小學人工智能教育課程校本化建構與實施五年探索

[摘? ?要]基于人工智能課程配套昂貴、門檻較高、不利于普及化實施的情況，研究者結合蘇州市吳江區(qū)鱸鄉(xiāng)實驗小學的實踐探索及校本教材《AI機器人創(chuàng)意搭建與mBlock5慧編程》中的課例，闡明如何建構與實施項目化、趣味化、普及化的普惠型AI教育課程，并提出了當前的人工智能教育尚需解決的問題。

[關鍵詞]人工智能;校本課程;項目化;趣味化;普及化

人工智能帶來的商業(yè)變革已經(jīng)拉開序幕，從語音助手到無人駕駛，從面部識別到智能家居，正在潛移默化地影響著人們生活的各個方面。人工智能在被賦予了商業(yè)屬性后，其發(fā)展速度更加突飛猛進。讓青少年做好迎接人工智能時代的準備，顯然已成為當務之急。如果學校的課程教育還在墨守成規(guī)，那么所培養(yǎng)的學生將無法適應未來的變化?；A教育階段急需能夠喚醒學生的好奇心、提供前沿科技鮮活體驗、拓展學生視野、使學生獲得發(fā)現(xiàn)喜悅的人工智能創(chuàng)新課程。

一、開展人工智能課程的背景

1.國內外的人工智能教育

人工智能（Artificial Intelligence，簡稱AI）技術是計算機科學的一個分支。英國是較早設立人工智能基礎教育課程的國家之一，于2013年發(fā)布了國家計算機課程標準并使編程進入了學校必修課。2016年，在美國的全民學編程周（Hour of Code Week），時任美國總統(tǒng)的奧巴馬親自編寫了一段Java代碼并宣稱要讓每個孩子在小學就具備簡單的編程能力。日本從2016年開始探討并深入展開人工智能以及編程教育，并將小學人工智能教育的目標定位于：幫助所有兒童建立這個時代需要的“人工智能思維”。

在中國，國務院于2017年印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中明確指出：在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育。國家科技部、中央電教館等也相繼啟動了人工智能教育實驗學校的申報評審工作。山東、河南等省份都出臺了關于推進中小學人工智能教育的政策文件，成立了人工智能教育領導小組，并開始建設人工智能教育試點校。《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》明確提出，將“人工智能初步”列入“選擇性必修模塊四”。目前，國內針對基礎教育階段的人工智能課程已有十幾個版本。一些公司也相繼開發(fā)并推出了一些人工智能課程，然而它們大多捆綁了一些昂貴的課程配套，設置了較高的資金門檻，不利于普及化實施。針對上述情況，筆者所在學校在實踐中研究開發(fā)了人工智能教育校本課程，并在近五年的實施中取得了初步成效。

2.人工智能校本課程的五年探索

2020年5月，歷經(jīng)多年實驗研究所構建的校本化教材《AI機器人創(chuàng)意搭建與mBlock5慧編程》由人民郵電出版社正式出版發(fā)行（見圖1）。期間經(jīng)歷了課程規(guī)劃、社團實施、反復迭代、優(yōu)化出版、全面實施等諸多環(huán)節(jié)，雖然過程十分曲折，但該課程事實上已成為廣受學生歡迎和家長認可的校本課程。研究者將人工智能課程穿插在六年級的信息技術課堂上，面向所有六年級學生普及實施。參加過一些人工智能課，親身體驗了AI的神奇魅力之后，許多學生紛紛詢問：這樣的課還有多少？

二、人工智能校本課程的構建與實施

1.課程配套定位于普惠性，以利推廣實施

針對一些人工智能教材動輒幾十萬的資金配套高門檻，AI課程的建構首先應基于普惠性原則，選擇性價比較高的開源硬件，結合其提供的AI模塊控件編寫程序以實現(xiàn)創(chuàng)意。普班化教學以25套器材（2人一套）計算，總投入不超過5萬元。由于硬件開源，因此如果學校有類似的STEM課程配套開源硬件，也可以部分替代，這樣就大幅度減少了資金投入。另外，普班化在持續(xù)實施的過程中難免還會有器材耗損方面的投入，而開源硬件的使用亦可大幅減少后續(xù)資金的追加。

在大幅降低資金障礙的同時，要避免陷入類似興趣小組或科技小組等形式的“小眾教育”，積極探索建構基于課程的普惠性AI教育形態(tài)。如在課程中既有初級難度的平臺互動體驗篇及機器學習編程篇，也有中級水平的語音圖像智辨篇和顏色障礙慧識篇，還有跟學校AI社團配套的AI智慧編程進階篇。對于普惠性的解讀，不能簡單地理解成僅僅是普班化教學，既不能將AI教育僅僅定位于社團小組，亦不可僅注重普班化教學實施而忽略社團小組的分層培養(yǎng)作用。普班化教學實施的剛性措施是將AI課程列入學校課程表，五年級的STEM創(chuàng)新社團、六年級的STEM精英社團是人工智能教育因材施教的重要體現(xiàn)。事實上，在AI課程的普班化教學實施過程中，這些社團成員也將作為“小老師”，成為教學支持系統(tǒng)的重要組成部分。

2.內容建構注重真實體驗，便于學生融入

現(xiàn)有的一些人工智能課程存在盲目拔高的現(xiàn)象，將一些如“卷積網(wǎng)絡”“貝葉斯模型”等專業(yè)術語及高數(shù)公式推演充斥其中，硬件層面很少涉及，很少有學生能親自操作體驗的項目案例，或是僅將網(wǎng)上可以搜索到的一些信息資源簡單重組，完成的僅是從線上到線下的簡單搬運過程。按照新課標要求，人工智能課程在形式上要多樣化，指向研究性、項目式、探索式活動等，要讓學生在案例實踐中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，從而提升其人工智能素養(yǎng)。上述課程顯然存在不同程度的目標背離。

為了盡量做到內容“淺而準”，案例要既有實操性，又與學生現(xiàn)有的知識技能水平相匹配。在該課程的28個課例中，每節(jié)課都有操作任務，學生將在程序編寫乃至外圍硬件的融合運用中經(jīng)歷反復失敗直至成功的體驗，在迭代演進過程中模擬科學家探索未知領域的心路旅程。以“智能辨色分揀機器人”為例，首先介紹物流行業(yè)的智能分揀系統(tǒng)，然后提出“制作一個能自動辨色分揀的機器人”的任務（見圖2）。這就需要學生熟悉顏色傳感器的性能參數(shù)，要設計分揀裝置的機械傳動系統(tǒng)，并用3D建模打印進行原型再現(xiàn)及調試，最后還要編程實現(xiàn)自動化實施。期間的每個子任務的目標達成都需要反復確認，逐步靠近設計目標。基于真實生活情境的問題使學生沉浸其中，有效激發(fā)了學生的好奇心及想象力。

3.結構維度指向多元，展現(xiàn)AI技術前沿風采

人工智能是一個綜合性交叉領域，在某種程度上已經(jīng)超出了信息科學原有的邊界。如阿里巴巴與騰訊都推出了智能試衣間，以及文化產(chǎn)業(yè)方面的寫稿機器人、作詩機器人，再到音樂創(chuàng)作者、旅游介紹員等;海爾歐洲工廠已實現(xiàn)了生產(chǎn)車間黑燈化，即全程無人操作;螞蟻信服正在逐步開展AI信貸業(yè)務。AI應用正在深入人們工作和生活的各個方面。但是一些公司站位的人工智能課程跟以往的機器人課程類似，存在硬件壁壘，軟硬件方面均有排他性，兼容性差且價格較高。因此，普及型人工智能課程需要更多開源、更多兼容、更具普惠性。

人工智能校本課程更多地指向了學生素養(yǎng)的提升。例如，為了讓學生全方位體驗并領略AI技術的前沿風采，以手機中的人工智能APP為起點，從“聽歌識曲”“智能規(guī)劃”“形色識花”等已成為生活一部分的智能應用開始，讓學生走近百度、騰訊等人工智能平臺并初步進行嘗試體驗，鼓勵學生在IBM沃森人工智能平臺注冊，基于項目訓練機器學習并在其熟悉的Scratch中調用機器學習控件編制識別游戲程序，另外還利用mBlock5慧編程機器學習模塊，軟硬件結合完成了“智分垃圾箱”“智行拉桿箱”等人工智能項目（見圖3、圖4）。

硬件壁壘的破除與軟件平臺的跨越，讓課程創(chuàng)意策劃可以天馬行空地不受局限。例如“智伴藍精靈”運用了MXPVT-VBS7100嵌入式物聯(lián)網(wǎng)音頻產(chǎn)品工程板，其中一些繼電器、LED、舵機、光環(huán)板等來自五家以上不同公司，而最終在慧編程智能程序的調控下模仿小米音箱，還巧妙地實現(xiàn)了創(chuàng)意互動及智能問答功能。

4.項目注重趣味引領，跨學科融合培養(yǎng)高階思維

人工智能本身具有深度融合性、高度交叉性和極度復雜性，其兼具技術屬性和社會屬性的特點，決定了多學科交叉融合的特征。對學生而言，抽象的人工智能算法的相關知識比較枯燥，合理的與實際問題相鏈接的項目化活動則有利于激發(fā)學生的好奇心與參與熱情，使探索變得更為主動而有源動力。但是現(xiàn)有的人工智能教材在硬件層面較少涉及，重點均瞄準技術實現(xiàn)的算法設計，整個邏輯過程缺少全流程的展現(xiàn)。

為了避免讓學生陷入“唯算法”的枯燥燒腦模式，需要把高深的數(shù)學公式轉化為形象化的語言，讓學生在人工智能的項目化實境中領悟人工智能的基本思路，達到啟發(fā)思維、培養(yǎng)興趣之目的。為此，教師們開發(fā)了一些需要跨學科融合來解決問題的看似“高大上”的項目：“智能義掌”預設的情境是給上肢殘疾人士安裝可以語音控制的“義肢”（見圖5）;“神工一號”是天津大學研制的全球首臺適用于全肢體中風康復的“純意念控制”人工神經(jīng)機器人系統(tǒng)，它能夠真正實現(xiàn)大腦皮層與肌肉活動的同步耦合，做到身隨意動、思行合一。在學生觀看了相關視頻資料后，教師再將“降維”處理的“智能語音義掌”項目任務布置給學生。學生需要將其分解成手關節(jié)的組成以及運動原理、3D模型的建構及打印、關節(jié)動力系統(tǒng)調試、光環(huán)板程序控制等分支問題，而許多子問題的解決都沒有成熟的答案可供復制，需要學生跨越學科壁壘搜集整合資料并給出最佳方案，之后還要反復調試以趨近預設目標。正是由于方案的非良構，使得路徑的生成具有復雜性和動態(tài)性的特征，期間破壁思維、發(fā)散思維、創(chuàng)新思維、計算思維、設計思維、工程思維等高階思維能力也在方案的逐漸清晰中潛移默化地得到了培養(yǎng)。

5.線上線下齊頭并進，著力區(qū)域推進AI課程實施

在圍棋領域，AI被嵌入了一種“意志”，即在圍棋這個游戲上打敗人類或其他對手。要著力推進AI課程，也需要一種意志的添加。在過去的一年中，學校采用現(xiàn)有的線上線下平臺多途徑持續(xù)推廣的工作取得了初步成效。比如依托江蘇省智慧云平臺建立的周迎春網(wǎng)絡名師工作室，集合了全省近兩百位信息技術骨干教師，江蘇省鄉(xiāng)村骨干教師培育站、蘇州市鄉(xiāng)村骨干教師培育站及區(qū)名師工作室等五十多位來自各學校的業(yè)務骨干，采用講座、公開課及各種沙龍等主要活動形式。2020年，“基于項目的人工智能創(chuàng)新課程創(chuàng)設研究”在省教科院獲得立項，十余所學校集群聚力研究，力爭在人工智能課程的區(qū)域推進工作方面取得突破性進展。自《AI機器人創(chuàng)意搭建與mBlock5慧編程》出版以來，短短兩個月，就在網(wǎng)絡平臺上售出近三千冊，這足以說明普適性的能給學生帶來發(fā)現(xiàn)喜悅及豐富體驗的人工智能課程是受歡迎的，也是缺乏的。對此，江蘇教育信息化微信公眾號、蘇州教育電視臺對上述活動進行了專門推送或報道。

三、人工智能教育尚需解決的問題

中小學生的人工智能科普教育已箭在弦上，但國內中小學人工智能教育在頂層設計、師資培養(yǎng)、模式創(chuàng)新及理念跟進層面，還存在以下一些問題。一是我國已出臺了《普通高中信息技術課程標準（2017版）》，但還缺少初中及小學階段的相應課程標準;二是學校和教師在教學中過多地講授編程知識或算法內容，不符合多數(shù)學生的認知特點和興趣;三是小學階段人工智能教學的目標主要應定位在“激發(fā)學生學習興趣，體驗人工智能產(chǎn)品功能，掌握簡單工具的應用，培養(yǎng)問題意識和計算思維能力”;四是中小學人工智能課程主要依托編程教育和機器人教育開展，在課程實施過程中，很多教師存在偏重學生的操作技能，忽視學生的計算思維、創(chuàng)造能力以及人文素養(yǎng)的傾向;五是人工智能教育師資嚴重缺乏，需要從師資培養(yǎng)及進修培訓層面進行制度化安排。

此外，AI技術日新月異，顯然已成為體現(xiàn)各國國力的新賽道，然而我國人工智能方面的人才總量嚴重不足。據(jù)不完全統(tǒng)計，中國頂尖AI人才只有美國的十分之一，著力加強人工智能基礎學科建設已刻不容緩。

筆者所在學校在小學人工智能課程的構建實施及區(qū)域推進過程中做出了一些努力，取得了一些階段性的成效，當然也存在一些諸如課時、適配師資相對不足等問題。教師們還要堅持不懈地努力，不畏困難，勇于實踐。假以時日，人工智能教育的普及化本土化實施必定會取得更多可資借鑒的經(jīng)驗與成果。

（責任編輯? ?郭向和）