人工智能计算思维启蒙教程

版权信息

书名：人工智能计算思维启蒙教程

ISBN：978-7-115-60355-5

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版  权

著    周 嵬 陈 弘

责任编辑 李永涛

人民邮电出版社出版发行　　北京市丰台区成寿寺路11号

邮编　100164 　电子邮件　315@ptpress.com.cn

网址　http://www.ptpress.com.cn

读者服务热线：(010)81055410

反盗版热线：(010)81055315

内容提要

人工智能的发展离不开信息技术的支持，而信息技术的核心是计算机技术。计算思维并不局限于计算机领域，它可以应用于生活的方方面面。数学思维和计算思维都是一种抽象方法，数学思维是剥离具体对象的抽象方法，计算思维则是问题解决模式的抽象方法。因此，人工智能启蒙教育的重点应该落在儿童数学思维和计算思维的培养上。

本书致力于让儿童在实物化编程游戏中体验编程的乐趣，了解编程的基础方法，帮助儿童建立自己的思维逻辑。

本书的目标读者为5周岁到10周岁的儿童及其家长，或相关领域的教育工作者。本书既可以作为亲子益智活动的参考书，也适合培训机构和学校使用。

序

我一直在思考一个问题：要如何向儿童进行人工智能的启蒙教育呢？

儿童是我们的未来，而人工智能也将成为越来越重要的一门技术。越早对儿童进行人工智能的启蒙教育，越有利于激发儿童创造性的思维，帮助儿童逐渐养成主动探究、主动思考的习惯，使儿童在遇到问题时，能从多方面去思考。

但是，直接借助电脑或者其他电子产品对儿童进行人工智能的启蒙教育显然不合适，因为过早接触电子产品可能使儿童对其产生依赖，导致儿童无法专注学习。

那么，如何才能既有效地进行人工智能的启蒙教育，又不会让儿童过早地接触电子产品呢？

当我看到这本书——《人工智能计算思维启蒙教程》时，我终于有了答案。

书中以人工智能中的计算思维为核心，通过生动有趣的情景塑造，把深奥难懂的知识，融入儿童日常的生活场景中，用通俗易懂的方式,如玩游戏、数格子、找规律等，帮助儿童形成自己的思维能力，做到真正的授人以渔。

同时，此书摆脱了传统电子产品的束缚，采取实物化编程的方式，让儿童在实践过程中体验编程的乐趣，了解编程的本质，即用机器能懂的语言来控制机器。此外，在这个过程中还潜移默化地培养了儿童逻辑思维的能力。

书中的编程实践活动，不仅需要儿童自己动脑思考，而且需要与家长（或队友）进行沟通，这就更能激发儿童的求知欲，并提高儿童的自然观察能力、语言表达能力，以及合作交往能力。

因此，我将这本启蒙读物推荐给各位父母和老师，希望它能为培养儿童的人工智能思维起到重要的作用。

周昌乐　2022年10月11日

厦门大学人工智能系教授

福建省人工智能学会理事长

前  言

人工智能是一门跨专业、跨行业的综合性学科，是集知识、财富、智慧于一体，并决定未来社会经济文明实力的融合性大工程。人工智能已经上升到国家战略层面，广泛开展人工智能的科普活动也被写入了国务院印发的《新一代人工智能发展规划》文件的保障措施部分，而人工智能低龄启蒙教育在国内还处于起步阶段。

5周岁到10周岁的儿童处于皮亚杰认知发展阶段理论中的“前运算阶段”和“具体运算阶段”，这两个阶段的儿童在语言掌握和概念理解方面的发展迅速，初步具备将运动感知转化为表象或形象的能力，即具备图形符号认知能力，认知结构容易发生重组和改善，逻辑思维也极具弹性。因此，这两个阶段是培养数学思维和计算思维的关键时期。但是，这两个阶段儿童的思维逻辑更多的是基于具象化的对象，因此，数学思维和计算思维的培养应该更多地借助实物化教具和儿童可以理解的故事情境来实现。

因为直接受众是5周岁到10周岁的儿童，所以本书力求语言通俗易懂，图文并茂。另外，本书对家长和编程启蒙教育工作者的专业背景没有特殊要求，感兴趣的读者都能阅读和使用。

本书基于循序渐进地帮助儿童培养数学思维和计算思维的目标，通过故事情境和实物化编程游戏工具，引导儿童在角色扮演和使用指令片让“裤兜小车”展现程序动作的过程中，不断地试错纠错，以训练儿童用计算思维解决问题，使抽象、枯燥的数学启蒙教育和计算机启蒙教育变成生动活泼、充满童趣，又极具互动性的学习过程。

编者

2022年6月

编委会

主 编：廖福林

副主编：周 嵬 陈 弘

编 委：程庆宝 陈学昶 黄明钰

    黄学翔 李灵峰 林向晖

    邱伟松 唐 磊 王 宏

    许长熊 郑 恩 周建忠

    周开海

预备课　我们的新朋友──裤兜机器人

第1节　初识裤兜机器人

今天，我们一起来认识一位新朋友──裤兜机器人，它的主要组成部分包括裤兜小车、指令盘和指令片。裤兜机器人能够听从我们的指挥，完成各种小任务。

裤兜机器

裤兜机器人为什么能听懂我们的指挥呢？这是因为它也像我们一样有“眼睛”“耳朵”“大脑”“四肢”。裤兜机器人的“眼睛”和“耳朵”被称为输入设备，它们负责接收外界的信息并把这些信息提供给“大脑”；“大脑”被称为处理器，它负责处理信息并得出结果，然后把结果对应的指令发送给“四肢”；“四肢”被称为输出设备，它负责执行“大脑”发送过来的指令。所以，只要我们用裤兜机器人能听明白的“话”和它交流，它就能听从我们的指挥。

裤兜机器人的工作原理

下面我们来认识一下裤兜小车。

裤兜小车

裤兜小车的输入设备有超声波传感器、寻线光感、左光感和右光感等；输出设备有眼眶灯、机械臂、车轮等；处理器就藏在裤兜小车内。

我们与裤兜机器人的交流是通过指令片和指令盘来实现的。指令片就像汉字，不同的指令片组合在一起可以形成一句有意义的“话”，然后指令盘将这句“话”翻译成裤兜机器人能理解的“话”，并利用蓝牙发送给裤兜小车，让它执行相应的动作。

指令片

这样我们就能通过编程给裤兜机器人下达指令，并对它进行控制了。

第2节　使用裤兜机器人

现在我们来学习如何使用裤兜机器人，操作步骤如下。

1．分别打开指令盘和裤兜小车的电源开关，等待蓝牙对接成功（裤兜小车发出“嗒嗒嗒、嗒嘀嗒”的提示音，同时眼眶灯常亮即表示蓝牙对接成功）。

2．根据自己的需求将指令片按指令盘上的数字顺序放入。

3．按“Run”（运行）键，程序即传送给裤兜小车，裤兜小车开始执行程序。

4．执行新程序时需要把指令盘上的指令片取走，然后重新放置指令片。

指令盘与裤兜小车

【试一试】

接下来做个实验。

1．找出下图所示的指令片。

2．按上图所示的数字顺序将指令片放入指令盘对应的“指令模块窗口”中。

3．按指令盘上的“Run”键，看看发生了什么。

4．试试把“程序结束”指令片去掉，然后按“Run”键，看看裤兜小车又会做什么动作。

5．在步骤4的基础上，把按“Run”键改成按 “Load”键，说说发生了什么。

【实验结果】

1．按“Run”键后，裤兜小车按照指令片开始运行：裤兜小车前进1格、裤兜小车机械臂向前摆动1次、裤兜小车发出1个短音、裤兜小车向右转90°、裤兜小车后退1格、裤兜小车向左转90°、裤兜小车发出1个长音，最后裤兜小车停下。

2．把“程序结束”指令片拿去后，再次按“Run”键，裤兜小车将会一直重复执行“裤兜小车前进1格、裤兜小车机械臂向前摆动1次、裤兜小车发出1个短音、裤兜小车向右转90°、裤兜小车后退1格、裤兜小车向左转90°、裤兜小车发出1个长音”程序。

说明：指令盘上的程序都自带循环，只有放上“程序结束”指令片，程序才会只执行一次。

3．把按“Run”键改成按“Load”键后，裤兜小车是不动的。因为按“Load”键只是把程序上传给裤兜小车，但裤兜小车并不运行程序。要想让裤兜小车运行，需要再按裤兜小车尾部的“运行/中断”按键。