人工智能與兒童邏輯編程啟蒙教育

■ 廖福林 周 嵬

2017年7月8日，中國(guó)中央政府網(wǎng)站發(fā)布了國(guó)發(fā)[2017]35號(hào)文件《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》，第一次把人工智能公開正式地提高到國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展層面，用政策刺激、鼓勵(lì)社會(huì)各界參與我國(guó)人工智能的建設(shè)和發(fā)展。

人工智能之父：馬文·明斯基

“海龜畫圖”兒童編程語(yǔ)言發(fā)明者：西摩爾·帕普特（1928.2.19-2017.7.31）

人工智能的思想萌芽可以追溯到十四世紀(jì)初西班牙加泰羅利亞詩(shī)人雷蒙·盧爾寫的《終極藝術(shù)》一書，書中闡述了關(guān)于真理的前衛(wèi)浪漫的思想，認(rèn)為基本的真理可以用機(jī)械手段通過簡(jiǎn)單的邏輯操作組合，進(jìn)而獲取新的知識(shí)。他的思想影響了十七世紀(jì)數(shù)學(xué)家、哲學(xué)家萊布尼茲，萊布尼茲進(jìn)一步認(rèn)為，通過將人類思想的編碼，然后推演組合獲取新知。萊布尼茨發(fā)明的二進(jìn)制數(shù)學(xué)理論已經(jīng)成為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)，而電子計(jì)算機(jī)的問世，使人工智能的研究成為真正的可能。

人工智能這一概念是在1955年，一份關(guān)于召開國(guó)際人工智能會(huì)議的提案中被提出。該份提案由約翰·麥卡錫（達(dá)特茅斯學(xué)院）、馬文·明斯基（哈佛大學(xué)）、納撒尼爾·羅徹斯特（IBM）和克勞德·香農(nóng)（貝爾電話實(shí)驗(yàn)室）聯(lián)合遞交。一年后，達(dá)特矛斯會(huì)議召開，這次會(huì)議被認(rèn)為是開辟了人工智能這個(gè)研究領(lǐng)域的歷史性事件。

值得一提的是，被公認(rèn)為現(xiàn)代人工智能之父的馬文·明斯基，在一次學(xué)術(shù)會(huì)議上認(rèn)識(shí)了西摩爾·帕普特（1928-2016.7.31）教授。帕普特1928年出生于南非，年輕的時(shí)候曾參與反對(duì)種族隔離的運(yùn)動(dòng)。他在30歲之前拿到了兩個(gè)數(shù)學(xué)博士的學(xué)位，其后去到瑞士日內(nèi)瓦，追隨著名心理學(xué)家皮亞杰學(xué)習(xí)兒童發(fā)展的理論。這次如同知音的相遇，促使明斯基邀請(qǐng)帕普特來到美國(guó)麻省理工學(xué)院，參與創(chuàng)辦了MIT人工智能實(shí)驗(yàn)室。兩人還在1969年共同發(fā)表了有關(guān)感知系統(tǒng)的計(jì)算幾何導(dǎo)論的研究文章。

今天，隨著計(jì)算機(jī)科技日新月異的發(fā)展和理論研究的深入進(jìn)行，人工智能的理論與應(yīng)用已經(jīng)碩果累累，深度學(xué)習(xí)、虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)分析、人機(jī)對(duì)弈、模式識(shí)別、自動(dòng)駕駛、知識(shí)工程等等已經(jīng)影響到人們生活的方方面面。

但是，把人工智能提到國(guó)家戰(zhàn)略高度卻離不開人才的培養(yǎng)，俗話說萬(wàn)丈高樓平地起，沒有土壤長(zhǎng)不成參天大樹，人工智能和計(jì)算機(jī)一樣“要從娃娃抓起”。

人工智能其實(shí)是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，雖然涵蓋多學(xué)科，但其應(yīng)用基礎(chǔ)還是編程。國(guó)際上許多科技專家甚至預(yù)言：編程將成為未來教育的主流。發(fā)達(dá)國(guó)家都把編程教育添加到學(xué)校教育中去。美國(guó)前總統(tǒng)奧巴馬在任期間甚至還親自參與全民學(xué)編程一日科普活動(dòng)，并自學(xué)編程。

關(guān)于編程啟蒙教育，我們不得不回到上述MIT人工智能實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)辦人之一的西摩爾·帕普特身上。

六十年代后，帕普特沒有放棄兒童教育的初衷，他在當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)還十分昂貴的年代就研發(fā)了LOGO海龜畫圖兒童編程語(yǔ)言，并在電視上演示他的兒童學(xué)編程的教具，有著悠久的兒童益智玩具生產(chǎn)研發(fā)歷史的丹麥樂高公司的總裁在電視上看到了他的節(jié)目之后，來到美國(guó)麻省理工學(xué)院找到帕普特邀請(qǐng)他參與兒童教育用具的研發(fā)，多年之后，世界上第一款樂高積木式可編程機(jī)器人終于問世，到如今，不僅樂高機(jī)器人受到全球教育工作者和少兒的青睞，其他種類的全球兒童機(jī)器人和學(xué)習(xí)編程教具的研發(fā)蜂擁而起?？梢妰和幊虇⒚山逃闹匾砸呀?jīng)在全球得到共識(shí)。

但是幾乎所有的兒童編程學(xué)習(xí)都有一個(gè)共性——離不開電腦、平板和手機(jī)，這些電子屏媒設(shè)備給兒童學(xué)習(xí)帶來了便利，但是也帶來了不可忽視的負(fù)面影響。沉溺于電子屏媒設(shè)備的電子游戲、過多的在線聊天和不良信息已經(jīng)成為中國(guó)家長(zhǎng)憂心忡忡的問題。福建省機(jī)器人科教協(xié)會(huì)的教育工作者在從事兒童機(jī)器人教育實(shí)踐研究活動(dòng)中也同樣遇到這樣的問題，許多自控能力有限的兒童往往以學(xué)習(xí)機(jī)器人編程為由要家長(zhǎng)配備電腦、平板或手機(jī)，但是常常被學(xué)習(xí)之外的信息和功能所吸引而影響正常學(xué)習(xí)，誤入歧途。另外，由于一般編程學(xué)習(xí)軟件需要很多繁瑣的文件建立和上傳程序等一系列操作過程，降低了兒童學(xué)習(xí)編程的興趣和專注力，不利于強(qiáng)化邏輯能力的培養(yǎng)，限制了適合學(xué)習(xí)編程的兒童年齡的下限，許多低幼兒童痛失邏輯編程啟蒙教育關(guān)鍵時(shí)期。

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為：學(xué)習(xí)是引導(dǎo)孩子從原有經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，構(gòu)建起新的經(jīng)驗(yàn)。帕普特被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的踐行者，他嘗試讓兒童在游戲中盡早體驗(yàn)計(jì)算機(jī)編程，獲取編程經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)孩子們適應(yīng)信息技術(shù)得到普及的未來，也給未來帶去超強(qiáng)的創(chuàng)意和活力。今天，我們看到兒童編程學(xué)習(xí)的前瞻性和先進(jìn)性，日本、美國(guó)、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家都把編程教育納入小學(xué)的課程表，可見重視兒童學(xué)習(xí)編程已經(jīng)成為教育的主流意識(shí)。隨著電子計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展，當(dāng)初受硬件限制的人工智能才有了長(zhǎng)足發(fā)展并形成井噴，從而影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生活。而人才的短缺和社會(huì)的意識(shí)是大力發(fā)展人工智能的瓶頸，人工智能規(guī)劃通知文件中還特別強(qiáng)調(diào)鼓勵(lì)社會(huì)力量加強(qiáng)人工智能的科普教育工作。因此，重視兒童編程教育，從人工智能啟蒙教育抓起，構(gòu)筑人工智能戰(zhàn)略的基石是我們教育工作者的的重要職責(zé)。

褲兜機(jī)器人設(shè)計(jì)圖樣

趁著國(guó)家和社會(huì)廣泛重視人工智能和編程教育的東風(fēng)，福建省機(jī)器人科教協(xié)會(huì)充分發(fā)揮協(xié)會(huì)的優(yōu)勢(shì)，廣泛采集兒童機(jī)器人教育實(shí)踐中的需求信息，研發(fā)了脫離電腦等電子屏媒的兒童拼圖式編程機(jī)器人——褲兜機(jī)器人。

褲兜機(jī)器人是由一塊兒童編程學(xué)習(xí)拼圖板、一輛童趣智能小車、一張任務(wù)地圖和一堆圖形化程序指令實(shí)物印刷圖片構(gòu)成，這套兒童編程學(xué)習(xí)教具是福建省首款具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的兒童學(xué)編程機(jī)器人套裝，研發(fā)過程得到福建省閩駿科教有限公司的大力支持，并申請(qǐng)發(fā)明專利，投入生產(chǎn)，該套裝不需要電腦、平板和手機(jī)，只需了解程序模塊的功能，兒童只需按照邏輯思維的架構(gòu)，從簡(jiǎn)單邏輯開始學(xué)習(xí)編程的思維習(xí)慣，提煉強(qiáng)化他們?cè)械倪壿嬆芰?，在?shí)物化游戲中驗(yàn)證自己的思路，從而實(shí)現(xiàn)思維和結(jié)果的及時(shí)互動(dòng)，及時(shí)糾正思維的錯(cuò)誤，培養(yǎng)正確的邏輯思維習(xí)慣。配套課程的設(shè)計(jì)運(yùn)用情景教學(xué)手段，由淺入深，使抽象枯燥的編程教育變成生動(dòng)活潑，充滿童趣的學(xué)習(xí)過程。

褲兜機(jī)器人教育套裝基于兒童教育理論研究，深度挖掘兒童的學(xué)習(xí)潛力。兒童發(fā)展心理學(xué)家皮亞杰認(rèn)為前運(yùn)算階段的低幼兒對(duì)事物的理解在很大程度上受知覺到的事物的顯著特征所左右，他們不能對(duì)事物不同維度的信息進(jìn)行整合，因而思維具有直覺性，缺乏邏輯性。具體運(yùn)算階段的兒童能夠進(jìn)行邏輯運(yùn)算，但仍需要具體事物的支持，具有守恒性和可逆性。5周歲到8周歲的兒童，即我國(guó)中班以上的幼兒到小學(xué)一、二年級(jí)的兒童，正處于前運(yùn)算階段和具體運(yùn)算階段的交界時(shí)期，是強(qiáng)化邏輯思維習(xí)慣的重要階段。奧地利動(dòng)物行為學(xué)家勞倫茲在研究動(dòng)物行為中發(fā)現(xiàn)了動(dòng)物行為成長(zhǎng)的關(guān)鍵期理論，之后關(guān)鍵期理論被大量的引用到人類早期教育實(shí)踐中，人們發(fā)現(xiàn)，5周歲之后是幼兒抽象邏輯思維開始萌芽的關(guān)鍵期，此時(shí)開始的邏輯思維強(qiáng)化訓(xùn)練事半功倍。皮亞杰的兒童心理認(rèn)知發(fā)展階段論和兒童關(guān)鍵期教育理論從不同的方向重合在一起，這顯然不是偶然的結(jié)果，而是不同的實(shí)踐研究得到的相同類似的結(jié)論。這個(gè)階段的邏輯思維訓(xùn)練完全可以借助實(shí)物化和具象化的教學(xué)道具，輔助兒童在編程游戲中學(xué)會(huì)有序的觀察和思考，并在試錯(cuò)實(shí)踐中培養(yǎng)正確的思維方法和處事習(xí)慣。褲兜機(jī)器人就是在這個(gè)教育理論的指導(dǎo)下，充分應(yīng)用現(xiàn)代科技手段，滿足兒童邏輯編程教育的需求。

接下來，我們舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，來說明兒童編程邏輯教育的過程。

比如在任務(wù)圖紙上，我們劃定小機(jī)器人出發(fā)的基地，然后第一個(gè)任務(wù)要求機(jī)器人到達(dá)傳說中的一個(gè)神秘的港口，并在地圖上指出目標(biāo)所在。只給出前進(jìn)、重復(fù)次數(shù)和左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和程序結(jié)束五種指令模塊。首先要規(guī)劃路線，數(shù)一數(shù)前進(jìn)幾格后左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)，再前進(jìn)幾格才能到達(dá)指定位置。路線規(guī)劃其實(shí)就是一種順序程序的流程控制結(jié)構(gòu)，結(jié)合數(shù)數(shù)練習(xí)和左右方位辨識(shí)和判斷；然后按照路線規(guī)劃在編程板上擺放指令模塊，把小車放到指定的其實(shí)位置，按下編程板上的程序運(yùn)行按鈕，兒童自行編排的程序就會(huì)通過藍(lán)牙發(fā)送給小車，小車按照程序要求完成動(dòng)作。然后可以增加游戲難度，放上障礙物等，兒童需要不斷的調(diào)整參考位置，完成編程。更難的游戲設(shè)計(jì)還涉及類似推箱子游戲的規(guī)劃統(tǒng)籌思想，即使是成年人都具有一定的挑戰(zhàn)性。這套兒童機(jī)器人編程學(xué)習(xí)套裝還設(shè)計(jì)了傳感器指令模塊，使編程游戲更加逼真好玩。褲兜機(jī)器人真正實(shí)現(xiàn)了“讓編程沒有門檻，讓編碼觸手可及”的目標(biāo)。

兒童具有喜歡簡(jiǎn)單重復(fù)自己感興趣的游戲的特點(diǎn)，在他們?nèi)粘５木幊虒?duì)抗游戲中，在力所能及的邏輯思維架構(gòu)下，重復(fù)有序的思維和參照位置坐標(biāo)的不斷變換，在游戲中強(qiáng)化了思維邏輯的方法，引導(dǎo)他們對(duì)科學(xué)技術(shù)和科學(xué)知識(shí)的探究。在教學(xué)實(shí)踐中，這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)普遍獲得孩子們的喜歡。

兒童饒有興趣玩起褲兜機(jī)器人