人工智能时代青少年编程教育体系设计

蒋琴 邓磊

【摘  要】 近年来，随着《人工智能发展规划》的颁布、国家对少儿编程的大力推进，编程教育逐渐形成一股热潮。一些省份也率先开展编程教育的推广工作，但当前的儿童编程教育系统还不够健全。文章通过对目前适用于青少年的编程工具的分析，结合青少年不同发展时期的学习特征，归纳了一种完整的编程教学系统，并将其应用到编程教学的实践中，从课程教材、师资、技术保障等五个角度，讨论和思考目前存在的一些问题，并提出一些建設性的建议。

【关键词】 人工智能；编程教育；体系设计

一、当前青少年编程教学中存在的问题

现在，中、小学都以资讯科技课程为基础开设编程课程，还有许多社会培训机构（如青少年宫、兴趣培训机构）开设机器人和编程的课程。在教学内容方面，青少年编程课以学习经验为主导，比如利用人工智能类的教学硬件及软件进行拼插、图形化编程等；在组织方式上，以必修课程为主，以社团或学校为补充。从项目的发展来看，正式组织的白名单竞赛，对人工智能特别是编程教育的发展起到一定的促进作用；从整体来看，课程、活动和竞赛互为促进，丰富多彩，热闹非凡。但青少年编程教育仍有一些问题存在。

（一）课程材料建设尚不完善

课程是教学内容得以实现的必要条件，而教材又是实现这一目标的根本保障。尽管教育部已经颁布最新的《信息技术课程标准》，但是大部分的信息技术教科书中关于人工智能和编程教育的内容都有一定程度的割裂，存在系统性不强等问题。

（二）对编程教学缺乏重视

虽然在初中和高中分别将信息技术纳入中考、学业水平考试，但是因为考试本身的定位、试题难度、考查侧重点的不同，再加上考虑到地区、城乡不均衡等原因，程序设计的内容不多，试题难度系数也不高，对大部分的学生而言，就算没有经过系统的编程培训，也可以轻松过关。学校、任课教师和学生都在一定程度上缺乏对这类课程的关注，这就造成在课时设置、师资安排和硬件保障上的随意性。

（三）师资短缺，水平参差不齐

国内高等教育院校学前教育与初等教育专业鲜有少儿编程类课程，目前各个K12学校的编程教师以及少儿编程培训机构的教师多为非教育专业的学生，他们掌握了一定编程的理念与技巧，但对各个年龄阶段少儿的心理发展和认知水平认识不足，因此编程教育的专业性和时效性大打折扣。

（四）教师教育观念与方式滞后

尽管《信息技术课程标准》一直被教育教学科研机构所重视，但“不阅读”的问题依然在广大教师中间蔓延开来。许多教师在教育观念、教学手段上陈旧、落伍。《信息技术课程标准》已经进行几次更新和修改，但是在中小学的信息技术课堂上，仍然可以看到一些不符合课程标准的教学理念，以及“填鸭式”的教学方式，本来就枯燥难懂的知识，更是很难激起学生的学习兴趣。

（五）智能教育技术保障薄弱

人工智能涵盖了很多方面，将其与中小学生的认知能力、基础教育政策等因素相结合时，应该将人工智能教学的目的放在理解和体验上，要让学生对信息科技的发展进行深入了解——了解当前的科技发展情况，经历几种常见的人工智能技术的使用，切身感受到它对人们工作、生活的影响。在这一过程中，除了要依靠课程和教师的因素，还需要有技术支持的能力。目前，网络基础设施还没有完全建立起来，想要建立起人工智能教学所需的硬件和软件，那就更加困难了。

二、国内与国际的编程教育形势

纵观全球，许多国家都大力提倡儿童编程，美国儿童编程的渗透率已经超过了40%。美国许多儿童从六七岁就接受编程教育，巴拉克·奥巴马曾启动了一项名为“编程一小时”的活动，目的是在全国范围内培养小学生的编程能力。当前，我国程序设计人才与市场需求存在严重脱节，尤其在青少年编程教育方面几乎是空白。青少年作为国家未来发展的重要力量，到目前为止，还没有一套完善的编程教学系统适合年轻人学习。

目前，国内高校计算机编程教学已经形成较为完善的教学体系。但是小学、初中、高中的信息技术课程，主要还是局限于单纯的多媒体软件应用方面，对编程的学习相对较少。再加上高考的压力，一些省份的信息技术课也被其他的课程所取代，这给青少年时期的编程思维培养造成很大的阻碍。

学习编程应该从小开始。当前，政策方面存在的突出问题在于教育主管部门对青少年计算机教育和编程教育的关注度不够。相信随着社会不断发展和未来社会对学生编程能力需求的改变，这一问题将逐渐得到改善。从技术角度来看，目前首要的问题是缺少一套面向青少年的程序设计教育系统。

三、编程教育体系设计策略

（一）健全教师队伍，推动智能设计教学

由于我国编程教育起步较晚，所以在师资培训方面，尚未形成完善的青少年编程师资培训体系。青少年程序设计在我国已得到广泛应用，但其师资紧缺问题却日益突出，已成为制约编程教育发展的重要因素。在传统的高等师范教育中，编程教师的培训一直没有得到足够的重视，导致当前学前教育专业的教师力量相对薄弱。青少年编程教师在进行教学活动时，要以计算机思维为中心，以教学方法为途径，以编程为操作工作，才能使教学工作顺利进行，因此，教师除要具备教育学、心理学等方面的知识外，还需要对编程语言、思维等方面的知识有所了解。故可将有关青少年程序设计的师资训练纳入大学教育，让教师具有较强的电脑程序设计能力与教学技巧。相关的教育机构可以通过增加工资和福利来吸引更多的计算机专业或师范专业人员加入青少年编程工作中来，并进行相应的培训，让教师有更多的学习机会来提高自己的专业水平，为教育事业和青少年编程教育的发展打下坚实的基础。

（二）分层教学丰富课堂内容

对中小学生而言，要把信息技术与现行的信息技术课程结合起来，同时与学生的知识基础结合起来，适应学生的需求。在进行智能教育之前，必须对相关的相关知识有一个整体的认识，构建一个完整的主题体系，做好教学方案的设计，保证课程实施的广度和深度。初中学生的基础能力水平各不相同，有些学生基础较好，更熟悉人工智能技术，对人工智能技术的理解更深，但也有一些学生的基础相对较弱，对人工智能的应用也相对较弱。因此，教师要制订合适的个性化学习方案，采用分层次的教学方式，兼顾每一位学生，使教育达到最佳效果。

在分层教学模式下，教师可将班级学生分为A、B、C三个等级，并根据不同等级水平的学生，制订相应的智慧课程。A类学生具有良好的学习意愿，具有较高的信息科技应用能力，教师通过对其进行人工智能计算教育，帮助学生更好地了解人工智能技术的基础原理，并通过小游戏、错题本、背单词打卡等程序，提高学生对人工智能技术的应用能力。對C级学生，可以利用人工智能技术来完成诸如语音识别之类的学习，以此来提高学生的学习兴趣。对成绩中等的B类学生，可适当降低编程难度，引导学生完成较简单的任务，营造宽松的学习气氛。根据不同的学习水平和知识水平，对其进行有效的分析，这样才能使人工智能教学工作得到整体的推动，并极大地提高工作效率。

（三）利用多种教学方法培养电脑编程能力

近年来，由于电脑科技的飞速发展，电脑辅助教学方法越来越多，教师可以利用各种方式来引导学生在各种学习与实践中，不断地提升自己的电脑应用能力。教师可通过使用Python、Scratch等多媒体软件对数据进行处理，提高学生的编程水平。在学生有一定基础之后，再加强电脑编程技巧的研究，以实现整体的发展与提高。此外，教师也应将所学到的程序应用于实践，因为程序的学习来自每天的练习。因此，在编程能力的培养上，教师应该让学生更好地从现实生活中发现问题，运用编程技巧解决问题，增强相应的知识，提高学生的编程能力。

向学生传授人工智能的知识，不仅仅是对概念理解、算法等方面的知识，更重要的是对其知识的拓展，从生活中的实例中进行理解，从而对其运用方法有更好的理解，不断提高自身的创造性。借由大量的例子，让学生对人工智能技术有较深的认识，从而加深对相关知识的理解。例如，某家大型商城，运用大数据与人工智能技术，对用户的点击次数、购买数据、浏览时间等数据，以及对用户的个人资料进行全方位的统计，综合分析用户的性别、职业、饮食习惯、购买力、穿衣风格等，从而对首页的内容进行优化，为用户提供及时的意见。利用智能化技术，可以对照片、文字等进行扫描，并添加相应的特效。教师可引导学生利用软件进行网页查询，并根据这些资料，分析如何将人工智能技术应用于网页制作与软件开发，让学生掌握智能技术的原理。通过案例教学，增强学生对智能的敏感性，并将智能与现实生活联系起来，有利于提高学生的科学素养。

（四）运用游戏性编程提升课堂活力

兴趣是最好的导师。为培养学生的科学认识与实践能力，可采用“玩”与“学”结合的方式，把电脑绘图程序与游戏结合起来，不仅可以增加学生的学习兴趣，而且可以有效地提高教学效果。在教学过程中，教师以游戏的方式，调动学生的学习热情。在实际教学中，有一些程序设计课并不能让学生“玩”得太好。因此，在编写程序的时候，有两个方面值得注意。第一，要根据不同的教学内容，采用不同形式“玩”法；第二，要紧密地结合学生的实际状况。例如，教师可以让学生一起参加“飞翔的蝴蝶”的活动。首先，教师要在课堂上建立起一条主线，引导学生以“主干”的顺序展开教学，让学生用自己的语言来讲述比赛的规则，如：“蝴蝶是怎么飞的？”“蝴蝶长什么样？”教师在教学过程中，可以对学生进行引导，但不能越权，故意设置一些“遗漏”，留给学生自行解决，从而提高学生的能力。在学生充分理解这次活动的规则与内容后，教师引导学生对其进行系统的分析与设计。以“蝴蝶的飞行轨迹”为例，让学生在现实生活中想象一只蝴蝶拍打着翅膀，然后根据速度和时间的关系，一步一步地探究“蝴蝶的飞行轨迹”，并将其画出一幅生动的图画。在这种游戏式的教学中，学生在教师的引导下，进行详细的分析与探究，逐步积累经验，掌握其中的规则，从而正确地理解编程语言，构建自己的知识库。因为课程内容贴近生活、趣味性强，学生参与度会自然提高，电脑辅助设计的效果也就更好。

（五）利用Scratch降低程序启动难度

在儿童程序设计中，采用程序设计的方式可以将程序内容直观生动地表现出来。为使学生能够对程序的含义有一个准确的认识，并且能够对程序进行科学的运用，教师需要对儿童和初学者进行有效的辅助，降低编程难度，锻炼学生的计算能力。Scratch虽然不能很好地解决一些复杂的编程问题，但是其编程语言更加简洁有趣，教师可以使用Scratch这个编程工具，通过图形化编程、积木模块以及大量的软件装置，将教科书上的各类编程内容展现出来，降低学生的学习难度。

四、结语

在当前的信息时代，人工智能已经成为信息技术发展的一个重要方面。就学生而言，要想学好人工智能，就必须有社会、学校、教师、学生四个方面的共同努力。通过对当前存在的问题进行改进，使之符合教学目标，促进学生对人工智能的认识与运用能力的提升，促进我国教育事业的健康发展。为推动青少年智慧教育的普及，需要各个社团主动地将青少年的科学、技术和教育资源相结合，增强政府和社会的支持力度，形成联动协同、优势互补、合作共赢的局面。