基于计算思维培养的人工智能实践探索

周迎春　乌斯日格

摘 要：人工智能教育是培养学生计算思维的重要途径。梳理国际与国内人工智能教育的发展趋势，明确计算思维的内涵，对人工智能教育与计算思维培养的契合点进行具体分析，并结合参与省级信息评优活动，对人工智能课程的建构实施中提升计算思维的关键帧逐个进行解析，有助于人工智能教育对学生计算思维的培养和提升。

关键词：计算思维;人工智能教育;课程

中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1004-8502（2022）02-0047-08

作者简介：周迎春，江苏省苏州市吴江区鲈乡实验小学副校长，江苏省特级教师、正高级教师，研究方向为信息技术教学、STEM教育及人工智能教育;乌斯日格，中国儿童中心科研部研究实习员，研究方向为儿童发展、校外教育。

随着科技的不断发展，人工智能时代悄然来临。自然语言理解、模式识别、机器学习、数据挖掘、智能检索、机器人技术、人工神经网络等领域陆续开发出实用系统，很多领域的发展甚至超出我们的预期。2017年，国务院印发《新一代人工智能发展规划》，明确我国新一代人工智能发展的战略目标：到2020年，人工智能总体技术和应用与世界先进水平同步，人工智能产业成为新的重要经济增长点，人工智能技术应用成为改善民生的新途径;到2025年，人工智能基础理论实现重大突破，部分技术与应用达到世界领先水平，人工智能成为我国产业升级和经济转型的主要动力，智能社会建设取得积极进展;到2030年，人工智能理论、技术与应用总体达到世界领先水平，成为世界主要人工智能创新中心[1]。由此可见，人工智能的发展是未来发展至关重要的一环。

人工智能是经济发展的新动力、社会建设的新机遇、国际竞争的新焦点。人才是发展的重要基础，人工智能教育是人工智能发展的关键帧。

一、当前人工智能教育国际与国内趋势一览

人工智能作为信息技术发展的重要体现，与编程等信息技术的相关方面密不可分。同样地，人工智能教育往往会融入编程教育和信息技术教育，二者相辅相成。为适应和引领人工智能技术发展，各国在义务教育阶段先后开始人工智能和编程教育。以色列自2000年开始要求学生学习编程;2016年，日本将人工智能编程教育列入中小学必修课;2017年，新加坡开始实施国家人工智能计划，包括中学“AI for Student”和小学“AI for Kid”;同年，芬兰发布《芬兰的人工智能时代》，提出寻求教育创新以满足人工智能应用领域的人才需求;2018年，英国提出为儿童学习和应用人工智能做好充分准备;同年，美国启动K-12人工智能教育行动并制定中小学人工智能教育的指导意见。可见，人工智能和编程教育在国际上受到广泛重视，且重视程度逐渐加深。

我国也十分重视信息技术和人工智能的教育。早在20世纪90年代，邓小平就提出“计算机要从娃娃抓起”，吹响我国开展计算机教育的号角，为我国21世纪初IT技术的迅猛发展奠定良好基础。2017年，国务院印发的《新一代人工智能发展规划》明确提出，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育[1]。教育部印发《中小学综合实践活动课程指导纲要》，强调对大数据、人工智能、“互联网+”等信息技术的合理利用[2]。2018年，教育部对十三届全国人民代表大会和全国政协会议中有关加强小学编程教育的提案给予积极回复，提出采取多方面措施推动教学方法和人才培养模式的改革，在中小学阶段推广编程教育。2019年，教育部启动对义务教育课程的修订工作，建议根据需要将人工智能教育纳入课程标准。其间，中央电化教育馆也适时启动人工智能教育实验学校的申报评审工作，全国先后成立一批开展儿童编程教育的相关机构。可见，在我国，人工智能和编程教育日益受到社会、学校、学生和家长的重视。

人工智能发展进入新阶段。人工智能教育的开展和普及是时代需要，是发展需要。然而，纵观国内外人工智能教育现状，尚存在硬件、课程资源及师资不足等障碍。目前我国中小学义务教育阶段的课程纲要中也尚未出现“人工智能教育”这一关键词。

二、计算思维与人工智能教育

目前，人工智能尚未成为中小学的一门独立学科，与之关系最紧密的是信息技术学科。我国最新修订的《普通高中信息技术课程标准》将计算思维融入核心素养设计中，作为核心素养的核心要素，并设置如“人工智能初步”等综合应用模块，旨在推进和培养智能时代学生的编程能力、计算思维等核心素养[3]。可见，计算思维及其培养越来越受重视，其重要性不言而喻。

（一）计算思维的内涵

2006年，卡内基梅隆大学的周以真教授（Jeannette M. Wing）提出，“计算思维是一种运用计算机科学基本概念求解问题、设计系统和理解人类行为的方式，涵盖了计算机科学领域广度的一系列思维工具”[4]。2010年，周以真教授补充，“计算思维是一种问题解决的思维过程，能够清晰和抽象地将问题及其解决方案用信息处理代理（机器或者人）能够有效执行的方式表述出来”[5]。自此后，关于计算思维的讨论逐渐展开，计算思维的培养也日益受到重视。

尽管研究者对计算思维的定义不甚相同，但都强调计算思维解决问题的能力特征。由此可见，计算思维被普遍认为是反映计算机科学的基本思想方法，是一种独特的解决问题的过程。通过计算思维的运用，人们更好地理解、分析更复杂的问题，并形成自动化、模块化、系统化等具有计算特征的问题解决方案[6]。

大体而言，计算思维的结构可概括为：对象化思维和过程思维，兼具认识世界和改造世界的功能;抽象思维和可视化思维，分别指向世界的内在本质（内容）和外在形态（形式）;工程思维和自动化思维，分别指向改造世界的必然性和自由性[7]。总而言之，计算思维聚焦于问题解决，是解决问题的过程。

（二）数字时代培养计算思维的重要意义

21世纪以来，随着科技的不断发展，人们进入数字时代。如今，人工智能等新一代信息技术快速發展，社会向更智能的时代迈进，因而，计算思维成为当前时代背景下的必备素养之一。

如同数学思维一样，计算思维有一个完整的内容体系，是普适性的，是支持其他学科发展的思维工具和方法。同时，它又具有普遍的生活和社会意义，是关乎人类生存的基本思维方式之一[7]。

当今社会，数字技术无处不在并快速发展和普及，“计算”在很多领域表现出变革性的意义。因此，若想适应计算强度日益增加的信息社会，人们必须深入感知生活中的计算，发展计算思维。然而，目前仍有很多人对计算的理解较为浅薄，停留于数值计算和工具操作层面，也少有机会接触计算机处理非数值型数据的过程和方法，因此，更难获得对计算的基本理解，无法形成基于此的计算思维[6]。长此以往，缺乏计算思维的人无法紧跟时代的发展，终将成为时代的“弃儿”。

目前，中小学校对计算思维的培养仍处于初级阶段。尽管学界和部分一线教师广泛关注计算思维的培养，但在实际教学过程中，培养计算思维的教学活动较少。毋庸置疑，这不利于学生计算思维的发展。因此，如何培养计算思维，成为目前亟待解决的问题。

（三）计算思维的培养与人工智能课程

计算思维是指向问题解决的思维方式，且与信息技术的发展密不可分。因此，有效培养学生的计算思维，需结合信息技术和问题解决情境进行。人工智能课程创设了信息技术与问题解决相融合的情境，为计算思维的培养提供了空间。

从政策要求看，目前我国中小学实行的《基础教育信息技术课程标准（2012版）》和《普通高中信息技术课程标准（2017版）》均设置了人工智能相关模块。2018年，教育部印发《教育信息化2.0行动计划》，明确要求完善课程方案和课程标准，使中小学人工智能和编程课程内容充分适应信息时代、智能时代发展需要[8]。由此可见，培养学生的计算思维是中小学人工智能课程的一项重要任务。

从实践经验看，人工智能课程一般以项目为引领，让学生在真实的情境中解决问题，这与培养计算思维的要求不谋而合。人工智能课堂的项目可以激发学生解决问题的内在动机，从而解构较为复杂的问题，进行模式识别与归纳，最后进行算法开发，并对相似问题的解决方案进行归纳泛化。其间，需要个体对知识的“差集”进行补充完善，也需要利用互联网等工具处理相关信息，反复调适问题的解决方案。

2010年以来，人工智能教育进入发展阶段[9]。但目前，人工智能教育课程仍是以人工智能教育为主题的泛在课程系列，主要依托信息技术课程、STEM课程、创客课程等开展，尚缺少完善的课程内容体系和课程资源，且存在重视技能训练、轻视计算思维培养的问题[10]。因此，探析适合计算思维发展的人工智能课程显得尤为重要。

三、基于计算思维培养的人工智能课程创设与实践

纲要未有，实践先行。由于学生的年龄和认知水平不同，中小学人工智能课程在不同阶段有不同要求。

（一）小学阶段，感悟生活中的人工智能，培养兴趣

小学阶段，学生的认知能力和生活经验均有限。因此，可以从生活入手，引导学生感悟人工智能技术在生活中的应用，层层递进，激发学生的学习兴趣和好奇心。

如果开始就在教室中学习人工智能相关知识，可能会令学生感到难以理解，从而破坏其学习兴趣。因此，教师可从学生喜欢和熟悉的大自然入手，在组织户外活动时，引导学生使用人工智能App识别所见植物。例如，“形色”“微软识花”等App均可识别植物花卉。“形色”App在识别各类植物花卉时，偶尔还会“诗兴大发”赋诗一首，App的这一“举动”在儿童的意料之外，可引发学生对人工智能的兴趣。或者用内嵌植物图片数据库的“xDing”AI软件设计识图人物程序，叠加个性化的设计创意，让学生在使用App时体验到不同的乐趣。

在此基础上，教师鼓励学生尝试使用识别植物的App识别其他事物，如美食、人脸等，引导学生发现这类App的局限性，并鼓励学生讨论，提出解决办法——使用其他功能更强大的人工智能App，例如“百度识图”等。在使用这些App时，一方面引导学生尽可能多地识别各类图片;另一方面，引导学生发现问题——有时百度AI由于角度、亮度等原因会“开小差”，把五年级学生误判为30多岁，孩子们忍俊不禁的同时，也感受到目前人工智能的局限性。

在学生感受到人工智能App的局限性后，教师可以和学生一起讨论解决的办法。例如，启用百度的“EasyDL”定制猫狗识别的图像分类模型，通过校验不同数据量的模型，让学生发现“训练的数据量越大，图像的识别正确率越高”的规律，体会大数据的妙处，并得出结论：机器学习是以数据为中心的问题求解方式。通过在生活中感悟人工智能的妙用，发现人工智能的局限，可以强化学生运用智能工具处理信息的意识，数字化学习与创新能力也得到同步提升。同时，因为不断发现人工智能App的局限所在，并探讨解决办法，学生的计算思维能力得到初步发展。

（二）中学阶段，学习人工智能原理，实战编程

编程教育是将问题解决模式自动化的关键环节，因此也是培养学生计算思维的重要途径。课堂是培养思维的主阵地，在编程课堂中，在不断解决问题的过程中，计算思维得到培养和提升。

图1所示的“智能识别垃圾箱”是《AI机器人创意搭建与mBlock5慧编程》中的一课。该案例融合了工程、电子、编程、环保、图像识别等诸多跨学科的知识技能，是一个典型的STEM案例。

项目实施时首先需引导学生明确目标的场域边界，然后分解问题，将看似庞大的问题拆分成三个子问题：垃圾箱3D建模打印;光环板外围驱动装置搭建;mBlock5编程自动化。有时，子问题还需进一步分解，例如mBlcok5编程需先完成训练模型，系统需预先拾取相关垃圾的图像信息，然后依次完成图像识别——说出分类（1.0版）、光环板LED显示分类（2.0版）、驱动舵机自动翻盖（3.0版）。在子问题的解决过程中，通过对版本的升级改造，学生汲取人工智能的前沿知识技能，勇于创新、不断迭代，使“产品”更趋完美实用。在拓展环节，学生产生更大胆的创意：只需将垃圾放入传送带，系統即会自动完成分拣及入箱的动作。随着技术的进一步发展，相信创意很快会变成现实。

學生通过完整地经历解决问题的过程，并动手实操，对人工智能形成更深刻的理解。在实践过程中，学生不断提出问题并解决问题，深入探索问题解决的路径，计算思维得到有效锻炼。

四、对培养计算思维的人工智能课程实践的思考

（一）小学阶段夯实基础，在感悟中培养计算思维

已有大量研究表明，计算思维在儿童早期就得以发展[11]。但与较年长的儿童不同，年龄较小的儿童的计算思维需要在非认知层面下功夫。小学阶段，学生的思维发展更依赖具体形象性的内容，因此，这一阶段的人工智能教育更需注重体验和感悟，课程设计也应和儿童的日常生活相关。

小学阶段的人工智能课程重在让学生感悟人工智能，培养学生对人工智能的兴趣[12]。在这一阶段，除鼓励学生使用各种人工智能的工具外，还可以让学生适当接触图形编程的工具，例如ScratchJr、KIBO和“小世界”等，让学生初步窥见人工智能背后的秘密。需要注意的是，无论是教学还是实践活动，都应以激发学生兴趣为主，因此，在教学活动中，教师要特别注意学生的接受能力及自己的教学方式。

另外，在教学实践过程中，要格外注意对学生计算思维的培养，引导学生发现问题、解决问题。注重体验和感悟，不等于简单地教孩子用人工智能App，而是在活动中引导儿童发现人工智能App的特点和局限性，并引导儿童通过各种方式找到相应的解决办法。教师要时刻记住，课程的目的是培养学生的计算思维，并在活动中融入解决问题的元素，为下一阶段学生计算思维的发展奠定基础。

（二）初中阶段加深理解，在学习中发展计算思维

初中阶段，学生的认知能力进一步发展，抽象逻辑思维开始萌芽。这时，仅依靠小学阶段的感悟式学习方法是有局限的，对学生建立完整的知识结构和进一步理解人工智能的内涵不利，阻碍学生的进步。因此，在这一阶段，教师可以逐渐让学生从“感悟者”转变为“制作者”。

在初中阶段，人工智能课程应当注重人工智能技术的体验，学生可以完成简单的人工智能作品[12]。结合学生的认知特点，本阶段学生的编程是基于人工智能某一点的编程，在编程的过程中，一方面巩固所学人工智能知识，另一方面培养学生的计算思维及实践能力[10]。需警惕的是，由于涉及较为系统的新知识，教师易过多使用讲授法进行教学，忽略学生的自主实践。诚然，通过教师讲授的方式学习可以帮助学生高效地掌握知识，但是，在以培养计算思维为教学目的的人工智能课堂中，这种方法存在局限。因此，教师可尝试采用讲授和项目式学习相结合的方式，并且尤其注重项目式学习的应用。在学生掌握编程基本知识的前提下，教师可在课堂中营造问题情境，让学生尝试运用所学知识解决问题，以促进学生计算思维的进一步发展。

（三）高中阶段深入分析，在实践中运用计算思维

高中阶段，学生的抽象思维得到较大发展，认知发展接近成人水平。因此，在这一阶段，不仅要培养，更要鼓励学生运用计算思维，在人工智能课程中进行创造性的活动。

高中阶段的人工智能课程重在让学生初步探索人工智能，并设计相对复杂的人工智能作品[12]。高中学生具有一定的信息化基础，在学习内容方面，可以让学生了解人工智能的基本概念、人工智能的历史与技术、人工智能的基本过程及实现人工智能的典型算法和主要实现手段[10]。这一阶段的人工智能课程，教师要着重运用项目式的方式教学，鼓励学生发现问题并运用人工智能技术创造性地解决问题。

此外，在这一阶段，教师可鼓励学生走出课堂，拓展眼界。例如，教师可通过校企合作的方式，带领学生走进互联网企业，和企业的工程师交流，真正走近人工智能软件开发;或者走进高校实验室，让学生切身体会到“像科学家一样思考”的含义;还可以鼓励学生参加各类竞赛活动，尤其是对人工智能特别感兴趣的学生，在和同龄人切磋的过程中，进一步发现自身的优势和不足，这对学生计算思维的发展和个体的长远发展有积极作用。

五、结语

人工智能教育对培养学生的计算思维有重要作用。数字时代，计算思维是不可或缺的能力。因此，人工智能教育应将培养计算思维作为重要的课程目标之一，从感悟、理解、分析到应用，逐步加深学生对人工智能相关知识的掌握。目前，人工智能教育尚处于发展阶段，有效推进人工智能教育政策的落实、创设优秀的人工智能教育课程，需政府、中小学校、社会各方的共同努力和进一步的教学实践研究。然而，尽管人工智能教育没有统一的课程标准，各中小学校仍可结合儿童发展规律以及学校的实际情况，分层次设计各学段的课程内容，开展人工智能教育，促进学生计算思维发展。

【参考文献】

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[2] 教育部.教育部印发《中小学综合实践活动课程指导纲要》[EB/OL].（2017-10-30）.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A26/s8001/201710/t20171017_316616.html.

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[10] 谢忠新，曹杨璐，李盈.中小学人工智能课程内容设计探究[J].中国电化教育，2019（04）：17-22.

[11] 高宏钰，李玉顺，代帅，等.编程教育如何更好地促进早期儿童计算思维发展——基于国际实证研究的系統述评[J].电化教育研究，2021，42（11）：121-128.

[12] 张丹，崔光佐.中小学阶段的人工智能教育研究[J].现代教育技术，2020，30（01）：39-44.

A Practical Exploration of AI Based on the Cultivation of Computational Thinking

ZHOU Ying-chun Wusirige

1. Luxiang Experimental Primary School; 2. China National Children’s Center）

Abstract： Artificial intelligence （AI） education is a vital channel to cultivate students’ computational thinking. This paper sorts out the development trend of AI education at home and abroad. Then， combining with the connotation of computational thinking， it makes a specific analysis of the convergence between AI education and computational thinking training. Finally， it includes the provincial-level information evaluation activities， and analyzes the key frames that promote computational thinking in the construction and implementation of AI curriculum.

Keywords： Computational Thinking; AI Education; Curriculum