育人為本，求實創(chuàng)新
——中國人民大學(xué)附屬中學(xué)AI 教育實踐探索

劉小惠/中國人民大學(xué)附屬中學(xué)校長

袁中果/中國人民大學(xué)附屬中學(xué)信息技術(shù)教研組組長

人工智能是一個新興的學(xué)科交叉領(lǐng)域，全球?qū)θ斯ぶ悄艿年P(guān)注使得不少國家開始積極布局人工智能，紛紛在國家層面制定人工智能發(fā)展戰(zhàn)略。人工智能在大國間的角逐，尤其是人工智能人才的爭奪，進(jìn)入到了白熱化階段。為了培育人工智能專業(yè)人才并參與到國際競爭中，大學(xué)在布局；為了普及人工智能教育，提升全民的人工智能素養(yǎng)，中小學(xué)和校外機(jī)構(gòu)也在積極行動。人工智能知識與技能的普及，已經(jīng)上升到國家發(fā)展戰(zhàn)略層面。

人工智能教育勢在必行

2017 年，英國發(fā)布的《在英國發(fā)展人工智能》（Growing the artificial intelligence industry in the UK）提出，要加強(qiáng)人工智能培養(yǎng)力度，要創(chuàng)造多元的技能培訓(xùn)計劃，要提升國民的科技素養(yǎng)。2019 年，美國時任總統(tǒng)特朗普簽署《美國人工智能倡議》（American AI initiative）行政令，將人工智能技術(shù)發(fā)展提升到國家戰(zhàn)略層面的高度，提出并確認(rèn)了人工智能人才的重要性。加拿大《泛加拿大人工智能戰(zhàn)略》（Pan-Canadian Artificial Intelligence Strategy）在2017 年聯(lián)邦預(yù)算中提出了一項為期五年、金額高達(dá)1.25 億加元的計劃，旨在投資AI 研究和發(fā)展相關(guān)人才。2019 年，俄羅斯發(fā)布了國家層面的人工智能戰(zhàn)略，提出到2024年，必須大幅增加在人工智能及相關(guān)領(lǐng)域具有專門知識的人才數(shù)量；到2030 年，必須在俄羅斯實施世界一流的教育計劃，以培訓(xùn)人工智能領(lǐng)域的高素質(zhì)專家和管理人員。近幾年，歐盟委員會、德國、法國、芬蘭、印度、日本、新加坡等都推出了人工智能國家戰(zhàn)略和人才培養(yǎng)計劃。

2017 年7 月，為搶抓人工智能發(fā)展重大戰(zhàn)略機(jī)遇，構(gòu)筑我國人工智能發(fā)展的先發(fā)優(yōu)勢，加快建設(shè)創(chuàng)新型國家和世界科技強(qiáng)國，國務(wù)院印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，其中指出，人工智能已成為國際競爭的新焦點，中國應(yīng)逐步開展全民智能教育項目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育，建設(shè)人工智能學(xué)科。近幾年，我國很多高校成立了人工智能學(xué)院，設(shè)置了人工智能專業(yè)，加強(qiáng)人工智能人才培養(yǎng)。全國各地校內(nèi)外也如火如荼地開展了中小學(xué)人工智能教育宣傳和推廣工作，但在落地實施過程中卻暴露出不少問題。究其原因，還是對中小學(xué)人工智能教育是什么、教什么、如何教等認(rèn)識不夠、理解不足所致。2017 年版《高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》中設(shè)置了人工智能模塊，但落地實施困難。義務(wù)教育階段如何開展人工智能教育，還沒有國家層面的具體指導(dǎo)文件。中小學(xué)人工智能課程不成體系，沒有考慮小學(xué)、初中、高中到大學(xué)的銜接，教材水平參差不齊。人工智能知識技能迭代較快，中小學(xué)師資水平亟待提升。

人工智能課程的設(shè)置與實施，必須堅持立德樹人的課程價值取向，以培養(yǎng)具備良好信息素養(yǎng)的公民為目標(biāo)，具體包括信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新和信息社會責(zé)任等核心素養(yǎng)。人大附中在人工智能教育和教育智能化方面已經(jīng)開展了多年的探索和實踐，形成了適合本校學(xué)生發(fā)展的課程體系。在開展教學(xué)實驗過程中，教師和學(xué)生都得到了發(fā)展和提升。

人工智能技術(shù)應(yīng)用助力教育教學(xué)

在人工智能促進(jìn)教育教學(xué)方面，人大附中鼓勵教師充分利用智能化工具和手段，探索信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)深度融合的教學(xué)模式，借助人工智能技術(shù)有力支撐學(xué)生個性化發(fā)展和教師對學(xué)生開展個性化輔導(dǎo)。同時鼓勵教師充分利用適合本學(xué)科教學(xué)的在線教學(xué)工具、平臺和課程資源，開展基于人工智能技術(shù)的以學(xué)為中心的混合式教學(xué)改革試驗，提升在線教學(xué)的師生互動性和學(xué)生的獲得感。

圖1：吳文慶老師的在線課堂

混合課堂是指將在線教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)的優(yōu)勢結(jié)合起來的、線上與線下結(jié)合的教學(xué)方式。傳統(tǒng)的課堂在教室內(nèi)開展教學(xué)活動，也許一塊黑板、一支粉筆就夠了。新冠肺炎疫情的暴發(fā)對傳統(tǒng)教學(xué)提出了挑戰(zhàn)，“停課不停學(xué)”的要求倒逼老師們必須把課堂轉(zhuǎn)移到網(wǎng)上。從傳統(tǒng)課堂到網(wǎng)絡(luò)課堂絕不是簡單的網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化，它是一個課堂重構(gòu)的過程，原來的課堂呈現(xiàn)方式和師生交互方式都發(fā)生了改變。借助基于人工智能技術(shù)的在線工具和手段的老師，在線課堂效果和交互性會更好，同時也能更好地提升教師的智慧和創(chuàng)新能力。

人大附中高一信息技術(shù)教師通過在線直播系統(tǒng)給學(xué)生教授python編程環(huán)境安裝和配置時，發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生家里計算機(jī)上安裝python 插件會遇到各種各樣的問題，造成很多學(xué)生沒有辦法開展編程實踐。為了解決市面上通用的教學(xué)直播系統(tǒng)無法開展在線信息技術(shù)教學(xué)實驗的問題，信息技術(shù)組教師聯(lián)合第三方技術(shù)公司設(shè)計了專用的信息技術(shù)課教學(xué)系統(tǒng)，除了能完成普通的直播、回放等功能外，在學(xué)生進(jìn)行在線編程實驗時，教師還可以遠(yuǎn)程查看學(xué)生的虛擬編程界面，對學(xué)生開展一對一的輔導(dǎo)。但系統(tǒng)不允許教師查看學(xué)生本地計算機(jī)信息，以保護(hù)學(xué)生的隱私。同時，系統(tǒng)中設(shè)計了智能批閱功能，能對學(xué)生提交的編程作業(yè)自動批閱，生成批閱報告，教師再根據(jù)批閱報告有針對性地對學(xué)生開展輔導(dǎo)。教師自己參與設(shè)計的專用在線教學(xué)系統(tǒng)，順利解決了學(xué)生編程實驗環(huán)境的配置問題，同時記錄了學(xué)生在線實驗的時長、實驗開展次數(shù)和開展情況，教師可以精準(zhǔn)掌握每位學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，這些都是傳統(tǒng)課堂和通用直播系統(tǒng)無法解決的。

疫情期間，數(shù)學(xué)組吳文慶老師在講授函數(shù)的疊加時，借助在線數(shù)學(xué)工具軟件，實現(xiàn)了函數(shù)疊加過程的可視化（見圖1）。本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容來自學(xué)生感興趣的內(nèi)容——生活中的周期現(xiàn)象，教學(xué)案例是學(xué)生課前自主收集的，最后由老師進(jìn)行篩選及整合。在教學(xué)過程中，教師讓學(xué)生說出自己研究三角函數(shù)疊加的思路與方法，學(xué)生利用平時所學(xué)的數(shù)學(xué)軟件，通過屏幕共享實時分享自己的研究成果，可視化工具讓兩個函數(shù)疊加后的結(jié)果一目了然，引發(fā)學(xué)生們踴躍發(fā)言。這節(jié)課實現(xiàn)了老師與學(xué)生的良好互動，教學(xué)相長。學(xué)生們在老師的引導(dǎo)下，將生活中的實際問題歸因到三角函數(shù)的疊加，理解了降噪耳機(jī)的工作原理，同時能夠循序漸進(jìn)地研究三類不同層次的三角函數(shù)的疊加。

美術(shù)組靳美老師在藝術(shù)課上借助信息技術(shù)手段，將科學(xué)原理和過程可視化，為學(xué)生們展示了顯微攝影鏡頭下沉淀反應(yīng)的過程，如奔騰的瀑布一般，傾瀉而下。學(xué)生們看后都說，原來沉淀反應(yīng)不僅僅是枯燥的化學(xué)公式，還可以這么富有動感，這么美。靳老師帶著學(xué)生通過基爾里安攝影術(shù)實驗拍攝西紅柿放電實驗過程（見圖2），大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生們分組合作，拍攝了西紅柿放電，還嘗試拍攝了其他水果的放電過程，如橘子、蘋果等，拍出的圖片非常漂亮。這也是技術(shù)、藝術(shù)與科學(xué)的融合。

英語組譚松柏老師利用人工智能技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)模擬測試系統(tǒng)，找出語音不標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)生，對學(xué)生開展個性化輔導(dǎo)，使全班學(xué)生的整體短文朗讀水平獲得大幅度提升。譚老師通過在線寫作批改平臺，提升學(xué)生寫作自主學(xué)習(xí)能力和自我糾錯意識及能力，有位學(xué)生對自己的作文修改了50 次，從78.5 分提升到87 分。通過對比學(xué)生修改軌跡分析學(xué)生寫作過程中的問題，也可以為老師預(yù)留出時間和精力來關(guān)注寫作思維和寫作手法上的提升。人大附中的老師在使用這些人工智能技術(shù)軟件的時候，不僅僅是單純的用戶，還參與了軟件的定制開發(fā)和完善改進(jìn)，讓軟件的內(nèi)容和表現(xiàn)形式更適合學(xué)生的學(xué)習(xí)需要。

生物組的和淵老師和輦偉峰老師將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在生物課程中，講授《人類的血液循環(huán)》時，讓學(xué)生看到血管內(nèi)發(fā)生的事情。地理組楊萌老師講《河西走廊》時，讓學(xué)生通過虛擬現(xiàn)實設(shè)備學(xué)習(xí)地理地貌環(huán)境。在人大附中，不僅教師使用虛擬現(xiàn)實手段授課，學(xué)生還協(xié)助開發(fā)了虛擬現(xiàn)實教學(xué)工具。虛擬現(xiàn)實課上的學(xué)生在施一寧老師的指導(dǎo)下開發(fā)了太陽系的直觀立體展示系統(tǒng)。這個系統(tǒng)可以用攝像頭識別學(xué)生設(shè)計的太陽系各星球的識別圖，呈現(xiàn)出不同星球的立體模型，盡可能真實地對太陽系八大行星進(jìn)行展示以及運行演示，學(xué)生可以直觀、生動地了解太陽系八大行星的模樣、尺寸、自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)形式、運行周期、運行軌道等。

人大附中在教育信息化和教育智能化應(yīng)用方面有自上向下的規(guī)劃，在實施上自下向上。教育教學(xué)應(yīng)用需求由一線教師和相關(guān)應(yīng)用部門提出，信息化部門負(fù)責(zé)提供技術(shù)支持和指導(dǎo)。在建設(shè)智慧校園系統(tǒng)時，由校長牽頭，學(xué)校各部門共同參與，確保教育智能化服務(wù)于教育教學(xué)的目標(biāo)不偏離。

人工智能課程引領(lǐng)學(xué)生未來發(fā)展

中小學(xué)需要開設(shè)人工智能課，讓學(xué)生了解什么是人工智能，人工智能能做什么，會對我們的生活產(chǎn)生什么影響，這樣學(xué)生才能更好地適應(yīng)未來社會。如果有部分學(xué)生通過選修課喜歡上了人工智能而選擇其作為自己的人生追求，那么最終也許有一小部分學(xué)生能夠成長為引領(lǐng)未來的人工智能專家。人大附中開發(fā)了滿足不同基礎(chǔ)的學(xué)生發(fā)展需要的人工智能課程群，因為沒有現(xiàn)成的適合中學(xué)教學(xué)的教材，很多內(nèi)容都是老師原創(chuàng)開發(fā)或二次開發(fā)，其中很多教學(xué)案例都來源于生活中的真實場景，而且與時俱進(jìn)。比如霧霾天，老師用照片的去霧算法作為實踐案例；社會上熱議黑洞照片時，老師就把黑洞照片的生成原理和實踐開發(fā)成教學(xué)案例。

人大附中在人工智能課程的設(shè)置、實施和評價等過程中，一直圍繞提升學(xué)生信息素養(yǎng)的目標(biāo)開展。為滿足學(xué)生的多元化學(xué)習(xí)需求，我們構(gòu)建了信息技術(shù)課程體系，既關(guān)注學(xué)生基本信息素養(yǎng)的培養(yǎng)，也關(guān)注學(xué)生人工智能素養(yǎng)的提升，同時考慮學(xué)生的專業(yè)發(fā)展，將課程劃分為基礎(chǔ)類、拓展類和榮譽(yù)類。人工智能課程群（見圖3）是信息技術(shù)課程的一個子集，在信息技術(shù)課程體系（見表1）中，除了國家必修課、選擇性必修課和國家選修課外，還為學(xué)生開設(shè)了校本選修、研究性學(xué)習(xí)、大學(xué)先修和信息學(xué)競賽類等幾十門課程。

國家必修課數(shù)據(jù)與計算信息系統(tǒng)與社會選擇性必修國家選修課校本選修課研究性學(xué)習(xí)研修課大學(xué)先修信息學(xué)奧賽數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理與分析人工智能初步三維設(shè)計與創(chuàng)意開源硬件項目設(shè)計算法初步移動應(yīng)用設(shè)計數(shù)據(jù)挖掘自然人機(jī)交互自然語言處理建模與仿真空間科技前沿樂高機(jī)器人VEX 機(jī)器人基礎(chǔ)FTC 機(jī)器人基礎(chǔ)C++程序設(shè)計Java 小程序開發(fā)Arduino 入門微電影創(chuàng)作數(shù)字創(chuàng)意……空間科學(xué)技術(shù)機(jī)器人腦機(jī)交互計算機(jī)視覺數(shù)據(jù)科學(xué)機(jī)器學(xué)習(xí)計算機(jī)視覺樂高機(jī)器人VEX 機(jī)器人Arduino 項目計算機(jī)工程空間站設(shè)計自動駕駛數(shù)據(jù)可視化人工智能賽車未來空間站設(shè)計計算概論Computer Science算法設(shè)計初級算法設(shè)計中級算法設(shè)計高級基礎(chǔ)課程拓展課程榮譽(yù)課程

圖3：人大附中人工智能課程群

序號上課時間年級學(xué)分課程層次/類型課程名稱高中選修1234567891 0微電影鑒賞與創(chuàng)作數(shù)字創(chuàng)意高中選修選修選修平面設(shè)計理論選修高中高中高中平面設(shè)計實踐微電影創(chuàng)作人工智能中的數(shù)學(xué)建模高中選修選修高一高二高二高二研學(xué)研學(xué)研學(xué)11高二研修研修12高中高一信息學(xué)奧賽APP 交互式產(chǎn)品設(shè)計航天科技機(jī)器學(xué)習(xí)人工智能“看”世界：計算機(jī)視覺未來空間站設(shè)計探究和人工智能一起玩賽車計算+X：計算思維與學(xué)科交叉創(chuàng)新13高中研修14高中研修周五16:30-17:50周五16:30-17:50周四16:30-17:50周五16:30-17:50周四16:30-17:50周四16:30-17:50周五16:30-17:50周五14:30-16:15周五14:30-16:15周五14:30-16:15周五14:30-16:15周四14:30-16:15周四14:30-16:15周四14:30-16:15 11212212222222

為了促進(jìn)學(xué)生的多元發(fā)展和個性化成長，人大附中每學(xué)期都為學(xué)生開設(shè)一兩百門選修課，其中信息技術(shù)和人工智能課程都有十幾門（見表2）。周三至周五的16:30-17:50 是學(xué)生自由選修時段，學(xué)生可以選擇自己喜歡的課程學(xué)習(xí)，如果沒有自己喜歡的課程，可以直接放學(xué)。

為了推進(jìn)全國中小學(xué)人工智能教學(xué)，由人大附中牽頭，聯(lián)合南京外國語學(xué)校、西安高新一中、人大附中實驗小學(xué)、成都教科院等全國十幾家單位，申報了教育部2019 年度教育信息化教學(xué)應(yīng)用實踐共同體項目——“基于在線課程平臺的橫向跨學(xué)科、縱向分層次的中小學(xué)人工智能課程建設(shè)與實踐共同體”，在中央電化教育館指導(dǎo)下開展了為期一年半的研究，已經(jīng)形成了一批中小學(xué)人工智能課程和資源，希望今后能以合適的方式實現(xiàn)全國中小學(xué)共享，一起推動中小學(xué)人工智能教育的發(fā)展。我們項目組還開展了公益雙師教學(xué)實驗，在人大附中分校開設(shè)的《人工智能通識》課程，線下有四十多名學(xué)生參加，通過教學(xué)平臺，全國五個城市的七所學(xué)校共三百多名中學(xué)生同時在線參加學(xué)習(xí)。

結(jié)束語

中小學(xué)人工智能教育需要堅持創(chuàng)新，不斷探索有利于學(xué)生發(fā)展的教學(xué)模式，把最新的技術(shù)和理論傳授給學(xué)生。中小學(xué)人工智能教育必須務(wù)實，要將知識和技能在課堂落地，要對學(xué)生做價值觀引領(lǐng)和計算思維訓(xùn)練。我們要有開放的態(tài)度，批判性地借鑒國際中小學(xué)人工智能教育的最新研究成果。獨行快，眾行遠(yuǎn)。人大附中樂于共享資源和成果，愿與兄弟學(xué)校們結(jié)伴同行，共同促進(jìn)人工智能教育的普及和青少年創(chuàng)新人才培養(yǎng)。