中小學(xué)人工智能教育怎么教
——以《深圳市義務(wù)教育人工智能課程綱要（修訂版）》為例
文_萬 珺1 林小紅1 謝作如2 鐘柏昌1*
（1. 華南師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)院；2. 溫州市科技高級中學(xué)；*通訊作者）
推動人工智能教育的普及已經(jīng)成為國際基礎(chǔ)教育發(fā)展的新趨勢。早在2017年，我國出臺的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》就提出了普及人工智能教育的路線圖[1]。教育部于2018年發(fā)布《教育信息化2.0行動計劃》，進(jìn)一步要求完善課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)，充實適應(yīng)信息時代、智能時代發(fā)展需要的人工智能和編程課程內(nèi)容。隨后，《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》和《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》都將人工智能基礎(chǔ)知識納入了課程體系，后者還將人工智能作為組織課程內(nèi)容的六條邏輯主線之一，更加明確細(xì)化了人工智能模塊的定位。2024年11月，《教育部辦公廳關(guān)于加強(qiáng)中小學(xué)人工智能教育的通知》的發(fā)布，明確了中小學(xué)人工智能教育的實施路徑和主要任務(wù)及舉措，為中小學(xué)人工智能教育的普及推廣創(chuàng)造了新的機(jī)遇。基于我國對人工智能人才的需求與對人工智能課程的逐漸規(guī)范，深圳市教育局嘗試以《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》為基礎(chǔ)，融合本地特色，于2024年10月頒布了《深圳市義務(wù)教育人工智能課程綱要（修訂版）》（以下簡稱《綱要》），與教育部的最新文件精神高度契合。為貫徹落實國家和地方文件精神，本文從“怎么教”這個角度對《綱要》進(jìn)行解讀，介紹人工智能課程應(yīng)采取的教學(xué)模式與方法、教學(xué)資源與工具，為人工智能課程的具體落地提供參考。
教學(xué)模式與方法的選擇
教學(xué)模式的類型及特點
本次《綱要》修訂依據(jù)專家團(tuán)隊的研究成果，結(jié)合我國先行城市人工智能教育普及工作的寶貴經(jīng)驗，借助情境創(chuàng)設(shè)、任務(wù)驅(qū)動，采取項目式學(xué)習(xí)、游戲化學(xué)習(xí)、大單元教學(xué)、逆向工程教學(xué)、糾錯教學(xué)等教學(xué)模式，將人工智能最新成果如生成式人工智能融入課堂教學(xué)，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)自主、合作、探究的人工智能學(xué)習(xí)情境，體系化塑造學(xué)生人工智能素養(yǎng)。
圖1 教師向?qū)W生展示實物作品原型
由于人工智能教育較復(fù)雜，包含理論、實踐、應(yīng)用等多種知識內(nèi)容，因此難以僅采用單一的講授式教學(xué)法開展課程，需要采用多種教學(xué)模式，并根據(jù)不同的課程內(nèi)容目標(biāo)與要求，個性化地使用對應(yīng)的教學(xué)模式，以最大化發(fā)展學(xué)生的人工智能素養(yǎng)。《綱要》提出人工智能的課程設(shè)計倡導(dǎo)“做中學(xué)”“用中學(xué)”與“創(chuàng)中學(xué)”，需融合觀察、體驗、模擬、創(chuàng)作等活動形式，這一要求與鐘柏昌等人提出的4I教學(xué)模式[2]——實驗?zāi)M型教學(xué)（Imitation）、趣味交互型教學(xué)（Interaction）、科學(xué)探究型教學(xué)（Inquiry）和發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)（Invention）相符合。由此，本文嘗試以4I教學(xué)模式分類法為參考，結(jié)合《綱要》的案例設(shè)計，介紹人工智能課程應(yīng)該如何教學(xué)。
實驗?zāi)M型教學(xué)模式是基于逆向工程理論，以模仿設(shè)計產(chǎn)品原型為主要任務(wù)，通過展現(xiàn)原型或讓學(xué)生體驗?zāi)繕?biāo)產(chǎn)品，模擬、再現(xiàn)與改進(jìn)產(chǎn)品，以期培養(yǎng)學(xué)生人工智能基本技能的一種教學(xué)模式。例如，袁加欣等人提出了“體驗情境—反思觀察—總結(jié)內(nèi)化—創(chuàng)新分享”的教學(xué)模式，將產(chǎn)品案例導(dǎo)入課堂，讓學(xué)生在體驗情境環(huán)節(jié)充分感知，在反思觀察和總結(jié)內(nèi)化環(huán)節(jié)利用相關(guān)材料進(jìn)行模仿制作，最后在創(chuàng)新分享環(huán)節(jié)自主修改程序腳本，展現(xiàn)作品，并將此模式應(yīng)用于中小學(xué)機(jī)器人課程中進(jìn)行實踐探究[3]。
趣味交互型教學(xué)模式是基于游戲化教學(xué)理論，以開發(fā)有趣的人工智能相關(guān)聯(lián)機(jī)交互系統(tǒng)或產(chǎn)品為主要任務(wù)，在計算機(jī)端編寫和運行程序控制硬件端，通過硬件與計算機(jī)程序進(jìn)行交互，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性的一種教學(xué)模式。例如，韓蕾等提出了GOMS模型指導(dǎo)下基于S4A平臺開展的趣味交互型機(jī)器人教學(xué)策略，為趣味交互型教學(xué)模式的構(gòu)建提供了參考路徑，GOMS模型是人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計的重要理論，是對系列任務(wù)的目標(biāo)（Goals）、操作（Operations）、方法（Methods）和選擇規(guī)則（Selection Rules）進(jìn)行描述，與交互系統(tǒng)、產(chǎn)品的設(shè)計過程相契合的一種方式[4]。
圖2 教師指導(dǎo)學(xué)生完成實物作品
圖3 學(xué)生與服務(wù)機(jī)器人進(jìn)行交互
科學(xué)探究型教學(xué)模式是基于做中學(xué)理論，以學(xué)習(xí)科學(xué)知識、探究科學(xué)原理為主要任務(wù)，以開源硬件、機(jī)器人或智能平臺等作為載體和工具，開展科學(xué)探究，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力和問題解決能力的一種教學(xué)模式。例如，曹燕華等人構(gòu)建了中小學(xué)人工智能課程的SCCS教學(xué)模式，即社會認(rèn)知雙聯(lián)通教學(xué)模式（Social and Cognitive-Connectedness Schemata）[5]，強(qiáng)調(diào)基于現(xiàn)代技術(shù)、支撐平臺，采用探究法、實驗法等多種教學(xué)法逐層展開對知識、原理的探究，使學(xué)生學(xué)習(xí)原理、建構(gòu)知識[6]。
發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)模式是基于TRIZ創(chuàng)新理論，以開發(fā)創(chuàng)意作品為主要任務(wù)，基于生活中的實際需求，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計、工程設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生開展創(chuàng)新實踐，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力的一種教學(xué)模式。例如，鐘柏昌等人構(gòu)建的4C教學(xué)模式[7]通過“聚類教學(xué)（Clustering）—概念提取（Conceptualizing）—關(guān)聯(lián)內(nèi)化（Correlating）—遷移創(chuàng)新（Changing）”4個層級逐層遞進(jìn)的方式，引導(dǎo)學(xué)生在人工智能實踐中從明確問題、創(chuàng)設(shè)情境到最終完成作品創(chuàng)作，指向創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。此外，該學(xué)者提出的TRIP四類教學(xué)模式也以設(shè)計產(chǎn)品為目標(biāo)，將正向教學(xué)與逆向教學(xué)、作品開發(fā)取向與科學(xué)探究取向交叉整合[8]，最終實現(xiàn)產(chǎn)品的再造與升級。
教學(xué)流程及其方法
采用實驗?zāi)M型教學(xué)模式的教學(xué)內(nèi)容可以圍繞簡易的產(chǎn)品模仿展開，教學(xué)主要流程為體驗產(chǎn)品、產(chǎn)品解構(gòu)和復(fù)原、設(shè)計方案與制作原型。例如，在《綱要》的“人工智能概述”課程模塊中，教師采用逆向工程法，展示“手勢控制風(fēng)扇”作品樣例，引導(dǎo)學(xué)生通過應(yīng)用體驗，了解產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)和功能，學(xué)習(xí)手勢識別的基礎(chǔ)原理，進(jìn)而討論交流，迭代設(shè)計出可選方案并進(jìn)行原型制作，最后從多個維度評價學(xué)習(xí)效果，強(qiáng)化利用人工智能解決問題的實踐能動性。
圖4 學(xué)生進(jìn)行手勢識別操作
采用趣味交互型教學(xué)模式的教學(xué)內(nèi)容可以圍繞趣味性內(nèi)容展開，教學(xué)主要流程為主題選擇、設(shè)計方案、實施方案與交互測試。例如，在《綱要》的“機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)”課程模塊中，教師采用游戲化教學(xué)法，以“AI猜拳機(jī)器人”為項目主題，引導(dǎo)學(xué)生使用智能攝像頭錄入石頭、剪刀、布3種手勢的數(shù)據(jù)，制作簡易的猜拳機(jī)器人，并與之進(jìn)行游戲交互，體驗機(jī)器學(xué)習(xí)的樂趣。在第七屆中小學(xué)人工智能教育展示活動上，有教師以“智慧花園”為主題，引導(dǎo)學(xué)生使用集成傳感器、執(zhí)行器、控制器等開源硬件和圖形化編程工具，完成一個可操作的智慧花園原型，并通過計算機(jī)程序和獲得的環(huán)境數(shù)據(jù)間的相互反饋進(jìn)行澆水、灌溉等操作，讓學(xué)生在趣味中學(xué)習(xí)知識。
圖5 學(xué)生操作開源硬件
采用科學(xué)探究型教學(xué)模式的教學(xué)內(nèi)容可以圍繞科學(xué)性知識展開，教學(xué)主要流程為明確問題、開展實驗、分析結(jié)果與探究原理。例如，在《綱要》的“人工智能技術(shù)基礎(chǔ)”課程模塊中，教師要引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識算力的重要性，以及不同處理器在運算速度等方面的差異。因此，教師通過人工智能開發(fā)平臺提供的算力服務(wù)，指導(dǎo)學(xué)生使用大型數(shù)據(jù)集進(jìn)行模型訓(xùn)練，并比較不同處理器下的模型訓(xùn)練時間，從而根據(jù)得到的結(jié)果學(xué)習(xí)算力及模型訓(xùn)練的內(nèi)涵。同樣，在“機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)”課程模塊中，通過設(shè)計一些簡單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實驗，讓學(xué)生基于數(shù)據(jù)集訓(xùn)練模型，感受訓(xùn)練次數(shù)不同、算法選擇不同等設(shè)置對模型的影響，從而引導(dǎo)學(xué)生理解深度學(xué)習(xí)的含義與特征，認(rèn)識深度學(xué)習(xí)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系。
圖6 學(xué)生在平臺上訓(xùn)練模型
采用發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)模式的教學(xué)內(nèi)容可以圍繞創(chuàng)意物品展開，教學(xué)主要流程為情境創(chuàng)設(shè)、設(shè)計方案、制作原型、測試與調(diào)試。例如，《綱要》中涉及到“人工智能技術(shù)基礎(chǔ)”和“機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)”課程模塊的“智能分揀系統(tǒng)”案例，教師設(shè)置相關(guān)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行方案設(shè)計，接著通過收集素材，結(jié)合訓(xùn)練集與開源代碼訓(xùn)練模型，最后完成智能分揀系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，并根據(jù)實際應(yīng)用需求，結(jié)合真實情境，對系統(tǒng)進(jìn)行迭代優(yōu)化。又如，在2023年全國青少年人工智能創(chuàng)新實踐交流展示會上，有教師提出了“中藥茶飲智能識別搭配小助手”案例，通過創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計方案，經(jīng)歷數(shù)據(jù)集制作、模型訓(xùn)練、模型推理、模型部署與應(yīng)用的完整過程，最終完成項目制作。
（本文所用照片由溫州科技高級中學(xué)陳恩慈提供）
參考文獻(xiàn)
[1] 中華人民共和國國務(wù)院．新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃[EB/OL]．[2021-07-08]．http://www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm．
[2] 鐘柏昌．中小學(xué)機(jī)器人教育的核心理論研究——機(jī)器人教學(xué)模式的新分類[J]．電化教育研究，2016，37（12）：87-92．
[3] 袁加欣，孔新梅，杜東燕，等．中小學(xué)人工智能機(jī)器人課程教學(xué)模式研究[J]．中國教育信息化，2022，28（10）：123-128．
[4] 韓蕾，李婷婷，鐘柏昌．基于GOMS的趣味交互型機(jī)器人教學(xué)案例設(shè)計研究[J]．?dāng)?shù)字教育，2016，2（06）：61-66．
[5] 李新房，劉名卓，祝智庭．基于聯(lián)通主義的雙聯(lián)通教學(xué)設(shè)計模型（SCCS）研究[J]．遠(yuǎn)程教育雜志，2016（5）：83-88．
[6] 曹燕華，謝忠新．中小學(xué)人工智能課程SCCS教學(xué)模式構(gòu)建及應(yīng)用研究[J]．教育傳播與技術(shù)，2023，（06）：32-38．
[7] 鐘柏昌，劉曉凡．創(chuàng)新能力培養(yǎng)的學(xué)理機(jī)制與4C教學(xué)模式建構(gòu)[J]．現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究，2021，33（04）：20-32．
[8] 夏莉穎，鐘柏昌．試論STEM教育的兩種取向與四種方法[J]．中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)，2018，（09）：8-11．
[9] 中華人民共和國教育部．普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S]．北京：人民教育出版社，2018．
[10] 鐘柏昌，顧榮楨．中小學(xué)人工智能教育的五級框架——以“停車場自動抬桿系統(tǒng)的優(yōu)化”案例為例[J]．中國科技教育，2024，（04）：14-20．
未完待續(xù)
來源 | 《中國科技教育》2024-12，文章編輯：畢晨輝
編輯、排版 | 孟想
一校 | 孟想
復(fù)校 | 若惜
終校 | 朱志安
熱門跟貼