编程教育

摘要：近年来，各国在人工智能领域的投资和建设不断加速，致力于培育新的生产力，并探索推动经济增长的全新动力。在我国各地，关于人工智能相关活动的实施也已全面展开。在学校领导的明智指导下，人工智能社团积极推进教育相关活动，致力于构建和完善相关课程。经过多次的发展，社团已经建立了自己独特的教育课程体系，形成了三级联动的编程学习框架：首先通过Scratch语言的直观化编程让学生乐于学习，在此基础上引入萝卜圈和Robosim进行虚拟机器人模拟训练，最终则转向以C++等编程语言进行深入的思辨训练，以此来提升学生的计算机思维能力。通过一系列与人工智能相关的科技活动，本校得到了来自各界及上级部门的高度认可，成功打造了全国范围内的人工智能特色品牌。

关键词：新质生产力；人工智能；编程；计算思维；三级联动

新兴技术的演进为世界带来了深刻的变革，而核心算法则是探索未来的关键所在，也是计算思维的精髓。近年来，国家逐步在小学及中学阶段推进编程教育，编程教学如春风化雨般逐步深入校园。学校自然而然地抓住了这个培养学生逻辑思维能力的良机。2016年3月，校园管理层经过深思熟虑，在全市的小学中最早创建了机器人俱乐部，实施相关科技活动课程。经过不断的发展，这个社团为学校赢得了诸多荣誉，并且在教育活动上形成了一套独特的课程体系，即三级联动的编程教育模式：从以Scratch语言为基础的趣味图形化编程入门开始，接着开展萝卜圈、Robosim虚拟仿真机器人实践，最后引入C++等指令型编程语言，构建出一个完整的思维发展课程体系，以提升学生的计算思维能力。积极组织与人工智能相关的科技活动，树立全国人工智能特色单位的品牌形象。在2018年至2021年期间，我校荣获中国科协青少年活动中心四年的评选，成为“全国人工智能特色单位”。在此，作者简要介绍三级联动编程课程的结构体系：

一．解析计算思维的特征，构建三级联动的课程体系

计算思维起源于计算机科学，现已广泛被认为是除理论思维和实验思维之外的第三种思考方式。这种思维模式如今已被视为中小学信息技术课程重要素养培养的关键组成部分。计算思维的普及源于美国卡内基梅隆大学的周以真教授，他将这一概念描述为个体在识别、提出和解决问题时所表现出的自信和坚持，以及所需的一系列态度和技能；在进行问题分析和编写计算方案时，个体所运用的一系列独特的思维方式和流程；其中包含了四个基本方面：问题分解、模式识别、抽象思维和自动化实现。计算思维的本质在于将复杂问题切分为更易处理的单元：在进行多次细化后，问题转变为可通过算法解决的部分。基于计算思维的特点，社团活动的系列课程将设计为三级互动机制，分阶段进行实施。

二．着手趣味的图形编程，消除学生的恐惧

在当今人工智能迅速发展的时代，学习“编程”被视为学生适应这一新环境的一个重要入口。因此，Scratch图形化编程语言是适合小学生学习编程的有效起点。这种编程方式的核心并非让学生掌握特定的编程语言，而是让他们通过理解和运用程序逻辑，培养独立解决问题的能力以及逻辑思维的技巧。图形化编程实际上是一个崭新的程序设计工具，学生们能够利用它轻松地创造互动故事、趣味动画和小游戏等创作，并且还可以与他人分享他们的作品。这种编程方式的主题和内容都非常丰富和多样化，主要集中在游戏、音乐与动画领域：其一，它为喜欢绘画的学子们提供了设计角色的可能性；有一个为喜欢动画的学生设计情景的功能。简单的游戏设计功能，适合喜欢游戏的学生它还为喜欢音乐的学生提供音频处理功能。此外，这种编程方式也能显著提升儿童在学习过程中的热情与主动性。以Scratch编程为例，包含8个功能模块，基本涵盖了常见的编程理念，比如程序的三大结构：顺序、循环和选择结构，另外还有变量的设置及链表（数组）的应用等。编程可以利用类似积木拼搭的方式轻松实现。在这一阶段中，学生们的创作如雨后春笋般涌现，我校的吴佳锡、郑晨鑫等20位同学的编程作品相继在省、市、地级的比赛中获得了奖项。

三．运用虚拟机器人仿真，助力学生重拾自信

国内的萝卜圈和中鸣机器人等企业相继推出了虚拟仿真软件，通过图形化编程界面的使用，实现了虚拟技术与实际应用的紧密结合，解决了在实体机器人教学中推广受限的问题，极大地激发了中小学生对科技创新活动的兴趣和参与度。使那些无法获得条件，甚至无法接触到高端机器人技术的孩子们，也能够体验到先进的科技，获取现代知识与理念的学习，这样推动了偏远地区学生在科学技术和文化领域的成长与发展。通过高仿真度的虚拟软件，可以显著减少实际设备的需求，并有效扩大授课人数。实体机器人课堂最多容纳十几名学生，而虚拟仿真技术则可以轻松达到大规模授课的效果；提高学生学习编程知识的效率虚拟机器人模拟平台为热爱机器人教育的教师和学生们提供了一种全新的教学方式。这款软件有效地解决了在教学中面临的时间和空间的困难，用户只需一个账户，就能够随时随地参与机器人课程的学习或授课。学员可以以较低的成本掌握机器人搭建与编程技能，并且在设计的主题地图场景内参与有趣的项目学习。通过利用虚拟机器人模拟环境，学员能够设计个性化的函数，调用各类功能模块，着手于复杂的编程任务，这在锻炼他们解决问题的能力和培养面对困难的坚定毅力方面大有裨益。我校的社团成员们都热衷于虚拟机器人项目所带来的各种有趣挑战。这项活动通过独特的评分系统，激发了学生们迎接挑战的激情。团队中有多位同学在龙岩市青少年机器人比赛的智能交通AI虚拟机器人项目中荣获了一等奖等多个优秀奖项。

四．驾驭指令编程，推升学生计算思维

在编程领域内，C++被视为一种关键语言，并且还是信息学奥林匹克竞赛指定的编程语言之一。该语言与C语言具有完全的兼容性，此外，它还能够有效地促进计算思维的发展。在完成前两个阶段的严格训练后，小学生们已经成功掌握了从图形化编程到指令编程的过渡，因此引入c++编程语言的教学，就显得尤为重要，这样他们能够更好地理解生活中存在的算法实例。比如说，开学伊始，一群新同学汇聚在一起，需要按照身高从矮到高进行排列。具体来说，计算机首先会识别出最矮的学生，让他站在队伍的最前面，然后在剩下的同学中寻找下一位最矮的，依次将他们排列在前者之后，直到所有同学都排好。这种方法就是最简单的选择排序算法。学生们能够很快掌握这个过程，并使用C++编程语言与数组的结合，将其实现出来。

综上所述，经过多年的实践与探索，得出的结论是：那些在学校人工智能社团中参与的学生，通过三年的学习，不仅在计算思维上得到了提升，而且在各类比赛中收获了卓越的成绩，同时还促进了他们在其他学科的学习。因此，计算为其他学科的学习赋予了力量。毫无疑问，培养学生的计算思维是一个逐步推进的过程，这需要教育工作者深思熟虑每一个组成部分，探讨课程内容的深层次，才能构建出一个有效的计算思维教育体系。

参考文献：

[1]给孩子的计算思维与编程书.[美]简.克劳斯