人工智能在中學(xué)信息技術(shù)教育中的探究與實踐

陳寧波

隨著以人工智能為代表的智能技術(shù)的蓬勃發(fā)展，人類社會的生產(chǎn)方式、生活方式和思維方式發(fā)生了改變，人類和人工智能機器正進入一個人類與機器協(xié)作、融合、共同發(fā)展的嶄新時代。2017年《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》發(fā)布，此次發(fā)布對于人工智能發(fā)展帶來的教育教學(xué)領(lǐng)域的挑戰(zhàn)和由此引發(fā)的教育教學(xué)改革，以及人工智能+教育的發(fā)展途徑進行了分析和展望。這些探討為中學(xué)信息技術(shù)的智能教育指明了發(fā)展方向。

國務(wù)院關(guān)于印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》（國發(fā)〔2017〕35號）要求全面提升我國智能化轉(zhuǎn)型速度，指明了未來人工智能發(fā)展的戰(zhàn)略部署和總體任務(wù)，掀起了人工智能技術(shù)應(yīng)用的浪潮。人工智能是對人的意識、思維等信息過程的模擬。人工智能作為引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要驅(qū)動力，也為我們探尋教育的現(xiàn)代化提供了借鑒和參考。總書記強調(diào)，“中國高度重視人工智能對教育的深刻影響，積極推動人工智能和教育深度融合，促進教育變革創(chuàng)新”。信息科技是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重要部分，2022年版的新課程方案落實了中央要求的將信息科技課程獨立出來，充分體現(xiàn)了中央對信息科技發(fā)展的重視。人工智能+中學(xué)信息技術(shù)教育教學(xué)將有效促進信息科技學(xué)科教育教學(xué)的變革創(chuàng)新。

一、現(xiàn)狀分析

人工智能正在推動經(jīng)濟社會各領(lǐng)域從數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化向智能化加速躍升，引領(lǐng)新一輪科技革命。世界各國正在規(guī)劃或?qū)で笸ㄟ^人工智能提升國家的競爭力的方案。一些發(fā)達國家圍繞人工智能的核心技術(shù)規(guī)范、高端人才培養(yǎng)、人工智能標(biāo)準(zhǔn)出臺了相關(guān)政策和法律法規(guī)。《關(guān)于全面深化新時代教師隊伍建設(shè)改革的意見》明確提出，教師要主動適應(yīng)信息化、人工智能等新技術(shù)變革，積極有效開展教育教學(xué)。人工智能方向的教學(xué)研究和應(yīng)用正日益受到重視，并在相關(guān)配套政策和激勵機制下取得了長足發(fā)展，如深圳的大疆教育。通過人工智能技術(shù)賦能教育教學(xué)改革，改進教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量，促進學(xué)生發(fā)展，極具現(xiàn)實意義。人工智能與信息技術(shù)教育融合發(fā)展已經(jīng)成為信息技術(shù)教育領(lǐng)域重要的研究方向。

二、機遇與挑戰(zhàn)

毋庸置疑，人工智能的飛速發(fā)展對于人們的生產(chǎn)工作、日常生活、學(xué)習(xí)交流等領(lǐng)域產(chǎn)生了較大的影響，教育也必將產(chǎn)生相關(guān)反應(yīng)，人工智能與教育的融合發(fā)展日趨加劇，必將由量變產(chǎn)生質(zhì)變，共同推動兩者的發(fā)展。作為新時代的教師，只有準(zhǔn)確地認(rèn)識其中的變與不變，科學(xué)地尋求應(yīng)變方法，主動投身于這場變革中，在教育教學(xué)中融合人工智能相關(guān)技術(shù)、方法、思維，才能更好地支撐教育的高質(zhì)量發(fā)展。

（一）人工智能+教育，變革教育生態(tài)

隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，教育資源得到了豐富，教育在人工智能技術(shù)的賦能下生機勃勃，教育效率得到飛速提升。在人工智能技術(shù)的支撐下，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以幫助學(xué)生在歷史課上走進虛擬的古代世界，在虛擬的世界中探尋古人的發(fā)展歷程；音樂課上，虛擬數(shù)字人帶領(lǐng)孩子們同聲高唱；體育課上，智能終端實時顯示學(xué)生運動時的心率、血壓和心肺功能的變化。借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)，學(xué)生可以體驗行走宇宙，感受星河的魅力。教師借助人工智能的智能圖像識別技術(shù)進行智能閱卷，可以實現(xiàn)快速檢測卷子的空白處和疑似雷同處，有效減少教師的閱卷工作量，將教師從繁重的批改作業(yè)和閱卷工作中解放出來。此外，人機交互技術(shù)可以協(xié)助教師為學(xué)生開展在線答疑解惑。

在信息技術(shù)教學(xué)中，人工智能通過對學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進行持續(xù)、客觀地分析，開展學(xué)生的差異化管理，針對學(xué)生學(xué)習(xí)實際和存在的不足開展有針對性的個性化輔助導(dǎo)學(xué)。教師可以通過大數(shù)據(jù)分析學(xué)生的學(xué)習(xí)行為、學(xué)習(xí)習(xí)慣、思維的形成過程等，針對學(xué)生的個性化需求因材施教地進行教學(xué)，以適應(yīng)學(xué)生的個性發(fā)展需求，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性，有效助力學(xué)生沉浸式地學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，為創(chuàng)新人才培養(yǎng)做鋪墊。

（二）人工智能挑戰(zhàn)當(dāng)前的教育生態(tài)

2017年高考進行了一次人工智能高考測試，人工智能機器人在10分鐘完成了數(shù)學(xué)試卷，滿分為150分的卷子人工智能機器人獲得了105分的高分，測試結(jié)果一經(jīng)公布立刻引發(fā)了人們對當(dāng)前教育的思考。人工智能正悄悄地改變我們的教育教學(xué)方式，并為多個領(lǐng)域帶來了挑戰(zhàn)，如何把握人工智能驅(qū)動下的未來教育，“培養(yǎng)什么人”的問題非常關(guān)鍵。這也成為教育者越來越關(guān)注的話題。

研究表明，人工智能技術(shù)在許多領(lǐng)域得到了長足發(fā)展和廣泛應(yīng)用，但在認(rèn)知智能方面仍待發(fā)展，目前人工智能尚不能代替教師，但可以有效提高教學(xué)效率。人工智能技術(shù)運用在教育教學(xué)、學(xué)生練習(xí)、考試測驗、多元評價等方面，可以有效幫助教師開展教學(xué)工作。在人工智能技術(shù)支持下的虛擬與現(xiàn)實融合的場景式、沉浸式教學(xué)可以幫助學(xué)生有效開展深度學(xué)習(xí)。人工智能賦能教育可以讓教學(xué)實施更有成效，教師應(yīng)當(dāng)主動擁抱人工智能帶來的變化，將人工智能與學(xué)科教學(xué)、學(xué)生發(fā)展結(jié)合起來認(rèn)真探索、不斷總結(jié)。

三、人工智能時代教育發(fā)展

（一）人工智能教育如何進校園

自從《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》發(fā)布以后，人工智能作為教育教學(xué)創(chuàng)新工具和信息技術(shù)學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容在教育領(lǐng)域不斷融合發(fā)展。教育信息化專家任友群認(rèn)為人工智能將對教育的發(fā)展產(chǎn)生深遠影響，人工智能教育要從娃娃抓起，從基礎(chǔ)入手，開展人工智能的啟蒙教育；要幫助孩子們充分感受、體驗人工智能技術(shù)，學(xué)會應(yīng)用人工智能技術(shù)；要在教學(xué)上分層次開展編程教學(xué)，幫助孩子學(xué)會用計算思維的方式發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，培養(yǎng)孩子的計算思維和創(chuàng)新思維。

信息技術(shù)課程強調(diào)學(xué)生計算思維的培養(yǎng)，課程中的編程語言是一把鑰匙，它通過計算思維來理解科技世界，因此掌握了編程語言可以更好地理解科技世界，更好地開發(fā)人工智能。為推動人工智能相關(guān)課程在中小學(xué)階段性的開展，我市在“三無”課程即無合適教材、無課程標(biāo)準(zhǔn)、無課程評價的背景下，組織開展中小學(xué)人工智能課程開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)（試行）學(xué)習(xí)研討。邀請廈門大學(xué)多位專家教授和大疆教育講師開展理論與實踐相結(jié)合的人工智能學(xué)習(xí)培訓(xùn)。定期開展人工智能沙龍活動，為人工智能課程進校園夯基累土。我市充分利用信息技術(shù)課程、人工智能沙龍活動、送教下校活動、校本活動和人工智能普及課程等形式開展人工智能相關(guān)課程的普及與推廣活動，讓人工智能課程走進中小學(xué)生課堂。

教育要做到立德樹人。在做好學(xué)生的計算思維和人工智能思維培養(yǎng)的同時，我們還要重視倫理價值取向的教育，在回答諸如“如何提升人工智能給人類帶來的幸福感，減少憂慮”此類問題的時候，學(xué)生運用批判性思維在虛擬與現(xiàn)實交錯的情境中進行實際問題的求解，在更高的站位、從科學(xué)和人文的角度審視這個問題，樹立基于人工智能社會適應(yīng)自身發(fā)展的價值觀。

（二）信息技術(shù)支持下的人工智能教育

2021年底中國教育學(xué)會中小學(xué)信息技術(shù)教育專業(yè)委員會發(fā)布了《中小學(xué)人工智能課程開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)（試行）》，中小學(xué)人工智能教育對于內(nèi)容和培養(yǎng)路徑終于有了明確的標(biāo)準(zhǔn)。教育部辦公廳《關(guān)于開展人工智能助推教師隊伍建設(shè)行動試點工作的通知》（教師廳〔2018〕7號）指出要推動教師主動適應(yīng)、應(yīng)用人工智能及其相關(guān)技術(shù)。通過人工智能開展一系列的教學(xué)研究和教學(xué)創(chuàng)新，創(chuàng)新人工智能方向的培養(yǎng)模式，培養(yǎng)造就一批具有新思維、新技術(shù)的創(chuàng)新型教師。我市教師主動適應(yīng)人工智能融入學(xué)校教育的發(fā)展趨勢，以人工智能核心主題和核心實踐為課程內(nèi)容，幫助學(xué)習(xí)者推進人工智能學(xué)習(xí)工作，積極開展人工智能與學(xué)科融合的實踐活動，在此基礎(chǔ)上對人工智能與信息技術(shù)深度融合的新型教學(xué)模式進行實踐探究，并積累了一定量的創(chuàng)客類教育課程實踐經(jīng)驗，總結(jié)出了三個階段、十個任務(wù)的人工智能活動開展范式。

在準(zhǔn)備階段，創(chuàng)設(shè)情境，提出問題；分組研討，確定主題；確定方案，合理分工。教師創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生開展研討，提出研究問題，學(xué)生分組調(diào)研、分析問題，通過論證解決問題，有助于培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力。各組根據(jù)項目主題對既定問題開展線下和線上調(diào)查，結(jié)合本組的興趣和特長選定項目。根據(jù)項目調(diào)查情況列出項目清單，匯總并整理出調(diào)查材料，開展交流研討。在教師引導(dǎo)下，學(xué)生根據(jù)項目的學(xué)習(xí)和實施難度、項目間知識與技能的關(guān)聯(lián)性進行排序，確定各組項目流程。各組對項目的科學(xué)性、合理性和創(chuàng)新性進行再論證，并研究確定項目計劃。依據(jù)計劃和個人特長對項目進行合理分工，責(zé)任到人。

在實施階段，創(chuàng)意設(shè)計，資料匯總，設(shè)計算法，調(diào)試完善，開展研究性學(xué)習(xí)。學(xué)生依據(jù)設(shè)計思維的5個步驟即同理心、需求定義、創(chuàng)意構(gòu)思、原型實現(xiàn)、實際測試，有序開展項目的系統(tǒng)設(shè)計。根據(jù)設(shè)計收集、整理共享文件包并組織組員進行學(xué)習(xí)和完善。根據(jù)計算思維的流程即分解、抽象、算法、調(diào)試、迭代、泛化等對項目進行創(chuàng)意算法設(shè)計，采用圖形化編程軟件進行編程，在數(shù)字化工具的輔助下完善項目。通過設(shè)計研究性記錄表、建立項目文件夾、建立UMU網(wǎng)絡(luò)研究記錄課程等渠道，引導(dǎo)學(xué)生翔實記錄項目研究過程中發(fā)現(xiàn)問題、探究記錄、關(guān)鍵資料、實驗結(jié)論、操作步驟等過程性材料，以便進行項目管理。開展研究性學(xué)習(xí)交流有助于培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維和系統(tǒng)思維。

在總結(jié)階段，制作項目文檔，匯報交流，多元評價。參考省級智能設(shè)計大賽的文檔格式，對項目背景、團隊分工、主要硬件清單、作品制作過程、成品介紹、使用說明、演示視頻等逐一進行介紹。通過匯報展示進行思維碰撞，有利于學(xué)生的思維培養(yǎng)。同時，開展多元評價，拓展思維，促進學(xué)生發(fā)展。

（三）人工智能教育如何培養(yǎng)未來人才

人工智能賦能教育使得高質(zhì)量的泛在學(xué)習(xí)成為可能。此外，人工智能使得認(rèn)知不僅在個體的思考中，還存在于人人溝通、人機交互中。通過虛擬智能設(shè)備的賦能，使得學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)者、學(xué)習(xí)者與導(dǎo)師、學(xué)習(xí)者與人工智能之間的關(guān)系發(fā)生了變化，在線上和線下、虛擬與現(xiàn)實之間的交互切換中改變了原有的教育形態(tài)和學(xué)習(xí)形態(tài)。

為適應(yīng)智能時代人才培養(yǎng)要求，必須著手構(gòu)建相應(yīng)課程教材體系，推動教學(xué)改革，切實轉(zhuǎn)變學(xué)校人才培養(yǎng)方式。這主要包括三個方面：一是基于學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)，圍繞人才培養(yǎng)重新建構(gòu)課程新樣態(tài)，基于新樣態(tài)建構(gòu)學(xué)習(xí)與生活邏輯統(tǒng)一的全新的課程體系。二是從培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)以及創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要出發(fā)，豐富教材種類，增強教材的適應(yīng)性，遴選教學(xué)材料。三是聚焦學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)，充分利用各種智能設(shè)備，將線上學(xué)習(xí)與線下學(xué)習(xí)、集中學(xué)習(xí)與分散學(xué)習(xí)、課堂學(xué)習(xí)與場館學(xué)習(xí)等多種學(xué)習(xí)方式結(jié)合起來，創(chuàng)造更加適合每一名學(xué)生所需的教育，改進教學(xué)方式。

人工智能大時代來臨時，從兒童開始做AI教育，讓孩子“玩中學(xué)，做中學(xué)”，培養(yǎng)其對人工智能的濃厚興趣，孩子們將在人工智能時代游刃有余，如魚得水。我市開設(shè)的人工智能活動中，孩子們時而在無人機的單機操作或編隊飛行中體悟編程帶來的樂趣，時而在機甲大師的對戰(zhàn)中領(lǐng)悟團隊學(xué)習(xí)的重要。在核心主題與實踐的引導(dǎo)下，通過創(chuàng)設(shè)真實或虛擬現(xiàn)實的任務(wù)情境開展項目式學(xué)習(xí)，采用任務(wù)驅(qū)動、層層遞進的方式，引導(dǎo)學(xué)生解決實際問題，有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強學(xué)生學(xué)習(xí)的代入感。通過項目式活動與具體案例，傳播人工智能學(xué)科知識，實現(xiàn)四個目標(biāo)的培養(yǎng)：人工智能意識—提升對人工智能技術(shù)的敏感度與理解力；技術(shù)應(yīng)用能力—實踐與探究人工智能技術(shù)的應(yīng)用價值；實踐創(chuàng)新思維—激發(fā)人工智能技術(shù)的實踐創(chuàng)新思維；智能社會責(zé)任—樹立適應(yīng)智能社會發(fā)展的責(zé)任意識。通過實踐活動，孩子們拓寬了學(xué)習(xí)的深度和廣度，培養(yǎng)了自主探究能力，拓展了思維空間，為創(chuàng)新思維的培養(yǎng)做足鋪墊。

四、結(jié)語

國家智慧教育平臺匯集了海量的數(shù)據(jù)資源，語音識別、視覺識別等技術(shù)世界領(lǐng)先，這些都是我國發(fā)展“人工智能+教育”具備的良好基礎(chǔ)和獨特優(yōu)勢。我們也應(yīng)看到人工智能技術(shù)與教育教學(xué)的發(fā)展仍有很大的空間，相關(guān)政策和激勵機制的制定應(yīng)跟上科技飛速發(fā)展的腳步。人工智能賦能信息技術(shù)教育仍然是一個需要長期深入研究且充滿潛力和挑戰(zhàn)的探究領(lǐng)域。在技術(shù)賦能的時代，我們應(yīng)堅守傳道、授業(yè)、解惑的本心，理性思考，把握規(guī)律，理解技術(shù)，用好技術(shù)，努力提高自身的專業(yè)素養(yǎng)和人工智能技術(shù)水平，借助人工智能技術(shù)做好教育教學(xué)工作，推動人工智能與教育教學(xué)的融合共發(fā)展，培養(yǎng)新時代的創(chuàng)新人才。