

問題分解是一個解構的過程，是指將一個復雜的問題或系統(tǒng)分解成較小的、容易解決或管理的部分?！?〕

會使用問題分解來解決復雜的問題，是很重要的能力。計算機科學家正是使用問題分解來完成復雜的任務或者設計龐大的系統(tǒng)的?！?〕問題分解可以使解決復雜問題的過程不那么令人生畏，而是更容易上手。在完成復雜任務或解決復雜問題的過程中，可以將大的任務或問題分解成一個個小的任務或問題，再將小任務或小問題進一步分解，以便更容易完成任務或解決問題。例如，準備上幼兒園可以被分解成起床、穿衣、疊被子、刷牙、洗臉、吃飯等幾項小的任務，而每一項小的任務又可以被進一步分解，如將刷牙進一步分解成在牙刷上擠牙膏、按正確方法刷牙、漱干凈嘴里的牙膏沫等步驟。

問題分解應該在開始行動前進行。在沒有適當計劃的情況下試圖完成一項復雜的任務，可能會付出很多不必要的努力，甚至導致失敗。〔6〕

2.抽象

抽象是指從復雜的環(huán)境中收集相關的信息，忽略不相關的細節(jié)，從而在不同的表征中找到共同點或者生成模式的過程。〔7〕

在計算機科學中，抽象是一個強有力的工具，“它使我們有信心在不必理解每一個細節(jié)的情況下就能夠安全地使用、調整和影響一個復雜系統(tǒng)”?！?〕抽象能夠使個體在不同層次上思考問題，通過捕捉問題解決中的關鍵點，忽略“噪音”，從而高效地解決問題。例如，將從家里出發(fā)去上幼兒園的日常活動抽象為確定兩點一線之間的路線與交通方式。

抽象是計算思維的基礎。通過抽象的過程，個體能夠將主要的精力用于處理最相關和最重要的信息，從而更有利于思考和解決問題。〔9〕

3.模式識別

模式識別是識別問題之間及問題內部的共同點和趨勢的過程。〔10〕

模式識別是人工智能的核心內容，是大數據時代的關鍵使能技術?！?1〕模式識別能夠幫助個體將以往處理信息或解決問題的方法遷移到具有相同模式的信息或問題上。因此，識別的模式越多，個體處理信息或解決問題的速度越快。如果不具備模式識別能力，那么對個體來說，每個問題或信息都是嶄新的，都需要從頭開始思考，使得信息的處理或問題的解決變得非常低效。模式識別還有助于個體進行歸納概括和預測。例如，個體通過已有數據中的模式對未來的天氣進行預測。

4.算法設計

算法設計是為解決一個問題或完成一項任務而設計一系列有序步驟或行動的過程?！?2〕算法設計是計算思維的核心要素之一，也是人工智能得以普遍應用的三大支柱（數據、算法和算力）之一。

在進行算法設計時，除了要求一系列步驟以正確的順序排列外，還要尋求最優(yōu)算法，即以最高效的方式來解決問題。例如，華羅庚講到統(tǒng)籌方法時提到的不同的人因泡茶步驟不同而花費時間不同的例子，就是有關最優(yōu)算法的生動案例。

二、幼兒計算思維的培養(yǎng)策略

鑒于計算思維的重要性，世界范圍內的學前教育工作者都越來越重視從幼兒時期開始培養(yǎng)個體的計算思維?！?3，14〕在幼兒園中培養(yǎng)幼兒計算思維主要有兩種方式。一種是通過專門的編程教育促進幼兒計算思維的發(fā)展。這需要結合編程工具來開展，如常用的圖形化編程工具ScratchJr，教育機器人Bee-Bot、KIBO、瑪塔機器人、Code-a-Pillar，混合工具魔寶樂等。一些幼兒園還嘗試研發(fā)不插電的編程工具來培養(yǎng)幼兒的計算思維。〔15〕另一種是基于幼兒園現(xiàn)有的活動，將計算思維的學習滲透在一日生活和活動中。這兩種方式都被證實能夠有效培養(yǎng)幼兒的計算思維。〔16，17〕本文主要介紹如何在一日生活和活動中培養(yǎng)幼兒的計算思維。我們依然圍繞上述四種計算思維的核心要素來分析。

1.問題分解的培養(yǎng)策略

問題分解有助于幼兒將那些較大、較復雜的問題或任務分解成小的部分，從而更快地解決問題或完成任務。幼兒園的一日生活和活動中蘊含著豐富的問題分解能力的培養(yǎng)契機。

對幼兒來說，很多生活活動都是比較復雜和有挑戰(zhàn)性的。因此，可以采用問題分解的方式來完成。來園幾件事、洗手幾步驟、吃飯幾件事、午睡幾部曲、起床幾部曲、如廁幾步驟、離園幾件事等，都是很好的培養(yǎng)幼兒問題分解能力的契機。教師可以把握這些機會，引導幼兒通過問題分解來完成復雜任務。

凱利·米爾斯（Kelly Mills）等人介紹了如何在橡皮泥制作活動中培養(yǎng)幼兒的問題分解能力?！?8〕在進行這類活動時，教師先向幼兒解釋什么是問題分解，然后提供一套橡皮泥創(chuàng)作圖片，請每名幼兒挑選一張圖片并仔細觀察自己選擇的圖片。教師提問：“你注意到哪些細節(jié)？你怎樣才能把它分成更小的部分，使它更容易制作？你會先做什么？”在幼兒完成了橡皮泥作品后，教師可以鼓勵幼兒分享創(chuàng)作的過程，可以問幼兒：“你的大型橡皮泥作品是什么？你是如何把它分成小部分的？這對你制作橡皮泥作品有幫助嗎？有什么幫助？”上述方法也適合在其他活動中培養(yǎng)幼兒的問題分解能力。如在幼兒搭建復雜的建筑物時，教師可以引導幼兒先分析該建筑物包含哪幾個部分，應該先搭什么等；在幼兒完成搭建后，教師可以鼓勵幼兒回顧和分享搭建的步驟等。

2.抽象的培養(yǎng)策略

抽象有助于幼兒忽略不必要的細節(jié)，抓住重要信息，從而簡化問題，降低任務復雜性。有研究者認為，有必要從幼兒園開始培養(yǎng)幼兒的抽象能力?！?9〕

教師可以在不同活動中引導幼兒專注于重要信息，有目的地培養(yǎng)幼兒的抽象能力?！?0〕例如，教師可以請幼兒回憶一日生活有哪些環(huán)節(jié)，這時幼兒并不需要回憶起每個環(huán)節(jié)的所有細節(jié)，只需要提取一日生活各環(huán)節(jié)的主要內容和順序。這就是抽象。再如，在語言教學活動中，教師可以請幼兒概括故事情節(jié)。這就需要幼兒有意地忽略其他不重要的細節(jié)，提取出故事的主要內容。在塔瑪拉·摩爾（Tamara Moore）等人的研究中，幼兒被要求將實際的路線轉化為地圖。這正是一個抽象的過程，因為在繪制地圖的過程中，幼兒需要忽略實際物理空間中的很多不重要的細節(jié)。〔21〕數學活動同樣是發(fā)展幼兒抽象能力的重要途徑。例如，當幼兒用數字3表示數量為3的任意一種物體時，幼兒就是在關注必要的信息（物體的數量），忽視不相關的信息（物體的其他細節(jié)）。又如，在分類活動中，當幼兒根據觀察到的特征將物體分類時，需要關注必要的信息（如按照形狀分類，形狀就是必要的信息），忽略不相關的信息（如按照形狀分類，顏色、大小等就是不相關的信息）。根據事物的本質特征分類則對幼兒的抽象能力提出了更高的要求。下面以分類活動為例，具體說明如何培養(yǎng)幼兒的抽象能力。在開展分類活動時，教師可以先向幼兒解釋什么是分類，然后創(chuàng)設諸如整理雜貨店的情境，請幼兒參與分類游戲。比如，教師展示一組沒有分類的水果和蔬菜，請幼兒將這些食物進行分類。在指導幼兒分類時，教師可以解釋：“分類可以使我們更容易找到我們想要的食物；在分類時，需要關注特定的細節(jié)，忽略其他細節(jié)?！弊詈?，教師請幼兒分享他們的分類方法。相比按照顏色和大小進行分類，按照種類（蔬菜和水果）分類是抓住了事物更為本質的特征。因此，教師可以進一步引導按照顏色和大小進行分類的幼兒將食物分為水果和蔬菜，并分別貼上標簽。教師可以解釋標簽的作用：“標簽表示這類物體的關鍵特征，幫助我們更容易知道哪一籃是水果，哪一籃是蔬菜。”在幼兒畫完標簽并貼到籃子上后，教師可以提問：“現(xiàn)在我要找茄子，應該去哪個籃子找？”在上述分類活動中，幼兒嘗試運用抽象思維提取事物的表面特征和本質特征、忽略不重要的細節(jié)。值得注意的是，幼兒在分類的過程中還運用模式識別來處理信息和解決問題。

3.模式識別的培養(yǎng)策略

模式識別能夠幫助幼兒高效地處理信息，遷移解決問題的方法，并進行歸納概括和預測。例如，當教師給3歲幼兒朗讀繪本《棕色的熊、棕色的熊，你在看什么》時，故事講到一半，就會有幼兒跟著教師一起念。教師問幼兒怎么會知道的時候，幼兒解釋說：“它每次都重復同樣的話?！笨梢?，3歲幼兒已經能夠發(fā)現(xiàn)故事中的語言模式并加以運用了?！?2〕

幼兒園的一日生活中蘊含著大量的模式識別技能的學習機會。例如，幼兒的一日生活通常是按照一定的模式組織的，展示或回顧一日生活有助于幼兒發(fā)現(xiàn)一日生活的模式，從而能夠預測接下來要做什么，進而形成秩序感和對生活的掌控感。此外，一周的活動安排也有一定的模式（例如每周固定時間的晨會、自助餐活動等）。教師可以和幼兒一起制作周歷，幫助幼兒識別模式。

幼兒園的各類活動中蘊含著豐富的模式識別技能的學習機會。例如，模式本身就是幼兒數學學習的核心經驗之一，〔23〕很多數學活動都為幼兒提供了大量的數量、大小、顏色、形狀等的模式識別機會。再如，繪本為幼兒探索模式提供了極佳的語境。在《跑跑鎮(zhèn)》《打瞌睡的房子》《好餓的小蛇》《好餓的毛毛蟲》《我的連衣裙》等許多繪本中，都可以發(fā)現(xiàn)存在于語言和圖畫中的模式。這種模式不僅增添了文學作品的趣味性，而且有助于幼兒記憶故事和預測故事發(fā)展。例如，幼兒發(fā)現(xiàn)繪本《大公雞環(huán)游世界》的第一頁出現(xiàn)了一只公雞，第二頁出現(xiàn)了兩只小狐貍，第三頁出現(xiàn)了三只小兔子……從而預測第六頁上有六只螢火蟲。很多音樂作品、美術作品和舞蹈作品中也有存在于歌詞和旋律、線條和色彩、動作等方面的模式。這些模式不僅增添了藝術作品的美感，而且有助于幼兒感受和欣賞、表現(xiàn)和創(chuàng)造。在科學活動中，在認識四季的交替變幻、生物的生命周期、天體的運動規(guī)律等的過程中，幼兒同樣可以感受與識別模式。

4.算法設計的培養(yǎng)策略

幼兒園的一日生活中蘊含著大量的算法設計能力的培養(yǎng)機會，如規(guī)劃從家到幼兒園的路線，設計入園的流程等。下面以洗手為例說明如何利用生活活動促進幼兒算法設計能力的發(fā)展。這一方法也適合在其他生活活動中培養(yǎng)幼兒的算法設計能力。首先，教師可以請幼兒分享他們的洗手步驟。一組步驟就是一種算法。幼兒的算法可能有一些差異。當幼兒對洗手有不同的想法時，就是進一步討論有效算法的機會。在討論有效的洗手方法時，幼兒可能會發(fā)現(xiàn)一些步驟是不必要的，是可以被刪除的。這就是調試的過程，即去除不必要的（或錯誤的）步驟以有效地完成任務。一旦幼兒確定了最有效的洗手算法，就可以請幼兒將洗手步驟圖進行有序排列（可以用箭頭表示順序）?！?4〕

除了設計，算法的執(zhí)行也是算法設計能力的一部分。例如，在體育活動中幼兒可以扮演機器人執(zhí)行算法，即根據一套由方向卡和動作卡組成的指令（如向左走、向前跳）移動。為了提高效率、簡化指令，教師可以增加數字卡，使用循環(huán)指令（如“向左走、向左走、向左走、向左走”的指令可以用“向左走4步”來簡化），以提高幼兒的算法執(zhí)行力，促進幼兒算法設計思維的發(fā)展。

尋寶游戲或送快遞游戲是培養(yǎng)幼兒算法設計思維的常見游戲。在尋寶游戲中，教師可以請幼兒按照既定的指令或者創(chuàng)造指令來尋找寶藏。教師還可以請幼兒設計出到達藏寶地點的最優(yōu)路徑。另外，教師可以通過增加額外的障礙物等來調整尋寶游戲的難度，使之適合不同年齡的幼兒。在送快遞游戲中，教師可以先請幼兒判斷快遞應該送到哪里。例如，教師可以給出具體的樓棟位置（如將快遞送至×××小區(qū)××幢××室），或請幼兒根據人們對物品的需要（如奶瓶應該送給有嬰兒的家庭，圍巾應該送給生活在寒冷天氣中而非炎熱天氣中的人）來判斷快遞應送達的地點?！?5〕教師可以請幼兒用箭頭標記送快遞的路線，然后分享自己的算法，并比較誰的算法是最優(yōu)算法（路線最短）。

計算思維不僅對幼兒當下的發(fā)展具有重要價值，而且是幼兒應對未來競爭與挑戰(zhàn)的必備素養(yǎng)。當下，培養(yǎng)計算思維對幼兒的發(fā)展有著廣泛的作用。首先，計算思維會影響幼兒思考問題的方式，提升幼兒思考問題的系統(tǒng)性和邏輯性。其次，除了賦予學習者與計算機交流的能力外，計算思維作為一種綜合了眾多思維技能的高階思維，對其他領域（諸如數學、工程設計、科學等）的學習也有重要幫助?！?6〕另外，有研究者指出，計算思維有助于幼兒元認知的發(fā)展，有助于幼兒調節(jié)、控制和評估自己的行為?！?7，28〕最后，計算思維所強調的調試能力（debugging）有助于讓幼兒學會積極看待錯誤，并學會糾錯。從面向幼兒未來發(fā)展的角度來看，計算思維不僅是計算機科學家，而且是每個人應對21世紀挑戰(zhàn)所必備的基本技能。計算思維與閱讀、寫作和算術一樣重要?！?9〕計算思維的培養(yǎng)應從幼兒階段開始，以幫助幼兒在一個日益數字化的世界中成為高效的和富有創(chuàng)造力的問題解決者?！?0〕本文介紹了如何在幼兒園一日生活和活動中支持幼兒計算思維的發(fā)展。幼兒園教師可以舉一反三，將計算思維的培養(yǎng)與現(xiàn)有的幼兒園課程相結合，將計算思維創(chuàng)造性地融入幼兒園的一日生活和各類活動中，以促進幼兒計算思維的發(fā)展。

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Core Components and Developing Strategies of Computational Thinking in Early Childhood in the Era of Artificial Intelligence

Zeng Yue Yang Weipeng? Bai Mingli

（1 College of Education， Wenzhou University， Wenzhou， Zhejiang， 325006）

（2 Department of Early Childhood Education， The Education University of Hongkong， Hongkong）

（3 Wenzhou No.7 Kindergarten， Wenzhou， Zhejiang， 325006）

【Abstract】In the era of artificial intelligence， computational thinking （CT） is a series of thinking qualities that individuals should have to solve problems. The training of CT should begin in early childhood. CT includes core elements such as problem decomposition， abstraction， pattern recognition and algorithm design in three equally important and inseparable dimensions of computational concept， computational practice and computational attitude. Accordingly， this paper focuses on how to support the development of childrens CT in daily lives and activities to promote the improvement of childrens information technology literacy.

【Keywords】computational thinking; problem decomposition; abstraction; pattern recognition; algorithm design