小學階段開設人工智能教育的教學設計研究

摘 要：文章以小學人工智能教育概述為切入點，分析人工智能教育能夠培養學生信息素養及創新精神。以此為基礎，結合小學人工智能教育現狀，明確人工智能課程仍存在缺乏完整課程體系、重技能輕思維培養的問題，并提出人工智能教育的教學設計及實施措施。

關鍵詞：小學階段;人工智能教育;教學設計

一、 引言

隨著計算機技術的發展，人們對“智能”提出了更高要求，從邏輯演算、數學運算、演繹推理，到要求機器擁有“創造性”，推動著人工智能的發展，對人類社會具有重要作用。人工智能作為引領未來教育的新興技術，對教育具有方方面面的影響，特別是國務院于2017年印發的《新一代人工智能發展規劃》提出，中小學應當設置相關人工智能課程，逐步推廣建設人工智能學科，以適應智能化、信息化時代要求。因此，小學應開展系統性人工智能教育，培養小學生信息素養。

二、 小學人工智能教育概述

現階段，人工智能教育出現一系列相關概念，包含智能教育、人工智能學科教育、人工智能教育、人工智能+教育、人工智能專題教育等，盡管此類概念在外延與內涵方面存在一定差異，但其內容指向性主要如下：通過人工智能專項教育，提高人的人工智能素質，指向人工智能學習層面，通過培養學生人工智能原理、知識、體驗及實踐技術，利用技術解決實際問題。該教育將人工智能作為教育教學形態，包含實施小學人工智能課程、全民人工智能科普、高等教育設置人工智能專業等，從而培養諸多擁有合作精神與創新能力的人工智能人才。

三、 小學人工智能教育教育現狀

人工智能課程最初來源于英國20世紀80年代，以選修課模式出現，為學生簡單介紹有關人工智能的知識。直至2013年開展全面教育改革，中國將原本信息技術課程修訂完善為計算課程，教學目標也轉變為培養學生計算機思維。并且，中國2003年啟動中小學人工智能教育計劃，通過多年發展，小學階段人工智能教育課程，多為信息技術課程中應用人工智能教學內容，未能形成系列的人工智能教育課程。中國近幾年認識到教育與人工智能融合重要性，進行規劃布局，部分教師與學校也投入至人工智能課程教育中。人工智能課程作為涉及諸多領域的學科，盡管獲得國家政策支持，進行大力發展推廣，國內人工智能課程卻仍有諸多不足，主要體現在以下方面。

（一）缺乏完整課程體系

無論是校本課程還是國家課程，人工智能教學均以其他課程為依托開展，使教師難以確定教學分量，教學目標不清晰?？v向而言，小學各學段之間教學內容缺乏緊密聯系，不利于學生由淺至深、循序漸進學習技能知識，教師也無法有效把握學情，使得教學目標和效果存在較大落差。橫向而言，教學內容碎片化，難以使學生構建知識體系。并且，學生人工智能“教材”，多為用戶指南或產品說明書。

（二）重技能輕思維培養

小學階段，人工智能教學無論是校外活動還是學校教育，均更為注重培養學生技能，對發展學生智能素養、計算思維則不夠重視。以本質而言，人工智能教育主要是通過智能內容與技術，提高學生應用、理解與創新的課程，應培養學生數字化實踐能力、計算思維、信息意識及信息社會責任，需在教育教學中滲透信息技術核心素養，不能僅停留于機器人拼裝、編程技能等淺顯內容。

四、 小學人工智能教育的教學設計

小學階段開設人工智能教育，可培養學生創新意識與獨立思考能力，對于發展學生解決問題能力、數學邏輯能力、自然語言能力及動手能力具有積極促進作用?，F階段，面臨怎樣系統化、科學化開展人工智能教育，將其融入至課堂，筆者以下將從教學目標和內容設計出發，探索構建人工智能教育框架。

（一）教學目標設計

以皮亞杰認知發展理論而言，小學階段學生能夠內化感知動作，且在具體內容支持下，能夠實現簡單抽象邏輯思維。人工智能教學設計，可從認知、理解、應用、實踐、創新幾方面出發，實現人工智能思維方式和課程培養目標的融合。

（二）課程內容設計

學生對知識接受能力、認知能力均有所不同，開設人工智能教育中，應當結合不同年級小學生的心理、思維邏輯等特點，以人工智能知識普及為基礎，增強學生對人工智能的感悟，令其了解人工智能對學習、生活的影響及未來積極作用，掌握人工智能特點，進而調動學生探究熱情。在課程安排中，可從以下方面出發。

1. 認識人工智能

海辛格提出，人們對創新存在“選擇性認知”的情況，即個人對某創新存在需求，才會與創新信息主動接觸，只有一個人了解創新存在，且對其具有一定認知與了解，方能產生創新需求。因此，人工智能教育中，學生初步與人工智能課程接觸，應當以認識、了解為主，特別是小學低年級學生，大腦較為興奮，難以長時間集中注意力，擁有發達的形象思維，卻缺乏抽象思維。因此，此時可采取探究、合作方式，通過寓教于樂，讓學生在游戲中進行新知識學習。例如，可根據“人機大戰”故事，1997年圖靈做出的“深藍”智能擊敗國際象棋冠軍，讓學生初步認識人工智能，明確人工智能含義及發展歷程。并且，教師可利用Logo語言，鼓勵學生自由操控“小海龜”，了解自身行為造成的結果，增強認知;或是在現實生活中講解智能小工具應用案例，感受人工智能為生活帶來的便利。

2. 感悟人工智能

通過上階段學習，學生對人工智能產生新的看法與認知，此時應引導學生構建正確學習目標，掌握有效學習方法，以此對自身時間合理安排。在感悟人工智能方面，可通過“看、聽、說、想、動”的方式，讓學生結合生活案例，了解機器怎樣學會模仿人，體驗人工智能用途。例如，機器學會“看”中，可舉例“植物達人”App，通過拍照、掃描即可識別花草樹木;機器學會“聽”中，可舉例AI翻譯嬰兒哭聲，能夠根據嬰兒哭聲對嬰兒表達含義進行判斷;機器會“說”“想”中，可舉例智能語音助手，如Cortana、Alexa、Siri、谷歌智能助手，以此感受機器的“思考”“說話”;機器會“動”，可舉例智能遙控小車、智能電視等。通過調動學生觸覺、視覺與聽覺，感受人工智能扮演的重要角色，學生能夠感悟、認識人工智能，為后續學習奠定基礎。

3. 嘗試人工智能

小學人工智能教學課堂中，教師不能僅讓學生單純的進行感知與認識，還應當在體驗與感悟中，培養其計算思維。課堂教學中，可引入Scratch編程等圖形化編程軟件，為學生滲透、啟蒙算法及編程思想。教師引導學生利用簡單的工具軟件，創作自己的人工智能作品。如，可讓學生編寫“會說話的燈泡”任務，機器接收“開燈”指令后，即可亮起燈泡，且同時輸出“燈已經為您打開”的語音;機器接收“關燈”指令后，即可關閉電燈，且同時輸出“燈已經為您關閉”語音。通過簡單地方式，讓學生實現初步編程體驗，感受創造與學習樂趣。

4. 實現人工智能

學生通過認識、感悟與體驗的活動，已經親身感受到人工智能的魅力，這時教師可進一步加強學生認知，結合學生特點，立足于人工智能某編程知識點，編程中鞏固知識的同時，培養學生實踐能力與創新思維，使學生了解圖形化編程，設計較為復雜的人工智能作品，完成制作，培養學生計算思維。

五、 小學人工智能教育實施策略

（一）情景化教學

小學生受限于自身認知及個體差異，加上人工智能知識較為特殊，教師僅通過演示、講授的方式，學生難以有效理解和掌握課程內容。因此，教師可采取創設情境的方式。人工智能本身為教師提供條件，可利用人工智能反哺課堂，增強學生學習體驗，能夠直觀、形象了解人工智能技術。教師還可以采取游戲化角色、元素、模式，為學生提供更為有趣、豐富的內容，通過激勵機制、增益策略等，實現多樣化課堂教學，增強課堂趣味性。例如，在人工智能“火災演練”主題教學中，可安排部分學生扮演消防員，部分學生扮演受困人員，模擬滅火救援行動，火災情境創設應用了FPV、機器人車巡線等內容。該方法有效激發學生興趣，增強其參與感，提高教學效果。

（二）跨學科交叉教學

人工智能主要是開發、研究用于擴展、模擬人的智能的方法、理論、技術、應用系統的新興技術科學，涉及諸多學科，包含計算機科學、心理學、生物學等。通過跨學科教學，能夠促進生物、數學等學科知識融入至人工智能知識。教師在此過程中，不僅需要借助其他學科知識，助力學生加深對人工智能的理解，還要利用跨學科思維，培養學生計算思維素養。通過跨學科整合，能夠實現相關學科和人工智能的融合，采取項目課程教學模式，合理應用人工智能技術解決問題。例如，機器視覺教學中，教師可將機器視覺結合神經科學，以“人怎樣看到事物”作為導入問題，類比為學生解釋機器怎樣“看到”周圍事物。教師通過恰當教學設計，滲透人工智能技能、知識的同時，也能聯系生活實際，使學生感受到人工智能價值。

六、 結語

綜上所述，小學階段設置人工智能課程，且將其納入小學教育體系，對于培養人工智能人才及發展信息技術教育具有積極作用。因此，教師應當結合小學人工智能課程實際情況，通過合理的教學目標與課程內容設計，構建小學人工智能課程體系。教師課堂教學采取情景化教學、跨學科教學等教學方法，從而提高人工智能教學質量。

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作者簡介：

薛憲立，福建省漳州市，漳浦縣實驗小學。