海淀區(qū)中小學人工智能教育發(fā)展之路

馬濤　趙峰等

摘要：《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》和高中2017版《信息技術(shù)課程標準》提出了在中小學進行人工智能教育的要求。海淀區(qū)的人工智能教育注重學科方向性，注重人工智能教育的核心內(nèi)容與核心素養(yǎng)定位，注重基于人工智能核心內(nèi)容的課堂活動設(shè)計，注重基于人工智能思維方式的課堂活動組織實施，努力建設(shè)出方向正確、核心內(nèi)容突出、具有海淀特色的人工智能教育課程體系，促進海淀區(qū)中小學人工智能教育健康發(fā)展。

關(guān)鍵詞：人工智能教育;學科核心素養(yǎng);課堂結(jié)構(gòu)

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

隨著我國《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》和高中2017版《信息技術(shù)課程標準》“人工智能初步”模塊的頒布，人工智能逐步進人了教育領(lǐng)域，從信息化產(chǎn)品中人工智能的呈現(xiàn)，到人工智能作為課堂教學的內(nèi)容，對各個教育場景產(chǎn)生著影響。海淀區(qū)內(nèi)高校林立，科研院所眾多，中關(guān)村高科技園區(qū)也地處海淀，同時海淀基礎(chǔ)教育具有比較悠久的信息技術(shù)教育積累，具有探索人工智能教育的優(yōu)勢。

一、對人工智能教育的認識

人工智能是體現(xiàn)高新技術(shù)的科技方向，一方面體現(xiàn)了科技領(lǐng)域的快速發(fā)展，另一方面體現(xiàn)了基于人工智能應用的思維方式轉(zhuǎn)變。

1.人工智能科技領(lǐng)域的發(fā)展：人工智能科技進步在算法方面逐漸成熟和普及，啟發(fā)式搜索和決策樹等核心算法的應用逐步增多，貝葉斯推理、分類器、馬爾可夫模型等理論方法更是推進了深度學習的實現(xiàn)。中小學的學科知識體系中，由于知識爆炸產(chǎn)生的新知識經(jīng)常會出現(xiàn)“知識下放”現(xiàn)象，大學課程的部分知識會進人中學階段課程內(nèi)容中。所以，來自于大學人工智能學科知識體系的部分內(nèi)容，也可能會成為中小學人工智能教育的學習內(nèi)容。

2.人工智能層面的思維方式轉(zhuǎn)變：在中小學教育中，除了學科知識的學習，學生的學科能力、學科思維、學科素養(yǎng)也需要在學習期間不斷培養(yǎng)、增長。人工智能作為今后解決學習、生活問題的一種方式，有其自身的方法與思維方式，教會學生能夠以人工智能的思維方式看待知識應用與社會發(fā)展，有利于培養(yǎng)新時代的接班人和國家建設(shè)者。在人工智能教育體系中，人工智能作為學習本體，可以在課堂的情境創(chuàng)設(shè)、知識學習、練習實踐、拓展應用等環(huán)節(jié)實施教育，引導學生親歷人工智能解決問題的相關(guān)過程，引發(fā)應用人工智能解決問題的思維意識培養(yǎng)。

由于人工智能的興起，人工智能在教育中的應用也會出現(xiàn)明顯增長。人工智能注重人類感知功能和決策功能，人工智能的聽覺、視覺、理解、決策等特點能夠提升現(xiàn)有信息系統(tǒng)的智能性，從而實現(xiàn)以人工智能功能為主要呈現(xiàn)方式的教育環(huán)境信息系統(tǒng)功能提升。在這類功能實現(xiàn)中，人工智能應用多以“黑箱”方式呈現(xiàn)給基礎(chǔ)用戶，注重其功能，而不會過多呈現(xiàn)技術(shù)實現(xiàn)細節(jié)。所以，以人工智能促進教育信息化發(fā)展這類內(nèi)容，目前暫不作為中小學人工智能教育課程的內(nèi)容。

二、海淀區(qū)中小學信息技術(shù)課程的基礎(chǔ)與現(xiàn)狀

海淀區(qū)自二十世紀八十年代開始進行中小學信息技術(shù)教育以來，師資、設(shè)施、課程等均有了長足發(fā)展和深厚積淀，中小學信息技術(shù)課程內(nèi)容既包含程序設(shè)計、應用軟件、數(shù)字藝術(shù)設(shè)計等偏軟件內(nèi)容，也包含創(chuàng)客、機器人等偏硬件內(nèi)容。程序設(shè)計的算法基礎(chǔ)、創(chuàng)客和機器人的硬件功能實現(xiàn)基礎(chǔ)、應用軟件的解決問題基礎(chǔ)，均為開展人工智能教育奠定了基礎(chǔ)。

海淀區(qū)義務教育階段信息技術(shù)教育教材采用海淀區(qū)自主編寫的《信息技術(shù)》，課程體系以引導學生解決問題、自主探究軟件使用、梳理工作流程的方式呈現(xiàn)，以促進思維方法的培養(yǎng)，促進學生信息素養(yǎng)的提升，也符合新的信息技術(shù)學科核心素養(yǎng)的基本要求。

在海淀區(qū)現(xiàn)有信息技術(shù)學科教育的基礎(chǔ)上開設(shè)人工智能課程，面臨著具備人工智能教學能力的師資不足、教學資源不足、相關(guān)參考案例不足等問題，全面開設(shè)中小學人工智能課程的難度較大。但海淀區(qū)同時也具備一定的優(yōu)勢，近年海淀區(qū)補充了一定數(shù)量的具備計算機專業(yè)能力的碩士、博士進入信息技術(shù)教師行列，結(jié)合海淀區(qū)內(nèi)高校和科研院所的專業(yè)資源，在海淀區(qū)中小學開設(shè)了大量的選修課和大學先修課，一些教學內(nèi)容和資源已經(jīng)指向了人工智能教育方面的內(nèi)容。由此，海淀區(qū)確定了以人工智能教育研究、區(qū)域示范引領(lǐng)及教師培訓、部分學校先行試點為工作方向，研究人工智能教育目標和方向，積累課堂實施案例，促進師資成長。自2017年至今已積累了一定的成果，為今后大面積推進中小學人工智能教育做好了準備工作。海淀區(qū)人工智教育研究工作方向如圖1所示。

人工智能的實現(xiàn)需要有一定的編程能力、算法思想和人工智能應用場景體會，也需要有一定的硬件輔助實現(xiàn)。因此人工智能課程在海淀區(qū)的開設(shè)，需充分利用現(xiàn)有信息技術(shù)課程基礎(chǔ)，發(fā)揮學生應用軟件使用優(yōu)勢、編程能力優(yōu)勢、硬件操作優(yōu)勢，依托海淀區(qū)信息技術(shù)學科地方課程資源，研究人工智能課程的總體架構(gòu)，將原有信息技術(shù)課程的知識積累與人工智能課程的功能相結(jié)合。由此海淀區(qū)設(shè)定了以圖2內(nèi)容為基礎(chǔ)的人工智能教學內(nèi)容與支撐基礎(chǔ)，明確了人工智能核心方向、發(fā)展方式、核心算法、功能實現(xiàn)等內(nèi)容。其中，實現(xiàn)人工智能功能的程序編寫訓練，將以程序設(shè)計課為基礎(chǔ);編程中應用的算法，將以程序設(shè)計與數(shù)學知識為基礎(chǔ);在進行人工智能感知的視覺、聽覺功能中，將以移動終端的攝像頭和麥克風實現(xiàn)，或以個人電腦上的攝像頭、麥克風配以相應的軟件實現(xiàn)，同時在編程時調(diào)用外部人工智能接口，以實現(xiàn)人工智能的聽覺、視覺功能;而當產(chǎn)生人工智能的認知與決策后，實現(xiàn)動作反饋功能會以現(xiàn)有創(chuàng)客、機器人課程內(nèi)容實現(xiàn)。

三、中小學人工智能教育的課程設(shè)置

1.人工智能教育目標框架

海淀區(qū)的教育網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)中心參與了《中國互聯(lián)網(wǎng)學習白皮書之人工智能教育發(fā)展報告（基礎(chǔ)教育）》的編寫工作，總結(jié)梳理了人工智能教育在中小學各學段的能力目標和內(nèi)容框架設(shè)計，初步制訂了人工智能能力培養(yǎng)目標框架，如表1所示。

2.人工智能教育能力分層

在每一學段的學生培養(yǎng)中，按照傳統(tǒng)的學生能力層次，可以將學生學習人工智能的能力劃分為了解、理解、掌握三個層次，每個層次的學習內(nèi)容框架設(shè)計如下：

了解：通過對人工智能的感知、體驗、討論、分辨、描述等方式，了解人工智能的基本特征和應用渠道。

理解：在了解的基礎(chǔ)上，通過學習程序設(shè)計提高計算思維能力，從識別、解釋、運用、主動選擇等層面加深對人工智能的原理、途徑的理解。

掌握：在理解的基礎(chǔ)上，通過對人工智能核心算法的學習、開發(fā)工具和開發(fā)平臺，實現(xiàn)對人工智能的實際應用模塊的學習，實現(xiàn)對簡單人工智能的掌握和應用。

3.人工智能教育課程內(nèi)容

基于上述能力和目標的課程框架設(shè)置，海淀區(qū)人工智能教育課程內(nèi)容設(shè)定如表2所示。

4.人工智能教育師資培養(yǎng)

海淀區(qū)信息技術(shù)學科教研經(jīng)過多年的推動和積累，教師授課素質(zhì)普遍較高，其中教學基本功、學科基本理念、課堂組織實施等教學能力均能達到較高的水平。

在人工智能教育課程實施中，為了加強師資隊伍建設(shè)，海淀區(qū)教育科學研究院技術(shù)中心建設(shè)了人工智能實驗室，并開設(shè)了多期培訓班，在教師基本教學能力基礎(chǔ)上，加強人工智能的知識學習、了解人工智能技術(shù)應用、熟悉人工智能環(huán)境構(gòu)建、人工智能周邊應用（虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、3D編程）、人工智能在教育中的應用等內(nèi)容的學習，逐步加強人工智能師資的專業(yè)知識水平。

四、海淀區(qū)中小學人工智能課程實施案例

海淀區(qū)在推動人工智能教育的過程中，根據(jù)海淀區(qū)的課程設(shè)置方案在小學、初中、高中進行了基于內(nèi)容和能力培養(yǎng)的課堂實施，探索課堂的教學案例、組織實施、課堂評價、學生范例等內(nèi)容，為人工智能教育普及推廣奠定基礎(chǔ)。

1.小學起始課的學生區(qū)分人工智能能力

海淀區(qū)翠微小學在小學人工智能課程的起始課上，設(shè)計了三節(jié)課的單元式課堂結(jié)構(gòu)，如表3所示。

課堂從體驗人工智能應用引發(fā)學生對人工智能的識別，從識別中加深人工智能特征與內(nèi)涵的認識。再通過編寫語音識別的人機對話程序，提升計算思維的培養(yǎng)。同時結(jié)合人工智能的發(fā)展，思考人工智能的價值，辯證地看待人工智能的作用。

課堂中學生能夠以小學生的思維方式和認知水平進行人工智能的體驗，通過編程體現(xiàn)“計算思維”培養(yǎng)，通過人機對話程序編寫的方法學習與功能實現(xiàn)體現(xiàn)“數(shù)字化學習與創(chuàng)新”的培養(yǎng)，通過識別人工智能和辯證看待人工智能體現(xiàn)“信息意識”和“信息社會責任的培養(yǎng)。借助三節(jié)課的學生單元活動，逐步滲透小學階段信息技術(shù)學科核心素養(yǎng)的提升。

2.初中編程調(diào)用人工智能SDK和API

海淀區(qū)十一學校在初中人工智能課程中，使用App Inventor編程環(huán)境，設(shè)計了兩節(jié)課的人臉識別App制作，課堂結(jié)構(gòu)如表4所示。

課堂以編寫移動App程序?qū)崿F(xiàn)人工智能功能，在生活實際中實現(xiàn)人工智能解決問題，通過調(diào)用外部開放平臺的人工智能接口實現(xiàn)人臉識別功能，引發(fā)學生構(gòu)建人工智能場景、實現(xiàn)人工智能功能、引發(fā)創(chuàng)新應用的意識培養(yǎng)。

課堂中能夠結(jié)合初中生熟悉的移動App使用經(jīng)驗，通過App Inventor編程實現(xiàn)“計算思維”培養(yǎng)，借助App Inventor編程調(diào)用外部接口的人工智能功能實現(xiàn)“數(shù)字化學習與創(chuàng)新”的培養(yǎng)，通過人臉識別向量提取的數(shù)字化過程實現(xiàn)“信息意識”培養(yǎng)，通過在生活中合理應用人工智能實現(xiàn)“信息社會責任”培養(yǎng)。使用兩節(jié)課的人臉識別App制作，實現(xiàn)基于人工智能的初中信息技術(shù)學科核心素養(yǎng)培養(yǎng)。

3.高中人工智能基本算法的學習

海淀區(qū)人民大學附屬中學在高中人工智能課程中，貼近高中課程標準的“人工智能初步”模塊要求，以“機器視覺的大腦之卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”的單元主題設(shè)計了六課時的課堂結(jié)構(gòu)，如表5所示。

課堂從構(gòu)建CNN網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特征提取、卷積核、特征圖等人工智能核心算法人手，引導學生了解人工智能的基本構(gòu)成方法，并通過操作實踐實現(xiàn)機器視覺，從機器視覺引出無人駕駛汽車的視覺判斷功能。

課堂中使用Python編程并調(diào)用外部人工智能識別模塊，實現(xiàn)植物識別、動物識別、菜品識別、車型識別等功能，通過Python編程實現(xiàn)“計算思維”培養(yǎng)，通過自主學習卷積核與特征圖的使用實現(xiàn)“數(shù)字化學習與創(chuàng)新”的培養(yǎng)，通過自主學習卷積理解、視覺實現(xiàn)功能實現(xiàn)“信息意識”培養(yǎng)，通過機器視覺的作用與應用實現(xiàn)“信息社會責任”的培養(yǎng)。使用六節(jié)課的自動駕駛中的視覺判斷，實現(xiàn)基于人工智能的高中信息技術(shù)學科核心素養(yǎng)培養(yǎng)。

五、結(jié)語

在面對人工智能教育的熱潮中，海淀區(qū)的人工智能教育注重學科方向性，從人工智能教育的核心內(nèi)容與核心素養(yǎng)定位、基于人工智能核心內(nèi)容的課堂活動設(shè)計、基于人工智能思維方式的課堂活動組織實施方面進行探索和實踐，努力建設(shè)出方向正確、核心內(nèi)容突出、具有海淀特色的人工智能教育課程體系，促進海淀區(qū)中小學人工智能教育健康發(fā)展。