面向人工智能時(shí)代的編程啟蒙教育

盧宇 許雄 宋廣晨

人工智能（Artificial Intelligence，AI）是模擬、延伸和拓展人類智能的技術(shù)方法與手段。隨著生成式人工智能（Generative AI）技術(shù)的快速演進(jìn)，社會(huì)的專業(yè)分工與我們的日常生活將發(fā)生重要變化，人類社會(huì)也將逐步進(jìn)入人與智能機(jī)器協(xié)作的人工智能時(shí)代。

面向人工智能時(shí)代，我國積極推進(jìn)中小學(xué)階段編程教育及相關(guān)人才培養(yǎng)。2017 年7 月，國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，明確指出要“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，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?！?019 年3 月，教育部公布的《2019 年教育信息化和網(wǎng)絡(luò)安全工作要點(diǎn)》提出，將“推動(dòng)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?！?022 年5 月，教育部發(fā)布《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》，信息科技課程正式納入義務(wù)教育，且明確需要培養(yǎng)學(xué)生的“信息意識、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會(huì)責(zé)任”，這些核心素養(yǎng)與編程教育都密不可分。

傳統(tǒng)的編程教育

2011 年， 美國計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（CSTA）和計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)（ACM）基于全美中小學(xué)計(jì)算機(jī)教育調(diào)研，研制了《K—12 計(jì)算機(jī)科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》。該標(biāo)準(zhǔn)將編程教育分為兩個(gè)層次：培養(yǎng)計(jì)算思維；計(jì)算實(shí)踐與編程。目的是通過學(xué)習(xí)編程語言培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維，提高批判性思維和解決問題的能力，最終培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新與創(chuàng)造能力。編程教育涵蓋兒童編程教育與成人編程教育。兒童編程教育主要通過編程游戲、可視化圖形編程等方式開展，并迅速在全球范圍內(nèi)普及，已有超過20 個(gè)國家（地區(qū)）將編程教育納入中小學(xué)課程大綱與教學(xué)內(nèi)容。

兒童編程教育的重要性不僅在于滿足未來就業(yè)和社會(huì)需求，更關(guān)注于其所帶來的“思維啟蒙”價(jià)值。特別是面向零基礎(chǔ)編程學(xué)習(xí)的學(xué)生，編程教育可以培養(yǎng)其計(jì)算思維能力并啟發(fā)其思考問題，通過“簡化問題—找出路徑—解決問題”的思維過程最終解決實(shí)際問題。從20世紀(jì)60 年代LOGO 語言誕生以來，兒童編程教育的實(shí)施方式經(jīng)歷了較為漫長的發(fā)展時(shí)期，并取得了兩次跨越性的進(jìn)步。第一次跨越是編程語法的簡化，為兒童打開了編程學(xué)習(xí)的大門；第二次跨越是將文本編程語言轉(zhuǎn)變?yōu)閳D形化編程語言，讓尚不具備良好抽象思維能力的兒童也能通過編程完成具體任務(wù)。

面向人工智能時(shí)代的兒童編程的轉(zhuǎn)變

隨著人工智能時(shí)代的到來，兒童編程教育，特別是在啟蒙階段，也需要從課程理念、課程設(shè)計(jì)、課程內(nèi)容及課程形式上有所轉(zhuǎn)變。

課程理念上的轉(zhuǎn)變

隨著以生成式人工智能為代表的通用人工智能技術(shù)的逐步成熟，社會(huì)專業(yè)分工將更加強(qiáng)調(diào)人機(jī)協(xié)作模式，對人的高階思維能力的培養(yǎng)也更加重要。兒童編程教育理念也需要隨之變革，并更加強(qiáng)調(diào)對計(jì)算思維等能力的培養(yǎng)。人工智能時(shí)代的編程方式將從傳統(tǒng)的手動(dòng)編寫代碼方式，逐漸演變成基于人工智能技術(shù)輔助的新型人機(jī)協(xié)作方式，學(xué)習(xí)者習(xí)得和使用編程技能的方式也將完全不同。在此基礎(chǔ)上，編程教育不需要過多關(guān)注編程技能的培養(yǎng)，而應(yīng)更多強(qiáng)調(diào)學(xué)生計(jì)算思維等高階思維能力的培養(yǎng)。在可以設(shè)想的未來，開發(fā)者不再需要過多關(guān)心底層的技術(shù)細(xì)節(jié)和各種程序接口，撰寫長篇幅的代碼，而是通過一系列簡潔且精確的指令，將自己的需求告訴人工智能模型，由模型自主產(chǎn)生高可用性的代碼。人工智能不再是枯燥的技術(shù)，而可以成為學(xué)生學(xué)習(xí)編程的協(xié)作伙伴，幫助學(xué)生完成編程啟蒙與較為復(fù)雜的編程任務(wù)。最終，編程教育可以幫助學(xué)生樹立對人機(jī)共存與人機(jī)協(xié)作的正確認(rèn)知。同時(shí)，學(xué)生只有具備了必要的人工智能素養(yǎng)，才能正確合理使用智能時(shí)代的各種工具，滿足智能時(shí)代對人才的基本需求。

課程設(shè)計(jì)上的轉(zhuǎn)變

在課程設(shè)計(jì)上，兒童編程教育可以與人工智能教育更多實(shí)現(xiàn)結(jié)合，以培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和人工智能素養(yǎng)為目標(biāo)，以學(xué)生已有的知識、技能和經(jīng)驗(yàn)為起點(diǎn)，系統(tǒng)地設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動(dòng)，充分利用編程和人工智能技術(shù)解決身邊生活中的實(shí)際問題。課程形式上鼓勵(lì)采用項(xiàng)目式、探究式學(xué)習(xí)，以學(xué)生為中心，圍繞一個(gè)主題進(jìn)行驅(qū)動(dòng)問題的設(shè)計(jì)?？梢酝ㄟ^劇本式、游戲化等方式，基于真實(shí)問題情景設(shè)計(jì)項(xiàng)目式教學(xué)活動(dòng)，支持學(xué)生在數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境下開展自主性學(xué)習(xí)。課程需要為學(xué)生構(gòu)建沉浸式、體驗(yàn)式、交互式的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，增強(qiáng)其學(xué)習(xí)的目標(biāo)感、反饋頻率和角色代入感，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)編程與人工智能的興趣和動(dòng)機(jī)，最終達(dá)成編程與人工智能啟蒙的目標(biāo)。為此，教學(xué)目標(biāo)應(yīng)圍繞核心素養(yǎng)確定，同時(shí)關(guān)聯(lián)學(xué)生數(shù)字經(jīng)驗(yàn)，傳遞編程與人工智能的價(jià)值。課程設(shè)計(jì)需要重視數(shù)字化學(xué)習(xí)特點(diǎn)，積極運(yùn)用智能設(shè)備、工具和資源，引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)校與家庭等不同場景下開展自主學(xué)習(xí)。在教學(xué)實(shí)踐中，應(yīng)尊重學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，從直覺感知到抽象邏輯思維的過程中注重體驗(yàn)，并提供可感知、可觸摸的環(huán)境，讓學(xué)生更深刻地感受編程與人工智能的運(yùn)行過程和基本思想。

課程內(nèi)容上的轉(zhuǎn)變

課程內(nèi)容上聚焦計(jì)算思維的培養(yǎng)與智能化編程的應(yīng)用。

計(jì)算思維作為計(jì)算機(jī)解決問題的方式，強(qiáng)調(diào)問題的拆分與處理。例如課程內(nèi)容中可以創(chuàng)設(shè)特定場景，提出具體問題并引導(dǎo)學(xué)生選擇合適的工具和信息解決問題。在解決問題的過程中，引導(dǎo)學(xué)生準(zhǔn)確描述所需完成的任務(wù)，并將該任務(wù)拆分成多個(gè)具體步驟。在此基礎(chǔ)上，要求學(xué)生基于這些步驟之間的先后順序，使用自然語言或流程圖等形式描述多步驟任務(wù)的執(zhí)行過程，最后，可以使用順序、分支、循環(huán)等基本控制流程，完成各步驟的子目標(biāo)和子任務(wù)。這類課程內(nèi)容的設(shè)置，不但可以培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，還可以增強(qiáng)其實(shí)際問題的解決能力。

智能化編程的應(yīng)用需要幫助學(xué)生認(rèn)識到編程的基本過程與未來智能化編程的方式，以及編程在社會(huì)生活中的作用。這部分課程內(nèi)容需要引導(dǎo)學(xué)生理解編程如何為人類社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域解決實(shí)際問題。通過該內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠?qū)χ悄芑幊谭绞接兴J(rèn)識，具備使用編程解決實(shí)際問題的意識和興趣。例如，可以創(chuàng)設(shè)特定場景，讓學(xué)生了解通過準(zhǔn)確的自然語言或流程圖描述具體需求后，人工智能可以幫助我們自動(dòng)完成程序的編寫、調(diào)試和運(yùn)行。同時(shí)，學(xué)生也需要了解程序可能會(huì)有錯(cuò)誤或不足，需要通過人工或智能化方式進(jìn)一步修改、優(yōu)化程序，使程序可以更好地滿足需求。最后，通過運(yùn)行生成的程序并得到理想的輸出結(jié)果，可以幫助學(xué)生了解如何建立有趣且具備智能的豐富應(yīng)用。

展望

面向人工智能時(shí)代的編程教育，可能成為未來信息科技教育領(lǐng)域的重點(diǎn)和熱點(diǎn)之一。隨著技術(shù)的發(fā)展與普及，智能化編程教育將越來越受到重視。我們可以期待更多基于人工智能的編程啟蒙課程與工具的開發(fā)，以更好地幫助學(xué)生了解和掌握新形態(tài)的編程。同時(shí)，對兒童編程和啟蒙的過程，需要重視和開展過程性評價(jià)，需要對學(xué)生在完成編程任務(wù)過程中表現(xiàn)出的多維度認(rèn)知狀態(tài)進(jìn)行合理測量與估計(jì)，構(gòu)建科學(xué)合理的指標(biāo)體系和計(jì)算方法。在此基礎(chǔ)上，針對編程任務(wù)的完成情況，構(gòu)建結(jié)果性評價(jià)指標(biāo)，重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生各項(xiàng)學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成度與問題解決能力的提升。

以生成式人工智能為代表的新技術(shù)正在加速演進(jìn)過程，可以預(yù)見更加智能化、人性化的編程方式與工具將在短期內(nèi)出現(xiàn)，也將能夠更加準(zhǔn)確地對多種編程語言進(jìn)行結(jié)構(gòu)與算法分析，并根據(jù)用戶任務(wù)需求生成代碼或進(jìn)行自動(dòng)調(diào)試。因此，教育領(lǐng)域需要積極應(yīng)對，并探索符合中國國情的下一代青少年編程啟蒙教育模式。同時(shí)，應(yīng)該鼓勵(lì)高校、頭部人工智能企業(yè)與一線教育工作者協(xié)作完成編程啟蒙與相關(guān)課程設(shè)計(jì)，積極倡導(dǎo)適應(yīng)時(shí)代要求的編程教育理念與新型課程形式。另外，需要充分認(rèn)識到這類新技術(shù)可能改變未來社會(huì)對于軟件開發(fā)等從業(yè)者的職業(yè)要求，對相關(guān)社會(huì)需求也具有深刻的變革性意義。當(dāng)通用人工智能已經(jīng)逐步變?yōu)榭赡埽幊探逃鳛樾畔⒖萍冀逃幕A(chǔ)之一，應(yīng)該積極緊跟時(shí)代的步伐并作出改變。