人工智能時(shí)代青少年編程教育體系設(shè)計(jì)

蔣琴 鄧?yán)?/p>

【摘? 要】 近年來，隨著《人工智能發(fā)展規(guī)劃》的頒布、國(guó)家對(duì)少兒編程的大力推進(jìn)，編程教育逐漸形成一股熱潮。一些省份也率先開展編程教育的推廣工作，但當(dāng)前的兒童編程教育系統(tǒng)還不夠健全。文章通過對(duì)目前適用于青少年的編程工具的分析，結(jié)合青少年不同發(fā)展時(shí)期的學(xué)習(xí)特征，歸納了一種完整的編程教學(xué)系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到編程教學(xué)的實(shí)踐中，從課程教材、師資、技術(shù)保障等五個(gè)角度，討論和思考目前存在的一些問題，并提出一些建設(shè)性的建議。

【關(guān)鍵詞】 人工智能；編程教育；體系設(shè)計(jì)

一、當(dāng)前青少年編程教學(xué)中存在的問題

現(xiàn)在，中、小學(xué)都以資訊科技課程為基礎(chǔ)開設(shè)編程課程，還有許多社會(huì)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)（如青少年宮、興趣培訓(xùn)機(jī)構(gòu)）開設(shè)機(jī)器人和編程的課程。在教學(xué)內(nèi)容方面，青少年編程課以學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)為主導(dǎo)，比如利用人工智能類的教學(xué)硬件及軟件進(jìn)行拼插、圖形化編程等；在組織方式上，以必修課程為主，以社團(tuán)或?qū)W校為補(bǔ)充。從項(xiàng)目的發(fā)展來看，正式組織的白名單競(jìng)賽，對(duì)人工智能特別是編程教育的發(fā)展起到一定的促進(jìn)作用；從整體來看，課程、活動(dòng)和競(jìng)賽互為促進(jìn)，豐富多彩，熱鬧非凡。但青少年編程教育仍有一些問題存在。

（一）課程材料建設(shè)尚不完善

課程是教學(xué)內(nèi)容得以實(shí)現(xiàn)的必要條件，而教材又是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的根本保障。盡管教育部已經(jīng)頒布最新的《信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》，但是大部分的信息技術(shù)教科書中關(guān)于人工智能和編程教育的內(nèi)容都有一定程度的割裂，存在系統(tǒng)性不強(qiáng)等問題。

（二）對(duì)編程教學(xué)缺乏重視

雖然在初中和高中分別將信息技術(shù)納入中考、學(xué)業(yè)水平考試，但是因?yàn)榭荚嚤旧淼亩ㄎ?、試題難度、考查側(cè)重點(diǎn)的不同，再加上考慮到地區(qū)、城鄉(xiāng)不均衡等原因，程序設(shè)計(jì)的內(nèi)容不多，試題難度系數(shù)也不高，對(duì)大部分的學(xué)生而言，就算沒有經(jīng)過系統(tǒng)的編程培訓(xùn)，也可以輕松過關(guān)。學(xué)校、任課教師和學(xué)生都在一定程度上缺乏對(duì)這類課程的關(guān)注，這就造成在課時(shí)設(shè)置、師資安排和硬件保障上的隨意性。

（三）師資短缺，水平參差不齊

國(guó)內(nèi)高等教育院校學(xué)前教育與初等教育專業(yè)鮮有少兒編程類課程，目前各個(gè)K12學(xué)校的編程教師以及少兒編程培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的教師多為非教育專業(yè)的學(xué)生，他們掌握了一定編程的理念與技巧，但對(duì)各個(gè)年齡階段少兒的心理發(fā)展和認(rèn)知水平認(rèn)識(shí)不足，因此編程教育的專業(yè)性和時(shí)效性大打折扣。

（四）教師教育觀念與方式滯后

盡管《信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》一直被教育教學(xué)科研機(jī)構(gòu)所重視，但“不閱讀”的問題依然在廣大教師中間蔓延開來。許多教師在教育觀念、教學(xué)手段上陳舊、落伍?！缎畔⒓夹g(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》已經(jīng)進(jìn)行幾次更新和修改，但是在中小學(xué)的信息技術(shù)課堂上，仍然可以看到一些不符合課程標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)理念，以及“填鴨式”的教學(xué)方式，本來就枯燥難懂的知識(shí)，更是很難激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（五）智能教育技術(shù)保障薄弱

人工智能涵蓋了很多方面，將其與中小學(xué)生的認(rèn)知能力、基礎(chǔ)教育政策等因素相結(jié)合時(shí)，應(yīng)該將人工智能教學(xué)的目的放在理解和體驗(yàn)上，要讓學(xué)生對(duì)信息科技的發(fā)展進(jìn)行深入了解——了解當(dāng)前的科技發(fā)展情況，經(jīng)歷幾種常見的人工智能技術(shù)的使用，切身感受到它對(duì)人們工作、生活的影響。在這一過程中，除了要依靠課程和教師的因素，還需要有技術(shù)支持的能力。目前，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施還沒有完全建立起來，想要建立起人工智能教學(xué)所需的硬件和軟件，那就更加困難了。

二、國(guó)內(nèi)與國(guó)際的編程教育形勢(shì)

縱觀全球，許多國(guó)家都大力提倡兒童編程，美國(guó)兒童編程的滲透率已經(jīng)超過了40%。美國(guó)許多兒童從六七歲就接受編程教育，巴拉克·奧巴馬曾啟動(dòng)了一項(xiàng)名為“編程一小時(shí)”的活動(dòng)，目的是在全國(guó)范圍內(nèi)培養(yǎng)小學(xué)生的編程能力。當(dāng)前，我國(guó)程序設(shè)計(jì)人才與市場(chǎng)需求存在嚴(yán)重脫節(jié)，尤其在青少年編程教育方面幾乎是空白。青少年作為國(guó)家未來發(fā)展的重要力量，到目前為止，還沒有一套完善的編程教學(xué)系統(tǒng)適合年輕人學(xué)習(xí)。

目前，國(guó)內(nèi)高校計(jì)算機(jī)編程教學(xué)已經(jīng)形成較為完善的教學(xué)體系。但是小學(xué)、初中、高中的信息技術(shù)課程，主要還是局限于單純的多媒體軟件應(yīng)用方面，對(duì)編程的學(xué)習(xí)相對(duì)較少。再加上高考的壓力，一些省份的信息技術(shù)課也被其他的課程所取代，這給青少年時(shí)期的編程思維培養(yǎng)造成很大的阻礙。

學(xué)習(xí)編程應(yīng)該從小開始。當(dāng)前，政策方面存在的突出問題在于教育主管部門對(duì)青少年計(jì)算機(jī)教育和編程教育的關(guān)注度不夠。相信隨著社會(huì)不斷發(fā)展和未來社會(huì)對(duì)學(xué)生編程能力需求的改變，這一問題將逐漸得到改善。從技術(shù)角度來看，目前首要的問題是缺少一套面向青少年的程序設(shè)計(jì)教育系統(tǒng)。

三、編程教育體系設(shè)計(jì)策略

（一）健全教師隊(duì)伍，推動(dòng)智能設(shè)計(jì)教學(xué)

由于我國(guó)編程教育起步較晚，所以在師資培訓(xùn)方面，尚未形成完善的青少年編程師資培訓(xùn)體系。青少年程序設(shè)計(jì)在我國(guó)已得到廣泛應(yīng)用，但其師資緊缺問題卻日益突出，已成為制約編程教育發(fā)展的重要因素。在傳統(tǒng)的高等師范教育中，編程教師的培訓(xùn)一直沒有得到足夠的重視，導(dǎo)致當(dāng)前學(xué)前教育專業(yè)的教師力量相對(duì)薄弱。青少年編程教師在進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)時(shí)，要以計(jì)算機(jī)思維為中心，以教學(xué)方法為途徑，以編程為操作工作，才能使教學(xué)工作順利進(jìn)行，因此，教師除要具備教育學(xué)、心理學(xué)等方面的知識(shí)外，還需要對(duì)編程語言、思維等方面的知識(shí)有所了解。故可將有關(guān)青少年程序設(shè)計(jì)的師資訓(xùn)練納入大學(xué)教育，讓教師具有較強(qiáng)的電腦程序設(shè)計(jì)能力與教學(xué)技巧。相關(guān)的教育機(jī)構(gòu)可以通過增加工資和福利來吸引更多的計(jì)算機(jī)專業(yè)或師范專業(yè)人員加入青少年編程工作中來，并進(jìn)行相應(yīng)的培訓(xùn)，讓教師有更多的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)來提高自己的專業(yè)水平，為教育事業(yè)和青少年編程教育的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（二）分層教學(xué)豐富課堂內(nèi)容

對(duì)中小學(xué)生而言，要把信息技術(shù)與現(xiàn)行的信息技術(shù)課程結(jié)合起來，同時(shí)與學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)結(jié)合起來，適應(yīng)學(xué)生的需求。在進(jìn)行智能教育之前，必須對(duì)相關(guān)的相關(guān)知識(shí)有一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)，構(gòu)建一個(gè)完整的主題體系，做好教學(xué)方案的設(shè)計(jì)，保證課程實(shí)施的廣度和深度。初中學(xué)生的基礎(chǔ)能力水平各不相同，有些學(xué)生基礎(chǔ)較好，更熟悉人工智能技術(shù)，對(duì)人工智能技術(shù)的理解更深，但也有一些學(xué)生的基礎(chǔ)相對(duì)較弱，對(duì)人工智能的應(yīng)用也相對(duì)較弱。因此，教師要制訂合適的個(gè)性化學(xué)習(xí)方案，采用分層次的教學(xué)方式，兼顧每一位學(xué)生，使教育達(dá)到最佳效果。

在分層教學(xué)模式下，教師可將班級(jí)學(xué)生分為A、B、C三個(gè)等級(jí)，并根據(jù)不同等級(jí)水平的學(xué)生，制訂相應(yīng)的智慧課程。A類學(xué)生具有良好的學(xué)習(xí)意愿，具有較高的信息科技應(yīng)用能力，教師通過對(duì)其進(jìn)行人工智能計(jì)算教育，幫助學(xué)生更好地了解人工智能技術(shù)的基礎(chǔ)原理，并通過小游戲、錯(cuò)題本、背單詞打卡等程序，提高學(xué)生對(duì)人工智能技術(shù)的應(yīng)用能力。對(duì)C級(jí)學(xué)生，可以利用人工智能技術(shù)來完成諸如語音識(shí)別之類的學(xué)習(xí)，以此來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。對(duì)成績(jī)中等的B類學(xué)生，可適當(dāng)降低編程難度，引導(dǎo)學(xué)生完成較簡(jiǎn)單的任務(wù)，營(yíng)造寬松的學(xué)習(xí)氣氛。根據(jù)不同的學(xué)習(xí)水平和知識(shí)水平，對(duì)其進(jìn)行有效的分析，這樣才能使人工智能教學(xué)工作得到整體的推動(dòng)，并極大地提高工作效率。

（三）利用多種教學(xué)方法培養(yǎng)電腦編程能力

近年來，由于電腦科技的飛速發(fā)展，電腦輔助教學(xué)方法越來越多，教師可以利用各種方式來引導(dǎo)學(xué)生在各種學(xué)習(xí)與實(shí)踐中，不斷地提升自己的電腦應(yīng)用能力。教師可通過使用Python、Scratch等多媒體軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提高學(xué)生的編程水平。在學(xué)生有一定基礎(chǔ)之后，再加強(qiáng)電腦編程技巧的研究，以實(shí)現(xiàn)整體的發(fā)展與提高。此外，教師也應(yīng)將所學(xué)到的程序應(yīng)用于實(shí)踐，因?yàn)槌绦虻膶W(xué)習(xí)來自每天的練習(xí)。因此，在編程能力的培養(yǎng)上，教師應(yīng)該讓學(xué)生更好地從現(xiàn)實(shí)生活中發(fā)現(xiàn)問題，運(yùn)用編程技巧解決問題，增強(qiáng)相應(yīng)的知識(shí)，提高學(xué)生的編程能力。

向?qū)W生傳授人工智能的知識(shí)，不僅僅是對(duì)概念理解、算法等方面的知識(shí)，更重要的是對(duì)其知識(shí)的拓展，從生活中的實(shí)例中進(jìn)行理解，從而對(duì)其運(yùn)用方法有更好的理解，不斷提高自身的創(chuàng)造性。借由大量的例子，讓學(xué)生對(duì)人工智能技術(shù)有較深的認(rèn)識(shí)，從而加深對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解。例如，某家大型商城，運(yùn)用大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)，對(duì)用戶的點(diǎn)擊次數(shù)、購(gòu)買數(shù)據(jù)、瀏覽時(shí)間等數(shù)據(jù)，以及對(duì)用戶的個(gè)人資料進(jìn)行全方位的統(tǒng)計(jì)，綜合分析用戶的性別、職業(yè)、飲食習(xí)慣、購(gòu)買力、穿衣風(fēng)格等，從而對(duì)首頁的內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，為用戶提供及時(shí)的意見。利用智能化技術(shù)，可以對(duì)照片、文字等進(jìn)行掃描，并添加相應(yīng)的特效。教師可引導(dǎo)學(xué)生利用軟件進(jìn)行網(wǎng)頁查詢，并根據(jù)這些資料，分析如何將人工智能技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)頁制作與軟件開發(fā)，讓學(xué)生掌握智能技術(shù)的原理。通過案例教學(xué)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)智能的敏感性，并將智能與現(xiàn)實(shí)生活聯(lián)系起來，有利于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

（四）運(yùn)用游戲性編程提升課堂活力

興趣是最好的導(dǎo)師。為培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)認(rèn)識(shí)與實(shí)踐能力，可采用“玩”與“學(xué)”結(jié)合的方式，把電腦繪圖程序與游戲結(jié)合起來，不僅可以增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且可以有效地提高教學(xué)效果。在教學(xué)過程中，教師以游戲的方式，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。在實(shí)際教學(xué)中，有一些程序設(shè)計(jì)課并不能讓學(xué)生“玩”得太好。因此，在編寫程序的時(shí)候，有兩個(gè)方面值得注意。第一，要根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容，采用不同形式“玩”法；第二，要緊密地結(jié)合學(xué)生的實(shí)際狀況。例如，教師可以讓學(xué)生一起參加“飛翔的蝴蝶”的活動(dòng)。首先，教師要在課堂上建立起一條主線，引導(dǎo)學(xué)生以“主干”的順序展開教學(xué)，讓學(xué)生用自己的語言來講述比賽的規(guī)則，如：“蝴蝶是怎么飛的？”“蝴蝶長(zhǎng)什么樣？”教師在教學(xué)過程中，可以對(duì)學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)，但不能越權(quán)，故意設(shè)置一些“遺漏”，留給學(xué)生自行解決，從而提高學(xué)生的能力。在學(xué)生充分理解這次活動(dòng)的規(guī)則與內(nèi)容后，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。以“蝴蝶的飛行軌跡”為例，讓學(xué)生在現(xiàn)實(shí)生活中想象一只蝴蝶拍打著翅膀，然后根據(jù)速度和時(shí)間的關(guān)系，一步一步地探究“蝴蝶的飛行軌跡”，并將其畫出一幅生動(dòng)的圖畫。在這種游戲式的教學(xué)中，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，進(jìn)行詳細(xì)的分析與探究，逐步積累經(jīng)驗(yàn)，掌握其中的規(guī)則，從而正確地理解編程語言，構(gòu)建自己的知識(shí)庫(kù)。因?yàn)檎n程內(nèi)容貼近生活、趣味性強(qiáng)，學(xué)生參與度會(huì)自然提高，電腦輔助設(shè)計(jì)的效果也就更好。

（五）利用Scratch降低程序啟動(dòng)難度

在兒童程序設(shè)計(jì)中，采用程序設(shè)計(jì)的方式可以將程序內(nèi)容直觀生動(dòng)地表現(xiàn)出來。為使學(xué)生能夠?qū)Τ绦虻暮x有一個(gè)準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，并且能夠?qū)Τ绦蜻M(jìn)行科學(xué)的運(yùn)用，教師需要對(duì)兒童和初學(xué)者進(jìn)行有效的輔助，降低編程難度，鍛煉學(xué)生的計(jì)算能力。Scratch雖然不能很好地解決一些復(fù)雜的編程問題，但是其編程語言更加簡(jiǎn)潔有趣，教師可以使用Scratch這個(gè)編程工具，通過圖形化編程、積木模塊以及大量的軟件裝置，將教科書上的各類編程內(nèi)容展現(xiàn)出來，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。

四、結(jié)語

在當(dāng)前的信息時(shí)代，人工智能已經(jīng)成為信息技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方面。就學(xué)生而言，要想學(xué)好人工智能，就必須有社會(huì)、學(xué)校、教師、學(xué)生四個(gè)方面的共同努力。通過對(duì)當(dāng)前存在的問題進(jìn)行改進(jìn)，使之符合教學(xué)目標(biāo)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)人工智能的認(rèn)識(shí)與運(yùn)用能力的提升，促進(jìn)我國(guó)教育事業(yè)的健康發(fā)展。為推動(dòng)青少年智慧教育的普及，需要各個(gè)社團(tuán)主動(dòng)地將青少年的科學(xué)、技術(shù)和教育資源相結(jié)合，增強(qiáng)政府和社會(huì)的支持力度，形成聯(lián)動(dòng)協(xié)同、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、合作共贏的局面。