AI时代，教会孩子“计算思维”

本文刊载于《三联生活周刊》2019年第22期，原文标题《AI时代，我如何教会孩子“计算思维”》

我是一个标准的计算机专业出身的孩儿妈。我现在在一家叫Hulu的美国公司做中国区总经理，团队做技术开发，使用人工智能和机器学习技术做视频内容识别、推荐、搜索等等。我一直在技术行业，曾经在几家硅谷创业公司和微软、雅虎做过研究员、程序员、产品经理，也曾经互联网创业。去年我的团队还写了一本关于机器学习算法的畅销书。

我自己从初中开始参加计算机竞赛，本科在清华大学计算机系专业是人工智能，在斯坦福大学读了计算机专业的硕士和博士，然后在硅谷和北京工作。

我也是两个孩子的妈妈，老大在剑桥大学读物理，老二在北京读高中。当我将养育两个孩子的故事和心得写成《魔鬼老大，天使老二》时，没想到挺受欢迎。大家挺关心，我这样一个强理工科背景的妈妈，是怎样培养孩子的。从我30多年前选大学专业开始，计算机就是一个开始热门的专业。有趣的是，去年我在公众号“东西方教育”最受欢迎的文章正是《我的孩子要不要学计算机？》。

骐骐的竞赛

虽然我在计算机技术行业做了几十年，我也业余研究儿童教育，但是“计算思维”这个词，真正作为一个概念进入我的脑海并且有了比较深的理解，还是源于我们家老二骐骐的一次竞赛。

三四年前，骐骐12岁，他有一次说，在学校参加了一个“奇怪的比赛”。“不知道是什么竞赛，有点儿像数学，但又不是数学。”他跟我讲了几个题，我觉得有点像逻辑，但是好像又不完全是，肯定不是数学竞赛。开始我也没有特别在意。后来骐骐又跑回来说，他竞赛初试考得好，要到牛津大学去参加决赛。这个必须引起重视了。我就在网上查了一下这个竞赛究竟是怎么回事。

我发现这个竞赛叫“Bebras计算挑战”，是一个有超前意识的比赛，由牛津大学和谷歌承办，目的是“让全世界的孩子为计算而兴奋”。竞赛的内容是“计算机科学家们喜欢解决的问题”，来评测孩子的“计算思维”。世界上各国的孩子，不需要学统一的编程语言，不需要统一的语言，都可以参赛。

骐骐去牛津大学参加了决赛。他们有一整天的比赛和相关的活动，听了计算机科学家的演讲，看了有趣的先进AI展示。因为骐骐参加这个竞赛，我仔细看了所有的资料，跟踪了他的竞赛过程。这个过程中我了解到“计算思维”这个还比较鲜为人知的概念。

作为一个计算机行业的从业者，作为一个面试过成百上千程序员和研究员的人，在我头脑里“计算”和“教育”这两条线的交汇清晰起来，我深深地理解了为什么计算思维能力很重要，它和其他数理能力的不同，以及它是怎样一步步培养的。

什么是计算思维

计算思维（Computational Thinking），是一组解决问题的方法，它教会孩子像计算机一样表述问题和解决问题，或者说，它教会孩子理解和模拟计算机怎么解决一个问题。计算思维包括几个方面：分解问题，逻辑和规律，算法，抽象。它可以说是学计算机和编程之前的基础技能。或者说，编程只是表象，有计算思维才能真正写出正确的程序。用写文章做比喻，编程语言好比汉字、法语或者日文，计算思维则是文章的构思、组织和内容。

我们可以从小培养孩子的计算思维，让他们有兴趣，启发他们在这方面的智力，让他们长大以后更加轻松地去学计算机相关的专业技能。我觉得，计算思维会变成孩子基础教育的一部分，像语文、数学一样，正式进入中小学课本。但是这个变化的到来还有数年，在此之前，恐怕要靠各位家长自己的努力了。在这篇文章里，我希望能简单地介绍计算思维的概念，给些例子，并分享我对孩子们的计算思维启蒙的经历和一些建议。

分解问题，基本计算思维能力

为什么要分解问题？

我先问大家，计算机聪明吗？

你们一定会说：很聪明！它可以做像登月、自动导航、下围棋、构建虚拟现实之类特别有意思的事情，它可以下棋打败世界冠军。其实，计算机是一个机器，它能做到的事情是很厉害，但是计算机能够接受的命令，实际上是非常非常简单的。

可以说，计算机能够懂得的命令，就像一两岁的小孩一样，只有非常少的几种，而且非常简单。举个例子吧，你不能跟计算机说：你去炒一个鸡蛋！但是你可以跟它说：你先把油放到锅里，然后把鸡蛋放进去，然后翻炒五分钟，拿出来放在盘子里。计算机能够接受的这种很简单的命令，我们在计算机学科里面称为指令。

计算机是很死板的。如果你把那个指令写错了，你说先放鸡蛋再放油，那么计算机真的就会去先放鸡蛋再放油，它不会自己去改过来的。也许你听说过某个很聪明的计算机自己会改错，其实并不是，它改错的那个程序是需要人来写的。

但是计算机有一个方面又是特别厉害的，这就是它的速度特别特别地快。它可以在人无法感知的毫秒内完成几百万、数千万次的计算。所以计算机有一个很好的优点，它可以不厌其烦、不断地反复做一件事。比如说，一个人可以把100本书从A排到Z。但是让你排1万本书，你就非常累了，可能要排好几天。但是计算机是不怕累的，如果有1万本电子书，甚至10万本，100万本，它不到一秒钟就能排出来。计算机快，又不会抱怨重复劳动。所以虽然计算机显得很聪明，其实只是把简单的事情做得非常地快。

为了利用计算机这种擅长很快地处理简单问题的能力，那么如何分解问题，就显得很重要。分解问题是计算思维的基本思路：一个大问题分解成计算机可以运作的小问题，然后逐步完成。计算机程序就是描述如何一步一步解决一个问题的。

分解问题不是个难题，我们日常生活中每天都在做，前面那个炒鸡蛋的例子就可以分解成：（1）准备原料；（2）炒蛋；（3）盛到盘子里。这三步需要一步一步地进行，顺序不能颠倒。这个在计算机的语言里叫“串行”。

如果我们把上面的步骤细化，第二步（2）可以再次分解为：（2.1）把油下锅；（2.2）把蛋下锅；（2.3）翻炒5分钟。这三小步也需要串行。在第2步的同时，也就是炒蛋的同时，我们可以把盘子准备好，这叫并行。并行就是不需要增加更多的时间，同时做多件事。

菜谱是计算思维分解问题的绝好实例。不过计算机做的事情一般比炒菜要酷炫或无聊得多，它更适合于比炒菜更难，更耗时间，要求更高的事。比如，计算机控制的无人驾驶，我们可以分解为：（1）摄像监测前面的道路；（2）图像分析找出车道；（3）如果前面没有障碍物，按当前速度继续开。当然，前面的每一步又可以分解成若干小步。真实的计算机系统肯定比这个要复杂，要处理各种边界条件，但是思路大致如此。

计算机希望把一个大问题，表示为能够单独解决的小问题。多小就足够小了呢？小到能用我们下面要介绍的“算法”解决，就行了。

一个算法的例子：排序

我们现在用“排序”（Sorting）来介绍算法。开学的时候，一群不认识的小朋友来到一起，需要从矮到高排队。下面我们来仔细分解一下，如果老师是个机器人（计算机），这个排队它可以怎么做。

方法一，老师先找到最矮的同学，让他站在最前面。然后，老师再在余下的小朋友中找最矮的，排在第一个后面，以此类推，直到把所有小朋友排好。

这个方法是经典计算机遍历排序算法。你可以想象，计算机把每个小朋友的高度表示成一个数字，每次看所有的数字，挑一个最小的，放到一边，然后再在剩余的数字里面挑最小的，直到全部的数字都被排好。这个方法的好处是简单易懂，缺点是比较慢，每次都要在没排过的所有数字当中看一遍，就好比老师每次都要看剩下的所有小朋友。

第二个排序的方法，所有的小朋友先随便站成一排。然后，前后每两个小朋友互相看一下对方，如果前面的比后面的高，那他们就换一下位置。

这个方法是不是比较有趣？你是否相信，这个方法最后也能把同学们从矮到高排成一排？大家可以用几个数字试试，是否发现，根据数字不同的初始位置，比如2、1、3或者3、1、2，这个方法是不是会有时候快些，有时候慢些？

然后我再问一个问题：这个方法，什么时候知道大家都排好了不用再动了？答案是每个人都比前面一个人高，不用再换位置，就可以结束了。

你可能要问，为什么要做第二个方法呢？老师直接来排不是挺好的吗？原因是如果只有10个孩子，我们当然可以用方法一来排。如果有1万个孩子要排队，那方法一就太难了：第一次老师要在1万个孩子里挑最矮的，第二次要在9999个人里面挑。而方法二，每次都是前后两个人交换，不太难。方法二还有一个特别大的好处，就是可以同时进行：前后两个小朋友随时都可以交换，不用等老师来看。这就是前面提过的并行处理，而计算机做并行处理是很在行的。

有趣的排序方法很多，我再给大家提供一个方法三：男孩从矮到高排队，女孩从矮到高排队，然后老师在前面，每次老师从两个队的队首，挑选那个比较矮的孩子，合成一个队就行了。

你可能还会问，为什么1万个孩子要从矮排到高啊？其实，孩子排队只是个比喻。真实世界中有很多排序的例子，比如图书馆的书要按作者姓名排序，字典里的词要按拼音排序。排序也是更加复杂算法的基础。

算法就是用一系列简单明确的操作来完成一项标准任务。大家在排序的例子里可以看到很多计算机算法的关键特性，比如：

（A）多样性：同一个问题的解法有多个。每个方法在不同的情况下可能效果很不一样，有的在这种情况下快，有的在那种情况下慢。一般来说，总有一个很笨的方法能达到目的，比如一个个地数过。计算机可以先用这个笨办法，然后再改进。

（B）重复性：大家可以注意到一个现象，我们经常说有一些事情要重复做，直到某一个条件满足。比如说，“重复直到所有的孩子都排好了”。条件满足了，算法就结束了。这里讲了一个计算里常用的概念，叫循环，就是一件事情反复地做，直到某一个条件满足为止。我们说过，计算机最爱不厌其烦地重复劳动。这个概念之所以重要，是因为这个算法可以用在N多个孩子排队身上，不需要预先知道一共有多少个孩子。

（C）完整性：不能有的孩子没排进去，所以我们的方法，要保证每个孩子都排好。比如有三个孩子一模一样高，你的方法也需要正确地工作，不能一直犹豫谁排在谁前面，也不能扔掉两个孩子。

看了这些，是不是觉得计算思维和数学思维不是一回事了？

生活中处处是算法

在我们学计算机的人看来，生活处处是算法。平时在家里或者在学校，我们是不是常常在找东西？比如出门前，我们要找到自己的鞋，从学校回来前要找到自己的书包。找东西的术语就叫查询，或者搜索（Search）。

搜索也有很多种不同的方法：你可以从头到尾把图书馆的书挨个地看，直到找到一本书。问题是图书馆一般都有很多书，估计这样找一本要花好几天。而且，如果这个图书馆没有这本书就麻烦了，我们要把所有的书都找过才知道没有。

所以，一般的方法是先排序再查找，还可以建立索引（Index），计算机也常常用索引的方法来查找。你还可以先分类再查找。比如说孩子的衣服、袜子，都可以分类放在不同的抽屉里方便查找。

妈妈常说：“你不把你的东西整理好，你就一直在找东西！！！”这句箴言说明了分类和搜索之间的优化关系，说明了妈妈的智慧，也说明了计算思维可以教会我们良好的生活习惯。整理东西就是分类和排序，如果预先把分类、排序都做得很好，查找起来就方便快捷多了。

查找算法也符合前面讲的几个算法特性：有多种方法找东西（多样性），需要循环直到找到为止（重复性），只要东西在家，就一定能找到（完整性）。

下面我们把学到的分解问题和算法连起来。比如，有1万个人，1万件大小不同的衣服，怎么把合适的衣服发给合适的人呢？看到这里，你肯定觉得这个答案很简单：（1）把人从矮到高排好；（2）把衣服从小到大排好；（3）按顺序每人发一件衣服。至于排人和排衣服，可以用不同的排序算法，比如人可以让他们用互换法自己排，衣服可以按号排。这个简单的例子里面隐含了一个抽象的概念：当我们解决这个发衣服大问题的时候，不需要具体解决排序的子问题（步骤1和步骤2），我们可以假设，总有办法把人和衣服排好的。

计算机之所以能够解决发射飞船到火星这种复杂问题，就是因为它假设一些子问题可以被抽象出去，单独解决。

计算思维启蒙

我家老大，一直没有正式学过编程，他应该是读高中的时候自己在网上学了一点儿。去年他因为要去一个无人驾驶公司做暑期实习，又自己学习了AI相关的算法。他的专业是学物理的，计算机方面的知识，对他来说都是需要用的时候再现学。但是编程，包括写程序来处理数据工作，对他来说都不是难题。老二现在在高中学计算机课，但是我前面提到他糊里糊涂地去参加Bebras竞赛时，并没有学过编程或者计算机相关课程。

所以总体上，我对他们两个计算思维能力的培养还是比较成功的。等我正式地了解到计算思维的概念后，回头想了一下，我是否对两个孩子进行过计算思维的启蒙呢？我总结了以下几点：

第一，因为我的背景，从小到大跟孩子在处理一些问题上，其实是用这种计算思维的方法的。我在《魔鬼老大，天使老二》一书里反复提到过，如何教孩子处理复杂问题的能力。事实上，很少有家长会在复杂技能培养上下功夫，我的书也许是亲子教育书中唯一花大篇幅谈论这个的。我现在回头去看，其实解决复杂问题，最主要的一点就是有把复杂问题分解成简单问题的能力。

比如说孩子做作业要写一篇文章，那么这个功课可以分解成收集资料、写提纲、写文章，最后再修改。写文章的那一步还可以具体分解成写每个段落。再比如孩子遇到不会的题，一个题的一部分不会做，我会建议他把这块空出来，把其他部分做完，有时间再回去解决不会的那部分。

分解问题，分而治之，把子问题清晰地描述和隔离，我们才可能解决大的问题，才可能大团队分工合作，才可能把飞船发射到火星之外。

那么顺着这样的思路，在孩子小的时候，我们可以教会孩子们在日常生活中问这些问题：

这件事怎么分步骤来做？这件事可以分成几步？

哪些大步可以再分成小步？

哪些可以同时做？哪些不能同时做？哪些可以找别人来做？

哪些步骤需要有条件才能进入？什么条件？

我们出去旅行可以分解成计划、买票、收拾东西、出去玩儿。计划，可以说如果下雨就去博物馆，如果不下雨就去公园。然后再带孩子用流程图画出来，再照着这张图去做事，这样你就已经很像一台计算机了。

第二，我帮孩子建立了规律和无穷的概念。看过《魔鬼老大，天使老二》的读者也许记得那个骐骐小时候“无穷大”的故事。骐骐在3岁10个月的时候就接触了这个无穷大的概念，虽然他是不能理解的，但是他觉得这个“特别大”的概念引人入胜，每天都在想。后来到他们上初中的时候，两个人都看过一本书叫《从一到无穷大》，这本书讲无限和其中美妙的规律，他们很喜欢，对这些数列概念他们非常有兴致，很好奇。后来他们学到斐波那契数列、帕斯卡三角、递归，这些概念他们接受起来都非常自然，而这些又都是计算思维的基础概念。

另外，我和孩子平时常用计算思维来解释生活中的现象。比如上飞机的时候，按座位从前到后排好队登机更快，还是随机乱上更快？是一个典型的模拟优化问题。孩子们常常饶有兴味地讨论这些现象，不是当作功课，而是当作有趣的话题，它们是很好玩的，比打游戏还要好玩，或者可以帮他们把游戏打得更好。所以让计算语言变成日常语言的一部分，是培养孩子计算思维的一个好方法。

计算思维，时代技能

在我们的孩子成长的时代里，他们必须要学会和计算机相处。他们以后可以是直接和计算机打交道的技术人员、研究人员、AI技术的实践者，更多的孩子会是计算机技术的使用者，或者被影响的人。其实，你现在在手机上看个帖子或者美图一张照片，背后都是计算机算法。可以说，我们生活与工作的方方面面都会跟计算机相关。

去年，我在“爱奇艺大会”上和《中国有嘻哈》的导演一起谈AI，很有兴趣地听到了他讲述如何在节目制作中，把一部分以前场记和剪辑需要做的事交给AI。比如说找到多个镜头拍摄的同一场景并且同步对齐，找到衔接对话，等等，这些非常繁琐的工作交给AI，可以把几十天后期制作工作减少到几天，错误大大减少，而且他可以专注于节目本身中更加有创意性的工作。这是了解计算机长处，分解自己工作一部分给机器来做的典型成功案例。

在这个新的时代，计算思维可以成为你的有力助手，让你在任何行业脱颖而出。所以，你的孩子可以不学计算机，但是你的孩子不能没有计算思维。

END