少儿人工智能学习之旅：Scratch编程 （少儿读物）

前言
长期以来，青少年人工智能的相关学习更多集中在智能硬件，如各种机器人（如乐高和VEX）和近年来不断普及的无人机。但智能硬件学习成本高，周期长，知识面窄，而且不易深入。相对而言，基于软件系统的编程学习具有成本低、学习方式灵活、覆盖面宽、易深入等优点。而且发展迅猛的机器学习算法普遍是在软件系统中进行训练和测试的。所以，很多国家的教育工作者进行了很多青少年人工智能编程教学的有益尝试，并获得了一定的成效。
作为一个拥有二十年大学教学经验的计算机科学系教授和十几年青少年编程启蒙的工作者，我认为人工智能教育要“归宗溯源，以人为本”。人工智能教育不能脱离计算思维和算法思维的基石。同时，青少年人工智能教育应该注重逻辑思维、创新能力和执行力的培养和提升，不应进行太多的职业阶段技能的培训。在更高层次来说，人工智能的教学应该和义务教育的总体精神相一致，并有利于辅助提高学生多个学科的学习水平。
基于以上理念和实践，我设计了“编程思维启蒙篇”和“Scratch 编程篇”人工智能学习系列。此系列循序渐进，由浅入深，以人工智能应用为线索，逐步引入计算思维的基本概念和一些人工智能的基本相关算法。
关于本书
《少儿人工智能学习之旅：Scratch 编程》是本系列的第二本书，适合9~14岁的学生进行进一步的学习。在这个年龄段，同学们已经具备了一些编程概念、算术知识和逻辑能力，但是直接进行人工智能应用的编程尚有不少困难。首先，人工智能的应用程序充满了动态的过程，验证每个步骤的正确性需要能够进行代码跟踪（code tracing）。其次，人工智能中的不少思路具有相当的抽象性，如果没有合适的直观效果显示即使在具体应用中仍很难理解。再次，人工智能算法对于这个年龄段的同学们仍然相当复杂，只有一步步地去消化才可能真正掌握。这些困难就要求教育工作者采用合适的工具和教学方法使同学们寓学于乐、逐步精进。
在“编程思维启蒙篇”里面，我们已经体验了Scratch 的强大图形功能，让同学们能够将人工智能应用和算法中的过程可视化，从而直观地观察执行的效果，模拟执行的过程，并且发现执行中的问题。而且，相较于纯文本，有效图形化能够吸引同学们进行较为深入的学习和探索。
基于此思路，本书对所有的人工智能应用和算法全部采用了Scratch 图形设计。本书在架构上采用目前STEAM 教学当中流行的PBL（项目式学习），即从实际的应用出发，引领读者逐步在问题思考和编程训练当中领会和实践人工智能思维。为了实现这一目标，我们的项目既包括同学们日常喜爱的机器人、迷宫、三连棋等益智应用，也包括机器学习中文字理解、语音识别、手写识别等核心问题。在学习当中，同学们会逐步从开始的自动化、优化、策略设计，过渡到后来的数据训练和模式识别的主流方法上来。沉浸在大量的人工智能应用中也会使同学们在不知不觉中受到人工智能思想的潜移默化和熏陶，从而能够独立地分析和解决新问题。
致谢
我于2017 年开始在深圳青青莲子的在线平台上讲授在线编程课，非常感谢公司CEO 张淑萍女士的支持和助教姜泽宇先生的协助。我也想感谢过去三年里跟随我一起学习的同学和家长们，我为他们取得的成绩深感骄傲。后，我也感谢家人对我在繁忙的科研教学行政工作之余创作本系列书的支持、鼓励和默默付出。
扫描书中二维码可观看视频讲解，书中案例源代码扫描下方二维码即可获得。
李明

这将是一段趣味与挑战兼具的Scratch 编程之旅，在这段旅程中有可爱又机智的AI 猫陪伴着你，一定会遇到更多的惊喜。他会陪你游览机器人博物馆，探索迷宫、珍珑峡谷和群山之巅，通过这些旅程你会了解到什么是人工智能，怎样学习人工智能，并学习设计智能应用、优化算法、递归回溯等编程方法和知识，还会开始探索机器学习的思路和方法。勤动脑，多动手，你一定会从这次旅程中受益颇多，快和AI 猫一起开始这段旅程吧！

李明，现任美国加州州立大学计算机系正教授，毕业于上海交通大学并在美国德州大学获得计算机科学博士学位。李教授拥有近20年的计算机教学和科研经历，擅长以螺旋式内容结构来讲解深奥的编程思维，同时以科学的课程体系来训练学生，深受家长和同学们的认可。

目录
前言
第1 章　秘境初探. 1
1. 什么是人工智能？ 2
2. 人工智能和计算思维的关系 2
3. 用Scratch 能学习人工智能
吗？ 3
4. 小学生如何学习人工智能？ 4
第2 章　 机器人博物馆（上）——.
设计智能应用 6
1. AI 猫自动弹奏机器人 7
2. 选择题阅卷机器人. 15
3. 本章小结 27
第3 章　 机器人博物馆（下）——.
优化算法29
1. 怀特特工 30
2. 找零钱机器人 45
3. 本章小结 57
第4 章　 探知迷宫——递归.
回溯59
1. 步步为营 60
2. 标记退出 69
3. 递归回溯 76
4. 妙用堆栈 79
5. 本章小结 87
第5 章　 珍珑峡谷——三连棋.
对弈 88
1. 下棋规则 89
2. 投子实现 92
3. 无重复落子 97
4. 赢输判定. 100
5. 阻挡对手. 103
6. 占尽先机. 109
7. 本章小结. 118
第1 章　秘境初探. 1
1. 什么是人工智能？ 2
2. 人工智能和计算思维的关系 2
3. 用Scratch 能学习人工智能
吗？ 3
4. 小学生如何学习人工智能？ 4
第2 章　 机器人博物馆（上）——.
设计智能应用 6
1. AI 猫自动弹奏机器人 7
2. 选择题阅卷机器人. 15
3. 本章小结 27
第3 章　 机器人博物馆（下）——.
优化算法29
1. 怀特特工 30
2. 找零钱机器人 45
3. 本章小结 57
第4 章　 探知迷宫——递归.
回溯59
1. 步步为营 60
2. 标记退出 69
3. 递归回溯 76
4. 妙用堆栈 79
5. 本章小结 87
第5 章　 珍珑峡谷——三连棋.
对弈 88
1. 下棋规则 89
2. 投子实现 92
3. 无重复落子 97
4. 赢输判定. 100
5. 阻挡对手. 103
6. 占尽先机. 109
7. 本章小结. 118

这将是一段趣味与挑战兼具的Scratch 编程之旅，在这段旅程中有可爱又机智的AI 猫陪伴着你，一定会遇到更多的惊喜。他会陪你游览机器人博物馆，探索迷宫、珍珑峡谷和群山之巅，通过这些旅程你会了解到什么是人工智能，怎样学习人工智能，并学习设计智能应用、优化算法、递归回溯等编程方法和知识，还会开始探索机器学习的思路和方法。勤动脑，多动手，你一定会从这次旅程中受益颇多，快和AI 猫一起开始这段旅程吧！

李明，现任美国加州州立大学计算机系正教授，毕业于上海交通大学并在美国德州大学获得计算机科学博士学位。李教授拥有近20年的计算机教学和科研经历，擅长以螺旋式内容结构来讲解深奥的编程思维，同时以科学的课程体系来训练学生，深受家长和同学们的认可。