人工智能与儿童逻辑编程启蒙教育

■ 廖福林 周 嵬

2017年7月8日，中国中央政府网站发布了国发[2017]35号文件《国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知》，第一次把人工智能公开正式地提高到国家战略发展层面，用政策刺激、鼓励社会各界参与我国人工智能的建设和发展。

人工智能之父：马文·明斯基

“海龟画图”儿童编程语言发明者：西摩尔·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纪初西班牙加泰罗利亚诗人雷蒙·卢尔写的《终极艺术》一书，书中阐述了关于真理的前卫浪漫的思想，认为基本的真理可以用机械手段通过简单的逻辑操作组合，进而获取新的知识。他的思想影响了十七世纪数学家、哲学家莱布尼兹，莱布尼兹进一步认为，通过将人类思想的编码，然后推演组合获取新知。莱布尼茨发明的二进制数学理论已经成为现代计算机的基础，而电子计算机的问世，使人工智能的研究成为真正的可能。

人工智能这一概念是在1955年，一份关于召开国际人工智能会议的提案中被提出。该份提案由约翰·麦卡锡（达特茅斯学院）、马文·明斯基（哈佛大学）、纳撒尼尔·罗彻斯特（IBM）和克劳德·香农（贝尔电话实验室）联合递交。一年后，达特矛斯会议召开，这次会议被认为是开辟了人工智能这个研究领域的历史性事件。

值得一提的是，被公认为现代人工智能之父的马文·明斯基，在一次学术会议上认识了西摩尔·帕普特（1928-2016.7.31）教授。帕普特1928年出生于南非，年轻的时候曾参与反对种族隔离的运动。他在30岁之前拿到了两个数学博士的学位，其后去到瑞士日内瓦，追随著名心理学家皮亚杰学习儿童发展的理论。这次如同知音的相遇，促使明斯基邀请帕普特来到美国麻省理工学院，参与创办了MIT人工智能实验室。两人还在1969年共同发表了有关感知系统的计算几何导论的研究文章。

今天，随着计算机科技日新月异的发展和理论研究的深入进行，人工智能的理论与应用已经硕果累累，深度学习、虚拟现实、大数据分析、人机对弈、模式识别、自动驾驶、知识工程等等已经影响到人们生活的方方面面。

但是，把人工智能提到国家战略高度却离不开人才的培养，俗话说万丈高楼平地起，没有土壤长不成参天大树，人工智能和计算机一样“要从娃娃抓起”。

人工智能其实是计算机科学的一个分支，虽然涵盖多学科，但其应用基础还是编程。国际上许多科技专家甚至预言：编程将成为未来教育的主流。发达国家都把编程教育添加到学校教育中去。美国前总统奥巴马在任期间甚至还亲自参与全民学编程一日科普活动，并自学编程。

关于编程启蒙教育，我们不得不回到上述MIT人工智能实验室创办人之一的西摩尔·帕普特身上。

六十年代后，帕普特没有放弃儿童教育的初衷，他在当时计算机还十分昂贵的年代就研发了LOGO海龟画图儿童编程语言，并在电视上演示他的儿童学编程的教具，有着悠久的儿童益智玩具生产研发历史的丹麦乐高公司的总裁在电视上看到了他的节目之后，来到美国麻省理工学院找到帕普特邀请他参与儿童教育用具的研发，多年之后，世界上第一款乐高积木式可编程机器人终于问世，到如今，不仅乐高机器人受到全球教育工作者和少儿的青睐，其他种类的全球儿童机器人和学习编程教具的研发蜂拥而起。可见儿童编程启蒙教育的重要性已经在全球得到共识。

但是几乎所有的儿童编程学习都有一个共性——离不开电脑、平板和手机，这些电子屏媒设备给儿童学习带来了便利，但是也带来了不可忽视的负面影响。沉溺于电子屏媒设备的电子游戏、过多的在线聊天和不良信息已经成为中国家长忧心忡忡的问题。福建省机器人科教协会的教育工作者在从事儿童机器人教育实践研究活动中也同样遇到这样的问题，许多自控能力有限的儿童往往以学习机器人编程为由要家长配备电脑、平板或手机，但是常常被学习之外的信息和功能所吸引而影响正常学习，误入歧途。另外，由于一般编程学习软件需要很多繁琐的文件建立和上传程序等一系列操作过程，降低了儿童学习编程的兴趣和专注力，不利于强化逻辑能力的培养，限制了适合学习编程的儿童年龄的下限，许多低幼儿童痛失逻辑编程启蒙教育关键时期。

建构主义学习理论认为：学习是引导孩子从原有经验出发，构建起新的经验。帕普特被认为是结构主义学习理论的践行者，他尝试让儿童在游戏中尽早体验计算机编程，获取编程经验，培养孩子们适应信息技术得到普及的未来，也给未来带去超强的创意和活力。今天，我们看到儿童编程学习的前瞻性和先进性，日本、美国、英国等发达国家都把编程教育纳入小学的课程表，可见重视儿童学习编程已经成为教育的主流意识。随着电子计算机硬件技术的迅猛发展，当初受硬件限制的人工智能才有了长足发展并形成井喷，从而影响社会经济和生活。而人才的短缺和社会的意识是大力发展人工智能的瓶颈，人工智能规划通知文件中还特别强调鼓励社会力量加强人工智能的科普教育工作。因此，重视儿童编程教育，从人工智能启蒙教育抓起，构筑人工智能战略的基石是我们教育工作者的的重要职责。

裤兜机器人设计图样

趁着国家和社会广泛重视人工智能和编程教育的东风，福建省机器人科教协会充分发挥协会的优势，广泛采集儿童机器人教育实践中的需求信息，研发了脱离电脑等电子屏媒的儿童拼图式编程机器人——裤兜机器人。

裤兜机器人是由一块儿童编程学习拼图板、一辆童趣智能小车、一张任务地图和一堆图形化程序指令实物印刷图片构成，这套儿童编程学习教具是福建省首款具有自主知识产权的儿童学编程机器人套装，研发过程得到福建省闽骏科教有限公司的大力支持，并申请发明专利，投入生产，该套装不需要电脑、平板和手机，只需了解程序模块的功能，儿童只需按照逻辑思维的架构，从简单逻辑开始学习编程的思维习惯，提炼强化他们原有的逻辑能力，在实物化游戏中验证自己的思路，从而实现思维和结果的及时互动，及时纠正思维的错误，培养正确的逻辑思维习惯。配套课程的设计运用情景教学手段，由浅入深，使抽象枯燥的编程教育变成生动活泼，充满童趣的学习过程。

裤兜机器人教育套装基于儿童教育理论研究，深度挖掘儿童的学习潜力。儿童发展心理学家皮亚杰认为前运算阶段的低幼儿对事物的理解在很大程度上受知觉到的事物的显著特征所左右，他们不能对事物不同维度的信息进行整合，因而思维具有直觉性，缺乏逻辑性。具体运算阶段的儿童能够进行逻辑运算，但仍需要具体事物的支持，具有守恒性和可逆性。5周岁到8周岁的儿童，即我国中班以上的幼儿到小学一、二年级的儿童，正处于前运算阶段和具体运算阶段的交界时期，是强化逻辑思维习惯的重要阶段。奥地利动物行为学家劳伦兹在研究动物行为中发现了动物行为成长的关键期理论，之后关键期理论被大量的引用到人类早期教育实践中，人们发现，5周岁之后是幼儿抽象逻辑思维开始萌芽的关键期，此时开始的逻辑思维强化训练事半功倍。皮亚杰的儿童心理认知发展阶段论和儿童关键期教育理论从不同的方向重合在一起，这显然不是偶然的结果，而是不同的实践研究得到的相同类似的结论。这个阶段的逻辑思维训练完全可以借助实物化和具象化的教学道具，辅助儿童在编程游戏中学会有序的观察和思考，并在试错实践中培养正确的思维方法和处事习惯。裤兜机器人就是在这个教育理论的指导下，充分应用现代科技手段，满足儿童逻辑编程教育的需求。

接下来，我们举个简单的例子，来说明儿童编程逻辑教育的过程。

比如在任务图纸上，我们划定小机器人出发的基地，然后第一个任务要求机器人到达传说中的一个神秘的港口，并在地图上指出目标所在。只给出前进、重复次数和左转、右转和程序结束五种指令模块。首先要规划路线，数一数前进几格后左转还是右转，再前进几格才能到达指定位置。路线规划其实就是一种顺序程序的流程控制结构，结合数数练习和左右方位辨识和判断；然后按照路线规划在编程板上摆放指令模块，把小车放到指定的其实位置，按下编程板上的程序运行按钮，儿童自行编排的程序就会通过蓝牙发送给小车，小车按照程序要求完成动作。然后可以增加游戏难度，放上障碍物等，儿童需要不断的调整参考位置，完成编程。更难的游戏设计还涉及类似推箱子游戏的规划统筹思想，即使是成年人都具有一定的挑战性。这套儿童机器人编程学习套装还设计了传感器指令模块，使编程游戏更加逼真好玩。裤兜机器人真正实现了“让编程没有门槛，让编码触手可及”的目标。

儿童具有喜欢简单重复自己感兴趣的游戏的特点，在他们日常的编程对抗游戏中，在力所能及的逻辑思维架构下，重复有序的思维和参照位置坐标的不断变换，在游戏中强化了思维逻辑的方法，引导他们对科学技术和科学知识的探究。在教学实践中，这样的教学设计普遍获得孩子们的喜欢。

儿童饶有兴趣玩起裤兜机器人