小學(xué)人工智能課程的構(gòu)建與實(shí)施

黃偉祥

“AI教育從娃娃抓起”是廣大教育工作者的共識(shí)。小學(xué)作為人工智能教育的啟蒙階段，教師教什么、怎么教，學(xué)生學(xué)什么、怎么學(xué)，怎么評(píng)價(jià)、掌握到什么程度，如何與初中、高中AI教育無縫對(duì)接……這些問題是我們?cè)趯?shí)踐研究中亟待探討的重要內(nèi)容。本文以人工智能研究現(xiàn)狀為切入點(diǎn)，以皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論為支撐，從實(shí)踐角度提出小學(xué)人工智能課程建設(shè)的想法與做法，以期為一線教育工作者提供實(shí)踐性參考。

小學(xué)人工智能課程開展現(xiàn)狀與反思

1.重視知識(shí)技能模仿，輕視計(jì)算思維培養(yǎng)

人工智能是一門具有實(shí)踐性、綜合性和發(fā)展性的課程，它的出發(fā)點(diǎn)和歸宿點(diǎn)不是學(xué)生對(duì)知識(shí)技能的模仿，而是旨在培養(yǎng)智能化社會(huì)需求的創(chuàng)新型人才，培養(yǎng)這一類型人才需要在人工智能教育中注重學(xué)生計(jì)算思維的培植。新一輪課程改革，信息技術(shù)學(xué)科提出了把信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化實(shí)踐能力、信息社會(huì)責(zé)任作為學(xué)生需要具備的核心素養(yǎng)，可見計(jì)算思維的重要性。

目前，小學(xué)人工智能教育的立足點(diǎn)以編程教學(xué)和機(jī)器人教學(xué)居多，對(duì)于這兩塊內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生是零起點(diǎn)，難度大。在課堂教學(xué)中，為了在40分鐘完成編程作品，學(xué)生一般是模仿教師操作一步步實(shí)施，只其然而不知其所以然，不明白程序?yàn)楹芜@樣編寫和如何運(yùn)行。對(duì)于機(jī)器人項(xiàng)目來說，更多是配件實(shí)體安裝，學(xué)生基本是根據(jù)說明書按步驟完成作品。這些做法忽略了學(xué)生計(jì)算思維和設(shè)計(jì)思維的培養(yǎng)，大大削弱了計(jì)算思維在學(xué)科素養(yǎng)中的核心價(jià)值。

2.重視零散項(xiàng)目開發(fā)，輕視課程系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，從各個(gè)學(xué)段開設(shè)的人工智能教育來看，主要以編程課程、STEAM課程、創(chuàng)客課程、機(jī)器人課程等為載體，這些課程雖然能實(shí)現(xiàn)人工智能教育的部分目標(biāo)，但人工智能課程作為一門獨(dú)立課程應(yīng)有其完整的培養(yǎng)目標(biāo)。特別在小學(xué)階段，人工智能教育只是處于研討階段，項(xiàng)目?jī)?nèi)容是零散、雜亂的，沒有形成系統(tǒng)性，并且課程開設(shè)沒有常態(tài)化。一些教師甚至把中學(xué)內(nèi)容降低難度搬到小學(xué)來，增加了小學(xué)生學(xué)習(xí)的障礙。所以，如何制訂一套符合小學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)的人工智能課程體系至關(guān)重要。

3.重視高大上的技術(shù)，輕視學(xué)生興趣培養(yǎng)

人工智能作為一個(gè)新生事物，一些教師在教學(xué)內(nèi)容上追求高大上，大大增加了學(xué)習(xí)難度，導(dǎo)致學(xué)生的任務(wù)達(dá)成度非常低。久而久之，學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)失去信心和興趣，不利于人工智能教學(xué)的可持續(xù)發(fā)展。

4.重視社團(tuán)學(xué)生培養(yǎng)，輕視AI教育大眾化

從各級(jí)部門下發(fā)的一系列文件可知，人工智能的開展要具有廣泛性，并要求開展形式多樣的人工智能科普活動(dòng)，全面提高全社會(huì)對(duì)人工智能的整體認(rèn)知和應(yīng)用水平，實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目，中小學(xué)階段引入人工智能普及教育，逐步推廣編程教育，構(gòu)建人工智能多層次教育體系，所以，人工智能教育的定位應(yīng)是面向全體學(xué)生的科普教育。而現(xiàn)在一些開展人工智能教育的學(xué)校，以競(jìng)賽為目標(biāo)，以社團(tuán)活動(dòng)為組織形式居多，這樣不利于人工智能教育從精英教育走向普惠教育。

5.重視結(jié)果導(dǎo)向評(píng)價(jià)，輕視過程綜合評(píng)價(jià)

教學(xué)評(píng)價(jià)是課程實(shí)施不可缺少的一部分，對(duì)于人工智能教學(xué)的評(píng)價(jià)不要只看項(xiàng)目作品是否如期完成，而是要多關(guān)注學(xué)生在實(shí)施過程中的語言、文字、創(chuàng)造和實(shí)踐能力的表現(xiàn)，更要關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)參與度、學(xué)習(xí)習(xí)慣形成等，既重結(jié)果又看過程，將學(xué)生在學(xué)習(xí)活動(dòng)中的成果和各種表現(xiàn)一并作為評(píng)定學(xué)生發(fā)展?fàn)顩r的重要依據(jù)。人工智能課程的評(píng)價(jià)要突出對(duì)學(xué)生的發(fā)展價(jià)值，強(qiáng)調(diào)評(píng)價(jià)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的激勵(lì)、診斷和促進(jìn)作用，發(fā)揮評(píng)價(jià)的導(dǎo)向功能。通過評(píng)價(jià)促進(jìn)學(xué)生批判質(zhì)疑能力（Critical Thinking）、創(chuàng)新探究能力（Creative Thinking）、溝通交流能力（Communicating）、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力 （Collaborating）和文化理解與傳承素養(yǎng)（Cultural Competence）的發(fā)展。

小學(xué)人工智能課程設(shè)計(jì)導(dǎo)向

1.挖掘?qū)W科育人價(jià)值

任何學(xué)科課程設(shè)計(jì)都離不開思想性，人工智能課程也不例外，要在課程設(shè)置當(dāng)中體現(xiàn)出“立德樹人、五育并舉”的導(dǎo)向，立足“以人為本、德育為先、能力為重、全面發(fā)展”的課程構(gòu)建理念。在內(nèi)容設(shè)置上，要與國家人才培養(yǎng)戰(zhàn)略相吻合，這樣才有利于學(xué)生與課程的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

2.情境感悟體驗(yàn)為主

小學(xué)生活沷好動(dòng)，具體生動(dòng)的形象思維占優(yōu)勢(shì)，對(duì)學(xué)習(xí)是以具體的直接感知、體驗(yàn)為主。所以，人工智能課程內(nèi)容設(shè)計(jì)要注重情境、活動(dòng)和問題的整體設(shè)計(jì)，使其三位一體，構(gòu)建自主學(xué)習(xí)、實(shí)踐探究和問題解決的學(xué)習(xí)鏈，促進(jìn)學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，讓他們?cè)谳p松愉悅的氛圍中感悟、體驗(yàn)、實(shí)踐。

3.切合學(xué)生認(rèn)知水平

人工智能是一門前沿學(xué)科，具有一定的難度。小學(xué)人工智能課程內(nèi)容設(shè)計(jì)要充分考慮學(xué)生的身心發(fā)展水平、心理接受能力和已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)容難度適中，深度、廣度合理。課程體系編排要體現(xiàn)由易到難，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由感性到理性，由體驗(yàn)到模仿、由模仿到創(chuàng)新，讓學(xué)生經(jīng)歷“感知—體驗(yàn)—認(rèn)知—應(yīng)用—實(shí)踐—?jiǎng)?chuàng)新”的學(xué)習(xí)過程，促進(jìn)知識(shí)維度、能力維度、思維維度、情感維度的發(fā)展。課程內(nèi)容之間的銜接要注意循序漸進(jìn)，螺旋上升，體現(xiàn)年段與年段、冊(cè)與冊(cè)、內(nèi)容與內(nèi)容之間鏈接的關(guān)聯(lián)性。

4.追求學(xué)科融合教育

現(xiàn)代教育著重對(duì)復(fù)合型創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)，知識(shí)結(jié)構(gòu)上強(qiáng)調(diào)學(xué)科間的融合。人工智能課程設(shè)計(jì)要結(jié)合智能機(jī)器人、3D打印、創(chuàng)客教育、其他學(xué)科教育等，深入挖掘知識(shí)中蘊(yùn)含的思想觀念、人文精神，促進(jìn)學(xué)生社會(huì)責(zé)任感和創(chuàng)造美好未來的情懷的形成。同時(shí)，要注重聯(lián)系學(xué)生生活實(shí)際，以學(xué)生為中心，增強(qiáng)學(xué)科融合性，著力培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維、創(chuàng)新精神、合作共享和實(shí)踐能力。

小學(xué)人工智能課程的內(nèi)容設(shè)計(jì)

小學(xué)人工智能課程總體目標(biāo)是從每個(gè)年級(jí)學(xué)生的認(rèn)知水平入手，通過科普感知、智能體驗(yàn)、編程認(rèn)知、理解應(yīng)用、項(xiàng)目實(shí)踐、融合創(chuàng)新等內(nèi)容設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、綜合設(shè)計(jì)能力和動(dòng)手實(shí)踐能力;通過一系列的人工智能學(xué)習(xí)經(jīng)歷，讓學(xué)生獲得豐富的學(xué)習(xí)體驗(yàn);培養(yǎng)他們?cè)谏钪邪l(fā)現(xiàn)問題、在實(shí)踐中解決問題、在活動(dòng)中獲得知識(shí)的能力。

根據(jù)課程總體目標(biāo)，以發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，課程的三維目標(biāo)具體劃分如下表所示。

多年來，筆者經(jīng)過人工智能教育教學(xué)實(shí)踐后認(rèn)為，課程內(nèi)容除了以目標(biāo)為指引外，還應(yīng)該依據(jù)小學(xué)生各個(gè)發(fā)展階段的學(xué)習(xí)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，該內(nèi)容從Level 1到Level 6一共有六個(gè)階段，每個(gè)階段都賦予明確的學(xué)習(xí)內(nèi)容與目標(biāo)，如下圖所示。

1.科普感知階段

人工智能的科普感知基礎(chǔ)階段主要對(duì)象是一年級(jí)的學(xué)生，他們對(duì)教師特別信任，并且對(duì)新鮮事物充滿好奇與向往，有直觀、具體、形象等思維特點(diǎn)。基于他們的知識(shí)儲(chǔ)備和認(rèn)知水平，學(xué)習(xí)人工智能技術(shù)不是關(guān)鍵，關(guān)鍵在于培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣。所以，一年級(jí)的人工智能課程內(nèi)容主要是通過生動(dòng)有趣的小故事來讓學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)什么是人工智能。

2.智能體驗(yàn)階段

智能體驗(yàn)階段的主要對(duì)象是二年級(jí)的學(xué)生，這個(gè)階段的孩子經(jīng)過一年的學(xué)習(xí)后，對(duì)人工智能的前世今生有了一些膚淺的認(rèn)識(shí)，躍躍欲試想體驗(yàn)一下人工智能的魅力所在。這個(gè)階段重點(diǎn)在于了解、接觸、體驗(yàn)。在課程內(nèi)容設(shè)置方面，應(yīng)該充分體現(xiàn)人工智能對(duì)學(xué)習(xí)與生活帶來的巨大影響;通過多種感官、多種渠道參與人工智能產(chǎn)品體驗(yàn)，直觀認(rèn)識(shí)人工智能，樹立“學(xué)”人工智能、“用”人工智能、“創(chuàng)”人工智能的意識(shí)。

（1）人工智能與學(xué)習(xí)

人工智能賦能學(xué)生學(xué)習(xí)，主要通過人工智能的聽覺、視覺、理解、決策等功能特點(diǎn)滿足學(xué)生不同的需求，讓學(xué)生通過不同功能的軟件應(yīng)用體驗(yàn)，充分感受人工智能具有的“可看”“會(huì)聽”“能說”“會(huì)想”“會(huì)寫”等強(qiáng)大功能。幫助小學(xué)生明白“人工智能是什么”，初步感知“人工智能能做什么”，從而提升學(xué)習(xí)、使用人工智能技術(shù)的興趣，為下一步如何實(shí)現(xiàn)人工智能技術(shù)解決實(shí)際問題打下基礎(chǔ)。

（2）人工智能與生活

人工智能如今已滲透到我們生活的各個(gè)方面。例如，到自助商場(chǎng)購物，手機(jī)掃碼開門，走到貨架前挑選商品，準(zhǔn)備結(jié)賬時(shí)將商品放在入口處的收款臺(tái)，等待“智慧大腦”對(duì)所選商品進(jìn)行圖像識(shí)別，掃碼完成結(jié)算。簡(jiǎn)單的幾步操作，移動(dòng)支付和人工智能技術(shù)讓傳統(tǒng)便利店“搖身一變”，成為高效率、低成本的“時(shí)代新寵”。變“有人”銷售為“無人”銷售，是人工智能時(shí)代下新銷售的業(yè)態(tài)初現(xiàn)。又如，智能小音箱、臉部識(shí)別開鎖、聲控?zé)糸_關(guān)、掃地機(jī)器人等。如果學(xué)生在生活、學(xué)習(xí)中親身體驗(yàn)一個(gè)個(gè)人工智能助力生活的場(chǎng)景，無疑將拓展學(xué)生認(rèn)識(shí)和運(yùn)用人工智能的視野，并對(duì)其今后學(xué)習(xí)和開發(fā)人工智能產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

3.編程認(rèn)知階段

通過前兩階段的感知、體驗(yàn)等一系列學(xué)習(xí)活動(dòng)，學(xué)生已經(jīng)在親身體驗(yàn)中感受了人工智能技術(shù)的無窮魅力。第三階段（三年級(jí)）主要是初探人工智能的真核——計(jì)算思維。

這個(gè)階段作為計(jì)算思維培養(yǎng)的起步階段，主要通過游戲化為主的圖形化編程語言學(xué)習(xí)架構(gòu)學(xué)生的計(jì)算思維。這類可視化的編程語言，通過拖拽指令塊的方式，根據(jù)一定的邏輯思維，可創(chuàng)設(shè)聲情并茂的故事情境，非常適合這一階段的兒童學(xué)習(xí)。學(xué)生在簡(jiǎn)單的游戲制作過程中，初步熟悉菜單欄、工具欄，掌握舞臺(tái)區(qū)、角色區(qū)、模塊區(qū)、積木塊區(qū)和腳本區(qū)的功能，還要掌握各個(gè)積木指令的作用，認(rèn)識(shí)程序設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)和思維，能制作簡(jiǎn)單的情境式游戲，如打地鼠、小猴接香蕉等。

4.理解應(yīng)用階段

這個(gè)階段主要的對(duì)象是四年級(jí)學(xué)生，他們正處于大腦發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期，學(xué)習(xí)從被動(dòng)轉(zhuǎn)向主動(dòng)，思維能力有了很大提升，抽象、概括、分類、比較和推理能力開始形成。他們學(xué)習(xí)的主要任務(wù)就是能夠根據(jù)具體任務(wù)進(jìn)行思維梳理，能夠就任務(wù)所涉及的問題進(jìn)行需求分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)、搭建程序、測(cè)試糾錯(cuò)等，在提出問題、梳理問題、解決問題的過程中掌握重復(fù)、判斷、變量等相關(guān)知識(shí)。

例如，小貓從1～100之間隨機(jī)抽取一個(gè)數(shù)字，讓玩家來猜自己抽取的這個(gè)數(shù)字。玩家一共有10次猜測(cè)的機(jī)會(huì)，每次在電腦左上角都要顯示還剩幾次機(jī)會(huì)。

要求：玩家每次輸入一個(gè)猜測(cè)的數(shù)字，如果玩家沒猜對(duì)，小貓都能正確說出玩家輸入的數(shù)字是“大了”或者“小了”;如果玩家猜對(duì)了，小貓會(huì)說：“恭喜你，答對(duì)了！”并且停止游戲。若10次機(jī)會(huì)用盡了玩家也沒猜對(duì)，小貓則說：“機(jī)會(huì)用盡，正確數(shù)字是xx”，并停止游戲。要實(shí)現(xiàn)這一游戲的編程，學(xué)生首先需要對(duì)編程任務(wù)所涉及的若干問題進(jìn)行預(yù)設(shè)和梳理，如新建兩個(gè)變量、給變量賦值、添加“詢問…等待”模塊、添加對(duì)錯(cuò)判斷、添加循環(huán)模塊等，學(xué)生在分析問題，解決問題的過程中，計(jì)算思維得以不斷提升。

5.項(xiàng)目實(shí)踐階段

圖形化編程語言雖然操作簡(jiǎn)單，圖形界面的互動(dòng)生動(dòng)有趣，但經(jīng)過兩年的學(xué)習(xí)，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱度會(huì)慢慢消退。對(duì)五年級(jí)學(xué)生，可以通過項(xiàng)目式的方法，把圖形化編程語言接入硬件（如傳感器、控制板等），實(shí)現(xiàn)真實(shí)世界與電腦屏幕上虛擬世界的交換。把有趣的動(dòng)手實(shí)踐體驗(yàn)與創(chuàng)造性的編程探索相結(jié)合，為學(xué)生帶去一系列改進(jìn)和解決問題的方法，讓他們?cè)谕鏄分姓宫F(xiàn)無限的創(chuàng)造力。

6.融合創(chuàng)新階段

這個(gè)階段的關(guān)鍵是融合、創(chuàng)新、造物。人工智能項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，應(yīng)在趣味性、整合性的基礎(chǔ)上，突出學(xué)生的創(chuàng)造性，讓學(xué)生釋放自己的創(chuàng)意，造出別具一格的作品。

融合創(chuàng)新階段的主要對(duì)象是六年級(jí)的學(xué)生，經(jīng)過五年對(duì)人工智能系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)人工智能有了一個(gè)整體認(rèn)識(shí)，思考力、設(shè)計(jì)力、創(chuàng)造力都有了一定的提升。這個(gè)階段應(yīng)以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（PBL）理念和STEAM理念為指引，以技術(shù)學(xué)習(xí)為支撐，以低成本項(xiàng)目創(chuàng)作為主線，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)解決問題，體驗(yàn)創(chuàng)客活動(dòng)和智能機(jī)器人制作的樂趣，讓學(xué)生在快樂的項(xiàng)目創(chuàng)作過程中，既學(xué)到實(shí)用的知識(shí)和技術(shù)，又提升跨學(xué)科解決問題能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、創(chuàng)新思維能力和實(shí)踐動(dòng)手能力。

在課程實(shí)施時(shí)，可以結(jié)合校園生活場(chǎng)景，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)學(xué)校的智慧應(yīng)用需求進(jìn)行創(chuàng)新，利用圖形化編程語言設(shè)計(jì)出自己獨(dú)特的智慧校園作品，解決學(xué)校的現(xiàn)實(shí)問題，如制作教室噪音監(jiān)測(cè)器、光線監(jiān)測(cè)器、智能旗桿等。這些作品不僅僅是課堂物化成果，更是具有實(shí)用價(jià)值的產(chǎn)品，讓技術(shù)為推進(jìn)智慧校園建設(shè)服務(wù)。

學(xué)生通過六個(gè)階段的人工智能學(xué)習(xí)，能認(rèn)識(shí)到人工智能技術(shù)對(duì)學(xué)習(xí)、生活、社會(huì)的影響。在各階段的學(xué)習(xí)過程中，作為教育工作者要春風(fēng)化雨、潤(rùn)物無聲般地滲透人工智能技術(shù)倫理、道德意識(shí)和法律意識(shí)的教育。通過一個(gè)個(gè)鮮活的案例，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到不合理應(yīng)用人工智能技術(shù)帶來的負(fù)面影響，引導(dǎo)學(xué)生牢固樹立技術(shù)安全意識(shí)、信息安全意識(shí)和促進(jìn)人工智能健康發(fā)展的責(zé)任意識(shí)。

結(jié)束語

人工智能教育的普及雖然還存在課程頂層設(shè)計(jì)不清晰、教學(xué)方法單一化、裝備缺失、專業(yè)師資匱乏等一系列問題，但勢(shì)在必行。在目前階段，人工智能教育應(yīng)從學(xué)生的年齡特點(diǎn)、認(rèn)知水平、知識(shí)結(jié)構(gòu)出發(fā)，分地域、分階段、分層次設(shè)計(jì)課程內(nèi)容。總之，我們既要仰望星空，又要腳踏實(shí)地，一步一個(gè)腳印，相信人工智能教育一定會(huì)落地生根，開花結(jié)果。

基金項(xiàng)目：廣東省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“‘五度六環(huán)人工智能教育啟蒙課程的構(gòu)建與實(shí)施”（課題編號(hào)：2020YQJK234）。