中小學(xué)如何做好人工智能課程建設(shè)

■“關(guān)注中小學(xué)人工智能教育”·理論篇①

    開(kāi)欄的話

當(dāng)前，生成式人工智能熱潮涌動(dòng)，人工智能駛?cè)氚l(fā)展快車(chē)道。中小學(xué)校如何加強(qiáng)人工智能教育？如何把人工智能技術(shù)與教育教學(xué)深度融合？圍繞這些問(wèn)題，智慧教育專(zhuān)刊特開(kāi)設(shè)“關(guān)注中小學(xué)人工智能教育”專(zhuān)欄，約請(qǐng)專(zhuān)家、學(xué)者、局長(zhǎng)、校長(zhǎng)從不同角度展開(kāi)討論。敬請(qǐng)關(guān)注。

隨著人工智能應(yīng)用場(chǎng)景日趨豐富，生活于其中的每一位成員不僅要會(huì)使用智能工具，更需要用符合智能時(shí)代的思維方式去理解與創(chuàng)造性解決問(wèn)題，具備與智能工具協(xié)同創(chuàng)新的能力。

教育是面向未來(lái)培養(yǎng)人才的事業(yè)，課程是學(xué)校育人的核心場(chǎng)域。在推進(jìn)人工智能教育中，學(xué)校需要將人工智能課程建設(shè)作為學(xué)校智能教育的核心要素、教育教學(xué)活動(dòng)開(kāi)展的關(guān)鍵載體和學(xué)生人工智能核心素養(yǎng)全面發(fā)展的基礎(chǔ)；要充分認(rèn)識(shí)到，課程實(shí)施既是學(xué)生探索人工智能未來(lái)發(fā)展的過(guò)程，也是培養(yǎng)學(xué)生掌控人工智能與人類(lèi)世界關(guān)系的責(zé)任感和使命感的過(guò)程。

    依據(jù)核心素養(yǎng)明確課程目標(biāo)

當(dāng)前，我國(guó)中小學(xué)人工智能教育處于探索階段，存在著課程價(jià)值取向不明確、課程內(nèi)容與人工智能領(lǐng)域的核心技術(shù)理念脫節(jié)、課程內(nèi)容組織缺乏邏輯連貫性、課程實(shí)踐脫離生活實(shí)際、課程評(píng)價(jià)尚未形成體系等問(wèn)題。

面對(duì)以上問(wèn)題，學(xué)校首先需明確課程目標(biāo)，這是人工智能課程建設(shè)的邏輯起點(diǎn)。2021年，中央電教館發(fā)布《中小學(xué)人工智能技術(shù)與工程素養(yǎng)框架》（以下簡(jiǎn)稱《素養(yǎng)框架》），從人工智能與人類(lèi)、人工智能與社會(huì)、人工智能技術(shù)、人工智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)4個(gè)領(lǐng)域提出了中小學(xué)生應(yīng)具備的核心素養(yǎng)。2022年教育部印發(fā)《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》），從信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會(huì)責(zé)任4個(gè)維度明確了課程核心素養(yǎng)基本要求。

《素養(yǎng)框架》和《課程標(biāo)準(zhǔn)》的發(fā)布不僅界定了中小學(xué)階段人工智能教學(xué)中“最有價(jià)值的內(nèi)容”，也明確了如何在中小學(xué)教學(xué)實(shí)踐中體現(xiàn)人工智能的核心價(jià)值和教學(xué)目標(biāo)。具體為：

一是明確人工智能技術(shù)能夠解決的問(wèn)題，了解人工智能技術(shù)的基本原理、過(guò)程和實(shí)現(xiàn)方法，并能選擇最優(yōu)的人工智能工具或模型框架，進(jìn)而形成計(jì)算思維，具備利用人工智能技術(shù)解決問(wèn)題的能力。二是能夠整合人工智能技術(shù)和其他學(xué)科知識(shí)解決復(fù)雜問(wèn)題，具備人工智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)、人工智能系統(tǒng)的評(píng)估與維護(hù)能力，培養(yǎng)系統(tǒng)工程思維，確保人工智能技術(shù)服務(wù)于全體人類(lèi)社會(huì)。三是培養(yǎng)和樹(shù)立科學(xué)合理的倫理觀，正確看待和處理人機(jī)關(guān)系。認(rèn)識(shí)人工智能與人類(lèi)的關(guān)系、人工智能與社會(huì)的交互及對(duì)社會(huì)的影響，潛在的公平性問(wèn)題、倫理問(wèn)題、法律挑戰(zhàn)，樹(shù)立科學(xué)合理的倫理觀，保證人工智能健康、合法地發(fā)展。

圍繞核心素養(yǎng)構(gòu)建課程內(nèi)容

課程內(nèi)容不僅是育人目標(biāo)和課程目標(biāo)的關(guān)鍵載體，更是學(xué)科教學(xué)活動(dòng)的核心要素。需要將課程內(nèi)容的構(gòu)建放置于時(shí)代意義、學(xué)科價(jià)值以及學(xué)生認(rèn)知能力的整體框架中進(jìn)行考量，關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)對(duì)內(nèi)容接納的可能性及科學(xué)技術(shù)學(xué)科特有的實(shí)踐特性，避免出現(xiàn)高深莫測(cè)的“虛幻”內(nèi)容或囿于某一特定軟硬件平臺(tái)的內(nèi)容。

結(jié)合《素養(yǎng)框架》和《課程標(biāo)準(zhǔn)》，學(xué)校人工智能課程內(nèi)容可以包括以下4類(lèi)內(nèi)容：

第一，人工智能相關(guān)概念和發(fā)展歷程為核心的基礎(chǔ)內(nèi)容。以學(xué)生能夠理解和掌握的與生活實(shí)際相聯(lián)系的人工智能應(yīng)用場(chǎng)景為背景，認(rèn)識(shí)芯片、傳感器，理解數(shù)據(jù)和計(jì)算、問(wèn)題表達(dá)與求解。第二，以人工智能算法、自然語(yǔ)言處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、模型開(kāi)發(fā)等為核心的技術(shù)內(nèi)容。結(jié)合語(yǔ)音識(shí)別、人臉識(shí)別、影像診斷、智能家居等讓學(xué)生理解人工智能技術(shù)及應(yīng)用原理和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，初步形成人工智能感性經(jīng)驗(yàn)。第三，機(jī)器人、無(wú)人駕駛、智慧醫(yī)療等典型場(chǎng)景的應(yīng)用內(nèi)容。從工業(yè)、醫(yī)療、交通、法律、教育等不同領(lǐng)域提取人工智能技術(shù)應(yīng)用真實(shí)場(chǎng)景和典型案例，理解人工智能特有的問(wèn)題解決方法，培養(yǎng)學(xué)生利用智能技術(shù)解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的意識(shí)和能力。第四，以人工智能社會(huì)與人文、人工智能安全和發(fā)展為核心的倫理內(nèi)容。呈現(xiàn)人工智能技術(shù)應(yīng)用潛在的倫理挑戰(zhàn)以及對(duì)個(gè)人、社會(huì)等的潛在影響，關(guān)注人工智能技術(shù)引發(fā)的公平、安全、道德、法律等問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生辨析應(yīng)用的利與弊，樹(shù)立正確的人工智能價(jià)值觀念，確?！凹夹g(shù)向善”。需要注意的是，以上4類(lèi)內(nèi)容不應(yīng)是單線性的依次排列、逐步實(shí)施的關(guān)系，而應(yīng)是互為一體的融合。

構(gòu)建知行合一的課堂實(shí)踐學(xué)習(xí)樣態(tài)

人工智能學(xué)科的實(shí)踐特性決定了課程實(shí)施要結(jié)合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律和生活經(jīng)驗(yàn)，依托真實(shí)問(wèn)題和現(xiàn)實(shí)任務(wù)，體現(xiàn)真實(shí)性、挑戰(zhàn)性、進(jìn)階性等特征。在人工智能課程教學(xué)中，應(yīng)以應(yīng)用類(lèi)內(nèi)容為載體，以基礎(chǔ)類(lèi)內(nèi)容為要素，以技術(shù)類(lèi)內(nèi)容為支撐點(diǎn)，以倫理類(lèi)內(nèi)容為反思點(diǎn)，統(tǒng)整各部分學(xué)習(xí)內(nèi)容，讓人工智能學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)生的真實(shí)世界相連接，構(gòu)建一個(gè)知行合一、生動(dòng)實(shí)踐的課堂實(shí)踐學(xué)習(xí)樣態(tài)。

一是選擇感知、體驗(yàn)類(lèi)案例進(jìn)行觀摩，或?qū)⑷斯ぶ悄軐?shí)景體驗(yàn)作為內(nèi)容，幫助學(xué)生形象感知、深入體會(huì)人工智能技術(shù)的功能和實(shí)際應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)人工智能場(chǎng)景的觀察和理解能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力。如語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)在汽車(chē)駕駛、智能家居、智能助教、醫(yī)療助手等場(chǎng)景的應(yīng)用，幫助學(xué)生感受泛在的人工智能技術(shù)應(yīng)用、體會(huì)人工智能技術(shù)為人類(lèi)生活帶來(lái)的便利；通過(guò)手機(jī)刷臉解鎖、人臉識(shí)別支付、虛擬自動(dòng)駕駛室等實(shí)景體驗(yàn)，助力學(xué)生理解智能交互，并能夠?qū)?shù)字世界與現(xiàn)實(shí)世界相結(jié)合。

二是以問(wèn)題鏈、啟發(fā)式對(duì)話等形式展示學(xué)習(xí)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)探索和思考來(lái)理解人工智能的概念和原理，增進(jìn)對(duì)人工智能價(jià)值的思考和辨別能力。如將計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)與人類(lèi)視覺(jué)的形成進(jìn)行類(lèi)比，幫助學(xué)生理解攝像頭類(lèi)似人的眼睛，感知外界環(huán)境，理解外界環(huán)境。在體驗(yàn)、理解、實(shí)踐人工智能技術(shù)的過(guò)程中，合理設(shè)置人工智能有哪些應(yīng)用，將產(chǎn)生什么影響，應(yīng)該怎么應(yīng)對(duì)等問(wèn)題鏈，引導(dǎo)學(xué)生正確認(rèn)識(shí)人工智能、深入思考人工智能價(jià)值、合理應(yīng)對(duì)人工智能帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

三是基于“做中學(xué)”理念，開(kāi)展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)實(shí)踐。將課程內(nèi)容轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行、可操作的探究項(xiàng)目。如引導(dǎo)和組織學(xué)生設(shè)計(jì)智能機(jī)器人編程項(xiàng)目、智能語(yǔ)音助手開(kāi)發(fā)項(xiàng)目或探索設(shè)計(jì)智能決策系統(tǒng)模型構(gòu)建項(xiàng)目，以項(xiàng)目為載體整合學(xué)生需要掌握的基礎(chǔ)知識(shí)、實(shí)踐能力和倫理態(tài)度，運(yùn)用基本的身體動(dòng)作、心智活動(dòng)或人際關(guān)系促進(jìn)認(rèn)知結(jié)構(gòu)整合，形成采用模式思考、識(shí)別和處理新問(wèn)題的能力。

四是運(yùn)用情景模擬營(yíng)造文化氛圍的形式，加深學(xué)生對(duì)區(qū)域特色文化的認(rèn)知和理解，培養(yǎng)學(xué)生具備人工智能與本土文化融合能力。如模擬本地文化遺產(chǎn)保護(hù)情景，引導(dǎo)學(xué)生將人工智能和本土文化相結(jié)合，通過(guò)設(shè)計(jì)文物保護(hù)監(jiān)測(cè)、文化遺產(chǎn)數(shù)字化展示、文化遺產(chǎn)保護(hù)規(guī)劃等，使學(xué)生了解并思考運(yùn)用人工智能技術(shù)推動(dòng)民俗文化發(fā)展。

五是設(shè)計(jì)技術(shù)哲學(xué)和道德兩難性問(wèn)題討論、技術(shù)問(wèn)題引發(fā)的災(zāi)難分析、人工智能相關(guān)科幻片評(píng)析等內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生形成人工智能倫理意識(shí)和思考技術(shù)的問(wèn)題習(xí)慣，以培養(yǎng)學(xué)生人工智能倫理認(rèn)知能力。如通過(guò)研究算法失誤導(dǎo)致的醫(yī)療事故案例，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真思考技術(shù)問(wèn)題可能帶來(lái)的災(zāi)難性后果，探索提出改進(jìn)和解決方案，啟發(fā)學(xué)生思考智能技術(shù)發(fā)展中如何保持人機(jī)關(guān)系的平衡，理性看待人工智能技術(shù)與人類(lèi)社會(huì)的互動(dòng)、共生、協(xié)同、依存等關(guān)系。

課程開(kāi)發(fā)者應(yīng)當(dāng)動(dòng)態(tài)把握人工智能發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合學(xué)校及地區(qū)條件，選取合適的教學(xué)材料，積極改造或自主編寫(xiě)課程內(nèi)容。同時(shí)根據(jù)課程內(nèi)容的呈現(xiàn)需要，創(chuàng)新與內(nèi)容相匹配的教學(xué)方法，合理規(guī)劃不同類(lèi)別內(nèi)容的比例，讓人工智能課程內(nèi)容適切學(xué)生實(shí)際生活中的人工智能應(yīng)用需求，適應(yīng)學(xué)生對(duì)于復(fù)雜問(wèn)題的認(rèn)知層次，最終實(shí)現(xiàn)從素養(yǎng)要求到課堂實(shí)踐的有效轉(zhuǎn)化。

（作者丁黎軍系西北師范大學(xué)教育技術(shù)學(xué)院講師，郭炯系西北師范大學(xué)教育技術(shù)學(xué)院院長(zhǎng)）

■基層案例

創(chuàng)設(shè)多維任務(wù)玩轉(zhuǎn)智能飛行

李紅梅

SMAC（Social——社交化，Mobile——移動(dòng)化，Analytic——大數(shù)據(jù)分析，Cloud——云計(jì)算）拓展課程是重慶市沙坪壩區(qū)樹(shù)人景瑞小學(xué)人工智能校本課程之一。我在接觸智能飛行課程后，一直在思考如何設(shè)計(jì)課程，讓學(xué)生收獲更多知識(shí)。

開(kāi)課初期，我問(wèn)學(xué)生為什么選擇這門(mén)課程，一石激起千層浪。“除夕夜，重慶舉辦大型光影無(wú)人機(jī)焰火表演，其中無(wú)人機(jī)表演的壯美山水我太喜歡啦?！薄拔蚁胫?000架無(wú)人機(jī)矩陣表演是怎么弄出來(lái)的。”基于學(xué)生們的興趣，我查閱了無(wú)人機(jī)相關(guān)內(nèi)容、咨詢了學(xué)校信息技術(shù)教師，最終確定課程以無(wú)人機(jī)為載體，以能說(shuō)出無(wú)人機(jī)飛行原理、飛行安全常識(shí)、無(wú)人機(jī)的組成部分，能手動(dòng)操控?zé)o人機(jī)，能編程操控?zé)o人機(jī)（重點(diǎn)），能編隊(duì)飛行（難點(diǎn)）的手、眼、腦一體教育為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了集拍攝、操控和編程為一體的智能飛行課程。課程為期16周，共計(jì)16課時(shí)。

課程初期理論學(xué)習(xí)中，我利用網(wǎng)絡(luò)空間建立“飛行知識(shí)我知道”共享文件夾，讓學(xué)生借助移動(dòng)終端，自主查閱資料，用圖片、視頻和文字的形式記錄并上傳至網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間，為整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施打下理論基礎(chǔ)。學(xué)生經(jīng)過(guò)利用遙控器控制無(wú)人機(jī)按指定的路線飛行、通過(guò)障礙等基礎(chǔ)訓(xùn)練后，在編程飛行環(huán)節(jié)，我引導(dǎo)學(xué)生先觀察給定的飛行路徑，設(shè)計(jì)飛行路線并畫(huà)在草稿本上，再利用軟尺等工具，測(cè)量每個(gè)障礙物間的距離，最后用軟件進(jìn)行編程。學(xué)生們積極分享他們的編程思路：“我是這樣想的，先起飛，到達(dá)任務(wù)1進(jìn)行懸停，再到達(dá)任務(wù)2原地旋轉(zhuǎn)180°，再依次完成任務(wù)3和4，最后在指定地點(diǎn)降落?！薄拔腋悴惶粯?，我設(shè)計(jì)的是，起飛后先通過(guò)任務(wù)3和4穿過(guò)豎圈和橫圈，因?yàn)檫@是我擅長(zhǎng)的任務(wù)，可以多得分，再依次通過(guò)任務(wù)1和2，最后降落。”經(jīng)過(guò)不斷的編程、試飛和調(diào)試，學(xué)生完成了一個(gè)又一個(gè)任務(wù)，通過(guò)了一個(gè)又一個(gè)挑戰(zhàn)路線，在不斷的挑戰(zhàn)中成長(zhǎng)。

下一環(huán)節(jié)，進(jìn)入本課程的難點(diǎn)，編隊(duì)飛行。這個(gè)環(huán)節(jié)學(xué)生要同時(shí)對(duì)多架無(wú)人機(jī)進(jìn)行編程，并控制多架無(wú)人機(jī)執(zhí)行同一個(gè)任務(wù)。我引導(dǎo)學(xué)生用逆推的方法來(lái)思考：先確定好要編隊(duì)造型，如在空中呈現(xiàn)一個(gè)“大”字。再根據(jù)這個(gè)造型確定無(wú)人機(jī)的數(shù)量和每個(gè)編號(hào)無(wú)人機(jī)的最終位置，最后根據(jù)無(wú)人機(jī)的最終位置來(lái)確定無(wú)人機(jī)的起點(diǎn)位置和飛行路徑。雖然這個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)于小學(xué)生來(lái)說(shuō)，有一定難度，但經(jīng)過(guò)與教師的交流、與同學(xué)的合作，最終學(xué)生們完成了一些簡(jiǎn)單造型的編隊(duì)飛行，如在空中呈現(xiàn)一個(gè)愛(ài)心，并在學(xué)校的第11屆科技節(jié)中精彩展示編隊(duì)飛行，得到了一致好評(píng)。

數(shù)字技術(shù)和資源為這門(mén)課提供了有力的支撐，教學(xué)方式的改變、平臺(tái)資源的運(yùn)用、各類(lèi)技術(shù)的融合，讓學(xué)生在自己感興趣的世界中不斷探索，讓我向一專(zhuān)多能的教師轉(zhuǎn)型邁出了一大步。

（作者單位系重慶市沙坪壩區(qū)樹(shù)人景瑞小學(xué)）

《中國(guó)教育報(bào)》2024年05月18日第3版