王元卓

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2017年7月，國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，要求在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育，鼓勵(lì)社會(huì)力量參與寓教于樂的編程教學(xué)軟件、游戲的開發(fā)和推廣。2018年1月，教育部公布《普通高中課程方案和語文等學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》，人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)處理正式被納入《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》新課標(biāo)。在此背景下，編程熱潮掀起：多套編程教材發(fā)布、編程培訓(xùn)班異常火熱、青少年創(chuàng)新競賽AI項(xiàng)目風(fēng)頭正勁……

近年來，編程教育在世界范圍內(nèi)“流行”起來。在美國，編程、機(jī)器人等新技術(shù)早已走進(jìn)了中小學(xué)校，其他很多發(fā)達(dá)國家也都在鼓勵(lì)孩子們盡早接觸編程，培養(yǎng)孩子的創(chuàng)新能力，鍛煉孩子的邏輯思維能力。在我國，國務(wù)院發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確指出，人工智能成為國際競爭的新焦點(diǎn)，應(yīng)實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程、逐步推廣編程教育、建設(shè)人工智能學(xué)科，重視復(fù)合型人才的培養(yǎng)，形成我國人工智能人才高地。

Scratch之父米切爾·瑞斯尼克對未來的編程有一個(gè)很好的定義：編程不只是為了學(xué)習(xí)技術(shù)或者找工作，而是一種新的表達(dá)方式，也是新的學(xué)習(xí)方式。而編程能力和計(jì)算思維是眾多新型工科人才的必備基礎(chǔ)素質(zhì)，從這個(gè)意義上說，青少年學(xué)習(xí)編程是推動(dòng)我國新型學(xué)科人才培養(yǎng)的重要基礎(chǔ)。

學(xué)編程如何培養(yǎng)創(chuàng)新能力

編程能力是培養(yǎng)青少年創(chuàng)新意識的重要手段。創(chuàng)新意識會(huì)讓孩子擁有更豐富的想象力以及不斷產(chǎn)生新想法的能力，而孩子的創(chuàng)新意識大都是在生活中積累起來的。在當(dāng)今這個(gè)科技爆炸的時(shí)代，每天都有大量新的科技成果涌現(xiàn)。青少年編程能力的培養(yǎng)對孩子日后的學(xué)習(xí)具有重要的正向作用，其關(guān)鍵在于能帶給孩子快速學(xué)習(xí)新技能、新知識的能力。

創(chuàng)新包括“創(chuàng)造思維”和“動(dòng)手實(shí)現(xiàn)”兩個(gè)階段，同時(shí)“動(dòng)手實(shí)現(xiàn)”又會(huì)在很大程度上促進(jìn)和改善“創(chuàng)造思維”。在人工智能時(shí)代，很多創(chuàng)新的想法都需要通過計(jì)算機(jī)程序來實(shí)現(xiàn)，編程能力也因此成為我們實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新思維不可或缺的手段。

青少年的學(xué)習(xí)目標(biāo)應(yīng)該是興趣驅(qū)動(dòng)發(fā)展，在興趣中培養(yǎng)自己的思維方式與創(chuàng)新能力，并且從中獲得樂趣。當(dāng)孩子們通過自己親手設(shè)計(jì)并動(dòng)手實(shí)現(xiàn)的一段程序，做出了一段可交互的動(dòng)畫、一個(gè)智能小游戲，甚至控制了一個(gè)機(jī)器人的行動(dòng)，他們會(huì)得到極大的成就感和滿足感。由此，他們也將不斷動(dòng)腦去完善自己的設(shè)計(jì)，改進(jìn)自己的作品。而當(dāng)孩子遇到現(xiàn)有知識實(shí)現(xiàn)不了的想法時(shí)，就需要去學(xué)習(xí)新的知識，如此呈現(xiàn)螺旋上升的態(tài)勢。

此外，對于編程教育逐漸低齡化的現(xiàn)象，筆者認(rèn)為這是科技發(fā)展的必然趨勢。越來越多我們曾經(jīng)認(rèn)為只能出現(xiàn)在科幻電影中的技術(shù)和產(chǎn)品，現(xiàn)已成為我們的日常用品，如智能機(jī)器人已經(jīng)成了孩子們的玩具。這導(dǎo)致深度接觸智能技術(shù)和智能產(chǎn)品的群體越來越低齡化，很多四五歲的孩子已經(jīng)可以熟練操作一些智能玩具或者計(jì)算機(jī)程序，他們其實(shí)已具備了學(xué)習(xí)編程的基礎(chǔ)條件。

但幼兒學(xué)習(xí)編程一定要注意方式方法。區(qū)別于青少年，教授幼兒編程時(shí)應(yīng)以直觀的圖型界面、動(dòng)態(tài)的輔助工具，幫助孩子理解自己的操作會(huì)產(chǎn)生什么樣的結(jié)果。例如，通過拖拉拽的方式實(shí)現(xiàn)對實(shí)體機(jī)器人行動(dòng)、表情、語言的控制，從而讓幼兒對編程產(chǎn)生愿意學(xué)習(xí)下去的興趣。

培養(yǎng)計(jì)算思維比學(xué)會(huì)編程語言更重要

計(jì)算機(jī)專業(yè)及其相關(guān)方向，已經(jīng)成為高等院校招生規(guī)模最大的學(xué)科之一，且本科以上的計(jì)算機(jī)教育已經(jīng)非常成熟。然而，在青少年階段就加入編程的信息技術(shù)課程，不僅在我國還處于摸索階段，英國和美國也是在2016年以后才開始嘗試推行的。放眼全球，目前還沒有可以借鑒的成熟經(jīng)驗(yàn)。

中國工程院院士李國杰，是國際上最早倡導(dǎo)培養(yǎng)計(jì)算思維的科學(xué)家之一。早在2009年，李國杰便提出，計(jì)算思維是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為，它選擇合適的方式陳述一個(gè)問題、對一個(gè)問題的相關(guān)方面建模，并用最有效的辦法實(shí)現(xiàn)問題求解。計(jì)算機(jī)科學(xué)本質(zhì)上源自數(shù)學(xué)思維和工程思維。然而，計(jì)算思維遠(yuǎn)遠(yuǎn)不只是為計(jì)算機(jī)編程，它是抽象的、多層次的思維，與“讀寫能力”一樣，是人類的基本思維方式。培養(yǎng)孩子們的編程能力，不僅要求其學(xué)會(huì)閱讀、寫作和算術(shù)，更重要的是學(xué)會(huì)計(jì)算思維。計(jì)算思維既可以提高人的邏輯思維、發(fā)散思維、批判性思維能力，又能培養(yǎng)善于思考、勤于觀察、慎于實(shí)踐的良好習(xí)慣。

中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所（以下簡稱“計(jì)算所”）所長孫凝暉認(rèn)為，計(jì)算思維是每個(gè)人的基本技能，今后每個(gè)人都需要具備和掌握“編程”能力。因?yàn)槲磥淼娜f物互聯(lián)時(shí)代，人、機(jī)、物共存，人與計(jì)算機(jī)通過編程來交流，編程將會(huì)是一個(gè)基本的素質(zhì)要求。計(jì)算機(jī)的貢獻(xiàn)在于突破人類自身智慧的限制，解決之前無法解決的問題。然而一直以來，計(jì)算機(jī)僅僅被看作高科技工具，計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)則被認(rèn)定為工具學(xué)科和輔助學(xué)科。這種狹隘的認(rèn)知對信息化普及和智能化升級是極為不利的，信息技術(shù)是當(dāng)今社會(huì)必需的普適資源。人才的培養(yǎng)和信息素養(yǎng)的提升，關(guān)系到國家興盛。

擁有創(chuàng)新能力比編寫程序更重要

青少年學(xué)習(xí)編程，其實(shí)并不是簡單地學(xué)習(xí)一兩門編程語言。學(xué)習(xí)編程和學(xué)習(xí)一門“外語”并不一樣。編程更重要的是思維的訓(xùn)練。編程語言只是通過計(jì)算機(jī)解決問題的一個(gè)工具，它的基本語法很容易了解，但熟悉編程語言的規(guī)則并不代表能編寫出程序。

青少年學(xué)習(xí)編程，也并非簡單地學(xué)習(xí)如何編寫代碼，而是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)語言背后所蘊(yùn)含的復(fù)雜多變的邏輯運(yùn)算與計(jì)算思維，進(jìn)而養(yǎng)成良好的邏輯思維能力。只有通過學(xué)習(xí)編程達(dá)到了思維訓(xùn)練的目的，培養(yǎng)了孩子的創(chuàng)造性思維，才能為人工智能時(shí)代打下人才的基礎(chǔ)。

編程教育的核心目標(biāo)應(yīng)該是培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，以此鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力。編程教育可以訓(xùn)練學(xué)生提出問題、解決問題的能力，與傳統(tǒng)教育模式進(jìn)行有效的互補(bǔ)，通過具體的實(shí)踐活動(dòng)，激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力，逐步解決我國創(chuàng)新能力不足的問題。

編程能力培養(yǎng)需要專業(yè)環(huán)境和良性生態(tài)

目前，越來越多的家長開始重視編程學(xué)習(xí)，青少年編程教育行業(yè)擁有巨大的市場。但如雨后春筍般興起的教育機(jī)構(gòu)，教學(xué)水平參差不齊。我曾看到有些教育機(jī)構(gòu)的宣傳材料上宣傳，某個(gè)名人幾歲就開始學(xué)編程、學(xué)習(xí)哪種計(jì)算機(jī)語言可以參加什么比賽、通過多長時(shí)間的學(xué)習(xí)可以讓孩子取得怎樣的比賽成績等。這些宣傳的內(nèi)容和定位，從根本上曲解了政府所倡導(dǎo)的“人人學(xué)編程”的理念。學(xué)習(xí)編程是要引發(fā)孩子更多的獨(dú)立思考，培養(yǎng)他們分析問題、解決問題的能力，是為了實(shí)現(xiàn)思維方式和創(chuàng)新能力的全面提高，絕非生硬地學(xué)習(xí)某種計(jì)算機(jī)語言，按照既定的程序結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)人人類似的程序執(zhí)行結(jié)果，更不是為了考級或取得某些競賽成績。

對于青少年來說，缺乏合適的學(xué)習(xí)工具是當(dāng)下推行編程教育亟待解決的一個(gè)問題。美國麻省理工學(xué)院很早就推出了適合編程入門學(xué)習(xí)的編程語言LOGO，但因其對孩子來說晦澀難懂，又于2008年推出Scratch。Scratch圖形化的操作，便于9歲以上孩子理解和掌握，現(xiàn)在已取得非常大的影響力。Google公司開發(fā)的開源軟件Blockly，更是將這種積木塊狀的可視化編程風(fēng)格移植到多種編程語言之上，進(jìn)一步推動(dòng)了編程教育的普及。將編程理念融入玩具中，催生了很多的編程機(jī)器人產(chǎn)品，其中影響力最大的就是樂高的教育機(jī)器人系列。孩子們接觸這些編程機(jī)器人，有助于培養(yǎng)他們最基礎(chǔ)的程序結(jié)構(gòu)概念和樸素的編程思維。

然而，教育畢竟是一個(gè)系統(tǒng)化的工程，Scratch和樂高機(jī)器人只能起到“入門”的作用，并不能支撐起體系化的課程。計(jì)算所正在探索圍繞計(jì)算思維，構(gòu)造適合中小學(xué)生的編程教育課程，包括計(jì)算邏輯思維、系統(tǒng)思維、算法思維、協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)思維等幾大體系，并開發(fā)了適合學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué)的編程語言和軟硬件工具。編程語言方面，計(jì)算所正在設(shè)計(jì)和研發(fā)一款適合青少年編程教學(xué)的全新編程語言（木蘭），支持可視化編程，具備高度的開放性，可以更好地支持各種硬件設(shè)備、傳感器元器件、云端服務(wù)，讓學(xué)生能夠做出更豐富的創(chuàng)意作品，鍛煉計(jì)算邏輯思維。此外，計(jì)算所還開發(fā)了支持單片機(jī)的可視化編程工具，可以在軟件上驗(yàn)證學(xué)生設(shè)計(jì)的電路和程序是否正確，解決了一大教學(xué)難題，并通過軟硬件的綜合設(shè)計(jì)鍛煉學(xué)生的系統(tǒng)解決能力。目前，計(jì)算所正與地方合作開展教材的編寫工作，并與中國關(guān)心下一代工作委員會(huì)合作開展全國性公益項(xiàng)目，為地方建立信息技術(shù)相關(guān)的名師工作室，從技術(shù)上指導(dǎo)地方教師，提高教師的教學(xué)水平。到2019年底，預(yù)計(jì)將幫助2000所中小學(xué)改善編程教育環(huán)境。

如何加快普及青少年編程教育、建立良性生態(tài)環(huán)境，從而讓孩子掌握一門與未來世界溝通的語言、培養(yǎng)孩子的計(jì)算思維和創(chuàng)新能力，需要教育主管部門、學(xué)校、科研機(jī)構(gòu)、培訓(xùn)機(jī)構(gòu)等社會(huì)各界共同努力，在實(shí)踐中不斷探索。

（作者系中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所大數(shù)據(jù)研究院院長）

責(zé)任編輯：王夢茜