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AI战略下少儿可视化编程教育研究

范文

钟志宏周娟娟

摘要：人工智能AI成为新一轮产业变革的核心驱动力，推动新产业、新技术、新业态、新产品和新模式，推动整个社会生产力，发展人工智能被确定成为我国的国家战略。少儿编程教育能够有效培养少儿的计算思维，进而培养大量人工智能人才储备。当前我国少儿编程教育严重滞后，与西方发达国家存在较大差距。可视化编程工具及其课程体系f以“编程猫”为例），以游戏化学习方式进行少儿编程教育，能有效弥补我国少儿编程教育教学体系陈旧、教学方法枯燥、师资建设滞后的短板，有利培养青少年的计算思维、系统化思维、自主专研精神和创新精神，为我国人工智能人才培养提供技术支撑。

关键词：人工智能;少儿编程;可视化编程;编程教育;编程猫

中图分类号：TP391 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）32-0204-04

人工智能（Artificial InteHigence，缩写为AI），是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门计算机科学技术，其研究领域包括模式识别、自然语言和图像理解、专家系统、自适应动态规划、博弈论文、智能搜索与推荐、DNA编程、智能控制以及机器人技术等。在移动互联网、大数据、云计算、物联网、生物计算等新技术推动下，人工智能呈现出深度学习、跨界融合、人机协同、群智开放、自主操控等新特征，成为当前技术变革的主要领域。

1少儿编程教育在AI战略中的意义

国务院于2017年07月颁布了《新一代人工智能发展规划》，指出人工智能成为国际竞争的新焦点，应逐步推广全社会智能教育措施，在中小学阶段设置人工智能课程、推广编程教育、建设人工智能专业，培养计算思维的复合型人才，提高我国人工智能人才储备。规划从“人工智能发展进入新阶段、人工智能成为国际竞争的新焦点、人工智能成为经济发展的新引擎、人工智能带来社会建设的新机遇、人工智能发展的不确定性带来新挑战。”等四个方面，全面论述了发展人工智能是我国战略性举措。

编程是一种自动化理念，通过编程学习与训练可以培养学生的逻辑思维、问题解决和创新能力。美国卡内基梅隆大学周以真教授于2006年提出了“Computational Thinking（计算思维）”的概念，其本质是抽象和自动化，实质是“能行、构造、模拟”，即通过概括抽象问题、建立问题模型、设计算法解决问题的过程。通常认为，具有计算思维的人，在信息化时代的今天，更具有解决问题的能力，更具有创新能力，更具有综合竞争能力。各国对青少年编程教育研究表明，青少年越早接触计算机，能越早理解并利用计算思维认识和改造世界;越早开始学习编程，越能从中不断获得创新的乐趣和能力。同时，编程教育能够帮助青少年智力发展、提升自信心、培养科学精神、锻炼计算思维，形成系统性分析问题和解决问题的能力。

AI作为一门计算机科学，其实质就是对AI研究领域的问题进行抽象、建模、与计算机应用实现，分别对应于逻辑抽象、算法设计与算法实现，而算法的实现就是程序设计，即编程。因此，要使我国AI研究与应用在国际竞争中获得优势地位，成为AI的领引者，必须培养我国大量的面向AI发展挑战的储备人才;而广泛在中小学普及信息技术教育，并将编程教育（程序设计课程）作为其核心是尤为重要，不可或缺的。

2少儿编程教育发展现状

少儿（指年龄为6-13岁的儿童）编程教育在世界各国均引起了从教育专家到国家领导社会各方面的重视，制定了相应的规范并进行了大规模的实践。

作为信息化与AI发展水平最高的国家美国，从幼儿园到高中教育，计算机科学课程覆盖了幼儿园到高中阶段，培养青少年的计算机思维能力。早在2015年，美国时任总统奥巴马认为：如果美国想要在全球科技创新中保持领先，所有人都应更早地学习如何编程，奥巴馬本人以身作则，成为首位会编程的总统。2016年，Facebook总裁扎克伯格呼吁美国各科技企业联合起来，共同推行奥巴马提出的《面向所有人的计算机科学教育》全民计算机教育计划。目前美国是少儿编程教育渗透率最高的国家，达到44.8%。日本于2017年制订了《IT人才强化指南》，并计划从2020年起，把编程作为中小学的必修课程。澳大利亚于2016年将编程教育作为全国必修课程，青少年从10岁开始学习编程，培养编程思维，到12岁便可通过编程解决实际问题。英国于2014年把编程作为所有学校的必修课，规定5到7岁的少儿应掌握算法的含义以及如何将算法转换为程序进而执行。德国作为工业4.0的最初创立者，要求编程教育作为全国中小学必需课程，且以各类算法作为基础。而创新之都的以色列，更是要求从小学一年级开始学习编程，并能够解决一些较为复杂的算法问题。

HackerRank发布的《2018年开发技能报告》世界各国5—10岁少儿编程教育的比例，如图1所示，英国和澳大利亚达到了百分之十以上。从全球来看，西方发达经济体均非常重视少儿编程教育，并在本国实施了大规模的中小学程序设计课程。

我国少儿编程教育严重滞后，以全球使用最为广泛的少儿编程语言Scratch为例，美国市场渗透率为44.80%，英国为9.31%，中国仅0.96%。当前，我国少儿阶段（中小学阶段）编程教育主要问题在于：计算机教学知识体系落后、教学方法和授课内容陈旧枯燥、程序设计课程并没有完整合理的教学大纲、师资建设滞后，使得我国计算机信息教育成果不明显，而编程教育则是更加缺失。随着我国信息化建设的不断推进，人工智能、大数据、云计算、物联网、移动网络的不断发展，信息技术课程开始不断获得国家及各级教学机构的重视，少儿编程教育在我国开始蓬勃发展起来。

在中国知网国学术期刊库中以“Scratch”“少儿编程”为关键词，检索发表于2011-2018年之间的论文，共得到文献538篇。从图2的总趋势来看，相关的文献研究逐年增长。在2016年，研究趋势有所下降，但随着2017年，国务院印发《新一代人工智能发展规划》后，相关研究开始增多，相信随着经济社会与市场的介入，这一趋势将会加速。

3编程学习的知识构成

通过编程学习，应能够理解和使用计算机科学领域里的基本原则和概念，能够利用计算思维分析问题，并具备通过编写程序解决相关问题的能力。编程学习的内容主要包含以下几个方面：

（1）理解算法含义，算法的基本表示方法，以及算法是如何转换成为相应功能的程序，并在电子设备精确、清楚的执行的。

（2）掌握某一程序设计语言及其编程方法。能使用顺序、选择和循环三种基本结构来表示任意逻辑;使用基本数据类型和复合数据类型表示程序中的数据结构，并设计程序的输入和输出;利用过程或函数进行模块化程序设计;利用面向对象程序设计的相关概念实现程序的可靠性和重用性;掌握程序设计的工具、编写和调试程序的技巧。

（3）掌握常见算法。从计算思维观点，了解常见算法（例如排序、搜索等），并能使用逻辑推理对不同算法解决同一问题时的时空效率或优缺点。

（4）掌握常见数据结构及其存储方法，如逻辑结构中数组、树、图，以及顺序存储、链式存储、散列表等。

（5）理解基本的逻辑运算（例如，AND，OR和NOT）;理解计算机中的进制数表示，例如二进制、八进制、十六进制与十进制，并能在各进制数之间进行转换。

（6）了解计算机系统内部指令是如何存储和执行的;计算机内部数据表示，例如数字的原码、反码、补码、移码，及各种类型数据（包括文本、声音、图像、动画或视频等）的二进制表示。

（7）了解构成计算机系统的硬件和软件的组成，以及这些组件之间是如何进行协作、通信的。

4青少年认知的特点

认知fCognitionl也称认识过程，是指人们认识、理解事物或现象，保存认识结果，利用有关知识经验解决实际问题的过程，是包括感觉、知觉、记忆、想象、思维、注意等一组相关的心理过程。如何让少年儿童（指年龄为6-13岁的儿童）掌握上述编程学习中所涉及的知识，并培养其动手实践能力、分析能力、创新能力，皮亚杰将少儿认知特征归纳为如表1所示的四个阶段。

青少年的认知具有感觉能力强、感觉的随意性强，理论学习过程需要借助实践的反馈来完成，而程序设计课程能够使少儿“在实践中学，在学中实践，通过游戏与玩耍来完成AI的学习”，高度切合了少儿的认知规律。

5“可视化”编程与少儿编程

信息技术飞速发展，各种应用场景的不断出现，使得目前编程语言的繁荣达到了惊人的地步。程序设计语言根据应用领域划分，可分为：商用语言、科学计算、系统程序设计、模拟语言、文本处理、实时处理、嵌人式应用、人工智能应用、查询和命令语言、教学语言、打印处理、数据库应用等类型;按具体语言来说，比女口C、C++、JAVA、JAVASCRIPT、BASIC、Pascal、SQL、Pvthon等，数量可达上百种。单纯的程序设计语言的学习是枯燥而缺乏趣味性的，同时需要较强的逻辑思维能力和抽象能力，还需要将逻辑和行为通过程序代码进行熟练转换的能力。

因此选择一种适宜少儿编程教学的语言及其集成开发软件显得至关重要，且该开发软件应满足以下要求。

（1）学习尽可能容易。

（2）生动有趣，且形象直观。

（3）能体现程序设计的基本方法、规则、概念，便于向高级程序设计迁移。

（4）编程设备尽量简洁易用，减少键盘与鼠标的复杂操作。

可视化编程（Visual Programming）是以高级程序设计语言为基础的一种全新的编程方法，它以“所见即所得”为原则，规避抽象、烦琐的程序语言编写，仅通过直观的、像搭积木式地构建出整个应用程序，并保证程序与结果的同步m。可视化编程的主要优势有：第一，操作直观和趣味体验，能有效提升學习兴趣;第二，封装和简化的编程逻辑能加快开发速度，可有效聚焦于计算思维的培养和能力的发展;第三，所见即所得，提高设计过程的探索。可视化编程的特点显然满足少儿编程教学的相关要求。

通过可视化编程，可以让少儿编程实现游戏化学习，采用游戏化的方式自主探究、发现问题、解决问题，在此过程中重组旧知识、建构新知识，培养学生的主动性和创造性。常用的可视化编程工具有Scratch、App Inventor、Mice、Blockpy、Daisy、the Dinosaur、Hackety-Hack、Code Monster及国内的编程猫、阿儿法营、比特猴、边玩边学、童程童美、小码王等，此外适合少儿机器人编程的有乐高APP、能力风暴APP等。

Scratch是美国麻省理工学院多媒体实验室2007年推出的一种可视化编程工具，目前作为少儿编程工具在国内外被广泛采用，可谓风靡全球。Scratch具有强大的多媒体功能，集成了图片、声效、动作、外观等编程部件，能高效地设计出互动性的故事、游戏、动画等多媒体程序;同时，scratch不但包含了基本的程序设计概念：如顺序、选择，循环、变量、数组、链表、函数、嵌套等，还引入了现代编程技术涉及的面向对象、事务、并行计算等概念，通过Scratch可以无非过渡到其他专业编程语言。此外，Scratch可视化编程教学体系完整地支持美国加强K12的steam的教育理念，培养青少年综合素养，提升其全球竞争力，所谓STEAM体系，即科学（Science）、技术（rrechnology）、工程（Engineering）、艺术（Ans）、数学（Mathematics）各学科的融合。

编程猫（codeMao）是一个在线少儿可视化图形编程工具平台，由我国深圳点猫科技有限公司2015年开发推出。编程猫包括2D图形化编程工具“源码编辑器”、3D图形化编程工具“代码岛”和基于移动设备的编程工具Nemo。通过编程猫，可以轻松创作出生动有趣的游戏、软件、动画、互动故事作品，全方位锻炼逻辑思维能力、任务拆解能力、跨学科结合能力、审美能力和团队协作能力等综合素养，建立起坚实的STEAM综合素养。

编程猫具有如下优势：

（1）具有完善的工具矩阵。包括2D版的Kitten、3D版的Box、面向4～6岁幼儿编程教育的Kids以及Nemo移动端图形化编程工具（能够在手机、平板等移动设备上，通过触摸方式进行编程），其个性化、游戏化的创造性功能设计进一步降低了少儿学习编程的门槛。

（2）编程猫自主创建的语言Kitten相比于Scrach拥有更强大的功能设计，抛弃flash的链接障碍性，双倍于Scratch的积木数量，占用内存仅为Scratch的1/5，支持多人协作编程及强大的云变量功能，实现积木轻松转换为Python、JavaScript语言，可接人超过100种硬件，具有長时间积累迭代的优势。

（3）编程猫内置K12及高校全学段核心课程，参照斯坦福计算机专业课程打造了九级课程体系，如表2所示，全面覆盖编程启蒙、算法导向、创意编程、硬件机器人编程范围;且自主研发了先进的矩阵式课程体系及独特的PBL项目制学习模式。

（4）随着人工智能AI时代的来临，作为人工智能支撑的深度学习与大数据分析成为当前计算机科学研究热点领域，Py-thon作为当前AI编程的最佳编程语言，在编程猫的wood编辑器中被很好地支撑、并模块化和可视化;此外，wood编辑器可以直接在线运行代码，无须像其他Pvthon编辑器那样下载安装，同时，支撑众多Pv山叽第三方框架，极大地扩展了对人工智能中各类算法的支持。

（5）作为在线少儿编程平台，编程猫提供了完善的作品展示交流社区，能够让学生方便快捷的在社区分享自己的作品，增加成就感和自信心，并与其他学习者共同进步。

因此，编程猫可视化编程工具及其课程体系，能有效弥补我国少儿编程教育教学体系陈旧、教学方法枯燥、师资建设滞后的短板，可成为当前我国少儿编程教育的可选方案。

6结束语

人工智能作为当今产业变革的核心驱动力，是引领未来的战略性技术，能够推动新技术、新产品、新产业、新业态、新模式的发展，引发经济结构重大变革，改变人类生产生活方式和思维模式，大幅提升社会生产力。世界主要发达国家把发展人工智能作为提升国家竞争力、维护国家安全的重大战略。技术的竞争就是人才的竞争，而人才来自良好的、体系化的、具有创新驱动的教育培养。利用可视化编程工具，以游戏化的学习方式，从少儿开始进行编程教育，培养青少年的计算思维、系统化思维、自主专研精神和创新精神，为我国人工智能技术提供有力的人才储备，使我国赢得人工智能发展竞争的优势，推动我国成为世界科学技术的引领者。

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