人工智能时代幼儿计算思维的核心要素与培养策略

曾越　杨伟鹏　白明丽

【摘要】在人工智能时代，计算思维是个体应当具备的一系列解决问题的思维品质。计算思维的培养应从幼儿阶段开始。计算思维包括计算概念、计算实践和计算态度三个同等重要、密不可分的维度，包括问题分解、抽象、模式识别和算法设计等核心要素。本文重点介绍如何在一日生活和活动中培养幼儿的计算思维，以促进幼儿信息科技素养提升。

【关键词】計算思维；问题分解；抽象；模式识别；算法设计

【中图分类号】G612 【文献标识码】A   【文章编号】1004-4604（2023）04-0003-06

2022年，中华人民共和国教育部发布《义务教育信息科技课程标准》，将计算思维作为信息科技课程的核心素养之一，将其定义为“个体运用计算机科学领域的思想方法，在问题解决过程中涉及的抽象、分解、建模、算法设计等思维活动”。由此可见，“计算思维”与数学活动中的“计算”是截然不同的概念。在人工智能时代，计算思维是个体应当具备的一系列解决问题的思维品质。作为建设现代化中国的接班人，儿童应当从小习得计算思维这一核心素养，从而更好地理解周围的社会环境，适应未来的社会发展。本文拟对人工智能时代幼儿计算思维的核心要素与培养策略进行深入探讨。

一、幼儿计算思维的核心要素

目前学前教育领域研究者尚未对幼儿计算思维的框架达成共识。〔1〕在比较了不同的计算思维框架后，曾越等人认为，凯伦·布伦南（Karen Brennan）和米切尔·雷斯尼克（Mitchel Resnick）提出的三维框架〔2〕为幼儿计算思维的培养提供了基础框架。该框架包含三个维度，分别是计算概念（编程时所使用的概念）、计算实践（创建项目时的问题解决策略）和计算态度（所形成的对自己及周围世界的看法）。三个维度同等重要，密不可分。这表明计算思维不仅包括编程知识，而且包括问题分析与解决能力、创造性与合作性等超越知识技能之外的内容。曾越等人将这三个维度作为幼儿计算思维的基础框架，系统回顾相关实证研究，梳理出每个维度下幼儿计算思维的核心要素（见表1）。〔3〕

虽然不同组织和研究者所提出的幼儿计算思维框架并不一致，但均将问题分解、抽象、模式识别和算法设计这四种核心要素纳入其中。由此可见，这四种核心要素是幼儿计算思维的关键内容。因此，本文将对这四种计算思维的核心要素进行重点介绍。

1.问题分解

问题分解是一个解构的过程，是指将一个复杂的问题或系统分解成较小的、容易解决或管理的部分。〔4〕

会使用问题分解来解决复杂的问题，是很重要的能力。计算机科学家正是使用问题分解来完成复杂的任务或者设计庞大的系统的。〔5〕问题分解可以使解决复杂问题的过程不那么令人生畏，而是更容易上手。在完成复杂任务或解决复杂问题的过程中，可以将大的任务或问题分解成一个个小的任务或问题，再将小任务或小问题进一步分解，以便更容易完成任务或解决问题。例如，准备上幼儿园可以被分解成起床、穿衣、叠被子、刷牙、洗脸、吃饭等几项小的任务，而每一项小的任务又可以被进一步分解，如将刷牙进一步分解成在牙刷上挤牙膏、按正确方法刷牙、漱干净嘴里的牙膏沫等步骤。

问题分解应该在开始行动前进行。在没有适当计划的情况下试图完成一项复杂的任务，可能会付出很多不必要的努力，甚至导致失败。〔6〕

2.抽象

抽象是指从复杂的环境中收集相关的信息，忽略不相关的细节，从而在不同的表征中找到共同点或者生成模式的过程。〔7〕

在计算机科学中，抽象是一个强有力的工具，“它使我们有信心在不必理解每一个细节的情况下就能够安全地使用、调整和影响一个复杂系统”。〔8〕抽象能够使个体在不同层次上思考问题，通过捕捉问题解决中的关键点，忽略“噪音”，从而高效地解决问题。例如，将从家里出发去上幼儿园的日常活动抽象为确定两点一线之间的路线与交通方式。

抽象是计算思维的基础。通过抽象的过程，个体能够将主要的精力用于处理最相关和最重要的信息，从而更有利于思考和解决问题。〔9〕

3.模式识别

模式识别是识别问题之间及问题内部的共同点和趋势的过程。〔10〕

模式识别是人工智能的核心内容，是大数据时代的关键使能技术。〔11〕模式识别能够帮助个体将以往处理信息或解决问题的方法迁移到具有相同模式的信息或问题上。因此，识别的模式越多，个体处理信息或解决问题的速度越快。如果不具备模式识别能力，那么对个体来说，每个问题或信息都是崭新的，都需要从头开始思考，使得信息的处理或问题的解决变得非常低效。模式识别还有助于个体进行归纳概括和预测。例如，个体通过已有数据中的模式对未来的天气进行预测。

4.算法设计

算法设计是为解决一个问题或完成一项任务而设计一系列有序步骤或行动的过程。〔12〕算法设计是计算思维的核心要素之一，也是人工智能得以普遍应用的三大支柱（数据、算法和算力）之一。

在进行算法设计时，除了要求一系列步骤以正确的顺序排列外，还要寻求最优算法，即以最高效的方式来解决问题。例如，华罗庚讲到统筹方法时提到的不同的人因泡茶步骤不同而花费时间不同的例子，就是有关最优算法的生动案例。

二、幼儿计算思维的培养策略

鉴于计算思维的重要性，世界范围内的学前教育工作者都越来越重视从幼儿时期开始培养个体的计算思维。〔13，14〕在幼儿园中培养幼儿计算思维主要有两种方式。一种是通过专门的编程教育促进幼儿计算思维的发展。这需要结合编程工具来开展，如常用的图形化编程工具ScratchJr，教育机器人Bee-Bot、KIBO、玛塔机器人、Code-a-Pillar，混合工具魔宝乐等。一些幼儿园还尝试研发不插电的编程工具来培养幼儿的计算思维。〔15〕另一种是基于幼儿园现有的活动，将计算思维的学习渗透在一日生活和活动中。这两种方式都被证实能够有效培养幼儿的计算思维。〔16，17〕本文主要介绍如何在一日生活和活动中培养幼儿的计算思维。我们依然围绕上述四种计算思维的核心要素来分析。

1.问题分解的培养策略

问题分解有助于幼儿将那些较大、较复杂的问题或任务分解成小的部分，从而更快地解决问题或完成任务。幼儿园的一日生活和活动中蕴含着丰富的问题分解能力的培养契机。

对幼儿来说，很多生活活动都是比较复杂和有挑战性的。因此，可以采用问题分解的方式来完成。来园几件事、洗手几步骤、吃饭几件事、午睡几部曲、起床几部曲、如厕几步骤、离园几件事等，都是很好的培养幼儿问题分解能力的契机。教师可以把握这些机会，引导幼儿通过问题分解来完成复杂任务。

凯利·米尔斯（Kelly Mills）等人介绍了如何在橡皮泥制作活动中培养幼儿的问题分解能力。〔18〕在进行这类活动时，教师先向幼儿解释什么是问题分解，然后提供一套橡皮泥创作图片，请每名幼儿挑选一张图片并仔细观察自己选择的图片。教师提问：“你注意到哪些细节？你怎样才能把它分成更小的部分，使它更容易制作？你会先做什么？”在幼儿完成了橡皮泥作品后，教师可以鼓励幼儿分享创作的过程，可以问幼儿：“你的大型橡皮泥作品是什么？你是如何把它分成小部分的？这对你制作橡皮泥作品有帮助吗？有什么帮助？”上述方法也适合在其他活动中培养幼儿的问题分解能力。如在幼儿搭建复杂的建筑物时，教师可以引导幼儿先分析该建筑物包含哪几个部分，应该先搭什么等；在幼儿完成搭建后，教师可以鼓励幼儿回顾和分享搭建的步骤等。

2.抽象的培养策略

抽象有助于幼儿忽略不必要的细节，抓住重要信息，从而简化问题，降低任务复杂性。有研究者认为，有必要从幼儿园开始培养幼儿的抽象能力。〔19〕

教师可以在不同活动中引導幼儿专注于重要信息，有目的地培养幼儿的抽象能力。〔20〕例如，教师可以请幼儿回忆一日生活有哪些环节，这时幼儿并不需要回忆起每个环节的所有细节，只需要提取一日生活各环节的主要内容和顺序。这就是抽象。再如，在语言教学活动中，教师可以请幼儿概括故事情节。这就需要幼儿有意地忽略其他不重要的细节，提取出故事的主要内容。在塔玛拉·摩尔（Tamara Moore）等人的研究中，幼儿被要求将实际的路线转化为地图。这正是一个抽象的过程，因为在绘制地图的过程中，幼儿需要忽略实际物理空间中的很多不重要的细节。〔21〕数学活动同样是发展幼儿抽象能力的重要途径。例如，当幼儿用数字3表示数量为3的任意一种物体时，幼儿就是在关注必要的信息（物体的数量），忽视不相关的信息（物体的其他细节）。又如，在分类活动中，当幼儿根据观察到的特征将物体分类时，需要关注必要的信息（如按照形状分类，形状就是必要的信息），忽略不相关的信息（如按照形状分类，颜色、大小等就是不相关的信息）。根据事物的本质特征分类则对幼儿的抽象能力提出了更高的要求。下面以分类活动为例，具体说明如何培养幼儿的抽象能力。在开展分类活动时，教师可以先向幼儿解释什么是分类，然后创设诸如整理杂货店的情境，请幼儿参与分类游戏。比如，教师展示一组没有分类的水果和蔬菜，请幼儿将这些食物进行分类。在指导幼儿分类时，教师可以解释：“分类可以使我们更容易找到我们想要的食物；在分类时，需要关注特定的细节，忽略其他细节。”最后，教师请幼儿分享他们的分类方法。相比按照颜色和大小进行分类，按照种类（蔬菜和水果）分类是抓住了事物更为本质的特征。因此，教师可以进一步引导按照颜色和大小进行分类的幼儿将食物分为水果和蔬菜，并分别贴上标签。教师可以解释标签的作用：“标签表示这类物体的关键特征，帮助我们更容易知道哪一篮是水果，哪一篮是蔬菜。”在幼儿画完标签并贴到篮子上后，教师可以提问：“现在我要找茄子，应该去哪个篮子找？”在上述分类活动中，幼儿尝试运用抽象思维提取事物的表面特征和本质特征、忽略不重要的细节。值得注意的是，幼儿在分类的过程中还运用模式识别来处理信息和解决问题。

3.模式识别的培养策略

模式识别能够帮助幼儿高效地处理信息，迁移解决问题的方法，并进行归纳概括和预测。例如，当教师给3岁幼儿朗读绘本《棕色的熊、棕色的熊，你在看什么》时，故事讲到一半，就会有幼儿跟着教师一起念。教师问幼儿怎么会知道的时候，幼儿解释说：“它每次都重复同样的话。”可见，3岁幼儿已经能够发现故事中的语言模式并加以运用了。〔22〕

幼儿园的一日生活中蕴含着大量的模式识别技能的学习机会。例如，幼儿的一日生活通常是按照一定的模式组织的，展示或回顾一日生活有助于幼儿发现一日生活的模式，从而能够预测接下来要做什么，进而形成秩序感和对生活的掌控感。此外，一周的活动安排也有一定的模式（例如每周固定时间的晨会、自助餐活动等）。教师可以和幼儿一起制作周历，帮助幼儿识别模式。

幼儿园的各类活动中蕴含着丰富的模式识别技能的学习机会。例如，模式本身就是幼儿数学学习的核心经验之一，〔23〕很多数学活动都为幼儿提供了大量的数量、大小、颜色、形状等的模式识别机会。再如，绘本为幼儿探索模式提供了极佳的语境。在《跑跑镇》《打瞌睡的房子》《好饿的小蛇》《好饿的毛毛虫》《我的连衣裙》等许多绘本中，都可以发现存在于语言和图画中的模式。这种模式不仅增添了文学作品的趣味性，而且有助于幼儿记忆故事和预测故事发展。例如，幼儿发现绘本《大公鸡环游世界》的第一页出现了一只公鸡，第二页出现了两只小狐狸，第三页出现了三只小兔子……从而预测第六页上有六只萤火虫。很多音乐作品、美术作品和舞蹈作品中也有存在于歌词和旋律、线条和色彩、动作等方面的模式。这些模式不仅增添了艺术作品的美感，而且有助于幼儿感受和欣赏、表现和创造。在科学活动中，在认识四季的交替变幻、生物的生命周期、天体的运动规律等的过程中，幼儿同样可以感受与识别模式。

4.算法设计的培养策略

幼儿园的一日生活中蕴含着大量的算法设计能力的培养机会，如规划从家到幼儿园的路线，设计入园的流程等。下面以洗手为例说明如何利用生活活动促进幼儿算法设计能力的发展。这一方法也适合在其他生活活动中培养幼儿的算法设计能力。首先，教师可以请幼儿分享他们的洗手步骤。一组步骤就是一种算法。幼儿的算法可能有一些差异。当幼儿对洗手有不同的想法时，就是进一步讨论有效算法的机会。在讨论有效的洗手方法时，幼儿可能会发现一些步骤是不必要的，是可以被删除的。这就是调试的过程，即去除不必要的（或错误的）步骤以有效地完成任务。一旦幼儿确定了最有效的洗手算法，就可以请幼儿将洗手步骤图进行有序排列（可以用箭头表示顺序）。〔24〕

除了设计，算法的执行也是算法设计能力的一部分。例如，在体育活动中幼儿可以扮演机器人执行算法，即根据一套由方向卡和动作卡组成的指令（如向左走、向前跳）移动。为了提高效率、简化指令，教师可以增加数字卡，使用循环指令（如“向左走、向左走、向左走、向左走”的指令可以用“向左走4步”来简化），以提高幼儿的算法执行力，促进幼儿算法设计思维的发展。

寻宝游戏或送快递游戏是培养幼儿算法设计思维的常见游戏。在寻宝游戏中，教师可以请幼儿按照既定的指令或者创造指令来寻找宝藏。教师还可以请幼儿设计出到达藏宝地点的最优路径。另外，教师可以通过增加额外的障碍物等来调整寻宝游戏的难度，使之适合不同年龄的幼儿。在送快递游戏中，教师可以先请幼儿判断快递应该送到哪里。例如，教师可以给出具体的楼栋位置（如将快递送至×××小区××幢××室），或请幼儿根据人们对物品的需要（如奶瓶应该送给有婴儿的家庭，围巾应该送给生活在寒冷天气中而非炎热天气中的人）来判断快递应送达的地点。〔25〕教师可以请幼儿用箭头标记送快递的路线，然后分享自己的算法，并比较谁的算法是最优算法（路线最短）。

计算思维不仅对幼儿当下的发展具有重要价值，而且是幼儿应对未来竞争与挑战的必备素养。当下，培养计算思维对幼儿的发展有着广泛的作用。首先，计算思维会影响幼儿思考问题的方式，提升幼儿思考问题的系统性和逻辑性。其次，除了赋予学习者与计算机交流的能力外，计算思维作为一种综合了众多思维技能的高阶思维，对其他领域（诸如数学、工程设计、科学等）的学习也有重要帮助。〔26〕另外，有研究者指出，计算思维有助于幼儿元认知的发展，有助于幼儿调节、控制和评估自己的行为。〔27，28〕最后，计算思维所强调的调试能力（debugging）有助于让幼儿学会积极看待错误，并学会纠错。从面向幼儿未来发展的角度来看，计算思维不仅是计算机科学家，而且是每个人应对21世纪挑战所必备的基本技能。计算思维与阅读、写作和算术一样重要。〔29〕计算思维的培养应从幼儿阶段开始，以帮助幼儿在一个日益数字化的世界中成为高效的和富有创造力的问题解决者。〔30〕本文介绍了如何在幼儿园一日生活和活动中支持幼儿计算思维的发展。幼儿园教师可以举一反三，将计算思维的培养与现有的幼儿园课程相结合，将计算思维创造性地融入幼儿园的一日生活和各类活动中，以促进幼儿计算思维的发展。

参考文献：

〔1〕ZHANG L，NOURI J.A systematic review of learning computational thinking through Scratch in K-9〔J〕.Computers & Education，2019（141）：103607.

〔2〕BRENNAN K，RESNICK M.New frameworks for studying and assessing the development of computational thinking〔R〕.Vancouver：The 2012 Annual Meeting of the American Educational Research Association，2012.

〔3〕ZENG Y，YANG W，BAUTISTA A.Computational thinking in early childhood education：Reviewing the literature and redeveloping the three-dimensional framework〔J〕.Educational Research Review，2023（39）：100520.

〔4〕〔26〕WING J M.Research notebook：Computational thinking〔J〕.The Link Magazine，2011（6）：20-23.

〔5〕〔8〕〔30〕WING J M.Computational thinking〔J〕.Communications of the ACM，2006，49（3）：33-35.

〔6〕DIETZ G，LANDAY J A，GWEON H.Building blocks of computational thinking：Young childrens developing capacities for problem decomposition〔R〕.Montreal：COGSCI Proceedings，2019.

〔7〕WING J M.Computational thinking：What and why〔D〕.Pittsburgh，PA：Carnegie Mellon University，2010.

〔9〕CANSU S K，CANSU F K.An overview of computational thinking〔J〕.International Journal of Computer Science Education in Schools，2019，3（1）：17-30.

〔10〕HSU T C，CHANG S C，HUNG Y T.How to learn and how to teach computational thinking：Suggestions based on a review of the literature〔J〕.Computers & Education，2018（126）：296-310.

〔11〕譚铁牛.大数据时代的模式识别〔EB/OL〕.〔2022-10-10〕.https：//www.sohu.com.

〔12〕〔13〕BERS M U.Coding as a playground：Programming and computational thinking in the early childhood classroom〔M〕.London：Routledge，2020.

〔14〕WANG X C，CHOI Y，BENSON K，et al.Teachers role in fostering preschoolers computational thinking：An exploratory case study〔J〕.Early Education and Development，2020，32（1）：26-48.

〔15〕白明麗，谢琦.用“无屏幕”编程课程培养幼儿计算思维〔J〕.中国信息技术教育，2022（12）：80-81.

〔16〕MERINO-ARMERO J M，GONZ?LEZ-CALE-RO J A，COZAR-GUTIERREZ R.Computational thinking in K-12 education：An insight through meta-analysis〔J〕.Journal of Research on Technology in Education，2022，54（3）：410-437.

〔17〕SIGAYRET K，TRICOT A，BLANC N.Unplugged or plugged-in programming learning：A comparative experimental study〔J〕.Computers & Education，2022（184）：104505.

〔18〕〔20〕〔27〕MILLS K，COENRAAD M，RUIZ P，et al.Computational thinking for an inclusive world：A resource for educators to learn and lead〔R〕.Washington，DC：Digital Promise，2021.

〔19〕KHOO K Y.A case study on how children develop computational thinking collaboratively with robotics toys〔J〕.International Journal of Educational Technology and Learning，2020，9（1）：39-51.

〔21〕MOORE T J，BROPHY S P，TANK K M，et al.Multiple representations in computational thinking tasks：A clinical study of second-grade students〔J〕.Journal of Science Education and Technology，2020，29（1）：19-34.

〔22〕〔23〕黄瑾，田方.学前儿童数学学习与发展核心经验〔M〕.南京：南京师范大学出版社，2015.

〔24〕〔25〕LEE J， JUNOH J.Implementing unplugged coding activities in early childhood classrooms〔J〕.Early Childhood Education Journal，2019，47（6）：709-716.

〔28〕VORONINA L V，SERGEEVA N N，UTYUMOVA E A.Development of algorithm skills in preschool children〔J〕.Procedia-Social and Behavioral Sciences，2016（233）：155-159.

〔29〕WING J M.Computational thinking and thinking about computing〔J〕.Philosophical Transaction of the Royal Society A：Mathematical，Physical and Engineering Sciences，2008（366）：3717-3725.

Core Components and Developing Strategies of Computational Thinking in Early Childhood in the Era of Artificial Intelligence

Zeng Yue Yang Weipeng  Bai Mingli

（1 College of Education， Wenzhou University， Wenzhou， Zhejiang， 325006）

（2 Department of Early Childhood Education， The Education University of Hongkong， Hongkong）

（3 Wenzhou No.7 Kindergarten， Wenzhou， Zhejiang， 325006）

【Abstract】In the era of artificial intelligence， computational thinking （CT） is a series of thinking qualities that individuals should have to solve problems. The training of CT should begin in early childhood. CT includes core elements such as problem decomposition， abstraction， pattern recognition and algorithm design in three equally important and inseparable dimensions of computational concept， computational practice and computational attitude. Accordingly， this paper focuses on how to support the development of childrens CT in daily lives and activities to promote the improvement of childrens information technology literacy.

【Keywords】computational thinking; problem decomposition; abstraction; pattern recognition; algorithm design