中小學人工智能教育的模式與困境

◆孟秋汝

0 引言

人工智能與教育相結合，主要體現在以下兩個層面。

一是人工智能技術應用與教育，包括教學工具、教學資源、教學評價等。例如：人工智能技術輔助教師進行活動評價、教學準備；模擬仿真技術、虛擬現實（VR）技術等應用于課堂教學，豐富學生的課程體驗。

二是人工智能普及教育，即在中小學開展相關的人工智能課程。近幾年，基礎教育階段人工智能課程的教學備受人們關注，從國家到學校再到機構，紛紛投入中小學人工智能課程的研究。

本研究以近三年來部分中小學開展的人工智能校本課程為例，了解其教學內容、教學方法、教學環境等，希望能夠為未來中小學開展人工智能課程提供有益參考。

1 中小學人工智能課程的教材選擇及教學內容

中小學課程建設的“三大基石”為教師、教材和教學工具，其中最核心的部分為教材，教材決定了教師的培養方向和教學工具的配套準備與選擇。中小學人工智能課程也不例外。

本文主要選取網絡上出現頻次高、比較熱門的三本人工智能教材，分別是2018 年11 月由華東師范大學出版社出版的“AI 上未來智造者——中小學人工智能精品課程系列叢書”（包括《AI 上神奇動物》《AI 上智慧生活》《AI 上萌寵“小E”》《AI在變形工坊》《AI 超級工程師》等）、2019 年1月由北京師范大學出版社出版的《人工智能（初中版）》、2018年4月由華東師范大學出版社出版的《人工智能基礎（高中版）》，分別作為小學、初中、高中三個學段的人工智能教材的代表。本文主要參考高凌飚教授[1]提出的教材分析評估模型，并結合教育部頒發的《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》中關于選擇性必修“模塊4：人工智能初步”的課程標準及《義務教育小學科學課程標準（2017版）》[2]，從內容章節、活動設計兩個維度，對三本教材進行分析。

1.1 內容章節

三本教材的內容都涵蓋了計算思維、數字化學習與創新、信息意識和信息社會責任三個人工智能教育的核心目標，并且通過對人工智能知識外延，使教材具備一定的深度和廣度。

《人工智能基礎（高中版）》以手腦結合為學生的主要學習方式，注重強調直接知識與間接知識相融合，提供人工智能基礎知識的同時，創設實驗、情境、項目等讓學生動手操作，涉及機器學習、自然語言處理、人機交互、計算機視覺的初步認識與應用[3]。

“AI 上未來智造者——中小學人工智能精品課程系列叢書”是一套涵蓋小學、初中、高中的系列教材：與小學階段相對應的課程內容涉及數學等知識、技術工程等領域，旨在通過探究傳感器、藍牙音箱的使用方法和工作原理，培養學生的邏輯思考能力；與初中階段相對應的課程內容涉及人機交互的基礎理論，教授語音識別、智能感知、智能決策圖形化編程軟件等知識；與高中階段相對應的課程內容涉及最近熱門的Python 編程、開源電子主板應用、變形機器人搭建等人工智能技術的高階編程。這套系列叢書的內容以動手操作為主，缺乏對人工智能基礎知識的介紹。

《人工智能（初中版）》涵蓋人工智能技術與社會、人工智能技術、人工智能設計與系統三個領域的知識與技能，從人工智能產品體驗到原理描述、技術實現實驗、應用方案實驗，層層遞進，從理論到實踐，一步一步引導學生科學系統地學習[4]。

三本教材的章節如表1 所示，其中“AI 上未來智造者——中小學人工智能精品課程系列叢書”以《AI 在變形工坊》[5]為例。

表1 三本教材的章節比較

1.2 活動設計

三本教材都有相應的活動環節，活動設計豐富多樣，有的活動環節設計的目的是獲取理論層面的知識，有的旨在獲得技術層面的能力。

《人工智能基礎（高中版）》的活動環節主要為情境導入、知識呈現、思考與討論、實驗操作、拓展閱讀，注重的是人工智能理論知識的獲取。雖然設計了22 個實驗，讓學生動手操作，但是所占篇幅較少，容易忽略，因而無法達到理想的課程效果。

“AI 上未來智造者——中小學人工智能精品課程系列叢書”則比較注重通過動手來體驗人工智能技術，激發學生興趣。以《AI 在變形工坊》為例，它的活動環節為情境導入、知識呈現、體驗、操作練習，還專門設計三節活動課，引導學生進行主題、項目式學習，培養學生的創新思維。

《人工智能（初中版）》的活動環節與其他教材不同，它將人工智能技術的產品體驗、知識呈現、實驗驗證和作品設計融為一體，更注重學生的體驗式學習。

2 中小學人工智能課程的教學方法

由于小學、初中、高中三個階段的人工智能課程教學目標不同，對學生學習要求的深度與廣度也不同，因此，這三個階段所采用的課程教學方法、教學策略會有所不同。三個階段主要采用的教學方法如表2 所示。

表2 三個階段的人工智能課程教學方法

根據皮亞杰的認知發展階段論，小學階段學生的認知發展處于具體運算階段，他們的學習心理呈現的特點為：以具象思維為主，注意力不易集中，具有強烈的好奇心和豐富的想象力，感知覺有了一定的發展。基于小學生的認知特點，人工智能課程的教學應多采用以教師引導為主的體驗式、興趣主導式、啟發式教學方法，開設游戲化課程，讓學生通過接觸、體驗人工智能，培養對人工智能的興趣和喜愛之情，達到教學目的。人工智能技術的基礎知識對小學生來說太過深奧和抽象，若采用傳統課堂中講授、談話等語言性教學方法，學生無法根據文字理解知識，就會導致注意力減弱，產生對人工智能學習的厭惡情緒，進而壓制好奇心和想象力。經過多所學校的實踐，體驗式學習、啟發式學習這些類型的教學方法非常適用于在小學開展人工智能課程。

中學階段學生的認知發展處于形式運算階段，他們的學習心理特征為：抽象思維占主導地位，意義記憶初露頭角，觀察主動性提高。基于初中生的認知發展特點，初中階段的人工智能課程應采用以學生為主體的、學生進行自主探究的教學方法，如探究式學習、協作式學習、項目式學習等。初中生已經具備一定的學習能力，能夠理解一般概念性知識并有意識地記憶。根據學生的興趣特點來設計和開展人工智能課程，強調以學為主，能夠很大程度地提高學生的學習興趣，引導學生運用計算思維解決問題，啟發學生的數字化創新思維，讓學生對人工智能進行初步探究。

高中階段的人工智能課程，其教學方法與初中階段大同小異。該階段的學生已經有了足夠的認知水平和能力，大部分學生能夠明確了解自己的興趣愛好、特長。因此，高中階段人工智能課程的教學方法依舊是以學生為主體的探究式、項目式教學，對學生進行個性化指導，目的是讓學生在感興趣的領域相對專業地研究人工智能，更深入地發掘自己的特長，為將來進入高等院校進行人工智能專業知識的學習打下基礎。

3 中小學人工智能課程的教學工具與環境

研究數據顯示：中學人工智能課程的教學環境主要在人工智能實驗室（包括智能科學與技術實驗室、機器人實驗室等以人工智能為主的實驗室）和計算機機房。人工智能實驗室一般是與校外機構合作改造或搭建的，配備了與課程相關的人工智能硬件與軟件，是一個綜合場所，具有展示、體驗、操作等功能。例如：在語音合成領域已有豐富經驗的科大訊飛、建立了領先全球的深度學習平臺的商湯科技、依托清華大學優質教育資源的北京清創未來教育公司等企業，紛紛與北京、上海、廣州、深圳等城市的中小學合作，設計符合各自學校特點的課程體系和建立相應的人工智能實驗室。

利用人工智能實驗室，可以讓學生通過體驗無人駕駛技術、人機對話等，切實體會到人工智能給日常生活帶來的便利，有利于學生主動接受并探究這項未來先進的技術；配備專門設計的深度學習算法平臺，有利于學生通過編程將自己的想法落實到技術中，強化學生的計算思維和動手操作能力；通過捕捉學生的課堂行為、記錄學生的學習數據等，智能化地分析學生本次課程的課堂表現，協助教師進行個性化教學和多元化評價，在減輕教師負擔的同時也能更科學地培養人工智能人才。這只是筆者通過閱讀資料和研究而提出的美好設想，具體實施的步驟、需要的方法技術等不僅需要通過不斷實踐和解決過程中遇到的難題來探索，還需要廣大的研究者和實踐者對該領域進行細致研究。

同時，由于資金、技術等原因，不少學校的人工智能課程是在學校原有的、沒有經過人工智能相關改造的計算機機房中進行。

4 中小學人工智能教育模式的反思

目前，中小學人工智能課程效果并不理想，除了眾所周知的師資不足的問題外，還存在許多其他問題。

4.1 目前中小學人工智能課程的教學目標缺乏統一的參考體系

確定教學目標是教學設計與開展的前提。除了在2017 年修訂的高中信息技術課程標準明確了人工智能模塊的教學目標，小學和初中到目前為止都沒有統一的標準，導致課程的設計者和開發者無法根據標準來開展教學活動，出現各個學校、學者、企業對于教學目標的說法不一、開設的人工智能課程五花八門等問題，有些注重的是基礎知識的習得，有些則更注重過程的體驗。盡管校本課程是本校教學研究者結合校園實際情況開展的課程，但其目的是為滿足學生的需求而對課程進行優化，仍然是以國家和地方課程為前提的，而將專家學者提出的教學目標直接應用于人工智能課程的教學設計中是否合適，還有待商榷。

4.2 對人工智能課程的概念界定不清

1）教材選擇的多樣性，使人工智能校本課程的教學內容呈現百花齊放的特點，但是教學內容的設計需要結合學生的需求、社會的發展等因素，有些教育工作者將人工智能技術等同于程序設計；還有些學校對人工智能不了解，開展的人工智能課程只是以人工智能冠名的信息技術課程、STEAM 課程、機器人課程、創客等，其教學內容與人工智能技術的聯系不大。

2）人工智能領域范圍較廣，有些學校不考慮學生的知識水平，直接將高校開展的人工智能專業課程中的相關教學內容照搬到基礎階段的人工智能課程中。

3）有些學校的人工智能課程的教學內容一直未革新，而隨著人工智能技術的不斷發展，某些領域的應用已經不斷發生變化。2003 年，人工智能作為選修模塊第一次加入高中信息技術課程標準；到2008 年，各學者對高中人工智能課程的研究達到一個小高潮，就有學校陸續開設此課程。現在的人工智能技術與十幾年前的技術相比，儼然已有很大的不同，但是有些人工智能課程仍選取老舊的、過時的教學內容進行授課，與時代發展脫節。

4.3 教學方法存在相應問題

有些教師在教學中采用以講授為主的教學方法，對人工智能技術的原理進行講解。然而，人工智能的一些關鍵技術（如深度學習算法等）是比較晦澀難懂的，需要具備一定的知識基礎和探究能力，僅靠講授的方式會導致課堂枯燥無味，學生缺乏學習興趣，聽不懂成為教學中的最大問題。有些教師過于注重人工智能技術的體驗，整堂課下來，對涉及的人工智能技術的方法、原理缺少講解。盡管課堂氛圍是活潑開放的，學生也有一定的學習積極性，但是學生無法了解人工智能的思想，也就無法培養發現問題、解決問題的能力，抑制了計算思維等。

所以，教學內容應當怎樣選取并整合？如何采用恰當的教學方法，將晦澀、高深的人工智能技術傳授給中小學生？個性化的教學方案如何設計并實施？等等，這些問題還需要進一步探究，從長計議。

4.4 人工智能課程缺乏針對性、多元化的教學評價

這個問題本質上是與教學目標缺乏統一的參考體系是一致的。由于人工智能課程的特殊性，傳統的以測驗為主的形成性評價和總結性評價是否適用于該課程，教師應該使用怎樣的評價手段，教學環節的哪個步驟有利于實施教學評價，對教師教學工作的評價應該從什么維度出發，學生的學習效果應該達到什么程度，什么工具可以輔助教學評價，等等，都是需要認真思考與交流，精心設計與安排，不斷實踐、反思、修改，最后逐步完善的。

4.5 教學環境、工具與課程不匹配

出現這種現象，有下面一些原因。

1）學校沒有充足的資金建設人工智能實驗室。人工智能技術不管在國內還是國外，都處于探索階段，無法實現全民普及。

2）部分學校不重視人工智能課程，這種態度對相關環境和工具的配備造成極大的阻礙。

3）學校缺乏相關領域的實驗員和器材管理員。市面上有各種各樣冠以人工智能名號的裝備，這些裝備是否符合學校的條件，是否能輔助學生學習人工智能，都需要相關領域的實驗員進行選購和配備。同時，教學裝備長時間使用，需要專業人員進行保養和維修，否則會造成資源浪費。這些因素都導致學校認為配備實驗室和器材的性價比不高。

總之，人工智能課程未來如何發展并走向成熟，還需要廣大一線教師、學者將頂層設計與具體實踐相結合，這將會是一個漫長的過程。