◆孟秋汝

0 引言

人工智能與教育相結(jié)合，主要體現(xiàn)在以下兩個層面。

一是人工智能技術(shù)應(yīng)用與教育，包括教學(xué)工具、教學(xué)資源、教學(xué)評價(jià)等。例如：人工智能技術(shù)輔助教師進(jìn)行活動評價(jià)、教學(xué)準(zhǔn)備；模擬仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)等應(yīng)用于課堂教學(xué)，豐富學(xué)生的課程體驗(yàn)。

二是人工智能普及教育，即在中小學(xué)開展相關(guān)的人工智能課程。近幾年，基礎(chǔ)教育階段人工智能課程的教學(xué)備受人們關(guān)注，從國家到學(xué)校再到機(jī)構(gòu)，紛紛投入中小學(xué)人工智能課程的研究。

本研究以近三年來部分中小學(xué)開展的人工智能校本課程為例，了解其教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)環(huán)境等，希望能夠?yàn)槲磥碇行W(xué)開展人工智能課程提供有益參考。

1 中小學(xué)人工智能課程的教材選擇及教學(xué)內(nèi)容

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

本文主要選取網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)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(xué)出版社出版的“AI 上未來智造者——中小學(xué)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(xué)出版社出版的《人工智能（初中版）》、2018年4月由華東師范大學(xué)出版社出版的《人工智能基礎(chǔ)（高中版）》，分別作為小學(xué)、初中、高中三個學(xué)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(jié)合教育部頒發(fā)的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中關(guān)于選擇性必修“模塊4：人工智能初步”的課程標(biāo)準(zhǔn)及《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》[2]，從內(nèi)容章節(jié)、活動設(shè)計(jì)兩個維度，對三本教材進(jìn)行分析。

1.1 內(nèi)容章節(jié)

三本教材的內(nèi)容都涵蓋了計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息意識和信息社會責(zé)任三個人工智能教育的核心目標(biāo)，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(chǔ)（高中版）》以手腦結(jié)合為學(xué)生的主要學(xué)習(xí)方式，注重強(qiáng)調(diào)直接知識與間接知識相融合，提供人工智能基礎(chǔ)知識的同時(shí)，創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)、情境、項(xiàng)目等讓學(xué)生動手操作，涉及機(jī)器學(xué)習(xí)、自然語言處理、人機(jī)交互、計(jì)算機(jī)視覺的初步認(rèn)識與應(yīng)用[3]。

“AI 上未來智造者——中小學(xué)人工智能精品課程系列叢書”是一套涵蓋小學(xué)、初中、高中的系列教材：與小學(xué)階段相對應(yīng)的課程內(nèi)容涉及數(shù)學(xué)等知識、技術(shù)工程等領(lǐng)域，旨在通過探究傳感器、藍(lán)牙音箱的使用方法和工作原理，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思考能力；與初中階段相對應(yīng)的課程內(nèi)容涉及人機(jī)交互的基礎(chǔ)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(yīng)的課程內(nèi)容涉及最近熱門的Python 編程、開源電子主板應(yīng)用、變形機(jī)器人搭建等人工智能技術(shù)的高階編程。這套系列叢書的內(nèi)容以動手操作為主，缺乏對人工智能基礎(chǔ)知識的介紹。

《人工智能（初中版）》涵蓋人工智能技術(shù)與社會、人工智能技術(shù)、人工智能設(shè)計(jì)與系統(tǒng)三個領(lǐng)域的知識與技能，從人工智能產(chǎn)品體驗(yàn)到原理描述、技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用方案實(shí)驗(yàn)，層層遞進(jìn)，從理論到實(shí)踐，一步一步引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)系統(tǒng)地學(xué)習(xí)[4]。

三本教材的章節(jié)如表1 所示，其中“AI 上未來智造者——中小學(xué)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(jié)比較

1.2 活動設(shè)計(jì)

三本教材都有相應(yīng)的活動環(huán)節(jié)，活動設(shè)計(jì)豐富多樣，有的活動環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)的目的是獲取理論層面的知識，有的旨在獲得技術(shù)層面的能力。

《人工智能基礎(chǔ)（高中版）》的活動環(huán)節(jié)主要為情境導(dǎo)入、知識呈現(xiàn)、思考與討論、實(shí)驗(yàn)操作、拓展閱讀，注重的是人工智能理論知識的獲取。雖然設(shè)計(jì)了22 個實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生動手操作，但是所占篇幅較少，容易忽略，因而無法達(dá)到理想的課程效果。

“AI 上未來智造者——中小學(xué)人工智能精品課程系列叢書”則比較注重通過動手來體驗(yàn)人工智能技術(shù)，激發(fā)學(xué)生興趣。以《AI 在變形工坊》為例，它的活動環(huán)節(jié)為情境導(dǎo)入、知識呈現(xiàn)、體驗(yàn)、操作練習(xí)，還專門設(shè)計(jì)三節(jié)活動課，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行主題、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

《人工智能（初中版）》的活動環(huán)節(jié)與其他教材不同，它將人工智能技術(shù)的產(chǎn)品體驗(yàn)、知識呈現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和作品設(shè)計(jì)融為一體，更注重學(xué)生的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)。

2 中小學(xué)人工智能課程的教學(xué)方法

由于小學(xué)、初中、高中三個階段的人工智能課程教學(xué)目標(biāo)不同，對學(xué)生學(xué)習(xí)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(xué)方法、教學(xué)策略會有所不同。三個階段主要采用的教學(xué)方法如表2 所示。

表2 三個階段的人工智能課程教學(xué)方法

根據(jù)皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展階段論，小學(xué)階段學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展處于具體運(yùn)算階段，他們的學(xué)習(xí)心理呈現(xiàn)的特點(diǎn)為：以具象思維為主，注意力不易集中，具有強(qiáng)烈的好奇心和豐富的想象力，感知覺有了一定的發(fā)展?；谛W(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，人工智能課程的教學(xué)應(yīng)多采用以教師引導(dǎo)為主的體驗(yàn)式、興趣主導(dǎo)式、啟發(fā)式教學(xué)方法，開設(shè)游戲化課程，讓學(xué)生通過接觸、體驗(yàn)人工智能，培養(yǎng)對人工智能的興趣和喜愛之情，達(dá)到教學(xué)目的。人工智能技術(shù)的基礎(chǔ)知識對小學(xué)生來說太過深奧和抽象，若采用傳統(tǒng)課堂中講授、談話等語言性教學(xué)方法，學(xué)生無法根據(jù)文字理解知識，就會導(dǎo)致注意力減弱，產(chǎn)生對人工智能學(xué)習(xí)的厭惡情緒，進(jìn)而壓制好奇心和想象力。經(jīng)過多所學(xué)校的實(shí)踐，體驗(yàn)式學(xué)習(xí)、啟發(fā)式學(xué)習(xí)這些類型的教學(xué)方法非常適用于在小學(xué)開展人工智能課程。

中學(xué)階段學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展處于形式運(yùn)算階段，他們的學(xué)習(xí)心理特征為：抽象思維占主導(dǎo)地位，意義記憶初露頭角，觀察主動性提高?；诔踔猩恼J(rèn)知發(fā)展特點(diǎn)，初中階段的人工智能課程應(yīng)采用以學(xué)生為主體的、學(xué)生進(jìn)行自主探究的教學(xué)方法，如探究式學(xué)習(xí)、協(xié)作式學(xué)習(xí)、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)等。初中生已經(jīng)具備一定的學(xué)習(xí)能力，能夠理解一般概念性知識并有意識地記憶。根據(jù)學(xué)生的興趣特點(diǎn)來設(shè)計(jì)和開展人工智能課程，強(qiáng)調(diào)以學(xué)為主，能夠很大程度地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維解決問題，啟發(fā)學(xué)生的數(shù)字化創(chuàng)新思維，讓學(xué)生對人工智能進(jìn)行初步探究。

高中階段的人工智能課程，其教學(xué)方法與初中階段大同小異。該階段的學(xué)生已經(jīng)有了足夠的認(rèn)知水平和能力，大部分學(xué)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(xué)方法依舊是以學(xué)生為主體的探究式、項(xiàng)目式教學(xué)，對學(xué)生進(jìn)行個性化指導(dǎo)，目的是讓學(xué)生在感興趣的領(lǐng)域相對專業(yè)地研究人工智能，更深入地發(fā)掘自己的特長，為將來進(jìn)入高等院校進(jìn)行人工智能專業(yè)知識的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

3 中小學(xué)人工智能課程的教學(xué)工具與環(huán)境

研究數(shù)據(jù)顯示：中學(xué)人工智能課程的教學(xué)環(huán)境主要在人工智能實(shí)驗(yàn)室（包括智能科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室等以人工智能為主的實(shí)驗(yàn)室）和計(jì)算機(jī)機(jī)房。人工智能實(shí)驗(yàn)室一般是與校外機(jī)構(gòu)合作改造或搭建的，配備了與課程相關(guān)的人工智能硬件與軟件，是一個綜合場所，具有展示、體驗(yàn)、操作等功能。例如：在語音合成領(lǐng)域已有豐富經(jīng)驗(yàn)的科大訊飛、建立了領(lǐng)先全球的深度學(xué)習(xí)平臺的商湯科技、依托清華大學(xué)優(yōu)質(zhì)教育資源的北京清創(chuàng)未來教育公司等企業(yè)，紛紛與北京、上海、廣州、深圳等城市的中小學(xué)合作，設(shè)計(jì)符合各自學(xué)校特點(diǎn)的課程體系和建立相應(yīng)的人工智能實(shí)驗(yàn)室。

利用人工智能實(shí)驗(yàn)室，可以讓學(xué)生通過體驗(yàn)無人駕駛技術(shù)、人機(jī)對話等，切實(shí)體會到人工智能給日常生活帶來的便利，有利于學(xué)生主動接受并探究這項(xiàng)未來先進(jìn)的技術(shù)；配備專門設(shè)計(jì)的深度學(xué)習(xí)算法平臺，有利于學(xué)生通過編程將自己的想法落實(shí)到技術(shù)中，強(qiáng)化學(xué)生的計(jì)算思維和動手操作能力；通過捕捉學(xué)生的課堂行為、記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)等，智能化地分析學(xué)生本次課程的課堂表現(xiàn)，協(xié)助教師進(jìn)行個性化教學(xué)和多元化評價(jià)，在減輕教師負(fù)擔(dān)的同時(shí)也能更科學(xué)地培養(yǎng)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(shè)想，具體實(shí)施的步驟、需要的方法技術(shù)等不僅需要通過不斷實(shí)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(shí)踐者對該領(lǐng)域進(jìn)行細(xì)致研究。

同時(shí)，由于資金、技術(shù)等原因，不少學(xué)校的人工智能課程是在學(xué)校原有的、沒有經(jīng)過人工智能相關(guān)改造的計(jì)算機(jī)機(jī)房中進(jìn)行。

4 中小學(xué)人工智能教育模式的反思

目前，中小學(xué)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(xué)人工智能課程的教學(xué)目標(biāo)缺乏統(tǒng)一的參考體系

確定教學(xué)目標(biāo)是教學(xué)設(shè)計(jì)與開展的前提。除了在2017 年修訂的高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)明確了人工智能模塊的教學(xué)目標(biāo)，小學(xué)和初中到目前為止都沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致課程的設(shè)計(jì)者和開發(fā)者無法根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)來開展教學(xué)活動，出現(xiàn)各個學(xué)校、學(xué)者、企業(yè)對于教學(xué)目標(biāo)的說法不一、開設(shè)的人工智能課程五花八門等問題，有些注重的是基礎(chǔ)知識的習(xí)得，有些則更注重過程的體驗(yàn)。盡管校本課程是本校教學(xué)研究者結(jié)合校園實(shí)際情況開展的課程，但其目的是為滿足學(xué)生的需求而對課程進(jìn)行優(yōu)化，仍然是以國家和地方課程為前提的，而將專家學(xué)者提出的教學(xué)目標(biāo)直接應(yīng)用于人工智能課程的教學(xué)設(shè)計(jì)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(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)百花齊放的特點(diǎn)，但是教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)需要結(jié)合學(xué)生的需求、社會的發(fā)展等因素，有些教育工作者將人工智能技術(shù)等同于程序設(shè)計(jì)；還有些學(xué)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(shù)課程、STEAM 課程、機(jī)器人課程、創(chuàng)客等，其教學(xué)內(nèi)容與人工智能技術(shù)的聯(lián)系不大。

2）人工智能領(lǐng)域范圍較廣，有些學(xué)校不考慮學(xué)生的知識水平，直接將高校開展的人工智能專業(yè)課程中的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容照搬到基礎(chǔ)階段的人工智能課程中。

3）有些學(xué)校的人工智能課程的教學(xué)內(nèi)容一直未革新，而隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，某些領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)不斷發(fā)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(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)；到2008 年，各學(xué)者對高中人工智能課程的研究達(dá)到一個小高潮，就有學(xué)校陸續(xù)開設(shè)此課程?，F(xiàn)在的人工智能技術(shù)與十幾年前的技術(shù)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(shí)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行授課，與時(shí)代發(fā)展脫節(jié)。

4.3 教學(xué)方法存在相應(yīng)問題

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

所以，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)怎樣選取并整合？如何采用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法，將晦澀、高深的人工智能技術(shù)傳授給中小學(xué)生？個性化的教學(xué)方案如何設(shè)計(jì)并實(shí)施？等等，這些問題還需要進(jìn)一步探究，從長計(jì)議。

4.4 人工智能課程缺乏針對性、多元化的教學(xué)評價(jià)

這個問題本質(zhì)上是與教學(xué)目標(biāo)缺乏統(tǒng)一的參考體系是一致的。由于人工智能課程的特殊性，傳統(tǒng)的以測驗(yàn)為主的形成性評價(jià)和總結(jié)性評價(jià)是否適用于該課程，教師應(yīng)該使用怎樣的評價(jià)手段，教學(xué)環(huán)節(jié)的哪個步驟有利于實(shí)施教學(xué)評價(jià)，對教師教學(xué)工作的評價(jià)應(yīng)該從什么維度出發(fā)，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果應(yīng)該達(dá)到什么程度，什么工具可以輔助教學(xué)評價(jià)，等等，都是需要認(rèn)真思考與交流，精心設(shè)計(jì)與安排，不斷實(shí)踐、反思、修改，最后逐步完善的。

4.5 教學(xué)環(huán)境、工具與課程不匹配

出現(xiàn)這種現(xiàn)象，有下面一些原因。

1）學(xué)校沒有充足的資金建設(shè)人工智能實(shí)驗(yàn)室。人工智能技術(shù)不管在國內(nèi)還是國外，都處于探索階段，無法實(shí)現(xiàn)全民普及。

2）部分學(xué)校不重視人工智能課程，這種態(tài)度對相關(guān)環(huán)境和工具的配備造成極大的阻礙。

3）學(xué)校缺乏相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)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(xué)校的條件，是否能輔助學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能，都需要相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)員進(jìn)行選購和配備。同時(shí)，教學(xué)裝備長時(shí)間使用，需要專業(yè)人員進(jìn)行保養(yǎng)和維修，否則會造成資源浪費(fèi)。這些因素都導(dǎo)致學(xué)校認(rèn)為配備實(shí)驗(yàn)室和器材的性價(jià)比不高。

總之，人工智能課程未來如何發(fā)展并走向成熟，還需要廣大一線教師、學(xué)者將頂層設(shè)計(jì)與具體實(shí)踐相結(jié)合，這將會是一個漫長的過程。